CN113232176A - 用于不同晶体取向铸造单晶高温合金的籽晶切割装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于不同晶体取向铸造单晶高温合金的籽晶切割装置及方法属于机械加工技术领域。籽晶切割装置由控制校正一次枝晶方向Gamma角的底部装置和控制校正一次枝晶方向Delta角、二次枝晶方向Alpha角及Beta角的顶部装置两部分组成。采用X衍射仪测一次枝晶和二次枝晶的角度，将顶部装置的中间角度分度盘旋定对应角度进行方向校正，将底部装置的角度分度盘旋定对应角度进行方向校正；获取单晶试棒方向准确校正后，通过切割机进行籽晶块切割，获取的籽晶块即为[001]、[011]或[111]取向的籽晶。该籽晶切割装置能够简便快捷的切取不同晶体取向的单晶试样籽晶，提高籽晶切割的成品率，设备操作简单，节省工时，在工业化量产籽晶方面有重要作用。

Description

用于不同晶体取向铸造单晶高温合金的籽晶切割装置及方法

技术领域

本发明属于机械加工技术领域，具体涉及一种用于不同晶体取向铸造单晶高温合金的籽晶切割装置及方法。

背景技术

单晶铸造高温合金具有耐高温、抗疲劳性能优异、机械性能良好等优良性能，常作为涡轮叶片材料被广泛应用。单晶铸造高温合金具有明显的各向异性，不同晶体取向的单晶高温合金性能各有差异。研究表明CMSX-4合金在950℃条件下，蠕变强度从高到低依次为[111]>[001]>[011]；DD499单晶高温合金在1040℃/165MPa时，[111]取向的寿命明显高于[001]和[011]取向；DD6单晶高温合金在3.5wt.％NaCl溶液中的耐腐蚀性能[001]取向最好，其次为(111)和(011)。由此可见单晶高温合金晶体取向对于单晶铸件的力学性能，持久性能和疲劳性能有极大的影响。目前制造单晶高温合金叶片的工艺方法主要是螺旋选晶法，其单晶成功率高，但螺旋选晶法得到的单晶生长方向一般为[001]方向，不能控制单晶高温合金的晶体取向和凝固组织，且该单晶取向往往与轴向存在一定偏差，使单晶铸件的性能显著下降，对单晶叶片的工程化应用带来不利影响。相较而言籽晶法在单晶晶体取向和凝固组织的有效控制上表现出优势，但目前用于籽晶法制备单晶的籽晶获得途径较少，一般是通过在具有一定取向特征的初始单晶体上直接切割来获得，而常用的制备方法难以直接制备具有一定取向特征的单晶体，且大多籽晶切割装置的设计比较复杂繁琐，用于籽晶切割成本太高，因此获得不同晶体取向的籽晶成为一大难题。

在公开号为CN109916693A的发明创造中公开了一种确定铸造单晶高温合金晶体取向的方法，提出可以通过金相观察枝晶方向和定向切割确定铸造单晶高温合金的晶体学取向，但是并没有提出切割不同晶体取向籽晶的具体方法。

在公开号为CN104846441A的发明中公开了一种铸造用镍基单晶合金籽晶的切割制备方法，虽然提出了利用线切割机和夹具实现切割不同取向的籽晶，但这种方法在切割前需要对试样磨光并测定其技术方案中的特征角度ψ角和Φ角，存在流程复杂、操作困难的缺点。

在公开号为CN 111216258 A的发明创造中公开了一种铸造单晶高温合金籽晶切割制备的方法，虽然提到精确切割标定一次枝晶和二次枝晶方向的籽晶，但是通过腐蚀出枝晶标志构建晶体学结构进行切割，腐蚀后的籽晶无法用于籽晶法制备单晶，且成本高效率低不适合量产籽晶，也没有提出实际用于籽晶切割的设备。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种用于不同晶体取向铸造单晶高温合金的籽晶切割装置及方法，旨在解决现有技术中籽晶制备复杂，不能实现不同晶体取向籽晶切割方法，以及籽晶制备成本率低的技术问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明提供的一种多晶体取向单晶铸造高温合金的籽晶切割装置，包括切割机、底部装置、顶部装置和单晶试棒，所述切割机的置物台上固连有底部装置，底部装置上端固连有顶部装置，单晶试棒位于顶部装置上，通过切割机切割单晶试棒；

所述底部装置包括固定支撑板、角度分度盘和基座，角度分度盘位于固定支撑板和基座的中间，用于控制、校正一次枝晶方向Gamma角的角度；

所述顶部装置包括连接板I、中间角度分度盘、试样夹头、分度盘I和分度盘II，连接板I的上方设有中间角度分度盘，用于控制、校正一次枝晶方向Delta角的角度，中间角度分度盘的上方设有分度盘I和分度盘II，用于控制、校正二次枝晶方向Alpha角及Beta角的角度，分度盘I内固定有试样夹头，试样夹头中间设有单晶试棒。

优选地，分度盘I和试样夹头同轴设置。

优选地，单晶试棒的直径为15mm，单晶试棒通过X射线衍射仪测一次枝晶和二次枝晶的角度。

优选地，试样夹头设置为内孔径为15mm的空心圆柱体。

优选地，分度盘I、分度盘II和中间角度分度盘均设置为圆柱形，且角度范围为0°至360°；角度分度盘范围为0°至180°，设置水平位置为0°。

优选地，所述底部装置还包括定位螺栓I、插槽I、插槽II、定位螺栓II、连接板VII和连接板VIII，基座上设有插槽I，固定支撑板上设有插槽II，连接板VII和连接板VIII通过定位螺栓I和定位螺栓II与基座和固定支撑板垂直设置；

所述顶部装置还包括连接板III、定位螺栓III、连接板V和连接板VI，连接板III位于中间角度分度盘上用于固定连接板II，连接板V和连接板VI设置在连接板I上紧贴中间角度分度盘，连接板V和连接板VI中间设置有分度盘II。

优选地，连接板I、连接板III、连接板II和连接板V设置成“凹”型结构；

连接板VII和连接板VIII组合为倒弧形，呈“〖”形状。

优选地，固定支撑板上设有3个水平的插槽II，插槽II为上窄下宽的“凸”型形状；基座上设有3个水平的插槽I。

本发明还公开了一种多晶体取向单晶铸造高温合金的籽晶切割装置的切割方法，包括如下步骤，

第一步，对单晶试棒进行一次枝晶角度和二次枝晶角度的测定，获取一次枝晶方向Gamma角及Delta角；

第二步，将测定取向时单晶试棒表面轴线标记方向记作参考方向，单晶试棒一次枝晶方向与晶体学[001]方向平行，根据枝晶生长方向确定晶体取向；单晶试棒轴线所在XOY平面为一次枝晶方向Delta角度的阈值范围，单晶试棒轴线所在XOZ平面为一次枝晶方向Gamma角度的阈值范围；

第三步，根据第二步获取的Delta角度，将顶部装置的中间角度分度盘旋定对应角度进行方向校正；根据第二步获取的Gamma角度，将底部装置的角度分度盘旋定对应角度进行方向校正；

第四步，根据第三步完成单晶试棒方向准确校正后，通过切割机进行籽晶块切割，获得的籽晶块即为[001]取向的籽晶。

优选地，切割[011]或者[111]方向的籽晶时，根据晶体取向的晶体学关系，[001]取向为晶胞的面对角线方向，[111]取向为晶胞的体对角线方向，则对第三步获得的校正后的标准[001]取向的单晶试棒进行相应旋转，获取校正[011]方向及[111]方向，再通过切割机进行籽晶块切割，获得的籽晶块即为[011]和[111]取向的籽晶。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开的用于不同晶体取向铸造单晶高温合金的籽晶切割装置，采用顶部装置与底部装置的结合实现了籽晶块的切割。在置物台上放置一个底部装置，在底部装置上固定有顶部装置，便于切割机切割顶部装置上的单晶试棒，通过在底部装置上设置基座便于将底部装置与置物台固定，在基座上设置固定支撑架可以将顶部装置的连接板I与固定板支撑架固定，在底部装置上设置角度分度盘能控制、校正一次枝晶方向Gamma角的角度；在顶部装置的连接板I上设置中间角度分度盘，能控制、校正一次枝晶方向Delta角的角度；在中间角度分度盘上设置连接板II起到固定分度盘I的作用，对分度盘I上固定试样夹头可以固定单晶试棒，便于切割机切割单晶试棒；中间角度分度盘的上方设有分度盘I和分度盘II，分别用于控制、校正二次枝晶方向Alpha角及Beta角的角度。本发明提出的一种用于铸造单晶高温合金的籽晶切割装置，将顶部装置的中间角度分度盘旋定对应角度进行方向校正，将底部装置的角度分度盘旋定对应角度进行方向校正，能够简便快捷的切取不同晶体取向的单晶试样籽晶，提高籽晶切割的成品率，设备操作简单，节省工时，在工业化量产籽晶方面有重要作用。

进一步地，分度盘I和试样夹头同轴设置，能使试样夹头被分度盘I固定住，始终保持在一个位置。

进一步地，单晶试棒通过X射线衍射仪测一次枝晶和二次枝晶的角度，为了获取一次枝晶方向Gamma角及Delta角和二次枝晶方向Alpha角及Beta角；试样夹头设置为内孔径为15mm的空心圆柱体，用以夹持直径15mm的单晶试棒。

进一步地，中间角度分度盘、分度盘I和分度盘II设置形状为圆柱形，能够实现角度的旋转；中间角度分度盘、分度盘I和分度盘II的旋转角度范围设置为0°至360°，用以在测定一次枝晶角度Gamma或者Delta偏差值后能够进行校正；角度分度盘的旋转角度范围为0°至180°，可实现一次枝晶角度Gamma的偏差校正；夹持单晶试棒后该籽晶装置基准面为0°。

进一步地，在底部装置的基座上设有3个水平的插槽I，用以更好地把基座固定在置物台上；固定支撑板上设有三个水平的插槽II，可以更好地固定顶部装置和底部装置；并将插槽II设置为“凸”形形状是为了与顶部装置进行装配，起到稳固作用；连接板VII和连接板VIII分别与基座和固定支撑板垂直设置，再用定位螺栓I和定位螺栓II连接起到固底连接板VII和连接板VIII的作用，连接板VII和连接板VIII通过中间的定位螺栓I和定位螺栓II进行固定配合，再结合角度分度盘，旋转角度可以实现上下的旋转，以校正Gamma角度的偏差；底部装置的连接板III位于中间角度分度盘上能固定连接板II，连接板V和连接板VI设置在连接板I上紧贴中间角度分度盘，连接板V和连接板VI中间设置有分度盘II能控制、校正二次枝晶方向的Beta角的角度。

进一步地，连接板I、连接板III、连接板II和连接板V设置成“凹”型结构，连接板VII设置为倒弧形，呈“〖”形状，可实现一次枝晶角度Gamma角的角度校正。

本发明还公开了采用上述用于不同晶体取向铸造单晶高温合金的籽晶切割装置的切割方法，操作简单，节省工时，适合产业化应用。

附图说明

图1是本发明切割籽晶装置对应单晶体晶体学角度方向示意图；

图2是本发明切割籽晶装置的结构示意图；

图3是本发明切割籽晶装置底部装置的结构示意图；

图4是本发明切割籽晶装置顶部装置的结构示意图；

图5是不同晶体取向的空间表征示意图。

其中，1-切割机；2-置物台；3-底部装置；4-顶部装置；5-单晶试棒；6-固定支撑板；7-角度分度盘；8-定位螺栓I；9-基座；10-插槽I；11-插槽II；12-定位螺栓II；13-连接板I；14-中间角度分度盘；15-试样夹头；16-分度盘I；17-连接板II；18-连接板III；19-定位螺栓III；20-连接板V；21-分度盘II；22-连接板VI；23-连接板VII；24-连接板VIII。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：实施例1

如图2所示，一种用于不同晶体取向铸造单晶高温合金的籽晶切割装置，由控制校正一次枝晶方向Gamma角的底部装置3和控制校正一次枝晶方向Delta角、二次枝晶方向Alpha角及Beta角的顶部装置4、切割机1和单晶试棒5组成；所述底部装置3与顶部装置4通过底部装置3上的滑动插槽II 11和顶部装置4上的连接板I13进行组合固定，所述的底部装置3和顶部装置4位于切割机1的置物台2上；

如图3所示，底部装置3包括设置有3个平行插槽I10的基座9、基座9上方设有3个水平平行插槽II 11的固定支撑板6、控制校正一次枝晶方向Gamma角的角度分度盘7及连接固定支撑板6与基座9的定位螺栓I 8和定位螺栓II 12；

如图4所示，顶部装置4包括连接板I13、控制校正一次枝晶方向Delta角的中间角度分度盘14、控制校正二次枝晶方向Alpha角及Beta角的两侧分度盘I 16和分度盘II 21、固定单晶试棒的试样夹头15、中间角度分度盘14的连接板III 18及定位螺栓III 19、分度盘I16和分度盘II 21的连接板II 17、连接板V 20和连接板VI 22。

进一步，所述底部装置3中的角度分度盘7处上下连接板VII 23和连接板VIII 24均设置为倒弧形形状，并通过连接板VII 23和连接板VIII 24上的小孔及定位螺栓I 8和定位螺栓II 12进行固定；所述底部装置3与顶部装置4通过底部装置3的水平平行滑动插槽II11及顶部装置4的连接板I13进行组合固定。

如图3所述，底部装置3的角度分度盘7范围为0°至180°,设置水平位置为0°；所述角度分度盘7处的上下连接板VII 23和连接板VIII 24分别与基座9、固定支撑板6垂直，呈“〖”形状，可实现一次枝晶角度Gamma角的角度校正；所述固定支撑板6上带有3个水平平行插槽II 11，插槽II 11设置为上窄下宽的“凸”型形状是为了与顶部装置进行装配；所述基座9上带有3个水平平行的插槽I10。

如图4所述，顶部装置4中固定单晶试棒的试样夹头15设置为内孔径为15mm的空心圆柱体，单晶试棒5的直径为15mm，试样夹头15便可以用来夹持单晶试棒5，通过调整螺栓进行单晶试棒5松紧固定；所述控制校正一次枝晶方向Delta角的连接板I13和连接板III 18，二次枝晶方向Alpha角的连接板II 17及Beta角的连接板V20设置成“凹”型结构；所述“凹”型结构中控制校正一次枝晶方向Delta角的是中间角度分度盘14，控制校正二次枝晶方向Alpha角及Beta角的是两侧的分度盘I16和分度盘II 21，分度盘I16和分度盘II 21设置形状均为圆柱形，分度盘I16和分度盘II 21的角度范围均为0°至360°，连接板III18和定位螺栓III 19位于中间角度分度盘14上用于固定连接板II 17。

实施例2

参见图1，一种用于不同晶体取向铸造单晶高温合金的籽晶切割装置的切割方法包括如下步骤：

第一步，将用于籽晶切割的初始单晶高温合金试棒通过X射线衍射仪进行一次枝晶角度、二次枝晶角度的测定，得到对应的一次枝晶方向Gamma角及Delta角、二次枝晶方向Alpha角及Beta角。

第二步，将用于籽晶切割的单晶试棒5置于顶部装置4的试样夹头15中用螺栓夹紧固定。单晶试棒5表面轴线方向记作参考方向，由于单晶试棒的一次枝晶方向与晶体学[001]方向平行，因此根据单晶铸造高温合金的枝晶生长方向可以确定其晶体取向。单晶试棒5轴线所在XOY平面为一次枝晶方向Delta角度的阈值范围，单晶试棒5轴线所在XOZ平面为一次枝晶方向Gamma角度的阈值范围。

第三步，针对第一步测定的对应Delta角度大小，将顶部装置4的中间角度分度盘14旋定对应角度进行方向校正；针对第一步测定的对应Gamma角度大小，将底部装置3的角度分度盘7旋定对应角度进行方向校正。

第四步，在第三步完成单晶试棒5方向准确校正后，通过切割机1进行相应籽晶块大小的切割，此时获得的即为晶体学[001]取向的籽晶。若需要切割[011]或者[111]方向的籽晶，则继续进行第五步。

第五步，根据晶体取向的晶体学关系可知，[001]取向为晶胞的面对角线方向，[111]取向为晶胞的体对角线方向，则对第三步获得的校正后的标准[001]取向的单晶试棒5进行相应旋转可得校正[011]方向及[111]方向，然后通过切割机1进行相应籽晶块大小的切割，此时获得的即为相应取向的籽晶。

如图5所示，为不同晶体取向的空间表征，依据空间取向图可以理解不同取向之间的关系，依据此装置能实现不同晶体取向的切割。

进一步，本技术方案所述“凹”型结构中控制、校正一次枝晶方向Delta角的是中间角度分度盘14，设置形状为圆柱形，能够实现角度的旋转，角度范围为0°至360°，用以在测定一次枝晶角度Gamma或者Delta偏差值后能够进行校正。

进一步，本技术方案所述分度盘I16和分度盘II 21，设置形状为圆柱形，能够实现角度的旋转，角度范围为0°至360°。

进一步地，角度分度盘7的角度范围为0°至180°，可实现一次枝晶角度Gamma的偏差校正，设置水平位置为0°，即夹持单晶试棒5后该籽晶装置基准面为0°。

本发明的用于不同晶体取向铸造单晶高温合金的籽晶切割装置，依据X射线衍射法确定单晶试棒5的一次枝晶及二次枝晶方向的对应角度，然后分别校正并通过切割机1进行切割。初始单晶体通过X射线衍射法测定晶体学角度，然后将籽晶切割装置进行对应角度的旋转、校正以实现特征取向单晶体的切割。

综上所述，本发明的用于不同晶体取向铸造单晶高温合金的籽晶切割装置，能够简便快捷的切取不同晶体取向的单晶试样籽晶，提高籽晶切割的成品率，设备操作简单，节省工时，在工业化量产籽晶方面有重要作用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于不同晶体取向铸造单晶高温合金的籽晶切割装置，其特征在于，包括切割机(1)、底部装置(3)和顶部装置(4)；所述底部装置(3)设置于切割机(1)的置物台(2)上，顶部装置(4)设置于底部装置(3)上端；

所述底部装置(3)包括固定支撑板(6)、角度分度盘(7)和基座(9)，角度分度盘(7)位于固定支撑板(6)和基座(9)的中间，用于控制、校正一次枝晶方向Gamma角的角度；

所述顶部装置(4)包括连接板I(13)、中间角度分度盘(14)、试样夹头(15)、分度盘I(16)和分度盘II(21)；中间角度分度盘(14)设在连接板I(13)的上方，用于控制、校正一次枝晶方向Delta角的角度，分度盘I(16)和分度盘II(21)设置于中间角度分度盘(14)的上方，分别用于控制、校正二次枝晶方向Alpha角及Beta角的角度，试样夹头(15)固定在分度盘I(16)内，测试时待测单晶试棒(5)安装于试样夹头(15)上能够被切割机(1)切割。

2.根据权利要求1所述的用于不同晶体取向铸造单晶高温合金的籽晶切割装置，其特征在于，分度盘I(16)和试样夹头(15)同轴设置。

3.根据权利要求1所述的用于不同晶体取向铸造单晶高温合金的籽晶切割装置，其特征在于，单晶试棒(5)的直径为15mm，通过X射线衍射仪测单晶试棒(5)的一次枝晶和二次枝晶的角度。

4.根据权利要求1所述的用于不同晶体取向铸造单晶高温合金的籽晶切割装置，其特征在于，试样夹头(15)为内孔径为15mm的空心圆柱体。

5.根据权利要求1所述的用于不同晶体取向铸造单晶高温合金的籽晶切割装置，其特征在于，分度盘I(16)、分度盘II(21)和中间角度分度盘(14)均为圆柱形，且所述分度盘I(16)、分度盘II(21)和中间角度分度盘(14)的旋转角度范围为0°至360°；角度分度盘(7)的旋转角度范围为0°至180°。

6.根据权利要求1所述的用于不同晶体取向铸造单晶高温合金的籽晶切割装置，其特征在于，所述底部装置(3)还包括定位螺栓I(8)、插槽I(10)、插槽II(11)、定位螺栓II(12)、连接板VII(23)和连接板VIII(24)，插槽I(10)设置在基座(9)上，插槽II(11)设置在固定支撑板(6)上，连接板VII(23)和连接板VIII(24)通过定位螺栓I(8)和定位螺栓II(12)与基座(9)和固定支撑板(6)垂直设置。

7.根据权利要求6所述的用于不同晶体取向铸造单晶高温合金的籽晶切割装置，其特征在于，连接板VII(23)和连接板VIII(24)组合为倒弧形，呈“〖”形状；所述插槽II(11)数量为3个，3个插槽II(11)平行设置，且插槽II(11)上窄下宽呈“凸”型。

8.根据权利要求1所述的用于不同晶体取向铸造单晶高温合金的籽晶切割装置，其特征在于，所述顶部装置(4)还包括连接板III(18)、定位螺栓III(19)、连接板V(20)和连接板VI(22)，连接板III(18)和定位螺栓III(19)位于中间角度分度盘(14)上用于固定连接板II(17)，连接板V(20)和连接板VI(22)设置在连接板I(13)上紧贴中间角度分度盘(14)，连接板V(20)和连接板VI(22)中间设置有分度盘II(21)。

9.根据权利要求8所述的用于不同晶体取向铸造单晶高温合金的籽晶切割装置，其特征在于，连接板I(13)、连接板III(18)、连接板II(17)和连接板V(20)呈“凹”型；所述插槽I(10)数量为3个，3个插槽I(10)水平设置。

10.采用权利要求1～9中任意一项所述的用于不同晶体取向铸造单晶高温合金的籽晶切割装置的切割方法，其特征在于，包括如下步骤，

第一步，对单晶试棒(5)进行一次枝晶角度和二次枝晶角度的测定，获取一次枝晶方向Gamma角及Delta角；

第二步，将测定取向时单晶试棒(5)表面轴线标记方向记作参考方向，单晶试棒(5)一次枝晶方向与晶体学[001]方向平行，根据枝晶生长方向确定晶体取向；单晶试棒(5)轴线所在XOY平面为一次枝晶方向Delta角度的阈值范围，单晶试棒(5)轴线所在XOZ平面为一次枝晶方向Gamma角度的阈值范围；

第三步，根据第二步获取的Delta角度，将顶部装置(4)的中间角度分度盘(14)旋定对应角度进行方向校正；根据第二步获取的Gamma角度，将底部装置(3)的角度分度盘(7)旋定对应角度进行方向校正；

第四步，根据第三步完成单晶试棒(5)方向准确校正后，通过切割机(1)进行籽晶块切割，获得的籽晶块即为[001]取向的籽晶；

第五步，若需要切割[011]或者[111]方向的籽晶时，根据晶体取向的晶体学关系，[001]取向为晶胞的面对角线方向，[111]取向为晶胞的体对角线方向，则对第三步获得的校正后的标准[001]取向的单晶试棒(5)进行相应旋转，获取校正[011]方向及[111]方向，再通过切割机(1)进行籽晶块切割，获得的籽晶块即为[011]和[111]取向的籽晶。

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