CN113976864A - 一种采用气膜法减少叶片杂晶产生的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种采用气膜法减少叶片杂晶产生的装置,包括水冷盘、置于所述水冷盘上的籽晶模壳以及设于所述籽晶模壳内的籽晶,所述籽晶上表面与所述籽晶模壳顶部内壁之间留有一空腔,所述籽晶模壳顶部连通有螺旋段,所述螺旋段与所述空腔连通;所述水冷盘内开设有第一气流通道,所述籽晶中开设有第二气流通道,所述第二气流通道一端与所述第一气流通道连通,另一端与所述空腔连通;其可在在籽晶表面形成一层保护性的气膜保护籽晶表面,有效避免表面产生沉积物,从而减少夹杂或杂晶产生。

Description

一种采用气膜法减少叶片杂晶产生的装置及方法
技术领域
本发明涉及单晶高温合金技术领域,具体而言,涉及一种采用气膜法减少叶片杂晶产生的装置及方法。
背景技术
单晶高温合金叶片是航空发动机的核心组成部分之一。长期工作在高温、高压、复杂应力情况、高温燃气冲蚀的环境中。因此,航空发动机叶片对材料有着苛刻要求,而镍基单晶高温合金是目前较为常见的高温合金叶片材料,其制备方法通常采用定向凝固的方式。定向凝固的浇铸方式将模组底部置于水冷盘上(或液态金属中),与在加热带中的模组上部形成纵向温度梯度,通过牵引的方式将模组拉出加热带热区,达到使模组中铸件晶粒自下而上顺序凝固的目的。
目前,制备单晶叶片的方式主要分为两种,一种是由底部添加启晶器和螺旋选晶器,通过定向凝固过程过滤掉杂晶,选出靠近<001>方向的单晶组织,称为“选晶法”;另一种是通过预制出<001>取向的籽晶,置于底座上,随后浇入的金属液在凝固过程中,“复制”籽晶的取向而生长为单晶叶片,即“籽晶法”。选晶法工艺相对简单,在工业中得到广泛应用,但由于是晶粒自然竞争生长的结果,无法精确控制单晶叶片的三维取向。籽晶法克服了这一缺点,对于叶片横向的取向也能得到有效控制。然而,在实际生产中,籽晶表面由于各种因素容易产生杂晶,因此一般采用籽晶法和选晶法相结合的方式。
预制的籽晶放入籽晶模壳底部,与螺旋段相连,螺旋段另一端再连接叶片,与炉内气氛联通。然而,在籽晶模壳的升温及保温过程中,炉内高温气氛、籽晶模壳中微量成分会沉积到水冷盘、籽晶模壳底板以及籽晶的表面上。在籽晶表面形成沉积层,沉积层的存在阻隔了籽晶与金属液的接触,严重干扰了金属液复制籽晶取向的生长过程,容易产生小角度晶界及杂晶,造成选晶失败或者最终选出不符合技术要求的单晶组织,叶片出现夹杂或杂晶缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用气膜法减少叶片杂晶产生的装置及方法,其可在在籽晶表面形成一层保护性的气膜保护籽晶表面,有效避免表面产生沉积物,从而减少夹杂或杂晶产生。
本发明的实施例通过以下技术方案实现:
一种采用气膜法减少叶片杂晶产生的装置,包括水冷盘、置于所述水冷盘上的籽晶模壳以及设于所述籽晶模壳内的籽晶,所述籽晶上表面与所述籽晶模壳顶部内壁之间留有一空腔,所述籽晶模壳顶部连通有螺旋段,所述螺旋段与所述空腔连通;所述水冷盘内开设有第一气流通道,所述籽晶中开设有第二气流通道,所述第二气流通道一端与所述第一气流通道连通,另一端与所述空腔连通。
进一步地,所述第二气流通道顶部的出气端周向均匀连通有多个倾斜设置的引流通道,所述引流通道延伸至所述籽晶上表面并形成气孔。
进一步地,所述引流通道设置有3~8个。
进一步地,所述引流通道的内径为0.5~1mm。
进一步地,所述气孔距离籽晶中心1/2r~3/5r。
进一步地,所述空腔的高度占所述籽晶模壳高度的1/6~1/2。
进一步地,所述第一气流通道与所述第二气流通道同轴心设置。
进一步地,所述第二气流通道的内径小于第一气流通道的内径。
进一步地,所述螺旋段呈螺旋设置。
一种采用气膜法减少叶片杂晶产生的方法,包括上述的装置,其包括以下步骤:
S1.籽晶模壳入炉后抽真空,当真空度达到10-4~10-5mbar时,向水冷盘内的第一气流通道以1~10L/min的速度通入惰性气体,惰性气体通过第二气流通道通入空腔内,同时持续抽真空;
S2.继续升温至1200~1500℃后,保温一段时间,在倒入金属液之前关闭惰性气体;
S3.真空度回升至10-4~10-5mbar后,即倒入金属液。
本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果:
本发明由水冷盘的第一气流通道至籽晶表面的气孔通入氩气,在整个模组的升温过程中,氩气在籽晶顶面逸散形成一层保护性的气膜保护籽晶表面,有效避免表面产生沉积物,从而减少夹杂或杂晶产生。且在金属液浇入后,在未接近水冷盘时即迅速地全部凝固,不会流入水冷盘的第一气流通道中堵塞通道。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本发明的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,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相关的附图。
图1为本发明实施例1提供的采用气膜法减少叶片杂晶产生的装置的结构示意图;
图2为本发明实施例1提供的籽晶的俯视图;
图3为本发明实施例1的产品的无沉积层的金相图;
图4是对比例1的产品的有沉积层的金相图。
图标:1-螺旋段,2-空腔,3-籽晶模壳,4-籽晶,5-水冷盘,6-气孔,7-引流通道,8-第二气流通道,9-第一气流通道。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者,按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
一种采用气膜法减少叶片杂晶产生的装置,包括水冷盘5、置于所述水冷盘5上的籽晶模壳3以及设于所述籽晶模壳3内的籽晶4,所述籽晶4上表面与所述籽晶模壳3顶部内壁之间留有一空腔2,所述籽晶模壳3顶部连通有螺旋段1,所述螺旋段1与所述空腔2连通;所述水冷盘5内开设有第一气流通道9,所述籽晶4中开设有第二气流通道8,所述第二气流通道8一端与所述第一气流通道9连通,另一端与所述空腔2连通;较优地,所述第二气流通道8顶部的出气端周向均匀连通有多个倾斜设置的引流通道7,所述引流通道7延伸至所述籽晶4上表面并形成气孔6。具体地,第一气流通道9、第二气流通道8和气孔6可以通过电火花打孔的加工方式预制而成。
由水冷盘5至籽晶4表面的气孔6,通入惰性气体比如氩气,在整个模组的升温过程中,氩气在籽晶4顶面逸散,形成一层气膜保护籽晶4表面,避免表面沉积物,从而减少杂晶产生。金属液浇入后,在靠近水冷盘5时即迅速凝固,不会流入水冷盘5的第一气流通道9中堵塞通道。螺旋段1的设置,使得籽晶4中央位置取向正常复制,通过颈缩段进入螺旋段可进一步地过滤掉杂晶,籽晶4气孔6处即使长出杂晶也不会影响正常的取向复制。
在本实施例中,引流通道7设置有3~8个。
在本实施例中,引流通道7的内径为0.5~1mm。
在本实施例中,籽晶半径为r,气孔6距离籽晶4中心1/2r~3/5r。
在本实施例中,空腔2的高度占籽晶模壳3高度的1/6~1/2,从而使得氩气在空腔2处形成充分的保护性的气膜,利用气膜保护籽晶4表面,有效防止由炉内气氛导致的沉积层产生。
在本实施例中,第一气流通道9与第二气流通道8同轴心设置,这样即可使得氩气更加畅通且快速地进入到空腔2内。
在本实施例中,第二气流通道8的内径小于第一气流通道9的内径,一方面在加工时更加方便,另一方面由于第二气流通道8的内径小,这样即可使得进入第二气流通道8的氩气的流速及压强变大,从而使得进入空腔2中的氩气可快速且稳定地在籽晶4表面逸散形成保护性的气膜,防止沉积层产生。
一种使用上述装置采用气膜法减少叶片杂晶产生的方法,其包括以下步骤:
S1.籽晶模壳入炉后抽真空,当真空度达到10-5mbar时,向水冷盘内的第一气流通道以6 L/min的速度通入惰性气体,惰性气体通过第二气流通道通入空腔内,同时持续抽真空保持气压稳定;
S2.继续升温至1500℃后,保温一段时间,在倒入金属液之前关闭惰性气体;
S3.真空度回升至10-5mbar后,即倒入金属液,完成浇铸并得到叶片。
氩气在籽晶表面逸散形成一层保护性的气膜,有效防止由炉内气氛导致的沉积层产生。在金属液倒入模组中后,籽晶表面发生熔化,金属液随气孔往下流,但在金属液未接近水冷盘时即全部凝固,不会封堵水冷盘处的第一气流通道。本实施例制得的产品的无沉积氧化物的金相图的微观无沉积层示意图,见图3,由图3可知,本发明制得的叶片很好的控制了杂晶的产生。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于:其方法包括以下步骤:
S1.籽晶模壳入炉后抽真空,当真空度达到10-4mbar时,向水冷盘内的第一气流通道以10L/min的速度通入惰性气体,惰性气体通过第二气流通道通入空腔内,同时持续抽真空保持气压稳定;
S2.继续升温至1200℃后,保温一段时间,在倒入金属液之前关闭惰性气体;
S3.真空度回升至10-4mbar后,即倒入金属液,完成浇铸并得到叶片。
对比例1
本对比例与实施例1的区别在于:没有在水冷盘内开设第一气流通道、没有在籽晶内开设第二气流通道。图4是未使用本发明而产生沉积并导致杂晶产生的金相图,由图4可知,本对比例由于没有气膜保护籽晶表面,在籽晶表面会形成沉积层,造成产品表面产生了杂晶产生,且杂晶十分明显。
综上所述,本发明实施例的方法很好的控制了杂晶的产生。通过对比可以得出,本发明的技术方案,成功的抑制了籽晶表面产生沉积层,从而减少由此导致的杂晶情况,其技术优势十分明显,市场推广前景十分广阔。
以上仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种采用气膜法减少叶片杂晶产生的装置,其特征在于:包括水冷盘、置于所述水冷盘上的籽晶模壳以及设于所述籽晶模壳内的籽晶,所述籽晶上表面与所述籽晶模壳顶部内壁之间留有一空腔,所述籽晶模壳顶部连通有螺旋段,所述螺旋段与所述空腔连通;
所述水冷盘内开设有第一气流通道,所述籽晶中开设有第二气流通道,所述第二气流通道一端与所述第一气流通道连通,另一端与所述空腔连通。
2.根据权利要求1所述采用气膜法减少叶片杂晶产生的装置,其特征在于,所述第二气流通道顶部的出气端周向均匀连通有多个倾斜设置的引流通道,所述引流通道延伸至所述籽晶上表面并形成气孔。
3.根据权利要求2所述采用气膜法减少叶片杂晶产生的装置,其特征在于,所述引流通道设置有3~8个。
4.根据权利要求3所述采用气膜法减少叶片杂晶产生的装置,其特征在于,所述引流通道的内径为0.5~1mm。
5.根据权利要求2所述采用气膜法减少叶片杂晶产生的装置,其特征在于,所述气孔距离籽晶中心1/2r~3/5r。
6.根据权利要求1所述采用气膜法减少叶片杂晶产生的装置,其特征在于,所述空腔的高度占所述籽晶模壳高度的1/6~1/2。
7.根据权利要求1所述采用气膜法减少叶片杂晶产生的装置,其特征在于,所述第一气流通道与所述第二气流通道同轴心设置。
8.根据权利要求1所述采用气膜法减少叶片杂晶产生的装置,其特征在于,所述第二气流通道的内径小于第一气流通道的内径。
9.一种采用气膜法减少叶片杂晶产生的方法,其特征在于,使用权利要求1~8任一项所述的装置,其操作方法包括以下步骤:
S1.籽晶模壳入炉后抽真空,当真空度达到10-4~10-5mbar时,向水冷盘内的第一气流通入惰性气体,惰性气体通过第二气流通道通入空腔内,同时持续抽真空;
S2.继续升温至1200~1500℃后,保温一段时间,在倒入金属液之前关闭惰性气体;
S3.真空度回升至10-4~10-5mbar后,即倒入金属液,完成浇铸并得到叶片。
10.根据权利要求9所述采用气膜法减少叶片杂晶产生的方法,其特征在于,S1中以1~10L/min的速度通入惰性气体。
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