專利名稱：一種防止單晶葉片雜晶缺陷的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及合金定向凝固領(lǐng)域，尤其是一種防止單晶葉片雜晶缺陷的方法。
背景技術(shù)：
燃?xì)廨啓C(jī)以其特有的體積小、重量輕、功率大、啟動(dòng)快、附屬設(shè)備少等的特點(diǎn)，首先在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，為了提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的功能和效率，人們成功地利用高溫合金定向凝固技術(shù)將渦輪機(jī)葉片制成單晶形態(tài)，使得葉片的高溫工作壽命提高了幾十倍，隨著燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，原本單一應(yīng)用于航空領(lǐng)域的燃?xì)廨啓C(jī)，已在電力、交通、 艦船、坦克、石油、化工、市政、輕紡等諸多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，最近三十年來，借助把航空發(fā)動(dòng)機(jī)的單晶葉片技術(shù)應(yīng)用到大型工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的葉片制造中，大幅提高了工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)效率；由于工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的葉片尺寸遠(yuǎn)大于航空葉片，使得其單晶鑄件的生產(chǎn)變得極為困難， 目前在定向凝固技術(shù)生產(chǎn)形狀復(fù)雜的單晶渦輪葉片過程中遇到的主要問題之一就是會(huì)形成雜晶，在葉片緣板部分由于鑄件在垂直熱流方向上截面積突變，很容易產(chǎn)生新晶粒的形核、長(zhǎng)大。由于單晶合金中除去了晶界強(qiáng)化元素，所以這些雜晶的晶界將成為單晶葉片的薄弱環(huán)節(jié)，使用中成為裂紋源，最終導(dǎo)致葉片的斷裂，通過各種技術(shù)途徑，改善單晶鑄件定向凝固過程中的溫度分布，防止局部出現(xiàn)雜晶，是單晶葉片制備的重要技術(shù)。中國(guó)專利CN101537484A公開了一種能夠有效改善單晶鑄件凝固過程中溫度分布的方法，具體為在熔(蠟)模表面第一或第二層陶瓷殼形成后，將熱導(dǎo)體用制殼用陶瓷漿料粘接在鑄件凝固向外部傳熱過程中易出現(xiàn)熱障的部位，熱導(dǎo)體為石墨或SiC;按通常精密鑄造模殼一樣的制備方法，進(jìn)行掛涂料、撒砂，撒完砂后將熱導(dǎo)體外端的積砂抹去后進(jìn)行燒結(jié)，該發(fā)明通過植入一導(dǎo)熱體，可將葉冠內(nèi)角A處的熱及時(shí)散出，使其迅速冷卻至液相線溫度以下，葉片本部的單晶生長(zhǎng)可以迅速進(jìn)入葉冠并向外緣B處擴(kuò)展，避免此處因長(zhǎng)時(shí)間過冷而產(chǎn)生雜晶。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種防止單晶葉片雜晶缺陷的方法，在單晶葉片制備過程中使用本發(fā)明，能夠顯著提高單晶葉片緣板在隔熱板附近區(qū)域的水平溫度分布均勻性，大幅降低出現(xiàn)雜晶缺陷的幾率，從而明顯提高單晶葉片成品率。本發(fā)明涉及一種防止單晶葉片雜晶缺陷的方法，其特征為在制備用于單晶葉片生產(chǎn)的熔模鑄造模殼的過程中，將陶瓷纖維保溫塊植入到單晶葉片容易出現(xiàn)雜晶缺陷的葉片緣板處的模殼中。所述的陶瓷纖維保溫塊由1250°C時(shí)導(dǎo)熱率小于0.4 W/(mK)的耐高溫陶瓷纖維模塊根據(jù)葉片緣板處的模殼形狀預(yù)制成U型，并能使得陶瓷纖維保溫塊的U型內(nèi)腔包含住緣板處的全部模殼。陶瓷纖維保溫塊植入方法具體為在按照常規(guī)熔模鑄造工藝制備單晶葉片模殼前六或七層之后，根據(jù)此時(shí)緣板處模殼的外部形狀預(yù)制陶瓷纖維保溫塊的U型內(nèi)腔，并使U型保溫塊能夠覆蓋緣板模殼的全部位置，保溫塊厚度3 5mm，如圖1所示；然后用制殼漿料作為粘結(jié)劑將陶瓷纖維保溫塊粘接在葉片緣板模殼外部；之后按照常規(guī)工藝將模殼制備完成。所述的耐高溫陶瓷纖維模塊是指耐1450°C以上的陶瓷纖維。本發(fā)明與中國(guó)專利CN101537484A的不同之處在于本發(fā)明利用陶瓷纖維保溫塊導(dǎo)熱率極低的特點(diǎn)，合理控制了單晶葉片緣板處合金凝固時(shí)凝固前沿到達(dá)單晶葉片緣板處時(shí)的液相線溫度IY-等溫線形態(tài)(圖2)，使得緣板接近定向凝固隔熱板區(qū)域時(shí)，熱量主要通過單晶葉片主體導(dǎo)出，避免了緣板處的自發(fā)形核，從而保證單晶順利生長(zhǎng)，與中國(guó)專利 CN101537484A通過植入高導(dǎo)熱率的導(dǎo)熱體不同。本發(fā)明操作簡(jiǎn)單，不需要改造定向凝固設(shè)備，顯著抑制雜晶缺陷，能夠大幅提高單晶葉片成品率。


圖1 單晶葉片陶瓷纖維保溫塊示意圖2 定向凝固過程中凝固前沿到達(dá)單晶葉片緣板處時(shí)的液相線溫度Tf等溫線形態(tài)， a)帶有陶瓷纖維保溫塊時(shí)，凝固前沿Tf等溫線較為平直；b)沒有陶瓷纖維保溫塊時(shí)，緣板外端出現(xiàn)大范圍過冷區(qū)域，極易產(chǎn)生自發(fā)形核，導(dǎo)致雜晶缺陷； 圖3 實(shí)施例及對(duì)比例中單晶葉片結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例將本發(fā)明應(yīng)用于一種單晶葉片(圖3)生產(chǎn)，葉片材料為高溫合金CMSX-4，陶瓷纖維保溫塊的原料選用 SILCA Service- und Vertriebsgesellschaft fuer Daemmstoffe mbH公司生產(chǎn)的SILCASTACK — 160型陶瓷纖維模塊，耐溫1600°C，1250°C時(shí)導(dǎo)熱率0. 31 W/ (mK)。在葉片氧化鋁模殼制備過程中，首先按照常規(guī)熔模鑄造工藝制備單晶葉片模殼前七層；根據(jù)此時(shí)葉片緣板處模殼的外部形狀預(yù)制保溫塊的U型內(nèi)腔，并使得保溫塊能夠覆蓋緣板模殼的全部位置，保溫塊厚度3 5mm ；然后用制殼漿料作為粘結(jié)劑將保溫塊粘接在緣板模殼外部；之后按照常規(guī)工藝將模殼制備完成，定向凝固過程按照常規(guī)工藝參數(shù)進(jìn)行，共生產(chǎn)葉片12只，經(jīng)常規(guī)組織檢驗(yàn)，有2只葉片在緣板外端位置出現(xiàn)了小體積雜晶，雜晶缺陷率為16. 7%ο對(duì)比例
按照上述實(shí)施例中相同的材料、工藝參數(shù)和生產(chǎn)條件，生產(chǎn)相同葉片12只，但不采用本發(fā)明所述的陶瓷纖維保溫塊，經(jīng)常規(guī)組織檢驗(yàn)，有7只葉片在緣板處出現(xiàn)雜晶，且大部分體積較大，其中有5只葉片的雜晶生長(zhǎng)到了葉片主體位置，雜晶缺陷率為58. 3%。
權(quán)利要求
1.一種防止單晶葉片雜晶缺陷的方法，其特征為在制備用于單晶葉片生產(chǎn)的熔模鑄造模殼的過程中，將陶瓷纖維保溫塊植入到單晶葉片容易出現(xiàn)雜晶缺陷的葉片緣板處的模殼中，所述的陶瓷纖維保溫塊由耐高溫陶瓷纖維模塊根據(jù)葉片緣板處的模殼形狀預(yù)制成U 型，并能使得陶瓷纖維保溫塊的U型內(nèi)腔包含住緣板處的全部模殼。
2.如權(quán)利要求1所述的一種防止單晶葉片雜晶缺陷的方法，其特征為所述陶瓷纖維保溫塊植入方法具體為在按照常規(guī)熔模鑄造工藝制備單晶葉片模殼前六或七層之后，根據(jù)此時(shí)緣板處模殼的外部形狀預(yù)制陶瓷纖維保溫塊的U型內(nèi)腔，并使U型保溫塊能夠覆蓋緣板模殼的全部位置，保溫塊厚度3 5mm，然后用制殼漿料作為粘結(jié)劑將陶瓷纖維保溫塊粘接在葉片緣板模殼外部；之后按照常規(guī)工藝將模殼制備完成。
3.如權(quán)利要求1所述的一種防止單晶葉片雜晶缺陷的方法，其特征為所述的耐高溫陶瓷纖維模塊是指耐1450°C以上的陶瓷纖維，1250°C時(shí)導(dǎo)熱率小于0.4 W/(mK)。
全文摘要
本發(fā)明涉及合金定向凝固領(lǐng)域，尤其是一種防止單晶葉片雜晶缺陷的方法，其特征為在制備用于單晶葉片生產(chǎn)的熔模鑄造模殼的過程中，將陶瓷纖維保溫塊植入到單晶葉片容易出現(xiàn)雜晶缺陷的葉片緣板處的模殼中，所述的陶瓷纖維保溫塊由耐高溫陶瓷纖維模塊根據(jù)葉片緣板處的模殼形狀預(yù)制成U型，并能使得陶瓷纖維保溫塊的U型內(nèi)腔包含住緣板處的全部模殼。本發(fā)明利用陶瓷纖維保溫塊導(dǎo)熱率極低的特點(diǎn)，合理控制了單晶葉片緣板處合金凝固時(shí)凝固前沿到達(dá)單晶葉片緣板處時(shí)的液相線溫度TL-等溫線形態(tài)(圖2)，使得緣板接近定向凝固隔熱板區(qū)域時(shí)，熱量主要通過單晶葉片主體導(dǎo)出，避免了緣板處的自發(fā)形核，從而保證單晶順利生長(zhǎng)。
文檔編號(hào)C30B29/52GK102166643SQ20111007754
公開日2011年8月31日 申請(qǐng)日期2011年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月30日
發(fā)明者吳強(qiáng), 孫少純, 張釗, 趙玉濤, 馬德新 申請(qǐng)人:江蘇中歐材料研究院有限公司, 江蘇大學(xué)