[发明专利]一种制备单晶高温合金试棒的方法

说明书

本发明一种制备单晶高温合金试棒的方法属于发动机高温合金材料研究和制备工艺技术领域。本方法采用[001]取向籽晶，利用简单的工装实现[011]和[111]等任意取向试棒和叶片的制备。[001]取向籽晶易于获得，同时籽晶取向偏离易于检测。本操作易于实现，操作简单，复杂取向试棒制备合格率高，有助于单晶高温合金各向异性的研究和单晶涡轮叶片的制备。

技术领域

本发明一种制备单晶高温合金试棒的方法属于发动机高温合金材料研究和叶片制备工艺技术领域，提供了一种用于研究单晶高温合金各向异性，制备单晶高温合金[011]、[111]等任意取向试棒的方法。

背景技术

涡轮叶片是涡轮发动机中最关键的零件之一，它工作环境恶劣，同时承受高温、高应力。二十世纪六十年代初出现的定向凝固技术是铸造高温合金发展历程中的重要里程碑，使铸造的研究与应用取得突破性进展。定向凝固形成的柱状晶，消除了与主应力轴垂直的横向晶界，提高了合金的热疲劳性能；而单晶无晶界的特点，使其不存在高温晶界弱化、纵向晶界裂纹等问题。单晶高温合金空心涡轮叶片成为航空发动机的重大关键技术之一。单晶高温合金基本上消除了全部晶界，具有优良的高温性能，被广泛地用作航空发动机和工业燃气轮机的叶片材料。

单晶高温合金作为单晶结构，具有明显的各向异性。众多的研究者对单晶高温合金的持久应力下的材料力学行为以及各向异性特征进行了大量的理论和实验探索。单晶高温合金各向异性的试验研究，需要制备不同晶体取向的力学性能试棒。

发明内容

本发明的目的是：提出一种制备单晶高温合金试棒的方法，用于研究单晶高温合金各向异性。该方法操作简便，制备的准确性和合格率高。

本发明的技术方案：

一种制备单晶高温合金试棒的方法，首先制备[001]取向籽晶，按照特定方向切取籽晶的侧面从而控制籽晶的二次取向在所要求的方向上。根据所要制备试棒的取向设计和加工组合工装。采用组合工装，把籽晶和试棒蜡模焊接固定。然后制备单晶蜡模模组和型壳，定向凝固制备所需要的[011]或者[111]等任意取向试棒。

单晶涡轮叶片作为结构件凝固速度较快，凝固过程中固液界面的生长方式为枝晶生长。单晶高温合金属于面心立方晶系，其凝固过程中枝晶的分支沿着001晶系，也就是说001晶向为其择优生长方向。因此，[001]取向籽晶易于获得，而且质量高。同时，由于沿着001晶向分枝，凝固的枝晶组织清晰地显示出001晶向的特征，平行于主热流方向的一次枝晶为属于001晶系的[001]晶向，各枝晶间成束状平行排列。单晶高温合金的二次枝晶，在横截面上呈现为十字花状，十字指向就是[100]和[010]晶向。平行的一次枝晶束之间的间距，通常为0.3～0.5mm。单晶高温合金腐蚀后目视就能清晰分辨上述枝晶组织，从而分辨出[001]取向单晶高温合金试样的一次枝晶和二次枝晶的大致取向。可以对籽晶的切取进行粗略的定位，这对精确定位切割籽晶有很好的指向作用。然后，采用衍射仪精确测定试样的三维取向。

按照衍射测试结果采用线切割切取籽晶。切取时，籽晶切割为横截面为方形的棒状，方形棒状籽晶的轴线与[001]晶向平行，横截面的方形的边分别与[100]和[010]晶向相平行。由于[100]和[010]晶向具有等效对称性，晶体结构完全相同。组合蜡模时，可以不用考虑防错处理。

棒状籽晶的长度25～35mm，籽晶的长度应该保证定向凝固过程中部分籽晶熔化而且仅仅部分熔化。保持为固态的籽晶提供进一步生长的核心，使得后续凝固得到的试样取向与籽晶一致。籽晶的长度应处于合适的范围，在保证提供枝晶生长核心功能的前提下，长度尽量短，以提高定向凝固的效率。