减少杂晶产生的单晶合金定向凝固方法及模壳结构技术

本发明专利技术涉及单晶高温合金定向凝固制备工艺，尤其是一种有效克服籽晶表面产生的沉积，以及由籽晶侧壁与模壳之间的间隙造成的杂晶问题的减少杂晶产生的单晶合金定向凝固生产方法及模壳结构，包括如下步骤：a、制备<001>取向的籽晶，并将籽晶表面磨抛至光亮；b、在预制完毕的籽晶顶端沉积设置抗氧化金属层，然后将籽晶放入籽晶模壳的底部；c、完成浇铸并得到叶片。本发明专利技术不仅能够大幅提高叶片的铸件质量，还能够有效提高单晶叶片的成材率，尤其适用于籽晶法结合选晶法生产单晶高温合金叶片的工艺之中。艺之中。艺之中。

【技术实现步骤摘要】
减少杂晶产生的单晶合金定向凝固方法及模壳结构


[0001]本专利技术涉及单晶高温合金定向凝固制备工艺，尤其是一种减少杂晶产生的单晶合金定向凝固生产方法及模壳结构。

技术介绍

[0002]航空发动机是飞机的心脏，被誉为工业上的皇冠，而作为工业皇冠上的明珠，涡轮叶片的制作技术水平是衡量一个国家科技水平和航空工业发展实力的重要标志。随着定向凝固等技术地不断发展，当代的叶片也由传统的等轴晶组织演变为性能更高的单晶组织。目前，制备单晶叶片的方式主要分为两种，一种是由底部添加螺旋选晶器，通过定向凝固过程过滤掉杂晶，选出靠近<001>方向的单晶组织，称为“选晶法”；另一种是预制出<001>取向的籽晶，置于底座上，随后浇入的金属液在凝固过程中，“复制”籽晶的取向而生长为单晶叶片，即“籽晶法”。
[0003]选晶法工艺相对简单，在工业中得到广泛应用，但由于是晶粒自然竞争生长的结果，无法精确控制单晶叶片的三维取向。籽晶法克服了这一缺点，对于叶片横向的取向也能得到有效控制。在实际生产中，籽晶表面由于各种因素容易产生杂晶，因此一般采用籽晶法和选晶法相结合的方式。
[0004]预制的籽晶放入模壳底部，与螺旋段相连，螺旋段另一端再连接叶片，与炉内气氛联通。在模壳的升温及保温过程中，籽晶在这种炉内氛围的直接影响下，将不断有氧化沉积层产生。沉积层的存在阻隔了籽晶与金属液的接触，严重干扰了金属液复制籽晶取向的生长过程，容易产生小角度晶界及杂晶。另一方面，籽晶装入模壳后，籽晶侧壁与模壳之间存在间隙，金属液流入其中，在凝固过程中会产生杂晶。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种有效克服籽晶表面产生的沉积，以及由籽晶侧壁与模壳之间的间隙造成的杂晶问题的减少杂晶产生的单晶合金定向凝固方法及模壳结构。
[0006]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：减少杂晶产生的单晶合金定向凝固方法，包括如下步骤：a、制备<001>取向的籽晶，并将籽晶表面磨抛至光亮；b、在预制完毕的籽晶顶端沉积设置抗氧化金属层，然后将籽晶放入籽晶模壳的底部；c、完成浇铸并得到叶片。
[0007]进一步的是，步骤a中，通过线切割制备<001>取向的籽晶。
[0008]进一步的是，步骤a中，采用砂纸将籽晶表面磨抛至光。
[0009]进一步的是，步骤b中，抗氧化金属层为Pt层。
[0010]进一步的是，步骤b中，抗氧化金属层采用电镀、溅射或蒸镀的方式沉积设置于籽晶顶端。
[0011]进一步的是，步骤b中，抗氧化金属层厚度范围为0.05um～20um之间。
[0012]进一步的是，减少杂晶产生的单晶合金定向凝固方法的模壳结构，包括螺旋选晶器、颈缩段和籽晶模壳，所述螺旋选晶器的底部通过颈缩段与籽晶模壳顶部连通，其中，颈缩段内径范围为螺旋选晶器的螺旋段内径尺寸的50％以下。
[0013]进一步的是，所述颈缩段为中空的刚玉陶瓷管。
[0014]进一步的是，所述颈缩段为中空的陶瓷圆环。
[0015]本专利技术的有益效果是：本专利技术的核心构思是在籽晶表面涂覆一层一定厚度的抗氧化金属层，同时，将籽晶与螺旋选晶器通过颈缩段相连。其中，抗氧化金属层能够抑制籽晶表面产生沉积层，从而减少由此导致的杂晶情况。而颈缩段有效避免了由籽晶侧壁与模壳的间隙中长出的杂晶对主晶粒的影响。本专利技术不仅能够大幅提高叶片的铸件质量，还能够有效提高单晶叶片的成材率，尤其适用于籽晶法结合选晶法生产单晶高温合金叶片的工艺之中。
附图说明
[0016]图1是本专利技术的结构示意图。
[0017]图2是本专利技术采用直径细小的中空刚玉陶瓷管来实现颈缩的示意图。
[0018]图3是本专利技术采用中间掏空的陶瓷圆环来实现颈缩的示意图。
[0019]图4是本专利技术制得的产品的无沉积氧化物的金相图的微观无沉积层示意图。
[0020]图5是未使用本专利技术而产生沉积并导致杂晶产生的金相图。
[0021]图中标记为：籽晶模壳1、颈缩段2、螺旋选晶器3、螺旋段31。
具体实施方式
[0022]下面结合附图对本专利技术进一步说明。
[0023]如图1、图2、图3所示的减少杂晶产生的单晶合金定向凝固的模壳结构，包括螺旋选晶器3，包括颈缩段2和籽晶模壳1，所述螺旋选晶器3的底部通过颈缩段2与籽晶模壳1顶部连通，其中，颈缩段2内径范围为螺旋选晶器3的螺旋段31内径尺寸的50％以下。
[0024]本专利技术可减少单晶高温合金叶片氧化物夹杂及杂晶产生。其设计构思是以籽晶法配合选晶法制备单晶高温合金叶片为基础，在籽晶顶端沉积一层特定厚度的抗氧化金属层，同时，将籽晶模壳1内的籽晶与螺旋选晶器3通过一段颈缩段2相连，从而抑制杂晶的产生。其中，如图2所示，可以选择溅射的方式在籽晶顶端沉积一层Pt，厚度约0.1um，颈缩段2由直径细小的中空刚玉陶瓷管提供。另外，如图3所示，也可以选择通过电镀的方式在籽晶断面镀Pt，厚度约8um，颈缩段2则通过中间掏空的陶瓷圆环实现。如图1以及图2所示，由于颈缩段2内径范围为螺旋选晶器3的螺旋段内径尺寸的50％以下，一般螺旋选晶器3的底部通过逐渐缩小的缩口结构与颈缩段2连通。
[0025]在实际使用时，包括如下步骤：a、制备<001>取向的籽晶，并将籽晶表面磨抛至光亮；b、在预制完毕的籽晶顶端沉积设置抗氧化金属层，然后将籽晶放入籽晶模壳的底部；c、完成浇铸并得到叶片。通过图4至图5的金相图对比，也可以很清楚的说明本专利技术的技术优势。图4为本专利技术制得的产品的无沉积氧化物的金相图的微观无沉积层示意图，图5是未使用本专利技术而产生沉积并导致杂晶产生的金相图，其中，图5中的杂晶十分明显，而图4所示的本专利技术制得的叶片很好的控制了杂晶的产生。通过对比可以得出，本专利技术的技术方案与传
统方式相比，成功的抑制了籽晶表面产生沉积层，从而减少由此导致的杂晶情况，其技术优势十分明显，市场推广前景十分广阔。
[0026]作为对上述方案的进一步优选，优选步骤a中，通过线切割制备<001>取向的籽晶。以及在步骤a中，采用砂纸将籽晶表面磨抛至光，其中，以1200#砂纸为宜。另外，就步骤b中，优选抗氧化金属层为Pt层，从而获得更优的抗氧化隔绝效果。就抗氧化金属层而言，抗氧化金属层可以采用电镀、溅射或蒸镀的方式沉积设置于籽晶顶端即可。结合实践，优选抗氧化金属层厚度范围为0.05um～20um之间，从而实现各方面效果的最佳平衡。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.减少杂晶产生的单晶合金定向凝固方法，其特征在于，包括如下步骤：a、制备<001>取向的籽晶，并将籽晶表面磨抛至光亮；b、在预制完毕的籽晶顶端沉积设置抗氧化金属层，然后将籽晶放入籽晶模壳(1)的底部；c、完成浇铸并得到叶片。2.如权利要求1所述的减少杂晶产生的单晶合金定向凝固方法，其特征在于：步骤a中，通过线切割制备<001>取向的籽晶。3.如权利要求1所述的减少杂晶产生的单晶合金定向凝固方法，其特征在于：步骤a中，采用砂纸将籽晶表面磨抛至光。4.如权利要求1所述的减少杂晶产生的单晶合金定向凝固方法，其特征在于：步骤b中，抗氧化金属层为Pt层。5.如权利要求1或4所述的减少杂晶产生的单晶合金定向凝固方法，其特征在于：步骤b中，抗氧化金属层采用电镀、溅射或蒸镀的方式沉积...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋扬，王远斌，李小政，张凡，王勇，杜小兵，
申请(专利权)人：成都航宇超合金技术有限公司，
类型：发明
国别省市：