一种减少单晶高温合金截面突变处杂晶形成的方法技术

本发明专利技术涉及金属材料凝固控制领域，具体为一种减少单晶高温合金截面突变处杂晶形成的方法。在单晶高温合金定向生长过程中，截面突变处由于散热较快容易形成局部过冷而形成杂晶。该方法是在单晶高温合金铸件定向凝固过程中施加直流电流，利用固/液相之间以及不同温度熔体之间的电阻率差异，使电流在截面突变处的边部形成偏聚，因而在温度较低部位产生更多的焦耳热，减轻或消除截面突变处的局部过冷，从而降低或消除杂晶形核和生长倾向。本发明专利技术通过在单晶高温合金生长过程中施加直流电流减少截面突变处杂晶的生成，获得取向一致性好，组织均匀致密的单晶组织，解决目前在铸造单晶高温合金结构件时截面突变处极易形成杂晶的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种减少单晶高温合金截面突变处杂晶形成的方法
本专利技术涉及金属材料凝固控制领域，具体为一种减少单晶高温合金截面突变处杂晶形成的方法。
技术介绍
单晶高温合金铸件是制造先进发动机的关键件，其组织完整性是保证其高性能的重要前提。然而，对于存在截面突变的单晶高温合金铸件，其定向凝固铸造过程中截面突变处的边部由于散热较快，极易形成局部过冷，当过冷满足形核和生长条件时，该处发生杂晶的生长，严重降低单晶铸件的性能。在目前的实际生产中，采用高速凝固法(HRS)或液态金属冷却法(LMC)对于单晶生长宏观温度场均可进行较好地控制。然而，对于通过控制截面突变处局部温度场以减少单晶铸件的杂晶形成目前尚缺乏有效方法。在金属材料凝固制备过程中施加电流场，利用电流在熔体中产生焦耳热等多种物理效应，可改变金属凝固过程中的温度场和溶质场，从而实现对凝固组织的控制，相关研究已历经多年。文献表明，采用电流凝固可改善包括高温合金在内的多种金属材料的凝固组织。申请人前期研究表明，在单晶高温合金定向生长过程中施加直流电流可以减小枝晶间距，减轻偏析，提高单晶合金的室温拉伸性能和持久性能。但相关研究仅针对直径不变的单晶圆棒，未涉及变截面铸件。另外，关于利用电流减少单晶高温合金截面突变处杂晶的研究，目前未见相关报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种减少单晶高温合金截面突变处杂晶形成的方法，，解决目前在铸造单晶高温合金结构件时截面突变处极易形成杂晶的问题，适用于制备各种截面突变的单晶高温合金铸件。本专利技术的技术方案如下：一种减少单晶高温合金截面突变处杂晶形成的方法，通过在单晶高温合金铸件定向凝固过程中施加直流电流，消除其截面突变处的杂晶，获得组织完整性良好的单晶高温合金铸件；将单晶高温合金母合金熔体注入经预热的模壳或模具，模壳或模具固定于水冷盘上，在下拉装置的带动下缓慢下移，实现定向凝固，在此过程中施加直流电流以控制截面突变处的局部温度场，直至整个铸件完全凝固，最终制得截面突变处无杂晶或少杂晶的单晶高温合金铸件。所述的减少单晶高温合金截面突变处杂晶形成的方法，直流电流作用下单晶高温合金铸件制备时，电流密度为20～200A/cm2，电流作用时间为凝固开始至整个单晶铸件凝固结束。所述的减少单晶高温合金截面突变处杂晶形成的方法，直流电流作用下单晶高温合金铸件制备时，处理开始时熔体过热温度20～100℃。所述的减少单晶高温合金截面突变处杂晶形成的方法，直流电流作用下单晶高温合金铸件制备时，模壳或模具预热温度1000～1200℃。所述的减少单晶高温合金截面突变处杂晶形成的方法，直流电流作用下单晶高温合金铸件制备时，水冷盘下移速度20～200μm/s。所述的减少单晶高温合金截面突变处杂晶形成的方法，该方法用于不同结构单晶高温合金铸件的制备。本专利技术的设计思想如下：在单晶高温合金铸件定向凝固制备过程中施加直流电流，利用电流的偏聚分布和焦耳热两种效应改善截面突变处的局部温度场，实现减小或消除杂晶的目的。(1)偏聚效应：在单晶生长过程中，截面突变处由于散热较快，靠近边部温度较低，边部的电阻率小于中心部位，电流选优先选择从这些温度较低部位通过，产生电流的偏聚，因而通过截面突变处温度较低的边部的电流密度大于温度较高的中心部位的电流密度；(2)焦耳热效应：单晶生长过程中由于通入电流，边部偏聚的电流产生更多的焦耳热，从而形成一定的温度补偿机制，使得截面突变处边部与中心部位的温度差减小甚至消除，有利于保证宏观界面的平直，减小或消除截面突变处的局部过冷，从热力学条件上减轻该处杂晶形核和生长的倾向，有利于单晶铸件截面突变处的组织完整性，以满足对单晶高温合金铸件日益苛刻的组织和性能需求。本专利技术通过在单晶高温合金铸件定向凝固过程中施加直流电流减少或消除其截面突变处杂晶的形成。利用电流在固液界面处偏聚分布和焦耳热两种效应改善截面突变处的局部温度场，从热力学条件上减轻杂晶形核和生长的倾向，有利于提高单晶铸件截面突变处的组织完整性，满足工业上对单晶高温合金铸件的组织和性能需求。与现有技术相比，本专利技术的优点和有益效果如下：1.采用本专利技术是在传统HRS或LMC单晶铸造设备和工艺的基础上进行改进，引入提供直流电流的电源和电极，不需要对传统设备和工艺参数进行大改动，具有设备简单、操作方便、安全易行、可以制备各种结构单晶高温合金铸件等优点。2.与传统HRS或LMC单晶高温合金铸造工艺相比，采用本专利技术可在对截面突变处的温度场进行局部控制，因此可有效地减少杂晶的形成，制备出组织完整性良好的单晶高温合金铸件。3.与采用改变局部模具厚度等方法相比，采用本专利技术能更容易实施，由于电流的偏聚效应，使得本方法条件下宏观固液界面形状具有一定的自动调整能力，可用于制造不同复杂结构单晶高温合金铸件。4.与较高电压的电磁场凝固控制方法相比，本专利技术采用的电流密度小，且为直流电流，避免在固液界面前沿形成电磁力引起的强制对流，有利于单晶组织的稳定生长；另外，由于电流密度小，电压低，因此安全性较好，易在实际生长中推广应用。5.在单晶高温合金定向生长过程中，截面突变处由于散热较快容易形成局部过冷而形成杂晶。本专利技术方法是在单晶高温合金铸件定向凝固过程中施加直流电流，利用固/液相之间以及不同温度熔体之间的电阻率差异，使电流在截面突变处的边部形成偏聚，因而在温度较低部位产生更多的焦耳热，减轻或消除截面突变处的局部过冷，从而降低或消除杂晶形核和生长倾向。本专利技术通过在单晶高温合金生长过程中施加直流电流减少截面突变处杂晶的生成，获得取向一致性好，组织均匀致密的单晶组织。附图说明图1为本专利技术减少单晶高温合金截面突变处杂晶形成的装置示意图。图中，1直流电源；2电极；3熔体；4水冷盘；5模具；6加热炉；7下拉装置。图2为未施加电流(a)与实施例1施加电流(b)获得的单晶高温合金铸件变截面处的凝固组织。具体实施方式如图1所示，本专利技术减少单晶高温合金截面突变处杂晶形成的装置，主要包括：直流电源1、电极2、熔体3、水冷盘4、模具5、加热炉6、下拉装置7等，具体结构如下：加热炉6中设置模具5，通过加热炉6在模具5中形成熔体3，直流电源1的正极与石墨电极2的一端连接，石墨电极2的另一端伸至模具5内的熔体3中，模具5和熔体3坐落在水冷盘4上，水冷盘4与直流电源1的负极连接，水冷盘4底部与下拉装置7相连，通过水冷盘4和下拉装置7使熔体3定向凝固成铸件。在具体实施过程中，本专利技术减少单晶高温合金截面突变处杂晶形成的方法具体过程如下：1.将所述直流电源1放于加热炉6外的支架上，直流电流由直流电源1产生。2.浇注前将模具5固定于水冷盘4上，并置于加热炉6中预热0.5～2h。3.在真空炉中熔炼母合金后将熔体3注入预热的模具5中，将石墨电极2插入熔体3中，电流从直流电源1的正极通过石墨电极2通入熔体3，再经由水冷盘4导出，并与直流电源1的负极相连，回到电源1的负极，形成电流回路。4.开动下拉装置7，熔体随水冷盘4向下移出加热炉6而发生定向凝固，在整个过程中打开电源1通入直流电流。水冷盘下移速度20～200μm/s，电流密度10～200A/cm2。该方法具有由于电流密度小，电压低，安全性较好，易在实际生长中推广应用，适用于制备各种结构单晶高温合金铸件，可显著减少其杂晶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种减少单晶高温合金截面突变处杂晶形成的方法，其特征在于，通过在单晶高温合金铸件定向凝固过程中施加直流电流，消除其截面突变处的杂晶，获得组织完整性良好的单晶高温合金铸件；将单晶高温合金母合金熔体注入经预热的模壳或模具，模壳或模具固定于水冷盘上，在下拉装置的带动下缓慢下移，实现定向凝固，在此过程中施加直流电流以控制截面突变处的局部温度场，直至整个铸件完全凝固，最终制得截面突变处无杂晶或少杂晶的单晶高温合金铸件。

【技术特征摘要】
1.一种减少单晶高温合金截面突变处杂晶形成的方法，其特征在于，通过在单晶高温合金铸件定向凝固过程中施加直流电流，消除其截面突变处的杂晶，获得组织完整性良好的单晶高温合金铸件；将单晶高温合金母合金熔体注入经预热的模壳或模具，模壳或模具固定于水冷盘上，在下拉装置的带动下缓慢下移，实现定向凝固，在此过程中施加直流电流以控制截面突变处的局部温度场，直至整个铸件完全凝固，最终制得截面突变处无杂晶或少杂晶的单晶高温合金铸件。2.按照权利要求1所述的减少单晶高温合金截面突变处杂晶形成的方法，其特征在于，直流电流作用下单晶高温合金铸件制备时，电流密度为20～200A/cm2，电流作用时间为凝固开始至整个单...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨院生，冯小辉，李应举，罗天骄，韩小伟，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21