一种螺旋选晶结构及选晶方法与流程

本发明涉及单晶高温合金，更具体地说，涉及一种螺旋选晶结构及选晶方法。

背景技术：

1、单晶高温合金具有优异的高温性能，因此被广泛应用在航空发动机中需要在高温、复杂应力环境下服役的涡轮叶片。单晶的重要特征就是具有各向异性，且单晶高温合金中[001]晶向由于较低的弹性模量，具有最优的综合力学性能。因此，在单晶高温合金叶片制备过程中通常要求单晶高温合金叶片的[001]晶向与单晶叶片主应力轴的偏离严格控制在一定角度范围之内，以保证单晶叶片具有最优的力学性能。相应地，在单晶叶片研制和生产中需要严格控制单晶高温合金叶片的取向。通常要求单晶高温合金叶片的[001]晶向，与叶片主应力轴的偏离小于15°，有的甚至要求小于12°。通常情况下选择单晶高温合金叶片的[001]与主应力轴相平行能够显著提高单晶高温合金叶片抗疲劳能力。但是由于单晶高温合金在垂直于主应力轴的横向平面内也具有各向异性，因而在控制[001]晶向平行于主应力轴的情况下，对横向的二次取向(即图1所示的[010]晶向或[100]晶向)进行控制，可以进一步提高使用性能。

2、传热是凝固过程的控制环节，在单晶叶片制备中，定向的凝固方式在于获得单向热流。通过对处于热区包含金属液的壳型加热使其温度处于合金熔化温度以上，采用挡板把热区和冷区隔离，当壳型沿着竖直方向缓慢抽拉通过挡板进入冷区后，壳型通过辐射散热迅速降温而凝固，合适的温度控制参数和抽拉参数的组合能够保证凝固前沿的散热沿着竖直方向，而获得总体竖直定向热流下的定向凝固。由于金属具有良好的导热性，单晶叶片定向凝固过程中固液界面前沿的散热通过已凝固金属二次散热传递出去，正是由于这种二次散热作用，才使得总体上凝固前沿沿着水平方向。

3、定向凝固的传热仅能保证凝固过程中的固相定向生长，为了获得单晶，还得需要进入叶片型腔的晶粒只有一个。一般采用螺旋选晶的方式，当采用螺旋选晶的方式定向凝固时，在螺旋选晶的引晶段由择优生长获得定向柱状晶组织，随后通过螺旋选晶段的选晶作用，定向柱状晶组织最后仅有一个晶粒进入叶片型腔。并且，采用合适的参数的组合，保证叶片型腔内部分不再额外形成其他晶粒而获得单晶组织。

4、现有技术中，螺旋选晶的引晶段定向柱状晶组织凝固过程中，在水平方向上，热流呈现为圆周对称性，通过引晶段获得的定向组织横向取向具有随机性，使得单晶叶片的二次取向具有随机性。

5、因此，如何保证螺旋选晶工艺中二次取向的可控性，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种螺旋选晶结构，以保证螺旋选晶工艺中二次取向的可控性。

2、本发明的另一目的在于提供一种采用上述螺旋选晶结构的选晶方法。

3、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

4、一种螺旋选晶结构，具有供晶粒生长的腔体，包括：

5、选晶段，用于与单晶叶片连通；

6、引晶段，所述引晶段包括竖直段和连接在所述竖直段上的弯折段，所述弯折段为长方形薄板结构，以使得热量可沿所述弯折段的长边方向传递，且所述弯折段与所述选晶段连通，所述竖直段用于筛选第一方向上生长的晶粒，所述弯折段用于筛选第二方向上生长的晶粒。

7、可选地，在上述螺旋选晶结构中，所述长方形薄板结构的厚度为0.5mm～1.5mm；和/或，

8、所述长方形薄板结构的宽度为10mm～15mm；和/或，

9、所述长方形薄板结构的长度为16mm～25mm。

10、可选地，在上述螺旋选晶结构中，所述弯折段的中心轴线与所述竖直段之间具有预设夹角，所述弯折段的中心轴线平行于所述弯折段的长边方向。

11、可选地，在上述螺旋选晶结构中，所述预设夹角为15°～35°。

12、可选地，在上述螺旋选晶结构中，所述竖直段用于与水冷结晶器接触，且所述竖直段为柱状结构。

13、可选地，在上述螺旋选晶结构中，所述柱状结构的长度为20mm～30mm；和/或，

14、所述柱状结构的外径为15mm～20mm。

15、可选地，在上述螺旋选晶结构中，所述竖直段和所述弯折段之间连接有过渡段，所述过渡段的截面形状与所述弯折段相同，且所述过渡段的横截面积与所述弯折段的横截面积相等，所述过渡段沿竖直方向设置。

16、可选地，在上述螺旋选晶结构中，所述过渡段的长度为4mm～6mm。

17、可选地，在上述螺旋选晶结构中，所述选晶段为螺旋状结构。

18、一种选晶方法，用于单晶叶片制作工艺，采用如上任一项所述的螺旋选晶结构，步骤包括：

19、第一次筛选晶粒，利用定向热流通过所述引晶段的竖直段，筛选出第一方向上生长的晶粒，所述第一方向为平行于所述单晶叶片的主应力轴方向；

20、第二次筛选晶粒，利用定向热流通过所述引晶段的弯折段，筛选第二方向上生长的晶粒，所述第二方向垂直于所述第一方向；

21、获取单晶，通过选晶段筛选出单个晶粒进入所述单晶叶片的壳体空腔内，所述选晶段为螺旋状结构。

22、本发明提供的螺旋选晶结构，通过在引晶段的竖直段连接弯折段，且弯折段为长方形薄板结构，固液界面热量都是通过型壳表面的散发出去，可使得在单晶高温合金定向凝固过程中，垂直于弯折段平面方向具有明显占优的散热梯度分量。也就是在水平面内传热具有不对称性，沿着弯折段有明显的散热温度梯度。

23、单晶高温合金为面心立方晶体，由于面心立方晶体的对称性，[001]晶向、[100]晶向和[010]晶向均为其生长速度较快的择优生长方向。在引晶段的竖直段由于传热主要沿着竖直方向，这种竖直的单向散热使得[001]晶向择优生长方向与热流方向一致的晶粒因为具有较大的沿热流方向的生长速度而逐渐淘汰掉取向不利即生长较慢的晶粒，从而在竖直段的末尾形成了由多个[001]晶向平行于竖直段的轴线方向的枝晶束，从而完成第一方向即[001]晶向的晶粒筛选，即一次取向控制，然而这些晶粒的[100]晶向和[010]晶向具有随机分布的特点。

24、此时，多个枝晶束通过引晶段的弯折段，其[100]或[010]择优生长方向与热流方向一致的晶粒因为具有较大的生长速度快速生长，而逐渐淘汰掉取向不利即生长较慢的晶粒，从而可筛选出第二方向即[100]晶向或[010]晶向上生长的晶粒，较少的第二方向上生长的晶粒再通过选晶段后，筛选出一个晶粒进入单晶叶片的壳体空腔内，用于制备单晶叶片。

25、与现有技术相比，本发明提供的螺旋选晶结构，通过在引晶段的竖直段连接长方形薄板结构的弯折段，从而使得在单晶高温合金定向凝固过程中，当包含多个[001]晶向的枝晶束通过引晶段的弯折段时，由于择优生长方向与热流方向一致的晶粒因为具有较大的生长速度而快速生长，而逐渐淘汰掉取向不利即生长较慢的晶粒，从而可筛选出第二方向上生长的晶粒，进而使得横向取向具有可控性，保证了螺旋选晶工艺中二次取向的可控性。

技术特征：

1.一种螺旋选晶结构，具有供晶粒生长的腔体，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的螺旋选晶结构，其特征在于，所述长方形薄板结构的厚度为0.5mm～1.5mm；和/或，

3.根据权利要求1所述的螺旋选晶结构，其特征在于，所述弯折段(103)的中心轴线与所述竖直段(102)之间具有预设夹角，所述弯折段(103)的中心轴线平行于所述弯折段(103)的长边方向。

4.根据权利要求3所述的螺旋选晶结构，其特征在于，所述预设夹角为15°～35°。

5.根据权利要求1所述的螺旋选晶结构，其特征在于，所述竖直段(102)用于与水冷结晶器接触，且所述竖直段(102)为柱状结构。

6.根据权利要求5所述的螺旋选晶结构，其特征在于，所述柱状结构的长度为20mm～30mm；和/或，

7.根据权利要求1所述的螺旋选晶结构，其特征在于，所述竖直段(102)和所述弯折段(103)之间连接有过渡段(104)，所述过渡段(104)的截面形状与所述弯折段(103)相同，且所述过渡段(104)的横截面积与所述弯折段(103)的横截面积相等，所述过渡段(104)沿竖直方向设置。

8.根据权利要求7所述的螺旋选晶结构，其特征在于，所述过渡段(104)的长度为4mm～6mm。

9.根据权利要求1-8任一项所述的螺旋选晶结构，其特征在于，所述选晶段(101)为螺旋状结构。

10.一种选晶方法，用于单晶叶片制作工艺，其特征在于，采用如权利要求1-9任一项所述的螺旋选晶结构，步骤包括：

技术总结
本发明实施例公开了一种螺旋选晶结构及选晶方法，该螺旋选晶结构包括：选晶段，用于与单晶叶片连通；引晶段，引晶段包括竖直段和连接在竖直段上的弯折段，弯折段为长方形薄板结构，以使得热量可沿弯折段的长边方向传递，且弯折段与选晶段连通，竖直段用于筛选第一方向上生长的晶粒，弯折段用于筛选第二方向上生长的晶粒。本发明提供的螺旋选晶结构，利用单晶高温合金定向凝固过程中固液界面热量主要通过已凝固的固相传导出去的特点及面心立方晶体总是沿着<001>族晶向分枝的原理，通过设置长方形薄板结构的弯折段，对晶粒生长进行二次择优取向，保证了螺旋选晶工艺中二次取向的可控性。

技术研发人员：赵金乾
受保护的技术使用者：中国航发北京航空材料研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15