一种高温合金等轴晶叶片或结构类铸件显微疏松的预测方法

1.本发明涉及高温合金熔模精密铸造技术领域，具体为一种高温合金等轴晶叶片或结构类铸件显微疏松的预测方法。


背景技术：

2.为了提高高温合金叶片和结构类铸件的性能及使用可靠性，通常要求对铸件的显微疏松进行检测分析。显微疏松检测需对叶片及结构件进行解剖取样、磨制试样、金相显微镜拍照和金相分析，最终得出叶片或结构类铸件的显微疏松。此方法为现下普遍采用的常规方案，具有测量结果准确的特点，并且只能针对单件铸件进行检测，解剖后的铸件也不可再用。然而想要了解生产批次全部铸件的显微疏松，提高批次铸件的使用可靠性，解剖所有铸件显然不切实际。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种高温合金等轴晶叶片或结构类铸件显微疏松的预测方法，主要适用于高温合金熔模精密铸造等轴晶叶片内部显微疏松的预测，同时也适用于高温合金熔模精密铸造结构类等轴晶铸件内部显微疏松的预测。
4.本发明的技术方案是：
5.一种高温合金等轴晶叶片或结构类铸件显微疏松的预测方法，在制备高温合金等轴晶叶片时，在浇注系统符合顺序凝固的前提下，采用多晶熔铸炉浇注等轴晶叶片，对熔铸后的等轴晶叶片进行初切，榫头浇冒口留有余量，对榫头浇冒口截面进行宏观晶粒腐蚀，通过观察截面晶粒度，分析等轴晶叶片在凝固过程中榫头处的凝固顺序和补缩通道开合状态，进而得出等轴晶叶片榫头及整个叶身在进行凝固过程中是否得到了充分补缩，并以此来预判等轴晶叶片整体的显微疏松状况；
6.或者，在制备高温合金等轴晶叶片的过程中，在浇注系统符合顺序凝固的前提下，采用多晶熔铸炉浇注等轴晶叶片，对熔铸后的等轴晶叶片进行切割，切割等轴晶叶片的某个截面，对切割截面进行宏观晶粒腐蚀，通过观察截面晶粒度，分析等轴晶叶片在凝固过程中截面处的凝固顺序和补缩通道开合状态，进而得出等轴晶叶片切割截面以下叶身在进行凝固过程中是否得到了充分补缩，并以此来预判等轴晶叶片的显微疏松状况；
7.或者，在制备高温合金等轴晶结构类铸件时，在浇注系统符合顺序凝固的前提下，采用多晶熔铸炉浇注等轴晶铸件，对熔铸后的等轴晶铸件进行浇冒口初切，浇冒口留有余量，对浇冒口截面进行宏观晶粒腐蚀，通过观察截面晶粒度，分析等轴晶结构件在凝固过程中浇冒口处的凝固顺序和补缩通道开合状态，进而得出等轴晶结构件在进行凝固过程中是否能够得到充分补缩，并以此来预判等轴晶结构件整体的显微疏松状况。
8.所述的高温合金等轴晶叶片或结构类铸件显微疏松的预测方法，通过观察截面晶粒大小和形态，来预测高温合金等轴晶叶片或结构类铸件的显微疏松。
9.所述的高温合金等轴晶叶片或结构类铸件显微疏松的预测方法，切割并腐蚀截面
其下方无明显热节，整体浇注系统设计合理，使工艺及设计符合顺序凝固特征。
10.所述的高温合金等轴晶叶片或结构类铸件显微疏松的预测方法，等轴晶叶片的长度方向尺寸为35～500mm，厚度尺寸为2～35mm。
11.所述的高温合金等轴晶叶片或结构类铸件显微疏松的预测方法，等轴晶结构类铸件的长度方向尺寸为35～500mm，厚度尺寸为2～35mm。
12.所述的高温合金等轴晶叶片或结构类铸件显微疏松的预测方法，截面的外部为快速凝固的细小等轴晶，由外向内为定向生长的柱状晶组成，截面的内部为粗大等轴晶。
13.所述的高温合金等轴晶叶片或结构类铸件显微疏松的预测方法，当柱状晶占截面面积＞70％时，截面的外部为细小等轴晶，外部等轴晶的晶粒尺寸小于2mm，截面由外向内定向生长的柱状晶呈对接趋势，柱状晶的晶粒长度大于10mm，柱状晶粒占据整个截面，内部几乎看不到粗大的等轴晶存在，即内部等轴晶占截面面积的20％以内，此截面凝固过快且补缩通道狭窄，得不到充分补缩，存在明显的显微疏松缺陷，铸件内部显微疏松的面积百分比＞1.5％。
14.所述的高温合金等轴晶叶片或结构类铸件显微疏松的预测方法，当柱状晶占截面面积的30％～70％，截面的外部为细小等轴晶，外部等轴晶的晶粒尺寸小于2mm，截面由外向内定向生长柱状晶的晶粒长度为3～10mm，截面的内部为晶粒尺寸3mm以上的粗大等轴晶，内部等轴晶占截面面积的20％～60％，此截面的外部凝固较快，内部凝固较为缓慢，补缩通道处在打开状态时间较长，而内部晶粒形核较早，较大的晶粒会对补缩造成阻碍，显微疏松较好，显微疏松的面积百分比在0.7～1.5％之间。
15.所述的高温合金等轴晶叶片或结构类铸件显微疏松的预测方法，当柱状晶占截面面积＜30％，截面的外部为等轴晶，外部等轴晶的晶粒尺寸小于2mm，截面由外向内定向生长的柱状晶的晶粒长度很小甚至没有柱状晶产生，即柱状晶占截面面积的30％以内，截面的内部为晶粒尺寸2mm以上的粗大等轴晶，内部等轴晶占截面面积的60％以上，此截面的外部凝固较慢，补缩通道一直处在打开状态，而此截面的外部晶粒形核较晚，形核长大时间不长，较小的晶粒不会对补缩造成较大阻碍，显微疏松较为良好，显微疏松的面积百分比在0～0.7％之间。
16.本发明的设计思想是：
17.本发明通过对大量铸件晶粒度腐蚀和显微疏松的分析，发现解剖截面的晶粒度大小和分布形态和铸件显微疏松存在一定关联，对铸件的显微疏松有一定的预测作用。为预测批量铸造叶片或结构件内部的显微疏松，同时提高等轴晶叶片或结构件的工艺优化程度。
18.本发明提出一种全新的高温合金等轴晶叶片或结构件显微疏松的预测方法，通过观察截面晶粒，分析等轴晶叶片在凝固过程中榫头处的凝固顺序和补缩通道开合状态，进而得出等轴晶叶片榫头及整个叶身在进行凝固过程中是否得到了充分补缩，并以此来预测等轴晶叶片的显微疏松状况。
19.本发明具有如下优点及有益效果：
20.1、本发明易操控、成本低，能够直接反应出显微疏松缺陷的严重程度。
21.2、本发明操作周期短，效率高，能够对整批铸件进行预测。
22.3、本发明在铸件研制初期，能够缩短工艺研制周期。
23.4、本发明在浇注系统设计合理的情况下，能够为铸件熔铸工艺提供改进方向，使得工艺不断优化。
24.5、本发明具有操作简单、成本低廉的特点，更适合应用在工程化叶片生产中对等轴晶叶片显微疏松的预测上。
25.6、本发明可以降低铸件解剖造成的成本损失，并且在工程化叶片生产中对解决铸件显微疏松具有指导意义。
26.7、本发明主要适合高温合金熔模精密铸造等轴晶叶片内部显微疏松的预测，同时也适用于高温合金熔模精密铸造结构类等轴晶铸件内部显微疏松的预测。
附图说明
27.图1为本发明适用的等轴晶叶片结构示意图。
28.图2为本发明中涉及到的几种晶粒生长形貌。图中，1粗大等轴晶，2柱状晶，3细小等轴晶。
具体实施方式
29.在具体实施过程中，如图1、图2所示，高温合金等轴晶叶片或结构类铸件显微疏松的预测方法为：取叶片或结构类铸件浇冒口进行截面切割，采用hcl+h2o2或fecl3+hcl腐蚀溶液对截面进行宏观晶粒度腐蚀，腐蚀至浇冒口截面可观察到清晰晶粒为止，截面外部为快速凝固的细小等轴晶3，由外向内为定向生长的柱状晶2组成，内部为粗大等轴晶1。通过观察截面晶粒度，分析等轴晶叶片在凝固过程中榫头处的凝固顺序和补缩通道开合状态，进而得出等轴晶叶片榫头及整个叶身在进行凝固过程中是否得到了充分补缩，并以此来预测等轴晶叶片的显微疏松状况。
30.下面，通过实施例进一步详述本发明。
31.实施例1
32.本实施例预测一种高温合金等轴晶叶片的显微疏松，叶片结构与图1类似，总长290mm，榫头最大厚度为38mm，伸根厚26mm，叶尖厚5mm，向叶根方向逐渐增厚至14mm，符合顺序凝固要求。采用本发明方法预测该叶片内部显微疏松状况，对叶片榫头浇冒口进行切割，并进行了晶粒腐蚀，其晶粒形貌及分布情况为：截面外部为快速凝固的细小等轴晶，截面外部等轴晶的晶粒尺寸小于2mm，由外向内为定向生长的柱状晶，柱状晶的晶粒长度大于10mm，两端柱状晶的生长几乎呈对接趋势，截面内部几乎看不到较粗大的等轴晶存在，即内部等轴晶占截面面积的20％以内。
33.此浇冒口截面晶粒的分布反应出，浇冒口凝固过程中，补缩通道狭窄，横向呈定向凝固趋势，凝固速度较快，内部不存在最后自由形核并长大的等轴晶，即截面几乎由较为粗大柱状晶组成，柱状晶由表面形核快速凝固定向生长获得，柱状晶占截面面积的大于70％。此晶粒状态表明叶片凝固过程中，对叶片进行补缩的浇冒口凝固过快，并且补缩通道狭窄，导致叶片得不到充分补缩，可能存在明显的显微疏松缺陷，叶片显微疏松的面积百分比＞1.5％。
34.对该叶片进行常规的显微疏松检测，其最严重处显微疏松的面积百分比为3.26％，显微疏松较为严重，与预测结果相同。
35.实施例2
36.本实施例预测一种高温合金等轴晶叶片的显微疏松，叶片结构与图1类似，总长165mm，榫头最大厚度为25mm，伸根厚18mm，叶尖厚4mm，向叶根方向逐渐增厚至10mm，符合顺序凝固要求。采用本发明方法预测该叶片内部显微疏松状况，对叶片榫头浇冒口进行切割，并进行了晶粒腐蚀，其晶粒形貌及分布情况为：截面外部为快速凝固的细小等轴晶，截面外部等轴晶的晶粒尺寸小于2mm，由外向内为定向生长柱状晶的晶粒长度为3～5mm，内部为较为粗大的等轴晶，内部等轴晶的晶粒尺寸为3mm以上。
37.此浇冒口截面晶粒的分布反应出，浇冒口凝固过程中，补缩通道开合较好，具有较大的补缩扩张角，内部等轴晶尺寸较大，即：截面存在快速凝固定向生长的柱状晶，柱状晶占截面面积的30％～70％；截面内部为粗大等轴晶，截面内部等轴晶占截面面积的20％～60％；截面外部为细小等轴晶，截面外部细小等轴晶占截面面积的10％～20％。此晶粒状态表明叶片凝固过程中，对叶片进行补缩的浇冒口表面凝固较快，内部凝固较为缓慢，补缩通道处在打开状态时间较长，而内部晶粒形核较早，较大的晶粒会对叶片补缩造成一定阻碍。综合以上可以预测，该叶片显微疏松较好，叶片显微疏松的面积百分比在0.7～1.5％之间。
38.对该叶片进行常规的显微疏松检测，其最严重处显微疏松的面积百分比为1.38％，显微疏松较为良好，与预测结果相同。
39.实施例3
40.本实施例预测一种高温合金等轴晶表面细晶叶片的显微疏松，叶片结构与图1类似，总长70mm，榫头最大厚度为10mm，伸根厚6mm，叶尖厚3mm，向叶根方向逐渐增厚至5mm，符合顺序凝固要求。采用本发明方法预测该叶片内部显微疏松状况，对叶片榫头浇冒口进行切割，并进行了晶粒腐蚀，其晶粒形貌及分布情况为：截面外部为细化剂作用产生的细小等轴晶，截面外部等轴晶的晶粒尺寸小于1mm，截面内部为细化剂作用下形核和自由形核产生的较为粗大等轴晶，内部等轴晶的晶粒尺寸为2～3mm，几乎看不到柱状晶产生。
41.此浇冒口截面晶粒的分布反应出，浇冒口凝固过程中，补缩通道打开良好，具有很大的补缩扩张角，截面内部几乎不存在快速凝固定向生长的柱状晶，即柱状晶占截面面积的10％以内，截面内部为稍为粗大的等轴晶，内部等轴晶越细小越有利于铸件补缩，截面内部等轴晶占截面面积的85％。此晶粒状态表明叶片凝固过程中，对叶片进行补缩的浇冒口表面凝固较慢，补缩通道一直处在打开状态，而内部晶粒形核较晚，形核长大时间不长，较小的晶粒不会对叶片补缩造成较大阻碍。综合以上可以预测，该叶片显微疏松较为良好，叶片显微疏松的面积百分比在0～0.7％之间。
42.对该叶片进行常规的显微疏松检测，其最严重处显微疏松的面积百分比为0.26％，显微疏松良好，与预测结果相同。
43.实施例结果表明，本发明主要适合在满足顺序凝固前提下高温合金等轴晶叶片或结构类铸件的显微疏松预测。通过观察截面晶粒度，分析等轴晶叶片或结构类铸件在凝固过程中是否得到了充分补缩，就能有效预测等轴晶叶片或结构类铸件的显微疏松状况。