专利名称：一种防止单晶叶片杂晶缺陷的方法
技术领域：
本发明涉及合金定向凝固领域，尤其是一种防止单晶叶片杂晶缺陷的方法。
背景技术：
燃气轮机以其特有的体积小、重量轻、功率大、启动快、附属设备少等的特点，首先在航空发动机领域得到了广泛应用，为了提高航空发动机的功能和效率，人们成功地利用高温合金定向凝固技术将涡轮机叶片制成单晶形态，使得叶片的高温工作寿命提高了几十倍，随着燃气轮机技术的不断进步，原本单一应用于航空领域的燃气轮机，已在电力、交通、 舰船、坦克、石油、化工、市政、轻纺等诸多领域有广泛的应用，最近三十年来，借助把航空发动机的单晶叶片技术应用到大型工业燃气轮机的叶片制造中，大幅提高了工业燃气轮机效率；由于工业燃气轮机的叶片尺寸远大于航空叶片，使得其单晶铸件的生产变得极为困难， 目前在定向凝固技术生产形状复杂的单晶涡轮叶片过程中遇到的主要问题之一就是会形成杂晶，在叶片缘板部分由于铸件在垂直热流方向上截面积突变，很容易产生新晶粒的形核、长大。由于单晶合金中除去了晶界强化元素，所以这些杂晶的晶界将成为单晶叶片的薄弱环节，使用中成为裂纹源，最终导致叶片的断裂，通过各种技术途径，改善单晶铸件定向凝固过程中的温度分布，防止局部出现杂晶，是单晶叶片制备的重要技术。中国专利CN101537484A公开了一种能够有效改善单晶铸件凝固过程中温度分布的方法，具体为在熔(蜡)模表面第一或第二层陶瓷壳形成后，将热导体用制壳用陶瓷浆料粘接在铸件凝固向外部传热过程中易出现热障的部位，热导体为石墨或SiC;按通常精密铸造模壳一样的制备方法，进行挂涂料、撒砂，撒完砂后将热导体外端的积砂抹去后进行烧结，该发明通过植入一导热体，可将叶冠内角A处的热及时散出，使其迅速冷却至液相线温度以下，叶片本部的单晶生长可以迅速进入叶冠并向外缘B处扩展，避免此处因长时间过冷而产生杂晶。
发明内容
本发明的目的在于提供一种防止单晶叶片杂晶缺陷的方法，在单晶叶片制备过程中使用本发明，能够显著提高单晶叶片缘板在隔热板附近区域的水平温度分布均勻性，大幅降低出现杂晶缺陷的几率，从而明显提高单晶叶片成品率。本发明涉及一种防止单晶叶片杂晶缺陷的方法，其特征为在制备用于单晶叶片生产的熔模铸造模壳的过程中，将陶瓷纤维保温块植入到单晶叶片容易出现杂晶缺陷的叶片缘板处的模壳中。所述的陶瓷纤维保温块由1250°C时导热率小于0.4 W/(mK)的耐高温陶瓷纤维模块根据叶片缘板处的模壳形状预制成U型，并能使得陶瓷纤维保温块的U型内腔包含住缘板处的全部模壳。陶瓷纤维保温块植入方法具体为在按照常规熔模铸造工艺制备单晶叶片模壳前六或七层之后，根据此时缘板处模壳的外部形状预制陶瓷纤维保温块的U型内腔，并使U型保温块能够覆盖缘板模壳的全部位置，保温块厚度3 5mm，如图1所示；然后用制壳浆料作为粘结剂将陶瓷纤维保温块粘接在叶片缘板模壳外部；之后按照常规工艺将模壳制备完成。所述的耐高温陶瓷纤维模块是指耐1450°C以上的陶瓷纤维。本发明与中国专利CN101537484A的不同之处在于本发明利用陶瓷纤维保温块导热率极低的特点，合理控制了单晶叶片缘板处合金凝固时凝固前沿到达单晶叶片缘板处时的液相线温度IY-等温线形态(图2)，使得缘板接近定向凝固隔热板区域时，热量主要通过单晶叶片主体导出，避免了缘板处的自发形核，从而保证单晶顺利生长，与中国专利 CN101537484A通过植入高导热率的导热体不同。本发明操作简单，不需要改造定向凝固设备，显著抑制杂晶缺陷，能够大幅提高单晶叶片成品率。
图1 单晶叶片陶瓷纤维保温块示意图2 定向凝固过程中凝固前沿到达单晶叶片缘板处时的液相线温度Tf等温线形态， a)带有陶瓷纤维保温块时，凝固前沿Tf等温线较为平直；b)没有陶瓷纤维保温块时，缘板外端出现大范围过冷区域，极易产生自发形核，导致杂晶缺陷； 图3 实施例及对比例中单晶叶片结构图。
具体实施例方式
实施例将本发明应用于一种单晶叶片(图3)生产，叶片材料为高温合金CMSX-4，陶瓷纤维保温块的原料选用 SILCA Service- und Vertriebsgesellschaft fuer Daemmstoffe mbH公司生产的SILCASTACK — 160型陶瓷纤维模块，耐温1600°C，1250°C时导热率0. 31 W/ (mK)。在叶片氧化铝模壳制备过程中，首先按照常规熔模铸造工艺制备单晶叶片模壳前七层；根据此时叶片缘板处模壳的外部形状预制保温块的U型内腔，并使得保温块能够覆盖缘板模壳的全部位置，保温块厚度3 5mm ；然后用制壳浆料作为粘结剂将保温块粘接在缘板模壳外部；之后按照常规工艺将模壳制备完成，定向凝固过程按照常规工艺参数进行，共生产叶片12只，经常规组织检验，有2只叶片在缘板外端位置出现了小体积杂晶，杂晶缺陷率为16. 7%ο对比例
按照上述实施例中相同的材料、工艺参数和生产条件，生产相同叶片12只，但不采用本发明所述的陶瓷纤维保温块，经常规组织检验，有7只叶片在缘板处出现杂晶，且大部分体积较大，其中有5只叶片的杂晶生长到了叶片主体位置，杂晶缺陷率为58. 3%。
权利要求
1.一种防止单晶叶片杂晶缺陷的方法，其特征为在制备用于单晶叶片生产的熔模铸造模壳的过程中，将陶瓷纤维保温块植入到单晶叶片容易出现杂晶缺陷的叶片缘板处的模壳中，所述的陶瓷纤维保温块由耐高温陶瓷纤维模块根据叶片缘板处的模壳形状预制成U 型，并能使得陶瓷纤维保温块的U型内腔包含住缘板处的全部模壳。
2.如权利要求1所述的一种防止单晶叶片杂晶缺陷的方法，其特征为所述陶瓷纤维保温块植入方法具体为在按照常规熔模铸造工艺制备单晶叶片模壳前六或七层之后，根据此时缘板处模壳的外部形状预制陶瓷纤维保温块的U型内腔，并使U型保温块能够覆盖缘板模壳的全部位置，保温块厚度3 5mm，然后用制壳浆料作为粘结剂将陶瓷纤维保温块粘接在叶片缘板模壳外部；之后按照常规工艺将模壳制备完成。
3.如权利要求1所述的一种防止单晶叶片杂晶缺陷的方法，其特征为所述的耐高温陶瓷纤维模块是指耐1450°C以上的陶瓷纤维，1250°C时导热率小于0.4 W/(mK)。
全文摘要
本发明涉及合金定向凝固领域，尤其是一种防止单晶叶片杂晶缺陷的方法，其特征为在制备用于单晶叶片生产的熔模铸造模壳的过程中，将陶瓷纤维保温块植入到单晶叶片容易出现杂晶缺陷的叶片缘板处的模壳中，所述的陶瓷纤维保温块由耐高温陶瓷纤维模块根据叶片缘板处的模壳形状预制成U型，并能使得陶瓷纤维保温块的U型内腔包含住缘板处的全部模壳。本发明利用陶瓷纤维保温块导热率极低的特点，合理控制了单晶叶片缘板处合金凝固时凝固前沿到达单晶叶片缘板处时的液相线温度TL-等温线形态(图2)，使得缘板接近定向凝固隔热板区域时，热量主要通过单晶叶片主体导出，避免了缘板处的自发形核，从而保证单晶顺利生长。
文档编号C30B29/52GK102166643SQ20111007754
公开日2011年8月31日 申请日期2011年3月30日 优先权日2011年3月30日
发明者吴强, 孙少纯, 张钊, 赵玉涛, 马德新 申请人:江苏中欧材料研究院有限公司, 江苏大学