CN116926663A - 利用圆台型籽晶制备航机或燃机单晶叶片的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用圆台型籽晶制备航机或燃机单晶叶片的方法，属于航机或燃机单晶叶片制备技术领域。该方法中籽晶以及籽晶空腔均为圆台型，母线与轴线夹角为3‑10°，上端面的直径为16‑12mm。在圆台型籽晶空腔的上部存在直径为3‑8mm的颈缩，高度为5‑10mm，用于辅助选晶。单晶制备之前将圆台型籽晶***籽晶空腔，使其紧密配合。定向凝固时，通过保温加热，使籽晶部分融化，后浇注的合金以未溶化籽晶为基底，以外延生长方式，通过枝晶生长、扩展向上连续生长，从而完成整个单晶叶片的生长。后生长的单晶叶片继承圆台籽晶的晶体取向。
Description
技术领域
本发明涉及航机或燃机单晶叶片制备技术领域，具体涉及一种利用圆台型籽晶制备航机或燃机单晶叶片的方法。
背景技术
航空发动机与燃气轮机用单晶叶片的<001>取向具有优异的综合力学性能，一般单晶叶片的技术验收规范要求一次枝晶的<001>取向偏离叶片轴线＜15°。而通常使用的螺旋选晶法，单晶铸件的取向报废率一般在10％左右，严重影响叶片的合格率和制造成本。另外，为了研究不同取向的单晶材料的力学性能，或者提高叶片特定部位的力学性能，也需要制备其他取向(<110>、<111>或者其他特定取向)的单晶铸件。籽晶法是制备特定取向单晶叶片的有效方法。
但是传统的籽晶法在实施过程中存在很多问题，主要有以下几方面：
1、通常采用的圆柱形籽晶与籽晶空腔很难紧密的贴合，导致籽晶与空腔之间存在缝隙(图1-2)。合金浇注后，会在缝隙中间激冷形成等轴晶，等轴晶长大后容易在籽晶周围形成杂晶，杂晶可以生长进入叶片，导致叶片报废。
2、预埋法可以解决上述问题，但是将籽晶预先埋在型壳内，会带来脱蜡困难导致涨壳裂纹；在后续的烧壳过程中，籽晶表面也会发生严重的氧化现象，在籽晶上端面形成氧化膜，导致无法正常延续籽晶取向生长。
3、籽晶上端面的颈缩过大或者没有颈缩时，也会导致籽晶周围的杂晶进入单晶叶片导致叶片报废。
发明内容
为克服传统籽晶法制备单晶叶片铸件存在的上述不足之处，本发明的目的在于提供一种利用圆台型籽晶制备航机或燃机单晶叶片的方法，该方法既可有效避免杂晶的产生，又可以通过上部的适当尺寸的颈缩进一步提高籽晶的存活率，还可以有效地避免籽晶的氧化。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种利用圆台型籽晶制备航机或燃机单晶叶片的方法，该方法是采用籽晶法制备航机或燃机单晶叶片，其中：型壳底部设置圆台型籽晶空腔，并将圆台型籽晶放入圆台型籽晶空腔中，在定向凝固过程中，圆台型籽晶上段(直径小的一端)部分熔化，熔化部分为籽晶总高度的1/5-4/5，后浇注的合金以外延生长方式，通过枝晶生长、扩展，向上连续生长，从而完成整个单晶叶片的生长。
所述圆台型籽晶空腔的上端(直径小的一端)连接圆筒状颈缩部分(二级引晶段)，颈缩部分直径为3-8mm、高度为5-10mm，用于辅助选晶。可以根据单晶叶片的大小选择颈缩部分直径，用来提高型壳制备时的强度。
所述籽晶以及籽晶空腔均为圆台型，两者的母线与高的夹角θ相同，夹角θ范围为3-10°。
所述籽晶上端面直径为16-12mm，籽晶上端面直径大于下端面直径。
所述籽晶空腔高度为H＝30-40mm，籽晶高度为h＝25-35mm，并且H≥h。
进一步地，采用籽晶法制备航机或燃机单晶叶片过程中，在制备完带有圆台型籽晶空腔的型壳后，将圆台型籽晶放入圆台型籽晶空腔中，而不是在蜡模、型壳制备前期植入籽晶(预埋法)；籽晶与籽晶空腔的母线与高的夹角θ相同，可以保证两者之间的紧密配合；该方法既可以解决籽晶周围的激冷晶问题，又可以避免预埋籽晶带来的氧化问题。
本发明的优点和有益效果如下：
1、本发明在定向凝固前，将具有相同斜度且高度略小的圆台型籽晶置入型壳的籽晶空腔中。定向凝固过程中，通过采用适当的保温炉温度，使圆台型籽晶上端熔化一定高度，后浇注的合金以外延生长方式，通过枝晶生长与扩展向上连续生长，从而完成整个单晶叶片的生长，该方法可有效避免杂晶的产生。
2、本发明圆台型籽晶上端面带有特定结构的颈缩结构，可以进步提高籽晶的成功率等。
3、本发明圆台型籽晶以及籽晶空腔的母线与轴线具有3-10°夹角，且上端面直径为16-12mm，可以保证籽晶与空腔的紧密结合。
4、本发明圆台型籽晶与籽晶空腔高度不同，籽晶空腔高度为H＝30-40mm，籽晶高度为h＝25-35mm，并且H≥h，可以保证籽晶置入空腔后不会高于型壳的底边平面，防止在急冷盘上固定型壳造成干涉。
附图说明
图1为现有技术中的籽晶法起晶段结构示意图。
图2为现有技术中的籽晶法起晶段结构示意图。
图3为本发明中的籽晶法起晶段结构示意图。
图4为本发明实施例1所制备单晶叶片的蜡模和浇注后的铸件；其中：(a)蜡模；(b)铸件。
图5为籽晶取向与单晶叶片取向的EBSD结果；其中：(a)单晶叶片；(b)籽晶。
具体实施方式
以下结合附图与实施例详述本发明。
本发明为利用圆台型籽晶制备航机或燃机单晶叶片的方法，该方法是采用籽晶法制备航机或燃机单晶叶片，如图3所示，型壳底部设置圆台型籽晶空腔，并将圆台型籽晶放入圆台型籽晶空腔中，籽晶空腔上端具有一定尺寸的颈缩，定向凝固过程中，单晶生长起始于台体型籽晶上端已经熔化界面，以外延生长方式，通过枝晶生长与扩展向上连续生长，从而完成整个单晶叶片的生长。
优选地，圆台型籽晶上部颈缩部分直径为3-8mm、高度为5-10mm，颈缩可以辅助进行选晶。
圆台型籽晶空腔与圆台型籽晶，两者的母线与高的夹角θ相同，夹角θ范围为3-10°，以保证两者之间的紧密结合。所述籽晶上端面直径为16-12mm，籽晶上端面直径大于下端面直径。所述籽晶空腔高度为H＝30-40mm，籽晶高度为h＝25-35mm，并且H≥h。籽晶高度小于籽晶空腔高度，可以保证后浇注的合金充分进入籽晶空腔。籽晶高度可以保证籽晶的充分熔化。后浇注的合金以未熔化的籽晶为基底，外延生长充满叶片形成完成单晶。
实施例1：
本实施例选取第一代单晶高温合金DD426在大型半连续LMC定向凝固设备中通过籽晶法制备航空发动机用单晶叶片，选用母线与轴线夹角θ为3°的圆台型籽晶空腔，籽晶的一次取向均为[001]晶向。
1.制备夹角θ为3°、高度为35mm、小端直径为12.5mm的单晶试棒模具。每支试棒长度为220mm，包含6个圆台型籽晶。制备选晶法的陶瓷型壳后，进行定向凝固实验(HRS或者LMC工艺)。浇注后测试单晶试棒取向，选取<001>取向偏离＜10°的单晶试棒。将单晶试棒进行线切割，获得35mm的圆台型籽晶。
2.制备母线与轴线夹角θ为3°、高度为40mm、小端直径为12.5mm、颈缩为直径为3-8mm/高度为5-10mm的圆台型籽晶空腔模具。在颈缩的上部焊接单晶叶片蜡模，进行型壳制备。制备的型壳进行脱蜡，烧壳、清洗后备用。
3.将切取的籽晶放入带有圆台型籽晶空腔的型壳中，使籽晶与籽晶空腔紧密配合。进行定向凝固，在定向凝固过程中，控制圆台型籽晶上段(直径小的一端)部分熔化，熔化部分为籽晶总高度的1/5-4/5；
4.在大型半连续LMC定向凝固设备进行浇注，后浇注的合金以未熔化的籽晶为基底，外延生长充满叶片形成完成单晶。浇注后清理型壳。本实施例所制备单晶叶片的蜡模和浇注后的铸件如图4；经测试得到取向与籽晶取向一致的单晶叶片(EBSD结果)，如图5所示。
5、利用本实施例籽晶法，多批次叶片晶体取向的合格率统计结果分别为：97.7％，97％，97.9％，95％，100％。
Claims (7)
1.一种利用圆台型籽晶制备航机或燃机单晶叶片的方法，其特征在于：该方法是采用籽晶法制备航机或燃机单晶叶片，其中：型壳底部设有圆台型籽晶空腔，并将圆台型籽晶放入圆台型籽晶空腔中，在定向凝固过程中，圆台型籽晶上段部分熔化，熔化部分为籽晶总高度的1/5-4/5，后浇注的合金以外延生长方式，通过枝晶生长、扩展，向上连续生长，从而完成整个单晶叶片的生长。
2.根据权利要求1所述的利用圆台型籽晶制备航机或燃机单晶叶片的方法，其特征在于：所述圆台型籽晶空腔的上端(直径小的一端)连接圆柱状颈缩部分，颈缩部分直径为3-8mm、高度为5-10mm，用于辅助选晶。
3.根据权利要求2所述的利用圆台型籽晶制备航机或燃机单晶叶片的方法，其特征在于：可以根据单晶叶片的大小选择颈缩部分直径，用来提高型壳制备时的强度。
4.根据权利要求1所述的利用圆台型籽晶制备航机或燃机单晶叶片的方法，其特征在于：所述籽晶以及籽晶空腔均为圆台型，两者的母线与高的夹角θ相同，夹角θ范围为3-10°。
5.根据权利要求1或4所述的利用圆台型籽晶制备航机或燃机单晶叶片的方法，其特征在于：所述籽晶上端面直径为16-12mm，籽晶上端面直径大于下端面直径。
6.根据权利要求1或4所述的利用圆台型籽晶制备航机或燃机单晶叶片的方法，其特征在于：所述籽晶空腔高度为H＝30-40mm，籽晶高度为h＝25-35mm，并且H≥h。
7.根据权利要求1所述的利用圆台型籽晶制备航机或燃机单晶叶片的方法，其特征在于：采用籽晶法制备航机或燃机单晶叶片过程中，在制备完带有圆台型籽晶空腔的型壳后，将圆台型籽晶放入圆台型籽晶空腔中，而不是在蜡模、型壳制备前期植入籽晶(预埋法)；籽晶与籽晶空腔的母线与高的夹角θ相同，可以保证两者之间的紧密配合。
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