CN115047160B - 一种单晶高温合金铸造性能评估装置及评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种单晶高温合金铸造性能评估装置及评估方法,装置包括熔体充型性能评估模具、铸件收缩性能评估模具、单晶完整性能评估模具、铸件应力产生趋势评估模具。采用铸造性能评估装置和定向凝固方法获相应的铸件,通过对具有特征结构的铸件进行检测,获得单晶高温合金的熔体充型性能评估数据、单晶高温合金铸件收缩性能评估数据、单晶高温合金单晶完整性能评估数据和单晶高温合金铸件应力产生趋势评估数据,并在此基础上单晶高温合金铸造性能评估数据库。本发明方法能够对单晶高温合金的铸造性能进行综合评估,为新一代高性能航空发动机高压涡轮叶片的机构设计和工艺制备建立可靠的理论基础。的基础理论支撑和保证。
Description
技术领域
本发明属于单晶高温合金铸造领域,特别涉及一种单晶高温合金铸造性能评估装置及评估方法。
背景技术
高压涡轮叶片是航空发动机的核心热端部件,其承温能力是一款发动机先进程度的重要指标。随着现代航空工业的快速发展,对高压涡轮叶片的高温性能要求越来越高。已有的研究表明:叶片冷却结构和高温合金成分设计、定向凝固、热障涂层制备是提高高压涡轮叶片高温性能的主要方式。
叶片冷却结构设计,主要是通过优化叶片的冷却通道设计来增强单晶叶片的散热面积,从而提高单晶高温合金叶片的散热速率和使用温度。从单通道的气模冷却设计到多通道的气膜冷却设计,以及多通道的复合冷却形式设计,单晶叶片的冷却结构变的越来越复杂,以新一代发动机的多层壁单晶空心叶片为例,其叶片叶身最薄处小于1mm,这给定向凝固制备带来了巨大的挑战,容易产生叶片充型不完整、热裂、局部应力过大、杂晶等冶金缺陷。成分设计,主要是通过优化母合金中的强化元素来提高单晶高温合金的使用温度和高温蠕变性能,一方面是以W,Mo,Ta等为代表的难溶元素的不断增加,另外一方面是以Re、Ru、Y等为代表的稀土元素的添加。由于合金中的难熔元素和稀土元素的不断增多,高温合金的铸造性能,主要包括流动性、收缩性等会发生很大的变化,这进一步增加了新一代航空发动机单晶涡轮叶片定向凝固制备的难度。
合金的铸造性主要是指液态金属的流动性和收缩性能等,如果液态金属铸造性能不能满足铸件的要求,就可能产生浇不足、冷隔、缩松、气孔、裂纹和变形等缺陷。合金铸造性能研究属于金属铸造过程的基础研究,用于检测常用合金铸造性能的方法已经比较成熟,并且在研究和生产中得到了广泛的研究。比如,研究液态金属流动性的螺旋形模具,将液态金属浇入螺旋形铸型中,在相同的铸造条件下,获得的铸件螺旋线越长,表明金属液的流动性越好;又比如,用于研究液态金属收缩性能的狗骨头试样或者哑铃试样,将液态金属浇入狗骨头或者哑铃试样模具中,根据截面过度处的产生的裂纹的大小和数量,可以对合金的收缩性能进行评估。
与常规合金(如铝合金、铜合金等)相比,单晶高温合金具有元素种类多、成分控制严格、合金熔点高等特点,同时由于其价格昂贵,且使用领域比较专一,因此,截至目前为止,还没有专门研究单晶高温合金铸造性能的模具和方法。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提出一种单晶高温合金铸造性能评估装置及评估方法,使用该方法能够对单晶高温合金的铸造性能进行综合评估,为新一代高性能航空发动机高压涡轮叶片定向凝固制备提供可靠的基础理论支撑和保证。
本发明的目的通过以下技术方案实现:
一种单晶高温合金铸造性能评估装置,包含:
熔体充型性能评估模具:包括约束熔体流向的浇口杯、为液态金属充型提供压力的压头、作为液态金属充型路径的主浇道和横浇道、与横浇道连通的充型性能测试腔体以及设于所述充型性能测试腔体下端的螺旋选晶器;
铸件收缩性能评估模具:包括约束液体流向的浇口杯、为液态金属充型提供压力的压头、作为液态金属充型路径的主浇道和横浇道、与横浇道连通的铸件收缩性能测试腔体,以及设于所述铸件收缩性能测试腔体下端的螺旋选晶器;
单晶完整性能评估模具:包括约束液体流向的浇口杯、为液态金属充型提供压力的压头、设于压头下部的单晶完整性测试型腔以及设于所述单晶完整性测试型腔下端的螺旋选晶器,所述的单晶完整性测试型腔由型腔主体和设于所述型腔主体上的缘板组成;
铸件应力产生趋势评估模具:包括约束液体流向的浇口杯、为液态金属充型提供压力的压头、设于压力下部的单晶应力测试型腔以及设于所述单晶应力测试型腔下部的螺旋选晶器,所述的单晶应力测试型腔由型腔主体、设于所述型腔主体上的缘板、以及下端的转接角组成。
进一步地,熔体充型性能评估模具中,充型性能测试腔体以及螺旋选晶器设有多组,等间距的环绕所述主浇道分布;
铸件收缩性能评估模具中,螺旋选晶器以及收缩性能测试腔体设有多组,等间距的环绕所述浇道分布;
单晶完整性能评估模具中,单晶完整性测试型腔以及螺旋选晶器设有多组;
铸件应力产生趋势评估模具中,单晶应力测试型腔以及螺旋选晶器设有多组。
进一步地,所述的熔体充型性能评估模具和铸件收缩性能评估模具采用底注式,所述的单晶完整性能评估模具和应力测试模具采用顶注式。
进一步地,所述充型性能测试腔体包括三个独立的腔体,腔体厚度分别选用0.3~0.5 mm,0.5~1 mm和1~1.5 mm,腔体通过各自的横浇道与主浇道连通。
进一步地,所述铸件收缩性能测试腔体包括三个独立腔体,均采用锥桶型结构,圆柱段的直径范围在10 mm~25 mm,圆锥段的锥度选用5°~25°。
进一步地,所述单晶完整性能评估模具包括三个独立的腔体,每组缘板与型腔主体的倾斜角不同,分别选用15°~30°、30°~45°和45°~60°。
进一步地,所述铸件应力产生趋势评估模具包含三个独立的腔体,每组腔体缘板与型腔主体的转接角半径分别在0.5~0.8mm、0.8~1.5mm和1.5~2.5mm。
一种单晶高温合金铸造性能评估方法,采用上述评估装置进行,测试流程包括以下步骤:
(1)将各模具和所需测试的单晶高温合金装入定向凝固炉内;
(2)对定向凝固炉抽真空,对模具进行预热;
(3)当真空度和预热温度达到预设指标后,开始熔炼单晶高温合金;
(4)当单晶高温合金熔化后,将熔体全部浇入浇口杯内,然后开始以恒定抽拉速度进行定向凝固;
(5)定向凝固结束之后,向炉体内充气体破真空,然后取出模具以及试样;
对不同厚度型腔内的单晶高温合金铸件的高度进行测量,获得单晶高温合金在不同壁厚条件下的充型能力,所得铸件的主体部分的平均高度越高,则该种单晶高温合金的熔体充型能力就越好;
对不同直径锥桶型型腔内的单晶高温合金和铸件顶部的缩孔的数量和大小进行测量,获得单晶高温合金在不同体积条件下凝固的收缩性能,所得铸件的缩孔数量越少、缩孔体积越小则该种单晶高温合金的铸件收缩性能越好;
对不同缘板倾斜角条件下的单晶完整性能评估模具获得的铸件进行宏观金相腐蚀,观察缘板附近的杂晶数量和杂晶所占面积的大小,获得单晶高温合金在不同缘板倾斜角下的单晶完整性性能,所得铸件的杂晶数量和杂晶面积越小,则该种单晶高温合金的单晶完整性能越好;
对单晶高温合金铸件应力产生趋势测试型腔的单晶高温合金铸件的进行应力测试,用X射线表征缘板和型腔主体转接处的应力分布,获得单晶高温合金在不同缘板转接角处的单晶应力平均值、最大值和最小值,所得铸件缘板和型腔主体转接处的应力越大,则该种单晶高温合金的铸件应力产生趋势就越大。
整理单晶高温合金的熔体充型性能评估数据、铸件收缩性能评估数据、单晶完整性能评估数据和应力评估数据,获得单晶高温合金铸造性能评估数据库。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
采用本发明,能够对不同牌号或者新研发的单晶高温性能的铸造性能进行系统的研究,包括熔体充型性能、铸件收缩性能、单晶完整性能和应力产生趋势。本发明的应用和推广,有利于统一单晶高温合金铸造性能评估的方式,从而建立起通用的单晶高温合金的铸造性能数据库。材料开发工作者可以利用本发明对新研发的单晶高温合金的铸造性能进行评估和对比;工艺设计工作者可以利用本发明所形成的数据库为针对涡轮叶片结构和要求选用合适的高温合金牌号;结构设计工作者可以利用本发明形成的数据库探索出先进结构的涡轮叶片设计。本发明的顺利实施,能够大幅度提高我国新一代高性能单晶涡轮叶片的设计和制造水平。
附图说明
图1为单晶高温合金熔体充型性能测试模具;
图2为单晶高温合金铸件收缩性测试模具;
图3为单晶高温合金单晶完整性能评估模具;
图4为单晶高温合金铸件应力产生趋势评估模具。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
一种单晶高温合金铸造性能评估装置,包含熔体充型性能评估模具、铸件收缩性能评估模具、单晶完整性能评估模具、应力产生趋势评估模具四个部分。
如图1所示,单晶高温合金熔体充型性能测试模具主要由浇口杯1,压头2,主浇道3,横浇道4,螺旋选晶器5和充型性能测试腔体6组成。浇口杯1主要作用是约束液体的流向,方便液态单晶高温合金熔体浇铸;压头2主要作用是为液态金属充型提供足够的压力;主浇道3是液态金属充型的主要路径;充型性能测试腔体6在水平面呈120°分布,且通过横浇道4与主浇道3连通。为了提高熔体充型过程的稳定性,单晶高温合金熔体充型性能测试模具采用底注式。
单晶高温合金熔体充型性能测试腔体的腔体厚度分别选用0.5 mm,0.8 mm和1mm。
其主要测试流程如下:
a) 将单晶高温合金熔体充型性能测试模具和所需测试的单晶高温合金装入定向凝固炉内;
b) 对定向凝固炉抽真空,对单晶高温合金熔体充型性能测试模具进行预热;
c) 当真空度和预热温度达到预设指标后,开始熔炼单晶高温合金;
d) 当单晶高温合金熔化后,将熔体全部浇入浇口杯内,然后开始以恒定抽拉速度V进行定向凝固;
e)定向凝固结束之后,向炉体内充气体破真空,然后取出单晶高温合金熔体充型性能测试模具和试样;
f) 分别对0.5 mm,0.8 mm和1 mm厚度型腔内的单晶高温合金铸件的高度进行测量,获得单晶高温合金在不同壁厚条件下的充型高度数据,所得铸件的主体部分的平均高度越高,则该种单晶高温合金熔体的充型能力就越好。
如图2所示,单晶高温合金铸件收缩性测试模具主要由浇口杯1,压头2,主浇道3,横浇道4,螺旋选晶器5和收缩性能测试腔体6组成。浇口杯1主要作用是约束熔体的流向,方便液态金属浇铸;压头2主要作用是为液态金属充型提供足够的压力;主浇道3是液态金属充型的主要路径;收缩性能测试腔体6在水平面呈120°分布,且通过横浇道4与主浇道3连通,收缩性能测试腔体6在浇道底部分为三个部分,在水平面呈120°分布。单晶高温合金的收缩性能测试腔体的圆柱段的直径分别是10mm、18mm和25mm,圆锥段的锥度都是5°。为了提高熔体充型过程的稳定性,单晶高温合金收缩性测试模具采用底注式。
其主要测试流程如下:
a) 将单晶高温合金铸件收缩性测试模具和所需测试的单晶高温合金装入定向凝固炉内;
b) 对定向凝固炉抽真空,对单晶高温合金收缩性能测试模具进行预热;
c) 当真空度和预热温度达到预设指标后,开始熔炼单晶高温合金;
d) 当单晶高温合金熔化后,将熔体全部浇入浇口杯内,然后开始以恒定抽拉速度V进行定向凝固;
e)定向凝固结束之后,向炉体内充气体破真空,然后取出单晶高温合金铸件收缩性能测试模具;
f) 对10mm、18mm和25mm的三个锥桶型腔内的单晶高温合金铸件顶部的缩孔的数量和体积进行测量,获得单晶高温合金在不同体积条件下凝固的收缩性能,所得铸件的缩孔数量越少、缩孔体积越小则该种高温合金铸件的收缩性能越好;
如图3所示,单晶高温合金单晶完整性能评估模具主要由浇口杯1、压头2、单晶完整性测试型腔和螺旋选晶器4组成。单晶高温合金单晶完整性能评估模具采用顶注式;浇口杯1主要作用是约束熔体的流向,方便液态金属浇铸;压头2主要作用是为液态金属充型提供足够的压力;单晶完整性测试型腔在经过浇口杯1和压头2后分为三个部分,在水平面呈120°分布;单晶完整性测试型腔3由缘板31和型腔主体32组成,且缘板与型腔主体的倾斜角分别是20°、30°和45°,型腔主体的厚度是5mm,宽度是30mm。
单晶高温合金单晶完整性测试其主要流程如下:
a) 将单晶高温合金单晶完整性能评估模具和所需测试的单晶高温合金装入定向凝固炉内;
b) 对定向凝固炉抽真空,对单晶高温合金单晶完整性能评估模具进行预热;
c) 当真空度和预热温度达到预设指标后,开始熔炼单晶高温合金;
d) 当单晶高温合金熔化后,将熔体全部浇入浇口杯内,然后开始以恒定抽拉速度V进行定向凝固;
e)定向凝固结束之后,向炉体内充气体破真空,然后取出单晶高温合金单晶完整性能评估模具;
f) 对20°、30°和45°缘板倾斜角条件下的单晶完整性能评估模具获得的铸件进行宏观金相腐蚀,观察缘板附近的杂晶数量和杂晶所占面积的大小,获得单晶高温合金在不同缘板倾斜角下的单晶完整性性能,所得铸件的杂晶数量和杂晶面积越小,则该种高温合金的单晶完整性能越好。
如图4所示,单晶高温合金铸件应力产生趋势评估模具主要由浇口杯1,压头2,铸件应力产生趋势测试型腔和螺旋选晶器4组成。铸件应力产生趋势测试型腔包括型腔主体31,型腔缘板32和主体与缘板之间的转接角33。单晶高温合金铸件应力产生趋势评估模具采用顶注式;浇口杯1主要作用是约束熔体的流向,方便液态金属浇铸;压头2主要作用是为液态金属充型提供足够的压力;单晶应力测试型腔在经过浇口杯1和压头2后分为三个部分,在水平面呈120°分布;缘板与型腔主体的转接角半径分别是0.5 mm、1.5 mm和2 mm。为了排除温度梯度对试验数据的影响,三组型腔分别进行了排列组合设计,以获得不同转接角半径的模具在不同高度的应力数据,然后取其平均值。
其主要测试流程如下:
a) 单晶高温合金单晶应力测试模具和所需测试的单晶高温合金装入定向凝固炉内;
b) 对定向凝固炉抽真空,对单晶高温合金单单晶应力测试模具进行预热;
c) 当真空度和预热温度达到预设指标后,开始熔炼单晶高温合金;
d) 当单晶高温合金熔化后,将熔体全部浇入浇口杯内,然后开始以恒定抽拉速度V进行定向凝固;
e)定向凝固结束之后,向炉体内充气体破真空,然后取出单晶高温合金单晶应力测试模具和铸件;
f) 对0.5 mm、1.5 mm和2 mm转接角半径的单晶高温合金铸件应力产生趋势测试型腔的单晶高温合金铸件进行应力测试,用X射线表征缘板和型腔主体转接处的应力分布,获得单晶高温合金在不同缘板转接角下的单晶应力平均值、最大值和最小值,所得铸件缘板和型腔主体转接处的应力越大,则该种高温合金的铸件凝固后的应力趋势就越大。
整理单晶高温合金的熔体充型性能评估数据、铸件收缩性能评估数据、单晶完整性能评估数据和铸件应力产生趋势评估数据,获得该种单晶高温合金整体铸造性能评估数据库。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改,并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于上述实施例,本领域技术人员根据本发明的揭示,不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种单晶高温合金铸造性能评估方法,其特征在于,所用评估装置包含:
熔体充型性能评估模具:包括约束熔体流向的浇口杯、为液态金属充型提供压力的压头、作为液态金属充型路径的主浇道和横浇道、与横浇道连通的充型性能测试腔体以及设于所述充型性能测试腔体下端的螺旋选晶器;
铸件收缩性能评估模具:包括约束液体流向的浇口杯、为液态金属充型提供压力的压头、作为液态金属充型路径的主浇道和横浇道、与横浇道连通的铸件收缩性能测试腔体以及设于所述铸件收缩性能测试腔体下端的螺旋选晶器;其中,所述铸件收缩性能测试腔体为锥桶型结构,包括由下至上的圆柱段和圆锥段;
单晶完整性能评估模具:包括约束液体流向的浇口杯、为液态金属充型提供压力的压头、设于压头下部的单晶完整性测试型腔以及设于所述单晶完整性测试型腔下端的螺旋选晶器,所述的单晶完整性测试型腔由型腔主体和设于所述型腔主体上的缘板组成;所述的缘板倾斜设于所述型腔主体上;
铸件应力产生趋势评估模具:包括约束液体流向的浇口杯、为液态金属充型提供压力的压头、设于压头下部的单晶应力测试型腔以及设于所述单晶应力测试型腔下部的螺旋选晶器,所述的单晶应力测试型腔由型腔主体、设于所述型腔主体上的缘板、以及下端的转接角组成;其中所述缘板与型腔主体之间通过转接角过渡连接;
评估方法包括:
(1)将各模具和所需测试的单晶高温合金装入定向凝固炉内;
(2)对定向凝固炉抽真空,对模具进行预热;
(3)当真空度和预热温度达到预设指标后,开始熔炼单晶高温合金;
(4)当单晶高温合金熔化后,将熔体全部浇入浇口杯内,然后开始以恒定抽拉速度进行定向凝固;
(5)定向凝固结束之后,向炉体内充气体破真空,然后取出模具以及试样;
对不同厚度型腔内的单晶高温合金铸件的高度进行测量,获得单晶高温合金在不同壁厚条件下的充型性能:所得铸件的主体部分的平均高度越高,则该种单晶高温合金的熔体充型性能就越好;
对不同直径锥桶型型腔内的单晶高温合金铸件顶部的缩孔的数量和大小进行测量,获得单晶高温合金在不同体积条件下凝固的收缩性能:所得铸件的缩孔数量越少、缩孔体积越小则该种单晶高温合金的铸件收缩性能越好;
对不同缘板倾斜角条件下的单晶完整性能评估模具获得的铸件进行宏观金相腐蚀,观察缘板附近的杂晶数量和杂晶所占面积的大小,获得单晶高温合金在不同缘板倾斜角下的单晶完整性性能:所得铸件的杂晶数量和杂晶面积越小,则该种单晶高温合金的单晶完整性能越好;
对单晶高温合金铸件应力产生趋势测试型腔的单晶高温合金铸件的进行应力测试,用X射线表征缘板和型腔主体转接处的应力分布,获得单晶高温合金在不同转接角半径的缘板转接角处的单晶应力平均值、最大值和最小值,所得铸件缘板和型腔主体转接处的应力越大,则该种单晶高温合金的铸件应力产生趋势就越大。
2.根据权利要求1所述的一种单晶高温合金铸造性能评估方法,其特征在于,
熔体充型性能评估模具中,充型性能测试腔体以及螺旋选晶器设有多组,等间距的环绕所述主浇道设置;
铸件收缩性能评估模具中,螺旋选晶器以及收缩性能测试腔体设有多组,等间距的环绕所述主浇道设置;
单晶完整性能评估模具中,单晶完整性测试型腔以及螺旋选晶器设有多组,
铸件应力产生趋势评估模具中,单晶应力测试型腔以及螺旋选晶器设有多组。
3.根据权利要求1所述的一种单晶高温合金铸造性能评估方法,其特征在于,所述的熔体充型性能评估模具和铸件收缩性能评估模具采用底注式,所述的单晶完整性能评估模具和铸件应力产生趋势评估模具采用顶注式。
4.根据权利要求1所述的一种单晶高温合金铸造性能评估方法,其特征在于,所述充型性能测试腔体包括三个独立的腔体,腔体厚度分别选用0.3~0.5 mm,0.5~1 mm和1~1.5mm,腔体通过各自的横浇道与主浇道连通。
5.根据权利要求1所述的一种单晶高温合金铸造性能评估方法,其特征在于,所述铸件收缩性能测试腔体包括三个独立腔体,均采用锥桶型结构,圆柱段的直径范围在10 mm~25mm,圆锥段的锥度选用5°~25°。
6.根据权利要求1所述的一种单晶高温合金铸造性能评估方法,其特征在于,所述单晶完整性能评估模具包括三个独立的腔体,每组缘板与型腔主体的倾斜角不同,分别选用15°~30°、30°~45°和45°~60°。
7.根据权利要求1所述的一种单晶高温合金铸造性能评估方法,其特征在于,所述铸件应力产生趋势评估模具包含三个独立的腔体,每组腔体缘板与型腔主体的转接角半径分别在0.5~0.8mm、0.8~1.5mm和1.5~2.5mm。
8.根据权利要求1所述的一种单晶高温合金铸造性能评估方法,其特征在于,整理单晶高温合金的熔体充型性能评估数据、铸件收缩性能评估数据、单晶完整性能评估数据和铸件应力产生趋势评估数据,获得单晶高温合金铸造性能评估数据库。
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