一种单晶高温合金的选晶方法及单晶高温合金铸件与流程

1.本发明属于单晶高温合金制备技术领域，尤其涉及一种单晶高温合金的选晶方法及单晶高温合金铸件。


背景技术：

2.单晶高温合金叶片是航空发动机和工业燃气轮机中的关键部件，叶片的性能对发动机的推力及效率具有非常关键作用。单晶叶片通常由定向凝固工艺制备，过程为蜡模压制
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组树
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制壳
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脱蜡
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模壳焙烧
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浇注
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去壳获得铸件。其中获得单晶的技术手段是：凝固中通过选晶器起晶并筛选出一个晶粒到达叶片型腔，从而获得单晶叶片铸件。镍基单晶合金的[001]晶向是择优方向，因此通过螺旋选晶器获得的晶粒取向都在[001]附近。
[0003]
单晶叶片具有各向异性，在[001]方向具有最优的力学性能，因此在单晶叶片的定向凝固中，希望叶片取向与[001]方向的偏离尽可能小，现行行业标准要求偏离度＜15
°
。由于起晶段存在取向偏离较大的表面影响区，通过现有螺旋选晶器筛选的单晶叶片，晶体取向偏离平均值通常为7～9
°
，且离散度较大，出现＞10
°
的概率超过10％，其中＞15
°
导致报废的概率约为3％，较大的取向偏离导致叶片性能降低，大角度的取向偏离也导致叶片性能一致性的降低。
[0004]
综上，有必要对现有的选晶方法进行改进。


技术实现要素：

[0005]
本发明的主要目的在于提供一种单晶高温合金的选晶方法及单晶高温合金铸件，旨在有效减小单晶高温合金的取向偏离，提高单晶高温合金的性能。
[0006]
为此，本发明实施例一方面提供的单晶高温合金选晶方法，将选晶器的起晶段和螺旋选晶段偏心连接，使得定向凝固过程中，起晶段芯部取向较小的晶粒从螺旋选晶段的底部偏向螺旋选晶段的起始延伸方向一侧进入螺旋选晶段内，从而获得生长优势，淘汰起晶段外侧取向偏离较大的晶粒，以此获得取向偏离较小的单晶高温合金铸件。
[0007]
具体的，所述螺旋选晶段的下端与所述起晶段的上端面连接，所述起晶段的上端面的中心位于所述螺旋选晶段与所述起晶段的结合面上，且偏离所述螺旋选晶段的中心轨迹线靠所述螺旋选晶段的内侧设置。
[0008]
具体的，所述结合面分为中心区域和环绕所述中心区域设置的外侧区域，所述起晶段的上端面的中心在所述结合面上靠近所述螺旋选晶段的起始延伸方向一侧设置，且位于所述外侧区域上。
[0009]
具体的，所述起晶段呈圆柱形。
[0010]
具体的，所述起晶段的直径控制在12～15mm，高度控制在25～35mm。
[0011]
具体的，所述螺旋选晶段的内径控制在5～10mm,外径控制在15～25mm，高度控制在25～35mm。
[0012]
具体的，所述螺旋选晶段包括螺旋状部分以及设置在所述螺旋状部分的两端用于
连接所述起晶段和铸件的直线部分，所述直线部分的延伸方向与所述螺旋选晶段的中心轴线平行。
[0013]
具体的，定向凝固过程中，定向凝固炉内上加热区和下加热区的温度均保持在1490～1600℃，拉速控制在1.5～5mm/min。
[0014]
本发明实施例另一方面提供的单晶高温合金铸件，采用上述选晶方法获得。
[0015]
具体的，所述单晶高温合金铸件为单晶叶片。
[0016]
原理及优势
[0017]
本发明方法基于利用柱状晶竞争生长的思想，通过将选晶器的起晶段和螺旋选晶段偏心连接，使得定向凝固过程中，使起晶段芯部取向较小的晶粒从螺旋选晶段的底部偏向螺旋选晶段的起始延伸方向一侧进入螺旋选晶段内，从而获得生长优势，淘汰起晶段外侧取向偏离较大的晶粒，并通过螺旋进入叶片型腔，获得取向偏离较小的单晶高温合金铸件。
[0018]
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：只需对选晶器的起晶段和螺旋选晶段的连接位置作出调整，使得起晶段芯部晶粒取向偏离度小的晶粒引入螺旋选晶段后获得最佳的生长位置，即可达到减小晶体取向偏离，提高单晶高温合金合格率的目的，无需对原有选晶器结构作出过多的改动，而且可以采用原有选晶工艺，具有可操作性强，操作工艺简单的优点。
附图说明
[0019]
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。
[0020]
图1是本发明实施例涉及的选晶器结构示意图；
[0021]
图2是本发明实施例涉及的选晶器俯视示意图；
[0022]
图3是实施例1与传统选晶方法制备的单晶叶片的取向统计图；
[0023]
其中；1、起晶段；2、螺旋选晶段；201、螺旋状部分；202、直线部分；3、结合面；301、中心区域；302、外侧区域；4、中心轨迹线；5、起始延伸方向。
具体实施方式
[0024]
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。
[0025]
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。
[0026]
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。
[0027]
参见图1和图2，一种单晶高温合金选晶方法，基于利用柱状晶竞争生长的思想，将选晶器的起晶段和螺旋选晶段2偏心连接，使得定向凝固过程中，起晶段芯部取向较小的晶粒从螺旋选晶段2的底部偏向螺旋选晶段2的起始延伸方向5(图中直线箭头指向方向)一侧进入螺旋选晶段2内，从而获得生长优势，淘汰起晶段外侧取向偏离较大的晶粒，以此获得取向偏离较小的单晶高温合金铸件。
[0028]
其中，所谓偏心连接是指起晶段1的上端面的中心偏离螺旋选晶段2的中心轨迹线4，而为实现起晶段芯部取向较小的晶粒从螺旋选晶段2的底部偏向螺旋选晶段2的起始延伸方向5一侧进入螺旋选晶段2内，在将螺旋选晶段2的下端与起晶段1的上端面连接时，需要保证起晶段1的上端面的中心o2位于螺旋选晶段2与起晶段1的结合面3上，且偏向螺旋选晶段2的起始延伸方向5一侧设置。
[0029]
参见图2，具体的，螺旋选晶段2的下端与起晶段1的上端面连接，起晶段1的上端面的中心位于螺旋选晶段2与起晶段1的结合面3上，且偏离螺旋选晶段2的中心轨迹线4靠螺旋选晶段2的内侧(图中弯曲箭头指向方向)设置，结合面3分为中心区域301和环绕中心区域301设置的外侧区域302，中心区域301的中心为o1，起晶段1的上端面的中心位于外侧区域302上。
[0030]
上述结构的选晶器具有的优点在于：使得起晶段1芯部晶粒取向偏离度小的晶粒进入螺旋选晶段2后，在螺旋选晶段2上的螺旋形通孔内向上生长，由于更偏向螺旋形通孔的内侧，因此生长距离短，具有最大的生长优势，因此具有更大的概率通过螺旋，进入铸件型腔，形成单晶高温合金铸件。
[0031]
参见图1，具体的，起晶段1呈圆柱形，螺旋选晶段2的形状呈中心螺旋状，螺旋选晶段2包括螺旋状部分201和平行设置在螺旋状部分201两端的直线部分202；其中，两个直线部分202分别用于连接起晶段与铸件，直线部分202的延伸方向以及螺旋选晶段2的中心轴线01‑01
均与圆柱形的起晶段1的中心轴线02‑02
平行。
[0032]
在另一些可能实施的方案中，起晶段1的直径控制在12～15mm，高度控制在25～35mm，上述设计的优点在于，该尺寸的起晶段1可以在芯部获得取向偏离较小的柱状晶组织.
[0033]
需要解释说明的是，在实际应用中，螺旋选晶段2的内径(内直径)控制在5～10mm,外径(外直径)控制在15～25mm，高度控制在25～35mm比较合适。这是因为该尺寸的螺旋螺旋选晶段2可以高效的对进入螺旋段的柱状晶进行筛选，筛选出其中一个晶粒，形成诸如单晶叶片等单晶高温合金铸件。
[0034]
在另一些可能实施的方案中，定向凝固过程中，定向凝固炉内上加热区和下加热区的温度均保持在1490～1600℃，拉速控制在1.5～5mm/min。该条件下进行定向凝固时，可以在选晶器起晶段建立较高的温度梯度，并在芯部形成取向偏离较小的等轴晶束，进入螺旋段的晶粒具有较低的取向偏离，因此最终可获得取向偏离较小的单晶高温合金铸件。
[0035]
以下将结合具体的实施例对本技术方案作进行说明。
[0036]
实施例1
[0037]
本实施例采用镍基单晶高温合金dd5作为母合金，合金成分如表1所示。
[0038]
表1合金元素重量百分比
[0039][0040]
本实施例以航空发动机用单晶叶片为例，选用上述结构的选晶器，起晶段尺寸：螺旋尺寸：内径8.5mm，外径18.5mm，高30mm，螺旋逆时针向上，通过组模将选晶器连接在叶片蜡模上，并组装成模组，一个模组组装15个叶片，通过6次沾浆、淋砂，形成陶瓷模壳，随后脱蜡后烧结制成陶瓷模壳。在bridgman定向凝固炉内进行单晶叶片定向凝固，使起晶段芯部取向较小的晶粒从螺旋选晶段的底部偏向螺旋选晶段的起始延伸方向一侧进入螺旋选晶段内，并使起晶段芯部取向较小的晶粒更偏向螺旋形通孔的内侧，上区加热温度为1500℃，下区加热温度为1500℃，拉速为3mm/min。浇注三个模组，去壳后对获得的单晶叶片进行取向测试，结果如图3中所示(图中表示为新型)，平均值为5.5
°
，取向偏离＞10
°
的叶片比例为6％，其中＞15
°
的叶片比例为0％。同样条件下，选用常规同心选晶器(图中表示为传统)的模组进行浇注，平均值为7.1
°
，取向偏离＞10
°
的叶片比例为18％，其中＞15
°
的叶片比例为4％。
[0041]
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。
[0042]
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)。
[0043]
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。
[0044]
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。