[发明专利]光悬浮区熔定向凝固法制备镍基单晶高温合金

说明书

技术领域

本发明涉及一种镍基单晶高温合金制备方法，特别提供了一种无污染、无偏析或少偏析的光悬浮区熔定向凝固法制备镍基单晶高温合金，属于单晶高温合金制备领域。

背景技术

航空发动机推力和推重比的不断提高，迫切需要具有更高承温能力的材料，以应对不断上升的涡轮入口温度。涡轮叶片是航空发动机中承受温度载荷最剧烈、工作环境最恶劣的部件之一，在服役条件下承受着巨大的复杂应力，因而对其材料的要求极为苛刻。普通铸造高温合金，由于晶界处原子排列不规则且扩散较快，成为合金高温服役过程中的薄弱环节，而与应力轴垂直的晶界是合金高温变形时的主要裂纹源。通常情况下，常规铸造多晶涡轮叶片合金的工作温度为880℃，采用定向凝固技术制备的柱状晶结构涡轮叶片，工作温度可达940℃-980℃。然而，高温服役过程中，裂纹优先出现在纵向晶界处，仍是制约合金持久寿命的薄弱环节。从而，进一步发展了单晶合金的制备技术，使高温合金使用温度高达1100℃。由于单晶合金中无晶界，具有优异的高温性能和综合性能，因而广泛应用于先进航空发动机涡轮叶片。

传统的Bridgeman定向凝固技术制备镍基单晶高温合金过程中，由于使用坩埚容易造成合金的污染，且枝晶干和枝晶间存在严重的成分偏析，严重影响了镍基单晶高温合金的使用性能。通过热处理可以有效降低或消除成分偏析，然而热处理增加了工序，提高了成本。因此，亟需一种镍基单晶高温合金的低成本、无偏析、洁净的单晶制备技术。

光悬浮区域熔炼是以卤素灯泡作为热源，光线经凹面镜反射后聚焦，使试样局部区域加热熔化，熔区以一定速度自下而上通过整个试样，依次经熔化、结晶形成单晶。采用光悬浮区域熔炼，单晶生长过程中熔区不会因为液态金属的蒸发而产生电离现象造成熔区温度升高。由于该法在液固界面处存在较大的温度梯度, 因此有利于经光悬浮区熔后形成单晶体。此外，该方法还具有无坩埚污染、控制简单且精度高等优点。目前，采用光悬浮区熔法成功制备了( Mo_0.85Nb_0.15 ) Si₂单晶体，尺寸达到Φ8 mm × 90 mm，是一种无偏析、无污染单晶的有效制备方式。

发明内容

本发明的目的是提供一种镍基单晶高温合金的制备方法，它是采用光加热悬浮区域熔化定向凝固的方法，通过控制熔区长度、熔体温度和晶体生长速度，制备镍基单晶高温合金。

实现本发明目的技术解决方案是，一种光悬浮区熔定向凝固法制备镍基单晶高温合金，包括以下步骤：

第一步：真空感应加热熔炼母合金；

第二步：重力铸造制备母合金铸棒；

第三步： 抽真空，通流动氩气，进行区域熔化定向凝固，控制熔区长度在5-10mm，熔体温度为1450-1500℃，晶体生长速度为1-5mm/h，制备镍基单晶高温合金，直径3-9mm，长度10-100mm。

其中，第一步中所述母合金熔炼时的熔炼功率为22-26Kw，熔炼时间为10-15min。

第二步中所述重力铸造方式是采用非自耗电弧熔炼炉和水冷铜模成型，采用的电流为600-650A。

第三步中流动氩气的流动速率为5L/min。

该发明具有如下优点：

1．本发明镍基单晶高温合金制备技术，无需单晶籽晶或螺旋选晶器选晶，即可制备单晶。

2．本发明镍基单晶高温合金制备技术，与液态金属冷却法相比，制备的单晶无共晶组织形成，组织较为均匀。

3. 本发明镍基单晶高温合金制备技术，单晶制备过程中无坩埚污染、控制简单且精度高。

附图说明

图1 光加热悬浮区域熔化定向凝固法制备镍基单晶高温合金工艺流程图。

图2 光加热悬浮区域熔化定向凝固法制备镍基单晶高温合金选晶示意图。

图3 光加热悬浮区域熔化定向凝固法制备镍基单晶高温合金组织特征。

具体实施方式

下面结合实施例和附图详述本发明。

本发明镍基高温合金熔炼流程及选晶示意图分别见图1和图2。

实施例1

本实施例成分见表1

表1