CN113351829A - 一种单晶叶片的制造工艺及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于合金铸造应用技术领域，具体公开了单晶叶片的制造工艺，包括以下步骤，步骤1、制作模壳。步骤2、模壳烧制。步骤3、过滤器的安装。步骤4、将模壳安装到熔炉中。步骤5、铸造工艺在ALD的Bridgman炉中进行。步骤6、铸造后，得到单晶涡轮叶；测试方法，包括以下步骤，步骤a、水刀切割后，蚀刻表面；步骤b、观察涡轮机叶片，在启动器中可看到许多定向凝固的晶粒，这意味着涡轮机叶片由单晶组成。本发明的有益效果在于：其通过Bridgman方法可制备出符合使用标准要求的单晶镍基高温合金叶片，同时可对单晶镍基高温合金叶片的生产过程进行监测和成品进行测试，进而提高单晶镍基高温合金叶片的质量，提高经济效益，降低生产成本和管控成本。
Description
技术领域
本发明属于合金铸造应用技术领域，具体涉及一种单晶叶片的制造工艺及其测试方法。
背景技术
工业燃气轮机行业是国家重点扶持产业，得到了大量的资金及政策支持。大量私人资本也参与其中，不但促进了产业增产，曾促进了对高品质材料及成产设备的需求，因此，精密铸造单晶高温叶片及其制备用籽晶的市场前景十分广阔。
航空发动机和燃气轮机被誉为机械制造工业的皇冠，是军用飞机、大型客 机、特种船舶、新型主战坦克、民用发电领域等的动力之源。高温合金单晶叶 片由于其优异的高温性能被广泛的应用在航空发动机和燃气轮的第一级叶片， 是航空发动机和燃气轮机中的核心部件。其性能决定着两机的工作效率。高温 合金单晶叶片的无余量精密制造，是金属材料成型技术方面的尖端技术。该技 术的成熟与发展直接关系到航空发动机和燃气轮机技术的发展。
目前，我国高性能高温合金单晶叶片主要采购国外公司的产品，如德国西门子，日本三菱，美国PCC，英国Rolls-Royce, 美国通用，法国赛峰等公司，这样很大程度上提高了我国航空发动机和燃气轮机制造成本。以重型燃机的一级单晶叶片为例，如果采用国外厂商的产品，一片叶片的制造成本在40万元左右，市场售价达100万元，但如果采用国产叶片，制造成本只有10万元左右。同样，对于航空发动机叶片，每一片单晶叶片的市场价值相当于一辆宝马车，如果我国可以自主生产将会大大降低航空发动机的制造成本。
目前我国单晶叶片制备技术积累不足，成品率无法得到保证，叶片的结构设 计和制备工工艺落后，该方面技术急需迎头赶上。
因此开发高性能单晶高温合金叶片及其制备工艺，对推动我国航空发动机和 燃气轮机的完全自主研发和生产具有十分重要的意义和必要性。
基于上述问题，本发明提供一种单晶叶片的制造工艺及其测试方法。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种单晶叶片的制造工艺及其测试方法，其通过Bridgman方法可制备出符合使用标准要求的单晶镍基高温合金叶片，同时可对单晶镍基高温合金叶片的生产过程进行监测和成品进行测试，保证所制备的单晶镍基高温合金叶片品质，进而提高单晶镍基高温合金叶片的质量，提高经济效益，降低生产成本和管控成本。
技术方案：本发明的一方面提供一种单晶叶片的制造工艺，包括以下步骤，步骤1、制作模壳，组装蜡簇和绝缘陶瓷涡轮叶片模具，利用蜡焊的方式组装蜡簇、绝缘陶瓷叶片模具，完整的模壳的高度约为315毫米，直径为250毫米，所使用的绝缘陶瓷涡轮叶片模具的高度约为130毫米。步骤2、模壳烧制，模壳由Al2O3组成，准备好的外壳模具的壁厚为8毫米-10毫米，生成模壳后，在高压灭菌过程中去除蜡，高压灭菌和脱粘合剂后，将模壳进行烧制。步骤3、过滤器的安装，烧制模具壳后，将氧化锆过滤器用陶瓷胶粘到锥体中，由于必须将填充通道连接到圆锥体稍高一点的位置，以使它们都适合圆锥体的直径，因此过滤器的直径会增加一个由氧化铝制成的陶瓷环，这增加了过滤器的高度，并且填充通道在过滤器下方。步骤4、将模壳安装到熔炉中，将模壳放置在冷却板上后，密封冷却板和模具之间留有间隙，然后将一个圆柱体粘贴到模具壳的锥体上，最终冷却板下面的所有部件都被绝缘，然后将设备移入加热室。步骤5、铸造工艺在ALD的Bridgman炉中进行，首先在浇铸之前，将加热室和冷却室脱氧，直至真空值为5.0*10-8bar，再将Al2O3模壳加热到1500摄氏度，在1300摄氏度的温度下在Al2O3坩埚中加热熔融材料CMSX-6，并通过感应线圈加热，最后当熔体和壳体的温度达到1500摄氏度时，通过顶部填充方法将熔体倒入壳体中，然后自动关闭加热室，并将模具移入冷却室。步骤6、铸造后，通过水射流切割将涡轮叶片从组件中分离出来，陶瓷其余部分通过喷砂去除，得到单晶涡轮叶。
本发明的另一方面提供一种单晶叶片的制造工艺，所述步骤1中，制备用于温度测量的蜡簇，为了记录温度在铸造过程中，三个陶瓷管被放置在蜡堆中，首先，在陶瓷上画一条线管子，开口端用蜡封闭，然后用火加热尖端移入蜡中直至标记，最后用焊条将蜡和绝缘陶瓷涡轮叶片模具之间蜡焊，管子上的孔通过切断一部分暴露出来。
本技术方案的，所述步骤3中，热电偶的安装，首先将热电偶连接到电线，然后用火测试热电偶的功能，并记下各个热电偶的电线数量，最后将热电偶与氧化铝浆料粘合在一起，使用三个热电偶在整个过程中记录温度，从而可以评估温度梯度。
本技术方案的所述步骤6中，为了确定涡轮机叶片是否为单晶，对样品进行宏观蚀刻，用以确定晶体取向，包括以下步骤，步骤a、水刀切割后，首先用胶带将涡轮叶片标记上胶带，然后用HCl +H2O2蚀刻表面，然而，由于缺少与酸的接触，胶带的表面没有被蚀刻，将样品用酒精清洗并用热空气干燥，由于胶带中存储的酒精更多，因此在下面的区域会出现水渍。步骤b、观察涡轮机叶片，在启动器中可看到许多定向凝固的晶粒，但是，在猪尾后面没有晶界，这意味着涡轮机叶片由单晶组成。
与现有技术相比，本发明的一种单晶叶片的制造工艺及其测试方法的有益效果在于：，其通过Bridgman方法可制备出符合使用标准要求的单晶镍基高温合金叶片，同时可对单晶镍基高温合金叶片的生产过程进行监测和成品进行测试，保证所制备的单晶镍基高温合金叶片品质，进而提高单晶镍基高温合金叶片的质量，提高经济效益，降低生产成本和管控成本。
附图说明
图1是本发明的浸入陶瓷后的组装蜡簇的结构示意图；
图2是本发明的绝缘陶瓷模壳的结构示意图；
图3是本发明的陶瓷管划线的结构示意图；
图4和图5是本发明的陶瓷管蜡焊后的结构示意图；
图6是本发明的涡轮叶片标记上胶带的结构示意图；
图7是本发明的涡轮叶片的两侧蚀刻结构示意图；
图8是本发明的蜡簇、绝缘陶瓷涡轮叶片模具等的结构示意图；
图9和图10是本发明的过滤器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
如图1、图2、图8、图9和图10所示的本发明的一方面提供一种单晶叶片的制造工艺，包括以下步骤，步骤1、制作模壳，组装蜡簇和绝缘陶瓷涡轮叶片模具，利用蜡焊的方式组装蜡簇、绝缘陶瓷叶片模具，完整的模壳的高度约为315毫米，直径为250毫米，所使用的绝缘陶瓷涡轮叶片模具的高度约为130毫米。步骤2、模壳烧制，模壳由Al2O3组成，准备好的外壳模具的壁厚为8毫米-10毫米，生成模壳后，在高压灭菌过程中去除蜡，高压灭菌和脱粘合剂后，将模壳进行烧制。步骤3、过滤器的安装，烧制模具壳后，将氧化锆过滤器用陶瓷胶粘到锥体中，由于必须将填充通道连接到圆锥体稍高一点的位置，以使它们都适合圆锥体的直径，因此过滤器的直径会增加一个由氧化铝制成的陶瓷环，这增加了过滤器的高度，并且填充通道在过滤器下方。步骤4、将模壳安装到熔炉中，将模壳放置在冷却板上后，密封冷却板和模具之间留有间隙，然后将一个圆柱体粘贴到模具壳的锥体上，最终冷却板下面的所有部件都被绝缘，然后将设备移入加热室。步骤5、铸造工艺在ALD的Bridgman炉中进行，首先在浇铸之前，将加热室和冷却室脱氧，直至真空值为5.0*10-8bar，再将Al2O3模壳加热到1500摄氏度，在1300摄氏度的温度下在Al2O3坩埚中加热熔融材料CMSX-6，并通过感应线圈加热，最后当熔体和壳体的温度达到1500摄氏度时，通过顶部填充方法将熔体倒入壳体中，然后自动关闭加热室，并将模具移入冷却室。步骤6、铸造后，通过水射流切割将涡轮叶片从组件中分离出来，陶瓷其余部分通过喷砂去除，得到单晶涡轮叶。
如图6和图7所示本发明的另一方面提供一种单晶叶片的制造工艺，所述步骤1中，制备用于温度测量的蜡簇，为了记录温度在铸造过程中，三个陶瓷管被放置在蜡堆中，首先，在陶瓷上画一条线管子（见图3），开口端用蜡封闭，然后用火加热尖端移入蜡中直至标记（见图4、图5），最后用焊条将蜡和绝缘陶瓷涡轮叶片模具之间蜡焊，管子上的孔通过切断一部分暴露出来。
本技术方案的，所述步骤3中，热电偶的安装，首先将热电偶连接到电线，然后用火测试热电偶的功能，并记下各个热电偶的电线数量，最后将热电偶与氧化铝浆料粘合在一起，使用三个热电偶在整个过程中记录温度，从而可以评估温度梯度。
本技术方案的所述步骤6中，为了确定涡轮机叶片是否为单晶，对样品进行宏观蚀刻，用以确定晶体取向，包括以下步骤，步骤a、水刀切割后，首先用胶带将涡轮叶片标记上胶带（图6)，然后用HCl +H2O2蚀刻表面，然而，由于缺少与酸的接触，胶带的表面没有被蚀刻，将样品用酒精清洗并用热空气干燥，由于胶带中存储的酒精更多，因此在下面的区域会出现水渍。步骤b、观察涡轮机叶片，在启动器中可看到许多定向凝固的晶粒，但是，在猪尾后面没有晶界，这意味着涡轮机叶片由单晶组成。
本发明的单晶叶片的制造工艺及其测试方法的，一方面其通过Bridgman方法可制备出符合使用标准要求的单晶镍基高温合金叶片，另一方面可对单晶镍基高温合金叶片的生产过程进行监测和成品进行测试，保证所制备的单晶镍基高温合金叶片品质，进而提高单晶镍基高温合金叶片的质量，提高经济效益，降低生产成本和管控成本。
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 (4)
1.一种单晶叶片的制造工艺，其特征在于：包括以下步骤，
步骤1、制作模壳，组装蜡簇和绝缘陶瓷涡轮叶片模具，利用蜡焊的方式组装蜡簇、
绝缘陶瓷叶片模具，完整的模壳的高度约为315毫米，直径为250毫米，所使用的绝缘陶瓷涡轮叶片模具的高度约为130毫米；
步骤2、模壳烧制，模壳由Al2O3组成，准备好的外壳模具的壁厚为8毫米-10毫米，生成模壳后，在高压灭菌过程中去除蜡，高压灭菌和脱粘合剂后，将模壳进行烧制；
步骤3、过滤器的安装，烧制模具壳后，将氧化锆过滤器用陶瓷胶粘到锥体中，由于必须将填充通道连接到圆锥体稍高一点的位置，以使它们都适合圆锥体的直径，因此过滤器的直径会增加一个由氧化铝制成的陶瓷环，这增加了过滤器的高度，并且填充通道在过滤器下方；
步骤4、将模壳安装到熔炉中，将模壳放置在冷却板上后，密封冷却板和模具之间留有间隙，然后将一个圆柱体粘贴到模具壳的锥体上，最终冷却板下面的所有部件都被绝缘，然后将设备移入加热室；
步骤5、铸造工艺在ALD的Bridgman炉中进行，首先在浇铸之前，将加热室和冷却室脱氧，直至真空值为5.0*10-8bar，再将Al2O3模壳加热到1500摄氏度，在1300摄氏度的温度下在Al2O3坩埚中加热熔融材料CMSX-6，并通过感应线圈加热，最后当熔体和壳体的温度达到1500摄氏度时，通过顶部填充方法将熔体倒入壳体中，然后自动关闭加热室，并将模具移入冷却室；
步骤6、铸造后，通过水射流切割将涡轮叶片从组件中分离出来，陶瓷其余部分通过喷砂去除，得到单晶涡轮叶。
2.根据权利要求1所述的一种单晶叶片的测试方法，其特征在于：所述步骤1中，制备用于温度测量的蜡簇，为了记录温度在铸造过程中，三个陶瓷管被放置在蜡堆中，首先，在陶瓷上画一条线管子，开口端用蜡封闭，然后用火加热尖端移入蜡中直至标记，最后用焊条将蜡和绝缘陶瓷涡轮叶片模具之间蜡焊，管子上的孔通过切断一部分暴露出来。
3.根据权利要求1所述的一种单晶叶片的测试方法，其特征在于：所述步骤3中，热电偶的安装，首先将热电偶连接到电线，然后用火测试热电偶的功能，并记下各个热
电偶的电线数量，最后将热电偶与氧化铝浆料粘合在一起，使用三个热电偶在整个过程中记录温度，从而可以评估温度梯度。
4.根据权利要求1所述的一种单晶叶片的测试方法，其特征在于：所述步骤6中，
为了确定涡轮机叶片是否为单晶，对样品进行宏观蚀刻，用以确定晶体取向，包括以下步骤，
步骤a、水刀切割后，首先用胶带将涡轮叶片标记上胶带，然后用HCl +H2O2蚀刻表面，然而，由于缺少与酸的接触，胶带的表面没有被蚀刻，将样品用酒精清洗并用热空气干燥，由于胶带中存储的酒精更多，因此在下面的区域会出现水渍；
步骤b、观察涡轮机叶片，在启动器中可看到许多定向凝固的晶粒，但是，在猪尾后面没有晶界，这意味着涡轮机叶片由单晶组成。
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