控制镍基高温合金台阶状铸件杂晶缺陷的定向凝固方法技术

一种控制镍基高温合金台阶状铸件杂晶缺陷的定向凝固方法，通过对铸件的一些散热很快、容易冷却的局部位置，粘贴单层或多层不同导热系数的绝热材料，在局部形成复合型壳，改变散热很快的局部区域的导热率，从而有效降低该区域的过冷度，使定向凝固过程中该处杂晶无法形核，最终达到消除杂晶缺陷的目的。本发明专利技术对设备的要求低，并且具有工艺简单的特点，对不同成分的镍基高温合金都具有普遍的适用性。

【技术实现步骤摘要】
控制镍基高温合金台阶状铸件杂晶缺陷的定向凝固方法
本专利技术涉及高温合金铸件的定向凝固技术，具体是一种控制高温合金台阶状铸件杂晶缺陷的定向凝固方法。
技术介绍
高温合金具有良好的高温力学性能，主要应用在航空发动机以及工业燃气机中高温部件的制造。而涡轮叶片等是航空发动机和工业燃气轮机的最核心部件，随着对飞机发动机和工业燃气机更大动力的需求，要求其叶片等必须在更高温度、更大压力下工作，这就需要将高温合金通过定向凝固的方法制造成具有定向晶组织或单晶组织的涡轮叶片或其它铸件，并且对凝固组织的缺陷进行严格的控制，对杂晶缺陷必须控制到很低的水平，甚至完全消除。由于高温合金叶片等铸件形状复杂，或形状复杂并且尺寸大,常常导致铸件在截面尺寸变化的区域温度场发生突然的、大幅度的变化，使传热过程很不均匀，并由此引起凝固的界面形状不平以及温度梯度下降，使该区域容易出现杂晶这类凝固缺陷。目前高温合金定向晶叶片或单晶叶片等铸件主要通过在具有足够高的高温强度的陶瓷型壳中通过Bridgman定向凝固的方式进行制造。这种制造工艺所需要的陶瓷型壳采用单一的型壳材料。在铸件截面尺寸变化大的区域，传统的、单一材料的型壳，由于其恒定的导热率，无法与截面几何形状的变化相匹配，导致铸件散热在不同部位不均匀。在复杂几何形状铸件的定向凝固过程中，当凝固界面推进到截面突增的区域后，大截面的外拐角部位等区域散热速度很快，形成大的过冷度，使凝固界面前沿会形成新的结晶核心,该结晶核心进一步长大并阻止原来柱状晶或单晶的继续生长，从而形成杂晶缺陷。总之，杂晶缺陷的形成过程中，型壳与铸件的形状之间在有些局部不匹配导致导热的不均匀起到了非常重要的作用，这是问题的症结所在。目前的这种定向凝固技术容易形成杂晶缺陷。杂晶这类缺陷破坏了凝固组织的定向性和单晶组织的完整性,形成了新的晶界缺陷，从而会导致发动机或燃汽轮机叶片等铸件的使用寿命大幅降低，或者报废。目前包括杂晶在内的凝固缺陷是高温合金定向晶或单晶铸件不合格率高居不下的主要原因。如，国际上几大公司GeneralElectric、Alstom、Siemens、Mitsubish生产的涡轮定向晶及单晶叶片的不合格率达20-30％，而国内的不合格率则高达60-70％。如果能找到一些新的方法，充分控制定向凝固过程的散热速度和其几何形状变化之间的协调性，使其凝固过程散热更加均匀，则可以减少杂晶，甚至消除杂晶，从而使定向凝固的叶片等铸件的不合格率显著减少。而且通过检索国内外的专利文献和论文数据库可知,目前国内外尚未见到通过调控局部型壳导热率的定向凝固方法来控制杂晶缺陷的报道。
技术实现思路
为克服现有技术中存在的由于型壳与铸件的形状之间在有些局部不匹配导致导热的不均匀导致铸件的杂晶缺陷的不足，本专利技术提出了一种控制镍基高温合金台阶状铸件杂晶缺陷的定向凝固方法。本专利技术具体过程是：步骤1，确定界面前沿过冷度较大的部位；通过Procast铸造软件对台阶状铸件的定向凝固全过程进行数值模拟计算分析。具体过程是：第一步，生成铸件的网格。采用常规方法进行铸件的网格划分，得到该铸件的网格模型。检查所述铸件的网格中可能存在的错误；所述的错误包括负体积和网格节点交叉；若发生所述错误，则重新进行铸件的网格划分；若无错误则进行第二步；第二步，生成扣箱的网格。在制作扣箱时，采用常规方法进行扣箱的网格划分，得到该扣箱的网格模型。检查所述扣箱的网格中可能存在的错误；所述的错误包括负体积和网格节点交叉；若发生所述错误，则重新进行扣箱的网格划分；若无错误则进行第三步；第三步，向Procast软件中输入铸件和型壳的物性参数，所述的物性参数是通过常规方法得到的该铸件在不同温度下的导热率、粘度、密度，以及型壳在不同温度下的导热率。第四步，确定定向凝固过程中的边界条件。所述的边界条件包括型壳与铸件的传热系数和扣箱的发射率。所述的传热系数的值，是指在稳定传热条件下，该铸件与型壳界面两侧空气温差为1℃时，1s内通过1m2面积传递的热量，该传热系数的单位是W/m2·℃。第五步，设定扣箱的移动速率和定向凝固过程的初始条件。所述扣箱上不同区域为该扣箱分别与定向凝固炉的加热区、隔热板区和冷却区对应的部位。所述扣箱的移动速率与抽拉系统的抽拉速率相同。第六步，确定界面前沿过冷度较大的部位。所述在确定界面前沿过冷度较大部位时，通过求解N-S方程得到定向凝固过程中固液界面形貌的变化，并根据所述定向凝固过程中固液界面形貌的变化确定界面前沿过冷度较大的部位。步骤2，压型的制作；根据设计的台阶状铸件的几何尺寸制造压型；步骤3，蜡模的制作；将模料注入压型内腔并凝固成为蜡模，将该蜡模取出并放入10℃以下的冷水中定型。步骤4，底层型壳的制作；采用常规方法制作底层型壳。步骤5，底层型壳的脱蜡与烧结；将得到的底层型壳放入150℃的蒸气中，将蜡模全部熔化得到中空的底层型壳。将脱蜡后的底层型壳在900℃条件下焙烧2h，保证型壳的强度达到设计要求。步骤6，复合型壳的黏合；根据步骤1中确定的界面前沿过冷度较大的部位，将该界面前沿过冷度较大的部位与厚度为3～6mm复合型壳片层粘结，形成复合型壳。所述粘结复合型壳片层的粘结剂为硅溶胶，将该复合型壳放置12小时使其硬化。所述复合型壳片层的导热系数小于0.1W/m·℃。步骤7，浇铸合金液。将镍基高温合金母料切割加工成3～5块合金块。采用常规方法将所述合金块放入定向凝固炉的坩埚中，并将定向凝固炉内抽真空至6×10-3Pa并保持；对该坩埚加热至合金块完全熔化；将得到的合金液浇入型壳中，完成合金液的浇铸。步骤8，抽拉。将浇入型壳中合金液保温静置30min后，以20～120μm/s的抽拉速率进行定向凝固，得到台阶状铸件，并实现杂晶缺陷的消除或显著减少。本专利技术的核心思想是通过对铸件的一些散热很快、容易冷却的局部位置，如大截面的角部等，粘贴单层或多层不同导热系数的绝热材料，在局部形成复合型壳，改变散热很快的局部区域的导热率，从而有效降低该区域的过冷度，使定向凝固过程中该处杂晶无法形核，最终达到消除杂晶缺陷的目的。这种在变截面区域角部等过冷容易形成的部位，通过形成局部复合型壳的技术非常重要，不仅可以避免杂晶等缺陷的形成，同时由于复合材料的导热系数可控，故还可以提高局部区域凝固界面前沿的温度梯度避免其它缺陷，如雀斑，小角度晶界等的形成。从文献检索可知,目前国内外尚未见到通过局部复合不同导热率的型壳来控制杂晶缺陷的报道。对本专利技术得到的试样进行宏观腐蚀后，可以看到使用复合型壳的变截面铸件内部并未出现杂晶这类缺陷。说明通过上述工艺处理后，镍基高温合金凝固组织内部未出现杂晶缺陷，可以作为控制定向凝固过程中杂晶缺陷形成的方法。本专利技术在确定界面前沿过冷度较大的部位时，通过求解N-S方程得到定向凝固过程中固液界面形貌的变化，即凝固分数分布场，并根据所述定向凝固过程中固液界面形貌的变化确定界面前沿过冷度较大的部位。本专利技术中的电熔刚玉为在2000～2400℃时将铝矾土在电炉内和碳反应，去除SiO2和Fe2O3等杂质，熔融后制得结晶αAl2O3。本专利技术中的糊状模料为石蜡-硬脂酸模料，由于硬脂酸分子是极性分子，故对涂料的湿润性好，因而在石蜡中加入硬脂酸，能改善模料的涂挂性，石蜡和硬脂酸的配比为各50％。所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种控制镍基高温合金台阶状铸件杂晶缺陷的定向凝固方法，其特征在于，具体过程是：步骤1，确定界面前沿过冷度较大的部位；通过Procast铸造软件对台阶状铸件的定向凝固全过程进行数值模拟计算分析；具体过程是：第一步，生成铸件的网格；采用常规方法进行铸件的网格划分，得到该铸件的网格模型；检查所述铸件的网格中可能存在的错误；所述的错误包括负体积和网格节点交叉；若发生所述错误，则重新进行铸件的网格划分；若无错误则进行第二步；第二步，生成扣箱的网格；在制作扣箱时，采用常规方法进行扣箱的网格划分，得到该扣箱的网格模型；检查所述扣箱的网格中可能存在的错误；所述的错误包括负体积和网格节点交叉；若发生所述错误，则重新进行扣箱的网格划分；若无错误则进行第三步；第三步，向Procast软件中输入铸件和型壳的物性参数，所述的物性参数是通过常规方法得到的该铸件在不同温度下的导热率、粘度、密度，以及型壳在不同温度下的导热率；第四步，确定定向凝固过程中的边界条件；所述的边界条件包括型壳与铸件的传热系数和扣箱的发射率；所述的传热系数的值，是指在稳定传热条件下，该铸件与型壳界面两侧空气温差为1℃时，1s内通过1m2面积传递的热量，该传热系数的单位是W/m2·℃；第五步，设定扣箱的移动速率和定向凝固过程的初始条件；第六步，确定界面前沿过冷度较大的部位；所述在确定界面前沿过冷度较大部位时，通过求解N‑S方程得到定向凝固过程中固液界面形貌的变化，并根据所述定向凝固过程中固液界面形貌的变化确定界面前沿过冷度较大的部位；步骤2，压型的制作；根据设计的台阶状铸件的几何尺寸制造压型；步骤3，蜡模的制作；将模料注入压型内腔并凝固成为蜡模，将该蜡模取出并放入10℃以下的冷水中定型；步骤4，底层型壳的制作；采用常规方法制作底层型壳；步骤5，底层型壳的脱蜡与烧结；将得到的脱蜡放入150℃的蒸气中，将蜡模全部融化得到中空的底层型壳；将脱蜡后的底层型壳在900℃条件下焙烧2h，保证型壳的强度达到设计要求；步骤6，复合型壳的黏合；根据步骤1中确定的界面前沿过冷度较大的部位，将该界面前沿过冷度较大的部位与厚度为3～6mm复合型壳片层粘结，形成复合型壳；所述复合型壳片层时的粘结剂为硅溶胶，将该复合型壳放置12小时使其硬化；所述复合型壳片层的导热系数小于0.1W/m·℃；步骤7，浇铸合金液；将镍基高温合金母料切割加工成3～5块合金块；采用常规方法将所述合金块放入定向凝固炉的坩埚中，并将定向凝固炉内抽真空至6×10‑3Pa并保持；对该坩埚加热至合金块完全融化；将得到的合金液浇入型壳中，完成合金液的浇铸；步骤8，抽拉；将浇入型壳中合金液保温静置30min后，以20～120μm/s的抽拉速率进行定向凝固，得到台阶状铸件，并实现杂晶缺陷的消除或显著减少。...

【技术特征摘要】
1.一种控制镍基高温合金台阶状铸件杂晶缺陷的定向凝固方法，其特征在于，具体过程是：步骤1，确定界面前沿过冷度较大的部位；通过Procast铸造软件对台阶状铸件的定向凝固全过程进行数值模拟计算分析；具体过程是：第一步，生成铸件的网格；采用常规方法进行铸件的网格划分，得到该铸件的网格模型；检查所述铸件的网格中可能存在的错误；所述的错误包括负体积和网格节点交叉；若发生所述错误，则重新进行铸件的网格划分；若无错误则进行第二步；第二步，生成扣箱的网格；在制作扣箱时，采用常规方法进行扣箱的网格划分，得到该扣箱的网格模型；检查所述扣箱的网格中可能存在的错误；所述的错误包括负体积和网格节点交叉；若发生所述错误，则重新进行扣箱的网格划分；若无错误则进行第三步；第三步，向Procast软件中输入铸件和型壳的物性参数，所述的物性参数是通过常规方法得到的该铸件在不同温度下的导热率、粘度、密度，以及型壳在不同温度下的导热率；第四步，确定定向凝固过程中的边界条件；所述的边界条件包括型壳与铸件的传热系数和扣箱的发射率；所述的传热系数的值，是指在稳定传热条件下，该铸件与型壳界面两侧空气温差为1℃时，1s内通过1m2面积传递的热量，该传热系数的单位是W/m2·℃；第五步，设定扣箱的移动速率和定向凝固过程的初始条件；第六步，确定界面前沿过冷度较大的部位；在确定界面前沿过冷度较大部位时，通过求解N-S方程得到定向凝固过程中固液界面形貌的变化，并根据所述定向凝固过程中固液界面形貌的变化确定界面前沿过冷度较大的部位；步骤2，...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦岭，沈军，高淑新，李秋冬，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61