CN115047160B - 一种单晶高温合金铸造性能评估装置及评估方法 - Google Patents
一种单晶高温合金铸造性能评估装置及评估方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115047160B CN115047160B CN202210459618.9A CN202210459618A CN115047160B CN 115047160 B CN115047160 B CN 115047160B CN 202210459618 A CN202210459618 A CN 202210459618A CN 115047160 B CN115047160 B CN 115047160B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- casting
- performance
- cavity
- single crystal
- crystal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000005266 casting Methods 0.000 title claims abstract description 113
- 229910000601 superalloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 94
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 167
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims abstract description 67
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 32
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 32
- 238000007711 solidification Methods 0.000 claims abstract description 31
- 230000008023 solidification Effects 0.000 claims abstract description 31
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 51
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 claims description 27
- 238000011056 performance test Methods 0.000 claims description 19
- 239000000155 melt Substances 0.000 claims description 18
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 11
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 8
- 238000009662 stress testing Methods 0.000 claims description 8
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 claims description 6
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 4
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 4
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 claims description 3
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 claims description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 3
- 238000011016 integrity testing Methods 0.000 claims description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims 2
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 11
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 abstract description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 4
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 7
- 238000011160 research Methods 0.000 description 4
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000005429 filling process Methods 0.000 description 2
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000005058 metal casting Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 229910052702 rhenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 1
- 239000012720 thermal barrier coating Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/20—Metals
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22C—FOUNDRY MOULDING
- B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22C—FOUNDRY MOULDING
- B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
- B22C9/08—Features with respect to supply of molten metal, e.g. ingates, circular gates, skim gates
- B22C9/082—Sprues, pouring cups
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
- B22D2/00—Arrangement of indicating or measuring devices, e.g. for temperature or viscosity of the fused mass
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
- B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
- B22D27/04—Influencing the temperature of the metal, e.g. by heating or cooling the mould
- B22D27/045—Directionally solidified castings
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/25—Measuring force or stress, in general using wave or particle radiation, e.g. X-rays, microwaves, neutrons
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
- G01N1/28—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
- G01N1/36—Embedding or analogous mounting of samples
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
- G01N1/28—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
- G01N1/36—Embedding or analogous mounting of samples
- G01N2001/366—Moulds; Demoulding
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Pathology (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210459618.9A CN115047160B (zh) | 2022-04-28 | 2022-04-28 | 一种单晶高温合金铸造性能评估装置及评估方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210459618.9A CN115047160B (zh) | 2022-04-28 | 2022-04-28 | 一种单晶高温合金铸造性能评估装置及评估方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115047160A CN115047160A (zh) | 2022-09-13 |
| CN115047160B true CN115047160B (zh) | 2023-11-03 |
Family
ID=83158453
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210459618.9A Active CN115047160B (zh) | 2022-04-28 | 2022-04-28 | 一种单晶高温合金铸造性能评估装置及评估方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115047160B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116020983B (zh) * | 2022-12-08 | 2023-08-18 | 中国原子能科学研究院 | 用于中子残余应力谱仪的凝固特征模拟装置 |
Citations (22)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN88204038U (zh) * | 1988-04-11 | 1988-12-07 | 大连工学院 | 同心三螺旋线合金流动性测定装置 |
| JPH11207451A (ja) * | 1998-01-26 | 1999-08-03 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 単結晶合金翼の製造方法 |
| US6051083A (en) * | 1996-02-09 | 2000-04-18 | Hitachi, Ltd. | High strength Ni-base superalloy for directionally solidified castings |
| CN2389363Y (zh) * | 1999-08-30 | 2000-07-26 | 上海交通大学 | 测试合金流动性的模样 |
| US6269321B1 (en) * | 1998-09-10 | 2001-07-31 | Ford Global Technologies, Inc | Method for optimizing mechanical strength of a casting using microstructure predictions |
| CN102169518A (zh) * | 2011-03-24 | 2011-08-31 | 西北工业大学 | 精铸涡轮叶片模具型腔精确定型方法 |
| CN102274947A (zh) * | 2011-08-16 | 2011-12-14 | 中北大学 | 一种铝合金低压铸造的缩孔缩松预测方法 |
| CN103757704A (zh) * | 2014-01-24 | 2014-04-30 | 南京理工大学 | 光悬浮区熔定向凝固法制备镍基单晶高温合金 |
| CN104878443A (zh) * | 2015-06-19 | 2015-09-02 | 东方电气集团东方汽轮机有限公司 | 一种制造单晶铸件的熔化浇注方法 |
| CN106270392A (zh) * | 2015-05-25 | 2017-01-04 | 西安航空动力股份有限公司 | 一种单晶高温合金工作叶片的制造方法 |
| CN206219708U (zh) * | 2016-08-04 | 2017-06-06 | 中国科学院金属研究所 | 一种制备大尺寸镍基单晶高温合金棒材的型壳 |
| CN107014699A (zh) * | 2017-05-12 | 2017-08-04 | 清华大学 | 用于测量材料高温压缩性能的外辅热装置及测试装置 |
| CN107243590A (zh) * | 2017-04-26 | 2017-10-13 | 西安交通大学 | 一种面向单晶高温合金零件的陶瓷铸型制备方法 |
| CN108107071A (zh) * | 2016-11-25 | 2018-06-01 | 中国科学院金属研究所 | 一种单晶高温合金再结晶倾向的评价方法 |
| CN109396346A (zh) * | 2018-12-18 | 2019-03-01 | 南通海泰科特精密材料有限公司 | 用于测试真空精密铸造合金充型能力的模具及其试样 |
| CN110083927A (zh) * | 2019-04-24 | 2019-08-02 | 西安交通大学 | 一种用于控制单晶叶片缘板杂晶的一体化铸型设计方法 |
| CN111364096A (zh) * | 2020-03-30 | 2020-07-03 | 上海交通大学 | 基底触发单晶高温合金定向凝固工艺 |
| CN111375746A (zh) * | 2020-04-03 | 2020-07-07 | 上海交通大学 | 基于固—液界面稳恒控制的高温合金单晶叶片定向凝固方法 |
| CN111451447A (zh) * | 2020-05-15 | 2020-07-28 | 中国航发北京航空材料研究院 | 一种实心双联单晶导向叶片的精密铸造方法 |
| CN113042687A (zh) * | 2021-02-26 | 2021-06-29 | 贵阳航发精密铸造有限公司 | 晶体取向可控的大尺寸单晶导向叶片的铸造模组 |
| CN113776987A (zh) * | 2021-09-01 | 2021-12-10 | 中国航发北京航空材料研究院 | 一种测试金属液流动性的方法 |
| CN114279802A (zh) * | 2021-12-27 | 2022-04-05 | 西北工业大学 | 一种高温合金流动性测试模具及测试试样的制备方法 |
-
2022
- 2022-04-28 CN CN202210459618.9A patent/CN115047160B/zh active Active
Patent Citations (22)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN88204038U (zh) * | 1988-04-11 | 1988-12-07 | 大连工学院 | 同心三螺旋线合金流动性测定装置 |
| US6051083A (en) * | 1996-02-09 | 2000-04-18 | Hitachi, Ltd. | High strength Ni-base superalloy for directionally solidified castings |
| JPH11207451A (ja) * | 1998-01-26 | 1999-08-03 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 単結晶合金翼の製造方法 |
| US6269321B1 (en) * | 1998-09-10 | 2001-07-31 | Ford Global Technologies, Inc | Method for optimizing mechanical strength of a casting using microstructure predictions |
| CN2389363Y (zh) * | 1999-08-30 | 2000-07-26 | 上海交通大学 | 测试合金流动性的模样 |
| CN102169518A (zh) * | 2011-03-24 | 2011-08-31 | 西北工业大学 | 精铸涡轮叶片模具型腔精确定型方法 |
| CN102274947A (zh) * | 2011-08-16 | 2011-12-14 | 中北大学 | 一种铝合金低压铸造的缩孔缩松预测方法 |
| CN103757704A (zh) * | 2014-01-24 | 2014-04-30 | 南京理工大学 | 光悬浮区熔定向凝固法制备镍基单晶高温合金 |
| CN106270392A (zh) * | 2015-05-25 | 2017-01-04 | 西安航空动力股份有限公司 | 一种单晶高温合金工作叶片的制造方法 |
| CN104878443A (zh) * | 2015-06-19 | 2015-09-02 | 东方电气集团东方汽轮机有限公司 | 一种制造单晶铸件的熔化浇注方法 |
| CN206219708U (zh) * | 2016-08-04 | 2017-06-06 | 中国科学院金属研究所 | 一种制备大尺寸镍基单晶高温合金棒材的型壳 |
| CN108107071A (zh) * | 2016-11-25 | 2018-06-01 | 中国科学院金属研究所 | 一种单晶高温合金再结晶倾向的评价方法 |
| CN107243590A (zh) * | 2017-04-26 | 2017-10-13 | 西安交通大学 | 一种面向单晶高温合金零件的陶瓷铸型制备方法 |
| CN107014699A (zh) * | 2017-05-12 | 2017-08-04 | 清华大学 | 用于测量材料高温压缩性能的外辅热装置及测试装置 |
| CN109396346A (zh) * | 2018-12-18 | 2019-03-01 | 南通海泰科特精密材料有限公司 | 用于测试真空精密铸造合金充型能力的模具及其试样 |
| CN110083927A (zh) * | 2019-04-24 | 2019-08-02 | 西安交通大学 | 一种用于控制单晶叶片缘板杂晶的一体化铸型设计方法 |
| CN111364096A (zh) * | 2020-03-30 | 2020-07-03 | 上海交通大学 | 基底触发单晶高温合金定向凝固工艺 |
| CN111375746A (zh) * | 2020-04-03 | 2020-07-07 | 上海交通大学 | 基于固—液界面稳恒控制的高温合金单晶叶片定向凝固方法 |
| CN111451447A (zh) * | 2020-05-15 | 2020-07-28 | 中国航发北京航空材料研究院 | 一种实心双联单晶导向叶片的精密铸造方法 |
| CN113042687A (zh) * | 2021-02-26 | 2021-06-29 | 贵阳航发精密铸造有限公司 | 晶体取向可控的大尺寸单晶导向叶片的铸造模组 |
| CN113776987A (zh) * | 2021-09-01 | 2021-12-10 | 中国航发北京航空材料研究院 | 一种测试金属液流动性的方法 |
| CN114279802A (zh) * | 2021-12-27 | 2022-04-05 | 西北工业大学 | 一种高温合金流动性测试模具及测试试样的制备方法 |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| Squeeze-cast Al-xZn-3Cu alloys exhibiting high strength, ductility, and wear resistance;Sang-Soo Shin, et al;《Materials Science & Engineering A》;20170301;第690卷;全文 * |
| 浅谈数值模拟技术在高温合金熔模精密铸造中的应用进展;史艳莉;《海峡科技与产业》;20190115(第01期);全文 * |
| 退火预处理对高温合金单晶铸件再结晶的影响;赵运兴等;《铸造》;20211231;第70卷(第12期);第1424页 * |
| 铝硅基精铸材料薄壁壳体成型多尺度分析;马勇杰;张建成;刘欢;;现代制造工程(第04期) * |
| 铝硅基精铸材料薄壁壳体成型多尺度分析;马勇杰等;《现代制造工程》;20200418(第04期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115047160A (zh) | 2022-09-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104999032B (zh) | 用于评价高温合金熔模铸造过程热裂倾向性的铸件及方法 | |
| CN109648065B (zh) | 一种单晶高温合金再结晶形成倾向性的评定方法 | |
| US11638953B2 (en) | Method for collecting parameters for casting solidification simulation and gridded design method for pouring and riser system | |
| CN110899677B (zh) | 高温合金母合金浇注用模组与分流盘独立加热组模方法 | |
| US11045871B2 (en) | Casting molds, manufacture and use methods | |
| CN115047160B (zh) | 一种单晶高温合金铸造性能评估装置及评估方法 | |
| CN105598379B (zh) | 一种基于缩松缺陷预测的回转体薄壁铸件砂型铸造过程中冒口设计方法 | |
| CN112001037B (zh) | 一种双性能整体叶盘铸造成形的仿真方法 | |
| CN102049494B (zh) | 振动台铝镁合金动圈铸造方法 | |
| CN112872297A (zh) | 大型型面段铸件的阶梯式补缩铸造工艺 | |
| CN102680326A (zh) | 一种主动施加载荷条件下铝合金热裂测试实验装置及方法 | |
| CN212161048U (zh) | 一种低温模料的流动性测量装置 | |
| Bao et al. | Research progress on refractory composition and deformability of shell molds for TiAl alloy castings | |
| CN110749616B (zh) | 一种底注式测试合金热裂倾向性的实验装置及方法 | |
| CN214321710U (zh) | 一种用于高温合金铸件浇注成型的浇注系统 | |
| CN114855041A (zh) | 一种含稀土的压铸镁合金及其成型工艺 | |
| CN112226598B (zh) | 一种用于航空异形管铸件的热等静压工艺 | |
| CN113776987A (zh) | 一种测试金属液流动性的方法 | |
| CN115524352A (zh) | 航空发动机镍基高温合金部件的缺陷检测方法 | |
| CN107607573A (zh) | 一种新的合金热裂倾向预测方法 | |
| Sutaria et al. | Feeding system design and evaluation using temperature gradient (Feed Path) Maps | |
| CN102009154A (zh) | 半固态流变成型生产汽车水泵叶轮的方法及专用冷却板 | |
| CN111331077A (zh) | 基于高硅轻质化过共晶铝硅合金产品铸造的尺寸控制方法 | |
| CN110487788B (zh) | 一种单晶高温合金小角度晶界形成倾向性的评定方法 | |
| CN110170618A (zh) | 一种大型复杂轮盘类结构精铸件的制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |