CN113073379A - 籽晶法生长单晶叶片工程化应用的籽晶制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及籽晶法生长单晶叶片工程化应用的籽晶制备工艺，属于高温合金精密铸造技术领域。所述方法包括以下步骤，包括S1，原材料的选取：采用单晶高温合金；S2，籽晶试棒的制备：S21,将步骤S1中的单晶高温合金使用选晶法得到大直径的单晶试棒，再使用单晶试棒切割制备得到目标取向籽晶；S22,将步骤S21中的目标取向籽晶与蜡模试棒组合在一起，通过定向凝固得到籽晶试棒；S23，将步骤S22中的籽晶试棒进行热处理，然后对其宏观腐蚀和单晶完整性检验得到籽晶试棒；S3，籽晶的切割制备。有益效果：操作简单，制造方便；只需检测籽晶试棒取向两次；切割一次，且切割设备简单，精度高，极大提升切割效率，满足批量生产需要。

Description

籽晶法生长单晶叶片工程化应用的籽晶制备工艺

技术领域

本发明属于高温合金精密铸造技术领域，具体涉及籽晶法生长单晶叶片工程化应用的籽晶制备工艺。

背景技术

单晶高温合金在航空发动机及燃气轮机等领域的重要性越来越凸显，在其铸造单晶叶片时，消除了叶片的晶界，从根本上去除了叶片的裂纹源，极大提升了叶片的持久寿命、蠕变性能及抗热疲劳性能，使航空发动机使用性能进一步提高。由于高温合金存在严重的各向异性，晶体取向偏离积叠轴存在一定的角度偏差，导致叶片的蠕变和疲劳寿命相差数倍甚至几十上百倍，因此单晶叶片晶体取向的偏离对使用性能影响的研究具有重要意义。传统的选晶法制备单晶叶片，虽工艺方法较为简单，但只能制备择优取向[001]单晶叶片，且与积叠轴方向的偏离角分散度较大，严重影响叶片的结构强度和使用寿命。而籽晶法制备单晶叶片，其晶体取向精确度高，可以制备任意取向的单晶叶片，如[011]、[111]，但籽晶工艺复杂，易出现杂晶且籽晶制备难度大，故籽晶法制备单晶叶片还未实现工程化应用。

籽晶法制备单晶叶片的原理是在与激冷铜板接触的模壳底部放置一定晶体取向的籽晶，籽晶的成分与所制备单晶体的成分可以一致，也可以不一致。当高温的合金液与低温的籽晶接触时，籽晶的上部局部熔化，形成完全熔化区和半固态熔融区，完全熔化区的籽晶合金和液态高温合金充分扩散混合达到成分均匀。当单晶生长开始后，随着模壳的向下移动，在定向热流的作用下，通过籽晶的引晶作用，籽晶中的枝晶外延生长，最终得到单晶取向与籽晶取向一致的单晶体。

在已公开的籽晶制备方法中存在操作流程繁琐、特制夹具费用高昂、生产效率低、生产成本高等缺点，不适用于工程化应用。

公开号为CN109916693A的发明创造中公开了一种确定铸造单晶高温合金体取向的方法，通过枝晶方向确定铸态单晶高温合金的晶体取向，但未详细提及不同取向籽晶制备的具体方法。

因此，提出一种籽晶法生长单晶叶片工程化应用的籽晶制备工艺以解决现有技术中存在的不足。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题提供籽晶法生长单晶叶片工程化应用的籽晶制备工艺，操作简单，制造方便；只需检测籽晶试棒取向两次；切割一次，且切割设备简单，精度高，极大提升切割效率，满足批量生产需要。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：本籽晶法生长单晶叶片工程化应用的籽晶制备工艺包括S1，原材料的选取：

S1，采用单晶高温合金；

S2，籽晶试棒的制备：

S21,将步骤S1中的单晶高温合金使用选晶法得到大直径的单晶试棒，再使用单晶试棒切割制备得到目标取向籽晶；

S22,将步骤S21中的目标取向籽晶与蜡模试棒组合在一起，通过定向凝固得到籽晶预试棒；

S23，将步骤S22中的籽晶预试棒热处理，然后对宏观腐蚀和单晶完整性检验得到籽晶试棒；

S3，籽晶的制备：

S31，建立晶体坐标系，晶体坐标系定义为正交系，三个轴为1，2，3轴，目标取向近[001]取向，则规定晶体坐标轴：[100]为1轴正方向，[010]为2轴正方向，[001]方向为3轴正方向，[001]方向取<001>晶向族中和定向凝固方向夹角最小的晶向；目标取向近[011]取向，则规定晶体坐标轴：[100]为1轴正方向，为2轴正方向，[011]方向为3轴正方向；目标取向近[111]取向，则规定晶体坐标轴：

为1轴正方向，

为2轴正方向，[111]方向为3轴正方向；

S32，晶体-实际物体取向关系，定义实际物体三轴正交坐标系为XYZ轴，Z轴为“主轴方向”即一次取向方向，如籽晶长度方向，如叶片叶尖--榫头方向；规定“一次取向偏离度角”为α角，定义为Z轴与3轴夹角；规定“一次取向偏转方向角”为β角，定义为Z轴在晶体坐标102平面上的投影向量Z和1轴的夹角；规定“二次取向偏离度角”为γ角，定义为X轴和1轴的夹角；籽晶试棒-晶体坐标系偏离角使用α0，β0，γ0表示，籽晶-晶体坐标系偏离角使用α1，β1，γ1表示，籽晶-叶片坐标系偏差角使用α2，β2，γ2表示，叶片-晶体坐标系偏差角使用α，β，γ表示；

S33，标记步骤S23中的籽晶试棒轴向和径向正方向，确认目标取向斑点，记录α0，β0，γ0角度；

S34,将籽晶试棒使用三向角度转台夹持，从端面切割厚度大于1mm的一片样品进行晶体取向再确认α角，α角低于1°或切割后的籽晶γ1大于1°进行再次切割，γ1小于1°得到预切割籽晶；

S36，对步骤S34中的预切割籽晶按照加工轴和预计晶体取向轴相同的方向切割，清洗去除油污后，进行宏观腐蚀和单晶完整性检验，最后经过表面处理，得到α1和γ1应低于1°的成品籽晶。

有益效果：

(1)、对现场操作人员而言，加工方式简单易操作，无需具备一定的专业技术基础知识；

(2)、直接采用籽晶试棒检测取向，并在籽晶试棒上标注及转换切割角度，只需一次切片确认切割角度，操作过程简单；

(3)、切割设备简单，普通的线切割设备即可切割；无需专用的X射线检测仪，使用普通的劳厄X射线晶体取向测定仪进行标定，成本低廉；

(4)、籽晶制备精度高，可切取任意取向的籽晶，切割后籽晶取向偏离籽晶试棒在1°以内；

(5)、籽晶实现批量生产，极大提升切割效率，满足批量生产需要；

(6)、提出对籽晶表面抗氧化处理方法，制备的单晶籽晶可靠性高，进一步提升晶体取向合格率。

进一步，步骤S21中所述的目标取向试棒的直径大于14mm。

采用上述进一步方案的有益效果是便于进行后续操作。

进一步，步骤S22中，所述目标取向试棒的定向凝固中的采用分段拉晶方式拉晶，拉晶速度4mm/min～8mm/min，浇注温度1500-1600℃。

采用上述进一步方案的有益效果是：保证凝固过程的连续稳定。

进一步，步骤S23中，所述籽晶预试棒通过固溶处理，固溶制度800±10℃/1h-1000±10℃/1h-1300±10℃/12h。

采用上述进一步方案的有益效果是：为随后的热处理准备最佳条件。

进一步，步骤S23中，所述宏观腐蚀为化学腐蚀，腐蚀液由40％三氯化铁溶液和40％浓盐酸混合而成，腐蚀时间为8-10min；腐蚀后将籽晶预试棒放置在5％NaHCO3室温溶液中浸泡，浸泡时间为2-4min，再进行超声波清洗，超声波频率为15-30Hz，水温40-60℃，清洗时间3-6min，最后烘干。

采用上述进一步方案的有益效果是：检测原始籽晶试棒单晶完整性，保证后续制备的籽晶无杂晶，并清洗干净试棒。

进一步，所述成品籽晶的籽晶端面尺寸为5mm×5mm，长度应不小于15mm。

采用上述进一步方案的有益效果是：满足蜡模组合的要求，且籽晶具备一定的承压能力。

进一步，步骤S36中，所述预切割籽晶切割后的表面热处理采用滚镀Pt或者挂镀Pt或电镀，电镀采用QS-2R溶液，电镀温度大于80℃，PH11.5±0.5，镀层后的为5-8μm。

采用上述进一步方案的有益效果是：为抑制籽晶氧化带来的冶金融合不充分等缺陷。

附图说明

图1为本实例提供的籽晶试棒结构示意图；

图2为本实施例提供的晶体坐标系图；

图3为本实施例制备[111]取向籽晶生长单晶叶片的籽晶段微观组织示意图；

图4为本实施例制备[001]取向籽晶生长单晶叶片的籽晶段微观组织示意图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本实施例提供籽晶法生长单晶叶片工程化应用的籽晶制备工艺，包括：S1，原材料的选取：采用单晶高温合金；

S2，籽晶试棒的制备：

S21,将步骤S1中的单晶高温合金使用选晶法得到大直径的单晶试棒，再使用单晶试棒切割制备得到目标取向籽晶，将目标取向籽晶与蜡模试棒组合在一起，通过定向凝固得到籽晶预试棒；

所述的籽晶预试棒的直径应大于14mm，因蜡模制备等产生的弯曲变形应严格控制，在有效长度内积累的轴向偏离不应大于1°；

S22,将步骤S21中的目标取向试棒通过蜡模定向凝固和浇铸得到籽晶预试棒，

所述目标取向试棒的定向凝固工艺：采用分段拉晶方式拉晶，拉晶速度6mm/min，浇注温度1580℃，保证凝固过程的连续稳定；

S23，为成分均匀化和去应力，籽晶试棒采用固溶热处理加炉冷工艺；

将步骤S22中的籽晶预试棒热处理，腐蚀液由40％三氯化铁溶液和40％浓盐酸混合而成，腐蚀时间为9min；腐蚀后将籽晶预试棒放置在5％NaHCO3室温溶液中浸泡，浸泡时间为3min，通过超声波清洗机对化学腐蚀产生的反应物清洗，超声波频率为20Hz，水温50℃，清洗时间5min，最后烘干；

籽晶试棒入炉前和在固溶处理过程中不允许同钠、钾、钙等碱土金属接触，以防污染合金。

固溶制度800±10℃/1h-1000±10℃/1h-1300±10℃/12h随炉冷却；

热处理后的试棒应100％进行外观质量检验，应无熔蚀、碰伤、划伤、锈蚀等缺陷。

为确保籽晶试棒单晶完整性，热处理后籽晶试棒应100％进行宏观腐蚀和单晶完整性检验。

在单一光源房间内对试棒进行视检，试棒在光源下转动观察反光差异。试棒有效区域内不得有杂晶，再结晶等缺陷。部分杂晶样品若切除杂晶部分仍足够切割籽晶则重复宏观显晶腐蚀确认后使用。

如图1所示，籽晶试棒是用于制备籽晶的试棒。测试取向方向的长轴向为Z0正方向，标定的径向箭头为X0正方向，Y0正方向依据右手系确定。

S3，籽晶加工采用残余应力较小的线切割加工，先精确标定籽晶试棒晶体取向，再线切割加工，加工后清洗并腐蚀去除电火花加工影响区，探入段电镀铂。籽晶的制备：

籽晶是由籽晶试棒切割形成的小晶体，直接用于籽晶法外延生长的晶核，不要求二次取向的籽晶外形为正方柱体，高度方向为Z方向，底边方向为X方向和Y方向。

要求二次取向的籽晶外形为斜切底面的正方柱体，斜切底面是为了破坏方柱对称特性，便于籽晶坐标轴确立和识别，较短侧面外法向为X正方向，非斜切顶面外发法向为Z正方向，被截侧面为Y方向。

S31，建立晶体坐标系，晶体坐标系定义为正交系，三个轴为1，2，3轴，目标取向近[001]取向，则规定晶体坐标轴：[100]为1轴正方向，[010]为2轴正方向，[001]方向为3轴正方向，[001]方向取<001>晶向族中和定向凝固方向夹角最小的晶向；目标取向近[011]取向，则规定晶体坐标轴：[100]为1轴正方向，为2轴正方向，[011]方向为3轴正方向；目标取向近[111]取向，则规定晶体坐标轴：

为1轴正方向，

为2轴正方向，[111]方向为3轴正方向；

S32，晶体-实际物体取向关系，定义实际物体三轴正交坐标系为XYZ轴，Z轴为“主轴方向”即一次取向方向，如籽晶长度方向，如叶片叶尖--榫头方向；规定“一次取向偏离度角”为α角，定义为Z轴与3轴夹角；规定“一次取向偏转方向角”为β角，定义为Z轴在晶体坐标102平面上的投影向量Z和1轴的夹角；规定“二次取向偏离度角”为γ角，定义为X轴和1轴的夹角；籽晶试棒-晶体坐标系偏离角使用α0，β0，γ0表示，籽晶-晶体坐标系偏离角使用α1，β1，γ1表示，籽晶-叶片坐标系偏差角使用α2，β2，γ2表示，叶片-晶体坐标系偏差角使用α，β，γ表示；

S33，标记步骤S23中的籽晶试棒轴向和径向正方向，确认目标取向斑点，记录α0，β0，γ0角度；

S34,将籽晶试棒使用三向角度转台夹持，从端面切割厚度大于1mm的一片样品进行晶体取向再确认α角，α角低于1°或切割后的籽晶γ1大于1°进行再次切割，γ1小于1°得到预切割籽晶；

S36，对步骤S34中的预切割籽晶按照加工轴和预计晶体取向轴相同的方向切割，切割用的夹具采用专利号为CN211389613U的切割夹具，清洗去除油污后，使用20％三氯化铁溶液和20％浓盐酸溶液配比腐蚀液，籽晶进行化学浸蚀，化学腐蚀时间为9分钟，。籽晶比表面积大，需要充分摊开避免反应升温过快。腐蚀结束应完全去除籽晶表面线切割再铸层等电火花影响区，腐蚀不充分的应再次腐蚀，直到完全去除线电火花加工影响区；

将腐蚀后籽晶放置在5％NaHCO3室温溶液中浸泡3分钟，中和表面酸液，再使用超声波清洗机对化学腐蚀产生的反应物清洗，超声波频率为20KHz，水温50℃，清洗时间5分钟，烘干。

每根籽晶试棒所切籽晶抽取两个进行晶体取向测试，取向标定前使用马克笔标记试棒轴向和径向正方向，约束试棒自由度，晶体取向使用劳厄X射线晶体取向测定仪进行标定，电压(20～30)KV，电流(10～20)mA，曝光(30～90)S，确认目标取向斑点，记录α0，β0，γ0角度。计算将目标取向调整到加工取向所需的转动路径。

籽晶试棒取向回正：将籽晶试棒使用三向角度转台夹持，按9.1测试结果调整试棒Z轴向和线切割加工轴向夹角关系，从端面切割厚度大于1mm的一片样品进行晶体取向再确认α角，回调后的α角应低于1°。

籽晶二次取向：

对于有二次取向要求的样品，还应对试棒进行滚转，使得加工后籽晶γ1低于1°，无二次取向要求的籽晶可不调整γ1角。

籽晶线切割：加工前应确认加工平台上没有之前加工其他批次籽晶的遗漏残料，严防混样。对已经夹持并取向调整后的籽晶试棒进行线切割加工，切割和转换切割方向过程中应保证加工轴和预计晶体取向轴保持一致，切割的籽晶端面尺寸为5mm×5mm，长度应不小于15mm。不影响二次取向判断的前提下可以使用部分缺角的籽晶，但横截面积低于6mm2的缺角籽晶应舍弃。

线切割后可用籽晶使用超声波清洗机丙酮清洗去除油污，超声波频率为20KHz，清洗时间5分钟，烘干。

籽晶显晶腐蚀，化学腐蚀：使用20％三氯化铁溶液和20％浓盐酸溶液配比腐蚀液，籽晶进行化学浸蚀，化学腐蚀时间为9分钟。籽晶比表面积大，需要充分摊开避免反应升温过快。腐蚀结束应完全去除籽晶表面线切割再铸层等电火花影响区，腐蚀不充分的应再次腐蚀，直到完全去除线电火花加工影响区。

将腐蚀后籽晶放置在5％NaHCO3室温溶液中浸泡3分钟，中和表面酸液，再使用超声波清洗机对化学腐蚀产生的反应物清洗，超声波频率为20KHz，水温50℃，清洗时间5分钟，烘干。

籽晶取向复验:每根籽晶试棒所切籽晶抽取两个进行晶体取向测试，晶体取向使用劳厄X射线晶体取向测定仪进行标定。α1和γ1应低于1°，取向超差籽晶可根据取向控制需求降级使用，但应记录该批次籽晶完整晶体取向信息。

对籽晶进行100％单晶视检，确认腐蚀已经充分去除线切割痕迹，所有籽晶单晶完整，没有磕碰变形。

籽晶表面处理:

预切割籽晶切割后的表面热处理采用滚镀Pt或者挂镀Pt或电镀，对于预埋法籽晶，采用滚镀Pt或者挂镀Pt的表面抗氧化保护，籽晶探入段Pt镀层厚度控制在5-8微米，非探入段可以无镀层；电镀采用QS-2R溶液，电镀温度90℃，PH11.5±0.5，镀层厚度为5μm，得到α1和γ1应低于1°的成品籽晶，所述成品籽晶的籽晶端面尺寸为5mm×5mm，长度应不小于15mm。

籽晶存放:

完成制备的籽晶清洗烘干，堆垛存放，每批次籽晶单独记录存α1，β1，γ1角度，整体制备过程中籽晶不得由磕碰，冲击等，减少熔铸环节籽晶再结晶风险。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“内”、“外”、“周侧”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种籽晶法生长单晶叶片工程化应用的籽晶制备工艺，其特征在于，包括：

S1，原材料的选取：

采用单晶高温合金；

S2，籽晶试棒的制备：

S21,将步骤S1中的单晶高温合金使用选晶法得到大直径的单晶试棒，再使用单晶试棒切割制备得到目标取向籽晶；

S22,将步骤S21中的目标取向籽晶与蜡模试棒组合在一起，通过定向凝固得到籽晶预试棒；

S23，将步骤S22中的籽晶预试棒热处理，然后对宏观腐蚀和单晶完整性检验得到籽晶试棒；

S3，籽晶的制备：

S31，建立晶体坐标系，晶体坐标系定义为正交系，三个轴为1，2，3轴，目标取向近[001]取向，则规定晶体坐标轴：[100]为1轴正方向，[010]为2轴正方向，[001]方向为3轴正方向，[001]方向取<001>晶向族中和定向凝固方向夹角最小的晶向；目标取向近[011]取向，则规定晶体坐标轴：[100]为1轴正方向，为2轴正方向，[011]方向为3轴正方向；目标取向近[111]取向，则规定晶体坐标轴：

为1轴正方向，

为2轴正方向，[111]方向为3轴正方向；

S32，晶体-实际物体取向关系，定义实际物体三轴正交坐标系为XYZ轴，Z轴为“主轴方向”即一次取向方向，如籽晶长度方向，如叶片叶尖--榫头方向；规定“一次取向偏离度角”为α角，定义为Z轴与3轴夹角；规定“一次取向偏转方向角”为β角，定义为Z轴在晶体坐标102平面上的投影向量Z和1轴的夹角；规定“二次取向偏离度角”为γ角，定义为X轴和1轴的夹角；籽晶试棒-晶体坐标系偏离角使用α0，β0，γ0表示，籽晶-晶体坐标系偏离角使用α1，β1，γ1表示，籽晶-叶片坐标系偏差角使用α2，β2，γ2表示，叶片-晶体坐标系偏差角使用α，β，γ表示；

S33，标记步骤S23中的籽晶试棒轴向和径向正方向，确认目标取向斑点，记录α0，β0，γ0角度；

S34,将籽晶试棒使用三向角度转台夹持，从端面切割厚度大于1mm的一片样品进行晶体取向再确认α角，α角低于1°或切割后的籽晶γ1大于1°进行再次切割，γ1小于1°得到预切割籽晶；

S36，对步骤S34中的预切割籽晶按照加工轴和预计晶体取向轴相同的方向切割，清洗去除油污后，进行宏观腐蚀和单晶完整性检验，最后经过表面处理，得到α1和γ1应低于1°的成品籽晶。

2.根据权利要求1所述的籽晶法生长单晶叶片工程化应用的籽晶制备工艺，其特征在于，步骤S21中所述的目标取向试棒的直径大于14mm。

3.根据权利要求1所述的籽晶法生长单晶叶片工程化应用的籽晶制备工艺，其特征在于，步骤S22中，所述目标取向试棒的定向凝固工艺：采用分段拉晶方式拉晶，拉晶速度4mm/min～8mm/min，浇注温度1500-1600℃。

4.根据权利要求1所述的籽晶法生长单晶叶片工程化应用的籽晶制备工艺，其特征在于，步骤S23中，所述籽晶预试棒通过固溶处理，固溶制度800±10℃/1h-1000±10℃/1h-1300±10℃/12h。

5.根据权利要求1所述的籽晶法生长单晶叶片工程化应用的籽晶制备工艺，其特征在于，步骤S23中，所述宏观腐蚀为化学腐蚀，腐蚀液由40％三氯化铁溶液和40％浓盐酸混合而成，腐蚀时间为8-10min；腐蚀后将籽晶预试棒放置在5％NaHCO3室温溶液中浸泡，浸泡时间为2-4min，再进行超声波清洗，超声波频率为15-30Hz，水温40-60℃，清洗时间3-6min，最后烘干。

6.根据权利要求1所述的籽晶法生长单晶叶片工程化应用的籽晶制备工艺，其特征在于，步骤S36中，所述成品籽晶的籽晶端面尺寸为5mm×5mm，长度应不小于15mm。

7.根据权利要求1所述的籽晶法生长单晶叶片工程化应用的籽晶制备工艺，其特征在于，步骤S36中，所述预切割籽晶切割后的表面热处理采用滚镀Pt或者挂镀Pt或电镀，电镀采用QS-2R溶液，电镀温度大于80℃，PH11.5±0.5，镀层后的为5-8μm。

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