镍基高温合金单晶叶片成型技术基础研究

摘要

对于镍基高温合金，采用合适的单晶定向凝固工艺可使合金的使用温度提高30-50度、持久性能提高10％-30％。但是，由于单晶制备过程中的各种因素的干扰，单晶叶片的制备过程中很容易出现各种缺陷，最终造成了目前单晶叶片成品率低、叶片性能远远低于国外同类产品的现状。
　　 而所有这些缺陷的形成，除了合金本身的性能以外，都与单晶叶片的制备过程具有紧密的联系。因此，如何通过单晶叶片的制备过程的优化实现单晶叶片的制备成功率与叶片性能的同时提高是单晶叶片制备过程的核心与关键。
　　 围绕这一关键，本论文针对镍基高温合金单晶叶片的制备过程开展了全面的研究工作。
　　 首先为实现单晶叶片的成功制备，需要设计、制备出合适的定向凝固设备。根据镍基高温合金单晶叶片定向凝固的特点，选择了Tamman-Bridgeman法作为定向凝固设备的设计路线。并根据实际镍基高温合金单晶叶片的尺寸等要求确定了定向凝固设备的各项设计指标。
　　 借鉴现有定向凝固炉的设备特点，通过对熔炼部分、高温加热部分、冷却区部分、型壳牵引部分、温度测量及控制系统、真空系统等相关部分的考察、论证，设计出了满足镍基高温合金单晶叶片定向凝固生长的定向凝固设备。并且基于镍基高温合金单晶叶片结构复杂的特点，构建了定向凝固过程自动控制平台。通过设备热调试，证明设计的定向凝固炉具有稳定的温度场。
　　 要获得合格的单晶叶片，首先要形成单个晶核。论文中确定了“自生籽晶法”作为镍基高温合金单晶叶片单晶核的形成方案，并设计了相应的螺旋选晶器。由于叶片截面发生形状改变时很容易产生杂晶，基于这一特点，通过蜡模组合方式的实验，确定了正置式作为叶片的蜡模组合方式。
　　 合格的型壳是叶片制备的先决条件。借鉴经验确定了氧化铝基的浆料配方与型砂粒度配比，经过涂挂、干燥、脱蜡、焙烧等环节制备了适合单晶浇注用型壳。
　　 最后依托设计的定向凝固炉成功完成了镍基高温合金单晶叶片的浇注工作。并通过实验初步建立了镍基高温合金单晶叶片制备工艺体系:熔体温度1550℃，上区预热温度1525℃，下区温度1550℃，牵引速度2-3mm/min。
　　 对制备的单晶叶片进行分析测试可知所制得的镍基高温合金单晶叶片热处理前一次枝晶间距达到200μm，达到国际同期先进水平。晶体取向偏离度最大3.31°，远远优于国际通用的小于10°标准。
　　 本论文的研究工作将为以后的进一步工作提供重要理论指导，具有非常重要的理论和实践意义。

目录

声明

摘要

第一章、绪论

1．1 航空用单晶高温合金的研究现状

1．1．1 单晶高温合金概述

1．1．2 单晶高温合金发展特点

1．2 镍基高温合金单晶叶片的制备

1．2．1 单晶高温合金母合金的制备

1．2．2 镍基高温合金单晶叶片的成型技术

1．2．3 单晶叶片截面尺寸与工艺参数的关系

1．3 单晶叶片成型设备设计及过程控制

1．3．1 定向凝固设备的基本要素

1．3．2 单晶叶片成型过程控制现状

1．3．3 冶金过程控制的趋势

1．4 本论文研究的主要内容

第二章 镍基高温合金单晶叶片制各设备设计

2．1 单晶形成过程及基本原理

2．2 镍基高温合金单晶叶片定向凝固设备设计方案

2．2．1 定向凝固设备设计要点

2．2．2 定向凝固设备整体构成

2．2．3 定向凝固设备设计技术指标

2．3 定向凝固设备设计

2．3．1 熔炼及旋转浇注系统

2．3．2 定向热流区系统

2．3．3 定向抽拉系统

2．3．4 数据测量与控制系统

2．3．5 真空系统

2．3．6 电源系统

2．3．7 炉体及水冷系统

2．3．8 安全保护措施

2．4 设备热调试

2．5 本章小结

第三章 镍基高温合金单晶叶片制备

3．1 镍基高温合金单晶叶片单晶核的形成

3．1．1 单晶核形成方案设计

3．1．2 选晶器的设计

3．1．3 选晶器选晶结果验证

3．2 型壳的制备

3．2．1 蜡模压制与组合

3．2．2 涂料与撒沙

3．2．3 脱蜡、焙烧

3．3 镍基高温合金实心单晶叶片浇注

3．4 镍基高温合金空心单晶叶片的试制

3．4 本章小结

第四章 镍基高温合金单晶叶片工艺体系的建立及实验结果分析

4．1 定向凝固过程工艺参数概述

4．2 工艺参数的设计

4．3 镍基高温合金单晶叶片性能参数测试分析

4．3．1 金相及缺陷分析

4．3．2 一次枝晶间距

4．3．3 晶体取向偏离度

4．4 本章小结

第五章 结论及展望

致谢

参与项目及成果

参考文献