一种镍基单晶高温合金铸造性能评估模具和方法技术

本发明专利技术涉及一种镍基单晶高温合金铸造性能评估模具，包括浇口杯、浇道以及选晶器，还包括宝塔形型腔，所述宝塔形腔体位于浇道下方，并与下方的螺旋选晶器连接，用于获得铸造性能评价试样；所述的宝塔形腔体为回转体形，包括多个不同直径但统一高度的圆盘平台和统一尺寸的圆柱，圆盘直径自下到上逐渐增大。本发明专利技术利用设计的宝塔形铸造性能评价试样能够将最后凝固处汇聚到圆盘形平台一侧，促进热裂纹形成，结合不同直径的圆盘形平台这一载体同时定性、定量地评价镍基单晶高温合金的单晶完整性和收缩特性。在评价合金收缩特性时考虑宝塔形铸件的凝固特点，将杂晶所占面积扣除，能够使评价结果更加精准。评价结果更加精准。评价结果更加精准。

【技术实现步骤摘要】
一种镍基单晶高温合金铸造性能评估模具和方法


[0001]本专利技术属于单晶叶片铸造成型领域，特别涉及一种镍基单晶高温合金铸造性能评估模具和方法。

技术介绍

[0002]单晶叶片是航空发动机的关键部件，主要由镍基单晶高温合金定向凝固熔模铸造成型。随着现代航空工业和国防建设的发展，镍基单晶高温合金中难熔元素含量增多，单晶叶片的结构越来越复杂，以提高先进单晶叶片的服役性能，导致叶片成型过程中出现杂晶、小角度晶界、雀斑、条纹晶、缩松等凝固缺陷的趋势增加，严重降低了单晶叶片铸造成型成品率。
[0003]合金的铸造性能是铸造成型需要考虑的关键因素之一，直接影响铸造成型的成品率。为了提高单晶叶片的成品率，有必要全面了解镍基单晶高温合金的铸造性能。根据单晶叶片的成型特点及常见凝固缺陷类型，相关科技工作者发现镍基单晶高温合金的单晶完整性和收缩特点是影响单晶叶片成品率的关键铸造性能指标。
[0004]目前，镍基单晶高温合金的单晶完整性是被广泛关注的铸造性能指标。张小丽等在专利CN102706920A中公开了一种调整方形平台长度和高度的方式设计两种模具，通过分析采用两种模具形成的铸件中杂晶形成的平台长度和高度定量平均合金的单晶完整性。李嘉荣等在专利CN115586317A中公开了一种采用阶梯试样评价镍基单晶高温合金雀斑缺陷形成倾向性的方法。这些专利公开的方法都只能评价镍基单晶高温合金的单晶完整性，不能用于评价合金的收缩特性。曾龙等在专利CN115047160A中公开了一种单晶高温合金铸造性能评估的装置及方法，能够评估镍基单晶高温合金的单晶完整性和收缩特性，但需要使用不同的模具。文献“晶体取向对镍基单晶高温合金铸态组织和偏析的影响”等表明，晶体取向对镍基单晶高温合金凝固行为及铸造性能均具有显著的影响，但目前的铸造性能评价时均未考虑该问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为了解决现有评价方法不能使用单一的模具综合评估镍基单晶高温合金铸造性能，且未考虑单晶取向对合金铸造性能的影响等的问题，提出了一种镍基单晶高温合金铸造性能评估模具，实现使用一种模具对铸造性能的综合评估，即对镍基单晶高温合金单晶完整性和收缩特性的评估。
[0006]本专利技术的另一专利技术目的是提出了一种镍基单晶高温合金铸造性能评估模具方法，该方法采用宝塔形试样评估镍基单晶高温合金单晶完整性和收缩特性的方法。
[0007]本专利技术的目的通过以下技术方案实现：
[0008]一种镍基单晶高温合金铸造性能评估模具，包括浇口杯、浇道以及选晶器，还包括宝塔形型腔，所述宝塔形腔体位于浇道下方，并与下方的螺旋选晶器连接，用于获得铸造性能评价试样；所述的宝塔形腔体为回转体形，包括多个不同直径但统一高度的圆盘平台和
统一尺寸的圆柱，圆盘直径自下到上逐渐增大。
[0009]优选的，所述的圆盘直径范围为25mm～85mm，高度范围是2.5mm～7mm；所述的圆柱直径范围是10mm～20mm,高度范围是15mm～25mm。
[0010]优选的，所述铸造性能评估模具包括4个独立的宝塔形腔体，等角度、等间距的环绕所述的铸造性能评估装置的中心轴。
[0011]优选的，所述浇口杯用于约束浇注合金流向；所述浇道设于浇口杯下方，用于为熔融合金充型进入宝塔形型腔以及提供充型压力；所述选晶器为螺旋选晶器，分为螺旋状的螺旋选晶段和圆柱形的启晶段两部分，制备评价试样时将<001>取向籽晶放入螺旋选晶器的启晶段，实现籽晶选晶法制备，用于使进入宝塔形腔体的晶体为<001>取向的单晶，所述<001>取向是指单晶的<001>方向与宝塔形铸件的轴向平行。所述的籽晶选晶法是指制备单晶高温合金时将籽晶放入螺旋选晶的启晶段内以制备出具有与籽晶取向一致的单晶的方法。
[0012]一种镍基单晶高温合金铸造性能的评估方法，采用上述任一所述的模具进行评估，主要流程包括以下步骤：
[0013]1)根据所述的铸造性能评估模具结合籽晶选晶法制备评估试样；
[0014]2)对镍基单晶高温合金的单晶完整性进行评估：根据圆盘平台数量对镍基单晶高温合金的单晶完整性进行分级，从下自上，杂晶缺陷首先出现在第几个圆盘平台上，单晶完整性被评为相应的级数；
[0015]3)对镍基单晶高温合金的收缩特性进行评估：根据圆盘平台数量对镍基单晶高温合金的收缩特性进行分级，从下自上，热裂纹首先出现在第几个圆盘平台上，收缩特性被评为相应的级数。
[0016]优选的，所述步骤2)中级数越高，单晶完整性越好，实现定性评价；同一级别内，杂晶占该圆盘平台的面积比值越小，单晶完整性越好，实现定量评价。
[0017]优选的，步骤3)中级数越高，收缩性能越好，实现定性评价；同一级别内，热裂系数K越小，收缩性能越好，实现定量评价；其中，热裂系数K等于热裂纹长度l和最大宽度H的乘积除以该平面内单晶生长面积S，所述平面内单晶生长面积S＝该平面的总面积S0‑
该平面内的杂晶所占面积S
A
。
[0018]优选的，所述步骤1)包括以下步骤：
[0019]第一步，根据所述的铸造性能评估模具制备模壳：采用标准熔模铸造工艺制作模壳，包括制作熔模模型、涂挂耐火陶瓷、脱蜡、焙烧固化模壳，水洗，干燥等步骤；
[0020]第二步，采用高抽拉速率方式获得铸造性能评估试样：将<001>取向籽晶放入模壳螺旋选晶器的启晶段，将模壳与籽晶一同放入定向凝固炉，抽真空，随后对模壳进行加热、保温，之后熔融母合金浇注到模壳内，再静置后以一定抽拉速率将模壳从定向凝固炉的热区拉倒冷区，获得铸造性能评估试样，并采用宏观腐蚀剂进行腐蚀。
[0021]优选的，所述第一步中将包括模壳加热、保温、熔融母合金浇注温度、静置时间参数设置为工业生产单晶叶片的常用参数，模壳加热、保温温度为1450℃～1600℃，保温时间3min～15min，母合金浇注温度为1480℃～1550℃，静置时间3min～15min。
[0022]优选的，所述第二步中将抽拉速度设置为工业生产单晶叶片常用参数的1.2～2倍抽拉速率范围为60μm/s～200μm/s。
[0023]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点
[0024]1、本专利技术提供了一种评估镍基单晶高温合金铸造性能的方法，利用设计的宝塔形铸造性能评价试样能够同时评价镍基单晶高温合金的单晶完整性和收缩特性。采用高抽拉速率方式获得铸造性能评估试样，一方面能够促使定向凝固过程中固/液界面在铸件整体上更加的上凸，以促进杂晶缺陷在圆盘形平台面向模具中心轴一侧形成；另一方面有利于圆盘形平台面向定向凝固炉壁的一次最后凝固，以利于最后凝固处汇聚圆盘形平台整体的收缩量，促进热裂纹形成，结合不同直径的圆盘形平台这一载体，能够快速实现对不同铸造性能的合金进行定性、定量评价。
[0025]2、本专利技术在进行定量评价合金收缩特性时本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种镍基单晶高温合金铸造性能评估模具，包括浇口杯、浇道以及选晶器，其特征在于，还包括宝塔形型腔，所述宝塔形腔体位于浇道下方，并与下方的螺旋选晶器连接，用于获得铸造性能评价试样；所述的宝塔形腔体为回转体形，包括多个不同直径但统一高度的圆盘平台和统一尺寸的圆柱，圆盘直径自下到上逐渐增大。2.根据权利要求1所述的一种镍基单晶高温合金铸造性能评估模具，其特征在于，所述的圆盘直径范围为25mm～85mm，高度范围是2.5mm～7mm；所述的圆柱直径范围是10mm～20mm,高度范围是15mm～25mm。3.根据权利要求2所述的一种镍基单晶高温合金铸造性能评估模具，其特征在于，所述铸造性能评估模具包括4个独立的宝塔形腔体，等角度、等间距的环绕所述的铸造性能评估装置的中心轴。4.根据权利要求3所述的一种镍基单晶高温合金铸造性能评估模具，其特征在于，所述浇口杯用于约束浇注合金流向；所述浇道设于浇口杯下方，用于为熔融合金充型进入宝塔形型腔以及提供充型压力；所述选晶器为螺旋选晶器，分为螺旋状的螺旋选晶段和圆柱形的启晶段两部分，制备评价试样时将<001>取向籽晶放入螺旋选晶器的启晶段，实现籽晶选晶法制备，用于使进入宝塔形腔体的晶体为<001>取向的单晶。5.一种镍基单晶高温合金铸造性能的评估方法，其特征在于，采用上述任一权利要求所述的模具进行评估，主要流程包括以下步骤：1)根据所述的铸造性能评估模具结合籽晶选晶法制备评估试样；2)对镍基单晶高温合金的单晶完整性进行评估：根据圆盘平台数量对镍基单晶高温合金的单晶完整性进行分级，从下自上，杂晶缺陷首先出现在第几个圆盘平台上，单晶完整性被评为相应的级数；3)对镍基单晶高温合金的收缩特性进行评估：根据圆盘平台数量对镍基单晶高温合金的收缩特性进行分级，从下自上，热裂纹首先出现在第几个圆盘平台上，收缩特性被评为相应的级数。6.根据权利要求5所述的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵云松，骆宇时，张剑，张迈，李远，
申请(专利权)人：中国航发北京航空材料研究院，
类型：发明
国别省市：