CN116160574A - 一种用于定向切割单晶高温合金的夹持装置及使用方法 - Google Patents

一种用于定向切割单晶高温合金的夹持装置及使用方法 Download PDF

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CN116160574A CN202310185900.7A CN202310185900A CN116160574A CN 116160574 A CN116160574 A CN 116160574A CN 202310185900 A CN202310185900 A CN 202310185900A CN 116160574 A CN116160574 A CN 116160574A
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贺迟
刘海淇
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Abstract

本发明公开一种用于定向切割单晶高温合金的夹持装置及其使用方法。所述夹持装置包括底座、基座、取向调节器、夹头和取向校准器，所述底座与基座通过取向调节器连接，所述基座的另一端固定夹头，所述夹头固定取向校准器和夹持单晶试样。所述使用方法包括测定单晶试样和取向校准器之间的偏离角、夹持装置的位向调节、单晶试样的位向调节和定向切割试样。本发明通过获得待切割单晶试样与校准单晶之间的晶体取向偏离角，使取向测量时与定向切割时所使用的基准，均为取向校准器上的基准，减少辅助基准的使用，极大提高了籽晶的切割精度，且精简了切割籽晶的步骤，提高了制备籽晶的便利程度和加工效率。

Description

一种用于定向切割单晶高温合金的夹持装置及使用方法
技术领域
本发明属于单晶高温合金制备技术领域，具体涉及一种用于定向切割单晶高温合金的夹持装置及使用方法。
背景技术
镍基单晶高温合金具有优异的高温综合性能，是航空发动机和地面燃气轮机叶片的首选材料。由于其性能具有显著的各向异性，通过精确控制晶体取向可以显著提高单晶叶片的服役性能，需要首先制备具有特定取向的单晶高温合金作为籽晶。同时，在研究镍基单晶高温合金的性能时，往往也需要切割出不同晶体的试样。因此，精确切割出具有不同晶体取向的单晶高温合金在工业生产和科学研究中都有重要的作用。
中国发明CN113232176A公开了一种用于不同晶体取向铸造单晶高温合金的切割装置，但这种装置存在造价高、通用性差的问题。中国发明CN111216258A提供了一种铸造单晶高温合金切割方法，该方法使用金相观察结合定向切割的方法制备单晶，存在生产效率低，不适合批量生产的问题，也没有提出用于切割单晶高温合金的设备。中国发明CN104846441A公开了一种镍基单晶高温合金的切割方法，虽然提出了利用线切割机和夹具切割出不同取向的单晶，但这种方法在单晶高温合金上确定晶体取向，再用夹具加持后进行切割，存在多次定位引起取向偏离以及对切割试样要求高的问题。
发明内容
针对上述单晶切割装置存在的生产效率低、不适合批量生产或定向切割单晶高温合金取向偏差大、对切割试样要求高等技术问题，本发明提供一种用于定向切割单晶高温合金的加持装置及使用方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种用于定向切割单晶高温合金的夹持装置，包括底座、基座、取向调节器、夹头和取向校准器，所述底座与基座通过取向调节器连接，所述基座的另一端固定夹头，所述夹头固定取向校准器和夹持单晶试样。
进一步地，所述底座放置于切割设备上，定向切割时起支撑整个夹持装置的作用；所述的取向调节器起调整试样位向的作用。
进一步地，所述的取向调节器包括水平调节器和竖直调节器，所述水平调节器与底座连接，所述竖直调节器与基座连接；通过取向调节器能够使夹头上的试样位向调整到所需角度，调节角度的控制精度优选±0.1°以内。
进一步地，所述的水平调节器为带锁紧装置的水平转向台，并设置有基准及角度标尺，可以精确调节取向校准器相对底座的水平位向。
进一步地，所述的竖直调节器为一对互相垂直的两个竖直面上的调节结构，利用调节转杆调节角度，同样具备基准和角度标尺，且均配有锁紧机构，可以精确调节取向校准器相对底座的垂直和旋转位向。
进一步地，所述的取向校准器包括校准单晶、水平对准结构和竖直对准结构，所述的校准单晶为面心立方晶体，所述校准单晶的<001>方向与竖直对准结构平行，所述校准单晶的<100>方向与水平对准结构平行；所述的取向校准器起辅助测量和调整试样位向的作用。
上述用于定向切割单晶高温合金的夹持装置的使用方法，包括如下步骤：
(1)测定单晶试样和取向校准器之间的偏离角；将待切割单晶试样固定在夹头上，把夹头、取向校准器和待切割单晶试样一起放置于单晶取向检测仪内，测定校准单晶的三个欧拉角α1、β1、γ1和单晶试样的三个欧拉角α2、β2、γ2，计算得到单晶试样和取向校准器之间的晶体取向偏离角α、β、γ；
(2)将夹持装置安置到切割设备上，并进行位向归零；将夹头安装在基座上，再将整个夹持装置安装在切割设备上，调整水平调节器上的水平转向台和竖直调节器上的调节转杆，使切割机上的X坐标方向与取向校准器上的水平对准结构平行，切割机上的Z坐标方向与取向校准器上的竖直对准结构平行；
(3)调节单晶试样在切割机上的位向；根据定向切割的要求以及取向校准器与单晶试样的晶体取向偏离角，通过调整取向调节器的水平调节器、竖直调节器，使试样的位向调整到切割籽晶所需的方向；
(4)定向切割试样；根据所需籽晶的结构和尺寸，编辑切割程序，精准切割出所需取向的籽晶。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明利用单晶取向检测仪测定出待切割试样与校准单晶的取向偏离角，再将切割机的基准与取向校准器上的水平对准结构和竖直对准结构保持一致，通过调整试样位向对应角度偏角的参数，就可用切割机定向切割出所需取向的籽晶，操作方便，切割精度高；
(2)本发明通过获得待切割单晶与校准单晶之间的晶体取向偏离角，使取向测量时与定向切割时所使用的基准，均为取向校准器上的基准，减少辅助基准的使用，极大提高了籽晶的切割精度，且精简了切割籽晶的步骤，提高了制备籽晶的便利程度和加工效率。
(3)本发明利用单晶取向检测仪测定待切割单晶与校准单晶的取向偏离角，在定向切割籽晶时可定向切割出具备特殊取向的籽晶，如：具备<001>取向且同时具有<010>方向的籽晶，或者具备<001>取向偏40°的籽晶，极大丰富了制备籽晶的多样性，且定向切割精度高，有利于提高实验的丰富性和精确性。
附图说明
图1为夹持装置的结构示意图。
图2为夹持装置中单晶试样一次枝晶[001]方向与取向校准器的关系示意图。
图中，1.底座；2.基座；3.取向调节器；4.夹头；5.取向校准器；6.单晶试样；7.水平调节器；8.竖直调节器；9.校准单晶；10.水平校准结构；11.竖直校准结构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明并不限于此。
如图1所示，本发明实施例采用的夹持装置，包括底座1、基座2、取向调节器3(包括水平对准器7、竖直对准器8)、夹头4和取向校准器5(包括校准单晶9、水平对准结构10和竖直对准结构11)，所述底座1与基座2通过取向调节器3连接，所述基座2的另一端固定夹头4，所述夹头4固定取向校准器5和夹持单晶试样6。
所述的底座1放置于切割设备(如电火花线切割机)上，定向切割时起支撑整个夹持装置的作用。所述的取向调节器3起调整试样6位向的作用。
所述的底座1与基座2通过取向调节器3进行连接，可通过取向调节器3使夹头4上试样6的位向调整到所需角度。
所述的取向调节器3包括水平调节器7和竖直调节器8，所述的水平调节器7与底座1连接，所述的竖直对准器8与基座2连接。
所述的水平调节器7为带锁紧装置的水平转向台，并设置有基准及角度标尺，可以精准调节取向校准器5相对于底座1的水平位向，水平转向的旋转角度范围为0～180°。
所述的竖直调节器8为一对互相垂直的两个竖直面上的调节结构，利用调节转杆调节角度，同样具备基准和角度标尺，且均配有锁紧机构，可精准调节取向校准器5相对于底座1的竖直和旋转位向，且竖直和旋转位向上调节角度的范围为-90～90°。
所述的取向校准器5起辅助测量和调整试样6位向的作用，所述的取向校准器5包括校准单晶9、水平校准结构10和竖直校准结构11；所述的校准单晶9为面心立方晶体，所述校准单晶9的<001>方向与竖直对准结构11平行，所述校准单晶9的<100>方向与水平对准结构10平行。
以下实施例中夹头4的最大夹持尺寸为50mm。
实施例1
本发明用于定向切割单晶高温合金的夹持装置的使用方法，本实施例就该方法制备出具备<001>取向的
Figure BDA0004103837500000041
圆柱形籽晶。具体步骤如下：
步骤1：测定单晶试样6和取向校准器5之间的偏离角。
在制备籽晶的高温合金单晶棒上划出长35mm的部分，利用切割机将高温合金单晶棒切割成长35mm的单晶试样6。将得到的单晶试样6表面进行打磨处理，先将上、下截面的加工痕迹打磨干净且平整，再打磨干净外表面的杂质，打磨后再用清水和酒精清理掉单晶试样6的表面杂质。
将处理后待切割单晶试样6固定在夹头4上，且将取向校准器5用销钉对准、通过螺钉固定在夹头4上。把夹头4、取向校准器5和待切割单晶试样6一起放置于单晶取向检测仪内，测定校准单晶9的三个欧拉角α1、β1、γ1，测定的α1、β1、γ1分别为0°、2°、1°。测定单晶试样6的三个欧拉角α2、β2、γ2，测定的α2、β2、γ2分别为72°、75°、32°。计算得到单晶试样6和取向校准器5之间的晶体取向偏离角α、β、γ，分别为72°、73°、31°。
步骤2：将夹持装置安置到切割机上，并进行位向归零。
将夹头4安装在基座2上，再将整个夹持装置安装在电火花线切割机上，调整水平调节器7上的水平转向台和竖直调节器8上的调节转杆，使线切割机的X坐标方向与取向校准器5上的水平对准结构10平行，线切割机的Z坐标方向与取向校准器5上的竖直对准结构11平行。
步骤3：调节单晶试样6在切割机上的位向。
根据步骤1中取向校准器5与单晶试样6的晶体取向偏离角α、β、γ，通过调整取向调节器3的水平调节器7、竖直调节器8，使单晶试样6的<001>方向调整到与线切割丝平行，完成后锁死各个调节器。
步骤4：定向切割试样。
根据所需籽晶的结构和尺寸，编辑出
Figure BDA0004103837500000051
圆形的切割程序，最后精准切割出具备<001>取向/>
Figure BDA0004103837500000052
的圆柱形籽晶。
实施例2
本实施例将制备出具备<001>取向且一侧面同时具备<010>方向的4×4×35mm方柱形籽晶。具体如下：
步骤1：测定单晶试样6和取向校准器5之间的偏离角。
在高温合金单晶棒上切割出长35mm的单晶短棒，作为待切割单晶试样6。将单晶试样6表面进行打磨处理，打磨后再用清水和酒精清理掉表面的杂质。
将处理后待切割单晶试样6固定在夹头4上，同时将取向校准器5固定在夹头4上。把夹头4、取向校准器5和待切割单晶试样6一起放置于单晶取向检测仪内，测定校准单晶9的三个欧拉角α1、β1、γ1，测定的α1、β1、γ1分别为0°、2°、1°。测定单晶试样6的三个欧拉角α2，β2，γ2，测定的α2、β2、γ2分别为72°、75°、32°。计算得到单晶试样6和取向校准器5之间的晶体取向偏离角α、β、γ，分别为72°、73°、31°。
步骤2：将夹持装置安置到切割机上，并进行位向归零。
将夹头4安装在基座2上，再将整个夹持装置安装在电火花线切割机上，调整水平调节器7上的水平转向台和竖直调节器8上的调节转杆，使线切割机的X坐标方向与取向校准器5上的水平对准结构10平行，线切割机的Z坐标方向与取向校准器5上的竖直对准结构11平行。
步骤3：调节单晶试样6在切割机上的位向。
根据步骤1中取向校准器5与单晶试样6的晶体取向偏离角α、β、γ，通过调整取向调节器3的水平调节器7、竖直调节器8，使单晶试样6的<001>方向调整到与线切割丝平行，完成后锁死各个调节器。
步骤4：定向切割试样。
根据籽晶的结构和尺寸以及步骤1中所测定单晶试样6的欧拉角，且根据步骤2中线切割机的X坐标方向与取向校准器5的水平对准结构10平行，可获得单晶试样6的<010>方向与线切割机的X坐标方向的偏角为17°。
编辑出切割方向为线切割机X坐标方向偏转17°，即指向单晶试样6<010>方向的4×4mm正方形切割程序，最后精准切割出具备<001>取向且一个侧面同时具备<010>方向的4×4×35mm方柱形籽晶。
实施例3
本实施例将制备出具备<001>取向且一侧面同时具备<010>方向偏20°的5×5×35mm方柱形籽晶。具体如下：
步骤1：测定单晶试样6和取向校准器5之间的偏离角。
在高温合金单晶棒上切割出长35mm的单晶短棒，作为待切割单晶试样6。将单晶试样6表面进行打磨处理，打磨后再用清水和酒精清理掉表面的杂质。
将处理后待切割单晶试样6固定在夹头4上，同时将取向校准器5固定在夹头4上。把夹头4、取向校准器5和待切割单晶试样6一起放置于单晶取向检测仪内，测定校准单晶9的三个欧拉角α1、β1、γ1，测定的α1、β1、γ1分别为0°、2°、1°。测定单晶试样6的三个欧拉角α2，β2，γ2，测定的α2、β2、γ2分别为72°、75°、32°。计算得到单晶试样6和取向校准器5之间的晶体取向偏离角α、β、γ，分别为72°、73°、31°。
步骤2：将夹持装置安置到切割机上，并进行位向归零。
将夹头4安装在基座2上，再将整个夹持装置安装在电火花线切割机上，调整水平调节器7上的水平转向台和竖直调节器8上的调节转杆，使线切割机的X坐标方向与取向校准器5上的水平对准结构10平行，线切割机的Z坐标方向与取向校准器5上的竖直对准结构11平行。
步骤3：调节单晶试样6在切割机上的位向。
根据步骤1中取向校准器5与单晶试样6的晶体取向偏离角α、β、γ，通过调整取向调节器3的水平调节器7、竖直调节器8，使单晶试样6的<001>方向调整到与线切割丝平行，完成后锁死各个调节器。
步骤4：定向切割试样。
根据籽晶的结构和尺寸以及步骤1中所测定单晶试样6的欧拉角，且根据步骤2中线切割机的X坐标方向与取向校准器5的水平对准结构10平行，可获得单晶试样6的<010>方向与线切割机的X坐标方向的偏角为17°。
编辑出切割方向为线切割机X坐标方向偏转37°，即指向单晶试样6<010>方向偏20°的5×5mm的切割程序，最后精准切割出具备<001>取向且长边一侧同时具备<010>方向偏20°的5×5×35mm方柱形籽晶。
实施例4
本实施例将制备出具备<001>取向偏10°的4×4×22mm方柱形籽晶。具体如下：
步骤1：测定单晶试样6和取向校准器5之间的偏离角。
在高温合金单晶棒上切割出长22mm的单晶短棒，作为待切割单晶试样6。将单晶试样6表面进行打磨处理，打磨后再用清水和酒精清理掉表面的杂质。
将处理后待切割单晶试样6固定在夹头4上，同时将取向校准器5固定在夹头4上。把夹头4、取向校准器5和待切割单晶试样6一起放置于单晶取向检测仪内，测定校准单晶9的三个欧拉角α1、β1、γ1，测定的α1、β1、γ1分别为1°、1°、2°。测定单晶试样6的三个欧拉角α2，β2，γ2，测定的α2、β2、γ2分别为56°、48°、25°。计算得到单晶试样6和取向校准器5之间的晶体取向偏离角α、β、γ，分别为55°、57°、23°。步骤2：将夹持装置安置到切割机上，并进行位向归零。
步骤2：将夹持装置安置到切割机上，并进行位向归零。
将夹头4安装在基座2上，再将整个夹持装置安装在电火花线切割机上，调整水平调节器7上的水平转向台和竖直调节器8上的调节转杆，使线切割机的X坐标方向与取向校准器5上的水平对准结构10平行，线切割机的Z坐标方向与取向校准器5上的竖直对准结构11平行。
步骤3：调节单晶试样6在切割机上的位向。
根据步骤1中取向校准器5与单晶试样6的晶体取向偏离角α、β、γ，通过调整取向调节器3的水平调节器7、竖直调节器8，使单晶试样6的<001>方向调整到与线切割丝平行。再调整竖直调节器8中控制旋向位向的调节转杆，使试样6的<001>取向偏10°，完成后锁死各个调节器。
步骤4：定向切割试样。
根据所需籽晶的结构和尺寸，编辑出4×4mm的正方形切割程序，最后精准切割出具备<001>取向偏10°的4×4×22mm方形籽晶。
实施例5
本实施例将制备出具备<001>取向偏40°的
Figure BDA0004103837500000071
圆柱形籽晶。具体如下：
步骤1：测定单晶试样6和取向校准器5之间的偏离角。
在高温合金单晶棒上切割出长22mm的单晶短棒，作为待切割单晶试样6。将单晶试样6表面进行打磨处理，打磨后再用清水和酒精清理掉表面的杂质。
将处理后待切割单晶试样6固定在夹头4上，同时将取向校准器5固定在夹头4上。把夹头4、取向校准器5和待切割单晶试样6一起放置于单晶取向检测仪内，测定校准单晶9的三个欧拉角α1、β1、γ1，测定的α1、β1、γ1分别为1°、1°、2°。测定单晶试样6的三个欧拉角α2，β2，γ2，测定的α2、β2、γ2分别为56°、48°、25°。计算得到单晶试样6和取向校准器5之间的晶体取向偏离角α、β、γ，分别为55°、57°、23°。
步骤2：将夹持装置安置到切割机上，并进行位向归零。
将夹头4安装在基座2上，再将整个夹持装置安装在电火花线切割机上，调整水平调节器7上的水平转向台和竖直调节器8上的调节转杆，使线切割机的X坐标方向与取向校准器5上的水平对准结构10平行，线切割机的Z坐标方向与取向校准器5上的竖直对准结构11平行。
步骤3：调节单晶试样6在切割机上的位向。
根据步骤1中取向校准器5与单晶试样6的晶体取向偏离角α、β、γ，通过调整取向调节器3的水平调节器7、竖直调节器8，使单晶试样6的<001>方向调整到与线切割丝平行。再调整竖直调节器8中控制旋向位向的调节转杆，使试样6的<001>取向偏40°，完成后锁死各个调节器。
步骤4：定向切割试样。
根据所需籽晶的结构和尺寸，编辑出
Figure BDA0004103837500000081
圆形的切割程序，最后精准切割出具备<001>取向偏40°的/>
Figure BDA0004103837500000082
圆柱形籽晶。/>

Claims (9)

1.一种用于定向切割单晶高温合金的夹持装置，其特征在于，包括底座、基座、取向调节器、夹头和取向校准器，所述底座与基座通过取向调节器连接，所述基座的另一端固定夹头，所述夹头固定取向校准器和夹持单晶试样。
2.根据权利要求1所述的用于定向切割单晶高温合金的夹持装置，其特征在于，所述底座放置于切割设备上，定向切割时起支撑整个夹持装置的作用；所述的取向调节器起调整试样位向的作用。
3.根据权利要求1所述的用于定向切割单晶高温合金的夹持装置，其特征在于，所述的取向调节器包括水平调节器和竖直调节器，所述水平调节器与底座连接，所述竖直调节器与基座连接。
4.根据权利要求1至3任一项所述的用于定向切割单晶高温合金的夹持装置，其特征在于，所述的取向调节器调节角度的控制精度为±0.1°以内。
5.根据权利要求1至3任一项所述的用于定向切割单晶高温合金的夹持装置，其特征在于，所述的水平调节器为带锁紧装置的水平转向台，并设置有基准及角度标尺，可以精确调节取向校准器相对底座的水平位向。
6.根据权利要求1至3任一项所述的用于定向切割单晶高温合金的夹持装置，其特征在于，所述的竖直调节器为一对互相垂直的两个竖直面上的调节结构，利用调节转杆调节角度，同样具备基准和角度标尺，且均配有锁紧机构，可以精确调节取向校准器相对底座的垂直和旋转位向。
7.根据权利要求1至3任一项所述的用于定向切割单晶高温合金的夹持装置，其特征在于，所述的取向校准器包括校准单晶、水平对准结构和竖直对准结构，所述的校准单晶为面心立方晶体，所述校准单晶的<001>方向与竖直对准结构平行，所述校准单晶的<100>方向与水平对准结构平行；所述的取向校准器起辅助测量和调整试样位向的作用。
8.权利要求1至7任一项所述的用于定向切割单晶高温合金的夹持装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)测定单晶试样和取向校准器之间的偏离角；将待切割单晶试样固定在夹头上，把夹头、取向校准器和待切割单晶试样一起放置于单晶取向检测仪内，测定校准单晶的三个欧拉角α1、β1、γ1和单晶试样的三个欧拉角α2、β2、γ2，计算得到单晶试样和取向校准器之间的晶体取向偏离角α、β、γ；
(2)将夹持装置安置到切割设备上，并进行位向归零；将夹头安装在基座上，再将整个夹持装置安装在切割设备上，调整水平调节器上的水平转向台和竖直调节器上的调节转杆，使切割机上的X坐标方向与取向校准器上的水平对准结构平行，切割机上的Z坐标方向与取向校准器上的竖直对准结构平行；
(3)调节单晶试样在切割机上的位向；根据定向切割的要求以及取向校准器与单晶试样的晶体取向偏离角，通过调整取向调节器的水平调节器、竖直调节器，使试样的位向调整到切割籽晶所需的方向；
(4)定向切割试样；根据所需籽晶的结构和尺寸，编辑切割程序，精准切割出所需取向的籽晶。
9.根据权利要求8所述的用于定向切割单晶高温合金的夹持装置的使用方法，其特征在于，所述籽晶为具备<001>取向且同时具有<010>方向的籽晶，或具备<001>取向偏10°的籽晶，或具备<001>取向偏20°的籽晶，或具备<001>取向偏40°的籽晶。
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