一种高温合金毛细管制备装置及方法

本发明属于单晶高温合金增材制造，具体涉及一种高温合金毛细管制备装置及方法。

背景技术：

1、高温合金毛细管是太阳能、核能和高速航空器换热元件，高温合金毛细管直径是0.9mm左右，壁厚是50μm左右。目前公开文献的工艺为微加工技术锻造、钻孔、拉拔与退火交替成形，拉拔属于拉应力加工，晶格、杂晶缺陷容易被放大，影响其高温蠕变的热应力疲劳寿命。

2、镍基单晶高温单晶体增材制造，属于激光外延生长工艺和粉末床熔融选晶体工艺，关键在于工艺环境的梯度温度场、凝固速度和扫描速度控制。其选晶原理为微螺线原理+应力(μ+helix+stress)。目前一次单层打印厚度可达2mm左右，特定的工艺让镍基单晶高温单晶体增材制造零件具有特定高温合金属性。

3、目前，激光外延生长工艺和粉末床熔融选晶体工艺生产的薄壁曲面外表层是杂晶，而非单晶。其原因外表面由于熔池流体力学和对流散热的热力学温度场比零件内芯复杂，外表面熔池形状微观馄饨不确定。外表层附近散热形式为氩气湍流对流散热型热力学现象。杂晶层如果通过减材制造去除，成本极高，并且减材制造去除杂晶层会影响内部镍基单晶高温单晶体金属纤维完整度，影响其高温抗氧化及高温疲劳性能。

4、为满足产品系列化性能要求，需要两种实施例，一种是偏析少的，一种是单晶的。因此，设计一种高温合金毛细管制备装置及方法是很有必要的，以满足上述要求。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的在于提供一种高温合金毛细管制备装置及方法，以减少单晶合金成分偏析，实现标准物质成分均匀化。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明一方面提供一种高温合金毛细管制备装置，包括陶瓷盘及设置于陶瓷盘上下侧的上密封盖和下密封盖，其中陶瓷盘上设有漏斗状的通孔，通孔内插设有内侧陶瓷柱芯，内侧陶瓷柱芯与通孔之间留有高温合金毛细管成形环腔；陶瓷盘的底部设有插入高温合金毛细管成形环腔内的籽晶高温合金毛细管端头及用于牵引籽晶高温合金毛细管端头升降的牵引机构；

4、陶瓷盘的上方设有非接触加热装置和送粉末端执行器，送粉末端执行器用于向高温合金毛细管成形环腔内添加单晶合金粉末，非接触加热装置用于对单晶合金粉末进行高温加热形成单晶高温合金熔池；

5、上密封盖和下密封盖内均为高压非氧氛围，且上密封盖内的气压大于下密封盖内的气压，当牵引机构牵引籽晶高温合金毛细管端头向下移动时，单晶高温合金熔池在气压压力差的作用下下降，实现籽晶高温合金毛细管端头上连续增材制备高温合金毛细管。

6、在一种可能实现的方式中，所述陶瓷盘内设有环绕通孔下部的水冷管道，通过水冷管道控制单晶高温合金熔池的结晶温度梯度场。

7、在一种可能实现的方式中，所述陶瓷盘上的通孔包括上下布置的空间漏斗型曲面侧壁和圆柱状内壁，所述籽晶高温合金毛细管端头初始位置插入至空间漏斗型曲面侧壁和圆柱状内壁之间的交接处。

8、在一种可能实现的方式中，所述内侧陶瓷柱芯的上端通过连接架固定在所述陶瓷盘上，且所述内侧陶瓷柱芯与所述陶瓷盘上的通孔同轴。

9、在一种可能实现的方式中，所述非接触加热装置为激光器，激光器通过发射激光对单晶高温合金进行加热。

10、在一种可能实现的方式中，所述上密封盖内设有传感器组件，传感器组件能够实时采集和监控单晶高温合金熔池的温度场及大小。

11、在一种可能实现的方式中，所述牵引机构包括夹持于所述籽晶高温合金毛细管端头两侧的牵引轮ⅰ和牵引轮ⅱ，通过伺服控制牵引轮ⅰ和牵引轮ⅱ反向旋转，从而控制所述籽晶高温合金毛细管端头或增材制造的籽晶高温合金毛细管的下降速度。

12、本发明另一方面提供一种利用如上所述的高温合金毛细管制备装置的制备方法，包括以下步骤：

13、步骤s1：通过牵引机构将籽晶高温合金毛细管端头从陶瓷盘的底部插入高温合金毛细管成形环腔内；

14、步骤s2：在上密封盖内建立第一氩气高压区，在下密封盖内建立第二氩气高压区，且使第一氩气高压区的压力大于第二氩气高压区的压力；

15、步骤s3：送粉末端执行器将单晶高温合金粉末送入内侧陶瓷柱芯与通孔之间的高温合金毛细管成形环腔内；

16、步骤s4：非接触加热装置进行加热，使单晶高温合金粉末形成环形的单晶高温合金熔池；

17、步骤s5：通过牵引机构牵引籽晶高温合金毛细管端头下降，在氩气压力差的作用下单晶高温合金熔池跟随下降，通过陶瓷盘内的水冷管道控制单晶高温合金熔池的结晶温度梯度场；

18、步骤s6：通过氩气压力差、高温合金结晶温度梯度场及牵引机构可控位移的共同作用下，使单晶高温合金熔池在籽晶高温合金毛细管端头的顶部结晶增材制造，实现籽晶高温合金毛细管持续可控生长。

19、在一种可能实现的方式中，单晶合金晶粒生长取向为<0,0,1>。

20、本发明的优点及有益效果是：本发明提供的一种高温合金毛细管制备装置，通过顶部加热，底部水冷环冷却实现超高的温度梯度，加速冷却速度，以及定向凝固单向热流控制减少溶质流动，从而减少成分偏析，实现标准物质成分均匀化。同时单晶高温合金熔池在结晶增材制造籽晶高温合金毛细管的过程中，单晶高温合金固相线和液相线变化区域不与氩气接触，避免了熔池流体力学和对流散热的热力学温度场的影响，提高产品性能及外表面质量，无需再进行杂晶层去除，降低生产成本。

21、本发明提供的一种高温合金毛细管制备方法，比较毛细管高温合金微加工技术锻造、钻孔、拉拔与退火交替成形，本方法为氩气正压结晶，而非拉应力状态反复结晶。因此，具有一定的经济性。本方法制备的高温合金毛细管，其长度不受原材料尺寸限制，便于填补更长毛细管高温合金领域空白。

22、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

23、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种高温合金毛细管制备装置，其特征在于，包括陶瓷盘(4)及设置于陶瓷盘(4)上下侧的上密封盖(10)和下密封盖(3)，其中陶瓷盘(4)上设有漏斗状的通孔，通孔内插设有内侧陶瓷柱芯(5)，内侧陶瓷柱芯(5)与通孔之间留有高温合金毛细管成形环腔；陶瓷盘(4)的底部设有插入高温合金毛细管成形环腔内的籽晶高温合金毛细管端头(1)及用于牵引籽晶高温合金毛细管端头(1)升降的牵引机构(6)；

2.根据权利要求1所述的高温合金毛细管制备装置，其特征在于，所述陶瓷盘(4)内设有环绕通孔下部的水冷管道(14)，通过水冷管道(14)控制单晶高温合金熔池(2)的结晶温度梯度场。

3.根据权利要求2所述的高温合金毛细管制备装置，其特征在于，所述陶瓷盘(4)上的通孔包括上下布置的空间漏斗型曲面侧壁(401)和圆柱状内壁，所述籽晶高温合金毛细管端头(1)初始位置插入至空间漏斗型曲面侧壁(401)和圆柱状内壁之间的交接处。

4.根据权利要求2所述的高温合金毛细管制备装置，其特征在于，所述内侧陶瓷柱芯(5)的上端通过连接架(9)固定在所述陶瓷盘(4)上，且所述内侧陶瓷柱芯(5)与所述陶瓷盘(4)上的通孔同轴。

5.根据权利要求2所述的高温合金毛细管制备装置，其特征在于，所述非接触加热装置(7)为激光器，激光器通过发射激光(701)对单晶高温合金进行加热。

6.根据权利要求2所述的高温合金毛细管制备装置，其特征在于，所述上密封盖(10)内设有传感器组件(13)，传感器组件(13)能够实时采集和监控单晶高温合金熔池(2)的温度场及大小。

7.根据权利要求2所述的高温合金毛细管制备装置，其特征在于，所述牵引机构(6)包括夹持于所述籽晶高温合金毛细管端头(1)两侧的牵引轮ⅰ(601)和牵引轮ⅱ(602)，通过伺服控制牵引轮ⅰ(601)和牵引轮ⅱ(602)反向旋转，从而控制所述籽晶高温合金毛细管端头(1)或增材制造的籽晶高温合金毛细管的下降速度。

8.一种利用权利要求2-7任一项所述的高温合金毛细管制备装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，单晶合金晶粒生长取向为<0,0,1>。

技术总结
本发明属于单晶高温合金增材制造技术领域，具体涉及一种高温合金毛细管制备装置及方法。该装置包括陶瓷盘、上密封盖和下密封盖，陶瓷盘上设有漏斗状的通孔，通孔内插设有内侧陶瓷柱芯，内侧陶瓷柱芯与通孔之间留有高温合金毛细管成形环腔；陶瓷盘的底部设有插入高温合金毛细管成形环腔内的籽晶高温合金毛细管端头和牵引机构；送粉末端执行器和非接触加热装置分别用于向高温合金毛细管成形环腔内添加单晶合金粉末和对高温加热形成单晶高温合金熔池；牵引机构牵引籽晶高温合金毛细管端头向下移动，实现连续增材制备高温合金毛细管。本发明通过顶部加热，底部水冷环冷却实现超高的温度梯度，减少单晶合金成分偏析，实现标准物质成分均匀化。

技术研发人员：朱强,张鹏,刘康,张林福,邵国鋩,朱维金
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（威海）
技术研发日：
技术公布日：2024/11/4