專利名稱：單晶與定向柱晶復(fù)合結(jié)晶葉片及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高溫合金精密鑄造范疇，新材料和新工藝領(lǐng)域，具體為新型單晶與定向柱晶復(fù)合結(jié)晶葉片及其制造技術(shù)，用于研制和生產(chǎn)各種類型的高溫合金定向凝固的材料和葉片。
背景技術(shù)：
能源是國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的動力，高性能燃?xì)廨啓C(jī)的研究與開發(fā)是可持續(xù)發(fā)展所需求的理想動力系統(tǒng)，發(fā)達(dá)國家均把燃?xì)廨啓C(jī)的研究與發(fā)展作為科技優(yōu)先發(fā)展戰(zhàn)略給予高度重視，并得到重點(diǎn)、快速的發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)我國能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，國家的能源政策也做了重要調(diào)整，要大力發(fā)展?jié)崈羧济杭夹g(shù)，開發(fā)油氣田，西氣東輸?shù)鹊?。因此，國家也把燃?xì)廨啓C(jī)作為重點(diǎn)發(fā)展方向，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一是其渦輪葉片材料及其制造工藝，為此中國科學(xué)院把工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)葉片材料及其制造工藝的研究作為“十五”期間重要研制項(xiàng)目列入計(jì)劃，在金屬研究所進(jìn)行研制。
燃?xì)廨啓C(jī)葉片材料與工藝的研制通常是吸納航空發(fā)動機(jī)葉片的成功經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)。因此，先進(jìn)的高溫合金定向凝固技術(shù)也被列入研制工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的定向結(jié)晶葉片。葉片的定向結(jié)晶是指葉片在凝固過程中控制熱流方向，使結(jié)晶沿著平行葉片主應(yīng)力軸的方向生長，形成定向生長的柱狀晶組織。因?yàn)槎ㄏ蚪Y(jié)晶葉片消除了橫向晶界，其性能和使用壽命較等軸晶葉片有明顯提高。如果在定向凝固過程中進(jìn)一步設(shè)法只使一個(gè)晶粒定向生長，最后獲得單晶葉片，其性能會得到進(jìn)一步提高，因?yàn)閱尉Р粌H消除了橫向晶界，而且縱向晶界也不存在了。
然而航空發(fā)動機(jī)用的葉片與工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)用的葉片在尺寸上有較大差別。前者長度一般只有100mm左右，重約250克；而燃?xì)廨啓C(jī)葉片長達(dá)幾百毫米以上，重量至少在幾千克以上。由于燃?xì)廨啓C(jī)葉片尺寸大、重量大、熱量大等特點(diǎn)，因此給這種大葉片的定向結(jié)晶工藝的研制增加了相當(dāng)難度，若使其生成單晶葉片就更難了。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種綜合性能較高的新型單晶與定向柱晶復(fù)合結(jié)晶葉片及其制造方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種單晶與定向柱晶復(fù)合結(jié)晶葉片，該葉片由兩種晶型組成在葉片中部為定向柱晶，在葉片的進(jìn)、排氣邊為單晶。
所述單晶寬度可以為20～30mm。
上述單晶與定向柱晶復(fù)合結(jié)晶葉片的制造方法，具體步驟如下1)將復(fù)合結(jié)晶器安裝在定向結(jié)晶爐的結(jié)晶器上，復(fù)合結(jié)晶器包括單晶選晶器、定向柱晶選晶器和定向凝固啟始段，單晶選晶器、定向柱晶選晶器的兩端均與葉冠、定向凝固啟始段連通，其中單晶選晶器數(shù)量為二個(gè)，分別對應(yīng)于葉片的進(jìn)、排氣邊，定向柱晶選晶器對應(yīng)于葉片中部，定向凝固啟始段與定向結(jié)晶爐連通；2)工藝條件加熱熔化的過熱度為100～150℃，鑄型加熱器的加熱溫度調(diào)整為上區(qū)1500～1530℃，下區(qū)1550～1580℃；3)液態(tài)合金澆入鑄型后，鑄型開始向下移動，在上述定向凝固的條件下，采用5-7mm/min的鑄型下移速度。
4、按照權(quán)利要求3所述單晶與定向柱晶復(fù)合結(jié)晶葉片的制造方法，其特征在于所述葉片的材質(zhì)為高溫合金。
所述單晶選晶器可以為單晶螺旋選晶器。
所述定向柱晶選晶器可以為塊狀或柱狀，其中柱狀選晶器數(shù)量為3～5個(gè)。
本發(fā)明的有益效果是1、本發(fā)明單晶與定向柱晶復(fù)合結(jié)晶葉片綜合性能較高。該葉片由兩種晶型組成在葉片中部為定向柱晶，在葉片的進(jìn)、排氣邊為具有一定寬度的單晶。定向結(jié)晶葉片消除了橫向晶界，其性能和使用壽命較等軸晶葉片有明顯提高，如果在定向凝固過程中進(jìn)一步設(shè)法只使一個(gè)晶粒定向生長，最后獲得單晶葉片，其性能會得到進(jìn)一步提高，因?yàn)閱尉Р粌H消除了橫向晶界，而且縱向晶界也不存在了。材料的組織結(jié)構(gòu)決定材料的性能，材料的性能反映出其組織的狀況，葉片的性能和其組織結(jié)構(gòu)共同反映出這種葉片的優(yōu)良的質(zhì)量。
2、本發(fā)明單晶與定向柱晶復(fù)合結(jié)晶葉片的制造方法簡單、易行。該方法采用相應(yīng)的定向凝固工藝條件加上特殊設(shè)計(jì)的“復(fù)合結(jié)晶器”，將復(fù)合結(jié)晶器安裝在定向結(jié)晶爐的結(jié)晶器上，復(fù)合結(jié)晶器包括單晶選晶器、定向柱晶選晶器和定向凝固啟始段，單晶選晶器、定向柱晶選晶器的兩端均與葉冠、定向凝固啟始段連通，其中單晶選晶器數(shù)量為二個(gè)，分別對應(yīng)于葉片的進(jìn)、排氣邊，定向柱晶選晶器對應(yīng)于葉片中部，定向凝固啟始段與定向結(jié)晶爐連通，“復(fù)合結(jié)晶器”起到了單晶與定向柱晶葉片的催化作用。
3、本發(fā)明可以適用于高溫合金生產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)葉片。


圖1為航空發(fā)動機(jī)與工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)葉片的形狀、尺寸的對比實(shí)物照片。
圖2為本發(fā)明定向結(jié)晶大葉片實(shí)物照片。
圖3為本發(fā)明葉片的單晶與柱晶復(fù)合結(jié)晶組織照片。
圖4為本發(fā)明葉片性能測試的取樣部位示意圖。
圖5a～d分別為圖4中6、5、4、2號取樣部位枝晶組織分布圖片。
圖6a～d分別為圖4中6、5、4、2號取樣部位共晶組織分布圖片。
圖7a～d分別為圖4中6、5、4、2號取樣部位碳化物組織分布圖片。
圖8為本發(fā)明帶復(fù)合結(jié)晶器的單晶與定向柱晶復(fù)合結(jié)晶葉片圖片。
圖9為本發(fā)明復(fù)合結(jié)晶器結(jié)構(gòu)以及與葉片連接關(guān)系示意圖。
圖10為圖9的A-A剖視圖。
圖11為圖9的B-B剖視圖。
圖12為本發(fā)明另一種復(fù)合結(jié)晶器的單晶與定向柱晶復(fù)合結(jié)晶葉片照片。
具體實(shí)施例方式
本實(shí)施例選用5000系列燃?xì)廨啓C(jī)的大葉片(300mm、重2500克)為研究對象，開展研究工作，該葉片的材質(zhì)采用定向凝固高溫合金GTD-111。圖1示出航空發(fā)動機(jī)與所選用的工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)葉片的形狀、尺寸的對比實(shí)物照片。
本發(fā)明是在燃?xì)廨啓C(jī)葉片定向結(jié)晶工藝的研制過程中，既完成了大葉片定向結(jié)晶工藝的研究，研制出定向結(jié)晶的大葉片，如圖2所示。同時(shí)又研制成功了一種單晶與定向復(fù)合結(jié)晶的新型葉片。該葉片由兩種晶型組成在葉片中部為定向柱晶，在葉片的進(jìn)、排氣邊為具有一定寬度(本實(shí)施例為20～30mm)的單晶。圖3示出了這種新型葉片的結(jié)晶組織。由照片可以看出，這是一種單晶與定向柱晶在凝固過程中形成的共生、共長和共存的新型復(fù)合結(jié)晶葉片。
1、單晶與定向柱晶復(fù)合結(jié)晶葉片性能。為了了解單晶與定向柱晶復(fù)合結(jié)晶葉片的性能，特從該葉片的不同部位切取不同的試樣進(jìn)行性能測試。圖4示出該葉片的取樣部位。
(1)冷熱疲勞。從葉片進(jìn)氣邊單晶區(qū)和葉片中部定向柱晶區(qū)分別切取冷熱疲勞試樣進(jìn)行測試比較。冷熱疲勞試驗(yàn)是利用溫度冷熱的急劇變化引起材料產(chǎn)生裂紋，以檢驗(yàn)材料的冷熱疲勞強(qiáng)度。這種試驗(yàn)與葉片在使用過程所受急冷急熱的變化狀況相似。因此，選用冷熱疲勞試驗(yàn)?zāi)康囊彩窃谟谀M葉片使用狀況，對材料進(jìn)行比較。試驗(yàn)結(jié)果如表所示。單晶試樣經(jīng)過66次冷熱疲勞試驗(yàn)沒有發(fā)現(xiàn)裂紋產(chǎn)生，而且仍無產(chǎn)生裂紋的跡象。定向柱晶試樣經(jīng)過19次冷熱疲勞試驗(yàn)，在試樣邊緣發(fā)生裂紋，并且沿晶界穿過疏松和氧化帶延伸擴(kuò)展。由此對比可見單晶結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。
(2)高溫持久和瞬時(shí)性能。從葉片中部定向柱晶區(qū)切取Φ3mm的高溫持久和高溫瞬時(shí)試樣進(jìn)行測試。測試結(jié)果如表1所示。從測試結(jié)果可以看出，無論是在葉片上部，還是在葉片下部，取樣性能達(dá)到或超過材料所規(guī)定的要求。對于做過性能測試的樣品再進(jìn)行金相檢查，在葉片上、下部的枝晶、共晶和碳化物的大小和分布都比較好。如圖5、6、7所示，材料的組織結(jié)構(gòu)決定材料的性能，材料的性能反映出其組織的狀況。葉片的性能和其組織結(jié)構(gòu)共同反映出這種葉片的優(yōu)良的質(zhì)量。
(3)板狀樣品性能。葉片的進(jìn)、排氣邊都是比較薄的，為了了解在排氣邊單晶區(qū)的性能，從葉片排氣邊單晶區(qū)切取厚2mm的板狀樣品進(jìn)行高溫瞬時(shí)性能試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示，實(shí)測數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于要求值，這也反映出單晶結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。
表1單晶與定向柱晶復(fù)合結(jié)晶葉片性能

2、單晶與定向柱晶復(fù)合結(jié)晶葉片的制造方法。根據(jù)單晶和定向柱晶結(jié)晶原理，除了對其定向凝固工藝參數(shù)進(jìn)行必要的調(diào)整外，主要是為此特殊設(shè)計(jì)了一個(gè)“復(fù)合結(jié)晶器”。該“復(fù)合結(jié)晶器”由三部分組成，即由單晶螺旋選晶器、定向柱晶選晶器和定向凝固啟始段組成。使用時(shí)將“復(fù)合結(jié)晶器”與葉片的葉冠相接，“復(fù)合結(jié)晶器”上的兩個(gè)單晶選晶器分別對準(zhǔn)葉片的進(jìn)、排氣邊，“復(fù)合結(jié)晶器”的定向柱晶選晶器對準(zhǔn)葉片中部。圖8示出了研制成功的帶“復(fù)合結(jié)晶器”的單晶與定向柱晶復(fù)合結(jié)晶葉片。
新型單晶與定向柱晶復(fù)合結(jié)晶葉片的研制成功是巧妙運(yùn)用單晶與定向結(jié)晶規(guī)律的結(jié)果。葉片在定向凝固過程中，結(jié)晶長成何種類型的結(jié)晶體，主要取決凝固區(qū)域液相合金溫度梯度分布。大葉片在定向凝固時(shí)，由于其進(jìn)、排氣邊相對較薄，液體量少，凝固較快、固相導(dǎo)熱系數(shù)大等因素，造成其凝固區(qū)液相合金的溫度梯度高于同截面定向柱晶生長的葉片中部。于是，便形成了在葉片進(jìn)、排氣邊生長單晶和在葉片中部生長定向柱晶的條件。也就是說，在葉片相同截面具備了單晶和定向柱晶共生、共長的條件。只要提供晶核就可以使其同時(shí)生長兩種結(jié)晶了。單晶與定向柱晶“復(fù)合結(jié)晶器”便能起到這種作用。這樣，在定向凝固的工藝條件下，便可以使之結(jié)晶成這種新型葉片。
1、“復(fù)合結(jié)晶器”結(jié)構(gòu)和它與葉片1的連接。“復(fù)合結(jié)晶器”是由單晶螺旋選晶器3與定向柱晶選晶器4結(jié)合而成。它包括三部分單晶選晶器3、定向柱晶選晶器4和定向凝固啟始段5。圖9示出其結(jié)構(gòu)和它與葉片的連接情況。
圖10為“復(fù)合結(jié)晶器”的單晶螺旋選晶器3和定向柱晶選晶器4與葉片1的葉冠2連接位置。圖11為“復(fù)合結(jié)晶器”上的單晶選晶器3、定向柱晶選晶器4和定向凝固啟始段5的組合情況。
2、“復(fù)合結(jié)晶器”的作用單晶與定向柱晶復(fù)合結(jié)晶葉片的“復(fù)合結(jié)晶器”直接安裝在定向結(jié)晶爐的結(jié)晶器上。在定向凝固的初期，當(dāng)液態(tài)合金澆入鑄型后，鑄型開始向下移動。液態(tài)合金在結(jié)晶器的激冷下，在“復(fù)合結(jié)晶器”的啟始段生成一層細(xì)小的等軸晶。在繼續(xù)凝固過程中，結(jié)晶在熱流控制下，細(xì)小的等軸晶很快長成細(xì)小的定向柱晶，然后分別進(jìn)入單晶選晶器和定向柱晶的選晶器。在單晶選晶器里，多余的柱晶被限制，最后只有一個(gè)晶粒進(jìn)入葉片，為葉片的進(jìn)、排氣邊提供可長成單晶的晶核。在定向柱晶的選晶器里，定向凝固的柱晶群將進(jìn)一步排列組合，整頓方向，優(yōu)先生長的(001)晶向的細(xì)直的柱晶最先進(jìn)入葉片，為葉片中部定向柱晶的凝固提供較直的柱晶核。這樣，在相應(yīng)的定向凝固工藝下，“復(fù)合結(jié)晶器”便起到了單晶與定向柱晶葉片的催化作用。
單晶與定向柱晶復(fù)合葉片的實(shí)施就是相應(yīng)的定向凝固工藝條件加上特殊設(shè)計(jì)的“復(fù)合結(jié)晶器”。
1、工藝條件。單晶與定向柱晶復(fù)合結(jié)晶葉片的實(shí)施必須具備起碼的定向凝固工藝條件。為了有利于單晶生長，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步調(diào)整提高澆注溫度和鑄型加熱器的加熱溫度。為此，澆注溫度由1520℃提高到1550℃。鑄型加熱器的加熱溫度調(diào)整為上區(qū)1500℃，下區(qū)1550℃。
2、“復(fù)合結(jié)晶器”與葉片的連接。它必須與葉片的葉冠端相接。也就是說，使單晶和定向柱晶復(fù)合結(jié)晶葉片從葉冠端開始結(jié)晶。
3、鑄型移動速度。在上述定向凝固的條件下，采用5-7mm/min的鑄型下移速度皆可以得到這種新型葉片。
在上述定向凝固條件下，用另外一種“復(fù)合結(jié)晶器”，僅把上述的“復(fù)合結(jié)晶器”上的定向柱晶選晶器由塊狀改為三根柱狀，同樣可以得到這樣葉片，如圖12所示，由此說明，“復(fù)合結(jié)晶器”上的單晶選晶器是實(shí)施的關(guān)鍵。
權(quán)利要求
1.一種單晶與定向柱晶復(fù)合結(jié)晶葉片，其特征在于該葉片由兩種晶型組成在葉片中部為定向柱晶，在葉片的進(jìn)、排氣邊為單晶。
2.按照權(quán)利要求1所述單晶與定向柱晶復(fù)合結(jié)晶葉片，其特征在于所述單晶寬度為20～30mm。
3.按照權(quán)利要求1所述單晶與定向柱晶復(fù)合結(jié)晶葉片的制造方法，其特征在于具體步驟如下1)將復(fù)合結(jié)晶器安裝在定向結(jié)晶爐的結(jié)晶器上，復(fù)合結(jié)晶器包括單晶選晶器、定向柱晶選晶器和定向凝固啟始段，單晶選晶器、定向柱晶選晶器的兩端均與葉冠、定向凝固啟始段連通，其中單晶選晶器數(shù)量為二個(gè)，分別對應(yīng)于葉片的進(jìn)、排氣邊，定向柱晶選晶器對應(yīng)于葉片中部，定向凝固啟始段與定向結(jié)晶爐連通；2)工藝條件加熱熔化的過熱度為100～150℃，鑄型加熱器的加熱溫度調(diào)整為上區(qū)1500～1530℃，下區(qū)1550～1580℃；3)液態(tài)合金澆入鑄型后，鑄型開始向下移動，在上述定向凝固的條件下，采用5-7mm/min的鑄型下移速度。
4.按照權(quán)利要求3所述單晶與定向柱晶復(fù)合結(jié)晶葉片的制造方法，其特征在于所述葉片的材質(zhì)為高溫合金。
5.按照權(quán)利要求3所述單晶與定向柱晶復(fù)合結(jié)晶葉片的制造方法，其特征在于所述單晶選晶器為單晶螺旋選晶器。
6.按照權(quán)利要求3所述單晶與定向柱晶復(fù)合結(jié)晶葉片的制造方法，其特征在于所述定向柱晶選晶器為塊狀或柱狀，其中柱狀選晶器數(shù)量為3～5個(gè)。
全文摘要
本發(fā)明屬于高溫合金精密鑄范疇，新材料和新工藝領(lǐng)域，具體為新型單晶與定向柱晶復(fù)合結(jié)晶葉片及其制造技術(shù)，用于研制和生產(chǎn)各種類型的高溫合金定向凝固的材料和葉片。該葉片由兩種晶型組成在葉片中部為定向柱晶，在葉片的進(jìn)、排氣邊為具有單晶；其制造方法是將復(fù)合結(jié)晶器安裝在定向結(jié)晶爐的結(jié)晶器上，加熱熔化的過熱度為100～150℃，鑄型加熱器的加熱溫度調(diào)整為上區(qū)1500～1530℃，下區(qū)1550～1580℃；當(dāng)液態(tài)合金澆入鑄型后，鑄型開始向下移動，鑄型下移速度5－7mm/min。本發(fā)明單晶與定向柱晶復(fù)合結(jié)晶葉片綜合性能較高，其制造方法簡單、易行，可以適用于高溫合金生產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)葉片。
文檔編號F01D5/00GK1660524SQ20041002119
公開日2005年8月31日 申請日期2004年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月25日
發(fā)明者樓瑯洪, 寧國山, 趙惠田, 李瑾偉, 文怡 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所