[发明专利]能够消除铸件中雀斑的定向凝固方法

说明书

技术领域

本发明属于镍基高温合金定向凝固领域，具体是一种能够消除横截面突变的叶片类铸件表面雀斑的定向凝固方法。

背景技术

由于燃气轮机涡轮叶片的尺寸和质量远大于航空发动机叶片。因此，通常使用的消除横向晶界，获得定向晶或单晶的高速凝固法(HRS法)定向凝固技术由于冷却能力不足等原因，导致雀斑等铸造缺陷的出现概率增大。雀斑缺陷一种宏观偏析，由缩松，共晶，碎断的枝晶臂等组成，降低叶片的高温力学性能。

目前普遍认为雀斑的形成跟热质对流有关。在竖直向上的Bridgman法定向凝固中，一次枝晶生长方向与热流方向相反。像W、Re等重元素倾向于偏析于枝晶干，而像Ti，Al这种轻元素倾向于偏析于枝晶间。这样，就使得下部糊状区中液相密度小于上部枝晶尖端前沿附近的液相密度，从而糊状区中低密度的液相向上流动。同时上部液相向下流动来补充向上的流动。向上的流动通过重熔或蠕变来折断枝晶臂，而向下的补充流促进枝晶生长，这样就在向上的流动路径上形成熔质通道。该熔质通道最后凝固，成为雀斑。

工艺参数(如温度梯度)及凝固界面的形状影响雀斑的形成倾向。当温度梯度增大时，一次枝晶臂间距减小，增大对流流动阻力，降低雀斑形成倾向。当凝固界面呈下凹形状时，熔体倾向于向铸件表面流动，使雀斑出现在铸件表面，并且凝固界面的倾斜程度越大，熔体越倾向于向铸件表面流动，最终雀斑形成的概率也增加。

现有的向下定向凝固技术(Downward Directional Solidification Process)方法，通过消除密度反转来抑制热质对流达到消除雀斑的效果，但是该方法需要对设备做出大的改变，成本高。液态金属冷却法(LMC法)，通过提高冷却速率来细化枝晶组织，增大热质对流流动阻力，从而降低雀斑的形成倾向，但是该方法除了需要对设备进行改造外，使用的冷却介质可能污染铸件，增大成本。自发定向凝固(Autonomous Directional Solidification)技术，将合金过冷到某一程度，通过缩短凝固时间迫使热质对流来不及形成来达到抑制雀斑的目的，但是该技术对温度控制要求高，并且需要在模壳内表面加抑制形核的涂层，操作复杂，难度大。对于燃气轮机涡轮叶片这类截面突变的铸件，雀斑通常出现在叶片上截面突变区域。因此，增大截面突变区域的温度梯度，降低凝固界面的倾斜程度，从而减弱热质对流来降低定向凝固过程中雀斑形成倾向尤为重要，并且采取的方法成本还要低。

发明内容

为解决由于现有截面突变铸件定向凝固过程中截面突变区域的温度梯度过低及凝固界面下凹而导致雀斑出现的问题，本发明提出了一种能够消除铸件中雀斑的定向凝固方法。

本发明的具体步骤如下：

步骤1，确定截面突变铸件定向凝固过程中的温度梯度分布及凝固界面形状。利用ProCAST软件对截面突变铸件的定向凝固过程按常规方法进行数值模拟，并进行后处理，得到截面突变铸件定向凝固过程中的温度梯度分布及凝固界面形状。