CN112453357B - 台体型籽晶制备重型燃机用大尺寸单晶叶片的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种台体型籽晶制备重型燃机用大尺寸单晶叶片的方法，属于单晶叶片制备技术领域。本发明采用自身具有颈缩作用的台体型籽晶，因此起晶段不需要额外颈缩部分，结构简单，同时可提高单晶叶片在蜡模组合、制壳涂料过程中的起晶段强度，并降低型壳的整体高度。通过对定向凝固设备保温炉内温度场的测定，确定台体型籽晶高度，台体籽晶的上下底面积之比值选取范围为0.2‑0.6。定向凝固过程中，单晶生长起始于台体型籽晶上端未熔化界面，以外延生长方式，通过枝晶生长与扩展向上连续生长，从而完成整个单晶叶片的生长。对台体型籽晶三维取向标定，可实现对大尺寸单晶叶片三维取向的控制。
Description
技术领域
本发明涉及单晶叶片的定向凝固技术领域，具体涉及一种台体型籽晶制备重型燃机用大尺寸单晶叶片的方法。
背景技术
与航空发动机叶片比较，重型燃气轮机透平叶片具有同样复杂的内腔冷却结构，但尺寸大、重量大，叶片缺陷形成倾向显著增加，尤其是重型燃机用单晶叶片制造工艺难度更是明显增大。航空发动机用涡轮工作叶片长度一般不超过100mm，重量一般不超过150g，而重型燃气轮机用单晶工作叶片长度大于250mm，一般重量大于10kg，二者相差悬殊。制备单晶叶片通常采用选晶法与籽晶法，针对航机叶片，选晶法得到了广泛应用，但对于重型燃机用大尺寸单晶叶片，采用晶粒通过竞争生长、几何淘汰获得择优取向的选晶法制备单晶叶片，因取向偏离角度过大而导致叶片报废的成本远高于航机叶片。同时，单晶高温合金的最显著特征就是具有各向异性，对于单晶叶片来说，不仅单晶一次取向与叶片轴向的偏离程度对叶片的性能产生显著影响，单晶的二次取向也会对叶片的性能产生重要的影响。基于择优生长原理的选晶法只能制备[001]取向的单晶，而单晶的二次取向随机。籽晶法解决了选晶法的不足之处，通过对制备籽晶取向的标定，可以实现对单晶叶片的一次取向与二次取向的控制，从而提高单晶叶片的使用性能。对于航机叶片，因籽晶制备工序繁琐与成本考量，未得到大量应用，但对于重型燃机用大尺寸单晶叶片，籽晶法则是更为适合的选择。
传统籽晶技术采用圆柱或棱柱型等截面的籽晶，单晶生长初始阶段在籽晶的外围可能产生杂晶，因此起晶段需要额外的颈缩部分，如二级引晶段或螺旋选晶器等(图1与图2)，用来阻止籽晶表面杂晶继续生长，以保证一个晶粒继续向上生长。然而，颈缩部分不但成为蜡模组合、制壳涂料过程中的薄弱环节，对于尺寸与重量都显著增加的重型燃机用大尺寸叶片在这些工序中更易发生颈缩部分产生微裂纹或断裂，断裂会导致型壳直接报废，而不易发现的微裂纹会导致浇铸过程中漏钢的发生，造成更严重的损失。同时，颈缩部分的加入会使型壳的整体高度增加，会延长定向凝固过程中的抽拉时间，会增加型壳面层与熔体接触时间，引发熔体与面层反应，会增加型芯在熔体中的浸泡时间，导致型芯变形等不利因素发生。
发明内容
为克服传统籽晶法存在的上述不足之处，本发明的目的在于提供一种台体型籽晶制备重型燃机用大尺寸单晶叶片的方法，该方法采用自身具有颈缩作用的台体型籽晶制备重型燃机用大尺寸单晶叶片，既可控制大尺寸单晶叶片的三维取向，避免因取向偏离导致叶片不合格，又可避免传统籽晶法的颈缩部分在各工序中潜在危险，有利于提高制备重型燃机用大尺寸单晶叶片的成功率。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种台体型籽晶制备重型燃机用大尺寸单晶叶片的方法，该方法是采用自身具有颈缩作用的台体型籽晶制备重型燃机用大尺寸单晶叶片，在定向凝固过程中，单晶生长起始于台体型籽晶上端未熔化界面，以外延生长方式，通过枝晶生长与扩展向上连续生长，从而完成整个单晶叶片的生长。
该方法中，由于采用自身具有颈缩作用的台体型籽晶，因此台体型籽晶上端与型壳底部直接连接，起晶段不需要额外颈缩部分，如螺旋选晶器、二级引晶段等，结构简单，同时可提高单晶叶片在蜡模组合、制壳涂料过程中的起晶段强度，并降低型壳的整体高度。
所述台体型籽晶为圆台或棱台结构；通过对定向凝固设备保温炉内温度场的测定，确定台体型籽晶高度，保证籽晶上端部分在置放籽晶的型壳内腔内熔化；台体型籽晶的上下底面积之比值选取范围为0.2-0.6。
该方法中，对台体型籽晶三维取向标定，可实现对大尺寸单晶叶片三维取向的控制。
本发明的优点和有益效果如下：
1、本发明在制备重型燃机叶片时采用台体型籽晶，由于台体型籽晶自身具有颈缩作用，因此本发明中起晶段不需要额外颈缩部分，结构简单，同时可提高单晶叶片在蜡模组合、制壳涂料过程中的起晶段强度，并降低型壳的整体高度。
2、本发明通过对定向凝固设备保温炉内温度场的测定，确定台体型籽晶高度，台体籽晶的上下底面积之比值选取范围为0.2-0.6。定向凝固过程中，单晶生长起始于台体型籽晶上端未熔化界面，以外延生长方式，通过枝晶生长与扩展向上连续生长，从而完成整个单晶叶片的生长。
3、对台体型籽晶三维取向标定，可实现对大尺寸单晶叶片三维取向的控制。
附图说明
图1为现有技术中的籽晶法起晶段结构示意图。
图2为现有技术中的籽晶法起晶段结构示意图。
图3为本发明中的籽晶法起晶段结构示意图。
图4为本发明实施例所制备R0110重型燃气轮机单晶四级动叶。
图5为本发明实施例所制备R0110重型燃气轮机单晶一级动叶。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步详细说明。
本发明提供了一种台体型籽晶制备重型燃机用大尺寸单晶叶片的方法，采用自身具有颈缩作用的台体型籽晶制备重型燃机用大尺寸单晶叶片，定向凝固过程中，单晶生长起始于台体型籽晶上端未熔化界面，以外延生长方式，通过枝晶生长与扩展向上连续生长，从而完成整个单晶叶片的生长。
如图3所示，本发明采用的台体型籽晶为圆台或棱台结构，因自身具有颈缩的作用，因此本发明中起晶段不需要额外颈缩部分(如螺旋选晶器、二级引晶段等)，将台体型籽晶上端面与型壳下表面直接接触即可。
通过对定向凝固设备保温炉内温度场的测定，确定台体型籽晶高度，保证籽晶上端部分在置放籽晶的型壳内腔内熔化；台体籽晶的上下底面积之比值选取范围为0.2-0.6。台体型籽晶进行三维取向标定，可实现对大尺寸单晶叶片三维取向的控制。
实施例1：
本实施例选取第一代抗热腐蚀单晶高温合金DD10在大型半连续LMC定向凝固设备中通过圆台籽晶法制备重型燃气轮机用大尺寸单晶叶片，共选用了2种不同上下底面积之比的圆台籽晶，籽晶的一次取向均为[001]晶向。
1.从以选晶法制取的具有[001]取向的DD10合金单晶试棒中切取上底面直径10mm、下底面直径为16mm、高度为30mm的圆台籽晶。在陶瓷型壳烧制成型后，将圆台籽晶置入其籽晶腔内，以同成分的母合金为实验材料制备R0110重型燃气轮机四级动叶，经定向凝固可得到按籽晶一次取向[001]方向生长的单晶叶片。叶片表面具有典型一次取向[001]方向的枝晶纹理，如图4所示。
2.从以选晶法制取的具有[001]取向的DD10合金单晶试棒中切取上底面直径12mm、下底面直径为16mm、高度为30mm的圆台籽晶。在陶瓷型壳烧制成型后，将圆台籽晶置入其籽晶腔内，以同成分的母合金为实验材料制备R0110重型燃气轮机一级动叶，经定向凝固可得到按籽晶一次取向[001]方向生长的单晶叶片。叶片表面具有典型一次取向[001]方向的枝晶纹理，如图5所示。
Claims (2)
1.一种台体型籽晶制备重型燃机用大尺寸单晶叶片的方法，其特征在于：该方法是采用自身具有颈缩作用的台体型籽晶制备重型燃机用大尺寸单晶叶片，在定向凝固过程中，单晶生长起始于台体型籽晶上端未熔化界面，以外延生长方式，通过枝晶生长与扩展向上连续生长，从而完成整个单晶叶片的生长；
该方法中，由于采用自身具有颈缩作用的台体型籽晶，因此台体型籽晶上端与型壳底部直接连接，起晶段不需要额外颈缩部分，结构简单，同时可提高单晶叶片在蜡模组合、制壳涂料过程中的起晶段强度，并降低型壳的整体高度；
所述台体型籽晶为圆台或棱台结构；通过对定向凝固设备保温炉内温度场的测定，确定台体型籽晶高度，保证籽晶上端部分在置放籽晶的型壳内腔内熔化；台体型籽晶的上下底面积之比值选取范围为0.2-0.6。
2.根据权利要求1所述的台体型籽晶制备重型燃机用大尺寸单晶叶片的方法，其特征在于：对台体型籽晶三维取向标定，可实现对大尺寸单晶叶片三维取向的控制。
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