[发明专利]一种半螺旋选晶器

说明书

本发明涉及高温合金单晶的制备技术，特别提供了一种用于高温合金单晶生长的半螺旋选晶器。

坩埚单晶熔体生长技术可以划分为两大类：籽晶法和选晶法。理论上而言，应用籽晶法可以制备使任何晶体取向与生长方向平行的单晶，但工艺复杂；而选晶法由于立方系合金的择优生长特性所决定，只能生长[001]取向与生长方向一致的单晶，但单晶制备工艺简单，更幸运的是单晶合金在[001]取向往往获得最佳的力学性能，所以选晶法成为单晶高温合金制备的最广泛的技术。

Higginbotham G.J.S在文献1(Higginbotham G，J.S.，From research tocosteffective directional solidification and single-crystal production andintegrated approach，Materials and Technology，Vol.2，1986，No.5，P.442-460)中提到四种单晶选晶器：a．分段转折式；b．倾斜式；c．尺度限制式；d．螺旋式。陈健等人的发明专利文献2(陈健，郑启，于洋，唐亚俊，胡壮麒，一种金属材料的制备技术，专利申请号：95110277.X)中介绍了一种缩颈式选晶器，实际上与Higginbotham的尺寸限制式本质上可以划分在一个类型，R.A.Laudise的文献3(R.A.Laudise，The growth of single crystals，Prentice Hall ihc.1970)叙述了一种葫芦串式选晶器，更是该类选晶器的发展，都是应用截面尺度变化起到选晶的作用，但从单一缩颈变成多重缩颈结构，选晶效果可以进一步。本发明人在Ni基高温合金单晶制备工艺试验中，曾经对分段转折式选晶器，多重缩颈式选晶器和螺旋选晶器进行对比试验发现，螺旋选晶器具有最突出的选晶作用，选晶成功率最高，晶粒淘汰率也最大，这也是螺旋选晶器技术在单晶叶片工艺上获得最广泛应用的原因。

试验发现螺旋选晶器运用晶体生长方向三维连续变化，结合了晶体生长的择优生长特性，同时选晶路径较长，部分包含了缩颈式，倾斜式选晶器的特性，达到良好的选晶作用。但螺旋选晶器本身结构复杂，加之选晶器还包含起晶器，过渡段等部分，目前只能手工分别制作，手工组合，造成选晶器制备工艺复杂，效率低下，工艺重复性差，实际影响单晶生长。

本发明的目的在于提供一种半螺旋选晶器，其具有高的选晶能力，并且制备工艺简单，效率高。

本发明提供了一种半螺旋选晶器，其特征在于：该选晶器的结构为，在螺旋管沿母线展开平面上，按照确定的升角和半径缠绕，在螺旋管截面上限定在180°范围内，到达边界时折返方向，向相反方向同角度同半径缠绕，螺旋升角α为10-45°，环绕曲率半径R为3-15mm，回绕转折曲率半径r为2-5mm，螺旋选晶器断面直径d为4-8mm，有效缠绕圈数1-10圈，最好为1-3圈。

本发明发展的“半螺旋选晶器”技术，关键特征是180°回绕，而不是360°环绕，构成“半螺旋”结构(见图1和图2)。所谓“半螺旋”结构是相对典型螺旋结构而言，典型螺旋选晶器结构为，在螺旋管沿某母线展开平面上按照确定的升角α，并且在该螺旋管截面上沿固定半径R连续360°缠绕，形似弹簧。而半螺旋选晶器结构，按照同样确定的升角和半径缠绕，但在螺旋管截面上限定在180°范围内，到达边界时折返方向，向相反方向同角度同半径缠绕。本发明用石膏材料制造模具，用高强度糊状中温模料制备半螺旋选晶器，压力压注成形。再运用熔模精密铸造工艺，与铸件熔模，浇铸系统熔模组合成整体模组，制备型壳(铸型)；在专用定向凝固单晶炉中，加热型壳，浇铸镍基单晶高温合金，并定向凝固，制备单晶铸件。

本发明半螺旋选晶器具有如下特点：

1、在保持了螺旋选晶器的晶体生长方向三维连续变化的基本特征的前提下，由360°环绕改为180°回绕，选晶机理不变。

2、因半螺旋回绕结构，在回绕转折处形成新的转折结构，使转折结构和螺旋结构结合起来，必然增强选晶器的选晶特性，

3、同理，因半螺旋回绕结构，可以实现利用简单模具成形。模具设计为上下对开结构，实现简单分型和出模。

4、可以实现选晶器部分与起晶器，过渡段整体一次模具成形。

总之，本发明可以提高选晶器的选晶能力，制备效率，以及选晶器的一致性，改善单晶制备质量和生产率。下面通过实施例详述本发明。

附图1半螺旋选晶器的形貌照片

实施例1：