專利名稱：一種判定定向凝固柱晶高溫合金熱裂傾向性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于定向凝固領(lǐng)域，涉及ー種判定定向凝固柱晶高溫合金熱裂傾向性的方法。
背景技術(shù)：
定向凝固高溫合金的產(chǎn)生與發(fā)展是為了滿足發(fā)動機性能和可靠性不斷增長的需求。20世紀60年代中期，美國PW公司發(fā)明了定向凝固エ藝。在凝固過程中采用強制手段，在凝固金屬和未凝固熔體中建立起特定方向的溫度梯度，從而使熔體在型壁上形核后，沿著與熱流相反的方向，按要求的結(jié)晶取向進行凝固。定向凝固技術(shù)可以較好地控制凝固組織的晶粒取向，消除橫向晶界，獲得柱晶或單晶，提高材料的縱向力學(xué)性能，因而自它誕生·以來得到了迅速地發(fā)展，并逐漸應(yīng)用到高溫材料、磁性材料，復(fù)合材料等的研制中，成為凝固理論研究的重點之一。美國首先將定向凝固エ藝用于鎳基高溫合金，制成平行于主應(yīng)力方向的低彈性模量的
取向柱狀晶渦輪葉片，極大的提高了部件的蠕變強度、塑性及熱疲勞性能。由此形成了定向凝固高溫合金。從此，定向葉片成為各類先進發(fā)動機的重要特色，美國的GE以及英國的R *R等發(fā)動機廠都大量生產(chǎn)定向渦輪葉片、導(dǎo)向葉片等。定向凝固技術(shù)的發(fā)展使鋳造高溫合金承溫能力大幅度提高，從承溫能力最高的等軸晶合金到第四代單晶合金，其承溫能力提高約180°C。我國在20世紀70年代開始研制定向凝固柱晶高溫合金，隨著我國航空發(fā)動機的發(fā)展需求，定向凝固柱晶高溫合金得到了迅速的發(fā)展和應(yīng)用。DZ4、DZ125、IC10等合金已用于制作各種類型發(fā)動機的渦輪工作葉片和導(dǎo)向器葉片。但是定向凝固空心氣冷葉片易于出現(xiàn)熱裂紋，可鑄性差會限制定向凝固柱晶高溫合金的應(yīng)用。定向凝固柱晶高溫合金可鑄性的最重要標志是熱裂傾向性，防止熱裂紋的產(chǎn)生對獲得健全鑄件具有重要的意義。受研究條件的限制，對熱裂紋形成的真實過程還無法直接觀測。為此，采用定向凝固空心薄壁管狀試樣，研究定向凝固柱晶高溫合金薄凝固過程的裂紋形成傾向，建立定向高溫合金熱裂傾向性評定方法，用于評價成分變化對定向凝固柱晶高溫合金可鑄性的影響。(USPatent4169742中Rene’ 142合金研制中化學(xué)成分的調(diào)整首先是通過實驗室裂紋實驗來驗證的，采取的可鑄性實驗是用ー個套筒形坩堝，在其內(nèi)部放ー個直徑較小的陶瓷管，在坩堝內(nèi)開ー個小于I英寸的槽，通過適當(dāng)?shù)膲|片將陶瓷管放在坩堝里，直徑為小11_的合金棒放在陶瓷管內(nèi)，整個裝置被放在能夠進行定向凝固的機構(gòu)里，當(dāng)合金棒料熔化時，熔化的金屬就會充滿坩堝和陶瓷管之間的空間以及整個陶瓷管，并進行定向凝固，除去陶瓷管以及沉積在里面的合金，得到壁厚約為I. 5_的試管。根據(jù)實驗結(jié)果制定了 6個評定等級A級ー無裂紋；B級ー頂端小裂紋切裂紋長度小于12. 7mm ；C級ーI條較大的裂紋長度超過12. 7mm ；D級ー2條或3條裂紋；E級ー裂紋多于3條少于8條；F級ー許多裂紋且大部分位于晶界。USPatent4169742與本專利中采用的試驗方法和評價方法均不不同，本專利采用熔模鑄造法制備管狀試樣，制備方法與葉片采用的制備方法完全一致，排除了試驗制備方法不同造成的結(jié)果偏差；本專利中的管狀試樣尺寸是三種尺寸I. OmmU. 5mm和2. 0mm，評定標準是根據(jù)三種尺寸的管狀試樣是否有裂紋及是否出現(xiàn)穿透性裂紋，評定了 10個等級。)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供ー種判定定向凝固柱晶高溫合金熱裂傾向性的方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是針對定向凝固葉片薄壁特點，建立薄壁管狀定向凝固試樣裝置。在試驗過程中進行如下操作(I)根據(jù)空心葉片壁厚容易出現(xiàn)裂紋的區(qū)間范圍，壓制管狀試樣蠟?zāi)＃軤钤嚇酉災(zāi)５谋诤駎分為三種尺寸,分別為tfl. 0mm、t2=l. 5mm和t3=2. 0mm,試樣長度為120mm ；(2)每個厚度的管狀試樣為三個，九個管狀試樣均勻分布在ー個蠟?zāi)５妆P上，管狀試樣的一端焊接在蠟?zāi)５妆P上，管狀試樣的另一端焊上相應(yīng)的澆道和澆ロ杯蠟?zāi)?，組合成·一組定向凝固熱裂試驗用蠟?zāi)Ｄ＝M；(3)按照通用的エ藝步驟制備陶瓷殼型；(4)在與澆鑄葉片相同的エ藝參數(shù)條件下，采用真空定向凝固爐對管狀試樣的精鑄模殼進行熱裂傾向性試驗，依據(jù)試驗結(jié)果將合金熱裂傾向性分為4個情況，即全不裂、h試管裂、h和t2試管裂，以及tp t2和t3全裂；(5)根據(jù)試驗結(jié)果的4個情況，分別對不同情況進行處理。所述的對試驗結(jié)果出現(xiàn)穿透性裂紋時，進行エ藝參數(shù)或合金參數(shù)調(diào)整。本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明提出的方法，可以很好地評定定向凝固柱晶高溫合金的熱裂傾向性，根據(jù)熱裂情況的等級評定合金元素對熱裂紋的影響程度，在合金設(shè)計中淘汰熱裂傾向嚴重的化學(xué)成分，對熱裂傾向等級小的化學(xué)成分進行元素調(diào)整以提高合金的可鑄性。


圖I是本發(fā)明管狀試樣示意圖；圖2是本發(fā)明陶瓷殼型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明管狀試樣成蠟?zāi)５妆P上的分布示意圖。
具體實施例方式下面對本發(fā)明做進ー步詳細說明。參見圖I、圖2和圖3，其特征在于，在制造精密鑄造殼型的過程中進行如下操作(I)壓制管狀試樣臘模,壁厚t設(shè)計成三種尺寸，分別為tfL Omm > t2=l. 5mm和t3=2. 0mm,試樣長度為120_ ；(2)每種三個組焊在直徑為220mm的蠟?zāi)５妆P上，九個試樣均勻分布，再焊上相應(yīng)的澆道和澆ロ杯蠟?zāi)?，組合成一組定向凝固熱裂試驗用蠟?zāi)Ｄ＝M；(3)按照正常的エ藝步驟制備陶瓷殼型；(4)在與澆鑄葉片相同的エ藝參數(shù)條件下，采用真空定向凝固爐對管狀試樣的精鑄模殼進行熱裂傾向性試驗，依據(jù)試驗結(jié)果將合金熱裂傾向性分為4個情況，即全不裂、試管裂、ti和t2試管裂，以及ti、t2和t3全裂；(5)根據(jù)試驗結(jié)果的4個情況，分別對不同情況進行處理。考慮薄壁定向凝固鑄件易產(chǎn)生穿透性裂紋的特點，將三種尺寸管狀試樣的熱裂紋情況分為三個等級，即無熱裂紋(no)、只有非穿透性裂紋(np)和產(chǎn)生了穿透性裂紋(p)。分析熱裂紋形成情況，三種尺寸的管狀試樣出現(xiàn)熱裂紋的情況只能存在10種情形，這10種情形分別是 I- Onol. 5no2. Ono、I. Onpl. 5no2. Ono、I. OnpI. 5np2. Ono、I. OnpI. 5np2. Onp、
I.Opl. 5no2. 0no> I. Opl. 5np2. 0no> I. Opl. 5np2. Onp> I. Opl. 5p2. 0no> I. Opl. 5p2. Onp>
I.Opl. 5p2. Op。實際過程中，對于合金在相同エ藝條件下，隨熱裂傾向增加，將熱裂紋情況分為10個熱裂傾向等級，如表I所示，等級越高，熱裂越嚴重。表I·
I .Oiiim 武管 no up up I p p j p up p |1 p熱 1 :/ 1,3mm 試脅 no no up I no np gp no np p p2.Omin 試 ir no no no i no no I no no np np p熱裂傾_I 2 3 丨 4 5 1:6 I S 9 io注no為不裂；np為非芽透性裂；p為芽透性裂實施例。選取北京航空材料研究院自行研制的定向合金IClO為試驗材料，考察元素Ti、Al和B含量對合金熱裂傾向性的影響。當(dāng)合金中Ti元素含量分別為0. 2%和0. 8%時，合金的熱裂傾向性等級分別為2級和4級，Al含量為6. 1%時熱裂傾向性等級為4級，B含量為0. 03%時熱裂傾向性等級為4-6級。為此合金調(diào)整為0%Ti、5. 8%A1、0. 015%B，熱裂傾向性等級降為I級。采用0%Ti-5. 8%Al-0. 015%B的合金澆注某型發(fā)動機高壓導(dǎo)向葉片沒有出現(xiàn)熱裂紋，表面質(zhì)量完好，說明該合金具有良好的可鑄性。表2
AA T試樣壁厚，]「 「 ] r 「 r I r
合金I 0 1.0 1.0 I 5 1.5 1.5 2.0 2.0 2.0
_mm__________
穿透裂紋 000000000
非穿透裂紋 I |2「I |0 |0 |0 I 0 10 0
_^_I級 __—
穿透裂紋 2 3 110 2 0 0 00.8%Ti 非穿透裂紋 0 1_2 1_3 1_2 1_2 1_3 I 0 10 0_I熱裂傾_等「3-4級__m_i~"
穿透裂紋 12 10 0 0 0 0 0
非穿透裂紋 2 0 I丨I丨3 3 0丨0丨06J %A1熱裂傾_等飛4述
_I_上!級 __
穿透裂絞 221000000非穿透裂紋 12 12 13 12 0
_I__ 亡!繳 __·穿透裂紋 000000000
非穿透裂紋 0000000000Ti5.8A10.015B ,, ,, , , ^----------
熱裂傾向等
__L_
權(quán)利要求
1.一種判定定向凝固柱晶高溫合金熱裂傾向性的方法，其特征在于，在試驗過程中進行如下操作 (1)根據(jù)空心葉片壁厚容易出現(xiàn)裂紋的區(qū)間范圍，壓制管狀試樣蠟?zāi)＃軤钤嚇酉災(zāi)５谋诤駎分為三種尺寸,分別為1^=1. Omm> t2=l. 5mm和t3=2. 0mm,試樣長度為120mm ； (2)每個厚度的管狀試樣為三個，九個管狀試樣均勻分布在一個蠟?zāi)５妆P上，管狀試樣的一端焊接在蠟?zāi)５妆P上，管狀試樣的另一端焊上相應(yīng)的澆道和澆口杯蠟?zāi)?，組合成一組定向凝固熱裂試驗用蠟?zāi)Ｄ＝M； (3)按照通用的工藝步驟制備陶瓷殼型； (4)在與澆鑄葉片相同的工藝參數(shù)條件下，采用真空定向凝固爐對管狀試樣的精鑄模殼進行熱裂傾向性試驗，依據(jù)試驗結(jié)果將合金熱裂傾向性分為4個情況，即全不裂、試管裂、h和t2試管裂，以及tp t2和t3全裂； (5)根據(jù)試驗結(jié)果的4個情況，分別對不同情況進行處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種判定定向凝固柱晶高溫合金熱裂傾向性的方法，其特征在于，所述的對試驗結(jié)果出現(xiàn)穿透性裂紋時，進行工藝參數(shù)或合金參數(shù)調(diào)整。
全文摘要
本發(fā)明屬于定向凝固領(lǐng)域，涉及一種判定定向凝固柱晶高溫合金熱裂傾向性的方法。針對定向凝固葉片薄壁特點，建立薄壁管狀定向凝固試樣裝置。在試驗過程中進行如下操作(1)根據(jù)空心葉片壁厚容易出現(xiàn)裂紋的區(qū)間范圍，壓制管狀試樣蠟?zāi)＃?2)將管狀試樣在一個蠟?zāi)５妆P上并焊上相應(yīng)的澆道和澆口杯蠟?zāi)?，組合成一組定向凝固熱裂試驗用蠟?zāi)Ｄ＝M；(3)按照通用的工藝步驟制備陶瓷殼型；(4)采用真空定向凝固爐對管狀試樣的精鑄模殼進行熱裂傾向性試驗，并依據(jù)試驗結(jié)果分別對不同情況進行處理。本發(fā)明可以很好地評定定向凝固柱晶高溫合金的熱裂傾向性，根據(jù)熱裂情況的等級評定合金元素對熱裂紋的影響程度，以提高合金的可鑄性。
文檔編號C30B21/02GK102784904SQ20121026556
公開日2012年11月21日 申請日期2012年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月27日
發(fā)明者張強, 李嘉榮, 王艷麗, 趙希宏, 黃朝暉 申請人:中國航空工業(yè)集團公司北京航空材料研究院