CN117368159A - 单晶铸件显微疏松形成倾向性的评价装置及其评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单晶铸件显微疏松形成倾向性的评价装置及其评价方法，该评价装置包括自上而下依次连接的浇冒口、横浇道、台阶试样和籽晶，台阶试样由若干个不同倾斜角度的台阶组成，台阶与水平方向的倾斜角度自下而上依次减小，台阶长度为10‑20mm、台阶宽度为20‑30mm、台阶间距为5‑10mm；可形成由十级台阶组成的台阶试样、具有旋转角度的台阶试样、台阶级数小于十级的台阶试样，以及由前述几种不同形式的台阶试样连接而成的组合式台阶试样。该评价方法包括以下步骤：采用压蜡方法压制蜡模；采用熔模精密铸造方法制备陶瓷型壳；将陶瓷型壳放入定向凝固炉内，采用定向凝固方法浇注成形。本发明解决了单晶高温合金铸件显微疏松形成倾向性难以评价的问题。
Description
技术领域
本发明属于单晶高温合金铸造技术领域，具体涉及一种单晶铸件显微疏松形成倾向性的评价装置及其评价方法。
背景技术
镍基单晶高温合金具有优良的高温性能，良好的抗氧化性和抗热腐蚀性，良好的抗疲劳强度、断裂韧性和塑性等综合性能，是目前制造先进航空发动机涡轮叶片的主要材料，但是单晶高温合金叶片在铸造过程中容易形成各种各样的缺陷。
单晶空心燃气涡轮叶片的形状极其复杂，存在壁厚突变及较大横向缘板结构，且单晶叶片定向凝固过程复杂，温度场、溶质场、温度梯度场不稳定，存在尺寸效应和截面效应，不可避免地造成叶片不同位置的显微组织差异，甚至某些地方还可能形成不同形式的晶体缺陷，合金的组织不同将影响合金的性能。燃气涡轮叶片的工作条件苛刻，受到的应力、温度和环境条件十分复杂，因此对叶片的组织及内部质量要求十分严格。
显微疏松是由分散地存在于枝晶间的液态合金补缩不足而造成的。当70％的合金凝固后，大体积的补缩已无法进行，只能通过枝晶间的毛细管作用进行补缩，在凝固的最后阶段，随着枝晶的生长，二次枝晶长大并封闭了毛细管，由于补缩不足，枝晶间的液态合金由于体积收缩效应，便在枝晶间形成了显微疏松。显微疏松作为一种微观组织缺陷，常常成为疲劳失效裂纹源，是影响航空发动机涡轮叶片服役安全的隐患。显微疏松集中体现了单晶高温合金铸造技术发展程度和服役性能优劣，始终贯穿于镍基单晶高温合金优化与代系更替发展的历程中。为了提高铸件的合格率，在实际生产过程中应选择显微疏松形成倾向性较弱的单晶高温合金及铸件结构，或者在铸件模具设计时提前增加铸件表面余量。如何评价单晶铸件显微疏松形成倾向性是提升单晶高温合金铸件合格率和工业化生产的重要难题。
申请公布号为CN116124555A的发明专利公开了一种精准控制高温合金试棒加载区疏松缺陷的方法，包括：对同一模组的试棒，蜡模组模前，在需要获得疏松的试棒的特定区域，对该特定区域的蜡模表面贴蜡纸，形成局部凸起的凸台结构；采用不同厚度的蜡纸，分别贴在同一模组不同试棒蜡模的相同位置。该技术方案通过人为控制等轴晶铸造高温合金试棒疏松缺陷的位置和等级，制得加载区疏松缺陷位置和等级符合预期的等轴晶试棒，使用该试棒研究和评估疏松缺陷对高温合金组织和力学性能的影响，但是该技术方案不能定量评价单晶铸件显微疏松形成的倾向性。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种单晶铸件显微疏松形成倾向性的评价装置，包括自上而下依次连接的浇冒口、横浇道、台阶试样和籽晶，所述台阶试样由若干个不同倾斜角度的台阶组成。
本发明根据单晶铸件显微疏松形成机理，设计了具有不同倾斜角度的台阶试样模具来模拟铸件表面的倾斜角度，通过分析不同倾斜角度台阶上的显微疏松分布情况，定量评价单晶铸件显微疏松形成的倾向性。
优选的是，所述台阶试样由十级台阶组成，自所述籽晶开始至所述横浇道之间依次连接第一级台阶、第二级台阶、第三级台阶、第四级台阶、第五级台阶、第六级台阶、第七级台阶、第八级台阶、第九级台阶和第十级台阶，所述第一级台阶的底端与所述籽晶的顶端连接，所述第十级台阶的顶端与所述横浇道的底端连接。
在上述任一方案中优选的是，所述第一级台阶至所述第十级台阶的台阶长度均为10-20mm、台阶宽度均为20-30mm、台阶间距均为5-10mm。
在上述任一方案中优选的是，自所述第一级台阶至所述第十级台阶中每一级台阶与水平方向的倾斜角度依次减小3°，所述第一级台阶至所述第十级台阶与水平方向的倾斜角度依次为30°、27°、24°、21°、18°、15°、12°、9°、6°和3°。
在上述任一方案中优选的是，以所述台阶试样与所述籽晶之间的连接点为旋转点将所述台阶试样逆时针旋转，旋转角度为0-90°，则所述第一级台阶至所述第十级台阶与水平方向的倾斜角度均增加旋转角度，形成具有旋转角度的台阶试样。
在上述任一方案中优选的是，以所述台阶试样与所述籽晶之间的连接点为旋转点将所述台阶试样逆时针旋转，旋转角度为10°，则所述第一级台阶至所述第十级台阶与水平方向的倾斜角度依次为40°、37°、34°、31°、28°、25°、22°、19°、16°和13°。
在上述任一方案中优选的是，以所述台阶试样与所述籽晶之间的连接点为旋转点将所述台阶试样逆时针旋转，旋转角度为60°，则所述第一级台阶至所述第十级台阶与水平方向的倾斜角度依次为90°、87°、84°、81°、78°、75°、72°、69°、66°和63°。
在上述任一方案中优选的是，在由十级台阶组成的台阶试样上，自所述第一级台阶开始至少切掉一级台阶和/或自所述第十级台阶开始至少切掉一级台阶，形成台阶级数小于十级的台阶试样。
在上述任一方案中优选的是，将由十级台阶组成的台阶试样、具有旋转角度的台阶试样、台阶级数小于十级的台阶试样进行不同形式的组合连接，形成组合式的台阶试样；
在上述任一方案中优选的是，所述组合式的台阶试样由第一段台阶试样和第二段台阶试样连接而成，所述第一段台阶试样的底端与所述籽晶连接，所述第一段台阶试样的顶端与所述第二段台阶试样的底端连接，所述第二段台阶试样的顶端与所述横浇道连接；所述第一段台阶试样的形式为，将由十级台阶组成的台阶试样逆时针旋转18°后，自第十级台阶开始依次切掉第十级台阶、第九级台阶和第八级台阶；所述第二段台阶试样的形式为，在由十级台阶组成的台阶试样上切掉第一级台阶；所述组合式的台阶试样形成十六级台阶，每一级台阶与水平方向的倾斜角度分别为48°、45°、42°、39°、36°、33°、30°、27°、24°、21°、18°、15°、12°、9°、6°、3°。
本发明中，根据倾斜角度的评价范围要求，采用不同组合角度的台阶试样、切取部分台阶试样、不同形式的台阶试样组合连接，再配合台阶试样自身的倾斜角度，可制备倾斜角度在0-90°范围内递变的台阶试样，实现最大范围内显微疏松形成倾向性的评价。
本发明还提供一种单晶铸件显微疏松形成倾向性的评价方法，使用上述任一项所述的单晶铸件显微疏松形成倾向性的评价装置，按照先后顺序包括以下步骤：
步骤一：根据设计要求采用压蜡方法压制底盘、浇冒口、横浇道和台阶试样；
步骤二：根据所设计的评价装置的结构将浇冒口、横浇道、台阶试样和籽晶连接在一起，并将多个结构相同的评价装置沿着底盘周向均匀地设置在底盘靠近边缘的位置，组合成模组；
步骤三：待模组组合结束后，采用熔模精密铸造方法制备陶瓷型壳；
步骤四：待陶瓷型壳制备结束后，将陶瓷型壳放入定向凝固炉内，采用定向凝固方法浇注成形，制得具有不同倾斜角度的单晶高温合金台阶试样铸件；
步骤五：采用荧光检测或金相检测方法对单晶高温合金台阶试样铸件上的每一级台阶进行显微疏松检测，并对显微疏松形成倾向性做出评价，进而对单晶高温合金铸件的倾斜角度或表面余量给出合理建议。
本发明中，所采用的压蜡方法、熔模精密铸造方法和定向凝固方法为传统方法，对具体的工艺参数不做特殊限定；底盘、浇冒口、横浇道和台阶试样均由蜡料制成，籽晶的材质与铸件的材质相同，根据铸件的取向要求切取籽晶的取向；模组中每一个评价装置可以单独设置一个浇冒口，也可以多个评价装置共用一个浇冒口。
本发明的单晶铸件显微疏松形成倾向性的评价装置及其评价方法，具有如下有益效果：
(1)能够对相同铸件结构、不同单晶高温合金的显微疏松形成倾向性进行比较，为单晶高温合金铸件的选材在铸造工艺性能上提供参考。
(2)能够对铸件不同部位的结构特征进行显微疏松形成倾向性评价，从而为铸件不同位置的模具余量设置、结构设计优化提供数据支撑，实现结构设计与制造工艺的协同作用。
(3)能够对制定铸件的制备工艺参数范围、工艺参数优化、不同部位选择不同工艺参数等定向凝固工艺提供数据支撑，减少工艺试验的工作量，提高铸件的制备合格率，加快研制交付周期。
(4)解决了单晶高温合金铸件显微疏松形成倾向性难以评价的问题，可定量评价不同单晶高温合金铸件的显微疏松形成倾向性。
附图说明
图1为按照本发明单晶铸件显微疏松形成倾向性的评价装置的一优选实施例的结构示意图；
图2为图1所示实施例中台阶试样的结构示意图；
图3为图1所示实施例中相邻两级台阶的放大图；
图4为图1所示实施例中不同倾斜角度台阶表面的显微疏松照片；
图5为按照本发明单晶铸件显微疏松形成倾向性的评价装置的另一优选实施例中台阶试样的结构示意图；
图6为图5所示实施例中不同倾斜角度台阶表面的显微疏松照片；
图7为按照本发明单晶铸件显微疏松形成倾向性的评价装置的另一优选实施例中台阶试样的结构示意图；
图8为按照本发明单晶铸件显微疏松形成倾向性的评价装置的另一优选实施例中台阶试样的结构示意图。
图中标注说明：
1-浇冒口，2-横浇道，3-台阶试样，301-第一级台阶，302-第二级台阶，303-第三级台阶，304-第四级台阶，305-第五级台阶，306-第六级台阶，307-第七级台阶，308-第八级台阶，309-第九级台阶，310-第十级台阶，311-台阶长度，312-台阶间距，313-倾斜角度，4-籽晶，5-第一段台阶试样，6-第二段台阶试样。
具体实施方式
为了更进一步了解本发明的发明内容，下面将结合具体实施例详细阐述本发明。
实施例一：
如图1-3所示，按照本发明单晶铸件显微疏松形成倾向性的评价装置的一优选实施例，包括自上而下依次连接的浇冒口1、横浇道2、台阶试样3和籽晶4，所述台阶试样3由若干个不同倾斜角度的台阶组成。本实施例根据单晶铸件显微疏松形成机理，设计了具有不同倾斜角度的台阶试样模具来模拟铸件表面的倾斜角度，通过分析不同倾斜角度台阶上的显微疏松分布情况，定量评价单晶铸件显微疏松形成的倾向性。
所述台阶试样3由十级台阶组成，自所述籽晶4开始至所述横浇道2之间依次连接第一级台阶301、第二级台阶302、第三级台阶303、第四级台阶304、第五级台阶305、第六级台阶306、第七级台阶307、第八级台阶308、第九级台阶309和第十级台阶310，所述第一级台阶301的底端与所述籽晶4的顶端连接，所述第十级台阶310的顶端与所述横浇道2的底端连接。
所述第一级台阶301至所述第十级台阶310的台阶长度311均为10mm、台阶宽度均为20mm、台阶间距312均为5mm。自所述第一级台阶301至所述第十级台阶310中每一级台阶与水平方向的倾斜角度313依次减小3°，所述第一级台阶301至所述第十级台阶310与水平方向的倾斜角度313依次为30°、27°、24°、21°、18°、15°、12°、9°、6°和3°。
本实施例还提供一种单晶铸件显微疏松形成倾向性的评价方法，使用上述单晶铸件显微疏松形成倾向性的评价装置，按照先后顺序包括以下步骤：
步骤一：根据设计要求采用压蜡方法压制底盘、浇冒口、横浇道和台阶试样；
步骤二：根据所设计的评价装置的结构将浇冒口、横浇道、台阶试样和籽晶连接在一起，并将多个结构相同的评价装置沿着底盘周向均匀地设置在底盘靠近边缘的位置，组合成模组；
步骤三：待模组组合结束后，采用熔模精密铸造方法制备陶瓷型壳；
步骤四：待陶瓷型壳制备结束后，将陶瓷型壳放入定向凝固炉内，采用定向凝固方法浇注成形，制得具有不同倾斜角度的单晶高温合金台阶试样铸件；
步骤五：采用荧光检测或金相检测方法对单晶高温合金台阶试样铸件上的每一级台阶进行显微疏松检测，并对显微疏松形成倾向性做出评价，进而对单晶高温合金铸件的倾斜角度或表面余量给出合理建议。
本实施例中，所采用的压蜡方法、熔模精密铸造方法和定向凝固方法为传统方法，对具体的工艺参数不做特殊限定；底盘、浇冒口、横浇道和台阶试样均由蜡料制成，籽晶和铸件为同种高温合金材料，籽晶的晶体取向为[001]；模组中每一个评价装置可以单独设置一个浇冒口，也可以多个评价装置共用一个浇冒口。
本实施例设计的具有不同倾斜角度的台阶试样用于评价单晶高温合金叶片缘板的倾斜角度，叶片为截面突变的缘板，为了获得缘板的倾斜角度，使叶片在定向凝固过程中缘板上表面不形成显微疏松，采用本实施例的方案给出缘板上表面倾斜角度的设计范围。图4为不同倾斜角度台阶表面的显微疏松照片，其中(1)-(10)的倾斜角度分别为3°、6°、9°、12°、15°、18°、21°、24°、27°和30°，从图4可以看出，随着倾斜角度的增加，台阶表面的显微疏松减少，倾斜角度在3-15°的台阶表面存在明显的显微疏松，倾斜角度在18°及以上的台阶表面基本没有显微疏松，因此建议缘板上表面设计的倾斜角度为18°及以上。
本实施例的单晶铸件显微疏松形成倾向性的评价装置及其评价方法，具有如下有益效果：能够对相同铸件结构、不同单晶高温合金的显微疏松形成倾向性进行比较，为单晶高温合金铸件的选材在铸造工艺性能上提供参考；能够对铸件不同部位的结构特征进行显微疏松形成倾向性评价，从而为铸件不同位置的模具余量设置、结构设计优化提供数据支撑，实现结构设计与制造工艺的协同作用；能够对制定铸件的制备工艺参数范围、工艺参数优化、不同部位选择不同工艺参数等定向凝固工艺提供数据支撑，减少工艺试验的工作量，提高铸件的制备合格率，加快研制交付周期。
实施例二：
按照本发明单晶铸件显微疏松形成倾向性的评价装置及其评价方法的另一优选实施例，其评价装置的总体结构、评价方法、所使用的设备、技术原理和有益效果等与实施例一基本相同，不同的是：
如图5所示，台阶试样的形式为，将由十级台阶组成的台阶试样逆时针旋转3°后，自第十级台阶开始依次切掉第十级台阶和第九级台阶。本实施例的台阶试样中，第一级台阶至第八级台阶与水平方向的倾斜角度依次为33°、30°、27°、24°、21°、18°、15°和12°。
本实施例设计的具有不同倾斜角度的台阶试样用于评价单晶高温合金叶片榫齿的倾斜角度，为了获得榫齿的倾斜角度，使叶片在定向凝固过程中榫头上表面不形成显微疏松，采用本实施例的方案给出榫头上表面倾斜角度的设计范围。图6为不同倾斜角度台阶表面的显微疏松照片，其中(1)-(8)的倾斜角度分别为12°、15°、18°、21°、24°、27°、30°和33°，从图6可以看出，随着倾斜角度的增加，台阶表面的显微疏松减少，倾斜角度在12-21°的台阶表面存在明显的显微疏松，倾斜角度在24°及以上的台阶表面基本没有显微疏松，因此建议榫头上表面设计的倾斜角度为24°及以上。
实施例三：
按照本发明单晶铸件显微疏松形成倾向性的评价装置及其评价方法的另一优选实施例，其评价装置的总体结构、评价方法、所使用的设备、技术原理和有益效果等与实施例一基本相同，不同的是：
如图7所示，台阶试样的形式为，将由十级台阶组成的台阶试样逆时针旋转60°。本实施例的台阶试样中，第一级台阶至第十级台阶与水平方向的倾斜角度依次为90°、87°、84°、81°、78°、75°、72°、69°、66°和63°。
实施例四：
按照本发明单晶铸件显微疏松形成倾向性的评价装置及其评价方法的另一优选实施例，其评价装置的总体结构、评价方法、所使用的设备、技术原理和有益效果等与实施例一基本相同，不同的是：
如图8所示，台阶试样由第一段台阶试样5和第二段台阶试样6连接而成。第一段台阶试样5的形式为，将由十级台阶组成的台阶试样逆时针旋转18°后，自第十级台阶开始依次切掉第十级台阶、第九级台阶和第八级台阶；第二段台阶试样6的形式为，在由十级台阶组成的台阶试样上切掉第一级台阶。本实施例为组合式的台阶试样，共有十六级台阶，自下而上每一级台阶与水平方向的倾斜角度分别为48°、45°、42°、39°、36°、33°、30°、27°、24°、21°、18°、15°、12°、9°、6°、3°。
特别说明：本发明的技术方案中涉及了诸多参数，需要综合考虑各个参数之间的协同作用，才能获得本发明的有益效果和显著进步。而且技术方案中各个参数的取值范围都是经过大量试验才获得的，针对每一个参数以及各个参数的相互组合，发明人都记录了大量试验数据，限于篇幅，在此不公开具体试验数据。
本领域技术人员不难理解，本发明的单晶铸件显微疏松形成倾向性的评价装置及其评价方法包括上述本发明说明书的发明内容和具体实施方式部分以及附图所示出的各部分的任意组合，限于篇幅并为使说明书简明而没有将这些组合构成的各方案一一描述。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种单晶铸件显微疏松形成倾向性的评价装置，其特征在于：包括自上而下依次连接的浇冒口、横浇道、台阶试样和籽晶，所述台阶试样由若干个不同倾斜角度的台阶组成。
2.根据权利要求1所述的单晶铸件显微疏松形成倾向性的评价装置，其特征在于：所述台阶试样由十级台阶组成，自所述籽晶开始至所述横浇道之间依次连接第一级台阶、第二级台阶、第三级台阶、第四级台阶、第五级台阶、第六级台阶、第七级台阶、第八级台阶、第九级台阶和第十级台阶，所述第一级台阶的底端与所述籽晶的顶端连接，所述第十级台阶的顶端与所述横浇道的底端连接。
3.根据权利要求2所述的单晶铸件显微疏松形成倾向性的评价装置，其特征在于：所述第一级台阶至所述第十级台阶的台阶长度均为10-20mm、台阶宽度均为20-30mm、台阶间距均为5-10mm。
4.根据权利要求3所述的单晶铸件显微疏松形成倾向性的评价装置，其特征在于：自所述第一级台阶至所述第十级台阶中每一级台阶与水平方向的倾斜角度依次减小3°，所述第一级台阶至所述第十级台阶与水平方向的倾斜角度依次为30°、27°、24°、21°、18°、15°、12°、9°、6°和3°。
5.根据权利要求4所述的单晶铸件显微疏松形成倾向性的评价装置，其特征在于：以所述台阶试样与所述籽晶之间的连接点为旋转点将所述台阶试样逆时针旋转，旋转角度为0-90°，则所述第一级台阶至所述第十级台阶与水平方向的倾斜角度均增加旋转角度，形成具有旋转角度的台阶试样。
6.根据权利要求5所述的单晶铸件显微疏松形成倾向性的评价装置，其特征在于：以所述台阶试样与所述籽晶之间的连接点为旋转点将所述台阶试样逆时针旋转，旋转角度为60°，则所述第一级台阶至所述第十级台阶与水平方向的倾斜角度依次为90°、87°、84°、81°、78°、75°、72°、69°、66°和63°。
7.根据权利要求4或5所述的单晶铸件显微疏松形成倾向性的评价装置，其特征在于：在由十级台阶组成的台阶试样上，自所述第一级台阶开始至少切掉一级台阶和/或自所述第十级台阶开始至少切掉一级台阶，形成台阶级数小于十级的台阶试样。
8.根据权利要求7所述的单晶铸件显微疏松形成倾向性的评价装置，其特征在于：将由十级台阶组成的台阶试样、具有旋转角度的台阶试样、台阶级数小于十级的台阶试样进行不同形式的组合连接，形成组合式的台阶试样。
9.根据权利要求8所述的单晶铸件显微疏松形成倾向性的评价装置，其特征在于：所述组合式的台阶试样由第一段台阶试样和第二段台阶试样连接而成，所述第一段台阶试样的底端与所述籽晶连接，所述第一段台阶试样的顶端与所述第二段台阶试样的底端连接，所述第二段台阶试样的顶端与所述横浇道连接；所述第一段台阶试样的形式为，将由十级台阶组成的台阶试样逆时针旋转18°后，自第十级台阶开始依次切掉第十级台阶、第九级台阶和第八级台阶；所述第二段台阶试样的形式为，在由十级台阶组成的台阶试样上切掉第一级台阶；所述组合式的台阶试样形成十六级台阶，每一级台阶与水平方向的倾斜角度分别为48°、45°、42°、39°、36°、33°、30°、27°、24°、21°、18°、15°、12°、9°、6°、3°。
10.一种单晶铸件显微疏松形成倾向性的评价方法，其特征在于：使用权利要求1-9中任一项所述的单晶铸件显微疏松形成倾向性的评价装置，按照先后顺序包括以下步骤，
步骤一：根据设计要求采用压蜡方法压制底盘、浇冒口、横浇道和台阶试样；
步骤二：根据所设计的评价装置的结构将浇冒口、横浇道、台阶试样和籽晶连接在一起，并将多个结构相同的评价装置沿着底盘周向均匀地设置在底盘靠近边缘的位置，组合成模组；
步骤三：待模组组合结束后，采用熔模精密铸造方法制备陶瓷型壳；
步骤四：待陶瓷型壳制备结束后，将陶瓷型壳放入定向凝固炉内，采用定向凝固方法浇注成形，制得具有不同倾斜角度的单晶高温合金台阶试样铸件；
步骤五：采用荧光检测或金相检测方法对单晶高温合金台阶试样铸件上的每一级台阶进行显微疏松检测，并对显微疏松形成倾向性做出评价，进而对单晶高温合金铸件的倾斜角度或表面余量给出合理建议。
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