控制变截面处杂晶形成的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种高溫合金的制备技术，特别是设及一种在单晶高溫合金定向凝固 过程中控制杂晶形成的方法，应用于高溫合金组织凝固技术领域。
【背景技术】
[0002] 高溫合金发展水平是衡量航空发动机和工业燃气轮机发展水平的一个重要标志， 高溫合金的发展大致经历了变形高溫合金、普通铸造高溫合金、定向凝固高溫合金W及单 晶高溫合金，特别是单晶高溫合金在高溫条件下能够承受较大复杂应力，具有优异的高溫 轻强度和抗蠕变的性能，因而具有重要的研究和开发价值。然而高溫合金叶片在叶身和叶 片的缘板处由于截面突变的存在，在平台拐角处极易产生杂晶，杂晶与初始单晶间有晶界， 晶界在高溫下极易受到腐蚀而成为裂纹扩展的源头，会降低高溫合金在高溫下的机械性 能。关于杂晶的消除，国内外进行了很多研究，降低拉速和增大溫度梯度可W抑制杂晶的产 生，然而降低拉速导致生产效率低下，而且降低拉速和提高溫度梯度对杂晶的抑制效果有 限；马德新老师等人采用导热体技术及引晶条技术制备单晶，取得了一定的成效，但是引晶 条技术容易产生小角晶界。因而找到一种切实可行的抑制杂晶形成的方法，对实际工业生 产中避免杂晶缺陷的形成W获得性能优良的高溫合金材料具有重要的科学意义，目前控制 铸件变截面处杂晶形成的方法还不理想。
【发明内容】
[0003]为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种 控制变截面处杂晶形成的方法，通过在变截面处使用双层模壳法，能切实有效的抑制变截 面处杂晶形成，在相对较高的拉速下获得单晶组织，获得机械性能优良的高溫合金铸件。
[0004]为达到上述发明创造目的，采用如下发明构思： 本发明控制变截面处的溫度场，实现由中屯、向边缘的顺序凝固，可W抑制变截面处的 杂晶形成。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，则径向溫度梯度减小。根据公式A?'-=巧,￡，其中巧为径向溫度梯度，L为变截面 尺寸，可见，径向溫度梯度减小可W降低变截面拐角处的过冷度，从而抑制该处烙体中异质 形核，防止杂晶的形成。
[000引根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案： 一种控制变截面处杂晶形成的方法，具体为:设置定向凝固装置，由铸件型腔模壳形成 金属定向凝固工作空间，并使定向凝固工作空间形成竖直的分段变截面的圆柱形铸件型 腔，在铸件型腔的变截面拐角处的铸件型腔模壳部分形成局部双层模壳，局部双层模壳是 由保溫模壳和铸件型腔模壳分别作为内外壳层结合形成的复合模壳，利用保溫模壳包围铸 件变截面拐角，进而控制铸件在变截面处的径向溫度梯度为0.5~1 °C/mm，同时控制其加 热炉内腔溫度为1450~1550°C，采用水冷系统作为对铸件起晶段进行冷却，在定向凝固装 置内的固-液界面处和初生凝固组织中形成设定的过冷度，并控制定向凝固铸巧的拉速连 续可调;将铸件型腔模壳与拉杆固定，然后一起上升进入定向凝固装置的加热炉中设定位 置处，然后向铸件型腔模壳中诱铸金属烙体，诱注完成后，保溫至溫度基本恒定后，根据设 定抽拉速度及溫度梯度，Wl~4mm/min的拉速将铸件型腔模壳、初生凝固铸件和水冷系统 一并从加热炉内的加热区向冷却区缓慢抽拉，使在铸件型腔模壳中的金属烙体进行自下而 上的定向凝固形成单晶组织。
[0006]作为本发明的优选的技术方案，在铸件起晶段利用螺旋选晶器的螺旋段的选择作 用，逐渐生长金属单晶凝固组织。
[0007]作为本发明上述方案的进一步优选的技术方案，采用控制变截面处杂晶形成的装 置来实施，控制变截面处杂晶形成的装置包括炉体和加热器，在加热器下方设有固定福射 挡板，固定福射挡板将整个炉体的内腔分为上方的加热区和下方的冷却区，铸件系统从加 热区拉到冷却区使金属烙体进行自下而上的定向凝固，铸件系统包括铸件型腔基体模壳、 螺旋选晶器和模壳顶部的诱注口，铸件型腔基体模壳内部形成竖直分段变截面的圆柱形铸 件型腔，液态高溫合金烙体经诱注口诱入铸件型腔基体模壳中，在铸件变截面拐角处的铸 件型腔基体模壳内表面固定设置保溫模壳，使铸件变截面拐角处的铸件型腔模壳部分形成 局部双层结构的复合模壳，利用保溫模壳包围铸件变截面拐角，进而控制变截面铸件在变 截面处的径向溫度梯度为0.5~1 °C/mm，螺旋选晶器的顶部与铸件型腔基体模壳的底部连 通，螺旋选晶器的底部固定安装在设置于加热区和冷却区分界线位置处的底部水冷板上， 在变截面铸件起晶段利用螺旋选晶器的螺旋段的选择作用，最终只有一个晶粒生长到螺旋 选晶器的顶部，逐渐生长金属单晶凝固组织，最终长满整个型腔，控制变截面铸件的拉速连 续可调，将铸件系统与拉杆固定，然后一起上升进入定向凝固装置的炉体中设定位置处，然 后向铸件型腔中诱铸金属烙体，诱注完成后，保溫至溫度基本恒定后，根据设定抽拉速度及 溫度梯度，W1~4mm/min的拉速将铸件系统从加热炉内的加热区向冷却区缓慢抽拉，使在 铸件型腔中的金属烙体进行自下而上的定向凝固形成单晶组织。
[0008]作为本发明上述方案的进一步优选的技术方案，铸件系统的铸件型腔基体模壳采 用烙模组结构，至少包括两个竖直的分段变截面的圆柱形铸件型腔，分段变截面的圆柱形 铸件型腔的顶部通过横向的烙体流通通道相互连通，诱注口位于烙体流通通道上，对应诱 注口的烙体流通通道的底部下沉成为缓冲腔，在缓冲腔的底部和底部水冷板之间通过固定 安装支撑杆进行连接和支撑。
[0009]作为本发明上述方案的进一步优选的技术方案，保溫模壳与铸件型腔基体模壳间 隙性接触。
[0010] 作为本发明上述方案的进一步优选的技术方案，固定福射挡板上方的炉体的内腔 部分为加热区，在在炉体内的加热区设有加热器，加热器包括上加热单元、分区挡板和下加 热单元，上加热单元和下加热单元的中间用分区挡板隔开，上加热单元加热溫度高于下加 热单元的加热溫度，固定福射挡板下方为冷却区设有水冷环。
[0011] 本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点： 1. 在高溫合金铸件定向凝固过程中，本发明具有显著抑制变截面处杂晶形成的优点， 在变截面处加保溫模壳的双层模壳法可W阻碍变截面处的径向热量散失，延缓形核，可从 而有效抑制杂晶的产生； 2. 本发明采用双层模壳法有优异的抑制杂晶形成的效果，对多叶片成组制造并获得 性能优异的单晶高溫合金叶片，提高生产效率具有重要的指导意义。
【附图说明】
[0012] 图1是本发明实施例一控制变截面处杂晶形成的方法采用的双层模壳结构示意 图。
[0013]图2是本发明实施例一控制变截面处杂晶形成的装置的结构示意图。
[0014]图3是本发明实施例一控制变截面处杂晶形成方法制备的单晶和对比例一采用不 加保溫模壳的单层模壳制备的单晶的微观组织实验结果对比图。
[0015]图4是本发明实施例二控制变截面处杂晶形成方法制备的单晶和对比例二采用不 加保溫模壳的单层模壳制备的单晶的微观组织实验结果对比图。
【具体实施方式】
[0016] 本发明的优选实施例详述如下： 实施例一： 在本实施例中，参见图1~3,一种控制变截面处杂晶形成的方法，采用控制变截面处杂 晶形成的装置来实施，控制变截面处杂晶形成的装置包括炉体1和加热器2,在加热器2下方 设有固定福射挡板6,固定福射挡板則尋整个炉体1的内腔分为上方的加热区和下方的冷却 区，铸件系统从加热区拉到冷却区使金属烙体进行自下而上的定向凝固，铸件系统包括铸 件型腔基体模壳9、螺旋选晶器12和模壳顶部的诱注口 13,铸件型腔基体模壳9内部形成竖 直分段变截面的圆柱形铸件型腔，液态高溫合金烙体经诱注口 13诱入铸件型腔基体模壳9 中，在铸件变截面拐角10处的铸件型腔基体模壳9内表面固定设置保溫模壳11，保溫模壳11 与铸件型腔基体模壳9间隙性接触，使铸件变截面拐角10处的铸件型腔模壳部分形成局部 双层结构的复合模壳，利用保溫模壳11包围铸件变截面拐角10,进而控制变截面铸件8在变 截面处的径向溫度梯度为〇.9°C/mm，螺旋选晶器12的顶部与铸件型腔基体模壳9的底部连 通，螺旋选晶器12的底部固定安装在设置于加热区和冷却区分界线位置处的底部水冷板15 上，在变截面铸件8起晶段利用螺旋选晶器的螺旋段的选择作用，最终只有一个晶粒生长到 螺旋选晶器12的顶部，逐渐生长金属单晶凝固组织，最终长满整个型腔，控制变截面铸件8 的拉速连续可调，将铸件系统与拉杆固定，然后一起上升进入定向凝固装置的炉体1中设定 位置处，然后向铸件型腔中诱铸金属烙体，诱注完成后，保溫至溫度基本恒定后，根据设定 抽拉速度及溫度梯度，W2mm/min的拉速将铸件系统从加热炉内的加热区向冷却区缓慢抽 拉，使在铸件型腔中的金属烙体进行自下而上的定向凝固形成单晶组织。烙模组铸件定向 凝固过程中由于不对称的加热条件引起了试样两侧溫度分布不均匀，特别是叶片的截面突 变处溫度分布不均匀的程度更加明显，且冷却速率和横向溫度梯度较大，因而该区域容易 产生杂晶。在本实施例高溫合金铸件定向凝固过程中，本实施例控制变截面处杂晶形成的 装置由加热系统、铸件系统和水冷系统组成，铸件系统从加热区拉到冷却区可W实现自下 而上的定向凝固。液态高溫合金烙体经诱注口 13诱入模壳型腔中，为了抑制铸件变截面拐 角10处杂晶的形成，在该处加保溫模壳11，可W延缓热量散失，减小冷却速率，从而推迟该 处的凝固时间；螺旋选晶器12起晶段底部大量形核，竞争生长，部分晶粒进入螺旋段，经螺 旋段的选择作用，最终只有一个晶粒生长到