CN117000949A - 一种[111]取向单晶高温合金的高通量制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及单晶合金制备技术领域，尤其涉及一种[111]取向单晶高温合金的高通量制备方法。本发明所述制备方法包括：提供不同取向籽晶与铸造方向之间的夹角关系；由下到上依次设置不同取向的籽晶、锥形放大器蜡模、铸件蜡模和冒口进行组装，得到不同的组合蜡模，根据所述不同取向籽晶与铸造方向之间的夹角关系设置所述铸件蜡模的方向；将所述不同的组合蜡模的外部涂挂耐火涂层后，脱蜡，得到不同的铸件模壳；将所述不同的铸件模壳围绕着中心环绕放置进行组装后，将熔融后的高温合金母液浇铸到所述铸件模壳中，进行定向凝固铸造，得到所述[111]取向单晶高温合金。该制备方法可以保证同时由不同取向籽晶生长[111]取向的单晶高温合金。

Description

一种[111]取向单晶高温合金的高通量制备方法

技术领域

本发明涉及单晶合金制备技术领域，尤其涉及一种[111]取向单晶高温合金的高通量制备方法。

背景技术

镍基单晶高温合金由于其优异的高温强度和抗高温蠕变性能，目前广泛应用于先进航空发动机和工业燃气轮机的涡轮叶片材料。而更高承温是材料学科的永恒主题之一，是高温结构材料科学前沿。航空发动机涡轮叶片用单晶合金材料以其高承温、高载荷、耐环境和长寿命的全面设计要求，一致挑战着材料科学极限，是研究热点和难点。在研究过程中籽晶法生长单晶涡轮叶片时能够精确控制晶体的三维取向，而随着航空发动机涡轮进口温度的提高和高代次镍基单晶高温合金的制备成本增加，精确控制叶片的晶体取向可提高单晶涡轮叶片的服役寿命，降低航空发动机中单晶叶片的更换频率变得十分重要，因此籽晶法将在工业制备单晶涡轮叶片中占据重要地位。

近期通过研究单晶高温合金各向异性对性能的影响，发现以[111]取向为主轴取向或主承力方向的单晶材料有望解决1500℃合金性能问题，这类材料的定向凝固工艺存在一定的困难，其原因是热力学决定的铸造枝晶干和枝晶壁生长择优取向为[001]取向，与[111]晶体取向的夹角高达53°，难以保证微观枝晶干和宏观铸件主轴同时处在定向凝固温度梯度方向上。高指数取向籽晶法可有效改善[111]取向单晶合金枝晶组织与铸造孔洞，可为高承温高性能单晶合金基其他高温结构材料的设计与制备提供新的可能。

目前采用高指数籽晶制备[111]取向单晶高温合金，其主要过程为：1)单晶高温合金高指数籽晶制备；2)单晶试棒或铸件组壳方案设计与制壳；3)高指数籽晶法定向凝固铸造制备单晶。单次铸造有限，如果需要对比不同取向籽晶铸造结果，需要进行多次实验，无法使相比较的单晶铸造生长环境一致，并且生产周期拉长，不节约时间成本；需要多次组模，也造成了实验成本变高，不利于生产与实验。

随着材料基因工程技术的快速发展，现代材料研发逐渐进入“数据驱动-科学研究第四范式”。其中“材料高通量实验”是在短时间内完成大量样品的制备与表征。其核心思想是将传统材料研究中采用的顺序迭代方法改为并行处理，以量变引起材料研究效率的质变。高通量实验方法的发展与应用，可以在短时间内获取丰富的实验数据，既可为材料模拟计算提供海量的基础数据，使材料数据库得到充实；同时又可为材料模拟计算的结果提供实验验证，使计算模型得到优化、修整；更为重要的是，高通量实验可快速的提供地有价值的研究成果，直接加速材料的筛选和优化；更为重要的是，高通量实验可快速地提供有价值的研究成果，直接加速材料的筛选和优化。因此，本专利拟将高通量制备方法用于单晶铸造生产中，通过模壳设计，使得单词可铸造出由不同取向籽晶生长的单晶，便于统一生长环境，提高铸造效率，降低成本，提高实验的高效性、系统性与一致性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种[111]取向单晶高温合金的高通量制备方法，所述制备方法可以保证同时由不同取向籽晶生长[111]取向的单晶高温合金。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种[111]取向单晶高温合金的制备方法，包括以下步骤：

提供不同取向籽晶与铸造方向之间的夹角关系；

由下到上依次设置不同取向的籽晶、锥形放大器蜡模、铸件蜡模和冒口进行组装，得到不同的组合蜡模，根据所述不同取向籽晶与铸造方向之间的夹角关系设置所述铸件蜡模的方向；

将所述不同的组合蜡模的外部涂挂耐火涂层后，脱蜡，得到不同的铸件模壳；

将所述不同的铸件模壳通过连接件进行组装后，将熔融后的高温合金母液浇铸到所述铸件模壳中，进行定向凝固铸造，得到所述[111]取向单晶高温合金。

优选的，当所述籽晶取向为[001]时，所述铸造方向与籽晶取向之间的夹角为54.7°；

当所述籽晶取向为[110]时，所述铸造方向与籽晶取向之间的夹角为35.3°；

当所述籽晶取向为[221]时，所述铸造方向与籽晶取向之间的夹角为15.8°；

当所述籽晶取向为[112]时，所述铸造方向与籽晶取向之间的夹角为19.5°；

当所述籽晶取向为[113]时，所述铸造方向与籽晶取向之间的夹角为29.5°；

当所述籽晶取向为[111]时，所述铸造方向与籽晶取向之间的夹角为0°。

优选的，所述耐火涂层的材料包括白刚玉和硅溶胶；

所述耐火涂层的厚度为5～20mm，层数为5～6层。

优选的，所述脱蜡的方式为水蒸汽脱蜡；

所述水蒸汽脱蜡的温度为500℃，时间为8～12min。

优选的，所述脱蜡完成后，还包括焙烧；

所述焙烧的温度为1050℃，时间为10h。

优选的，所述焙烧过程中还包括加入氯化铵。

优选的，得到所述铸件模壳后，还包括对得到的铸件模壳进行检测；

所述检测包括内部颗粒检测和壳体裂纹、薄弱环节检测。

优选的，所述内部颗粒检测的过程包括：利用干洗机对所述铸件模壳内腔吹气，同时用吸尘系统将杂质吸附到滤网上，检测滤网颗粒物面积；

所述壳体裂纹、薄弱环节检测的过程包括：以亚甲基蓝溶液为类显像剂，灌入腔体内1min，如有渗出，进行修补或者报废。

优选的，所述定向凝固铸造的温度为1540℃，保温时间为5～30min，抽拉速率为4.5mm/min。

本发明提供了一种[111]取向单晶高温合金的制备方法，包括以下步骤：提供不同取向籽晶与铸造方向之间的夹角关系；由下到上依次设置不同取向的籽晶、锥形放大器蜡模、铸件蜡模和冒口进行组装，得到不同的组合蜡模，根据所述不同取向籽晶与铸造方向之间的夹角关系设置所述铸件蜡模的方向；将所述不同的组合蜡模的外部涂挂耐火涂层后，脱蜡，得到不同的铸件模壳；将所述不同的铸件模壳通过连接件进行组装后，将熔融后的高温合金母液浇铸到所述铸件模壳中，进行定向凝固铸造，得到所述[111]取向单晶高温合金。本发明在一次实验中使用多个不同取向籽晶完成铸造生产单晶，此方法具有生产的高效性、系统性和一致性；所述制备方法使不同取向籽晶生长环境一致，同时得到一批次单晶，便于后续单晶性能测试与比较；所述制备方法属于高通量制备技术在相对较短的时间内同时进行多个实验，用以替代传统的“逐一”或“单步”的研发模式，有效的降低了成本和实验时间。

附图说明

图1为本发明所述组合蜡模的结构示意图，其中，1为籽晶，2为放大器，3为单晶，4为冒口；

图2为本发明所述具有涂壳的组合蜡模的实物图；

图3为本发明所述铸件模壳的实物图；

图4为本发明所述[111]单晶高温合金铸件的实物图；

图5为实施例1所述[111]单晶高温合金铸件的光镜图；

图6为实施例1所述[111]单晶高温合金铸件的劳埃光谱图。

具体实施方式

本发明提供了一种[111]取向单晶高温合金的制备方法，包括以下步骤：

提供不同取向籽晶与铸造方向之间的夹角关系；

由下到上依次设置不同取向的籽晶、锥形放大器蜡模、铸件蜡模和冒口进行组装，得到不同的组合蜡模，根据所述不同取向籽晶与铸造方向之间的夹角关系设置所述铸件蜡模的方向；

将所述不同的组合蜡模的外部涂挂耐火涂层后，脱蜡，得到不同的铸件模壳；

将所述不同的铸件模壳通过连接件进行组装后，将熔融后的高温合金母液浇铸到所述铸件模壳中，进行定向凝固铸造，得到所述[111]取向单晶高温合金。

在本发明中，若无特殊说明，所有制备原料均为本领域技术人员熟知的市售产品。

在本发明提供不同取向籽晶与铸造方向之间的夹角关系。

在本发明中，当所述籽晶取向为[001]时，所述铸造方向与籽晶取向之间的夹角优选为54.7°；当所述籽晶取向为[110]时，所述铸造方向与籽晶取向之间的夹角优选为35.3°；当所述籽晶取向为[221]时，所述铸造方向与籽晶取向之间的夹角优选为15.8°；当所述籽晶取向为[112]时，所述铸造方向与籽晶取向之间的夹角优选为19.5°；当所述籽晶取向为[113]时，所述铸造方向与籽晶取向之间的夹角优选为29.5°；当所述籽晶取向为[111]时，所述铸造方向与籽晶取向之间的夹角优选为0°。

本发明所述制备方法还包括由下到上依次设置不同取向的籽晶、锥形放大器蜡模、铸件蜡模和冒口进行组装，得到不同的组合蜡模，根据所述不同取向籽晶与铸造方向之间的夹角关系设置所述铸件蜡模的方向。

本发明对所述组装的过程没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。

所述组装完成后，本发明还优选包括依次进行的清洗和干燥；本发明对所述清洗的过程没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行并保证清洗去掉所述组合蜡模表面的油脂即可。在本发明中，所述清洗的作用是增加蜡模表面的涂挂性；本发明对所述干燥的过程没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的吹干过程进行即可。

得到组合蜡模后，本发明将所述不同的组合蜡模的外部涂挂耐火涂层后，脱蜡，得到不同的铸件模壳。

在本发明中，所述耐火涂层的材料优选包括白刚玉和硅溶胶；所述耐火涂层的厚度优选为5～20mm，更优选为8～16mm，最优选为10～13mm；层数优选为5～6层。在本发明中，每挂涂一层耐火涂层后均优选包括干燥，所述干燥的时间优选≥12h。

在本发明中，所述耐火涂层的材料和厚度会影响壳体的透气性、热震稳定性和壳体强度，上述技术方案限定的耐火涂层的材料和厚度可以保证壳体具有优异的透气性、热震稳定性和壳体强度。

在本发明中，所述脱蜡的方式优选为水蒸汽脱蜡；所述水蒸汽脱蜡的温度优选为500℃，时间优选为8～12min，更优选为9～10min。在本发明中，所述水蒸汽脱蜡的过程优选为将刮涂耐火涂层后的组合蜡模放入脱蜡釜中，将去离子水加热蒸发后，用水蒸汽脱蜡。

在本发明中，所述脱蜡是为了将所述组合蜡模内部的蜡模融化并排出，因此脱蜡之前为了保证蜡模熔化并顺利排出需要将所述组合蜡模的冒口切开。本发明对所述切开的过程没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。

所述脱蜡完成后，本发明还优选包括焙烧，所述焙烧的温度优选为1050℃；时间优选为10h。

在本发明中，由于脱蜡之后残余物质仍然在壳内，若不去除，将会影响铸件质量，而所述焙烧可以充分的去除所述脱蜡之后的残余物质。

在本发明中，所述焙烧过程中还优选包括加入氯化铵；本发明对所述氯化铵的加入量没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的加入量进行即可。在本发明中，所述氯化铵的作用是硬化剂，可以强化壳体。

得到所述铸件模壳后，本发明还优选包括对得到的铸件模壳进行检测；所述检测优选包括内部颗粒检测和壳体裂纹、薄弱环节检测；所述内部颗粒检测的过程优选包括：利用干洗机对所述铸件模壳内腔吹气，同时用吸尘系统将杂质吸附到滤网上，检测滤网颗粒物面积；所述壳体裂纹、薄弱环节检测的过程优选包括：以亚甲蓝溶液为类显像剂，灌入腔体内1min，如有渗出，进行修补或者报废。

得到不同的铸件模壳后，本发明将所述不同的铸件模壳通过连接件进行组装后，将熔融后的高温合金母液浇铸到所述铸件模壳中，进行定向凝固铸造，得到所述[111]取向单晶高温合金。

在本发明中，所述组装优选以所述连接件为中心，将不同的铸件模壳围绕着中心环绕放置并进行组装；本发明对所述组装的过程没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。

本发明对所述高温合金母液的组成没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的组成进行即可。

在本发明中，所述定向凝固铸造的温度优选为1540℃；保温时间优选为5～30min，更优选为10～25min，最优选为15～20min；抽拉速率优选为4.5mm/min。

下面结合实施例对本发明提供的[111]取向单晶高温合金的高通量制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

组壳方案设计：将铸件模壳围绕着中心环绕放置，每个铸件模壳的结构为由上到下依次设置的冒口、单晶、放大器和籽晶(如图1所示)，籽晶与生长所述单晶的取向偏离角度(即铸造方向)如表1所述，每个铸件中的籽晶分别为[001]、[110]、[112]、[113]、[221]和[111]；

表1不同取向籽晶与主轴偏离角度

籽晶取向	与主轴偏离角度
		001	54.7
110	35.3
		221	15.8
112	19.5
		113	29.5
111	0

按照上述组壳方案进行蜡模组合：按照图1所示的结构，将不同取向的籽晶、放大器蜡模、单晶铸件蜡模和冒口进行组装，分别得到不同的组合蜡模；清洗掉所述组合蜡模表面的油脂，增加所述组合蜡模表面涂挂性，最后吹干模组；

对所述组合蜡模的表面依次涂覆白刚玉粉和硅溶胶(厚度为18mm，层数为6)，每涂覆一层完成后均进行干燥后，再进行下一层的涂覆，得到具有涂壳的组合蜡模(如图2所示)；

对所述具有涂壳的组合蜡模中的冒口切开后，放入脱蜡釜中，将去离子水加热(温度为500℃)蒸发后，用水蒸汽脱蜡，保温10min后，进行焙烧以去除所述模壳内的残余物质，所述焙烧的温度为1050℃，时间为10h，得到被切掉冒口的模壳；

将混合物(质量比为1:1.5:1的硅胶、铝粉和水泥)修补掉被切掉的冒口，所述修补的过程为将调好的混合物涂抹至冒口位置，进行冒口修补和密封，然后将修补位置烘干，得到完整铸件模壳(如图3所示)；

对所述铸件模壳进行检测：1)利用干洗机对壳体内腔吹气，同时用吸尘系统将杂质吸附到滤网上，检测滤网颗粒物面积；2)壳体裂纹、薄弱环节检测：以亚甲蓝溶液作为类显像剂灌入腔体内1min左右，如果有渗出，说明该处质量不过关，需要进行修补或者报废；

定向凝固铸造单晶：将高温合金(具体种类为IC21合金)熔融后，将得到的熔融液浇铸到温度为1540℃的模壳中，保温30min，按照4.5mm/min的抽拉速率定向抽拉，分别制备得到[111]单晶高温合金铸件(如图4所示)；

其中图5为所述[111]单晶高温合金铸件的光镜图，由图5可知，单晶枝晶臂夹角都接近60°，枝晶排列整齐，规律性好，非常符合[111]取向单晶枝晶形貌。；

图6为所述[111]单晶高温合金铸件的劳埃光谱图，由图6可知，单晶图谱类似于雪花状，夹角为60°左右，符合[111]取向单晶劳埃图谱特点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种[111]取向单晶高温合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供不同取向籽晶与铸造方向之间的夹角关系；

由下到上依次设置不同取向的籽晶、锥形放大器蜡模、铸件蜡模和冒口进行组装，得到不同的组合蜡模，根据所述不同取向籽晶与铸造方向之间的夹角关系设置所述铸件蜡模的方向；

将所述不同的组合蜡模的外部涂挂耐火涂层后，脱蜡，得到不同的铸件模壳；

将所述不同的铸件模壳通过连接件进行组装后，将熔融后的高温合金母液浇铸到所述铸件模壳中，进行定向凝固铸造，得到所述[111]取向单晶高温合金。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，当所述籽晶取向为[001]时，所述铸造方向与籽晶取向之间的夹角为54.7°；

当所述籽晶取向为[110]时，所述铸造方向与籽晶取向之间的夹角为35.3°；

当所述籽晶取向为[221]时，所述铸造方向与籽晶取向之间的夹角为15.8°；

当所述籽晶取向为[112]时，所述铸造方向与籽晶取向之间的夹角为19.5°；

当所述籽晶取向为[113]时，所述铸造方向与籽晶取向之间的夹角为29.5°；

当所述籽晶取向为[111]时，所述铸造方向与籽晶取向之间的夹角为0°。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述耐火涂层的材料包括白刚玉和硅溶胶；

所述耐火涂层的厚度为5～20mm，层数为5～6层。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述脱蜡的方式为水蒸汽脱蜡；

所述水蒸汽脱蜡的温度为500℃，时间为8～12min。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述脱蜡完成后，还包括焙烧；

所述焙烧的温度为1050℃，时间为10h。

6.如权利要求1或5所述的制备方法，其特征在于，所述焙烧过程中还包括加入氯化铵。

7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，得到所述铸件模壳后，还包括对得到的铸件模壳进行检测；

所述检测包括内部颗粒检测和壳体裂纹、薄弱环节检测。

8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述内部颗粒检测的过程包括：利用干洗机对所述铸件模壳内腔吹气，同时用吸尘系统将杂质吸附到滤网上，检测滤网颗粒物面积；

所述壳体裂纹、薄弱环节检测的过程包括：以亚甲基蓝溶液为类显像剂，灌入腔体内1min，如有渗出，进行修补或者报废。

9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述定向凝固铸造的温度为1540℃，保温时间为5～30min，抽拉速率为4.5mm/min。