CN114169150A - 二维选晶器在晶粒选择演化中的影响及其形状关系研究方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高温合金熔模精密铸造应用技术领域，具体公开了二维选晶器在晶粒选择演化中的影响及其形状关系研究方法，包括以下步骤，步骤(1)对于选晶器几何形状和尺寸对晶粒选择的影响。步骤(2)采用3mm/min的拉拔速率浇筑MM247LC。步骤(3)浇注后敲除团簇，浇筑成品进行切断试样，其中用蚀刻剂进行宏观蚀刻，以显示结果，选晶器被切割以供进一步分析，并采用光学显微镜、电子显微镜和扫描电镜对其形貌进行了表征。本发明的有益效果在于：研究了二维的C形选晶器、Z形选晶器。

Description

二维选晶器在晶粒选择演化中的影响及其形状关系研究方法
技术领域
本发明属于高温合金熔模精密铸造应用技术领域，具体涉及二维选晶器在晶粒选择演化中的影响及其形状关系研究方法，特别是MM247LC铸造单晶涡轮叶片的制造工艺问题。
背景技术
镍基部件因其优异的高温性能而广泛应用于航空发动机和燃气轮机的热端部。单晶(SX)成分通常是通过定向凝固过程生产的，在这个过程中，使用了播种法(播种法翻译是否准确)和选晶器方法。虽然播种法可以精确控制SX部件的取向，但也会导致铸造缺陷的发生，在实践中操作不方便，因此选晶器方法通常用于工业应用，而对于一些高要求的SX铸造，则采用两种方法的结合。
在目前的实践中，一个三维(3D)螺旋选晶器，称为猪尾，总是使用在SX组件的生产。选晶器的几何形状决定了晶粒的选择效率，螺距长度是选晶器的关键参数之一，研究表明，螺距长度越长螺旋选晶器的效率越高，然而如果节距长度过长(超过20毫米)，蜡螺旋选晶器的强度就不足以支撑铸造过程。
为了简化操作过程和研究可观测性，本研究设计了二维(2D)选晶器，而不是三维螺旋晶粒选晶器，使用3D打印工艺，选晶器由合适的ABS材料制成，铸造SX样品证明了2D选择器的效率，因此基于C型和Z型晶粒选择器，研究了二维选晶器的晶粒选择和凝固组织。
基于上述问题，本发明提供二维选晶器在晶粒选择演化中的影响及其形状关系研究方法。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供二维选晶器在晶粒选择演化中的影响及其形状关系研究方法。
技术方案：本发明提供的二维选晶器在晶粒选择演化中的影响及其形状关系研究方法，包括以下步骤，步骤(1)对于选晶器几何形状和尺寸对晶粒选择的影响，首先将不同形状、不同尺寸的二维选晶器与直径20mm*150mm圆柱棒组成的蜡单元整体注蜡浇筑，然后将蜡组件浸入具有不同粘度的水基陶瓷浆中，并使用不同尺寸的氧化铝砂进行粉刷，并反复浸涂，直至壳模组壁厚达到7-8mm，干燥后在蒸汽高压釜中脱蜡，随后对壳模进行烧结，以除去剩余的蜡，增加其强度，最后将壳模安装在布里奇曼炉中的水冷铜管上。步骤(2)采用3mm/min的拉拔速率浇筑MM247LC。步骤(3)浇注后敲除团簇，浇筑成品进行切断试样，其中用蚀刻剂进行宏观蚀刻，以显示结果，选晶器被切割以供进一步分析，并采用光学显微镜、电子显微镜和扫描电镜对其形貌进行了表征。
本技术方案的，所述步骤(2)中还包括模拟铸造实验，模拟铸造实验分为以下步骤，步骤(1)铸造材料成分、参数选取和铸造仿真设备参数选取。步骤(2)利用ProCAST软件进行铸造仿真模拟。步骤(3)仿真模拟结果分析。所述步骤(1)中MM247LC高温合金的化学成分和重量率，Al5.49％、Ti0.74％、Cr8.03％、Mo0.5％、W9.87％、Ta2.9％、Hf1.36％、C0.094％、余量为Ni。
其中，所述步骤(1)中铸造仿真设备采用亚琛大学铸造研究所的HRS(High RiteSpeed)定向凝固设备布里奇曼炉，其参数选取加热温度范围，上区1550℃，下区1500℃，拉拔速率3mm/min，极限真空度6.6*10-3Pa；所述步骤(2)中整个过程由ProCAST建模，首先输入CAD模型并预先网格化，对模型过程进行网格划分和模拟，再引入热力学数据库计算，最后研究了温度梯度等关键参数对其的影响；步骤(3)仿真模拟结果分析C形晶粒选晶器、Z形晶粒选晶器的选晶效率。
本技术方案的，所述步骤(2)中还包括二维选晶器的C形晶粒选晶器、Z形晶粒选晶器的参数分析、铸造模拟和结果分析，模拟铸造实验分为以下步骤，步骤(1)获取参数，为了构建三维螺旋选晶器的螺距、直径和起升角度，通过其相应的二维投影的线性组合来研究每个关键参数；步骤(2)分析参数并在模拟软件中输入不同参数进行结果模拟，2D选晶器由引晶段和选晶段组成，在研究中引晶段固定参数为10mm(L)*10mm(W)*30mm(H)，C形晶粒选晶器、Z形晶粒选晶器具有固定高度(hs)，选晶直径dw范围为0.18-0.66cm；步骤(3)结果分析，二维选晶器用于高效选出单晶，选晶器的效率受几何形状的影响，而螺旋选晶器与二维选晶器在选晶高度上具有相同的效率，结果清楚地反映了晶粒的选择行为，特别是不同几何形状下的晶粒选择效率，同时由于螺旋的几何形状与二维模型呈线性关系，因此二维选晶机理和螺旋选晶机理一致并且具有同样的选晶效率且更简易方便。
与现有技术相比，本发明的二维选晶器在晶粒选择演化中的影响及其形状关系研究方法的有益效果在于：研究了二维的C形晶粒选晶器、Z形晶粒选晶器铸造MM247LC单晶涡轮叶片的所存在的问题，为采用二维的C形晶粒选晶器、Z形晶粒选晶器铸造MM247LC单晶涡轮叶片提供技术方向。
附图说明
图1所示是晶粒选择研究过程示意图；
图2所示是单晶铸造中晶粒选择研究的实验过程；
图3所示是不同选晶器尺寸组装的壳模和放置在熔炉中的示意图；
图4所示是ProCAST模拟软件下不同选晶器尺寸、热梯度与晶粒选择效率的关系示意图；
图5所示是二维选晶器与螺旋选晶器的对比示意图；
图6所示是不同厚度参数的C形晶粒选晶器示意图；
图7所示是不同厚度参数的Z形晶粒选晶器示意图
图8所示是C形通道中的一次晶粒通过情况(小于1.6mm)示意图；
图8-1所示是选粒高度(Hs)与选粒直径超厚(小于1.5mm)的关系示意图；
图9所示是B、C晶粒选择枝晶竞争演化中晶粒选择高度(Hs)与晶粒选择直径(大于1.5mm，小于3mm)厚度的关系示意图
图10所示是选粒高度(Hs)与选粒直径(小于3mm)厚度的关系示意图；
图11所示是A、B、C晶粒选择与枝晶竞争演化的关系示意图；
图12所示是A、B、C晶粒选择枝晶竞争演化中晶粒选择高度(Hs)与晶粒选择直径(小于3mm)厚度的关系示意图；
图13所示是Z形晶粒选择中，晶粒在厚度小于1.6mm的通道中通过的情况示意图；
图14所示是Z型选晶器B、C晶粒选择枝晶竞争演化中晶粒选择高度(Hs)与晶粒选择直径(大于1.5mm，小于3mm)厚度的关系示意图；
图15所示是Z型选晶器BC晶粒选择枝晶竞争演化中晶粒选择高度(Hs)与晶粒选择直径(小于3mm)厚度的关系示意图；
图16所示是Z形晶粒选晶器中A、B、C晶粒选择与枝晶竞争演化的关系示意图；
图17所示是Z型选晶器中A、B、C晶粒选择枝晶竞争演化过程中晶粒选择高度(Hs)与晶粒选择直径(小于3mm)厚度的关系示意图；
图18所示是螺旋形通道(小于1.6mm)单粒通过情况示意图；
图19所示是螺旋选粒时选粒高度(Hs)与选粒直径(小于1.5mm)厚度的关系示意图；
图20所示是螺旋型选粒器B、C选粒枝晶竞争演化中选粒高度(Hs)与选粒直径(大于1.5mm，小于3mm)厚度的关系示意图；
图21所示是螺旋型选粒器中籽粒选择高度(Hs)与B、C枝晶竞争演化的关系示意图；
图22所示是螺旋选粒器中籽粒选择高度(Hs)与B、C枝晶竞争演化的关系示意图；
图23所示是螺旋形晶粒选晶器中A、B、C晶粒选择与枝晶竞争演化的关系示意图；
图24所示是螺旋选粒器中籽粒选择高度(Hs)与A、B、C枝晶竞争演化的关系示意图。
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。
本发明的二维选晶器在晶粒选择演化中的影响及其形状关系研究方法，包括以下步骤，步骤(1)对于选晶器几何形状和尺寸对晶粒选择的影响，首先将不同形状、不同尺寸的二维选晶器与直径20mm*150mm圆柱棒组成的蜡单元整体注蜡浇筑，然后将蜡组件浸入具有不同粘度的水基陶瓷浆中，并使用不同尺寸的氧化铝砂进行粉刷，并反复浸涂，直至壳模组壁厚达到7-8mm，干燥后在蒸汽高压釜中脱蜡，随后对壳模进行烧结，以除去剩余的蜡，增加其强度，最后将壳模安装在布里奇曼炉中的水冷铜管上。步骤(2)采用3mm/min的拉拔速率浇筑MM247LC。步骤(3)浇注后敲除团簇，浇筑成品进行切断试样，其中用蚀刻剂(50vol％H2O2+50vol％HCl)进行宏观蚀刻，以显示结果，选晶器被切割以供进一步分析，并采用光学显微镜(OM)、电子显微镜(EBSD)和扫描电镜(SEM)对其形貌进行了表征。
本发明二维选晶器在晶粒选择演化中的影响及其形状关系研究方法，步骤(2)中还包括模拟铸造实验，模拟铸造实验分为以下步骤，步骤(1)铸造材料成分、参数选取和铸造仿真设备参数选取。步骤(2)利用ProCAST软件进行铸造仿真模拟。步骤(3)仿真模拟结果分析。所述步骤(1)中MM247LC高温合金的化学成分和重量率，
Al5.49％、Ti0.74％、Cr8.03％、Mo0.5％、W9.87％、Ta2.9％、Hf1.36％、C0.094％、余量为Ni。
其中，所述步骤(1)中铸造仿真设备采用亚琛大学铸造研究所的HRS(High RiteSpeed)定向凝固设备布里奇曼炉，其参数选取加热温度范围，上区1550℃，下区1500℃，拉拔速率3mm/min，极限真空度6.6*10-3Pa；所述步骤(2)中整个过程由ProCAST建模，首先输入CAD模型并预先网格化，对模型过程进行网格划分和模拟，再引入热力学数据库计算，最后研究了温度梯度等关键参数对其的影响；所述步骤(3)仿真模拟结果分析C形晶粒选晶器、Z形晶粒选晶器的选晶效率。
本发明二维选晶器在晶粒选择演化中的影响及其形状关系研究方法，步骤(2)中还包括二维选晶器的C形晶粒选晶器、Z形晶粒选晶器的参数分析、铸造模拟和结果分析，模拟铸造实验分为以下步骤，步骤(1)获取参数，为了构建三维螺旋选晶器的螺距、直径和起升角度，通过其相应的二维投影的线性组合来研究每个关键参数(研究对象二维的参数其实就是三维在其投影面的参数)；步骤(2)分析参数并在模拟软件中输入不同参数进行结果模拟，2D选晶器由引晶段和选晶段组成，在研究中引晶段固定参数为10mm(L)*10mm(W)*30mm(H)，C形晶粒选晶器、Z形晶粒选晶器具有固定高度(hs)，选晶直径dw范围为0.18-0.66cm；步骤(3)结果分析，二维选晶器用于高效选出单晶，选晶器的效率受几何形状的影响，而螺旋选晶器与二维选晶器在选晶高度上具有相同的效率，结果清楚地反映了晶粒的选择行为，特别是不同几何形状下的晶粒选择效率，同时由于螺旋的几何形状与二维模型呈线性关系，因此二维选晶机理和螺旋选晶机理一致并且具有同样的选晶效率且更简易方便。
实施例
如图1所示对于选晶器几何形状对晶粒选择的影响，将不同尺寸、不同形状2D选晶器与直径20mm*150mm圆柱棒组成的蜡单元整体注蜡浇筑，(如图2所示)单元围绕中心杆组装，形成蜡模件，然后将蜡组件浸入具有不同粘度的水基陶瓷浆中，并使用不同尺寸的氧化铝砂进行粉刷，反复浸涂，直至壳模组壁厚达7-8mm。干燥后，在蒸汽高压釜中脱蜡。随后对模具进行烧结，以除去剩余的蜡，增加其强度。最后外壳模具安装在Bridgman炉内。实验采用3mm/min的拉拔速率和MM247LC(见表1)。浇注后敲除团簇，切断试样，用蚀刻剂(50vol％H2O2+50vol％HCl)进行宏观蚀刻，以显示结果，选晶器被切割以供进一步研究，采用光学显微镜(OM)、电子显微镜(EBSD)和扫描电镜(SEM)对其形貌进行了表征。
数值模拟实验材料，铸造材料采用MM247LC，化学成分如下(如表1所示)，
表1
Figure BDA0003366607500000061
模拟，采用HRS(High Rite Speed)定向凝固设备Bridgman炉进行了模拟和实验，加热温度范围:上区1550℃，下区1500℃，拉拔速率3mm/min，极限真空度6.6*10-3Pa。
仿真的过程，整个过程由ProCAST建模(如图2所示)，首先输入CAD模型并预先网格化，对模型过程进行网格划分和模拟，再引入热力学数据库计算，最后研究了温度梯度等关键参数对其的影响，如图3所示。
实验结果，仿真模拟结果分析C形晶粒选晶器、Z形晶粒选晶器的选晶效率，如图4-5所示。
降维的优点如下:1.简化的过程；2.高效的数据提取；3.增加数据的可读性，便于发现有意义的数据；4.容易观察。
二维晶粒选晶器设计产生，C形晶粒选晶器和Z形晶粒选晶器：
为了构建三维螺旋选晶器的数据(螺距长度、直径和起升角度)，通过其相应的二维投影的线性组合来研究每个关键参数，讨论了C形晶粒选晶器和Z形晶粒选晶器。
二维晶粒选晶器由启动块和晶粒选择部分组成，在研究中，引晶段固定参数为10mm(L)*10mm(W)*30mm(H)，如图6和图7所示；C形晶粒选晶器、Z形晶粒选晶器具有固定高度(hs)和弯曲角度(θ＝180°)，但晶粒厚度(dw＝0.18-0.66cm)不同。
结果：
晶粒选择通道足够厚，只有一个单晶枝晶可以通过该通道。只有树枝晶B可以通过这个通道，因为这个通道只能通过一个晶粒。所以最终的单晶晶粒选择高度(Hs)是引晶段的高度(30mm)，因为所有其他晶粒都有块在引晶段内，如图8、图8-1所示。
当选粒段通道变大时，只有B和C可以通过通道，A在启动阻断通道中被阻断，在这种情况下，晶粒选择高度是Hs-2，如图9所示；B的选粒高度由C进入选粒通道的长度决定，因此籽粒选择高度和籽粒选择直径之间的关系是由C形(右边C)几何决定的，如图9和图10所示；左侧晶粒通道变大，树枝晶A通过选择通道，此时晶粒选择竞争关系由B、C向A、B、C转变，A、B、C竞争之间的关系由A、B决定，而B、C之间的竞争从一开始就排除了C，所以A、B之间的关系仍然与通道的几何关系有关，如图11和图12所示。
当所选零件的通道变大时，只有2个树突可以通过通道，如图13所示，只有B和C可以通过通道，A在启动阻断器中被阻断，因此籽粒选择高度为Hs2。
当通道变大，A、B、C晶粒通过通道时，如图13所示，此时晶粒选择的竞争关系就是A、B、C的竞争。A、B、C竞争之间的关系由A、B决定，C从一开始就被消除了，所以A、B和Z形通道的几何关系还是一样的，如图14、图15、图16、图17所示。
螺旋晶粒选晶器的晶粒选择，螺旋晶粒选择通道足够细，只有一个枝晶通过该通道，只有树突B通过通道，因为通道只能通过一个，所以最终的晶粒选择高度Hs是引晶段的高度。
所选晶体截面的螺旋通道变大，即只有2个枝晶(B和C)通过该通道，如图18所示，当只有B有C通过通道，且A在播种通道中受阻时，最终选粒高度为Hs2。
B和C之间的选粒高度是由C在选择通道中的变型移动路径决定的，选粒高度之间的关系是基于最终C的位置，如图19和图20所示。
当晶粒选择通道变大，树枝晶A可以通过通道时，竞争关系由B、C变为A、B、C，A、B、C之间的关系由A、B决定，开始时消除了C，A、B之间的关系仍然符合螺旋通道的几何形状，如图21、图22、图23、图24所示。
分析结论：总之，二维晶粒选晶器用于快速选择一个晶粒，晶粒选晶器的效率受几何形状的影响，螺旋选晶器与二维选晶器在选晶高度上具有相同的效率。
模拟和实验结果清楚地反映了晶粒的选择行为，特别是不同几何形状下的晶粒选择效率。由于螺旋的几何形状与二维模型呈线性关系，因此二维晶粒选择影响因素也会影响螺旋晶粒的选择。
同时，本发明也提出了一种利用升维法重新设计的螺旋晶粒选晶器，为今后的研究(螺旋晶粒选晶器研究)提供潜在的解决方案。
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 (3)

1.二维选晶器在晶粒选择演化中的影响及其形状关系研究方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤(1)对于选晶器几何形状和尺寸对晶粒选择的影响，首先将不同形状、不同尺寸的二维选晶器与直径20mm*150mm圆柱棒组成的蜡单元整体注蜡浇筑，然后将蜡组件浸入具有不同粘度的水基陶瓷浆中，并使用不同尺寸的氧化铝砂进行粉刷，并反复浸涂，直至壳模组壁厚达到7-8mm，干燥后在蒸汽高压釜中脱蜡，随后对壳模进行烧结，以除去剩余的蜡，增加其强度，最后将壳模安装在布里奇曼炉中的水冷铜管上；
步骤(2)采用3mm/min的拉拔速率浇筑MM247LC；
步骤(3)浇注后敲除团簇，浇筑成品进行切断试样，其中用蚀刻剂进行宏观蚀刻，以显示结果，选晶器被切割以供进一步分析，并采用光学显微镜、电子显微镜和扫描电镜对其形貌进行了表征。
2.根据权利要求1所述的二维选晶器在晶粒选择演化中的影响及其形状关系研究方法，其特征在于：所述步骤(2)中还包括模拟铸造实验，模拟铸造实验分为以下步骤，
步骤(1)铸造材料成分、参数选取和铸造仿真设备参数选取；
步骤(2)利用ProCAST软件进行铸造仿真模拟；
步骤(3)仿真模拟结果分析；
所述步骤(1)中MM247LC高温合金的化学成分和重量率，Al5.49％、Ti0.74％、Cr8.03％、Mo0.5％、W9.87％、Ta2.9％、Hf1.36％、C0.094％、余量为Ni；
所述步骤(1)中铸造仿真设备采用亚琛大学铸造研究所的HRS(High Rite Speed)定向凝固设备布里奇曼炉，其参数选取加热温度范围，上区1550℃，下区1500℃，拉拔速率3mm/min，极限真空度6.6*10-3Pa；
所述步骤(2)中整个过程由ProCAST建模，首先输入CAD模型并预先网格化，对模型过程进行网格划分和模拟，再引入热力学数据库计算，最后研究了温度梯度关键参数对其的影响；
步骤(3)仿真模拟结果分析C形晶粒选晶器、Z形晶粒选晶器的选晶效率。
3.根据权利要求1或2所述的二维选晶器在晶粒选择演化中的影响及其形状关系研究方法，其特征在于：所述步骤(2)中还包括二维选晶器的C形晶粒选晶器、Z形晶粒选晶器的参数分析、铸造模拟和结果分析，模拟铸造实验分为以下步骤，
步骤(1)获取参数，为了构建三维螺旋选晶器的螺距、直径和起升角度，通过其相应的二维投影的线性组合来研究每个关键参数(研究对象二维的参数其实就是三维在其投影面的参数)；
步骤(2)分析参数并在模拟软件中输入不同参数进行结果模拟，2D选晶器由引晶段和选晶段组成，在研究中引晶段固定参数为10mm(L)*10mm(W)*30mm(H)，C形晶粒选晶器、Z形晶粒选晶器具有固定高度(hs)，选晶直径dw范围为0.18-0.66cm；
步骤(3)结果分析，二维选晶器用于高效选出单晶，选晶器的效率受几何形状的影响，而螺旋选晶器与二维选晶器在选晶高度上具有相同的效率，结果清楚地反映了晶粒的选择行为，特别是不同几何形状下的晶粒选择效率，同时由于螺旋的几何形状与二维模型呈线性关系，因此二维选晶机理和螺旋选晶机理一致并且具有同样的选晶效率且更简易方便。
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