CN114130994B - 一种减少单晶叶片平台处杂晶缺陷的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种减少单晶叶片平台处杂晶缺陷的装置，包括水冷盘和设置于水冷盘上方的叶片模壳以及模壳中柱；所述叶片模壳上设置有叶片平台，所述叶片平台沿远离模壳中柱的一侧向靠近模壳中柱的一侧方向由高到低倾斜设置，且所述叶片平台的低处一侧与模壳中柱之间设置有反射层挡板，所述反射层挡板与所述叶片平台之间留有间隙；其可减少叶片平台尖端处的杂晶及疏松等缺陷，且不增加工艺操作难度，不改变原有模壳结构，也不增加额外热源或引晶条，结构简单，操作简便，大大降低制造成本。

Description

一种减少单晶叶片平台处杂晶缺陷的装置及其方法

技术领域

本发明涉及单晶高温合金技术领域，具体而言，涉及一种减少单晶叶片平台处杂晶缺陷的装置及其方法。

背景技术

单晶高温合金叶片是航空发动机的核心组成部分之一。长期工作在高温、高压、复杂应力情况、高温燃气冲蚀的环境中。因此，航空发动机叶片对材料有着苛刻要求，而镍基单晶高温合金是目前较为常见的高温合金叶片材料，其制备方法通常采用定向凝固的方式。定向凝固的浇铸方式将模组底部置于水冷盘上(或液态金属中)，与在加热带中的模组上部形成纵向温度梯度，通过牵引的方式将模组拉出加热带热区，达到使模组中铸件晶粒自下而上顺序凝固的目的。

在单晶高温合金叶片的定向凝固过程中，由于有叶片平台（缘板）等宽大的平台存在，在平台尖端部位在定向凝固工艺过程中垂直热流方向上横截面积突变，由于叶片平台处的叶片的突出位置熔体过冷容易形成新的晶粒，从而引起杂晶、疏松等缺陷存在。这些杂晶的晶界、疏松缺陷是单晶叶片的薄弱环节，大大降低叶片的综合力学性能，甚至由于苛刻的高温使用环境导致缺陷发展为裂纹源，造成叶片断裂等严重后果。同时由于杂晶、疏松难以克服，单晶叶片产品的良率不高。现有技术为解决此类问题，要么需要改变工艺参数如改变原有过冷处抽拉速率，使得工艺过程更为复杂；要么需要对组树结构进行改造如增加引晶条、补缩片（块）、冒口或者增加中空多孔结构、加厚等方法；要么需要使用额外热源，如通过激光加热，大大增加了能耗。

发明内容

本发明的目的在于提供一种减少单晶叶片平台处杂晶缺陷的装置及其方法，其可减少叶片平台尖端处叶片的杂晶及疏松等缺陷，且不增加工艺操作难度，不改变原有模壳结构，也不增加额外热源或引晶条，结构简单，操作简便，大大降低制造成本。

本发明的实施例通过以下技术方案实现：

一种减少单晶叶片平台处杂晶缺陷的装置，包括水冷盘和设置于水冷盘上方的叶片模壳以及模壳中柱；所述叶片模壳上设置有叶片平台，所述叶片平台低处向靠近模壳中柱位置倾斜设置，且所述叶片平台的低处一侧设置有反射层挡板，所述反射层挡板与所述叶片平台之间留有间隙。

进一步地，所述叶片模壳下方不带底板。

进一步地，所述反射层挡板为MLa合金，按重量份数计，包括以下组分：Mo 98%~99.7%、La₂O₃ 0.3%~2%。

进一步地，所述反射层挡板为MY合金，按重量份数计，包括以下组分：Mo 98.5%~99.5%、Y₂O₃ 0.5%~1.5%。

进一步地，还包括设置于所述叶片模壳上端的圆盘浇道，所述反射层挡板设置于所述圆盘浇道下方；且所述反射层挡板的高度不低于叶片平台低处。

进一步地，所述反射层挡板围设于所述模壳中柱外侧，且所述反射层挡板与所述模壳中柱同轴心设置。

进一步地，所述反射层挡板的厚度为0.1~5mm。

进一步地，所述反射层挡板与叶片平台低处之间的距离为10~50mm。

进一步地，所述反射层挡板在所述模壳中柱外侧围设呈一空心圆柱形。

进一步地，所述反射层挡板的外圆周面为光滑的曲面、V形瓦楞纸曲面、U形瓦楞纸曲面、UV形瓦楞纸曲面或棱面中的任意一种或几种。

一种采用上述装置减少叶片杂晶产生的方法，包括以下步骤：

S1.组树及制壳：圆环顶注式组树，将多片单晶空心叶片模壳安装于蜡模组合装置中；并将叶片平台低处向中心的模壳中柱倾斜设置，采用该方式进行蜡模组合；

S2.在模组中间部位放置一圈反射层挡板，并控制反射层挡板到叶片平台低处的距离在10~20mm之间。

本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

1.本发明通过将叶片平台低处向中间倾斜并设置反射层挡板，利用反射层挡板反射热量至一侧的叶片平台低处上，改变叶片平台处的温度场，使其局部不再过冷，从而有效减少叶片平台尖端处叶片的杂晶及疏松等缺陷。

2.本发明反射层挡板拆装方便、可根据模组的大小或形态的不同适应性地调整反射层挡板外径大小，从而调整反射层挡板距离叶片平台低处的距离，不增加工艺操作难度，不改变原有模壳结构，也不增加额外热源或引晶条，能耗低、结构简单、操作简便，大大降低了制造成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例1提供的装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1所得产品在平台处的叶片的示意图；

图3为对比例1所得产品在平台处的叶片的示意图。

图标：1-圆盘浇道，2-叶片平台，3-叶片模壳，4-起晶段，5-水冷盘，6-反射层挡板，7-模壳中柱。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

一种减少单晶叶片平台处杂晶缺陷的装置，包括水冷盘5和设置于水冷盘5上方的叶片模壳3以及模壳中柱7，叶片模壳3上设置有叶片平台2，叶片平台2低处向靠近模壳中柱7位置倾斜设置，且叶片平台2的低处一侧设置有反射层挡板6，反射层挡板6与叶片平台2之间留有间隙；为了使得反射层挡板6可以更精准的放置于模组中间，并保持与各个叶片之间的距离，本发明叶片模壳3下方的起晶段4直接置于水冷盘上，即叶片模壳3下方与水冷盘5之间不设置底板，这样即可预先将反射层挡板6调整好大小之后套设于模壳中柱7外侧；较优地，反射层挡板6与叶片平台2低处之间的水平距离为10~50mm；本发明利用反射层挡板6反射热量至一侧的叶片平台2低处上，改变叶片平台2处的温度场，使其局部不再过冷，本发明通过将叶片平台2低处向中间倾斜以及设置反射层挡板6，从而有效减少叶片平台2尖端处叶片的杂晶及疏松等缺陷；本发明反射层挡板6拆装方便、可根据模组的大小或形态的不同适应性地调整反射层挡板6外径大小，从而调整反射层挡板6距离叶片平台2低处的距离，不增加工艺操作难度，不改变原有模壳结构，也不增加额外热源或引晶条，结构简单，操作简便，大大降低制造成本。

在本实施例中，反射层挡板6为MLa合金材料，按重量份数计，包括以下组分：Mo98%、La₂O₃ 2%；反射层挡板6的厚度5mm；本发明通过将反射层挡板6表面涂覆有钼合金作为反射层，其具有较优异地热传导能力和热辐射系数，在凝固过程中，可将热量迅速向周围辐射，这样就大大减弱或消除了叶片平台2低处由于突出位置熔体过冷而引起叶片杂晶、疏松等缺陷存在。

在本实施例中，还包括设置于所述叶片模壳3上端的圆盘浇道1，需要说明的是圆盘浇道1下方周向均匀设置有多个叶片模壳3，反射层挡板6围设于模壳中柱7外侧，且反射层挡板6与模壳中柱7同轴心设置，保持反射层挡板6外圆周面周向与多个叶片模壳3之间的距离相同，保证对叶片平台2的热反射能量相同，使得各个叶片平台2均能利用反射层改变其温度场，减少平台尖端处的杂晶及疏松缺陷。需要说明的是，反射层挡板6围设于模壳中柱7外侧呈一空心圆柱形，这样可根据模组的大小或形态的不同适应性地调整反射层挡板6外径大小；从而调整反射层挡板6距离叶片平台2低处的距离，不增加工艺操作难度，不改变原有模壳结构，适用性强；除此之外，在批产叶片时，不同的叶片可以制作不同直径大小的反射层挡板6，在同一种叶片中循环使用即可。具体地，在围合反射层挡板6时，可利用钼丝在围合后的圆柱形反射层挡板6外围从上至下用多根钼丝进行固定。或者在对于批产叶片时，可通过在反射层挡板6上打孔，通过螺栓连接的方式固定。

需要说明的是反射层挡板6的高度不低于叶片平台2低处，较优地反射层挡板6顶部设置于圆盘浇道1下方、底部设置于水冷盘5上；这样不仅使得反射层挡板6在放置时更加方便稳定，而且可保证热量均能有效地辐射到叶片平台2上，快速且高效地改变叶片平台2处的温度场，减少晶及疏松缺陷。

在本实施例中，反射层挡板6在模壳中柱7外侧围设呈一空心圆柱形，从而使得对各个叶片平台2均能进行均匀的热量反射，减少或避免叶片平台2杂晶等缺陷；该围合成空心圆柱形的反射层挡板6的外圆周面为光滑的曲面、V形瓦楞纸曲面、U形瓦楞纸曲面、UV形瓦楞纸曲面或棱面中的任意一种或几种。

一种采用上述装置减少叶片杂晶产生的方法，其包括以下步骤：

S1.组树及制壳：圆环顶注式组树，将多片单晶空心叶片模壳安装于蜡模组合装置中；并将叶片平台低处向中心的模壳中柱倾斜设置，采用该方式进行蜡模组合；

S2.在模组中间部位即模壳中柱外围放置一圈反射层挡板，并控制反射层挡板到叶片平台低处的距离在10~50mm之间。

本实施例所得产品在平台处的叶片如图2所示，由图2可知，本实施例的叶片在平台边角处无杂晶产生，且表面整洁如初。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：反射层挡板为MLa合金材料，按重量份数计，包括以下组分：Mo 99.5%、La₂O₃0.5%；反射层挡板的厚度1mm。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于：反射层挡板为MY合金，按重量份数计，包括以下组分：Mo 98.5%%、Y₂O₃ 01.5%。反射层挡板的厚度5mm。

实施例4

本实施例与实施例1的区别在于：反射层挡板为MY合金，按重量份数计，包括以下组分：Mo 99.5%、Y₂O₃ 0.5%。反射层挡板的厚度1mm。

通过在钼中掺杂少量氧化钇或氧化镧，可提高钼合金板材的高温强度、高温延伸率及力学性能，保证其在使用过程中的稳定性。且反射层挡板6可循环使用，避免了资源浪费，且可满足于不同的蜡模组合装置中的使用需求。

对比例1

本对比例与实施例1的区别在于：叶片平台高处向中间倾斜、没有设置反射层挡板。最终所得产品在平台处的叶片如图3所示，由图3可知，本对比例的叶片在平台边角处产生了杂晶，且杂晶十分明显。

综上所述，本发明实施例的方法很好的控制了叶片在平台尖端处的杂晶及疏松等缺陷。通过对比可以得出，本发明的技术方案，成功的抑制了叶片在平台尖端处的杂晶及疏松等缺陷，其技术优势十分明显，市场推广前景十分广阔。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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. 一种减少单晶叶片平台处杂晶缺陷的装置，包括水冷盘和设置于水冷盘上方的叶片模壳以及模壳中柱；所述叶片模壳上设置有叶片平台，其特征在于：所述叶片平台沿远离模壳中柱的一侧向靠近模壳中柱的一侧方向由高到低倾斜设置，且所述叶片平台的低处一侧与模壳中柱之间设置有反射层挡板，所述反射层挡板在所述模壳中柱外侧围设呈一空心圆柱形，且所述反射层挡板的高度不低于叶片平台低处；所述反射层挡板与所述叶片平台之间留有间隙；所述反射层挡板为MLa合金，按重量份数计，包括以下组分：Mo 98%~99.7%、La₂O₃ 0.3%~2%；

或，所述反射层挡板为MY合金，按重量份数计，包括以下组分：Mo 98.5%~99.5%、Y₂O₃ 0.5%~1.5%；

所述反射层挡板的外圆周面为光滑的曲面、V形瓦楞纸曲面、U形瓦楞纸曲面、UV形瓦楞纸曲面或棱面中的任意一种或几种。

2.根据权利要求1所述的减少单晶叶片平台处杂晶缺陷的装置，其特征在于，所述叶片模壳下方不带底板。

3.根据权利要求1所述的减少单晶叶片平台处杂晶缺陷的装置，其特征在于，还包括设置于所述叶片模壳上端的圆盘浇道，所述反射层挡板设置于所述圆盘浇道下方。

4.根据权利要求3所述的减少单晶叶片平台处杂晶缺陷的装置，其特征在于，所述反射层挡板围设于所述模壳中柱外侧，且所述反射层挡板与所述模壳中柱同轴心设置。

5.根据权利要求1-4任一项所述的减少单晶叶片平台处杂晶缺陷的装置，其特征在于，所述反射层挡板的厚度为0.1~5mm；所述反射层挡板与叶片平台低处之间的水平距离为10~50mm。

6.一种采用权利要求1-5任一项所述的装置减少叶片杂晶产生的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.组树及制壳：圆环顶注式组树，将多片单晶空心叶片模壳安装于蜡模组合装置中；并将叶片平台低处向中心的模壳中柱倾斜设置，采用该方式进行蜡模组合；

S2.在模组中间部位放置反射层挡板，并控制反射层挡板到叶片平台低处的距离在10~50mm之间。