CN109940131A - 一种降低单晶高温合金叶片榫头内部疏松缺陷形成的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高温合金单晶叶片制备技术领域，具体为一种降低单晶高温合金叶片榫头内部疏松缺陷形成的方法。该方法步骤如下：(1)单晶高温合金引晶条模具设计时，确保引晶条的尺寸与叶片榫头尺寸相适应；(2)在工装模具上将引晶条与单晶高温合金叶片榫头相连接；(3)将单晶高温合金叶片蜡型进行挂浆、淋砂，脱蜡后烧结制成刚玉模壳；(4)将刚玉模壳置于定向凝固炉中进行凝固，制备单晶高温合金叶片。本发明利用竞争生长的思想，将叶身上的树枝晶引入厚大的榫头部分，利用引晶条所引入树枝晶与榫头处树枝晶之间的竞争生长与自适应调节，使单晶高温合金叶片厚大榫头部分的树枝晶变得细小，即降低一次枝晶间距，从而降低疏松缺陷的形成。
Description
技术领域：
本发明涉及高温合金单晶叶片制备技术领域，具体为一种降低单晶高温合金叶片榫头内部疏松缺陷形成的方法。
背景技术：
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，合金的性能对发动机的效率起到非常关键作用。随着进气口温度的提升，单晶高温合金叶片在航空发动机和工业燃气轮机获得应用。通常，单晶高温合金叶片由叶身、缘板和榫头组成。目前，单晶高温合金叶片均以榫头、榫槽锁紧的方式连接在叶盘上，服役过程中榫头处受多轴疲劳应力的影响，易发生疲劳断裂失效。相关研究表明，内部疏松等缺陷对疲劳性能具有显著的影响，而控制榫头区的显微疏松，对于提升单晶高温合金叶片的安全性能具有重要意义。
与缘板和叶身相比，单晶高温合金叶片的榫头部分厚大，冷却较慢，当榫头内部在凝固中没有外来金属也补充，易导致内部疏松超标，而靠改变浇注温度无法根本解决单晶高温合金叶片榫头内部疏松问题，见图3。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种降低单晶高温合金叶片榫头内部疏松缺陷形成的方法，该方法可简化工艺、降低由工艺复杂所导致的单晶高温合金叶片凝固缺陷报废率高、成本高等问题，显著降低制备成本与操作难度。
本发明的技术方案是：
一种降低单晶高温合金叶片榫头内部疏松缺陷形成的方法，具体步骤如下：
(1)单晶高温合金模具设计时，根据叶片榫头尺寸设计引晶条，确保引晶条的尺寸与叶片榫头尺寸相适应；
(2)在工装模具上将引晶条与单晶高温合金叶片榫头相连接；
(3)将单晶高温合金叶片蜡型进行挂浆、淋砂，脱蜡后烧结制成刚玉模壳；
(4)将刚玉模壳置于定向凝固炉中进行凝固，制备单晶高温合金叶片。
所述的降低单晶高温合金叶片榫头内部疏松缺陷形成的方法，步骤(1)中，根据叶片榫头的尺寸设计引晶条，其中引晶条尺寸范围为40～150mm×30～90mm×3～10mm。
所述的降低单晶高温合金叶片榫头内部疏松缺陷形成的方法，步骤(1)中，根据引晶条尺寸，在引晶条与叶片榫头连接处设置缩颈，以防止凝固过程中收缩应力导致叶身变形和热处理过程中形成再结晶缺陷；其中，所述缩颈为引晶条与叶片榫头连接处的引晶条截面尺寸变小，该截面尺寸的范围为0.5～6×0.5～6mm。
所述的降低单晶高温合金叶片榫头内部疏松缺陷形成的方法，步骤(2)中，在工装模具上将引晶条与单晶高温合金叶片榫头处相连接，确保引晶条的引晶端位于叶片榫头的最低处。
所述的降低单晶高温合金叶片榫头内部疏松缺陷形成的方法，步骤(3)中，将具有引晶条蜡模的单晶高温合金叶片蜡型进行挂浆、淋砂、烘干；之后，对叶片榫头的蜡模和引晶条的蜡模需进行多次挂浆，挂浆厚度为5～10mm。
所述的降低单晶高温合金叶片榫头内部疏松缺陷形成的方法，步骤(4)中，将单晶高温合金叶片在真空定向凝固炉中进行定向凝固，上加热区温度为1400～1550℃，下加热区温度为1500～1600℃，拉速为2～6mm/min条件下进行定向凝固；其中，当凝固界面位于单晶高温合金叶片榫头所在区时，将下区温度再提升20～50℃，而拉速控制在2～5mm/min；当单晶高温合金叶片榫头所在区凝完成时，将下区加热温度降至最初的预设温度。
本发明的设计思想是：
现有单晶高温合金叶片制备过程中，通常利用引晶条将树枝晶引入叶片缘板处，来抑制杂晶的缺陷。而本发明方法基于利用竞争生长的思想，将叶身上的树枝晶引入厚大的榫头部分，利用引晶条所引入树枝晶与榫头处树枝晶之间的竞争生长与自适应调节，使单晶高温合金叶片厚大榫头部分的树枝晶变得细小，即降低一次枝晶间距，从而降低疏松缺陷的形成，具有制备工艺简单，成本低廉等特点。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明工艺设计合理，具有操作工艺简单、成本低的优点。
2、本发明操作简单，设计合理，可操作性强，可显著降低单晶高温合金叶片榫头内部疏松缺陷的形成，提高单晶高温合金叶片的合格率。
总之，本发明解决单晶高温合金叶片榫头区易形成疏松的问题，提高单晶高温合金叶片的合格率。
附图说明：
图1为树枝晶示意图；其中，(a)粗大树枝晶；(b)细小树枝晶；图中，5.一次枝晶间距；6.树枝晶。
图2为单晶高温合金叶片结构示意图；其中，(a)主视图；(b)侧视图；图中，1.叶片叶身；2.叶片缘板；3.叶片榫头；4.引晶条。
图3为现有技术中单晶高温合金叶片榫头处疏松形貌。
图4采用该发明所制备的AM3单晶高温合金叶片榫头处的组织形貌。
图5采用该发明所制备的SRR99单晶高温合金叶片榫头处的组织形貌。
图6采用该发明所制备的RenéN5单晶高温合金叶片榫头处的组织形貌。
具体实施方式：
在具体实施过程中，本发明降低单晶高温合金叶片榫头内部疏松缺陷形成的方法步骤如下：(1)单晶高温合金引晶条模具设计时，根据叶片榫头尺寸设计引晶条，确保引晶条的尺寸与叶片榫头尺寸相适应；(2)在工装模具上将引晶条与单晶高温合金叶片榫头相连接；(3)将具有引晶条的单晶高温合金叶片蜡型进行挂浆、淋砂，脱蜡后烧结制成刚玉模壳；(4)将刚玉模壳置于定向凝固炉中进行凝固，定向凝固过程中更改定向凝固工艺参数，制备单晶高温合金叶片。
下面，通过实施例对本发明进一步详细说明。
实施例1
本实施例采用镍基单晶高温合金AM3，合金成分如表1所示。
表1合金元素重量百分比
| Cr | Mo | Al | W | Ti | Ta | Co | Ni |
| 8.0 | 2.0 | 5.6 | 5.0 | 1.0 | 4.0 | 6.0 | 余 |
本实施例以发动机用单晶高温合金叶片为例，该单晶高温合金叶片叶身处L的长度约为30mm，通过注蜡机将熔融石蜡注入预先设计好的引晶条金属模具内，引晶条尺寸为：长度40mm、宽度30mm、厚度3mm，在引晶条与叶片榫头连接处设置缩颈，以防止凝固过程中收缩应力导致叶身变形和热处理过程中形成再结晶缺陷；其中，所述缩颈为引晶条与叶片榫头连接处的引晶条截面尺寸变小，该截面尺寸为0.5×0.5mm，并将引晶条蜡模与叶片榫头蜡模组成蜡型，将组合好的蜡型通过挂浆、淋砂、烘干后，再对叶片榫头的蜡模和引晶条的蜡模进行多次挂浆，使其厚度为5mm(其作用是：增加保温效果)，随后脱蜡后烧结制成刚玉模壳。在真空定向炉中进行定向凝固单晶高温合金叶片，上区加热温度为1400℃，下区加热温度为1500℃，拉速为2mm/min条件下进行定向凝固，当固液界面处于单晶高温合金叶片榫头所在区时，将下区温度升至1550℃，而拉速控制在2mm/min；当单晶高温合金叶片榫头所在区凝完成时，将下区加热温度降至最初的预设温度，经脱壳解剖后榫头区微观形貌见图4。
实施例2
本实施例采用镍基高温合金SRR99，合金成分如表2所示。
表2 SRR99合金中主要合金元素重量百分比
| C | Cr | Co | Al | Ti | W | Ta | Nb | Ni |
| 0.05 | 9.0 | 6.0 | 5.5 | 1.0 | 9.5 | 3.0 | 1.0 | 余 |
本实施例以发动机用单晶高温合金叶片为例，该单晶高温合金叶片叶身处L的长度约为80mm，通过注蜡机将熔融石蜡注入预先设计好的引晶条金属模具内，引晶条尺寸为：长度60mm、宽度50mm、厚度6mm，在引晶条与叶片榫头连接处设置缩颈，以防止凝固过程中收缩应力导致叶身变形和热处理过程中形成再结晶缺陷；其中，所述缩颈为引晶条与叶片榫头连接处的引晶条截面尺寸变小，该截面尺寸为5×5mm，并将引晶条蜡模与叶片榫头蜡模组成蜡型，将组合好的蜡型通过挂浆、淋砂、烘干后，再对叶片榫头的蜡模和引晶条的蜡模进行多次挂浆，使其厚度为8mm，随后脱蜡后烧结制成刚玉模壳。在真空定向炉中进行定向凝固单晶高温合金叶片，上区加热温度为1500℃，下区加热温度为1500℃，拉速为4mm/min条件下进行定向凝固，当固液界面处于单晶高温合金叶片榫头所在区时，将下区温度升至1530℃，而拉速控制在3mm/min；当单晶高温合金叶片榫头所在区凝完成时，将下区加热温度降至最初的预设温度，经脱壳解剖后榫头区微观形貌见图5。
实施例3
本实施例采用镍基高温合金RenéN5，合金成分如表3所示。
表3 René N5合金中主要合金元素重量百分比
| Mo | Cr | Co | Al | Hf | W | Ta | Re | Ni |
| 2.0 | 7.0 | 8.0 | 6.2 | 0.15 | 5.0 | 7.0 | 3.0 | 余 |
本实施例以发动机用单晶高温合金叶片为例，该单晶高温合金叶片叶身处L的长度约为150mm，通过注蜡机将熔融石蜡注入预先设计好的引晶条金属模具内，引晶条尺寸为：长度150mm、宽度90mm、厚度10mm，在引晶条与叶片榫头连接处设置缩颈，以防止凝固过程中收缩应力导致叶身变形和热处理过程中形成再结晶缺陷；其中，所述缩颈为引晶条与叶片榫头连接处的引晶条截面尺寸变小，该截面尺寸为6×6mm，并将引晶条蜡模与叶片榫头蜡模组成蜡型，将组合好的蜡型通过挂浆、淋砂、烘干后，再对叶片榫头的蜡模和引晶条的蜡模进行多次挂浆，使其厚度为10mm，随后脱蜡后烧结制成刚玉模壳。在真空定向炉中进行定向凝固单晶高温合金叶片，上区加热温度为1550℃，下区加热温度为1600℃，拉速为6mm/min条件下进行定向凝固，当固液界面处于单晶高温合金叶片榫头所在区时，将下区温度升至1620℃，而拉速控制在4mm/min；当单晶高温合金叶片榫头所在区凝完成时，将下区加热温度降至最初的预设温度，经脱壳解剖后榫头区微观形貌见图6。
如图1-图2所示，本发明工作过程及结果如下：单晶高温合金叶片由叶片叶身1、叶片缘板2、叶片榫头3组成，叶片叶身1的顶部上侧为叶片榫头3，叶片叶身1的顶部两侧为叶片缘板2。本发明方法通过引晶与凝固工艺的匹配，在工装模具上将引晶条4与单晶高温合金叶片榫头3处相连接，确保引晶条4的引晶端位于叶片榫头3的最低处，引晶条4的另一端位于叶片叶身1的最低处。利用竞争生长的思想，将叶片叶身1上的树枝晶引入厚大的叶片榫头3，利用引晶条4所引入树枝晶与叶片榫头3处树枝晶之间的竞争生长与自适应调节。此外，在定向凝固过程中通过提高下区加热的温度，增加温度梯度，使单晶高温合金叶片厚大叶片榫头3的树枝晶6由粗大变得细小，即降低树枝晶6之间的一次枝晶间距5，从而降低疏松缺陷的形成，该方法可降低单晶高温合金叶片疏松缺陷报废率高、成本高等问题。
如图4、图5和图6所示，分别采用该技术所制备的不同牌号及尺寸单晶高温合金叶片或模拟件，从榫头解剖形貌可以看出，均没有大尺寸疏松缺陷的形成。
实施例结果表明，本发明具有制备工艺简单，成本低廉等特点，借助引晶与凝固工艺的匹配，利用引晶将更多的枝晶引入到厚大的榫头处，同时配以定向凝固工艺参数改变，细化枝晶组织，从而降低疏松缺陷的形成，使本发明方法可显著提高单晶高温合金叶片的合格率。
Claims (6)
1.一种降低单晶高温合金叶片榫头内部疏松缺陷形成的方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)单晶高温合金模具设计时，根据叶片榫头尺寸设计引晶条，确保引晶条的尺寸与叶片榫头尺寸相适应；
(2)在工装模具上将引晶条与单晶高温合金叶片榫头相连接；
(3)将单晶高温合金叶片蜡型进行挂浆、淋砂，脱蜡后烧结制成刚玉模壳；
(4)将刚玉模壳置于定向凝固炉中进行凝固，制备单晶高温合金叶片。
2.按照权利要求1所述的降低单晶高温合金叶片榫头内部疏松缺陷形成的方法，其特征在于，步骤(1)中，根据叶片榫头的尺寸设计引晶条，其中引晶条尺寸范围为40～150mm×30～90mm×3～10mm。
3.按照权利要求1所述的降低单晶高温合金叶片榫头内部疏松缺陷形成的方法，其特征在于，步骤(1)中，根据引晶条尺寸，在引晶条与叶片榫头连接处设置缩颈，以防止凝固过程中收缩应力导致叶身变形和热处理过程中形成再结晶缺陷；其中，所述缩颈为引晶条与叶片榫头连接处的引晶条截面尺寸变小，该截面尺寸的范围为0.5～6×0.5～6mm。
4.按照权利要求1所述的降低单晶高温合金叶片榫头内部疏松缺陷形成的方法，其特征在于，步骤(2)中，在工装模具上将引晶条与单晶高温合金叶片榫头处相连接，确保引晶条的引晶端位于叶片榫头的最低处。
5.按照权利要求1所述的降低单晶高温合金叶片榫头内部疏松缺陷形成的方法，其特征在于，步骤(3)中，将具有引晶条蜡模的单晶高温合金叶片蜡型进行挂浆、淋砂、烘干；之后，对叶片榫头的蜡模和引晶条的蜡模需进行多次挂浆，挂浆厚度为5～10mm。
6.按照权利要求1所述的降低单晶高温合金叶片榫头内部疏松缺陷形成的方法，其特征在于，步骤(4)中，将单晶高温合金叶片在真空定向凝固炉中进行定向凝固，上加热区温度为1400～1550℃，下加热区温度为1500～1600℃，拉速为2～6mm/min条件下进行定向凝固；其中，当凝固界面位于单晶高温合金叶片榫头所在区时，将下区温度再提升20～50℃，而拉速控制在2～5mm/min；当单晶高温合金叶片榫头所在区凝完成时，将下区加热温度降至最初的预设温度。
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