[發明專利]減少雜晶產生的單晶合金定向凝固方法及模殼結構

在審

• 申請號: 202110088757.0
• 申請日: 2021-01-22
• 公開（公告）號: CN112921393A
• 公開（公告）日: 2021-06-08
• 發明（設計）人: 宋揚;王遠斌;李小政;張凡;王勇;杜小兵
• 申請（專利權）人: 成都航宇超合金技術有限公司
• 主分類號: C30B11/14
• 分類號: C30B11/14;C30B29/52;B22D27/04;B22D27/20;B22C9/22;C25D3/50;C23C14/16;C23C14/34;C23C14/24
• 代理公司: 成都虹橋專利事務所(普通合伙) 51124
• 代理人: 劉揚

本發明涉及單晶高溫合金定向凝固制備工藝，尤其是一種有效克服籽晶表面產生的沉積，以及由籽晶側壁與模殼之間的間隙造成的雜晶問題的減少雜晶產生的單晶合金定向凝固生產方法及模殼結構，包括如下步驟：a、制備001取向的籽晶，并將籽晶表面磨拋至光亮；b、在預制完畢的籽晶頂端沉積設置抗氧化金屬層，然后將籽晶放入籽晶模殼的底部；c、完成澆鑄并得到葉片。本發明不僅能夠大幅提高葉片的鑄件質量，還能夠有效提高單晶葉片的成材率，尤其適用于籽晶法結合選晶法生產單晶高溫合金葉片的工藝之中。

技術領域

本發明涉及單晶高溫合金定向凝固制備工藝，尤其是一種減少雜晶產生的單晶合金定向凝固生產方法及模殼結構。

背景技術

航空發動機是飛機的心臟，被譽為工業上的皇冠，而作為工業皇冠上的明珠，渦輪葉片的制作技術水平是衡量一個國家科技水平和航空工業發展實力的重要標志。隨著定向凝固等技術地不斷發展，當代的葉片也由傳統的等軸晶組織演變為性能更高的單晶組織。目前，制備單晶葉片的方式主要分為兩種，一種是由底部添加螺旋選晶器，通過定向凝固過程過濾掉雜晶，選出靠近001方向的單晶組織，稱為“選晶法”；另一種是預制出001取向的籽晶，置于底座上，隨后澆入的金屬液在凝固過程中，“復制”籽晶的取向而生長為單晶葉片，即“籽晶法”。

選晶法工藝相對簡單，在工業中得到廣泛應用，但由于是晶粒自然競爭生長的結果，無法精確控制單晶葉片的三維取向。籽晶法克服了這一缺點，對于葉片橫向的取向也能得到有效控制。在實際生產中，籽晶表面由于各種因素容易產生雜晶，因此一般采用籽晶法和選晶法相結合的方式。

預制的籽晶放入模殼底部，與螺旋段相連，螺旋段另一端再連接葉片，與爐內氣氛聯通。在模殼的升溫及保溫過程中，籽晶在這種爐內氛圍的直接影響下，將不斷有氧化沉積層產生。沉積層的存在阻隔了籽晶與金屬液的接觸，嚴重干擾了金屬液復制籽晶取向的生長過程，容易產生小角度晶界及雜晶。另一方面，籽晶裝入模殼后，籽晶側壁與模殼之間存在間隙，金屬液流入其中，在凝固過程中會產生雜晶。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種有效克服籽晶表面產生的沉積，以及由籽晶側壁與模殼之間的間隙造成的雜晶問題的減少雜晶產生的單晶合金定向凝固方法及模殼結構。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：減少雜晶產生的單晶合金定向凝固方法，包括如下步驟：a、制備001取向的籽晶，并將籽晶表面磨拋至光亮；b、在預制完畢的籽晶頂端沉積設置抗氧化金屬層，然后將籽晶放入籽晶模殼的底部；c、完成澆鑄并得到葉片。

進一步的是，步驟a中，通過線切割制備001取向的籽晶。

進一步的是，步驟a中，采用砂紙將籽晶表面磨拋至光。

進一步的是，步驟b中，抗氧化金屬層為Pt層。

進一步的是，步驟b中，抗氧化金屬層采用電鍍、濺射或蒸鍍的方式沉積設置于籽晶頂端。

進一步的是，步驟b中，抗氧化金屬層厚度范圍為0.05um～20um之間。

進一步的是，減少雜晶產生的單晶合金定向凝固方法的模殼結構，包括螺旋選晶器、頸縮段和籽晶模殼，所述螺旋選晶器的底部通過頸縮段與籽晶模殼頂部連通，其中，頸縮段內徑范圍為螺旋選晶器的螺旋段內徑尺寸的50％以下。

進一步的是，所述頸縮段為中空的剛玉陶瓷管。

進一步的是，所述頸縮段為中空的陶瓷圓環。

本發明的有益效果是：本發明的核心構思是在籽晶表面涂覆一層一定厚度的抗氧化金屬層，同時，將籽晶與螺旋選晶器通過頸縮段相連。其中，抗氧化金屬層能夠抑制籽晶表面產生沉積層，從而減少由此導致的雜晶情況。而頸縮段有效避免了由籽晶側壁與模殼的間隙中長出的雜晶對主晶粒的影響。本發明不僅能夠大幅提高葉片的鑄件質量，還能夠有效提高單晶葉片的成材率，尤其適用于籽晶法結合選晶法生產單晶高溫合金葉片的工藝之中。