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CN113560544B - 一种定向叶片及其柱状晶组织优化方法 - Google Patents

一种定向叶片及其柱状晶组织优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种定向叶片及其柱状晶组织优化方法，旨在优化定向叶片柱状晶组织，使晶粒生长方向垂直，降低叶片露头晶数量，提高定向叶片的合格率。为此，本发明实施例一方面提供的定向叶片柱状晶组织优化方法，通过对原有定向叶片起晶段作加厚处理，使得受横向温度梯度影响生长发生倾斜的晶粒主要位于外侧的加厚区域内，并且保证加厚区域内晶粒不会长入铸件内部，从而淘汰掉表面受横向温度梯度影响发生倾斜的晶粒，使得起晶段中间区域未受影响的笔直晶粒长入铸件中，以此实现定向叶片柱状晶组织优化。

Description

一种定向叶片及其柱状晶组织优化方法
技术领域
本发明属于高温合金制备技术领域，尤其涉及一种定向叶片及其柱状晶组织优化方法。
背景技术
对于高温合金定向叶片，叶片在定向凝固过程中，除了具有自下而上的垂直温度梯度外，还具有自外向里的横向方向的温度梯度，这种横向温度梯度的存在，使得定向叶片起晶段在凝固过程中，表面一定厚度的区域内的晶粒的生长会受到影响，从而向内部发生倾斜，而这种表面一定厚度的发生倾斜的晶粒长入铸件内部就成为倾斜的晶粒，且往往会发生露头成为露头晶。对于高温合金定向叶片而言，晶粒生长的偏斜及露头将对其服役性能产生很大的影响，尤其是对叶片性能影响较大的露头晶，往往会造成叶片的报废，大大降低叶片的服役性能和合格率。但是现有铸造工艺条件下制备的定向叶片，依然存在叶片铸件表面晶粒较为粗大，晶粒生长较为偏斜，露头晶数量较多等问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种定向叶片及其柱状晶组织优化方法，旨在优化定向叶片柱状晶组织，使晶粒生长方向垂直，降低叶片露头晶数量，提高定向叶片的合格率。
为此，本发明实施例一方面提供的定向叶片柱状晶组织优化方法，通过对原有定向叶片的起晶段作加厚处理，使得受横向温度梯度影响生长发生倾斜的晶粒主要位于外侧的加厚区域内，并且保证加厚区域内晶粒不会长入铸件内部，从而淘汰掉表面受横向温度梯度影响发生倾斜的晶粒，使得起晶段的中间区域未受影响的笔直晶粒长入铸件中，以此实现定向叶片柱状晶组织优化。
具体的，所述定向叶片的叶身在所述起晶段上的正投影与起晶段中间区域完全重合。
具体的，所述加厚区域各处的厚度相等。
具体的，定向叶片模具设计时，根据叶片结构设计叶片的起晶段，确保起晶段的形状和尺寸与叶片结构相适应，压蜡时，直接将定向叶片连同起晶段一起压出。
具体的，所述加厚区域的高度小于所述起晶段的高度，且底端与所述起晶段平齐。
具体的，所述加厚区域的高度控制在10mm～40mm。
具体的，所述加厚区域的厚度控制在1mm～4mm。
本发明实施例一方面还提供一种采用上述定向叶片柱状晶组织优化方法优化获得定向叶片。
原理分析
本方法通过在定向叶片的起晶段外侧增加一层一定高度的加厚层，加厚区域的晶粒受到横向温度梯度的影响生长会发生倾斜，但是并不能长入铸件内部，从而淘汰掉表面受影响的倾斜晶粒，避免其长入铸件，使得起晶段中间区域未受影响的笔直的晶粒长入铸件中，从而优化定向叶片柱状晶组织。
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：1)改动点仅在于定向叶片起晶段，无需对原有工艺及结构作出过多的改动，具有易操作、成本低的优点；2)可显著优化定向叶片柱状晶组织，降低叶片露头晶数量，提高定向叶片的合格率。
附图说明
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。
图1是本发明实施例涉及的起晶段主视图；
图2是图1中A-A方向剖视图；
图3是原工艺制作的定向叶片腐蚀后叶身表面晶粒形貌图；
图4是本发明实施例制作的定向叶片腐蚀后叶身表面晶粒形貌图；
其中：1、加厚区域；2、中间区域。
具体实施方式
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。
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。
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。
参见图1和图2，一种定向叶片柱状晶组织优化方法，通过对原有定向叶片的起晶段作加厚处理，使得受横向温度梯度影响生长发生倾斜的晶粒主要位于外侧的加厚区域1内，并且保证加厚区域1内晶粒不会长入铸件内部，从而淘汰掉表面受横向温度梯度影响发生倾斜的晶粒，使得起晶段中间区域2未受影响的笔直晶粒长入铸件中，以此实现定向叶片柱状晶组织优化。
本实施例中，通过在原有定向叶片起晶段外侧增加一层一定高度的加厚层，以此实现定向叶片起晶段的加厚，整个发明的改动点仅在于定向叶片的起晶段，在显著优化定向叶片柱状晶组织，降低叶片露头晶数量，提高定向叶片的合格率的同时，无需对原有工艺及结构作出过多的改动，具有易操作、成本低的优点。
在一些实施例中，可以将叶片起晶段设计为随型起晶段，所谓随型起晶段是指起晶段中间区域2的形状和定向叶片的叶身形状一致，也即定向叶片的叶身在起晶段上的正投影与起晶段中间区域2完全重合。这样的设计结构，一方面可以保证加厚区域1内晶粒不会长入铸件内部，另一方面起晶段随型设计可以确保晶粒更优的生长路径，避免因形状不同带来的干扰，柱状晶组织可以得到进一步的优化。
可以理解的是，在实际应用中，定向叶片模具设计时，根据叶片结构设计叶片的起晶段，起晶段与定向叶片的叶身根部连接，确保起晶段的形状和尺寸与叶片结构相适应，压蜡时，直接将定向叶片连同起晶段一起压出。本实施例中，定向叶片与起晶段一体成型，不仅定向叶片与起晶段连接精度高，而且可以有效避免拼接式结构带来的连接缺陷。
参见图1，在一些实施例中，加厚区域1的两端可以设计为与中心区域2平齐，但是这样的设计可能会存在加厚区域1与叶片的诸如叶冠等其他部位接触，使得加厚区域1内倾斜生长的晶粒从叶片的叶冠等其他部位长入叶片的风险。因此在实际设计中，加厚区域1的高度小于起晶段的高度，且底端与起晶段底部平齐，这样设计的目的在于可以使得加厚区域1与叶片的各个部位完全分隔开来，从而可以起到防止倾斜生长的晶粒从叶片的叶冠等其他部位长入叶片的问题。
在实际设计中，可以对原有定向叶片的起晶段作均匀加厚处理，也即加厚区域1各处的厚度相等；具体的，加厚区域1的高度可以控制在10mm～40mm，加厚厚度可以控制在1mm～4mm。
以下将结合具体的实施例对本发明作进一步的说明。
实施例
本实施例采用镍基定向高温合金DZ125，合金成分如表1所示。
表1合金元素重量百分比
Figure BDA0003135490160000041
本实施例以航空涡轮发动机用定向高温合金叶片起晶段为例，通过注蜡机将熔融石蜡注入包含结构优化的起晶段的定向叶片金属模具内，压出起晶段结构优化的叶片蜡模。同时采用同样方法压出起晶段结构未经优化的定向叶片蜡模。将两种叶片蜡模组成蜡型，将组合好的蜡型通过挂浆、淋砂、烘干后，再进行多次挂浆，使其厚度为7-9mm，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制备高温合金定向叶片，上区加热温度为1515℃，下区加热温度为1515℃，拉速为5mm/min条件下进行定向凝固，定向凝固完成后，起晶段结构未经优化的定向叶片的定向柱晶的组织形貌见图3，起晶段经优化后的定向叶片的定向柱晶的组织形貌见图4。
从图3可以发现，采用原工艺制备的定向叶片叶身晶粒粗大，晶粒生长偏斜，存在较多的露头晶。而采用本发明优化叶片起晶段后，定向叶片叶身的晶粒明显细化，且晶粒生长笔直，露头晶数量也明显减少，见图4。
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。
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)。
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。
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。

Claims (8)

1.一种定向叶片柱状晶组织优化方法，其特征在于：通过对原有定向叶片的起晶段作加厚处理，使得受横向温度梯度影响生长发生倾斜的晶粒位于外侧的加厚区域(1)内，并且保证加厚区域(1)内晶粒不会长入铸件内部，从而淘汰掉表面受横向温度梯度影响发生倾斜的晶粒，使得起晶段中间区域(2)未受影响的笔直晶粒长入铸件中，以此实现定向叶片柱状晶组织优化。
2.根据权利要求1所述的定向叶片柱状晶组织优化方法，其特征在于：所述定向叶片的叶身在所述起晶段上的正投影与起晶段中间区域(2)完全重合。
3.根据权利要求2所述的定向叶片柱状晶组织优化方法，其特征在于：所述加厚区域(1)各处的厚度相等。
4.根据权利要求2所述的定向叶片柱状晶组织优化方法，其特征在于：定向叶片模具设计时，根据叶片结构设计叶片的起晶段，确保起晶段的形状和尺寸与叶片结构相适应，压蜡时，直接将定向叶片连同起晶段一起压出。
5.根据权利要求1-4任一项所述的定向叶片柱状晶组织优化方法，其特征在于：所述加厚区域(1)的高度小于所述起晶段的高度，且底端与所述起晶段平齐。
6.根据权利要求5所述的定向叶片柱状晶组织优化方法，其特征在于：所述加厚区域(1)的高度控制在10mm～40mm。
7.根据权利要求5所述的定向叶片柱状晶组织优化方法，其特征在于：所述加厚区域(1)的厚度控制在1mm～4mm。
8.一种定向叶片，其特征在于：采用权利要求1-7任一项所述的定向叶片柱状晶组织优化方法优化获得。
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