控制變截面處雜晶形成的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種高溫合金的制備技術(shù)，特別是設(shè)及一種在單晶高溫合金定向凝固 過程中控制雜晶形成的方法，應(yīng)用于高溫合金組織凝固技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 高溫合金發(fā)展水平是衡量航空發(fā)動機和工業(yè)燃?xì)廨啓C發(fā)展水平的一個重要標(biāo)志， 高溫合金的發(fā)展大致經(jīng)歷了變形高溫合金、普通鑄造高溫合金、定向凝固高溫合金W及單 晶高溫合金，特別是單晶高溫合金在高溫條件下能夠承受較大復(fù)雜應(yīng)力，具有優(yōu)異的高溫 輕強度和抗蠕變的性能，因而具有重要的研究和開發(fā)價值。然而高溫合金葉片在葉身和葉 片的緣板處由于截面突變的存在，在平臺拐角處極易產(chǎn)生雜晶，雜晶與初始單晶間有晶界， 晶界在高溫下極易受到腐蝕而成為裂紋擴展的源頭，會降低高溫合金在高溫下的機械性 能。關(guān)于雜晶的消除，國內(nèi)外進(jìn)行了很多研究，降低拉速和增大溫度梯度可W抑制雜晶的產(chǎn) 生，然而降低拉速導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下，而且降低拉速和提高溫度梯度對雜晶的抑制效果有 限；馬德新老師等人采用導(dǎo)熱體技術(shù)及引晶條技術(shù)制備單晶，取得了一定的成效，但是引晶 條技術(shù)容易產(chǎn)生小角晶界。因而找到一種切實可行的抑制雜晶形成的方法，對實際工業(yè)生 產(chǎn)中避免雜晶缺陷的形成W獲得性能優(yōu)良的高溫合金材料具有重要的科學(xué)意義，目前控制 鑄件變截面處雜晶形成的方法還不理想。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種 控制變截面處雜晶形成的方法，通過在變截面處使用雙層模殼法，能切實有效的抑制變截 面處雜晶形成，在相對較高的拉速下獲得單晶組織，獲得機械性能優(yōu)良的高溫合金鑄件。
[0004]為達(dá)到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，采用如下發(fā)明構(gòu)思： 本發(fā)明控制變截面處的溫度場，實現(xiàn)由中屯、向邊緣的順序凝固，可W抑制變截面處的 雜晶形成。在變截面拐角處使用雙層模殼，延緩該處熱量散失和冷卻速率，該處的徑向散熱 受到抑制，則徑向溫度梯度減小。根據(jù)公式A?'-=巧,￡，其中巧為徑向溫度梯度，L為變截面 尺寸，可見，徑向溫度梯度減小可W降低變截面拐角處的過冷度，從而抑制該處烙體中異質(zhì) 形核，防止雜晶的形成。
[000引根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案： 一種控制變截面處雜晶形成的方法，具體為:設(shè)置定向凝固裝置，由鑄件型腔模殼形成 金屬定向凝固工作空間，并使定向凝固工作空間形成豎直的分段變截面的圓柱形鑄件型 腔，在鑄件型腔的變截面拐角處的鑄件型腔模殼部分形成局部雙層模殼，局部雙層模殼是 由保溫模殼和鑄件型腔模殼分別作為內(nèi)外殼層結(jié)合形成的復(fù)合模殼，利用保溫模殼包圍鑄 件變截面拐角，進(jìn)而控制鑄件在變截面處的徑向溫度梯度為0.5~1 °C/mm，同時控制其加 熱爐內(nèi)腔溫度為1450~1550°C，采用水冷系統(tǒng)作為對鑄件起晶段進(jìn)行冷卻，在定向凝固裝 置內(nèi)的固-液界面處和初生凝固組織中形成設(shè)定的過冷度，并控制定向凝固鑄巧的拉速連 續(xù)可調(diào);將鑄件型腔模殼與拉桿固定，然后一起上升進(jìn)入定向凝固裝置的加熱爐中設(shè)定位 置處，然后向鑄件型腔模殼中誘鑄金屬烙體，誘注完成后，保溫至溫度基本恒定后，根據(jù)設(shè) 定抽拉速度及溫度梯度，Wl~4mm/min的拉速將鑄件型腔模殼、初生凝固鑄件和水冷系統(tǒng) 一并從加熱爐內(nèi)的加熱區(qū)向冷卻區(qū)緩慢抽拉，使在鑄件型腔模殼中的金屬烙體進(jìn)行自下而 上的定向凝固形成單晶組織。
[0006]作為本發(fā)明的優(yōu)選的技術(shù)方案，在鑄件起晶段利用螺旋選晶器的螺旋段的選擇作 用，逐漸生長金屬單晶凝固組織。
[0007]作為本發(fā)明上述方案的進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，采用控制變截面處雜晶形成的裝 置來實施，控制變截面處雜晶形成的裝置包括爐體和加熱器，在加熱器下方設(shè)有固定福射 擋板，固定福射擋板將整個爐體的內(nèi)腔分為上方的加熱區(qū)和下方的冷卻區(qū)，鑄件系統(tǒng)從加 熱區(qū)拉到冷卻區(qū)使金屬烙體進(jìn)行自下而上的定向凝固，鑄件系統(tǒng)包括鑄件型腔基體模殼、 螺旋選晶器和模殼頂部的誘注口，鑄件型腔基體模殼內(nèi)部形成豎直分段變截面的圓柱形鑄 件型腔，液態(tài)高溫合金烙體經(jīng)誘注口誘入鑄件型腔基體模殼中，在鑄件變截面拐角處的鑄 件型腔基體模殼內(nèi)表面固定設(shè)置保溫模殼，使鑄件變截面拐角處的鑄件型腔模殼部分形成 局部雙層結(jié)構(gòu)的復(fù)合模殼，利用保溫模殼包圍鑄件變截面拐角，進(jìn)而控制變截面鑄件在變 截面處的徑向溫度梯度為0.5~1 °C/mm，螺旋選晶器的頂部與鑄件型腔基體模殼的底部連 通，螺旋選晶器的底部固定安裝在設(shè)置于加熱區(qū)和冷卻區(qū)分界線位置處的底部水冷板上， 在變截面鑄件起晶段利用螺旋選晶器的螺旋段的選擇作用，最終只有一個晶粒生長到螺旋 選晶器的頂部，逐漸生長金屬單晶凝固組織，最終長滿整個型腔，控制變截面鑄件的拉速連 續(xù)可調(diào)，將鑄件系統(tǒng)與拉桿固定，然后一起上升進(jìn)入定向凝固裝置的爐體中設(shè)定位置處，然 后向鑄件型腔中誘鑄金屬烙體，誘注完成后，保溫至溫度基本恒定后，根據(jù)設(shè)定抽拉速度及 溫度梯度，W1~4mm/min的拉速將鑄件系統(tǒng)從加熱爐內(nèi)的加熱區(qū)向冷卻區(qū)緩慢抽拉，使在 鑄件型腔中的金屬烙體進(jìn)行自下而上的定向凝固形成單晶組織。
[0008]作為本發(fā)明上述方案的進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，鑄件系統(tǒng)的鑄件型腔基體模殼采 用烙模組結(jié)構(gòu)，至少包括兩個豎直的分段變截面的圓柱形鑄件型腔，分段變截面的圓柱形 鑄件型腔的頂部通過橫向的烙體流通通道相互連通，誘注口位于烙體流通通道上，對應(yīng)誘 注口的烙體流通通道的底部下沉成為緩沖腔，在緩沖腔的底部和底部水冷板之間通過固定 安裝支撐桿進(jìn)行連接和支撐。
[0009]作為本發(fā)明上述方案的進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，保溫模殼與鑄件型腔基體模殼間 隙性接觸。
[0010] 作為本發(fā)明上述方案的進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，固定福射擋板上方的爐體的內(nèi)腔 部分為加熱區(qū)，在在爐體內(nèi)的加熱區(qū)設(shè)有加熱器，加熱器包括上加熱單元、分區(qū)擋板和下加 熱單元，上加熱單元和下加熱單元的中間用分區(qū)擋板隔開，上加熱單元加熱溫度高于下加 熱單元的加熱溫度，固定福射擋板下方為冷卻區(qū)設(shè)有水冷環(huán)。
[0011] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點： 1. 在高溫合金鑄件定向凝固過程中，本發(fā)明具有顯著抑制變截面處雜晶形成的優(yōu)點， 在變截面處加保溫模殼的雙層模殼法可W阻礙變截面處的徑向熱量散失，延緩形核，可從 而有效抑制雜晶的產(chǎn)生； 2. 本發(fā)明采用雙層模殼法有優(yōu)異的抑制雜晶形成的效果，對多葉片成組制造并獲得 性能優(yōu)異的單晶高溫合金葉片，提高生產(chǎn)效率具有重要的指導(dǎo)意義。
【附圖說明】
[0012] 圖1是本發(fā)明實施例一控制變截面處雜晶形成的方法采用的雙層模殼結(jié)構(gòu)示意 圖。
[0013]圖2是本發(fā)明實施例一控制變截面處雜晶形成的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖3是本發(fā)明實施例一控制變截面處雜晶形成方法制備的單晶和對比例一采用不 加保溫模殼的單層模殼制備的單晶的微觀組織實驗結(jié)果對比圖。
[0015]圖4是本發(fā)明實施例二控制變截面處雜晶形成方法制備的單晶和對比例二采用不 加保溫模殼的單層模殼制備的單晶的微觀組織實驗結(jié)果對比圖。
【具體實施方式】
[0016] 本發(fā)明的優(yōu)選實施例詳述如下： 實施例一： 在本實施例中，參見圖1~3,一種控制變截面處雜晶形成的方法，采用控制變截面處雜 晶形成的裝置來實施，控制變截面處雜晶形成的裝置包括爐體1和加熱器2,在加熱器2下方 設(shè)有固定福射擋板6,固定福射擋板則尋整個爐體1的內(nèi)腔分為上方的加熱區(qū)和下方的冷卻 區(qū)，鑄件系統(tǒng)從加熱區(qū)拉到冷卻區(qū)使金屬烙體進(jìn)行自下而上的定向凝固，鑄件系統(tǒng)包括鑄 件型腔基體模殼9、螺旋選晶器12和模殼頂部的誘注口 13,鑄件型腔基體模殼9內(nèi)部形成豎 直分段變截面的圓柱形鑄件型腔，液態(tài)高溫合金烙體經(jīng)誘注口 13誘入鑄件型腔基體模殼9 中，在鑄件變截面拐角10處的鑄件型腔基體模殼9內(nèi)表面固定設(shè)置保溫模殼11，保溫模殼11 與鑄件型腔基體模殼9間隙性接觸，使鑄件變截面拐角10處的鑄件型腔模殼部分形成局部 雙層結(jié)構(gòu)的復(fù)合模殼，利用保溫模殼11包圍鑄件變截面拐角10,進(jìn)而控制變截面鑄件8在變 截面處的徑向溫度梯度為〇.9°C/mm，螺旋選晶器12的頂部與鑄件型腔基體模殼9的底部連 通，螺旋選晶器12的底部固定安裝在設(shè)置于加熱區(qū)和冷卻區(qū)分界線位置處的底部水冷板15 上，在變截面鑄件8起晶段利用螺旋選晶器的螺旋段的選擇作用，最終只有一個晶粒生長到 螺旋選晶器12的頂部，逐漸生長金屬單晶凝固組織，最終長滿整個型腔，控制變截面鑄件8 的拉速連續(xù)可調(diào)，將鑄件系統(tǒng)與拉桿固定，然后一起上升進(jìn)入定向凝固裝置的爐體1中設(shè)定 位置處，然后向鑄件型腔中誘鑄金屬烙體，誘注完成后，保溫至溫度基本恒定后，根據(jù)設(shè)定 抽拉速度及溫度梯度，W2mm/min的拉速將鑄件系統(tǒng)從加熱爐內(nèi)的加熱區(qū)向冷卻區(qū)緩慢抽 拉，使在鑄件型腔中的金屬烙體進(jìn)行自下而上的定向凝固形成單晶組織。烙模組鑄件定向 凝固過程中由于不對稱的加熱條件引起了試樣兩側(cè)溫度分布不均勻，特別是葉片的截面突 變處溫度分布不均勻的程度更加明顯，且冷卻速率和橫向溫度梯度較大，因而該區(qū)域容易 產(chǎn)生雜晶。在本實施例高溫合金鑄件定向凝固過程中，本實施例控制變截面處雜晶形成的 裝置由加熱系統(tǒng)、鑄件系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)組成，鑄件系統(tǒng)從加熱區(qū)拉到冷卻區(qū)可W實現(xiàn)自下 而上的定向凝固。液態(tài)高溫合金烙體經(jīng)誘注口 13誘入模殼型腔中，為了抑制鑄件變截面拐 角10處雜晶的形成，在該處加保溫模殼11，可W延緩熱量散失，減小冷卻速率，從而推遲該 處的凝固時間；螺旋選晶器12起晶段底部大量形核，競爭生長，部分晶粒進(jìn)入螺旋段，經(jīng)螺 旋段的選擇作用，最終只有一個晶粒生長到