[發明專利]一種防止單晶葉片產生雜晶缺陷的方法

有效

• 申請號: 201410511340.0
• 申請日: 2014-09-29
• 公開（公告）號: CN104259442B
• 公開（公告）日: 2017-04-05
• 發明（設計）人: 賈志宏;徐亮;趙玉濤;馬銘澤;謝道存;陶然;張巖;張力
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: B22D27/04
• 分類號: B22D27/04;C30B29/52;B22C9/22
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司32200
• 代理人: 樓高潮

技術領域

本發明涉及高溫合金單晶葉片制備領域，特指一種防止單晶葉片葉緣處形成雜晶缺陷的方法。

背景技術

利用高溫合金定向凝固技術，人們成功的將航空發動機葉片制成單晶形態，大幅提高了葉片的高溫工作壽命；近年來，隨著渦輪發動機技術的不斷發展，原本單一應用于航空領域的渦輪發動機，已在化工、石油、船舶等諸多領域有廣泛的應用，大大擴展了渦輪發動機的應用范圍；但應用于工業渦輪發動機的葉片尺寸要比航空渦輪發動機所使用的葉片大很多，生產過程中更容易產生雜晶，使得單晶葉片的生產變得更加困難；雜晶的形成，多發生在橫截面發生突變的葉緣部位（附圖1中A處），這是由于葉緣與葉身的夾角處（附圖1中B處），模殼厚度較其它部位大，散熱性差，形成熱阻，而葉緣處由于模殼厚度較薄，散熱性好，導致模殼在抽拉的過程中，葉緣附近等溫線下凹（附圖2a），葉片不能順序凝固，葉緣邊角能率先冷卻到液相線溫度以下，造成成分過冷，導致第二晶粒的形核和生長，破壞了整個葉片的單晶性；因此，可以通過調整模殼的散熱狀況，改善單晶葉片在定向凝固過程中的溫度場分布，以達到順序凝固，防止葉緣處局部形核，出現雜晶的狀況。

中國專利CN101537484通過在葉緣和葉身的夾角處的模殼中值入導熱體，改善單晶鑄件定向凝固中溫度發布；中國專利CN102166643A通過在葉緣處的模殼中植入保溫體，以抑制葉緣處的形核；這兩種方法的不足之處在于在模殼中植入導熱體或保溫體，加大了模殼制備的難度以及燒結時模殼植入部位附近的熱裂傾向。

本發明與中國專利CN101537484以及中國專利CN102166643A的不同之處在于：本發明通過對模殼的復合包裹處理，無需將保溫體或導熱體值入模殼之中，降低了制備生產的難度和成本，合理控制了單晶葉片葉緣處在凝固過程中的溫度分布，避免了因成分過冷而引發的形核，保證了單晶葉片順序生長。

發明內容

本發明的目的是提供一種防止單晶葉片葉緣處雜晶缺陷的方法。

一種通過對模殼的制備與處理，改善單晶葉片在定向凝固過程中的溫度場分布，以達到順序凝固，防止葉緣處局部形核的方法。

具體技術方案為：在制備用于單晶葉片定向凝固的陶瓷模殼的過程中，將焊好的蠟模進行掛漿、淋砂，減少掛漿、淋砂的層數，使模殼的厚度控制在4-6mm，以達到降低葉緣與葉身夾角部位厚度（附圖1中B處）的目的，使B處具有更好的散熱性能；經過脫蠟，焙燒，制成內有空腔的模殼后，采用復合纏繞技術，在模殼表面包裹一層碳纖維布，以增強模殼的強度，彌補因模殼厚度變薄而帶來的強度不足問題（附圖1中B處因模殼厚度較其他地方厚，因此無需包裹強度增強材料，以保證其最佳的散熱性能），葉緣A處模殼厚度較薄，散熱較快，因此再包裹一層保溫陶瓷棉，厚度2-4mm，以降低其散熱性能。

所述的模殼與傳統模殼相比，模殼的整體厚度降低至4-6mm。

所述的模殼表面包裹一層碳纖維布，該材質導熱系數達到120W/(m·K)以上，是良好的導熱材料，其抗拉強度在3400MPa以上，為降低模殼的厚度提供了保證。

所述的模殼在壁厚處（如附圖1中B處）不包裹碳纖維布，以保證其最佳的散熱性能。

所述的葉緣處模殼表面包裹一層陶瓷棉，包裹厚度為2-4mm，其導熱系數為0.03W/(m·K)，是良好的保溫材料。

在包裹碳纖維布時，將該材料分成條狀，沾漿（漿料為蠟模掛漿所用的漿料），均勻纏繞在模殼表面（除葉緣與葉身的夾角處）；在葉緣處包裹陶瓷棉時，將陶瓷棉分成薄條狀，同樣沾漿（漿料為蠟模掛漿所用的漿料），均勻纏繞在葉緣處模殼表面，風干。

本發明操作簡單，不需要改造定向凝固設備，能顯著改善抽拉過程中葉緣附近的溫度分布（如附圖2b)，從而防止葉緣處雜晶缺陷，能夠大幅提高單晶葉片的成品率。

附圖說明

圖1為葉緣處模殼的分布照片。

圖2為定向凝固過程中單晶葉片葉緣處的等溫線分布示意圖。

(a)傳統工藝條件下，葉緣處等溫線分布；(b)使用本發明制備的模殼，葉緣處等溫線分布。

圖3實施例的單晶葉片宏觀照片。

具體實施方式

實施例

將本發明應用于一種單晶葉片的制備，葉片用高溫合金為DD5，陶瓷模殼的耐火材料成分為Al₂O₃（純度＞99.0%），將焊好的蠟模進行掛漿、淋砂共6層，漿料采用JN-30硅溶膠和高純剛玉粉混合，粉液比為3:1，面層砂2層，過渡層砂1層，背層砂3層，面層、過渡層、背層分別采用100目、54目、36目高純剛玉粉進行淋砂，陶瓷模殼制備厚度為5mm；采用水蒸氣脫蠟，將脫完蠟的模殼放入焙燒爐中進行1200℃焙燒1.5h；采用碳纖維布作為模殼增強材料，將碳纖維布撕條，沾漿（漿料為蠟模掛漿所用的漿料），均勻包裹在模殼上（葉緣與葉身的夾角處不包裹，以保證其最佳的散熱性能）；選用陶瓷棉作為保溫材料，將其分成薄條狀，同樣沾漿（漿料為蠟模掛漿所用的漿料），均勻包裹在葉緣處的模殼上，包裹厚度為3mm，風干；之后將新型復合纏繞模殼置于定向凝固爐中拉單晶，得到DD5單晶葉片，葉片宏觀圖見圖3，葉緣處無雜晶產生。