一种提高薄壁单晶高温合金铸件性能稳定性的方法与流程

本发明涉及单晶高温合金制备技术领域，具体涉及一种提高薄壁单晶高温合金铸件性能稳定性的方法。

背景技术：

为了满足不断提高发动机效率，提高发动机推重比，先进航空发动机的涡轮进口温度不断提高，这就要求作为发动机关键部件的涡轮叶片必须承受更高的温度。先进的涡轮叶片多采用承温能力更高的镍基单晶高温合金以及复杂的冷却结构来实现。目前单晶叶片结构多为薄壁多孔结构，壁厚达到～0.5mm数量级，叶片壁分布有上百个气膜孔。气膜孔孔径达到～0.4mm。这种复杂结构，极大地提高了叶片的冷却效果，从而提高叶片的承温能力。

对单晶叶片的分析过程中发现，同批次生产的单晶叶片性能并不完全相同，分散度较大。相同环境条件下，使用相同时间后的单晶叶片有的已发生局部损伤，而有的保持完好。由于单晶叶片多应用于先进航空发动机，每个发动机都有几百片叶片，任何一片叶片出现问题都将造成不可挽回的致命灾难，因此，如何提升单晶铸件的性能稳定性成为亟待解决的关键问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种提高薄壁单晶高温合金铸件性能稳定性的方法，在基本保持原单晶铸件制造工艺的前提下，提高单晶铸件的性能稳定性，从而保证使用该部件设备的安全稳定服役。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种提高薄壁单晶高温合金铸件性能稳定性的方法，该方法首先制备单晶合金籽晶，在单晶铸件的型壳装入定向凝固炉之前，在型壳中加入籽晶，通过控制单晶薄壁铸件的二次枝晶取向来提高铸件性能稳定性。该方法具体包括如下步骤：

(1)制备单晶薄壁铸件蜡模，并在薄壁铸件的起晶段蜡模上做两个二次枝晶取向的方向控制凸起标记，并使两个凸起标记连线与择优二次枝晶取向平行，并保证在型壳成型后凸起标记依然清晰；

(2)制备单晶高温合金籽晶：

采用选晶法制备单晶试棒，切去试棒顶端及过渡段，从试棒中部切取样品，采用电子背散射衍射方法确定试棒样品的[001]取向与试棒轴向取向偏差，并确定单位晶格取向分布，根据单位晶格取向分布情况，切取10mm×10mm×30mm籽晶，籽晶表面经过仔细磨抛和清洗，备用；

(3)制壳、脱蜡及型壳焙烧：

在蜡型上依次涂挂面层浆料和加固层浆料，然后将制备好的型壳用高压脱蜡釜进行脱蜡；脱蜡后的型壳在电炉内焙烧后备用；

(4)放置籽晶：

按照型壳上二次取向的方向控制凸起标记，确定籽晶二次枝晶取向摆放方案(两个凸起标记连线与籽晶二次枝晶取向平行)；二次枝晶取向偏差0～±5°，并用料浆固定；

(5)定向凝固：

将经步骤(6)放置籽晶的模壳放入定向凝固炉中，在定向凝固过程中，加热炉温度1500～1580℃，型壳保温时间10～20min，浇注温度1500～1580℃，抽拉速度2～8mm/min。

步骤(1)中，所述蜡模包括起晶段、过渡段、铸件、浇道、浇注系统和浇口杯，可根据铸件具体尺寸及外形尺寸进行设计。

步骤(2)中，籽晶切取要求为：籽晶的两个10mm边长分别沿[010]和[100]取向，30mm边长沿[001]取向。

步骤(3)中，在蜡型上制壳的过程为：蜡型首先涂挂面层料浆1-2层，粘度控制在35～40s，撒砂为ec95砂；然后涂挂加固层料浆3-6层，粘度控制在12～18s，撒砂为ec95砂；最后涂挂一层加固层料浆，粘度控制在12～18s，不撒砂。

步骤(3)中，将制备好的型壳用高压脱蜡釜进行脱蜡时，压力控制在0.6～0.7mpa，温度165～170℃，脱蜡时间为15～20分钟。

步骤(3)中，型壳的焙烧过程为：型壳平放在电炉底板上，焙烧温度900℃±20℃，时间≥2小时，允许低于500℃入炉，到保温时间后允许开炉门降温。

本发明的设计机理如下：

镍基单晶高温合金具有面心立方f.c.c.结构，本身具有各向异性的特征，而[001]取向是面心立方晶体的择优生长方向，且该取向具有最低的杨氏模量，亦即较小的变形量，因此单晶铸件制造过程中一般控制铸件的轴向沿[001]取向，而对二次枝晶取向(与叶身垂直的方向)并不人为进行控制。本发明研究发现，二次枝晶取向对单晶薄壁件的性能影响显著。对薄壁单晶铸件的室温拉伸性能、持久性能研究结果显示，二次枝晶取向[011]的薄壁单晶铸件性能低于二次枝晶取向[010]铸件。而热疲劳实验数据显示二次枝晶取向[010]铸件孔周热疲劳裂纹萌生、扩展都较二次枝晶取向[011]铸件慢，因此，通过对二次枝晶取向进行控制可进一步提高单晶薄壁铸件的性能，从而提高单晶叶片的性能稳定性。

本发明在薄壁单晶铸件的制备过程中，采用籽晶法控制单晶铸件的二次枝晶取向，改善合金由于二次枝晶取向差异引起的铸件服役过程中滑移系启动情况，降低由于单晶各向异性特征导致各个取向热应力的差异，把单晶各向异性的影响降到最低程度，从而改善单晶薄壁铸件的性能稳定性。

本发明的优点和有益效果如下：

本发明采用简单可行的方法，在薄壁单晶铸件定向凝固前加入籽晶，控制二次枝晶取向，制备单晶薄壁铸件。本发明在基本保持原单晶铸件制造工艺的前提下，提高了单晶薄壁件的性能稳定性。

附图说明

图1为二次枝晶样品取向示意图；其中：(a)、(b)与(c)为不同二次枝晶取向样品。

图2为控制二次枝晶取向得到的不同二次枝晶取向薄壁铸件横截面组织；其中：(a)二次枝晶取向相对薄壁件表面呈0°；(b)二次枝晶取向相对薄壁件表面呈20°；(c)二次枝晶取向相对薄壁件表面呈45°。

图3为择优二次枝晶取向与随机二次枝晶取向薄壁件室温-1100℃热疲劳裂纹扩展对比；

图4为择优二次枝晶取向与随机二次枝晶取向薄壁件的持久性能及数据分散度对比。

图5为择优取向与随机取向室温拉伸屈服强度与数据分散度对比。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，以下结合实例对本发明进行描述，但实例仅为对本发明的特点和优点做进一步阐述，而不是对本发明权利要求的限制。

实施例1

本实施例为0.5mm厚单晶薄壁铸件的制备，过程如下：

(1)制备单晶薄壁铸件蜡模：

蜡模包括起晶段、过渡段、铸件、浇道、浇注系统和浇口杯等。可根据铸件具体尺寸及外形尺寸进行设计。

在薄壁铸件的起晶段蜡模上做两个二次取向的方向控制凸起标记(两个凸起)，两个凸起标记的连线与择优二次枝晶取向平行，标记保证在型壳成型后依然清晰。

(2)制备单晶高温合金籽晶：

采用选晶法制备单晶试棒，切去试棒顶端及过渡段，从试棒中部取样，采用电子背散射衍射方法确定试棒的[001]取向与试棒轴向取向偏差，并确定单位晶格取向分布，根据单位晶格取向分布情况，切取10mm×10mm×30mm籽晶(10mm边长沿[010]和[100]取向，30mm边长沿[001]取向)，保证10mm边平行于二次枝晶取向。籽晶表面经过仔细磨抛和清洗，备用。

(3)制壳：

蜡型首先涂挂面层料浆1-2层，粘度控制在35-40s，撒砂为ec95砂；

然后涂挂加固层料浆3-6层，粘度控制在12-18s，撒砂为ec95砂；

最后涂挂1层加固层料浆，粘度控制在12-18s，不撒砂。

(4)脱蜡：

将制备好的型壳用高压脱蜡釜进行脱蜡，压力控制在0.7mpa，温度170℃，脱蜡时间为20分钟。

(5)型壳的焙烧：

型壳平放在电炉底板上，焙烧温度：900℃±20℃，时间≥2小时，允许低于500℃入炉，到保温时间后允许开炉门降温。

(6)放置籽晶：

按照型壳上二次取向的方向控制凸起标记的连线方向，将30组型壳分为三组，分别按照不同摆放方式放置籽晶，使籽晶的二次枝晶取向(10mm边方向)相对薄壁件表面分别呈0°、20°、45°，二次枝晶取向与设计偏差＜5°，并用料浆固定。图1为不同二次枝晶取向籽晶放置示意图。

(7)定向凝固：

将上述模壳放入定向凝固炉中，在定向凝固过程中，加热炉温度1550℃，型壳保温时间10min，浇注温度1550℃，抽拉速度3mm/min。

将制备好的三组薄壁单晶完全热处理后，加工薄壁拉伸试样，进行拉伸试验，统计择优取向试样屈服强度平均值与数据分散度，与随机试样结果比较。

图2为控制二次枝晶取向得到的不同二次枝晶取向薄壁铸件横截面组织，二次枝晶取向相对薄壁件表面分别呈0°、20°、45°。

图3为择优二次枝晶取向与随机二次枝晶取向薄壁件室温-1100℃热疲劳裂纹扩展对比。

图4为择优二次枝晶取向与随机二次枝晶取向薄壁件的持久性能及数据分散度对比。

图5为择优取向与随机取向室温拉伸屈服强度与数据分散度对比。

测量分析结果表明：具有择优取向试样的屈服强度比随机取向高8％，择优取向试样的数据分散度比随机取向降低70％。对所有试样的持久试验结果分析显示：具有择优取向试样的持久寿命比随机取向提高6％，数据分散度比随机取向降低52％。