一种用于抑制单晶叶片杂晶缺陷形成的方法与流程

本发明涉及高温合金定向凝固技术领域，特指一种用于抑制单晶叶片杂晶缺陷形成的方法。

背景技术：

单晶叶片制造的关键是避免杂晶缺陷的产生，保证单晶组织的完整性。在叶片的叶身部分，形状比较简单,可认为凝固过程基本是一维即垂直向上的。但是在缘板部位,铸件横截面会突然出现大幅度的扩张。此处的单晶生长,呈现出复杂的三维生长模式.缘板的横向枝晶先沿着最冷的外边缘生长,再从四周向中间的叶身部位扩展,最后与叶身长出的纵向枝晶汇合。缘板与叶身的转接区由于散热条件最差成为热障区,成为缘板平面上最后凝固的部位。在这个复杂的三维枝晶生长过程中,经常出现凝固界面前沿的液体为过冷状态、温度梯度为负的状况,极易产生杂晶等缺陷。另外，叶片朝内的一侧(简称阴面)，在定向凝固炉中因背对加热器不能直接辐射受热，使环状排列模壳的中心形成温度较低的筒形阴影区。特别是当模壳下降到接近炉腔底部时，由于阴影区内没有挡热板，热量散失加快且得不到加热器的有效补充,使得本来就偏低的阴影区温度变得比阳面更低。而降到了冷却区后由于背对冷却器不能很好冷却，原来的阴影区变成了相对封闭的缓冷区，因而冷速和温度梯度明显偏低,结果是形成凹形的凝固界面和很宽的糊状区，凝固条件非常恶劣，以至于铸造缺陷如杂晶基本都产生在铸件在阴影区一侧的变截面处。对现已公布的专利检索发现，中国专利文献号CN101537484记载了一种改善单晶铸件凝固过程中温度分布的方法，通过在型壳热障区植入热导体块，向外部传热从而改善定向单晶铸件凝固过程中的温度分布，大大减少了杂晶的生成几率，但是其将导热体的一端暴露在空气中，在模壳的焙烧过程中极可能出现挥发的情况，导致浇铸时漏液的危险。并且导热体的尺寸选择难以确定，导热体过大反而会促进杂晶的产生。中国专利文献号CN105436478A记载了一种在变截面处增加一层保温模壳控制温度梯度从而抑制杂晶缺陷形成的方法，通过在变截面拐角处使用双层模壳,延缓该处热量散失和冷却速率，该处的径向散热受到抑制，则径向温度梯度减小，抑制杂晶形成的效果显著，但是其延缓了叶片的散热，易导致叶片变截面处枝晶粗大，影响整个叶片的高温持久性能。目前抑制变截面处杂晶形成的方法并不理想。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种能够有效抑制单晶叶片杂晶形成的方法。

该方法的具体步骤是：

1、根据具体叶片变截面结构及尺寸，制备热导体环。

2、叶片蜡模在淋浆挂砂至第二层后，将热导体环粘贴在叶片变截面处。

3、干燥后，对叶片蜡模继续进行淋浆挂砂，使热导体环埋于型壳变截面位置。

4、型壳干燥后进行脱蜡烧结。

步骤1中所述的热导体环的材料为石墨，厚度为1-3mm；其形状为叶片变截面除去与叶身接触区域后的环状。其横截面尺寸与叶片变截面尺寸误差控制在1-3mm。该热导体可通过手工制作或数控车床使用现有技术精细加工制备，如图2(a)黑色区域。

步骤2中所述的热导体环具体粘贴方法为：将热导体环浸入粘度为20-50s的浆料中，取出后贴在经粘度为15-30s的浆料润湿后的叶片变截面处的上部或下部，静置干燥15-60min。其中浆料指淋浆挂砂过程中用到的浆料，例如电熔刚玉粉或锆粉与硅溶胶配置的浆料，通过调整粉液比得到需求的黏度。

步骤3中所述的叶片蜡模表面型壳层数为4～10层，每层淋浆挂砂后干燥4-8小时，最后对型壳进行封浆处理。

步骤4中所述的脱蜡方法为高压蒸汽法，温度为150-200℃，压力为0.5-0.8MPa；焙烧温度为1100-1400℃，焙烧时间控制在1-3小时。焙烧完成后采用随炉冷却。焙烧方法为：首先，型壳在400-600℃下焙烧(烧残蜡)，时间为30-60min。然后，高温焙烧，温度为1000-1400℃，时间控制在1-3个小时。可直接高温焙烧，也可在真空条件下，或者在密闭的烧结炉中放置石墨碎块后焙烧，焙烧完成后随炉冷却。

本发明的优点为：通过植入热导体环，应用热导体的导热性能均衡阴面和阳面的热量，改善变截面处的组织。与现有技术相比，一方面，从应用实施角度考虑，本发明设计简单易行，无需改变原有定向凝固设备，通过热导体环均衡阴面和阳面的热量，可有效地调节和优化单晶铸件凝固过程中变截面处的温度分布，保证单晶的顺利生长和扩展。另一方面，从凝固组织角度考虑，本发明设计克服了传统抑制单晶叶片杂晶形成的方法实施难度大，操作不当的情况下会在铸件上留下其他缺陷甚至促进杂晶产生的缺点，也避免了增加模壳厚度导致叶片高温持久性能下降的问题。本发明将热导体环整个包在模壳内部，通过利用阴影效应达到均衡热量的目的，从而杜绝了传统热导体向外散热过快促进杂晶产生的可能。并且也继承了传统热导体优化组织的优点。

附图说明

图1阴影效应示意图。

图2热导体环及其安装过程。

(a)根据变截面具体结构与尺寸制作的热导体环。

(b)叶片蜡模在淋浆挂砂至第二层后将热导体环粘贴在叶片变截面处。

(c)对叶片蜡模继续进行淋浆挂砂使热导体环埋于型壳变截面位置。

图3应用本项技术前后铸件。

(a)未植入热导体环的铸件表面(b)植入热导体环后的铸件表。

具体实施方式

实施例：

将本发明技术应用于单晶叶片铸造，叶片总长度为220mm，宽度为30mm，材质为第二代镍基高温合金DD5，变截面为长36mm，宽23mm的矩形；根据其叶片变截面结构及尺寸，制备了3mm厚，长38mm，宽24mm的石墨热导体矩形环；使用325目电熔刚玉粉和硅溶胶配制浆料，叶片蜡模在淋浆挂砂至第二层后，将热导体环浸入粘度为35s的浆料中，取出后贴在经浆料润湿后的叶片变截面处的上部或下部，静置干燥；其中叶片润湿浆料粘度为15s，干燥时间为30min；干燥后，对叶片蜡模继续进行淋浆挂砂，使热导体环埋于型壳变截面位置，型壳淋浆挂砂总层数为9层，每层淋浆挂砂后干燥6小时，最后对型壳进行封浆处理；型壳干燥后进行脱蜡烧结，脱蜡方法为高压蒸汽法，温度为170℃，压力为0.8MPa；焙烧方法为：首先，型壳在400℃下(烧残蜡)，时间为30min。然后，在真空条件下高温焙烧，温度为1400℃，时间控制在2个小时。焙烧完成后随炉冷却。型壳制作完成后，在定向凝固炉中加热到预热温度1550℃进行浇铸。

附图3为未植入热导体环所得铸件(a)与植入热导体环后所得铸件(b)之间的对比。可以明显地看到从变截面处开始未植入热导体环的铸件出现杂晶，且杂晶的位置正是在阴影效应区。而采用了本项技术后，所得铸件解决了这一缺陷。