CN114130993A - 一种控制单晶高温合金铸件中缺陷的方法、其应用和熔铸装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种控制单晶高温合金铸件中缺陷的方法、其应用和熔铸装置，在单晶铸件定向凝固过程中施加对称磁场，该对称磁场在不改变液固界面前沿流动结构的基础上，强化液固界面流动、稳定液固共存糊状区中的流动、抑制远处熔体的流动，维持熔体各处温度场稳定，实现雀斑、小角度晶界、大角度晶界、碎晶等缺陷不易形成的稳定性熔体流动形式和最小的收缩应力条件，获得完整的高温合金单晶组织。本发明熔铸装置包括熔炼系统、炉体、真空系统、对称磁体系统、定向凝固系统。本发明应用在各种单晶合金铸件的制备工艺中，改善单晶晶体的整体和完整性，提升后续的服役性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种凝固成型工艺，特别是涉及一种利用调制的对称磁场控制定向/单晶合金铸件的工艺及装置，应用于定向/单晶金属铸件中雀斑、小角度晶界、条纹晶等缺陷的控制技术领域。
背景技术
航天发动机和燃机发动机最核心的部件是涡轮叶片，将其制备成单晶铸件，其承温能力显著提高。现在先进的航空发动机几乎都采用单晶涡轮叶片，燃气轮机也越来越多地使用。叶片组织由原来的等轴晶改进为柱状晶，再发展为单晶，消除了晶界，整个叶片只有一个晶粒组成。我们知道，多晶材料的断裂通常发生在晶界这一薄弱处，所以无晶界的涡轮单晶叶片的服役和承温能力明显提高。
实际使用的叶片一般由叶身和大小缘板构成，沿着生长方向的截面在不断变化中，对于燃烧室最前端使用的叶片由于需要降温，具有空心复杂的腔体，这种复杂的结构使得定向凝固单晶叶片生产过程中，雀斑、小角度晶界、条纹晶等缺陷总是常常出现，这会重新引入晶界，成为服役过程中的应力集中处，严重损害了叶片的力学性能和使用寿命，所以控制和减少单晶叶片中的雀斑、小角度晶界等缺陷受到特别地关注。
为了消除单晶高温合金叶片雀斑、小角度晶界、条纹晶等缺陷的形成，国内外学者们也提出了各种的方法，对抑制雀斑缺陷的方法主要有：定向凝固过程中施加振动、向上抽拉进行定向凝固、在截面突变处插入导热石墨块来改善局部传热、增加C元素或减少Re和W等高密度难熔元素；减少小角度晶界数量的方法主要是添加碳含量减小凝固应力；对于控制条纹晶缺陷来说，主要方法有添加过滤系统纯净化金属液、降低原始枝晶偏离定向凝固方向的角度、降低热收缩应力、提高温度梯度、减少糊状区长度等。这些方法在一定程度上改善了单晶的缺陷，但是显示出很大的局限性，振动虽然可以抑制定向凝固过程中雀斑的产生，但同时会影响单晶的生长，碳的添加量需综合考虑温度梯度、抽拉速率和铸件结构等因素，降低合金的初熔温度，影响合金的综合性能，添加石墨导热块更是需要严格计算局部的热流分布状态，等等。所以实际生产中对于这些缺陷的控制仍然表现出很大困难，通常现有技术生产单晶叶片的成品率仍然很低，超不过20％，亟待开辟的控制雀斑、小角度晶界等缺陷形成的方法称为急需解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种控制单晶高温合金铸件中缺陷的方法、其应用和熔铸装置，解决现有金属单晶铸件雀斑、小角度晶界、条纹晶等缺陷的技术问题，实现一种简单易行的对称磁场施加在单晶定向凝固中抑制这些缺陷形成的方法，应用在各种单晶合金铸件的制备工艺中，改善单晶晶体的整体和完整性，提升后续的服役性能。
为达到上述目的，本发明采用如下发明构思：
在单晶铸件定向凝固过程中施加对称磁场，通过该结构磁场减少液固共存糊状区中的流动、温度和凝固收缩应力、抑制远处熔体的流动、增加液固界面前沿稳定性、在一定范围内强化液固界面的流动等效应，去除或降低雀斑、小角度晶界、条纹晶等缺陷形成的流动不稳定性和收缩应力等条件，最终达到消除或者抑制单晶铸件雀斑、小角度晶界、条纹晶的目的，获得较为理想的完整的单晶，提高其服役性能。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种控制单晶高温合金铸件中缺陷的方法，用于控制单晶金属铸件中的雀斑、小角度晶界、大角度晶界、条纹晶、碎晶缺陷，制备高温合金单晶铸件；所述方法在单晶铸件定向凝固过程中施加对称磁场，该对称磁场通过一对相反磁力线方向的磁体结构来实现，该对称磁场在不改变液固界面前沿流动结构的基础上，强化液固界面流动、稳定液固共存糊状区中的流动、抑制远处熔体的流动，维持熔体各处温度场稳定，实现雀斑、小角度晶界、大角度晶界、条纹晶、碎晶或再结晶缺陷不易形成的稳定性熔体流动形式和最小的收缩应力条件，获得完整的高温合金单晶组织。
优选地，对称磁场为施加具有对称结构的T-Cusp磁场，施加对称磁场的磁体装置采用水冷铜线圈、超导线圈或者永磁体；优选地，当采用水冷铜线圈或超导线圈时，单个线圈的强度不高于30T，线圈的内孔径不大于3m。对称磁体由亥姆霍兹线圈对、分别通以方向相反的直流电线圈组构成，表现出各种调制形式的Cusp磁场结构。
优选地，磁体中的相邻的两个线圈位置可调整，其相邻的两个线圈间距是单个线圈等效半径的0.1～2倍。
一种本发明控制单晶高温合金铸件中缺陷的方法的应用，应用于制备合金材料组织为Fe基高温合金单晶、Ni基高温合金单晶、Co基高温合金单晶、Nb基单晶、TiAl基单晶或NbSi基单晶的金属单晶铸件。
优选地，所述金属单晶铸件用于制造航天或航空发动机的小叶片，或燃机的大叶片；优选地，所述金属单晶铸件用于制造实心叶片或者空心叶片。
一种对称磁场辅助制备单晶高温合金铸件的熔铸装置，实施本发明控制单晶高温合金铸件中缺陷的方法，所述熔铸装置包括熔炼系统、炉体、真空系统、对称磁体系统、定向凝固系统；
由炉体和设置在炉体内侧的炉体保温层组成所述炉体的壳体部分，炉体内部形成密闭的熔铸腔室，与真空计、旋片泵、罗茨泵、扩散泵、充关气阀组成真空系统；利用真空计检测炉体内部气压，利用片泵、罗茨泵、扩散泵和开关气阀作为抽真空装置；
所述熔炼系统包括控温热电偶、加料装置、感应线圈、中频电源和熔炼坩埚，在所述炉体内部设置熔炼坩埚，利用加料装置向熔炼坩埚内输送合金原料，采用控温热电偶检测熔炼坩埚中熔体的温度，并利用中频电源控制感应线圈向熔炼坩埚输出热能；
采用下拉或上引及区熔方法实施定向凝固工艺，定向凝固系统包括模壳、保温加热装置、冷却盘、拉杆和伺服抽拉系统；将定向凝固系统放置在磁体中心竖直的圆柱形通孔内；保温加热装置设置于炉体内部，并使炉体保温层设置于炉体和加热炉之间，模壳设置于加热装置内部，在模壳内部注入合金熔体，利用控温热电偶检测模壳内部合金熔体的温度，利用直流电源控制保温加热装置维持模壳内金属熔体的温度在设定温度范围内；在保温加热装置底部和冷却盘之间设有隔热层，利用伺服抽拉系统驱动拉杆将凝固的单晶高温合金铸坯从模壳中拉出；
进行定向凝固时，将模壳安装在冷却盘上，把熔化好的金属倾倒在模壳中，炉体内部保持真空状态，保温加热装置到达设定的定向凝固温度后，启动伺服抽拉系统，以恒定的速度完成定向凝固过程，从而制备单晶高温合金铸件。
优选地，对称磁体的中心位置围绕着炉体内单晶铸件的模壳中液固界面的位置在一定距离范围进行调整，调整距离幅度在不大于500cm。
优选地，设置于保温加热装置底部的冷却盘采用水冷铜盘、液态金属冷却池或气冷铜盘；当采用液态金属冷却池时，采用Ga-In-Sn液或Sn液作为深度冷却剂，作为液态金属冷却池的冷却剂。
优选地，感应线圈或保温加热装置的保温发热元件采用石墨、Mo丝、SiC、NiCr丝制成。
优选地，调整定向凝固过程的抽拉速度、温度梯度、熔体过热度或冷却强度工艺参数。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明由施加的具有对称结构和各种调制形式的T-Cusp磁场可以稳定液固共存糊状区中的流动、温度和凝固收缩应力、抑制远处熔体的流动、增加液固界面前沿稳定性、在一定范围内强化液固界面的流动等效应，从而降低单晶铸件中雀斑、小角度晶界等缺陷；本发明金属凝固中不与金属直接接触，不会对金属造成污染；上下两个磁体可以是一对线圈、也可以由永磁体组成，实现方式简单；
2.本发明方法作用在整体熔体上，能够全方位有效地消除单晶铸件的雀斑、小角度晶界、碎晶等缺陷，提高单晶的完整性，提高成材率、生产效率和生产质量，节约成本，改善其后续服役性能；
3.本发明应用在各种单晶铸件的制备中，比如Fe基、Co基、Ni基高温合金单晶、TiAl基、Nb基单晶等合金叶片。
附图说明
图1为本发明优选实施例对称磁场辅助制备单晶高温合金铸件的熔铸装置结构示意图。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，一种控制单晶高温合金铸件中缺陷的方法，用于控制单晶金属铸件中的雀斑、小角度晶界、大角度晶界、碎晶缺陷，制备高温合金单晶铸件；所述方法在单晶铸件定向凝固过程中施加对称磁场，该对称磁场通过一对相反磁力线方向的磁体结构来实现，该对称磁场在不改变液固界面前沿流动结构的基础上，强化液固界面流动、稳定液固共存糊状区中的流动、抑制远处熔体的流动，维持熔体各处温度场稳定，实现雀斑、小角度晶界、大角度晶界、条纹晶、碎晶或再结晶缺陷不易形成的稳定性熔体流动形式和最小的收缩应力条件，获得完整的高温合金单晶组织。
本实施例方法能降低熔体各处温度场的不稳定性和凝固收缩应力，创造出雀斑、小角度晶界、条纹晶等缺陷不易形成的理想稳定性熔体流动和最小的收缩应力等条件，最终达到消除或者抑制单晶铸件雀斑、小角度晶界、条纹晶等铸造缺陷的目的，获得较为理想的完整的单晶，提高其服役性能。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，参见图1，一种对称磁场辅助制备单晶高温合金铸件的熔铸装置，实施权利要求1所述控制单晶高温合金铸件中缺陷的方法，所述熔铸装置包括熔炼系统、炉体、真空系统、对称磁体系统、定向凝固系统；
由炉体6和设置在炉体内侧的炉体保温层7组成所述炉体的壳体部分，炉体内部形成密闭的熔铸腔室，与真空计14、旋片泵15、罗茨泵16、扩散泵17、充关气阀18组成真空系统；利用真空计14检测炉体内部气压，利用片泵15、罗茨泵16、扩散泵17和开关气阀18作为抽真空装置；
所述熔炼系统包括第一控温热电偶1、加料装置2、感应线圈3、中频电源4和熔炼坩埚5，在所述炉体内部设置熔炼坩埚5，利用加料装置2向熔炼坩埚5内输送合金原料，采用第一控温热电偶1检测熔炼坩埚5中熔体的温度，并利用中频电源4控制感应线圈3向熔炼坩埚5输出热能；
采用下拉或上引及区熔方法实施定向凝固工艺，定向凝固系统包括模壳、保温加热装置9、冷却盘11、拉杆12和伺服抽拉系统13；将定向凝固系统放置在磁体10中心竖直的圆柱形通孔内；保温加热装置9设置于炉体内部，并使炉体保温层7设置于炉体6和保温加热炉之间，结晶器装置的模壳8设置于加热装置9内部，在结晶器装置的模壳8内部注入合金熔体，利用第二控温热电偶19检测模壳8内部合金熔体的温度，利用直流电源20控制保温加热装置9维持模壳8内金属熔体的温度在设定温度范围内；在保温加热装置9底部和冷却盘11之间设有隔热层21，利用伺服抽拉系统13驱动拉杆12将凝固的单晶高温合金铸坯从模壳8中拉出；
进行定向凝固时，将模壳8安装在冷却盘11上，把熔化好的金属倾倒在模壳8中，炉体内部保持真空状态，保温加热装置9到达设定的定向凝固温度后，启动伺服抽拉系统13，以恒定的速度完成定向凝固过程，从而制备单晶高温合金铸件。
本实施例为一种施加对称磁场制备定向/单晶铸件的炉体装置，包括一对超导线圈做成的亥姆霍兹线圈对套在定向凝固炉外部，并且能够上下移动进行高度调节，上下通入相等反方向的电流；炉体和发热体之间需要有保温层材料隔开；炉内安装有连接控温系统的热电偶；单晶模壳放置在水冷铜盘上，冷却盘11采用水冷铜盘，水冷铜盘和抽拉杆连接，这套系统均带有冷却系统；水冷铜盘和炉内加热环境用隔热材料隔开；安装好后，启动抽拉系统进行定向凝固。调节磁体强度分布、单晶铸件液固界面在两个线圈对中的位置，使得磁场强度和构型、抽拉速度和温度梯度的合理配置，实现该结构磁场减少液固共存糊状区中的流动、温度和凝固收缩应力、抑制远处熔体的流动、增加液固界面前沿稳定性、在一定范围内强化液固界面的流动等效应，获得雀斑、小角度晶界、条纹晶等缺陷少的单晶铸件，适合于定向凝固的各种抽拉速度和温度梯度。
实施例三：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，设置上下线圈通入不等的反方向的电流，不断变化上面线圈的电流，使得界面附近所需稳定和一定强度的流动能够适应不断变化铸件的横向界面尺寸和形状，更有效地降低单晶铸件中雀斑、小角度晶界、条纹晶等缺陷。
实施例四：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，上下磁场发生器通过永磁材料来实现，这样使得本实施例能够以更加低的成本来实现，装置结构更加简单，更加容易在工业上实现应用。
上述实施例用对称磁场控制单晶合金中雀斑、小角度晶界、条纹晶、碎晶等各种缺陷形成的方法，通过这种磁场控制液固界面前方熔体流动、稳定远场熔体流动、抑制液固共存糊状区的流动的多种效应，降低单晶合金铸件中各种缺陷的形成。上述实施例在定向凝固中，施加具有对称结构的磁场，通过控制磁场强度大小和磁场在熔体周围的构型，稳定并减弱铸件熔体远场和液固糊状区内的流动，强化液固界面的流动，最终有效地获得缺陷不易形成的熔体流动结构和稳定的温度场及应力场，进而显著抑制单晶叶片中雀斑、小角度晶界、条纹晶等各种缺陷的形成，改善单晶晶体的整体和完整性，提升后续的服役性能。本发明上述实施例具有装备简单和易于实现等优点，可以应用在各种单晶合金铸件的制备中，比如单晶Ni基、Fe基和Co基高温合金叶片、TiAl基单晶叶片、NbSi基叶片等。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种控制单晶高温合金铸件中缺陷的方法，其特征在于：用于控制单晶金属铸件中的雀斑、小角度晶界、大角度晶界、碎晶缺陷，制备高温合金单晶铸件；所述方法在单晶铸件定向凝固过程中施加对称磁场，该对称磁场通过一对相反磁力线方向的磁体结构来实现，该对称磁场在不改变液固界面前沿流动结构的基础上，强化液固界面流动、稳定液固共存糊状区中的流动、抑制远处熔体的流动，维持熔体各处温度场稳定，实现雀斑、小角度晶界、大角度晶界、条纹晶、碎晶或再结晶缺陷不易形成的稳定性熔体流动形式和最小的收缩应力条件，获得完整的高温合金单晶组织。
2.根据权利要求1所述控制单晶高温合金铸件中缺陷的方法，其特征在于：对称磁场为施加具有对称结构的T-Cusp磁场，施加对称磁场的磁体装置采用水冷铜线圈、超导线圈或者永磁体；当采用水冷铜线圈或超导线圈时，单个线圈的强度不高于30T，线圈的内孔径不大于3m。
3.根据权利要求1所述控制单晶高温合金铸件中缺陷的方法，其特征在于：磁体中的相邻的两个线圈位置可调整，其相邻的两个线圈间距是每个线圈等效半径的0.1～2倍。
4.一种权利要求1所述控制单晶高温合金铸件中缺陷的方法的应用，其特征在于：应用于制备合金材料组织为Fe基高温合金单晶、Ni基高温合金单晶、Co基高温合金单晶、Nb基单晶、TiAl基单晶或NbSi基单晶的金属单晶铸件。
5.根据权利要求4所述应用，其特征在于：所述金属单晶铸件用于制造航天或航空发动机的小叶片，或燃机的大叶片；或者，所述金属单晶铸件用于制造实心叶片或者空心叶片。
6.一种对称磁场辅助制备单晶高温合金铸件的熔铸装置，其特征在于：实施权利要求1所述控制单晶高温合金铸件中缺陷的方法，所述熔铸装置包括熔炼系统、炉体、真空系统、对称磁体系统、定向凝固系统；
由炉体(6)和设置在炉体内侧的炉体保温层(7)组成所述炉体的壳体部分，炉体内部形成密闭的熔铸腔室，与真空计(14)、旋片泵(15)、罗茨泵(16)、扩散泵(17)、充关气阀(18)组成真空系统；利用真空计(14)检测炉体内部气压，利用片泵(15)、罗茨泵(16)、扩散泵(17)和开关气阀(18)作为抽真空装置；
所述熔炼系统包括第一控温热电偶(1)、加料装置(2)、感应线圈(3)、中频电源(4)和熔炼坩埚(5)，在所述炉体内部设置熔炼坩埚(5)，利用加料装置(2)向熔炼坩埚(5)内输送合金原料，采用第一控温热电偶(1)检测熔炼坩埚(5)中熔体的温度，并利用中频电源(4)控制感应线圈(3)向熔炼坩埚(5)输出热能；
采用下拉或上引及区熔方法实施定向凝固工艺，定向凝固系统包括模壳、保温加热装置(9)、冷却盘(11)、拉杆(12)和伺服抽拉系统(13)；将定向凝固系统放置在磁体(10)中心竖直的圆柱形通孔内；保温加热装置(9)设置于炉体内部，并使炉体保温层(7)设置于炉体(6)和保温加热炉之间，结晶器装置的模壳(8)设置于加热装置(9)内部，在结晶器装置的模壳(8)内部注入合金熔体，利用第二控温热电偶(19)检测模壳(8)内部合金熔体的温度，利用直流电源(20)控制保温加热装置(9)维持模壳(8)内金属熔体的温度在设定温度范围内；在保温加热装置(9)底部和冷却盘(11)之间设有隔热层(21)，利用伺服抽拉系统(13)驱动拉杆(12)将凝固的单晶高温合金铸坯从模壳(8)中拉出；
进行定向凝固时，将模壳(8)安装在冷却盘(11)上，把熔化好的金属倾倒在模壳(8)中，炉体内部保持真空状态，保温加热装置(9)到达设定的定向凝固温度后，启动伺服抽拉系统(13)，以恒定的速度完成定向凝固过程，从而制备单晶高温合金铸件。
7.根据权利要求6所述对称磁场辅助制备单晶高温合金铸件的熔铸装置，其特征在于：对称磁体的中心位置围绕着炉体内单晶铸件的模壳(8)中液固界面的位置在一定距离范围进行调整，调整距离幅度在不大于500cm。
8.根据权利要求6所述对称磁场辅助制备单晶高温合金铸件的熔铸装置，其特征在于：设置于保温加热装置(9)底部的冷却盘(11)采用水冷铜盘、液态金属冷却池或气冷铜盘；当采用液态金属冷却池时，采用Ga-In-Sn液或Sn液作为深度冷却剂，作为液态金属冷却池的冷却剂。
9.根据权利要求6所述对称磁场辅助制备单晶高温合金铸件的熔铸装置，其特征在于：感应线圈(3)或保温加热装置(9)的保温发热元件采用石墨、Mo丝、SiC、NiCr丝制成。
10.根据权利要求6所述对称磁场辅助制备单晶高温合金铸件的熔铸装置，其特征在于：调整定向凝固过程的抽拉速度、温度梯度、熔体过热度或冷却强度工艺参数。
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