CN113084088A - 精控服役方向晶体取向的双联单晶导向叶片的铸造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及精控服役方向晶体取向的双联单晶导向叶片的铸造方法，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，籽晶的制备：检测单晶试棒上的所需晶体取向，单晶体的<001>取向方向与籽晶斜切端面C的法线方向相平行，再通过籽晶的轴向方向Z与单晶体的<001>取向方向呈α角进行切割。S2，压制蜡模：压制浇口杯、上圆盘、中柱管、底板、冒口、叶片蜡模以及籽晶器蜡模；S3，蜡模组合；S4，模壳的制备；S5，熔炼浇注得到双联单晶叶片铸件。有益效果：可以有效解决双联整体单晶导向叶片的单晶完整性、晶体取向和疏松缺陷控制等技术难题，铸件<001>取向方向与主应力轴之间的夹角控制在5°以内，大幅度提高叶片的服役性能及铸造合格率。

Description

精控服役方向晶体取向的双联单晶导向叶片的铸造方法

技术领域

本发明属于高温合金精密铸造技术领域，具体涉及精控服役方向晶体取向的双联单晶导向叶片的铸造方法。

背景技术

随着对航空发动机推重比以及性能指标要求的不断提高，航空发动机涡轮前进口温度也不断提升，甚至已高达1650℃。航空发动机超过极限的参数要求最终都要落实到发展尖端的材料、制造工艺上，单晶高温合金涡轮叶片的研制已成为现代航空发动机设计与制造的重大关键技术之一。单晶叶片就是只有一个晶粒的铸造叶片，整个叶片在内部晶体结构上没有应力集中和容易断裂的薄弱点。然而由于双联单晶导向叶片具有极其复杂的结构，很难实现整体铸造，目前国内主要采用单联铸造、组合焊接的制造方式，但组焊叶片因存在焊缝强度不足、焊缝再结晶等问题，影响了叶片的结构强度和发动机性能的提升，因此，整体铸造双联单晶导向叶片技术亟待突破。

单晶叶片的力学性能具有显著的各向异性，当叶片服役时的受应力方向与<001>取向一致时，其性能最好，实际生产中通常要求单晶叶片的<001>取向偏离主应力轴方向的角度不大于15°，否则报废。然而，由于双联单晶导向叶片几何结构复杂，沿应力轴方向，叶片的截面尺寸突变严重，根据定向凝固理论，传统的单晶工艺几乎不可能实现叶片的单晶成型和主应力轴方向的取向精控。因此，研发可精控服役方向晶体取向的双联整铸单晶导向叶片的精铸方法是精铸领域亟需解决的问题。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题提供精控服役方向晶体取向的双联单晶导向叶片的铸造方法，可以有效解决双联整体单晶导向叶片的单晶完整性、晶体取向和疏松缺陷控制等技术难题，铸件<001>取向方向与主应力轴之间的夹角控制在5°以内，大幅度提高叶片的服役性能及铸造合格率。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：本精控服役方向晶体取向的双联单晶导向叶片的铸造方法包括S1，籽晶的制备：

检测单晶试棒上的所需晶体取向，单晶体的取向方向[001]与籽晶斜切端面C的法线方向相平行，再通过籽晶的轴向方向Z与单晶体的取向方向[001]呈α角进行切割，α角的偏差控制在±2°以内，然后对其宏观腐蚀和单晶完整性检验得到籽晶；

S2，压制蜡模：

压制浇口杯、上圆盘、中柱管、底板、冒口、叶片蜡模以及籽晶器蜡模；

S3，蜡模组合：

将叶片蜡模和籽晶器蜡模组合成模组主体，规定双联单晶叶片铸造热流方向A与主应力轴方向B的夹角为β,β角为30-60°,并转动籽晶器蜡模，角度为γ，使籽晶<001>取向与叶片主应力轴方向B的平行，γ＝β-α≤±2°；然后将浇口杯、上圆盘、中柱管、底板自上而下依次连接形成模组框架，在将模组主体设置在底板上，叶片蜡模的缘板通过冒口与上圆盘连接；

S4，模壳的制备：

涂壳层数控制在5-8层，料浆为320目白刚玉粉和硅溶胶，粉液比为(2.5-4.5):1，撒砂材料为20-80目的白刚玉砂，然后脱蜡，脱蜡完成后进行焙烧得到模组模壳；

S5，熔炼浇注：

铸造合金为单晶高温合金，熔炼浇注设备为真空定向凝固炉，将熔融的高温合金液体浇注至模壳中，静置后，采用分段拉晶方式拉晶，实现单晶叶片的定向凝固。然后冷却模壳后脱壳，最后经过切割浇道、脱芯碱煮、热处理、腐蚀检查单晶完整性、打磨抛修、荧光检测、X射线检测工序得到双联单晶叶片铸件。

有益效果：可以有效解决双联整体单晶导向叶片的单晶完整性、晶体取向和疏松缺陷控制等技术难题，铸件<001>取向方向与主应力轴之间的夹角控制在5°以内，大幅度提高叶片的服役性能及铸造合格率。

进一步，步骤S1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，避免后续制备的叶片因籽晶杂晶造成报废。

进一步，步骤S2中，所述压注压力为5-30bar，保压时间为5-100s，蜡料温度为50-80℃。

采用上述进一步方案的有益效果是：蜡模表面质量好、尺寸稳定。

进一步，步骤S3中，所述叶片蜡模和所述籽晶器蜡模通过石蜡连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：操作方便，连接稳固。

进一步，步骤S4中，，涂壳层数为5-8层；脱蜡的压力为0.3-1Mpa，温度为100-200℃；焙烧的温度为600-950℃，时间2-10h。

采用上述进一步方案的有益效果是：成本低，制造方便，干燥后能达到承受高温合金液的强度。

进一步，步骤S5中，浇注采用1500-1600℃高温合金液，静置的时间为2-10min，拉晶速度为1-8mm/min，冷却时间为5-7h。

采用上述进一步方案的有益效果是：尺寸精度高、单晶完整性良好。

附图说明

图1是本发明双联单晶导向叶片用高温合金籽晶示意图；

图2是本发明双联单晶导向叶片蜡模组合夹具示意图；

图3是图2中Ⅰ的放大图；

图4是本发明双联单晶导向叶片蜡模组合方案示意图；

图5是本发明双联单晶导向叶片铸件<001>取向示意图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、叶片蜡模；2、籽晶器蜡模；3、浇口杯；4、上圆盘；5、中柱管；6、底板；7、冒口；8、可调式籽晶固定器。

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

本实施例提供精控服役方向晶体取向的双联单晶导向叶片的铸造方法，包括：

S1，籽晶的制备：

选用单晶试棒为原材料，使用劳厄X射线晶体取向测定仪检测单晶试棒上的所需晶体取向，单晶体的取向方向<001>与籽晶斜切端面C的法线方向相平行，再通过籽晶的轴向方向Z与单晶体的取向方向[001]呈α角进行切割，α角为55°，经劳厄法测量，α角存在1°的偏差，对籽晶表面进行腐蚀、清洗，去除线切割加工影响区和表面多余粘附物，然后对其宏观腐蚀和单晶完整性检验得到籽晶，如图1所示；

S2，压制蜡模：

采用专用模具，在高压压注机上压制浇口杯3、上圆盘4、中柱管5、底板6、冒口7、叶片蜡模1以及籽晶器蜡模2，所述叶片蜡模的压注压力为10bar，保压时间为60s，蜡料温度为60℃；

S3，蜡模组合：

如图2所示，采用专用组合夹具将叶片蜡模1和籽晶器蜡模2组合成模组主体，规定双联单晶叶片铸造热流方向A与主应力轴方向B的夹角为β,β角为55°,铸件自下而上截面尺寸呈逐渐变大的趋势，可较好地保证叶片的单晶完整性。组合前，调整籽晶<001>取向与叶片主应力轴方向B的平行度,旋转可调式籽晶固定器，带动籽晶器转动γ＝1°，使籽晶<001>取向与叶片主应力轴方向B相平行，以精确控制叶片服役方向的晶体取向；

如图3所示，然后将浇口杯3、上圆盘4、中柱管5、底板6自上而下依次连接形成模组框架，在将模组主体设置在底板6上，保证籽晶的轴向方向垂直于底板6，叶片两端的缘板通过冒口7与上圆盘4连接，每模组叶片数量为2件，沿底板6圆周均匀分布；

所述的β角主要根据双联单晶叶片的结构特点而设计，叶片的结构不同β角也不同，范围控制在30°-60°之间。

所述专用蜡模组合夹具的使用方法：将可调式籽晶固定器的中心线调整至0°并固定，即夹具归零；将叶片蜡模1和籽晶器蜡模2固定在组合夹具的随形槽内，随形槽的尺寸按蜡模扩大0.05mm设计，可有效防止叶片与籽晶在垂直面内的转动；旋转可调式籽晶固定器8，带动籽晶器转动γ，使籽晶<001>取向方向与叶片主应力轴方向平行，γ＝β-α≤±2°；用石蜡将双联单晶叶片蜡模和籽晶器蜡模连接在一起，形成模组主体；

所述模组中，内冒口7和上圆盘4位于缘板最后凝固的部位，缘板处金属得到补缩，防止了疏松缺陷的产生；浇口杯3和上圆盘4中设置陶瓷过滤网，双重过滤，可大大减少夹杂缺陷的产生；金属液注入后，籽晶的上部局部熔化，形成完全熔化区和半固态熔融区，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，籽晶发挥引晶作用，枝晶外延生长，通过籽晶器引晶至双联单晶导向叶片上，籽晶法具有“种瓜得瓜，种豆得豆”的效果，叶片的<001>取向与籽晶的<001>取向方向保持一致，即沿着叶片主应力轴的方向，从而实现双联单晶导向叶片服役方向晶体取向的精准控制，见图4；

S4，模壳的制备：

涂壳层数为6层，料浆为320目白刚玉粉和硅溶胶，粉液比为(2.5-4.5):1，撒砂材料为白刚玉砂，第一层砂料粒度为80目，第二、三砂料粒度层为60目，第四层砂料粒度为30目、第五层砂料粒度为20目，最后一层为固沙层，涂料封浆，然后在180℃下脱蜡，在800℃下焙烧5个小时获得双联整铸单晶导向叶片精铸壳型；

S5，熔炼浇注：

熔炼浇注设备为真空单晶炉，精炼温度1660℃，精炼时间为2min，降温至1500℃浇注，静置3min后，采用4mm/min的拉晶速度实现叶片的定向凝固，形成单晶叶片。待金属模组冷却后，用锤子敲击浇道部位脱去模组上的壳型，最后经过切割浇道、脱芯、碱煮、热处理、腐蚀检查单晶完整性、打磨抛修、荧光检测、X射线检测工序得到双联单晶叶片铸件。

有益效果：本发明制备的双联整铸单晶导向叶片，可以较好地控制杂晶、疏松、夹杂等冶金缺陷的产生，尺寸稳定性高，并且可以精确控制叶片服役方向的晶体取向在5°之内，从根本上提高叶片的使用性能，满足先进航空发动机的需求。

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 (6)

1.一种精控服役方向晶体取向的双联单晶导向叶片的铸造方法，其特征在于，包括：

S1，籽晶的制备：

检测单晶试棒上的所需晶体取向，单晶体的<001>取向方向与籽晶斜切端面C的法线方向相平行，再通过籽晶的轴向方向Z与单晶体的<001>取向方向呈α角进行切割，α角的偏差控制在±2°以内，然后对其宏观腐蚀和单晶完整性检验得到籽晶；

S2，压制蜡模：

压制浇口杯(3)、上圆盘(4)、中柱管(5)、底板(6)、冒口(7)、叶片蜡模(1)以及籽晶器蜡模(2)；

S3，蜡模组合：

将叶片蜡模(1)和籽晶器蜡模(2)组合成模组主体，规定双联单晶叶片铸造热流方向A与主应力轴方向B的夹角为β,β角为30-60°,并转动籽晶器蜡模(2)，角度为γ，使籽晶<001>取向与叶片主应力轴方向B平行，γ＝β-α≤±2°，然后将浇口杯(3)、上圆盘(4)、中柱管(5)、底板(6)自上而下依次连接形成模组框架，将模组主体设置在底板(6)上，叶片蜡模(1)的缘板通过冒口(7)与上圆盘(4)连接；

S4，模壳的制备：

涂壳层数控制在5-8层，料浆为320目白刚玉粉和硅溶胶，粉液比为(2.5-4.5):1，撒砂材料为20-80目的白刚玉砂，然后脱蜡，脱蜡完成后进行焙烧得到模壳；

S5，熔炼浇注：

铸造合金为单晶高温合金，熔炼浇注设备为真空定向凝固炉，将熔融的高温合金液浇注至模壳中，静置后，采用分段拉晶方式拉晶，实现单晶叶片的定向凝固，然后冷却模壳后脱壳，最后经过切割浇道、脱芯、碱煮、热处理、腐蚀检查单晶完整性、打磨抛修、荧光检测、X射线检测工序得到双联单晶叶片铸件。

2.根据权利要求1所述的精控服役方向晶体取向的双联单晶导向叶片的铸造方法，其特征在于，步骤S1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。

3.根据权利要求1所述的精控服役方向晶体取向的双联单晶导向叶片的铸造方法，其特征在于，步骤S2中，所述压注压力为5-30bar，保压时间为5-100s，蜡料温度为50-80℃。

4.根据权利要求1所述的精控服役方向晶体取向的双联单晶导向叶片的铸造方法，其特征在于，步骤S3中，所述叶片蜡模(1)和所述籽晶器蜡模(2)通过石蜡连接。

5.根据权利要求1所述的精控服役方向晶体取向的双联单晶导向叶片的铸造方法，其特征在于，步骤S4中，涂壳层数为5-8层；脱蜡的压力为0.3-1Mpa，温度为100-200℃；焙烧的温度为60-950℃，时间2-10h。

6.根据权利要求1所述的精控服役方向晶体取向的双联单晶导向叶片的铸造方法，其特征在于，步骤S5中，浇注采用1500-1600℃高温合金液，静置的时间为2-10min，拉晶速度为1-8mm/min，冷却时间为5-7h。

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