专利名称：单晶与定向柱晶复合结晶叶片及其制造方法
技术领域：
本发明属于高温合金精密铸造范畴，新材料和新工艺领域，具体为新型单晶与定向柱晶复合结晶叶片及其制造技术，用于研制和生产各种类型的高温合金定向凝固的材料和叶片。
背景技术：
能源是国民经济建设的动力，高性能燃气轮机的研究与开发是可持续发展所需求的理想动力系统，发达国家均把燃气轮机的研究与发展作为科技优先发展战略给予高度重视，并得到重点、快速的发展。为了实现我国能源可持续发展战略，国家的能源政策也做了重要调整，要大力发展洁净燃煤技术，开发油气田，西气东输等等。因此，国家也把燃气轮机作为重点发展方向，燃气轮机发展的关键技术之一是其涡轮叶片材料及其制造工艺，为此中国科学院把工业燃气轮机叶片材料及其制造工艺的研究作为“十五”期间重要研制项目列入计划，在金属研究所进行研制。
燃气轮机叶片材料与工艺的研制通常是吸纳航空发动机叶片的成功经验和技术。因此，先进的高温合金定向凝固技术也被列入研制工业燃气轮机的定向结晶叶片。叶片的定向结晶是指叶片在凝固过程中控制热流方向，使结晶沿着平行叶片主应力轴的方向生长，形成定向生长的柱状晶组织。因为定向结晶叶片消除了横向晶界，其性能和使用寿命较等轴晶叶片有明显提高。如果在定向凝固过程中进一步设法只使一个晶粒定向生长，最后获得单晶叶片，其性能会得到进一步提高，因为单晶不仅消除了横向晶界，而且纵向晶界也不存在了。
然而航空发动机用的叶片与工业燃气轮机用的叶片在尺寸上有较大差别。前者长度一般只有100mm左右，重约250克；而燃气轮机叶片长达几百毫米以上，重量至少在几千克以上。由于燃气轮机叶片尺寸大、重量大、热量大等特点，因此给这种大叶片的定向结晶工艺的研制增加了相当难度，若使其生成单晶叶片就更难了。
发明内容
本发明的目的在于提供一种综合性能较高的新型单晶与定向柱晶复合结晶叶片及其制造方法。
本发明的技术方案是一种单晶与定向柱晶复合结晶叶片，该叶片由两种晶型组成在叶片中部为定向柱晶，在叶片的进、排气边为单晶。
所述单晶宽度可以为20～30mm。
上述单晶与定向柱晶复合结晶叶片的制造方法，具体步骤如下1)将复合结晶器安装在定向结晶炉的结晶器上，复合结晶器包括单晶选晶器、定向柱晶选晶器和定向凝固启始段，单晶选晶器、定向柱晶选晶器的两端均与叶冠、定向凝固启始段连通，其中单晶选晶器数量为二个，分别对应于叶片的进、排气边，定向柱晶选晶器对应于叶片中部，定向凝固启始段与定向结晶炉连通；2)工艺条件加热熔化的过热度为100～150℃，铸型加热器的加热温度调整为上区1500～1530℃，下区1550～1580℃；3)液态合金浇入铸型后，铸型开始向下移动，在上述定向凝固的条件下，采用5-7mm/min的铸型下移速度。
4、按照权利要求3所述单晶与定向柱晶复合结晶叶片的制造方法，其特征在于所述叶片的材质为高温合金。
所述单晶选晶器可以为单晶螺旋选晶器。
所述定向柱晶选晶器可以为块状或柱状，其中柱状选晶器数量为3～5个。
本发明的有益效果是1、本发明单晶与定向柱晶复合结晶叶片综合性能较高。该叶片由两种晶型组成在叶片中部为定向柱晶，在叶片的进、排气边为具有一定宽度的单晶。定向结晶叶片消除了横向晶界，其性能和使用寿命较等轴晶叶片有明显提高，如果在定向凝固过程中进一步设法只使一个晶粒定向生长，最后获得单晶叶片，其性能会得到进一步提高，因为单晶不仅消除了横向晶界，而且纵向晶界也不存在了。材料的组织结构决定材料的性能，材料的性能反映出其组织的状况，叶片的性能和其组织结构共同反映出这种叶片的优良的质量。
2、本发明单晶与定向柱晶复合结晶叶片的制造方法简单、易行。该方法采用相应的定向凝固工艺条件加上特殊设计的“复合结晶器”，将复合结晶器安装在定向结晶炉的结晶器上，复合结晶器包括单晶选晶器、定向柱晶选晶器和定向凝固启始段，单晶选晶器、定向柱晶选晶器的两端均与叶冠、定向凝固启始段连通，其中单晶选晶器数量为二个，分别对应于叶片的进、排气边，定向柱晶选晶器对应于叶片中部，定向凝固启始段与定向结晶炉连通，“复合结晶器”起到了单晶与定向柱晶叶片的催化作用。
3、本发明可以适用于高温合金生产燃气轮机叶片。
图1为航空发动机与工业燃气轮机叶片的形状、尺寸的对比实物照片。
图2为本发明定向结晶大叶片实物照片。
图3为本发明叶片的单晶与柱晶复合结晶组织照片。
图4为本发明叶片性能测试的取样部位示意图。
图5a～d分别为图4中6、5、4、2号取样部位枝晶组织分布图片。
图6a～d分别为图4中6、5、4、2号取样部位共晶组织分布图片。
图7a～d分别为图4中6、5、4、2号取样部位碳化物组织分布图片。
图8为本发明带复合结晶器的单晶与定向柱晶复合结晶叶片图片。
图9为本发明复合结晶器结构以及与叶片连接关系示意图。
图10为图9的A-A剖视图。
图11为图9的B-B剖视图。
图12为本发明另一种复合结晶器的单晶与定向柱晶复合结晶叶片照片。
具体实施例方式
本实施例选用5000系列燃气轮机的大叶片(300mm、重2500克)为研究对象，开展研究工作，该叶片的材质采用定向凝固高温合金GTD-111。图1示出航空发动机与所选用的工业燃气轮机叶片的形状、尺寸的对比实物照片。
本发明是在燃气轮机叶片定向结晶工艺的研制过程中，既完成了大叶片定向结晶工艺的研究，研制出定向结晶的大叶片，如图2所示。同时又研制成功了一种单晶与定向复合结晶的新型叶片。该叶片由两种晶型组成在叶片中部为定向柱晶，在叶片的进、排气边为具有一定宽度(本实施例为20～30mm)的单晶。图3示出了这种新型叶片的结晶组织。由照片可以看出，这是一种单晶与定向柱晶在凝固过程中形成的共生、共长和共存的新型复合结晶叶片。
1、单晶与定向柱晶复合结晶叶片性能。为了了解单晶与定向柱晶复合结晶叶片的性能，特从该叶片的不同部位切取不同的试样进行性能测试。图4示出该叶片的取样部位。
(1)冷热疲劳。从叶片进气边单晶区和叶片中部定向柱晶区分别切取冷热疲劳试样进行测试比较。冷热疲劳试验是利用温度冷热的急剧变化引起材料产生裂纹，以检验材料的冷热疲劳强度。这种试验与叶片在使用过程所受急冷急热的变化状况相似。因此，选用冷热疲劳试验目的也是在于模拟叶片使用状况，对材料进行比较。试验结果如表所示。单晶试样经过66次冷热疲劳试验没有发现裂纹产生，而且仍无产生裂纹的迹象。定向柱晶试样经过19次冷热疲劳试验，在试样边缘发生裂纹，并且沿晶界穿过疏松和氧化带延伸扩展。由此对比可见单晶结构的优越性。
(2)高温持久和瞬时性能。从叶片中部定向柱晶区切取Φ3mm的高温持久和高温瞬时试样进行测试。测试结果如表1所示。从测试结果可以看出，无论是在叶片上部，还是在叶片下部，取样性能达到或超过材料所规定的要求。对于做过性能测试的样品再进行金相检查，在叶片上、下部的枝晶、共晶和碳化物的大小和分布都比较好。如图5、6、7所示，材料的组织结构决定材料的性能，材料的性能反映出其组织的状况。叶片的性能和其组织结构共同反映出这种叶片的优良的质量。
(3)板状样品性能。叶片的进、排气边都是比较薄的，为了了解在排气边单晶区的性能，从叶片排气边单晶区切取厚2mm的板状样品进行高温瞬时性能试验，结果如表1所示，实测数据远远高于要求值，这也反映出单晶结构的优越性。
表1单晶与定向柱晶复合结晶叶片性能
2、单晶与定向柱晶复合结晶叶片的制造方法。根据单晶和定向柱晶结晶原理，除了对其定向凝固工艺参数进行必要的调整外，主要是为此特殊设计了一个“复合结晶器”。该“复合结晶器”由三部分组成，即由单晶螺旋选晶器、定向柱晶选晶器和定向凝固启始段组成。使用时将“复合结晶器”与叶片的叶冠相接，“复合结晶器”上的两个单晶选晶器分别对准叶片的进、排气边，“复合结晶器”的定向柱晶选晶器对准叶片中部。图8示出了研制成功的带“复合结晶器”的单晶与定向柱晶复合结晶叶片。
新型单晶与定向柱晶复合结晶叶片的研制成功是巧妙运用单晶与定向结晶规律的结果。叶片在定向凝固过程中，结晶长成何种类型的结晶体，主要取决凝固区域液相合金温度梯度分布。大叶片在定向凝固时，由于其进、排气边相对较薄，液体量少，凝固较快、固相导热系数大等因素，造成其凝固区液相合金的温度梯度高于同截面定向柱晶生长的叶片中部。于是，便形成了在叶片进、排气边生长单晶和在叶片中部生长定向柱晶的条件。也就是说，在叶片相同截面具备了单晶和定向柱晶共生、共长的条件。只要提供晶核就可以使其同时生长两种结晶了。单晶与定向柱晶“复合结晶器”便能起到这种作用。这样，在定向凝固的工艺条件下，便可以使之结晶成这种新型叶片。
1、“复合结晶器”结构和它与叶片1的连接。“复合结晶器”是由单晶螺旋选晶器3与定向柱晶选晶器4结合而成。它包括三部分单晶选晶器3、定向柱晶选晶器4和定向凝固启始段5。图9示出其结构和它与叶片的连接情况。
图10为“复合结晶器”的单晶螺旋选晶器3和定向柱晶选晶器4与叶片1的叶冠2连接位置。图11为“复合结晶器”上的单晶选晶器3、定向柱晶选晶器4和定向凝固启始段5的组合情况。
2、“复合结晶器”的作用单晶与定向柱晶复合结晶叶片的“复合结晶器”直接安装在定向结晶炉的结晶器上。在定向凝固的初期，当液态合金浇入铸型后，铸型开始向下移动。液态合金在结晶器的激冷下，在“复合结晶器”的启始段生成一层细小的等轴晶。在继续凝固过程中，结晶在热流控制下，细小的等轴晶很快长成细小的定向柱晶，然后分别进入单晶选晶器和定向柱晶的选晶器。在单晶选晶器里，多余的柱晶被限制，最后只有一个晶粒进入叶片，为叶片的进、排气边提供可长成单晶的晶核。在定向柱晶的选晶器里，定向凝固的柱晶群将进一步排列组合，整顿方向，优先生长的(001)晶向的细直的柱晶最先进入叶片，为叶片中部定向柱晶的凝固提供较直的柱晶核。这样，在相应的定向凝固工艺下，“复合结晶器”便起到了单晶与定向柱晶叶片的催化作用。
单晶与定向柱晶复合叶片的实施就是相应的定向凝固工艺条件加上特殊设计的“复合结晶器”。
1、工艺条件。单晶与定向柱晶复合结晶叶片的实施必须具备起码的定向凝固工艺条件。为了有利于单晶生长，在此基础上进一步调整提高浇注温度和铸型加热器的加热温度。为此，浇注温度由1520℃提高到1550℃。铸型加热器的加热温度调整为上区1500℃，下区1550℃。
2、“复合结晶器”与叶片的连接。它必须与叶片的叶冠端相接。也就是说，使单晶和定向柱晶复合结晶叶片从叶冠端开始结晶。
3、铸型移动速度。在上述定向凝固的条件下，采用5-7mm/min的铸型下移速度皆可以得到这种新型叶片。
在上述定向凝固条件下，用另外一种“复合结晶器”，仅把上述的“复合结晶器”上的定向柱晶选晶器由块状改为三根柱状，同样可以得到这样叶片，如图12所示，由此说明，“复合结晶器”上的单晶选晶器是实施的关键。
权利要求
1.一种单晶与定向柱晶复合结晶叶片，其特征在于该叶片由两种晶型组成在叶片中部为定向柱晶，在叶片的进、排气边为单晶。
2.按照权利要求1所述单晶与定向柱晶复合结晶叶片，其特征在于所述单晶宽度为20～30mm。
3.按照权利要求1所述单晶与定向柱晶复合结晶叶片的制造方法，其特征在于具体步骤如下1)将复合结晶器安装在定向结晶炉的结晶器上，复合结晶器包括单晶选晶器、定向柱晶选晶器和定向凝固启始段，单晶选晶器、定向柱晶选晶器的两端均与叶冠、定向凝固启始段连通，其中单晶选晶器数量为二个，分别对应于叶片的进、排气边，定向柱晶选晶器对应于叶片中部，定向凝固启始段与定向结晶炉连通；2)工艺条件加热熔化的过热度为100～150℃，铸型加热器的加热温度调整为上区1500～1530℃，下区1550～1580℃；3)液态合金浇入铸型后，铸型开始向下移动，在上述定向凝固的条件下，采用5-7mm/min的铸型下移速度。
4.按照权利要求3所述单晶与定向柱晶复合结晶叶片的制造方法，其特征在于所述叶片的材质为高温合金。
5.按照权利要求3所述单晶与定向柱晶复合结晶叶片的制造方法，其特征在于所述单晶选晶器为单晶螺旋选晶器。
6.按照权利要求3所述单晶与定向柱晶复合结晶叶片的制造方法，其特征在于所述定向柱晶选晶器为块状或柱状，其中柱状选晶器数量为3～5个。
全文摘要
本发明属于高温合金精密铸范畴，新材料和新工艺领域，具体为新型单晶与定向柱晶复合结晶叶片及其制造技术，用于研制和生产各种类型的高温合金定向凝固的材料和叶片。该叶片由两种晶型组成在叶片中部为定向柱晶，在叶片的进、排气边为具有单晶；其制造方法是将复合结晶器安装在定向结晶炉的结晶器上，加热熔化的过热度为100～150℃，铸型加热器的加热温度调整为上区1500～1530℃，下区1550～1580℃；当液态合金浇入铸型后，铸型开始向下移动，铸型下移速度5－7mm/min。本发明单晶与定向柱晶复合结晶叶片综合性能较高，其制造方法简单、易行，可以适用于高温合金生产燃气轮机叶片。
文档编号F01D5/00GK1660524SQ20041002119
公开日2005年8月31日 申请日期2004年2月25日 优先权日2004年2月25日
发明者楼琅洪, 宁国山, 赵惠田, 李瑾伟, 文怡 申请人:中国科学院金属研究所