一种采用固溶态柱状晶结合选晶制备单晶高温合金的方法

摘要

本发明的一种采用固溶态柱状晶结合选晶制备单晶高温合金的方法，属于单晶高温合金的制备领域，选用固溶态柱状晶放入选晶器启晶段，单晶制备过程中固溶态柱状晶内晶粒形成最终的单晶。本发明采用固溶态柱状晶结合选晶方法制备单晶高温合金，通过控制选用晶粒的方向偏离凝固方向在5度以内的柱状晶，显著小于目前采用选晶法控制单晶高温合金晶体取向的偏离范围，以克服现有选晶法制备单晶高温合金时晶体取向偏差较大的不足。

说明书

技术领域

本发明涉及单晶高温合金的制备领域，具体讲是一种采用固溶态柱状晶结合选晶制备单晶高温合金的方法。

背景技术

镍基单晶高温合金具有优异的高温综合性能，是航空发动机和底面燃气轮机叶片的首选材料，其力学性能具有显著的各向异性。单晶叶片制备过程中控制其<001>方向与最大应力方向一致，可以获得最佳的服役性能。目前工业生产中主要采用选晶法制备单晶高温合金。选晶法的本质是晶粒在选晶器内竞争生长获得单一晶粒，只能控制晶体取向与铸件的轴向偏差在15°以内。籽晶法是一种能够给精确控制晶体取向的单晶制备方法，但由于籽晶法制备单晶时需要使用单晶作为籽晶，导致其生产成本高、工艺难度大，成品率低。

航空发动机设计性能不断提高，为此单晶高温合金中加入大量的难熔元素，同时单晶叶片结构也日益复杂，以保证单晶涡轮叶片的性能能够满足设计需求，由此导致单晶取向控制难度不断增加，叶片服役寿命对晶体取向的敏感性增强。

发明人在实现本发明实施例的过程中，发现背景技术中至少存在以下缺陷：

传统的选晶法制备单晶高温合金由于取向控制范围较大，已不能满足先进航空发动机涡轮叶片的需求，晶体取向偏差过大的问题日益突出。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用固溶态柱状晶结合选晶制备单晶高温合金的方法，以解决现有技术中选晶法制备单晶高温合金时晶体取向偏差较大，进而导致单晶涡轮叶片性能较低的技术问题。

本发明的技术方案是：所述方法包括以下步骤：

第一步，制备零件蜡模和螺旋选晶器蜡模；将蜡料熔化后注入零件模具中，并压制成型，制得零件蜡模；将蜡料熔化后注入螺旋选晶器模具中，并压制成型，制得螺旋选晶器蜡模，上述螺旋选晶器蜡模包括螺旋段和启晶段两部分；

第二步，将零件蜡模与螺旋选晶器蜡模的螺旋段一端焊合；将焊好的零件蜡模和螺旋选晶器蜡模进行挂浆，挂浆后即进行淋砂，在零件蜡模和螺旋选晶器蜡模的外部涂覆陶瓷耐火浆料，然后经过脱蜡、焙烧后制得陶瓷模壳，陶瓷模壳包括启晶段、选晶段和零件段。

第三步，对柱状晶试块进行固溶处理，采用一步固溶热处理的方法，将定向凝固高温合金体放到热处理炉中进行固溶处理，之后进行冷却，获得固溶态柱状晶试块；

第四步，制备固溶态柱状晶，在固溶态柱状晶试块上沿其凝固方向切割出试块，并对试块的表面进行磨制，获得柱状晶，该柱状晶的形状为圆柱形；

第五步，制备单晶高温合金铸件，将柱状晶塞入陶瓷模壳的启晶段，柱状晶与陶瓷模壳启晶段内壁之间的间隙在0.01~0.5mm之间；将柱状晶和陶瓷模壳一同放入单晶炉中，调节单晶炉内温度，并保温；将高温合金金属液浇注到陶瓷模壳中，保温一定时间后，向下移动拉晶；拉晶结束后，随炉冷却至室温后取出，即制得单晶高温合金材料铸件；

在所述第四步中，所述的柱状晶试块其各晶粒的<001>方向偏离凝固方向在5度以内。

优选的，在所述第一步中，将蜡料在60~120℃的温度下熔化后注入零件模具中，并在0.5~8MPa的压强下压制成型，制得零件蜡模；将蜡料在60~120℃的温度下熔化后注入螺旋选晶器模具中，并在0.5~8MPa的压强下压制成型，制得螺旋选晶器蜡模。

优选的，在所述第二步中，在零件蜡模和螺旋选晶器蜡模外部涂覆陶瓷耐火浆料的厚度为1~10mm，陶瓷模壳的启晶段通过其选晶段与陶瓷模壳的零件段相连接。

优选的，在所述第二步中，淋砂所使用的面层砂粒度为65～100目混合砂，反复转动蜡模，使砂均匀分布在蜡模表面；吹净表面浮砂，放置于烘干室内进行烘干7-9个小时，之后采用空压机吹拂表面浮砂；浆料采用JN-30硅溶胶或者二硼化钛作为粘结剂，淋砂所使用的面层砂粒度为65～100目混合砂。

优选的，在所述第二步中，进行脱蜡的温度为100~200℃，并且在800~1300℃温度下焙烧2~10小时后制得陶瓷模壳。

优选的，在所述第三步中，将定向凝固高温合金体放入温度为1100℃~1450℃的热处理炉中进行保温2h~10h。

优选的，在所述第四步中，采用砂纸对试块的表面进行磨制，所述砂纸可采用80#~1000#砂纸，所述柱状晶高度为20~50mm，直径为4~20mm。

优选的，在所述第五步中，向下移动拉晶的速度为0.1~9mm/min。

优选的，在所述第五步中，调节单晶炉内温度至1400~1600℃，并保温1-15min；将高温合金金属液浇注到陶瓷模壳中，保温1-15min后，向下移动拉晶。

本发明通过改进在此提供一种采用固溶态柱状晶结合选晶制备单晶高温合金的方法，与现有技术相比，具有如下改进及优点：

其一，本发明采用固溶态柱状晶结合选晶方法制备单晶高温合金，控制其晶体<001>方向偏离定向凝固方向可以控制在5度以内，显著小于目前采用选晶法控制单晶高温合金晶体取向的偏离范围；以解决现有技术中选晶法制备单晶高温合金时晶体取向偏差较大，进而导致单晶涡轮叶片性能较低的技术问题。

其二，本发明采用固溶态柱状晶代替目前选晶法中通过完全的晶粒竞争生长以控制选晶器出口处晶粒的来源，通过控制选用晶粒的<001>方向偏离凝固方向在5度以内的柱状晶，显著小于目前采用选晶法控制单晶高温合金晶体取向的偏离范围，以克服现有选晶法制备单晶高温合金时晶体取向偏差较大的不足。本发明固溶柱状晶结合选晶的方法需要使用柱状晶；相比目前的籽晶方法或籽晶结合选晶的方法可以避免使用单晶作为籽晶，可以显著降低单晶制备工艺的难度以及成本。

其三，本发明将焊好的零件蜡模和螺旋选晶器蜡模进行挂浆，挂浆后即进行淋砂，淋砂所使用的面层砂粒度为65～100目混合砂，反复转动蜡模，使砂均匀分布在蜡模表面；吹净表面浮砂，放置于烘干室内进行烘干7-9个小时，之后采用空压机吹拂表面浮砂；

挂浆、淋砂的层数应当在1-3层内，以避免挂浆、淋砂的层数过多，以达到降低叶缘与叶身夹角部位厚度的目的，使叶缘与叶身夹角部位具有更好的散热性能，浆料采用JN-30硅溶胶或者二硼化钛作为粘结剂，淋砂所使用的面层砂粒度为65～100目混合砂,反复转动陶瓷模壳，使砂均匀分布在陶瓷模壳的表面，挂浆能够对陶瓷模壳起到一定的保温作用，挂浆淋砂用于提高陶瓷模壳的硬度和强度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步解释:

图1是陶瓷模壳示意图；

图2是固溶态柱状晶陶瓷模壳组装示意图；

图3是使用本方法制备单晶高温合金的照片；

图4是使用本方法制备的单晶高温合金的金相图。

附图标记说明：

1、陶瓷模壳启晶段；2、陶瓷模壳选晶段；3、陶瓷模壳零件段；4、柱状晶。

具体实施方式

下面将结合附图1至图4对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

制备Ni-14Mo-7Al单晶高温合金棒材，其具体步骤为：

第一步，制备零件蜡模和螺旋选晶器蜡模；将蜡料在75℃的温度下熔化后注入零件模具中，并在0.5MPa的压强下压制成型，制得零件蜡模；将蜡料在75℃的温度下熔化后注入螺旋选晶器模具中，并在0.5MPa的压强下压制成型，制得螺旋选晶器蜡模，上述螺旋选晶器蜡模包括螺旋段和启晶段两部分；

第二步，将零件蜡模与螺旋选晶器蜡模的螺旋段一端焊合；将焊好的零件蜡模和螺旋选晶器蜡模进行挂浆，挂浆后即进行淋砂，淋砂所使用的面层砂粒度为65～100目混合砂，反复转动蜡模，使砂均匀分布在蜡模表面；吹净表面浮砂，放置于烘干室内进行烘干7-9个小时，之后采用空压机吹拂表面浮砂，在零件蜡模和螺旋选晶器蜡模的外部涂覆10mm的陶瓷耐火浆料，然后在200℃温度下脱蜡，在1000℃温度下焙烧10小时后制得陶瓷模壳，相应于传统的蜡模结构，陶瓷模壳包括启晶段、选晶段和零件段；挂浆、淋砂的层数应当在1-3层内，以避免挂浆、淋砂的层数过多，以达到降低叶缘与叶身夹角部位厚度的目的，使叶缘与叶身夹角部位具有更好的散热性能，浆料采用JN-30硅溶胶做粘结剂，淋砂所使用的面层砂粒度为65～100目混合砂,反复转动陶瓷模壳，使砂均匀分布在陶瓷模壳的表面，挂浆能够对陶瓷模壳起到一定的保温作用，挂浆淋砂用于提高陶瓷模壳的硬度和强度。

第三步，对柱状晶试块进行固溶处理，采用一步固溶热处理的方法，将定向凝固Ni-14Mo-7Al高温合金体放入温度为1395℃的热处理炉中进行保温2h，之后进行冷却，获得固溶态柱状晶试块；所述的柱状晶试块其各晶粒的<001>方向偏离凝固方向在5度以内。

第四步，制备固溶态柱状晶，在固溶态柱状晶试块上沿其凝固方向切割出试块，并采用80#、320#、600#、1000#砂纸对试块的表面进行磨制，获得柱状晶，该柱状晶的形状为圆柱形；所述柱状晶高度20mm，直径20mm；

第五步，制备单晶高温合金铸件，将柱状晶塞入陶瓷模壳的启晶段，柱状晶与模壳启晶段内壁之间的间隙在0.5mm之间；将柱状晶和陶瓷模壳一同放入单晶炉中，调节单晶炉内温度至1580℃，并保温1min；将Ni-14Mo-7Al高温合金金属液浇注到陶瓷模壳中，保温15min后，以3mm/min的速度向下移动拉晶；拉晶结束后，随炉冷却至室温后取出，即制得单晶高温合金材料铸件；Ni-14Mo-7Al高温合金金属液的温度为1400℃。

实施例二：

制备Ni-13.5Mo-7.6Al-0.05B单晶高温合金棒材，其具体步骤为：

第一步，制备零件蜡模和螺旋选晶器蜡模；将蜡料在100℃的温度下熔化后注入零件模具中，并在8MPa的压强下压制成型，制得零件蜡模；将蜡料在100℃的温度下熔化后注入螺旋选晶器模具中，并在8MPa的压强下压制成型，制得螺旋选晶器蜡模，上述螺旋选晶器蜡模包括螺旋段和启晶段两部分；

第二步，将焊好的零件蜡模和螺旋选晶器蜡模进行挂浆，挂浆后即进行淋砂，淋砂所使用的面层砂粒度为65～100目混合砂，反复转动蜡模，使砂均匀分布在蜡模表面；吹净表面浮砂，放置于烘干室内进行烘干7-9个小时，之后采用空压机吹拂表面浮砂，在零件蜡模和螺旋选晶器蜡模的外部涂覆10mm的陶瓷耐火浆料，然后在200℃温度下脱蜡，在1300℃温度下焙烧5小时后制得陶瓷模壳，相应于传统的蜡模结构，陶瓷模壳包括启晶段、选晶段和零件段；挂浆、淋砂的层数应当在3层内，以避免挂浆、淋砂的层数过多，以达到降低叶缘与叶身夹角部位厚度的目的，使叶缘与叶身夹角部位具有更好的散热性能，浆料采用二硼化钛，淋砂所使用的面层砂粒度为65～100目混合砂,反复转动陶瓷模壳，使砂均匀分布在陶瓷模壳的表面，挂浆能够对陶瓷模壳起到一定的保温作用，挂浆淋砂用于提高陶瓷模壳的硬度和强度。

第三步，对柱状晶试块进行固溶处理，采用一步固溶热处理的方法，将定向凝固Ni-13.5Mo-7.6Al-0.05B高温合金体放入温度为1100℃的热处理炉中进行保温10h，之后进行冷却，获得固溶态柱状晶试块；所述的柱状晶试块其各晶粒的<001>方向偏离凝固方向在5度以内。

第四步，制备固溶态柱状晶，在固溶态柱状晶试块上沿其凝固方向切割出试块，并采用80#、320#、600#、1000#砂纸对试块的表面进行磨制，获得柱状晶，该柱状晶的形状为圆柱形；所述柱状晶高度50mm，直径4mm；

第五步，制备单晶高温合金铸件，将柱状晶塞入陶瓷模壳的启晶段，柱状晶与模壳启晶段内壁之间的间隙在0.01mm之间；将柱状晶和陶瓷模壳一同放入单晶炉中，调节单晶炉内温度至1400℃，并保温15min；将取得的高温合金金属液浇注到陶瓷模壳中，保温15min后，以0.1mm/min的速度向下移动拉晶；拉晶结束后，随炉冷却至室温后取出，即制得单晶高温合金材料铸件；高温合金金属液的温度为1800℃。

实施例三：

制备Ni-12Mo-7.2Al-0.02B单晶高温合金板材，其具体步骤为：

第一步，制备零件蜡模和螺旋选晶器蜡模；将蜡料在120℃的温度下熔化后注入零件模具中，并在5MPa的压强下压制成型，制得零件蜡模；将蜡料在120℃的温度下熔化后注入螺旋选晶器模具中，并在5MPa的压强下压制成型，制得螺旋选晶器蜡模，上述螺旋选晶器蜡模包括螺旋段和启晶段两部分；

第二步，将零件蜡模与螺旋选晶器蜡模的螺旋段一端焊合；在零件蜡模和螺旋选晶器蜡模的外部涂覆7mm的陶瓷耐火浆料，然后在150℃温度下脱蜡，在800℃温度下焙烧3小时后制得陶瓷模壳，相应于传统的蜡模结构，陶瓷模壳包括启晶段、选晶段和零件段。

第三步，对柱状晶试块进行固溶处理，采用一步固溶热处理的方法，将定向凝固Ni-12Mo-7.2Al-0.02B高温合金体放入温度为1100℃~1450℃的热处理炉中进行保温2h-8h，之后进行冷却，获得固溶态柱状晶试块；所述的柱状晶试块其各晶粒的<001>方向偏离凝固方向在5度以内。

第四步，制备固溶态柱状晶，在固溶态柱状晶试块上沿其凝固方向切割出试块，并采用80#、320#、600#、1000#砂纸对试块的表面进行磨制，获得柱状晶，该柱状晶的形状为圆柱形；所述柱状晶高度30mm，直径10mm；

第五步，制备单晶高温合金铸件，将柱状晶塞入陶瓷模壳的启晶段，柱状晶与模壳启晶段内壁之间的间隙在0.1mm之间；将柱状晶和陶瓷模壳一同放入单晶炉中，调节单晶炉内温度至1600℃，并保温10min；将取得的高温合金金属液浇注到陶瓷模壳中，保温5min后，以9mm/min的速度向下移动拉晶；拉晶结束后，随炉冷却至室温后取出，即制得单晶高温合金材料铸件；高温合金金属液的温度为1500℃。

实施例四：

制备Ni-3.2Cr-1.2Mo-6Al-10Co-6W-4Re-7.98Ta单晶高温合金板材，其具体步骤为：

第一步，制备零件蜡模和螺旋选晶器蜡模；将蜡料在60℃的温度下熔化后注入零件模具中，并在5MPa的压强下压制成型，制得零件蜡模；将蜡料在60℃的温度下熔化后注入螺旋选晶器模具中，并在5MPa的压强下压制成型，制得螺旋选晶器蜡模，上述螺旋选晶器蜡模包括螺旋段和启晶段两部分；

第二步，将零件蜡模与螺旋选晶器蜡模的螺旋段一端焊合；在零件蜡模和螺旋选晶器蜡模的外部涂覆4mm的陶瓷耐火浆料，然后在100℃温度下脱蜡，在1300℃温度下焙烧5小时后制得陶瓷模壳，相应于传统的蜡模结构，陶瓷模壳包括启晶段、选晶段和零件段。

第三步，对柱状晶试块进行固溶处理，采用一步固溶热处理的方法，将定向凝固Ni-3.2Cr-1.2Mo-6Al-10Co-6W-4Re-7.98Ta高温合金体放入温度为1350℃的热处理炉中进行保温6h，之后进行冷却，获得固溶态柱状晶试块；所述的柱状晶试块其各晶粒的<001>方向偏离凝固方向在5度以内。

第四步，制备固溶态柱状晶，在固溶态柱状晶试块上沿其凝固方向切割出试块，并采用80#、320#、600#、1000#砂纸对试块的表面进行磨制，获得柱状晶，该柱状晶的形状为圆柱形；所述柱状晶高度25mm，直径7mm；

第五步，制备单晶高温合金铸件，将柱状晶塞入陶瓷模壳的启晶段，柱状晶与模壳启晶段内壁之间的间隙在0.05mm之间；将柱状晶和陶瓷模壳一同放入单晶炉中，调节单晶炉内温度至1550℃，并保温2min；将取得的高温合金金属液浇注到陶瓷模壳中，保温5min后，以7mm/min的速度向下移动拉晶；拉晶结束后，随炉冷却至室温后取出，即制得单晶高温合金材料铸件；高温合金金属液的温度为1500℃。

实施例五：

制备Ni-3Cr-1Mo-6Al-11.6Co-6.3W-4.4Re-7.95Ta-1Hf单晶高温合金叶片，其具体步骤为：

第一步，制备零件蜡模和螺旋选晶器蜡模；将蜡料在90℃的温度下熔化后注入零件模具中，并在2MPa的压强下压制成型，制得零件蜡模；将蜡料在90℃的温度下熔化后注入螺旋选晶器模具中，并在5MPa的压强下压制成型，制得螺旋选晶器蜡模，上述螺旋选晶器蜡模包括螺旋段和启晶段两部分；

第二步，将零件蜡模与螺旋选晶器蜡模的螺旋段一端焊合；在零件蜡模和螺旋选晶器蜡模的外部涂覆6mm的陶瓷耐火浆料，然后在120℃温度下脱蜡，在850℃温度下焙烧4小时后制得陶瓷模壳，相应于传统的蜡模结构，陶瓷模壳包括启晶段、选晶段和零件段。

第三步，对柱状晶试块进行固溶处理，采用一步固溶热处理的方法，将定向凝固Ni-3Cr-1Mo-6Al-11.6Co-6.3W-4.4Re-7.95Ta-1Hf高温合金体放入温度为1400℃的热处理炉中进行保温8h，之后进行冷却，获得固溶态柱状晶试块；所述的柱状晶试块其各晶粒的<001>方向偏离凝固方向在5度以内。

第四步，制备固溶态柱状晶，在固溶态柱状晶试块上沿其凝固方向切割出试块，并采用80#、320#、600#、1000#砂纸对试块的表面进行磨制，获得柱状晶，该柱状晶的形状为圆柱形；所述柱状晶高度20mm，直径8mm；

第五步，制备单晶高温合金铸件，将柱状晶塞入陶瓷模壳的启晶段，柱状晶与模壳启晶段内壁之间的间隙在0.12mm之间；将柱状晶和陶瓷模壳一同放入单晶炉中，调节单晶炉内温度至1580℃，并保温3min；将取得的高温合金金属液浇注到陶瓷模壳中，保温4min后，以6mm/min的速度向下移动拉晶；拉晶结束后，随炉冷却至室温后取出，即制得单晶高温合金材料铸件；高温合金金属液的温度为1520℃。

本发明采用固溶态柱状晶结合选晶方法制备单晶高温合金，控制其晶体<001>方向偏离定向以及凝固方向均可以控制在5度以内，显著小于目前采用选晶法控制单晶高温合金晶体取向的偏离范围，以克服现有选晶法制备单晶高温合金时晶体取向偏差较大的不足；

采用零件蜡模与螺旋选晶器蜡模的螺旋段一端焊合的方式，来制得具有启晶段、选晶段和零件段的陶瓷模壳，以便于对柱状晶试块进行后续的固溶处理，在零件蜡模和螺旋选晶器蜡模的外部涂覆陶瓷耐火浆料，能够提高零件蜡模和螺旋选晶器蜡模的耐火效果，使零件蜡模和螺旋选晶器蜡模在高温下能够制得陶瓷模壳，陶瓷耐火浆料还能够使零件蜡模和螺旋选晶器蜡模固溶一体，形成陶瓷模壳。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。