一种复合成分单晶薄壁构件及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种复合成分单晶薄壁构件及其制备方法，属于单晶薄壁构件制备技术领域。本发明专利技术提供的复合成分单晶薄壁构件为Ni3Al基高温合金单晶构件，其薄壁区含钌，TCP析出倾向大大降低，从而能够提高构件高温服役性能；非薄壁区不含钌，整体性价比高。具体的，本发明专利技术通过在相邻单晶放大器之间横向设置连通管路以及分步骤进行浇注和固化，可以准确的控制含钌和不含钌两种合金成分在构件纵向的分布状态，极大提高了铸造的工艺稳定性以及材料的可设计性，实现不同成分单晶薄壁构建的完整制备，有效的抑制了单晶生长过程中小角晶界的产生以及杂晶的生长，有效降低了晶向偏离倾向。向。向。

【技术实现步骤摘要】
一种复合成分单晶薄壁构件及其制备方法


[0001]本专利技术涉及单晶薄壁构件制备
，尤其涉及一种复合成分单晶薄壁构件及其制备方法。

技术介绍

[0002]更先进的高代次航空发动机是各国争夺的新科技制高点，先进航空发动机的发展现状关系到国家安全和国民经济发展。新一代航空发动机的典型技术特征是“宽涵道比可调范围、宽增压比调节率、高涡轮前温度”，其中极限涡轮前温度达到2400K，对高压涡轮单晶叶片的承温能力和服役性能都提出了更加苛刻的要求。
[0003]目前为满足2100～2200K涡轮前温度设计需求，高压涡轮单晶叶片采用超气冷双层壁结构设计，通过将叶片壁厚降低至0.5mm甚至更薄、设计复杂内腔气路和成千的气膜冷却孔，显著提高气冷效率。虽然薄壁构件已成功制备并通过了初步验证，但研究发现，目前先进镍基、Ni3Al基单晶合金薄壁构件在高温下蠕变性能将发生一定的衰退，当壁厚为0.3mm时持久寿命将衰退30％以上。
[0004]最新的研究成果表明，单晶高温合金薄壁构件的高温性能衰退与合金中TCP相(Topologically Close Packed Phases)析出密切相关，由于先进镍基、Ni3Al基单晶高温合金中添加大量Re、Mo、Ta、W等难熔元素来提高合金高温性能，其不可避免将在高温下析出一定量TCP相。TCP相在合金发生蠕变变形的过程中位错从而会在TCP相尖端缠结形成微裂纹，由于薄壁构件受力方式接近平面应力状态，因此其抗裂纹扩展能力较差，裂纹扩展后造成有效承载面积显著下降，故TCP相的析出是导致单晶高温合金薄壁构件高温性能下降的重要原因。
[0005]在先进第五代、第六代镍基单晶高温合金中通常通过添加钌(Ru)元素抑制TCP相析出，加入Ru元素可大幅延长高温条件下合金持久寿命。而Ru是铂族金属中的一员，在地壳中含量仅为十亿分之一，是最稀有的金属之一，在整体薄壁构件中添加势必将导致成本的大幅提高。因此在有效控制整体生产成本的基础上如何提高单晶构件中薄壁区高温服役性能，是目前亟需解决的技术问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种复合成分单晶薄壁构件及其制备方法，采用本专利技术提供的方法制备复合成分单晶薄壁构件，能够在有效控制整体生产成本的基础上提高单晶构件中薄壁区高温服役性能。
[0007]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0008]本专利技术提供了一种复合成分单晶薄壁构件的制备方法，包括以下步骤：
[0009]提供顶部浇注式构件模壳，所述顶部浇注式构件模壳自下而上依次包括单晶放大器组件、铸件型腔组件、浇注盘以及冒口，所述单晶放大器组件包括多个平行设置的单晶放大器，所述铸件型腔组件包括多个平行设置的铸件型腔；所述冒口与浇注盘连通，每个所述
铸件型腔的一端均独立与浇注盘连通，每个所述铸件型腔的另一端均独立连通有一个所述单晶放大器，且每个所述铸件型腔自下而上依次包括第一非薄壁区、薄壁区和第二非薄壁区；相邻所述单晶放大器之间横向设置有连通管路；
[0010]将籽晶置于每个所述单晶放大器的底部，将含有籽晶的顶部浇注式构件模壳置于定向凝固装置中，依次进行第一浇注、第一定向固化、第二浇注、第二定向固化、第三浇注和第三定向固化，得到复合成分单晶薄壁铸件；
[0011]其中，所述第一浇注与第三浇注所用合金为不含钌Ni3Al基单晶高温合金，所述第二浇注所用合金为含钌Ni3Al基单晶高温合金；所述第一浇注的区域为所述单晶放大器所处区域以及第一非薄壁区，所述第二浇注的区域为薄壁区，所述第三浇注的区域为第二非薄壁区、浇注盘所处区域以及冒口所处区域；所述第一定向固化、第二定向固化和第三定向固化的过程中，抽拉速率不超过6mm/min；
[0012]将所述复合成分单晶薄壁铸件依次进行固溶均匀化处理、高温时效处理和低温时效处理，得到复合成分单晶薄壁构件。
[0013]优选地，所述连通管路的直径为0.8～1.2mm。
[0014]优选地，以所述单晶放大器的底端为基准，所述连通管路的设置高度为单晶放大器总高度的1/4处。
[0015]优选地，所述薄壁区的厚度为0.3～2mm。
[0016]优选地，所述含钌Ni3Al基单晶高温合金中钌的含量为0.1～5wt％。
[0017]优选地，所述第一浇注、第二浇注和第三浇注的温度独立为1520～1580℃。
[0018]优选地，所述第一定向固化的过程中，初始抽拉速率为2.5～3.5mm/min，以所述单晶放大器的底端为基准，当所述单晶放大器总高度的3/4处的不含钌Ni3Al基单晶高温合金熔体完全凝固时增加抽拉速率，至单晶放大器底端处抽拉速率为4～6mm/min时使所述第一非薄壁区的不含钌Ni3Al基单晶高温合金熔体完全凝固。
[0019]优选地，所述抽拉速率的增加速率为0.3～0.7mm/min。
[0020]优选地，所述第二定向固化和第三定向固化的过程中抽拉速率为4～6mm/min。
[0021]本专利技术提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的复合成分单晶薄壁构件。
[0022]本专利技术提供了一种复合成分单晶薄壁构件的制备方法。本专利技术提供的复合成分单晶薄壁构件为Ni3Al基高温合金单晶构件，其薄壁区含钌，TCP析出倾向大大降低，从而能够提高构件高温服役性能；非薄壁区不含钌，整体性价比高。本专利技术基于梯度成分设计制备复合成分单晶薄壁构件，能够在有效控制整体生产成本的基础上提高单晶构件中薄壁区高温服役性能。具体的，本专利技术通过在相邻单晶放大器之间横向设置连通管路以及分步骤进行浇注和固化，可以准确的控制含钌和不含钌两种合金成分在构件纵向的分布状态，极大提高了铸造的工艺稳定性以及材料的可设计性，实现不同成分单晶薄壁构建的完整制备，有效的抑制了单晶生长过程中小角晶界的产生以及杂晶的生长，有效降低了晶向偏离倾向。
附图说明
[0023]图1为本专利技术中顶部浇注式构件模壳以及定向凝固装置的结构示意图；图中1为籽晶，2为单晶放大器，3为第二非薄壁区，4为薄壁区，5为第一非薄壁区，6为浇注盘，7为冒口，8为连通管路，9为水平支撑部件，10为高温室，11为冷却室，12为循环水冷却体，13为第一磁
感应熔化炉，14为第二磁感应熔化炉；
[0024]图2为本专利技术中制备复合成分单晶薄壁铸件的工艺流程图；
[0025]图3为实施例1中制备复合成分单晶薄壁铸件时单晶生长速率示意图；
[0026]图4为实施例1中制备的复合成分单晶薄壁铸件的形貌和枝晶尺寸图以及复合成分单晶薄壁构件的微观组织形貌图；
[0027]图5为实施例1中制备的复合成分单晶薄壁铸件的薄壁区与非薄壁区不同壁厚试样的蠕变试验结果图；
[0028]图6为实施例1中制备的复合成分单晶薄壁铸件的薄壁区与非薄壁区试样的热暴露试验结果图；
[0029]图7为对比例1制备的复合成分单晶薄壁构件的纵向枝晶结构光镜图；
[0030]图8为对比例2制备的非复合成分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合成分单晶薄壁构件的制备方法，包括以下步骤：提供顶部浇注式构件模壳，所述顶部浇注式构件模壳自下而上依次包括单晶放大器组件、铸件型腔组件、浇注盘以及冒口，所述单晶放大器组件包括多个平行设置的单晶放大器，所述铸件型腔组件包括多个平行设置的铸件型腔；所述冒口与浇注盘连通，每个所述铸件型腔的一端均独立与浇注盘连通，每个所述铸件型腔的另一端均独立连通有一个所述单晶放大器，且每个所述铸件型腔自下而上依次包括第一非薄壁区、薄壁区和第二非薄壁区；相邻所述单晶放大器之间横向设置有连通管路；将籽晶置于每个所述单晶放大器的底部，将含有籽晶的顶部浇注式构件模壳置于定向凝固装置中，依次进行第一浇注、第一定向固化、第二浇注、第二定向固化、第三浇注和第三定向固化，得到复合成分单晶薄壁铸件；其中，所述第一浇注与第三浇注所用合金为不含钌Ni3Al基单晶高温合金，所述第二浇注所用合金为含钌Ni3Al基单晶高温合金；所述第一浇注的区域为所述单晶放大器所处区域以及第一非薄壁区，所述第二浇注的区域为薄壁区，所述第三浇注的区域为第二非薄壁区、浇注盘所处区域以及冒口所处区域；所述第一定向固化、第二定向固化和第三定向固化的过程中，抽拉速率不超过6mm/min；将所述复合成分单晶薄壁铸件依次进行固溶均匀化处理、高温时效处理和低温时效处理，得到复合成分单晶薄壁构件。2.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵海根，马国铨，张双琪，李树索，裴延玲，宫声凯，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：