CN114799377B - 可控制镍基单晶叶片铸造用籽晶晶体取向的切割方法 - Google Patents

可控制镍基单晶叶片铸造用籽晶晶体取向的切割方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可控制镍基单晶叶片铸造用籽晶晶体取向的切割方法，包括单晶籽晶试棒形状及尺寸设计，在单晶籽晶试棒上确定基准面和二次枝晶的取向方向B方向，采用熔模铸造工艺制备单晶籽晶试棒，对单晶籽晶试棒装夹工装固定后，采用电火花线切割机电极丝沿着与晶籽晶试棒的基准面F垂直的方向运动切割，得到若干籽晶段；对籽晶段进行检测；本发明通过对单晶籽晶试棒形状以及尺寸进行设计从蜡模阶段精确控制一次枝晶及二次枝晶取向，并通过装夹工装对制备的单晶籽晶试棒精确夹持，利用电火花线切割机沿着基准面的垂直方向切割，使得一次枝晶的取向与切割端面垂直，能够保证籽晶段晶体取向的有效性。

Description

可控制镍基单晶叶片铸造用籽晶晶体取向的切割方法
技术领域
本发明涉及单晶合金精密铸造技术领域，特别涉及一种可控制镍基单晶叶片铸造用籽晶晶体取向的切割方法。
背景技术
随着我国航空发动机和燃气轮机事业的快速发展，对于其关键零部件的高温力学性能要求越来越高，而高温合金热端部件和复杂结构件的精密铸造工艺就成为急需突破的技术瓶颈之一。单晶高温合金由于具有熔点高、高温强度和抗蠕变性能优良等优点在航空发动机和燃气轮机热端部件中得到了越来越多的应用。但值得注意的是,单晶高温合金铸件的制备主要应用定向凝固工艺，目前，工业上制备单晶叶片主要采用籽晶法和选晶法得到所需合金的单晶组织。选晶法是在引晶段底部大量形核生成大量随机取向晶粒，随后通过选晶器结构在定向凝固过程中通过晶粒间的竞争生长获得一次枝晶<001>取向偏离角再一定范围内的单晶体，此方法存在无法精确控制单晶高温合金三维晶体取向的缺点。籽晶法则是将预先测定具有优良取向的籽晶与模壳一起加热，加热熔体浇铸至模壳内，籽晶顶端部分发生重熔，启动抽拉后，在定向凝固过程中在籽晶表面外延生长出单晶体，所制得的单晶的晶体取向与籽晶的晶体取向一致，此方法可以精确控制单晶铸件的一次枝晶<001>和二次枝晶<010>及<100>取向。单晶叶片用籽晶的切割过程是籽晶制备工艺的关键一环，对籽晶的尺寸精度，籽晶的一次枝晶<001>取向与切割端面的垂直度有至关重要的影响。
由于籽晶段的制备是从一根有一定优良取向的单晶试棒上切取而得，目前现有的籽晶切割方法是将单晶试棒装夹在平口钳上，然后进行切割，切割时由于单晶试棒装夹定位不准，每根试棒装夹时重复性差，不能快速准确定向定位切割，易导致切割后籽晶段的一次枝晶<001>取向与切割端面不垂直，无法保证籽晶段晶体取向的有效性，造成籽晶段失效。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种可控制镍基单晶叶片铸造用籽晶晶体取向的切割方法，通过对单晶籽晶试棒形状及尺寸进行设计从蜡模阶段精确控制一次枝晶及二次枝晶取向，通过装夹工装对制备的单晶籽晶试棒精确夹持，利用电火花线切割机沿着基准面的垂直方向切割，使得一次枝晶的取向与切割端面垂直，能够保证籽晶段晶体取向的有效性，可以有效解决背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：可控制镍基单晶叶片铸造用籽晶晶体取向的切割方法，包括如下步骤：
1）单晶籽晶试棒形状及尺寸设计
制作单晶籽晶试棒，该单晶籽晶试棒包括起始段、试棒本体、冒口，试棒的轴心线方向为一次枝晶取向方向，试棒上设置一个基准面F，并定义一个与基准面F的方向平行，与试棒的轴线方向垂直的B方向，B方向为二次枝晶的取向方向；
2）采用熔模铸造工艺制备单晶籽晶试棒
根据铸造工艺采用模组设计、制模、组树、制壳、熔炼浇注，制备得到单晶籽晶试棒；
3）对单晶籽晶试棒进行切割
将具有定位锁紧的装夹工装装在电火花线切割机的工作台面上，调整好X轴向和Y轴向的位置，将预先测定具有一定优良晶体取向的单晶籽晶试棒夹持固定在装夹工装上，电火花线切割机电极丝沿着与单晶籽晶试棒的基准面F垂直的方向运动，先将起始段和冒口切割掉，得到试棒本体，然后对试棒本体按照籽晶段长度要求进行分段切割，得到若干籽晶段；
4）对籽晶段进行检测
采用晶粒检测、劳厄检测对籽晶段进行检测，得到晶体取向合格的籽晶段。
步骤1）中起始段端面开设有与螺旋选晶器配合插接的五边形槽，B方向为五边形槽的定点C和五边形槽的定点C对应的一边中点D的连线方向。
步骤3）中装夹工装包括底座，所述底座的顶部固定连接横向板和纵向板，横向板和纵向板之间通过连杆固定连接，所述横向板上安装至少一组V形定位块，V型定位块上设有V型槽，所述纵向板上安装有与V型定位块配合对应的推拉式夹钳，所述推拉式夹钳的推杆上固定连接与横向板滑动连接的压块，所述压块和V型定位块的V型槽之间放置单晶籽晶试棒，且压块与单晶籽晶试棒的基准面F顶接，实现把单晶籽晶试棒固定在V型定位块上。
每组V型定位块中包含至少两个V型定位块，配合对应的推拉式夹钳也至少为两个。
步骤3）中籽晶段长度为35mm，每个试棒本体切割成五个籽晶段。
步骤4）中晶粒检测是对经过晶粒腐蚀的单晶籽晶段通过目视检查单晶完整性，劳厄检测是应用LAUE-HT X-射线衍射仪对籽晶段进行劳厄检测，并根据劳厄检测结果判定一次枝晶和二次枝晶取向偏离轴向的籽晶是否合格。
与传统技术相比，本发明产生的有益效果是：本发明通过对单晶籽晶试棒形状以及尺寸进行设计从蜡模阶段精确控制一次枝晶及二次枝晶取向，并通过装夹工装对制备的单晶籽晶试棒精确夹持，利用电火花线切割机沿着基准面的垂直方向切割，使得一次枝晶的取向与切割端面垂直，能够保证籽晶段晶体取向的有效性。
附图说明
图1为本发明的单晶籽晶试棒的结构示意图；
图2为本发明的单晶籽晶试棒的起始段立体示意图；
图3为本发明的单晶籽晶试棒的取向示意图；
图4为本发明的装夹工装立体示意图。
图中：1、单晶籽晶试棒；101、起始段；102、试棒本体；103、冒口；104、五边形槽；2、底座；3、横向板；4、纵向板；5、V形定位块；6、V型槽；7、推拉式夹钳；8、压块；9、连杆。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
本实施例中提供了一种可控制镍基单晶叶片铸造用籽晶晶体取向的切割方法，包括如下步骤：
1）单晶籽晶试棒形状及尺寸设计
制作单晶籽晶试棒如图1所示，该单晶籽晶试棒1包括起始段101、试棒本体102、冒口103，单晶籽晶试棒1的轴心线方向为一次枝晶取向方向，单晶籽晶试棒1上设置一个基准面F，并定义一个与基准面F的方向平行，与单晶籽晶试棒1的轴线方向垂直的B方向，B方向为二次枝晶的取向方向，如图2-3所示，具体为起始段101端面开设有与螺旋选晶器2配合插接的五边形槽104，B方向为五边形槽104的定点C和五边形槽104的定点C对应的一边中点D的连线方向。
2）采用熔模铸造工艺制备单晶籽晶试棒
根据铸造工艺采用模组设计、制模、组树、制壳、熔炼浇注，制备得到单晶籽晶试棒；
3）对单晶籽晶试棒进行切割
将具有定位锁紧的装夹工装装在电火花线切割机的工作台面上，调整好X轴向和Y轴向的位置，将预先测定具有一定优良晶体取向的单晶籽晶试棒夹持固定在装夹工装上，电火花线切割机电极丝沿着与单晶籽晶试棒的基准面F垂直的方向运动，先将起始段和冒口切割掉，得到试棒本体，然后对试棒本体按照籽晶段长度要求进行分段切割，得到若干籽晶段，每段籽晶段长度为35mm，每个试棒本体切割成五个籽晶段。
如图4所示，装夹工装包括底座2，所述底座2的顶部固定连接横向板3和纵向板4，横向板3和纵向板4之间通过连杆9固定连接，所述横向板3上安装至少一组V形定位块5，V型定位块5上设有V型槽6，所述纵向板4上安装有与V型定位块5配合对应的推拉式夹钳7，所述推拉式夹钳7的推杆上固定连接与横向板3滑动连接的压块8，所述压块8和V型定位块5的V型槽6之间放置单晶籽晶试棒1，且压块8与单晶籽晶试棒1的基准面F顶接，实现把单晶籽晶试棒1固定在V型定位块5上，每组V型定位块5中包含至少两个V型定位块5，配合对应的推拉式夹钳7也至少为两个，通过两个V形定位块5与两个推拉式夹钳7配合使用，将单晶籽晶试棒1稳定的装夹在工装上进行切割，确保单晶籽晶试棒1切割后的籽晶段的一次枝晶<001>取向与切割端面垂直，同时保证了每个籽晶段的一致性，保证籽晶段晶体取向的有效性；该例中V型定位块5为三组，可以快速装夹3根试棒进行同时切割，提高了生产效率。
4）对籽晶段进行检测
采用晶粒检测、劳厄检测对籽晶段进行检测，得到晶体取向合格的籽晶段，晶粒检测是对经过晶粒腐蚀的单晶籽晶段通过目视检查单晶完整性，劳厄检测是应用LAUE-HT X-射线衍射仪对籽晶段进行劳厄检测，并根据劳厄检测结果判定一次枝晶和二次枝晶取向偏离轴向的籽晶是否合格。
本发明中通过对单晶籽晶试棒形状以及尺寸进行设计从蜡模阶段精确控制一次枝晶及二次枝晶取向，并通过装工装对制备的单晶籽晶试棒精确夹持，利用电火花线切割机沿着基准面的垂直方向切割，使得一次枝晶的取向与切割端面垂直，能够保证籽晶段晶体取向的有效性。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (6)

1.可控制镍基单晶叶片铸造用籽晶晶体取向的切割方法，其特征在于：包括如下步骤：
1）单晶籽晶试棒形状及尺寸设计
制作单晶籽晶试棒，该试棒包括起始段、试棒本体、冒口，试棒的轴心线方向为一次枝晶取向方向，试棒上设置一个基准面F，并定义一个与基准面F的方向平行，与试棒的轴线方向垂直的B方向，B方向为二次枝晶的取向方向；
2）采用熔模铸造工艺制备单晶籽晶试棒
根据铸造工艺采用模组设计、制模、组树、制壳、熔炼浇注，制备得到单晶籽晶试棒；
3）对单晶籽晶试棒进行切割
将具有定位锁紧的装夹工装装在电火花线切割机的工作台面上，调整好X轴向和Y轴向的位置，将预先测定具有一定优良晶体取向的单晶籽晶试棒夹持固定在装夹工装上，电火花线切割机电极丝沿着与单晶籽晶试棒的基准面 F 垂直的方向运动，先将起始段和冒口切割掉，得到试棒本体，然后对试棒本体按照籽晶段长度要求进行分段切割，得到若干籽晶段；
4）对籽晶段进行检测
采用晶粒检测、劳厄检测对籽晶段进行检测，得到晶体取向合格的籽晶段。
2.根据权利要求1所述的可控制镍基单晶叶片铸造用籽晶晶体取向的切割方法，其特征在于：步骤1）中起始段端面开设有与螺旋选晶器配合插接的五边形槽，B方向为五边形槽的定点C和五边形槽的定点C对应的一边中点D的连线方向。
3.根据权利要求1所述的可控制镍基单晶叶片铸造用籽晶晶体取向的切割方法，其特征在于：步骤3）中装夹工装包括底座，所述底座的顶部固定连接横向板和纵向板，横向板和纵向板之间通过连杆固定连接，所述横向板上安装至少一组V形定位块，V型定位块上设有V型槽，所述纵向板上安装有与V型定位块配合对应的推拉式夹钳，所述推拉式夹钳的推杆上固定连接与横向板滑动连接的压块，所述压块和V型定位块的V型槽之间放置单晶籽晶试棒，且压块与单晶籽晶试棒的基准面F顶接，实现把单晶籽晶试棒固定在V型定位块上。
4.根据权利要求3所述的可控制镍基单晶叶片铸造用籽晶晶体取向的切割方法，其特征在于：每组V型定位块中包含至少两个V型定位块，配合对应的推拉式夹钳也至少为两个。
5.根据权利要求1所述的可控制镍基单晶叶片铸造用籽晶晶体取向的切割方法，其特征在于：步骤3）中籽晶段长度为35mm，每个试棒本体切割成五个籽晶段。
6.根据权利要求1所述的可控制镍基单晶叶片铸造用籽晶晶体取向的切割方法，其特征在于：步骤4）中晶粒检测是对经过晶粒腐蚀的单晶籽晶段通过目视检查单晶完整性，劳厄检测是应用LAUE-HT X-射线衍射仪对籽晶段进行劳厄检测，并根据劳厄检测结果判定一次枝晶和二次枝晶取向偏离轴向的籽晶是否合格。
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