[发明专利]一种通过3D打印蜡模制备可控二次取向的合金试样的方法

说明书

本发明涉及单晶高温合金领域，具体为一种通过3D打印蜡模制备可控二次取向的合金试样的方法。该方法首先切割出轴向具有001、011晶体学取向的立方体籽晶，再采用3D打印技术制备不同形状的起始段蜡模，将籽晶与蜡模的定向组装成具有特定取向的蜡模组，制备陶瓷型壳，最后浇注出可精准控制二次取向的单晶高温合金试样。本发明通过3D打印蜡模与籽晶的定向组装，降低了传统手工组装蜡模带来的人工误差，优化了籽晶对单晶高温合金试样二次取向的把控。制备的高温合金试样一次及二次取向精度更高，可重复性更优，制备过程更简单高效，更加利于单晶高温合金二次取向控制产业化的实现。

技术领域

本发明涉及单晶高温合金领域，具体为一种通过3D打印蜡模制备可控二次取向的合金试样(试棒/试片)的方法。

背景技术

单晶高温合金具有优异的高温性能，因此被广泛应用在航空发动机中需要在高温、复杂应力环境下服役的涡轮叶片。单晶高温合金的各向异性会影响其弹性模量、泊松比等物理参数。另外，在环境条件保持不变的情况下，单晶高温合金的取向也会影响复杂铸件内的应力应变分布、材料的薄弱位置，进而影响铸件的疲劳寿命以及蠕变寿命。目前国内工业上多要求单晶叶片的轴向取向为001，而对叶片二次取向没有明确要求。但是单晶叶片二次取向的随机分布会导致涡轮叶片疲劳寿命以及蠕变寿命等性能的随机变化。因此，为了保证单晶高温合金叶片的可靠性，在设计过程中同时把控轴向以及二次取向是十分有必要的。

通常，制备单晶铸件的方法分为选晶法以及籽晶法，选晶法是通过螺旋选晶器淘汰掉生长过程中竞争失败的晶粒获得001取向单晶的方法，该方法工业化广泛，但是只能获得轴向001择优取向的合金，并且无法控制二次取向。籽晶法则是通过籽晶的回熔并外延生长获得特定取向的单晶合金，该方法能够获得特定取向的单晶合金，并且能够实现三维取向的控制。但是传统的单纯通过切割确定二次取向的籽晶制备控制三维取向的单晶高温合金的方法工艺复杂，周期长且精度差，实现控制单晶高温合金二次取向工业化困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过3D打印蜡模制备可控二次取向的合金试样的方法，该方法通过3D打印制备具有一定角度定向凹槽的起始段蜡模，与籽晶定向组装实现精确控制单晶高温合金试样二次取向，从而获得性能优异的镍基单晶高温合金试样，可以精确控制单晶高温合金试样二次取向。

本发明的技术方案是：

一种通过3D打印蜡模制备可控二次取向的合金试样的方法，包括如下步骤：

第一步，制备特定形状的镍基单晶高温合金籽晶；

在镍基单晶高温合金棒上切割出具有特定晶体学取向的立方体籽晶试块，对其表面进行磨抛清洗处理；

第二步，3D打印起始段蜡模；

采用绘图软件绘制起始段蜡模3D模型，采用3D打印设备打印所述起始段蜡模；

起始段蜡模3D模型为直径15～30mm的圆柱体，垂直于圆柱体底面距离边缘1～3mm切减去，形成一个侧平面，在圆柱体一个端面沿圆心向下切减去一个立方定向凹槽，定向凹槽底面为正方形，边长为8～15mm，深度为2～10mm，定向凹槽一边与起始段蜡模3D模型圆柱体侧平面呈特定角度；

采用3D打印设备打印绘制后的起始段蜡模3D模型；

第三步，将第一步制备的立方体籽晶与第二步制备的带有定向凹槽的起始段蜡模组装在一起；

组装过程中，籽晶正方形面向上伸入定向凹槽2～10mm，籽晶表面与定向凹槽紧密插装贴合，用粘接蜡填补结合缝隙；将已经组合的籽晶与起始段蜡模，以及螺旋选晶器蜡模和蜡板依次组合在一起形成蜡模组，蜡板平面与起始段蜡模圆柱体侧平面平行组装；

第四步，制备预埋定向籽晶的陶瓷型壳；