CN114622281B - 液态金属冷却定向凝固法制备单晶叶片过程中的低熔点金属污染控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液态金属冷却定向凝固法制备单晶叶片过程中的低熔点金属污染控制方法，属于定向凝固技术领域。该方法是在采用液态金属冷却定向凝固法制备单晶叶片过程中，预先充入一定量的高纯氩气，并在保温炉与低熔点熔池之间采用动态隔热层进行隔热，有效控制低熔点金属Sn的挥发，进而控制单晶叶片中的Sn元素含量。采用本发明控制方法制备的单晶叶片中Sn元素含量小于10ppm。
Description
技术领域
本发明涉及定向凝固技术领域，具体涉及一种液态金属冷却定向凝固法制备单晶叶片过程中的低熔点金属污染控制方法。
背景技术
随着先进航空发动机和燃气轮机的发展，单晶高温合金叶片的应用越来越广泛。制备单晶高温合金叶片需要使用定向凝固技术，目前国际上可工程化应的定向凝固技术主要有两种：一种是传统的高速凝固法(HRS法)，另一种是液态金属冷却定向凝固法(LMC法)。
在HRS法中，铸件的热量主要是靠铸件底部的激冷盘的热传导和铸件向炉体的辐射传热，但是当铸件的尺寸比较大时，底盘激冷盘的热传导作用已经很小了，主要是靠铸件向炉体的热辐射来进行，这样固液界面前沿的温度梯度就会显著降低，容易产生铸造缺陷，并且组织粗大不易热处理。
LMC法与HRS法相比，主要的不同就是在于对铸件的传热方式的改变，它是将铸型直接拉入低熔点合金熔池，靠低熔点液态金属的热传导代替了HRS技术中的辐射传热。由于热传导的传热效率明显大于热辐射，因此LMC技术可以获得比HRS大的温度梯度，并且可以在相当长的拉伸距离内保持较高的温度梯度，这为制备大尺寸和形状复杂的定向/单晶铸件提供了有利的保障。
目前采用LMC定向凝固法是利用金属锡(Sn)作为低熔点熔池(专利200910220148.5)。而金属元素Sn被认为是高温合金中的有害元素，一般合金技术要求中都要求Sn含量不能超过20ppm。在利用金属Sn作为低熔点熔池的LMC定向凝固法制备的单晶/定向铸件中Sn元素含量超标，最大含量可达200ppm。
因此，针对LMC法制备单晶或定向铸件中Sn元素含量超标问题，有必要研发在LMC定向凝固过程中Sn元素的有效控制工艺。
发明内容
针对LMC法制备单晶或定向铸件中Sn元素含量超标问题，本发明提供一种液态金属冷却定向凝固法制备单晶叶片过程中的低熔点金属污染控制方法，能够有效控制合金中Sn元素含量，推动LMC定向凝固技术的工程应用。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种液态金属冷却定向凝固法制备单晶叶片过程中的低熔点金属污染控制方法，该方法是在采用液态金属冷却定向凝固法制备单晶叶片过程中，预先充入一定量的高纯氩气，并在保温炉与低熔点熔池之间采用动态隔热层进行隔热，有效控制低熔点金属Sn的挥发，进而控制单晶叶片中的Sn元素含量。该方法包括如下步骤：
(1)在LMC定向凝固设备中进行单晶叶片制备，在低熔点金属熔池表面预铺一层厚度30-100mm、直径1-3mm的空心氧化铝球，形成动态隔热层；
(2)将结晶器上的型壳升入保温炉中，LMC定向凝固设备抽真空至工艺要求后，保温炉开始加热，加热到1500℃时，感应电源送电加热高温合金母合金，直至合金完全融化；
(3)高温合金完全融化后浇注到保温炉内单晶叶片型壳中，然后马上向定向炉内冲入高纯氩气，充至0.2-0.5个大气压，然后型壳以一定的速率从保温炉中抽拉出并进入低熔点熔池，实现定向凝固。
步骤(1)中，所述低熔点金属熔池中装有低熔点金属Sn。
步骤(3)中，铸型抽拉速率为2mm/min～40mm/min。
本发明的优点和有益效果如下：
本发明控制技术能够有效控制合金中Sn元素含量，采用该方法制备的单晶叶片中Sn元素含量小于10ppm。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，以下结合实例对本发明进行描述，但实例仅为对本发明的特点和优点做进一步阐述，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明提供一种液态金属冷却定向凝固法制备单晶叶片过程中的低熔点金属污染控制方法，该方法是在采用液态金属冷却定向凝固法制备单晶叶片过程中，预先充入一定量的高纯氩气，并在保温炉与低熔点熔池之间采用动态隔热层进行隔热，有效控制低熔点金属Sn的挥发，进而控制单晶叶片中的Sn元素含量。该方法包括如下步骤：
(1)在LMC定向凝固设备(专利200910220148.5)中进行单晶叶片制备，在低熔点金属熔池(装有低熔点金属Sn)表面预铺一层厚度30-100mm、直径1-3mm的空心氧化铝球，形成动态隔热层；
(2)将结晶器上的型壳升入保温炉中，LMC定向凝固设备抽真空至工艺要求后，保温炉开始加热，加热到1500℃时，感应电源送电加热高温合金母合金，直至合金完全融化(可参考专利200910220148.5中方法)；
(3)高温合金完全融化后浇注到保温炉内单晶叶片型壳中，然后马上向定向炉内冲入高纯氩气，充至0.2-0.5个大气压，然后型壳以一定的速率从保温炉中抽拉出并进入低熔点熔池，实现定向凝固。
实施例1：
采用本发明方法制备某种实心单晶叶片。首先对低熔点金属Sn进行熔化，开启快速熔化装置，2吨左右的低熔点金属在1小时之内全部熔化。全部熔化之后关闭快速熔化装置，采用恒温装置进行保温。
在低熔点金属熔池表面预铺50mm厚、直径为2mm的氧化铝空心球。
模壳温度保持在1550℃。合金锭熔化后，浇入单晶叶片型壳中，并马上进行充气处理，充高纯氩气至0.5个大气压，静置15分钟。型壳随结晶器以10mm/min的速度向下拉入低熔点金属液中，实现定向凝固。
在单晶叶片铸件上取20g化学分析用金属屑进行化学分析，通过化学分析发现Sn元素含量小于5ppm。
利用此方法进行了多炉次试验验证，如表1所示，可以有效降低铸件中Sn元素的含量。
表1低熔点金属Sn元素在单晶铸件中的含量
| 20炉平均值(ppm) | 20炉最大值(ppm) | |
| 工艺优化前 | 90 | 200 |
| 工艺优化后 | 4 | 5 |
Claims (4)
1.一种液态金属冷却定向凝固法制备单晶叶片过程中的低熔点金属污染控制方法，其特征在于：该方法是在采用液态金属冷却定向凝固法制备单晶叶片过程中，预先充入一定量的高纯氩气，并在保温炉与低熔点熔池之间采用动态隔热层进行隔热，有效控制低熔点金属Sn的挥发，进而控制单晶叶片中的Sn元素含量；
该方法包括如下步骤：
(1)在LMC定向凝固设备中进行单晶叶片制备，在低熔点金属熔池表面预铺一层厚度50-100mm、直径1-3mm的空心氧化铝球，形成动态隔热层；
(2)将结晶器上的型壳升入保温炉中，LMC定向凝固设备抽真空至工艺要求后，保温炉开始加热，加热到1500℃时，感应电源送电加热高温合金母合金，直至合金完全融化；
(3)高温合金完全融化后浇注到保温炉内单晶叶片型壳中，然后马上向定向炉内冲入高纯氩气，充至0.2-0.5个大气压，然后型壳以一定的速率从保温炉中抽拉出并进入低熔点熔池，实现定向凝固。
2.根据权利要求1所述的液态金属冷却定向凝固法制备单晶叶片过程中的低熔点金属污染控制方法，其特征在于：步骤(1)中，所述低熔点金属熔池中装有低熔点金属Sn。
3.根据权利要求1所述的液态金属冷却定向凝固法制备单晶叶片过程中的低熔点金属污染控制方法，其特征在于：步骤(3)中，铸型抽拉速率为2mm/min～40mm/min。
4.根据权利要求1所述的液态金属冷却定向凝固法制备单晶叶片过程中的低熔点金属污染控制方法，其特征在于：采用该控制方法制备的单晶叶片中Sn元素含量小于10ppm。
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