CN115673243A - 一种单晶导向叶片及其精密铸造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单晶导向叶片及其精密铸造方法，旨在制备出叶片轴向与单晶【001】晶向一致，而且没有缘板疏松的单晶导向叶片。为此，本发明实施例一方面提供的单晶导向叶片精密铸造方法，将定向凝固炉的激冷板设计为可倾斜，将螺旋选晶器蜡模连接在叶片蜡模下缘板的边角上，并保持两者的轴向平行，定向凝固时，将螺旋选晶器的起晶端垂直安装在激冷板上，随着激冷板在定向凝固炉的冷室内不断水平下降，螺旋选晶器内垂直长出与叶片轴向平行的单晶，当单晶生长到螺旋选晶器与叶片下缘板之间的连接过渡段时，将激冷板以及叶片模壳缓慢倾斜，再按设计速度下降，以此保证叶片缘板的顺序凝固，避免缘板边角产生杂晶和缘板表面产生疏松。

Description

一种单晶导向叶片及其精密铸造方法

技术领域

本发明属于单晶高温合金制备技术领域，尤其涉及一种单晶导向叶片及其精密铸造方法。

背景技术

用于重型燃机的高温合金单晶导向叶片，由于尺寸宽大，制成单晶铸件的难度很大。单晶叶片一般要求晶体的【001】取向(枝晶轴向)与叶身轴向一致，这可以通过将叶片垂直组模的方式来实现(图1)，在叶片下端粘接轴向一致的选晶器，再将选晶器垂直安装在水平的平面激冷板上。金属液浇注进浇口杯并经横浇道充入模壳，经选晶器与平面激冷板相接触。选晶器起晶段的热流垂直向下进入激冷板，而以【001】晶向为优先方向的晶粒则沿与热流方向相反的方向向上生长。也就是说，选晶器里生长出的单晶具有垂直方向的【001】晶向，并扩展到整个叶片，使得叶片轴向与【001】晶向一致。这种方法一般适用于叶片狭长而缘板不宽的单晶转子叶片的生产。而对于导向叶片，由于在定向凝固方向上叶片外轮廓发生两次突然的扩大(从选晶器到下缘板和从叶身到上缘板)，定向凝固过程中向外凸出的缘板边角容易发生液体过冷而产生杂晶。另外，处于水平状态的宽大缘板的上表面面由于得不到补缩，会产生严重的表面疏松。

为解决上述的导向叶片单晶完整性和缘板表面疏松问题，可以将导向叶片倾斜摆放(图2)，使得叶片外轮廓在定向凝固的方向上没有突然的扩大，叶身和缘板都能实现斜上方向的顺序凝固，利于单晶生长向整个叶片的扩展，有效消除缘板上的杂晶，也能大大减轻缘板疏松。但由于叶片下的选晶器仍然竖直安装，竖直生长的枝晶长入斜置的叶片，叶身轴向不再与枝晶轴向一致，也就不再与单晶的【001】晶向一致，使得单晶叶片的性能大受影响。

需要指出的是，导叶的缘板有一定的弧度，但一般被作为平板看待(图1和图2)。在将导叶倾斜摆放时，缘板的倾斜角α要足够大，一般α＞30°(图2)，否则缘板过于平缓，仍然存在金属液过冷造成杂晶的危险。但是α也不能太大，一般α＜60°，否则叶身或引晶条的倾斜角β会太小(图2)。若β＜30°，则在引晶条和叶身上会出现杂晶的危险。

为解决上述问题，申请号为202210652031.X的专利公开了一种单晶导向叶片熔模精密铸造方法，用凸面激冷板代替通常的平面激冷板，并将叶片采用倾斜组模结构，不仅保证导向叶片的顺序凝固，避免了缘板边角产生杂晶和缘板表面产生疏松，而且保证了叶片轴向与单晶【001】晶向一致，满足了对单晶叶片一次晶向的要求。但是上述专利因定向凝固炉冷却区内温度梯度的存在，仍然不能保证叶片轴向与单晶【001】晶向一致，同时蜡模组树也非常不方便。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种单晶导向叶片及其精密铸造方法，旨在制备出叶片轴向与单晶【001】晶向一致，而且没有缘板疏松的单晶导向叶片。

为此，本发明实施例一方面提供的单晶导向叶片精密铸造方法，将定向凝固炉的激冷板设计为可倾斜，叶片蜡模与螺旋选晶器蜡模组合时，将螺旋选晶器蜡模连接在叶片蜡模下缘板的边角上，并保持两者的轴向平行，叶片蜡模的上、下缘板的对应边角通过引晶条连接,定向凝固时，将螺旋选晶器的起晶端垂直安装在激冷板上，随着激冷板在定向凝固炉的冷室内不断水平下降，螺旋选晶器内垂直长出与叶片轴向平行的单晶，当单晶生长到螺旋选晶器与叶片下缘板的连接过渡段时，将激冷板以及叶片模壳缓慢调整至倾斜，再按设计速度下降，以此保证叶片缘板的顺序凝固，避免缘板边角产生杂晶和缘板表面产生疏松。

具体的，当叶片缘板为平板时，将激冷板倾斜后，保持激冷板倾斜角θ不变，继续下降叶片模壳，直至叶片铸件全部凝固；其中，激冷板的倾斜角θ取值范围控制在30-60°。

具体的，当叶片缘板为弧形板时，激冷板的倾斜角θ需要根据凝固界面的位置变化作动态调整，其中；

凝固界面从螺旋选晶器与叶片下缘板的连接过渡段移动至叶片上缘板下端的过程中，连续调整激冷板倾斜角θ，保持叶片下缘板切线的倾斜角α1≥30°，同时保证叶片缘板下方引晶条的倾斜角β≥30°；

凝固界面从叶片上缘板下端移动至叶片下缘板上端的过程中，继续调整激冷板倾斜角θ，保持叶片下缘板切线的倾斜角α1≥30°，同时保证叶片上缘板切线的倾斜角α2≥30°；

凝固界面从叶片下缘板上端至整个叶片凝固完成的过程中，继续调整激冷板倾斜角θ，保持叶片上缘板切线的倾斜角α2≥30°。

具体的，定向凝固过程具体包括：

将叶片模壳安放在定向凝固炉的激冷板上；

将叶片模壳上升到定向凝固炉的热室，关闭炉门抽真空，通电将叶片模壳进行预热；

将热室之上坩埚里的高温合金锭进行感应熔化和过热，浇入叶片模壳的浇口杯，金属液进入模壳内腔，并经螺旋选晶器与激冷板上表面相接触，产生激冷凝固层，并向上生长；

随激冷板水平缓慢下降，叶片模壳进入冷室，金属液中的热流Q垂直进入激冷板，以【001】晶向为优先方向的晶粒则沿与热流Q相反的方向竖直向上生长，经螺旋选晶器选出单个晶粒，继续生长到螺旋选晶器与叶片缘板的连接过渡段；

通过驱动系统将激冷板和模壳缓慢调整至倾斜状态，同时调整下降速度，使凝固界面缓慢进入缘板；

继续下降叶片模壳，使单晶凝固扩展到整个叶片，此时虽然金属液的宏观凝固方向不再平行于叶片轴向，但长出的单晶晶向保持不变，即单晶叶片的轴向与单晶的【001】晶向保持平行。

具体的，所述激冷板采用铜质水冷板。

本发明实施例另一方面还提供一种利用上述精密铸造方法制得的单晶导向叶片。

与现有技术相比，本发明至少一个实施例具有如下有益效果：本发明首先通过垂直方向的凝固，得到与叶片轴向一致的单晶【001】取向，满足了对单晶叶片一次晶向的要求；再通过激冷板带动模壳倾转，保证了叶片缘板的顺序凝固，避免了缘板边角产生杂晶和缘板表面产生疏松。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有竖直式单晶叶片组树示意图；

图2是现有倾斜式单晶叶片组树示意图；

图3是本发明实施例涉及的凝固界面位于连接过渡段时，激冷板未调整前示意图；

图4是本发明实施例涉及的凝固界面位于连接过渡段时，激冷板倾斜调整后示意图；

图5是本发明实施例涉及的凝固界面同时穿过叶片上、下缘板时激冷板调整示意图；

图6是本发明实施例涉及的叶片下缘板凝固结束时激冷板调整示意图；

图7是本发明实施例涉及的叶片上缘板凝固结束时激冷板调整示意图；

图8是本发明实施例涉及的叶片铸件全部凝固激冷板复位后示意图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本实施例提供的单晶导向叶片精密铸造方法，将定向凝固炉的激冷板设计为可倾斜，叶片蜡模与螺旋选晶器蜡模组合时，将螺旋选晶器蜡模连接在叶片蜡模下缘板的边角上，并保持两者的轴向平行，叶片蜡模的上、下缘板的对应边角通过引晶条连接，定向凝固时，将螺旋选晶器的起晶端垂直安装在激冷板上，随着激冷板在定向凝固炉的冷室内不断水平下降，螺旋选晶器内垂直长出与叶片轴向平行的单晶，当单晶生长到螺旋选晶器与叶片下缘板的连接过渡段时，将激冷板以及叶片模壳调整至倾斜状态，再按设计速度下降，直至整个叶片完成凝固，以此保证叶片缘板的顺序凝固，避免缘板边角产生杂晶和缘板表面产生疏松。

本实施例通过将螺旋选晶器的起晶端垂直安装在激冷板上，使得金属液中的热流Q垂直进入激冷板，同时因激冷板是水平设置在定向凝固炉冷室内的，金属液中的热流Q与定向凝固炉冷室内的温度变化方向平行，使得金属液首先通过垂直方向的凝固，以【001】晶向为优先方向的晶粒沿与热流Q相反的方向竖直向上生长，之后再通过激冷板带动叶片模壳倾转，随着激冷板的继续下降，使单晶凝固扩展到整个叶片，此时虽然金属液的宏观凝固方向不再平行于叶片轴向，但长出的单晶晶向保持不变，即单晶叶片的轴向与单晶的【001】晶向保持平行，另外模壳的倾转保证了叶片缘板的顺序凝固，避免了缘板边角产生杂晶和缘板表面产生疏松。

本实施例需要制备的叶片为具有大弧度缘板的多联整铸导向叶片，对于该导向叶片，由于缘板除宽度更大，弧度也明显变大，为保证凝固过程中不出现杂晶，必须根据凝固界面的位置不断动态调整激冷板的倾斜角θ，使得上下两个缘板切线的倾角α1和α2以及引晶条倾角β的不断调整，以此达到得到晶向平行于叶身主轴、缘板无杂晶和疏松的单晶导向铸件的目的。

其中，激冷板的倾斜角θ动态调整的具体过程如下；

凝固界面从螺旋选晶器与叶片下缘板的连接过渡段移动至叶片上缘板下端的过程中，利用定向凝固炉的驱动系统连续调整激冷板倾斜角θ，保持叶片下缘板切线的倾斜角α1≥30°，同时保证叶片缘板下方引晶条的倾斜角β≥30°；

凝固界面从叶片上缘板下端移动至叶片下缘板上端的过程中，继续调整激冷板倾斜角θ，保持叶片下缘板切线的倾斜角α1≥30°，同时保证叶片上缘板切线的倾斜角α2≥30°；

凝固界面从叶片下缘板上端至整个叶片凝固完成的过程中，继续调整激冷板倾斜角θ，保持叶片上缘板切线的倾斜角α2≥30°。

上述单晶导向叶片精密铸造方法的具体过程如下：

生产时先压制出叶片蜡模和螺旋选晶器蜡模，将螺旋选晶器粘接在叶片蜡模缘板的一个边角，并使选晶器轴向与叶身轴向保持平行，将叶片蜡模与浇口杯蜡模连接组成蜡树。

在蜡树中，将上、下缘板的对应边角用细蜡条作为引晶和补缩条连接起来，作用是将下缘板的单晶生长引导到上缘板，防止上缘板的边角因过冷而产生杂晶，并对下缘板的边角在凝固收缩时进行补缩，防止此处发生疏松缺陷。另外，用陶瓷棒将缘板的悬臂端与底盘连接，以形成支撑柱。

用组装好的蜡模进行多次沾浆淋砂，最后经脱蜡和烧结制造出相应叶片模壳。

将叶片模壳垂直安装在定向凝固炉升降台上的可倾斜激冷板上，将叶片模壳上升到定向凝固炉的热室，关闭炉门抽真空，通电将叶片模壳进行预热。

将热室之上坩埚里的高温合金锭进行感应熔化和过热，浇入叶片模壳的浇口杯，金属液进入模壳内腔，并经螺旋选晶器与激冷板上表面相接触，产生激冷凝固层，并向上生长(如图3所示)。

随激冷板不断缓慢水平下降，叶片模壳进入定向凝固炉的冷室，金属液中的热流Q垂直进入激冷板，以【001】晶向为优先方向的晶粒则沿与热流Q相反的方向竖直向上生长，经选晶器选出单个晶粒，继续生长到选晶器与叶片下缘板的连接过渡段(如图3所示)，也即凝固界面位于螺旋选晶器与叶片下缘板的连接过渡段，此时晶体中的【001】晶向为垂直方向，与叶身的主轴平行。

在凝固前沿进入螺旋选晶器与叶片下缘板的连接过渡段但未到达下缘板之前，通过驱动系统将可倾斜的激冷板缓慢倾斜(倾斜角θ)，使得下缘板最底部切线的倾斜角α1由α0增加到α1≥30°(图4)，同时保证缘板下方的引晶条的倾斜角β≥30°。

随着模壳的下降，凝固界面进入下缘板，并继续向斜上方凝固，连续地调整θ，保持α1≥30°，同时保证缘板下方的引晶条的倾斜角β≥30°，直到凝固界面进入上缘板下端位置处，继续下降模壳，凝固界面同时进入上缘板，并继续向斜上方凝固(图5)，连续地调整θ，保持α1≥30°，直到下缘板凝固结束(图6)。在此过程中，注意保持上缘板切线的倾斜角α2≥30°，通常情况下，只要控制下缘板切线的倾斜角α1＞30°，上缘板切线的倾斜角会自然满足α2＞30°的条件。在此阶段中，因引晶条及相邻叶身早已凝固，虽然倾斜角β变小，不满足β≥30°，但不会再有杂晶出现。

继续降壳，同时调整θ角，保持α2≥30°，直到上缘板凝固结束(图7)。调整θ角回到0，模壳回到竖直状态全部降入冷室，铸件全部凝固(图8)，得到晶向平行于叶身主轴、缘板无杂晶和疏松的单晶导向铸件。

本实施例中，在叶片铸件(包括上下缘板和叶身)的凝固过程中(图4至7)，虽然金属液的宏观凝固方向不再平行于叶片主轴向，但长出的单晶晶向不变，始终与连接过渡段的晶向一致，即单晶叶片的轴向与单晶的【001】晶向保持平行。在叶片的单晶凝固过程中，单晶生长从叶片下缘板的斜下角开始，一部分继续沿下缘板生长并依次长入每个叶身，另一部分沿引晶条长入上缘板。两个缘板及每个叶身的凝固过程始终是倾斜向上进行，由于一直得到来自斜上方的液体补缩，所以两个缘板及每个叶身的表面及内部都不会产生严重疏松。

需要解释说明的是，整个过程中α1以及最后α2的控制是通过θ的调整实现的，而θ的调整由计算机编程自动控制。事先根据计算机模拟和实验测量结果确定铸件内凝固界面位置与降壳距离的关系，并根据铸件形状计算出当时缘板切线的应有的倾角α1和α2，编入控制程序。在生产过程中，随着降壳距离的变化，会自动调整底板倾斜角θ，以满足α1≥30°和α2≥30°的工艺条件。当整个叶片凝固完成后，倾斜式的激冷板往回倾转到原有位置，便于取出模壳，进行后续的清壳等工作。

可以理解的是，如果需要制备的叶片的缘板为平板结构，则激冷板只需要调整一次即可，无需根据凝固界面的位置变化作动态调整，具体而言是，当单晶生长到螺旋选晶器与叶片下缘板的连接过渡段时，将激冷板倾斜后，保持激冷板倾斜角θ不变，继续下降叶片模壳，直至叶片铸件全部凝固；其中，激冷板倾转后的倾斜角度以45°为宜，可在30°到60°的范围内调整，过高的倾斜角度会存在模壳与定向凝固炉内壁碰撞的风险，过低的倾斜角度，宽大的缘板上端面得不到补缩，会产生表面疏松。

上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。

同时，上述本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。

另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种单晶导向叶片精密铸造方法,其特征在于：将定向凝固炉的激冷板设计为可倾斜，叶片蜡模与螺旋选晶器蜡模组合时，将螺旋选晶器蜡模连接在叶片蜡模下缘板的边角上，并保持两者的轴向平行，叶片蜡模的上、下缘板的对应边角通过引晶条连接，定向凝固时，将螺旋选晶器的起晶端垂直安装在激冷板上，随着激冷板在定向凝固炉的冷室内不断水平下降，螺旋选晶器内垂直长出与叶片轴向平行的单晶，当单晶生长到螺旋选晶器与叶片下缘板连接过渡段时，将激冷板以及叶片模壳缓慢调整至倾斜，再按设计速度下降，以此保证叶片缘板的顺序凝固，避免缘板边角产生杂晶和缘板表面产生疏松。

2.根据权利要求1所述的单晶导向叶片精密铸造方法,其特征在于：当叶片缘板为弧形板时，激冷板的倾斜角θ需要根据凝固界面的位置变化作动态调整，其中；

凝固界面从螺旋选晶器与叶片下缘板的连接过渡段移动至叶片上缘板下端的过程中，连续调整激冷板倾斜角θ，保持叶片下缘板切线的倾斜角α1≥30°，同时保证叶片缘板下方引晶条的倾斜角β≥30°；

凝固界面从叶片上缘板下端移动至叶片下缘板上端的过程中，继续调整激冷板倾斜角θ，保持叶片下缘板切线的倾斜角α1≥30°，同时保证叶片上缘板切线的倾斜角α2≥30°；

凝固界面从叶片下缘板上端至整个叶片凝固完成的过程中，继续调整激冷板倾斜角θ，保持叶片上缘板切线的倾斜角α2≥30°。

3.根据权利要求1所述的单晶导向叶片精密铸造方法,其特征在于：当叶片缘板为平板时，将激冷板倾斜后，保持激冷板倾斜角θ不变，继续下降叶片模壳，直至叶片铸件全部凝固；其中，激冷板的倾斜角θ取值范围控制在30-60°。

4.根据权利要求1-3任一项所述的单晶导向叶片精密铸造方法,其特征在于：将叶片蜡模与浇口杯蜡模连接组成蜡树，在蜡树中，将叶片蜡模的上、下缘板的对应边角用引晶条连接起来，对蜡树逐层涂挂耐火涂料，经干燥硬化后进行脱蜡和焙烧，得叶片模壳。

5.根据权利要求4所述的单晶导向叶片精密铸造方法,其特征在，定向凝固过程具体包括：

将叶片模壳安放在定向凝固炉的激冷板上；

将叶片模壳上升到定向凝固炉的热室，关闭炉门抽真空，通电将叶片模壳进行预热；

将热室之上坩埚里的高温合金锭进行感应熔化和过热，浇入叶片模壳的浇口杯，金属液进入模壳内腔，并经螺旋选晶器与激冷板上表面相接触，产生激冷凝固层，并向上生长；

随激冷板水平缓慢下降，叶片模壳进入冷室，金属液中的热流Q垂直进入激冷板，以【001】晶向为优先方向的晶粒则沿与热流Q相反的方向竖直向上生长，经螺旋选晶器选出单个晶粒，继续生长到螺旋选晶器与叶片缘板的连接过渡段；

通过驱动系统将激冷板和模壳缓慢调整至倾斜状态，同时调整下降速度，使凝固界面缓慢进入缘板；

继续下降叶片模壳，使单晶凝固扩展到整个叶片，此时虽然金属液的宏观凝固方向不再平行于叶片轴向，但长出的单晶晶向保持不变，即单晶叶片的轴向与单晶的【001】晶向保持平行。

6.根据权利要求4所述的单晶导向叶片精密铸造方法,其特征在：所述激冷板采用铜质水冷板。

7.一种单晶导向叶片,其特征在：采用权利要求1-6任一项所述的单晶导向叶片精密铸造方法制得。

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