CN113916720A - 一种单晶高温合金雀斑形成倾向预测方法 - Google Patents

一种单晶高温合金雀斑形成倾向预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种简单有效的单晶高温合金雀斑形成倾向预测方法，利用该方法可准确预测雀斑缺陷形成倾向，具体步骤为：1)、测量单晶高温合金定向凝固后枝晶间成分；2)、计算母合金熔体及枝晶间区域成分合金随温度变化的密度差；3)、测量单晶高温合金凝固温度区间；4)、确定合金凝固液相线温度到1500℃范围内密度差值的平均值；5)、采用步骤4)得到的密度差值的平均值预测雀斑形成倾向，密度差值的平均值越大，则形成雀斑倾向越大，反之亦然。本发明所述方法解决了现有技术中无法准确预测不同成分单晶高温合金的本征雀斑形成倾向的问题。

Description

一种单晶高温合金雀斑形成倾向预测方法
技术领域
本发明属于高温合金领域，特别属于单晶高温合金叶片凝固缺陷控制技术领域。
背景技术
镍基单晶高温合金由于去除了横向晶界，因此，具有良好的室温力学性能、高温力学性能、优异的抗疲劳性能及抗氧化性能等，广泛应用于制造航空发动机及地面燃气轮机中热端关键部件。单晶合金组成成分比较复杂，组成元素十多种，除W、Mo、Ta、Re等难溶元素外，还含有一定Al和Ti等。随着合金高温性能的提高，特别是在高代次单晶高温合金中，难熔元素Re、W等的添加量也明显提高。单晶部件定向凝固过程中，W和Re高密度元素富集于枝晶干部位，而Al和Ti低密度元素则富集在枝晶间区域，导致该区域密度下降，而凝固糊状区上方的熔体密度则明显高于枝晶间区域密度。在重力的作用下，这种上重下轻的密度反差易导致隧道式热溶质对流，当流动强度达到一定程度时可造成枝晶臂折断，最终形成与定向凝固方向近似一致的细碎晶粒组成的雀斑缺陷。雀斑缺陷的形成会破坏热端部件的单晶结构，使蠕变性能变差，导致部件废品率的上升及制造成本的提高。
因此，在设计单晶高温合金时，如何有效预判单晶高温合金部件中雀斑形成倾向得到了人们广泛重视。目前，人们多采用雷诺数判据法、枝晶间距值、凝固温度区间及室温测定的合金溶质与熔体密度差等方法预判雀斑的形成倾向，但相关判据仍存在局限性及准确性问题，尚无法准确预测不同成分单晶高温合金的本征雀斑形成倾向。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种简单有效的单晶高温合金雀斑形成倾向预测方法，利用该方法可准确预测雀斑缺陷形成倾向。
本发明技术方案如下：
一种单晶高温合金雀斑形成倾向预测方法，其特征在于，具体步骤如下：
1)、测量单晶高温合金定向凝固后枝晶间成分；
2)、计算母合金熔体及枝晶间区域成分合金随温度变化的密度差；
3)、测量单晶高温合金凝固温度区间；
4)、确定凝固前沿合金凝固液相线温度至1500℃范围内密度差值的平均值；
5)、采用步骤4)得到的密度差值的平均值预测雀斑形成倾向，密度差值的平均值越大，则形成雀斑倾向越大，反之亦然。
本发明所用单晶高温合金试棒的直径为15-20毫米，长度为300-320毫米，单晶高温合金试棒的根数为6-10根，计算雀斑长度时，取所有试棒雀斑长度的平均值。
作为优选的技术方案：
步骤1)中，采用电子探针测量单晶高温合金定向凝固后枝晶间成分，截面测量点至少为10个，最终枝晶间成分取所有截面及所有点的平均值；
在不同试棒的同一高度位置选取测量横截面，测量横截面优选位于试棒中间高度位置，最优选为距试棒顶端150-160毫米之间。
步骤2)中，采用JMatPro软件计算母合金熔体及枝晶间成分合金随温度(可选择合金凝固液相线温度到1500℃范围内)变化的密度差。
步骤3)中，采用差示扫描量热仪(DSC)测量合金凝固温度区间，升温速率为5-10K/min。
本发明所述单晶高温合金定向凝固工艺为：保温炉温度1480-1520℃，浇注温度1480-1520℃，抽拉速度3-6mm/min。
本发明所述预测方法特别适合于Ni基单晶高温合金，例如：DD413、DD6、DD33、PWA1483、CMSX-4、MC2、DD32、CMSX-6、TMS-138等单晶高温合金。
本发明利用不同单晶高温合金定向凝固过程中枝晶间成分偏析特点不同，精准测量单晶高温合金枝晶间区域成分，计算母合金熔体及枝晶间成分合金随温度变化的密度差，采用合金凝固液相线温度到1500℃范围内的稳定密度差值(即该范围内密度差值的平均值)代表糊状区内的热溶质对流强度，密度差平均值越大，则形成雀斑倾向越大，反之亦然。该方法解决了现有技术中无法准确预测不同成分单晶高温合金的本征雀斑形成倾向的问题。
附图说明
图1实施例1母合金熔体及枝晶间成分随温度变化的密度差；
图2实施例2母合金熔体及枝晶间成分随温度变化的密度差；
图3实施例3母合金熔体及枝晶间成分随温度变化的密度差；
图4实施例4母合金熔体及枝晶间成分随温度变化的密度差。
图5不同合金枝晶间成分随温度变化的密度差值的平均值与雀斑平均长度关系。
具体实施方式
实施例1：
单晶合金为第三代单晶高温合金DD33，母合金成分为Cr3.8Co94Mo1.3W10Ta3.5Al5Re2Nb1，余量为Ni(质量百分比)。单晶试棒直径为16毫米，长度为300毫米，试棒数量6根；定向凝固工艺为：保温炉温度1520℃，浇注温度1520℃，抽拉速度3mm/min。
1)、采用电子探针精准测量单晶枝晶间成分，测量截面位置为单晶试棒中间高度位置(距试棒顶端155毫米处)，测量点为10个，最终枝晶间成分取平均值，见表1；
2)、采用JMatPro软件计算母合金熔体及枝晶间成分合金随温度变化的密度差，见图1；
3)、采用差示扫描量热仪(DSC)测量合金凝固温度区间，升温速率为10K/min，温度区间为1331-1405℃；
4)、合金凝固液相线温度(1405℃)到1500℃范围内密度差值的平均值为0.16g/cm3，雀斑长度平均值为27mm，形成雀斑倾向较强。
实施例2：
单晶合金为第一代单晶高温合金DD413，母合金成分为Cr12Co9Mo2W4Ta5Al4，余量为Ni(质量百分比)。单晶试棒直径为16毫米，长度为300毫米，试棒数量6根；定向凝固工艺为：保温炉温度1480℃，浇注温度1520℃，抽拉速度3mm/min。
1)、采用电子探针精准测量单晶枝晶间成分，测量截面位置为单晶试棒中间高度位置(距试棒顶端155毫米处)，测量点为10个，最终枝晶间成分取平均值；
2)、采用JMatPro软件计算母合金熔体及枝晶间成分合金随温度变化的密度差，见图2；
3)、采用差示扫描量热仪(DSC)测量合金凝固温度区间，升温速率为10K/min，测量的凝固温度区间为1255-1333℃；
4)、合金凝固液相线温度(1333℃)到1500℃范围内密度差值的平均值为0.062g/cm3，雀斑长度平均值为5mm，形成雀斑倾向较弱。
实施例3：
单晶合金为***单晶高温合金TMS-138，母合金成分为Cr3Co8Mo1.51W5.5Ta8Al6Re5Ru3，余量为Ni(质量百分比)。单晶试棒直径为16毫米，长度为300毫米，试棒数量6根；定向凝固工艺为：保温炉温度1500℃，浇注温度1520℃，抽拉速度3mm/min。
1)、采用电子探针精准测量单晶枝晶间成分，测量截面为单晶试棒中间高度位置(距试棒顶端155毫米处)，测量点为10个，最终枝晶间成分取平均值；
2)、采用JMatPro软件计算母合金熔体及枝晶间成分合金随温度变化的密度差，见图3；
3)、采用差示扫描量热仪(DSC)测量合金凝固温度区间，升温速率为10K/min，测量的凝固温度区间为1340-1410℃；
4)、合金凝固液相线温度(1410℃)到1500℃范围内密度差值的平均值为0.127g/cm3，雀斑长度平均值为32mm，形成雀斑倾向强。
实施例4：
单晶合金为第二代单晶高温合金MC2，母合金成分为Cr8Co9.5Mo1.5W8Ta4Al5，余量为Ni(质量百分比)。单晶试棒直径为16毫米，长度为300毫米，试棒数量6根；定向凝固工艺为：保温炉温度1500℃，浇注温度1500℃，抽拉速度3mm/min。
1)、采用电子探针精准测量单晶枝晶间成分，测量截面位置为单晶试棒中间高度位置(距试棒顶端155毫米处)，测量点为10个，最终枝晶间成分取平均值；
2)、采用JMatPro软件计算母合金熔体及枝晶间成分合金随温度变化的密度差，见图4；
3)、采用差示扫描量热仪(DSC)测量合金凝固温度区间，升温速率为10K/min，测量的凝固温度区间为1260-1350℃；
4)、合金凝固液相线温度(1350℃)到1500℃范围内密度差值的平均值为0.35g/cm3，雀斑长度平均值为70mm，形成雀斑倾向很强。
实施例中，不同合金枝晶间成分随温度变化的密度差与雀斑长度平均值关系见图5。
表1 DD33合金枝晶间成分(质量％)
成分 Al Cr Ni Mo Ta W Re Co
枝晶间1 6.595 3.397 62.836 1.738 9.822 3.788 2.194 9.371
枝晶间2 6.036 4.126 63.776 2.288 10.18 3.69 1.68 8.223
枝晶间3 6.133 4.2 61.706 2.216 10.159 4.015 2.024 9.549
枝晶间4 6.735 3.654 62.154 1.73 9.37 4.117 2.586 9.654
枝晶间5 6.098 4.007 62.685 2.237 10.239 4.008 1.78 8.945
枝晶间6 6.301 3.462 64.722 1.377 8.375 4.732 2.084 8.948
枝晶间7 6.189 3.524 65.168 1.305 7.313 5.068 2.128 9.305
枝晶间8 6.157 3.563 64.715 1.51 7.879 4.824 2.127 9.225
枝晶间9 6.544 3.169 65.177 1.557 9.668 3.82 1.529 8.536
枝晶间10 6.644 3.108 65.402 1.168 9.719 4.098 1.127 8.733
平均值 6.3432 3.621 63.8341 1.7126 9.2724 4.216 1.9259 9.0489
本发明未尽事宜为公知技术。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种单晶高温合金雀斑形成倾向预测方法，其特征在于，具体步骤如下：
1)、测量单晶高温合金定向凝固后枝晶间成分；
2)、计算母合金熔体及枝晶间区域成分合金随温度变化的密度差；
3)、测量单晶高温合金凝固温度区间；
4)、确定凝固前沿合金凝固液相线温度至1500℃范围内密度差值的平均值；
5)、采用步骤4)得到的密度差值的平均值预测雀斑形成倾向，密度差值的平均值越大，则形成雀斑倾向越大，反之亦然。
2.按照权利要求1所述单晶高温合金雀斑形成倾向预测方法，其特征在于：所用单晶高温合金试棒的根数为6-10根，直径为15-20毫米，长度为300-320毫米。
3.按照权利要求1所述单晶高温合金雀斑形成倾向预测方法，其特征在于：步骤1)中，采用电子探针测量单晶高温合金定向凝固后枝晶间成分，截面测量点至少为10个，最终枝晶间成分取所有截面及所有点的平均值。
4.按照权利要求1所述单晶高温合金雀斑形成倾向预测方法，其特征在于：步骤1)中，在试棒同一高度位置选取测量横截面。
5.按照权利要求3或4所述单晶高温合金雀斑形成倾向预测方法，其特征在于：步骤1)中，测量横截面位于试棒中间高度位置。
6.按照权利要求1所述单晶高温合金雀斑形成倾向预测方法，其特征在于：步骤2)中，采用JMatPro软件计算母合金熔体及枝晶间成分合金随温度变化的密度差。
7.按照权利要求1所述单晶高温合金雀斑形成倾向预测方法，其特征在于：步骤3)中，采用差示扫描量热仪测量合金凝固温度区间，升温速率为5-10K/min。
8.按照权利要求1所述单晶高温合金雀斑形成倾向预测方法，其特征在于：所述单晶高温合金定向凝固工艺为：保温炉温度1480-1520℃，浇注温度1480-1520℃，抽拉速度3-6mm/min。
9.按照权利要求1所述单晶高温合金雀斑形成倾向预测方法，其特征在于：所述合金为DD413、DD6、DD33、PWA1483、CMSX-4、MC2、DD32、CMSX-6、TMS-138。
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