CN114619018A - 一种兼具定向组织和等轴细晶组织结构的高温合金的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种兼具定向组织和等轴细晶组织结构的高温合金的制备方法，属于高温合金特殊凝固铸造技术领域。该方法通过预先制备合格的叶片籽晶，并采用二次凝固技术，使籽晶部分熔化并重新凝固，同时实现细晶‑柱/单晶的连接和一体化成型，进而大幅提高双组织叶盘的合格率和生产效率。用该方法制备的试样具有较好的高温屈服强度和塑性，综合性能优于单一细晶组织试样性能，是整体铸造叶盘提升叶片高温性能方法之一，适用于将整体铸造叶盘改铸成双组织双性能整体铸造叶片的最佳方法。
Description
技术领域
本发明涉及高温合金精密铸造技术领域，具体涉及一种兼具定向组织和等轴细晶组织结构的高温合金的制备方法。
背景技术
高温合金整体叶盘(涡轮盘和叶片一体化铸造成型)，具有重量低，可靠性高等优点，广泛应用于现代小型航空航天发动机领域。由于涡轮盘和叶片的服役环境不同，两者所需材料的微观组织和性能也存在巨大差异。如涡轮盘工作温度低但应力大，要求材料具备高的屈服强度和优异的疲劳性能，材料组织为细等轴晶组织；而叶片工作温度高应力小，更侧重于材料的高温蠕变性能，微观组织为定向柱晶或者单晶组织。但是传统整体铸造叶盘，盘体为粗大的等轴晶组织而叶片为细晶组织，难以满足高推比航空发动机的要求。
为进一步提高整体叶盘的承温能力和屈服强度，国内外逐渐设计出一种整体双组织叶盘，即实现细晶盘体和柱晶\单晶叶片一体化成型。但是这种双组织高温合金制备技术一直制约着整体双组织叶盘的应用和发展。目前国内外普遍采用的制备方法是首先制备出合格的柱晶/单晶叶片和细晶涡轮盘，然后通过焊接的方法实现细晶盘体与柱晶叶片的连接。但这种方法工艺流程长、效率低，而且热等静压过程中变形难控制，导致铸件的制造成本高，由于焊接造成的热影响区严重恶化合金组织，使得合金局部性能可靠性降低。
发明内容
针对现有双组织高温合金制备技术中存在的不足之处，本发明提供一种兼具定向组织和等轴细晶组织结构的高温合金的制备方法，该方法简单高效的实现细晶-柱晶/单晶一体化成型，缩短工艺流程，大幅提高双组织合金的成型率和制备效率。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种能同时兼具定向组织和等轴细晶组织结构的高温合金的制备方法，该方法是采用精密铸造工艺制备出细晶-柱晶/单晶双组织结构高温合金，该方法具体包括如下步骤：
(1)预埋晶体的制备：
将预制的高温合金棒机械加工成原始试棒或叶片，去除表面氧化皮等杂物后作为熔融钢液凝固生长的晶体基础(预埋晶体)；
(2)模壳的制备：
将具有洁净表面的预埋晶体放入模具内，将其预埋蜡型中压制蜡模，并制备型壳；型壳依次进行脱蜡和低温焙烧(低温焙烧温度为200℃-500℃)，以防止预埋晶体表面氧化；
(3)在真空条件下，将制备好的带有预埋晶体的模壳在真空炉内真空感应加热并保温；重熔合金锭并将合金液浇注到模壳内；
(4)浇注后静置一段时间，使预埋晶体部分重熔；然后以一定的频率振动模壳或者以一定的速率抽拉模壳，使熔化后的预埋晶体重新凝固成细晶或者柱晶，即获得所述兼具定向组织和等轴细晶组织结构的高温合金。
步骤(1)中，通过机械振荡细晶铸造法或者定向凝固技术制备所述高温合金棒，高温合金棒为细晶、柱晶或者单晶组织。采用机械震荡法制备整体细晶试棒的方法为：首先制备横向棒状试样，组合成铸造用模组，在真空感应铸造炉熔化并浇注，静置5秒钟后采用正反旋转换向震荡法，将自然凝固的合金枝晶组织破碎，形成细小固体颗粒，促进熔融钢液内部形核，并在凝固过程中形成细小等轴晶组织，然后冷却，制备成原始细晶试棒备用。
步骤(3)中，重熔合金锭时，化清后高温精炼10min，保证钢液成分均匀；然后降低钢液温度，降至浇注温度后将钢液浇注到模壳内。
步骤(4)中，所述抽拉速率为3-7min/mm，所述振动模壳是将模壳进行机械转动，转速为50-200min/r。
本发明技术方案的优点：
通过预先制备合格的叶片籽晶，并采用二次凝固技术，使籽晶部分熔化并重新凝固，同时实现细晶-柱/单晶的连接和一体化成型，进而大幅提高双组织叶盘的合格率和生产效率。
本发明的优点及有益效果说明如下：
(1)与传统的定向凝固工艺相比，该方法能够实现同时制备足够长的带有细晶组织和定向组织的试棒，并能够制备标准试样进行双组织试样的力学性能研究。
(2)采用本发明方法制备的双组织试样，经测试具有较优异的屈服强度和塑性，950℃的持久性能也优于单一细晶组织试样性能。
(3)采用本发明方法制备的双组织试样，还兼具较优异的高温(950℃)蠕变性能，适用于中高温使用下的双性能双组织整体铸造叶盘。
附图说明
图1为实施例1制备的细晶-柱晶双组织合金试棒宏观晶粒组织形貌；其中(a)和(b)为不同观察倍数视图。
图2为实施例2制备的柱晶-细晶双组织高温试棒宏观晶粒形貌。
图3为柱晶-细晶双组织高温合金整体叶盘晶粒形貌；其中：(a)整体叶盘宏观形貌(b)叶片和盘体轮缘晶粒组织形貌。
图4为单晶-细晶双组织高温叶盘晶粒形貌；其中：整体叶盘宏观形貌(b)叶片和盘体轮缘晶粒组织形貌。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详述本发明。
实施例1
本实施例为制备K417G细晶-柱晶双组织高温合金试棒的方法，具体步骤如下：
1、预埋等轴细晶组织晶体的制备
采用细晶铸造工艺制备K417G细晶合金试棒；机械加工试棒表面，去除氧化层等杂物，清洗试棒获得洁净表面的籽晶。
2、模壳的制备
将预制等轴细晶晶体放入模具，压制蜡模；经过涂料和型砂后制备模壳；模壳脱蜡后经过低温焙烧，去除残余蜡料。低温焙烧温度为200℃-500℃。
3、合金的浇注
采用定向凝固技术，将部分模壳升入保温炉内，保温炉升到1500℃后保温；合金锭重熔精炼后，降低钢液温度至1500℃，将钢液浇注到模壳内。
4、浇注后抽拉
浇注后，静置5-10min，模壳以一定的速率开始向下抽拉，抽拉速率为5min/mm。
图1为K417G细晶-柱晶双组织高温试棒宏观晶粒形貌。结果可见：试棒左端为细等轴晶组织，右端为定向柱状晶组织。双组织高温试棒经过热处理后，加工拉伸性能试棒，拉伸性能如表1所示。结果表明：K417G双组织高温合金的室温、760℃和900℃的屈服强度和塑性优于细晶合金试样性能，表2显示，950℃下的蠕变性能优于单一细晶组织试样性能。
表1为细晶和双组织高温合金试棒拉伸性能对比
表2 950℃高温蠕变性能对比
实施例2
本实施例制备细晶-柱晶双组织高温合金试棒的方法如下：
1、预埋定向组织晶体试样的制备
采用定向凝固工艺，制备DZ417G柱晶合金试棒；机械加工试棒表面，去除氧化层等杂物，清洗试棒获得洁净表面的籽晶。
2、模壳的制备
将柱晶预制晶体放入模具，压制蜡模；经过涂料和型砂后制备模壳；模壳脱蜡后经过低温焙烧，去除残余蜡料。低温焙烧温度为200℃-500℃。
3、合金的浇注
采用细晶凝固技术，将模壳放入保温炉内，保温炉到1050-1100℃后保温；合金锭重熔精炼后，降低钢液温度至1430-1470℃，将钢液浇注到模壳内。
4、浇注后机械振动
浇注后，静置1-2min，模壳以一定的转速开始机械振动，转动速率为80min/r，转动时间为20min。
图2为柱晶-细晶双组织高温试棒宏观晶粒形貌。结果可见：试棒左端为柱晶组织，右端为细晶组织。双组织高温试棒经过热处理后，加工拉伸性能试棒，拉伸性能如表3所示。结果表明：双组织合金试棒的760℃强度和塑性高于细晶合金。表4数据表明，具有双组织特征试样高温蠕变性能优于单一细晶组织试样高温蠕变性能。
表3为细晶和双组织高温合金试棒拉伸性能对比
表4 950℃高温蠕变性能对比
实施例3
本实施例制备细晶-柱晶双组织高温合金叶盘的方法如下：
1、预埋定向组织晶体的制备
采用定向凝固工艺，制备DZ417G柱晶叶片；机械加工试棒表面，去除氧化层等杂物，清洗叶片获得洁净表面的籽晶。
2、模壳的制备
将柱制好的预埋晶体放入模具，压制蜡模；经过涂料和型砂后制备模壳；模壳脱蜡后经过低温焙烧，去除残余蜡料。低温焙烧温度为200℃-500℃。
3、合金的浇注
采用细晶凝固技术，将模壳放入保温炉内，保温炉到1050-1110℃后保温；合金锭重熔精炼后，降低钢液温度至1430-1500℃，将钢液浇注到模壳内。
4、浇注后机械振动
浇注后，静置0-3min；模壳以一定的转速开始机械振动，转动速率为60-80min/r；转动时间为10-20min。
图3为柱晶-细晶双组织整体叶盘宏观晶粒形貌。结果可见：柱晶叶片和细晶盘体完全实现冶金连接。
实施例4
本实施例制备细晶-单晶双组织高温合金叶盘的方法如下：
1、籽晶的制备
采用定向凝固工艺，制备DD26单晶合金叶片；叶片机械加工去除氧化层等杂物，清洗后获得洁净表面的籽晶叶片。
2、模壳的制备
将单晶籽晶放入模具，压制蜡模；经过涂料和型砂后制备模壳；模壳脱蜡后经过低温焙烧，去除残余蜡料。低温焙烧温度为200℃-500℃。
3、合金的浇注
采用细晶凝固技术，将模壳放入保温炉内，保温炉到1080-1230℃温后保温；合金锭重熔精炼后，降低钢液温度至1410-1450℃，将钢液浇注到模壳内。
4、浇注后机械振动
浇注后，静置0-3min；模壳以一定的转速开始机械振动，转动速率为40-80min/r。转动时间为8-15min。
图4为单晶-细晶双组织整体叶盘宏观晶粒形貌。结果可见：单晶叶片和细晶盘体完全实现冶金连接。
Claims (6)
1.一种兼具定向组织和等轴细晶组织结构的高温合金的制备方法，其特征在于：该方法是采用精密铸造工艺制备出细晶-柱晶/单晶双组织结构高温合金，该方法具体包括如下步骤：
(1)预埋晶体的制备：
将预制的高温合金棒机械加工成原始试棒或叶片，去除表面氧化皮等杂物后作为熔融钢液凝固生长的晶体基础(预埋晶体)；
(2)模壳的制备：
将具有洁净表面的预埋晶体放入模具内，将其预埋蜡型中压制蜡模，并制备型壳；型壳依次进行脱蜡和低温焙烧，以防止预埋晶体表面氧化；
(3)在真空条件下，将制备好的带有预埋晶体的模壳在真空炉内真空感应加热并保温；重熔合金锭并将合金液浇注到模壳内；
(4)浇注后静置一段时间，使预埋晶体部分重熔；然后以一定的频率振动模壳或者以一定的速率抽拉模壳，使熔化后的预埋晶体重新凝固成细晶或者柱晶，即获得所述兼具定向组织和等轴细晶组织结构的高温合金。
2.根据权利要求1所述的兼具定向组织和等轴细晶组织结构的高温合金的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，通过机械振荡细晶铸造法或者定向凝固技术制备所述高温合金棒，高温合金棒为细晶、柱晶或者单晶组织。
3.根据权利要求2所述的兼具定向组织和等轴细晶组织结构的高温合金的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，采用机械震荡法制备整体细晶试棒的方法如下：
首先制备横向棒状试样，组合成铸造用模组，在真空感应铸造炉熔化并浇注，静置5秒钟后采用正反旋转换向震荡法，将自然凝固的合金枝晶组织破碎，形成细小固体颗粒，促进熔融钢液内部形核，并在凝固过程中形成细小等轴晶组织，然后冷却，制备成原始细晶试棒备用。
4.根据权利要求1所述的兼具定向组织和等轴细晶组织结构的高温合金的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，低温焙烧温度为200℃-500℃。
5.根据权利要求1所述的兼具定向组织和等轴细晶组织结构的高温合金的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，重熔合金锭时，化清后高温精炼10min，保证钢液成分均匀；然后降低钢液温度，降至浇注温度后将钢液浇注到模壳内。
6.根据权利要求1所述的兼具定向组织和等轴细晶组织结构的高温合金的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，所述抽拉速率为3-7min/mm，所述振动模壳是将模壳进行机械转动，转速为50-200min/r。
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