一种低偏析、低熔点、胞枝状Ni-W-Cr籽晶成分设计及组织调控方法技术

技术编号：40162237 阅读：4 留言：0更新日期：2024-01-26 23:35

本发明专利技术属于单晶高温合金的制备技术领域，公开了一种低偏析、低熔点、胞枝状Ni‑W‑Cr籽晶成分设计及组织调控方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、确定合金成分；S2、熔炼Ni‑20W‑20Cr合金；S3、通过阶梯跃增速抽拉实验确定合适的抽拉速率；S4、重复使用Ni‑20W‑20Cr异质籽晶合金；本发明专利技术制备所得的胞枝状异质籽晶合金液相线温度仅为1419.1℃，能够与母合金较好地融合，同时胞枝状组织具有胞晶组织不易破碎的特点，又可以通过其枝晶特征来判断二次取向，本发明专利技术通过EDS点线分析，Ni的偏析系数为0.984，W的偏析系数为1.189，Cr的偏析系数为0.857，元素分布也满足低偏析的特点，本发明专利技术所得Ni‑20W‑20Cr异质籽晶能够多次重复使用，有效提高了籽晶的利用率，降低籽晶法的成本。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于单晶高温合金的制备，具体涉及一种低偏析、低熔点、胞枝状ni-w-cr籽晶成分设计及组织调控方法。

技术介绍

1、随着先进航空航天技术的发展，对航空航天发动机热端部件及其使用材料的承温能力和使用性能提出了更高要求，目前，涡轮叶片等高温构件通常采用高温力学性能较为优异的单晶高温合金，单晶高温合金的制备成功率最高的是籽晶法；籽晶法是通过一个预先放置的单晶作为籽晶，加热使籽晶顶端熔化，浇铸合金液后以一定速率进行抽拉，获得所需取向的单晶；理论上能精确控制单晶的三维取向，充分发挥镍基单晶高温合金的承温能力；现有的籽晶法制备单晶高温合金时存在的主要问题是，糊状区厚，凝固组织为树枝状，在回熔转变过程中易发生枝晶熔断，破碎的枝晶会成为杂晶形核质点，从而导致单晶制备失败，并且无法重复使用，大大提高了籽晶法的使用成本。

2、united states patent 6740176b2专利提出ni-w或ni-ta合金作为异质籽晶制备镍基单晶高温合金；文献“toloraiya等人在metal science and heat treatment 2002发表的advanced method for single crystal casting of turbine blades for gasturbine engines and plants”等研究发现，相比于树枝晶组织的ni-w籽晶，胞状组织的ni-w低偏析籽晶制备镍基单晶高温合金叶片的成功率更高；总的来说，胞状ni-w异质籽晶能够有效解决回熔转变过程中枝晶破碎的问题，解决

技术实现思路

1、针对上述
技术介绍
所提出的问题，本专利技术的目的是：旨在提供一种低偏析、低熔点、胞枝状ni-w-cr籽晶成分设计及组织调控方法。

2、为实现上述技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：

3、一种低偏析、低熔点、胞枝状ni-w-cr籽晶成分设计及组织调控方法，其特征在于，包括如下步骤：

4、s1、确定合金成分；

5、以ni-20w二元合金为基础，通过pandat热力学软件计算来确定所需添加的第三元素；

6、合金设计原则为：合金结晶熔点≤1440℃，结晶温度间隔为≤20℃，凝固路径为l→l+fcc→fcc；

7、按质量百分比计算：

8、w占20％，cr占12％～20％，剩余的均为ni；

9、以液固相线温度最低为基准，得到籽晶合金的理论元素配比为：ni占60％、w占20％、cr占20％，液固相线温度分别为1396℃或1378℃，结晶温度间隔为18℃；

10、s2、熔炼ni-20w-20cr合金；

11、s2.1、使用非自耗电弧熔炼炉初熔对将合金原料进行初熔；

12、在功率300a～350a的环境下直至合金完全融化，然后关闭电源，直到溶体凝固后，使用翻转勺将纽扣锭翻面，重复熔炼8次后，旋转坩埚，进行下一组样品的熔炼，直至得到9个合金锭子；

13、s2.2、在最大用量为2公斤的定向凝固炉中使用hrs高梯度定向凝固技术进行二次熔炼；

14、s2.2.1、将步骤s2.1中获得的合金锭子放入到2公斤的坩埚中，并在坩埚功率为7.5kw的条件下，使合金锭子完全融化，获得合金溶液；

15、s2.2.2、把模具固定在定向凝固炉中的水冷盘上，将步骤s2.2.1中获得的合金溶液浇注在模具的模壳中，直至完全将模壳充满，等待冷却后，取出模壳，获得ni-20w-20cr母合金；

16、s3、通过阶梯跃增速抽拉实验确定合适的抽拉速率；

17、s3.1、通过选晶法制备偏离轴向0～12°的<001>取向的cmsx-2单晶试棒，用于制备ni-20w-20cr异质单晶试棒，将cmsx-2单晶试棒切割成直径尺寸为6.98mm、长度尺寸为25mm的籽晶试棒；

18、s3.2、准备一只刚玉管，将cmsx-2籽晶试棒和ni-20w-20cr母合金以cmsx-2籽晶试棒在下，ni-20w-20cr母合金在上的顺序依次放入刚玉管中；

19、s3.3、将装有cmsx-2籽晶试棒和ni-20w-20cr母合金的刚玉管安装在lmc定向凝固炉的底台上，以10℃/min的速率使定向凝固炉升温至1560℃并保温，使位于刚玉管内的母合金融化，保温结束后以10μm/s、15μm/s、20μm/s、40μm/s的阶梯跃增速向下抽拉，每段距离抽拉30mm，抽拉结束后，待定向凝固炉冷却至100℃后取出刚玉管，获得偏离轴向0～12°的<001>ni-20w-20cr异质单晶试棒；

20、s3.4、对合金棒进行磨样观察，采用eds点线分析测定，20μm/s的抽拉速率下，ni的偏析系数为0.984，w的偏析系数为1.189，cr的偏析系数为0.857，能得到稳定的胞枝组织，即确定20μm/s是最合适的抽拉速率；

21、s4、重复使用ni-20w-20cr异质籽晶合金；

22、s4.1、另取一只刚玉管，以cmsx-2合金作为母合金，将得到的ni-20w-20cr异质籽晶和cmsx-2母合金以ni-20w-20cr异质籽晶在下，cmsx-2母合金在上的顺序依次放入该刚玉管中；

23、s4.2、将所述装有籽晶和母合金的刚玉管安装在lmc定向凝固炉的底台上；以10℃/min的速率使定向凝固炉升温至1525℃并保温，使位于刚玉管内的母合金融化；保温结束后以20μm/s的速度向下抽拉；抽拉结束后，待定向凝固炉冷却至100℃后取出刚玉管，获得第一根偏离轴向0～12°的<001>cmsx-2单晶试棒；

24、s4.3、将上述回收的ni-20w-20cr异质籽晶装入刚玉管内，将刚玉管放入lmc定向凝固炉内，重复上述制备第一根cmsx-2单晶试棒的过程，得到第二根cmsx-2单晶试棒；

25、s4.4、重复回收重复使用ni-20w-20cr异质籽晶的过程，再次得到回收ni-20w-20cr异质籽晶，重复制备第二根cmsx-2单晶试棒的过程，得到第三根cmsx-2单晶试棒；

26、s4.5、循环回收籽晶--制备cmsx-2单晶合金试棒的过程，直至得到所需数量的cmsx-2单晶合金试棒，至此，完成了ni-20w-20cr异质籽晶合金重复使用。

27、进一步限定，步骤s2.2.1中，熔炼功率从4.3kw逐级增加到7.5kw，感应加热25～35min，合金完全融化后，以100um/s的速率进行抽拉，保证熔炼效果。

28、进一步限定，在第一根cmsx-2单晶试棒上截取的ni-20w-20cr异质籽晶的长度与原ni-20w-20cr异质籽晶长度一致，保证材料的对等。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种低偏析、低熔点、胞枝状Ni-W-Cr籽晶成分设计及组织调控方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种低偏析、低熔点、胞枝状Ni-W-Cr籽晶成分设计及组织调控方法，其特征在于：步骤S2.2.1中，熔炼功率从4.3Kw逐级增加到7.5Kw，感应加热25～35min，合金完全融化后，以100um/s的速率进行抽拉。

3.根据权利要求2所述的一种低偏析、低熔点、胞枝状Ni-W-Cr籽晶成分设计及组织调控方法，其特征在于：在第一根CMSX-2单晶试棒上截取的Ni-20W-20Cr异质籽晶的长度与原Ni-20W-20Cr异质籽晶长度一致。

4.根据权利要求3所述的一种低偏析、低熔点、胞枝状Ni-W-Cr籽晶成分设计及组织调控方法，其特征在于：步骤S3.3和步骤S4.2中，保温的时间至少为60min。

【技术特征摘要】

1.一种低偏析、低熔点、胞枝状ni-w-cr籽晶成分设计及组织调控方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种低偏析、低熔点、胞枝状ni-w-cr籽晶成分设计及组织调控方法，其特征在于：步骤s2.2.1中，熔炼功率从4.3kw逐级增加到7.5kw，感应加热25～35min，合金完全融化后，以100um/s的速率进行抽拉。

3.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨文超，胡思腾，郭敏，黄太文，张军，刘林，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：

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