[发明专利]一种铸造用镍基单晶合金籽晶的切割制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及Ni基和Ni₃Al基单晶高温合金铸造的籽晶精确定向切割制备方法，进一步说是通过测定与机械加工使具有任意取向的Ni基单晶合金成为具有(001)、(011)或(111)晶体学取向特征的籽晶。

背景技术

提高航空燃气涡轮发动机的性能关键在于提高服役材料的性能。Ni基单晶涡轮叶片是涡轮发动机中服役条件技术难度要求最大的一个关键部件，对其材料的服役要求极为苛刻。由于Ni单晶合金具有各向异性的特点，沿轴为(111)取向的涡轮叶片将具有更高、更稳定的高温性能。研究表明：Ni-6.8Al-13.8Mo-6W合金(111)晶向在980℃、280MPa条件下的断裂寿命是(001)晶向的9倍，产生1％蠕变的时间是(001)晶向的41倍；室温(111)取向的弹性模量几乎是(001)取向的2倍，即使在1000～1100℃的高温下，(111)取向的持久强度比(001)取向高10％～15％以上，持久寿命高3倍。而通过螺旋选晶法得到的单晶叶片生长方向表现出明显的择优取向(一般沿温度梯度方向即：(001)方向)，而且该择优取向往往与轴向存在一定偏角，使得单晶叶片的高温服役性能明显下降。生产实践表明，通过螺旋选晶法定向凝固的涡轮叶片由于偏离(001)超过20°所产生的废品率约占生产量的30％以上，此外通过该方法很难得到取向为(111)的叶片。

籽晶法是指通过融化籽晶顶端表面并外延生长出的单晶体，这种方法所制得单晶体的取向与籽晶的取向保持严格一致。目前，籽晶法的制备普遍为选取已具有(001)、(011)或(111)取向特征的单晶体上切取并制备籽晶，由此方法制得的籽晶在晶体学取向上的偏角具有随机性和不可控性。

发明内容

本发明目的是为籽晶法定向凝固Ni基单晶高温合金铸造提供一种具有高精度、高效率、高可靠性的(001)、(011)、(111)籽晶制备方法。用于制备籽晶的试棒(或试板)可以是具有任意取向的Ni基单晶高温合金。此外，切割后制得籽晶的取向具有高度的一致性与可重复性，进而提高了由籽晶法得到的Ni基单晶高温合金的铸造性能和取向稳定性。

本发明提供一种铸造用镍基单晶合金籽晶的切割制备方法，包括如下步骤：

第一步，对用于制备籽晶的试棒或者试板进行机械加工后得到具有上、下平行截面的试块，对试块的其中一个平行截面进行磨光处理，得到磨光面。

第二步，将试块磨光面朝上平稳固定于X射线应力测定仪的转盘中心，并在试块磨光面上进行直线和箭头方式标记，标记方向与X射线应力测定仪上方向平行。

第三步，确定试块材料的X射线衍射角，对X射线应力测定仪进行参数设置。

第四步，利用X射线应力测定仪对试块的ψ角和角进行扫描。

粗扫方法：固定2θ并设定ψ角的扫描范围与角的扫描范围。为尽量减少切割量，一般不切割偏离特定角度超过30°以上的试块，即ψ角扫描范围为0至30°，角扫描范围为0°至360°；粗扫ψ与角每次增量分别为0.5°和5°，即：每给进一次ψ角，角即以增量5°从0°旋转至360°。记录发生X衍射最强衍射时的这两个角度ψ、

精扫方法：固定2θ以及粗扫中记录的ψ角，对角进行的范围内的扫描。扫描步长为0.5°，记录发生X衍射最强衍射时角。

第五步，利用线切割机实现去ψ、偏角的单晶定向切割；

第六步，对单晶定向切割后得到的试块进行籽晶的制备。

优选的，使用无心磨床对第六步制备得到的籽晶的表面进行磨削加工提高籽晶表面质量。

本发明的优点在于：

1、对原始单晶试棒取向要求极低(为减少切割量，偏离欲切割取向不应超过45°)。

2、切割设备简易，无需进口国外设备，可以直接通过切割得到具有(001)、(011)、(111)取向特征的籽晶。

3、加工成本低。

4、切割得到的籽晶精度高，可重复性好。

5、籽晶表面光洁度高，无需进行再加工。

附图说明

图1为具有任意取向的Ni基单晶高温合金平行截面切割示意图。

图2为具有点转角的连接机构功能的X射线应力测定仪350AC测试原理示意图。

图3为试块法线方向与晶体学取向(本图以(001)取向试样为例)关系及切割面示意图。

图4为本发明中采用的夹具及试块夹持的示意图；

图5A、图5B分别为本发明夹具使用的分度盘、试块夹头细节示意图。