[发明专利]一种防止单晶叶片产生杂晶缺陷的方法

说明书

技术领域

本发明涉及高温合金单晶叶片制备领域，特指一种防止单晶叶片叶缘处形成杂晶缺陷的方法。

背景技术

利用高温合金定向凝固技术，人们成功的将航空发动机叶片制成单晶形态，大幅提高了叶片的高温工作寿命；近年来，随着涡轮发动机技术的不断发展，原本单一应用于航空领域的涡轮发动机，已在化工、石油、船舶等诸多领域有广泛的应用，大大扩展了涡轮发动机的应用范围；但应用于工业涡轮发动机的叶片尺寸要比航空涡轮发动机所使用的叶片大很多，生产过程中更容易产生杂晶，使得单晶叶片的生产变得更加困难；杂晶的形成，多发生在横截面发生突变的叶缘部位（附图1中A处），这是由于叶缘与叶身的夹角处（附图1中B处），模壳厚度较其它部位大，散热性差，形成热阻，而叶缘处由于模壳厚度较薄，散热性好，导致模壳在抽拉的过程中，叶缘附近等温线下凹（附图2a），叶片不能顺序凝固，叶缘边角能率先冷却到液相线温度以下，造成成分过冷，导致第二晶粒的形核和生长，破坏了整个叶片的单晶性；因此，可以通过调整模壳的散热状况，改善单晶叶片在定向凝固过程中的温度场分布，以达到顺序凝固，防止叶缘处局部形核，出现杂晶的状况。

中国专利CN101537484通过在叶缘和叶身的夹角处的模壳中值入导热体，改善单晶铸件定向凝固中温度发布；中国专利CN102166643A通过在叶缘处的模壳中植入保温体，以抑制叶缘处的形核；这两种方法的不足之处在于在模壳中植入导热体或保温体，加大了模壳制备的难度以及烧结时模壳植入部位附近的热裂倾向。

本发明与中国专利CN101537484以及中国专利CN102166643A的不同之处在于：本发明通过对模壳的复合包裹处理，无需将保温体或导热体值入模壳之中，降低了制备生产的难度和成本，合理控制了单晶叶片叶缘处在凝固过程中的温度分布，避免了因成分过冷而引发的形核，保证了单晶叶片顺序生长。

发明内容

本发明的目的是提供一种防止单晶叶片叶缘处杂晶缺陷的方法。

一种通过对模壳的制备与处理，改善单晶叶片在定向凝固过程中的温度场分布，以达到顺序凝固，防止叶缘处局部形核的方法。

具体技术方案为：在制备用于单晶叶片定向凝固的陶瓷模壳的过程中，将焊好的蜡模进行挂浆、淋砂，减少挂浆、淋砂的层数，使模壳的厚度控制在4-6mm，以达到降低叶缘与叶身夹角部位厚度（附图1中B处）的目的，使B处具有更好的散热性能；经过脱蜡，焙烧，制成内有空腔的模壳后，采用复合缠绕技术，在模壳表面包裹一层碳纤维布，以增强模壳的强度，弥补因模壳厚度变薄而带来的强度不足问题（附图1中B处因模壳厚度较其他地方厚，因此无需包裹强度增强材料，以保证其最佳的散热性能），叶缘A处模壳厚度较薄，散热较快，因此再包裹一层保温陶瓷棉，厚度2-4mm，以降低其散热性能。

所述的模壳与传统模壳相比，模壳的整体厚度降低至4-6mm。

所述的模壳表面包裹一层碳纤维布，该材质导热系数达到120W/(m·K)以上，是良好的导热材料，其抗拉强度在3400MPa以上，为降低模壳的厚度提供了保证。

所述的模壳在壁厚处（如附图1中B处）不包裹碳纤维布，以保证其最佳的散热性能。

所述的叶缘处模壳表面包裹一层陶瓷棉，包裹厚度为2-4mm，其导热系数为0.03W/(m·K)，是良好的保温材料。

在包裹碳纤维布时，将该材料分成条状，沾浆（浆料为蜡模挂浆所用的浆料），均匀缠绕在模壳表面（除叶缘与叶身的夹角处）；在叶缘处包裹陶瓷棉时，将陶瓷棉分成薄条状，同样沾浆（浆料为蜡模挂浆所用的浆料），均匀缠绕在叶缘处模壳表面，风干。

本发明操作简单，不需要改造定向凝固设备，能显著改善抽拉过程中叶缘附近的温度分布（如附图2b)，从而防止叶缘处杂晶缺陷，能够大幅提高单晶叶片的成品率。

附图说明

图1为叶缘处模壳的分布照片。

图2为定向凝固过程中单晶叶片叶缘处的等温线分布示意图。

(a)传统工艺条件下，叶缘处等温线分布；(b)使用本发明制备的模壳，叶缘处等温线分布。

图3实施例的单晶叶片宏观照片。

具体实施方式

实施例

将本发明应用于一种单晶叶片的制备，叶片用高温合金为DD5，陶瓷模壳的耐火材料成分为Al₂O₃（纯度＞99.0%），将焊好的蜡模进行挂浆、淋砂共6层，浆料采用JN-30硅溶胶和高纯刚玉粉混合，粉液比为3:1，面层砂2层，过渡层砂1层，背层砂3层，面层、过渡层、背层分别采用100目、54目、36目高纯刚玉粉进行淋砂，陶瓷模壳制备厚度为5mm；采用水蒸气脱蜡，将脱完蜡的模壳放入焙烧炉中进行1200℃焙烧1.5h；采用碳纤维布作为模壳增强材料，将碳纤维布撕条，沾浆（浆料为蜡模挂浆所用的浆料），均匀包裹在模壳上（叶缘与叶身的夹角处不包裹，以保证其最佳的散热性能）；选用陶瓷棉作为保温材料，将其分成薄条状，同样沾浆（浆料为蜡模挂浆所用的浆料），均匀包裹在叶缘处的模壳上，包裹厚度为3mm，风干；之后将新型复合缠绕模壳置于定向凝固炉中拉单晶，得到DD5单晶叶片，叶片宏观图见图3，叶缘处无杂晶产生。