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一种评价单晶高温合金空心叶片型芯退让性的方法

更新时间:2024-07-01
一种评价单晶高温合金空心叶片型芯退让性的方法 专利申请类型:发明专利;
源自:北京高价值专利检索信息库;

专利名称:一种评价单晶高温合金空心叶片型芯退让性的方法

专利类型:发明专利

专利申请号:CN202210244112.6

专利申请(专利权)人:中国航发北京航空材料研究院
权利人地址:北京市海淀区北京市81号信箱

专利发明(设计)人:赵金乾,谭永宁

专利摘要:本发明一种评价单晶高温合金空心叶片型芯退让性的方法属于单晶高温合金叶片制备工艺技术领域。本发明对采用不同材料配方或者不同工艺制备的单晶高温合金叶片型芯的退让性进行对比评价。在对比型芯退让性的同时评价型芯的变形倾向。对单晶空心试棒进行高温固溶处理,利用再结晶晶粒的面积大小,实现叶片型芯退让性的比较;通过检测空心试样局部位置的壁厚实现变形倾向的比较。在单晶空心叶片的制备中,该方法可以实现评价型芯退让性的同时对比型芯的变形倾向,对于可用型芯的优选提供了一种方法。

主权利要求:
1.一种评价单晶高温合金空心叶片型芯退让性的方法,其特征在于:该方法采取以下步骤:
1)针对所要制备的单晶叶片,设计加工单晶空心试样模具;
2)将待评价的不同型芯材料采用步骤1)所制得模具,制备相同形状的型芯;该方法采用不同粒度级配的粉料制备型芯、以及不同烧结工艺制备型芯,对于不同型芯压制空心试样的蜡模,然后组合试样蜡模模组,组合模组时相对于模组外形每个试样在模组中的位置相同,制备型壳,然后采用指定的单晶高温合金定向凝固浇注单晶空心试棒;
3)利用步骤2)制得的型芯分别制备空心单晶试样,所述单晶空心试样或为长条棒状,也就是形成空腔的型芯从整体上看为长度明显大于横截面尺寸的长条形;所述单晶空心试样空腔的横截面形状或为尖角倒圆的等边三角形;所述单晶空心试样空腔的横截面形状或为尖角倒圆的长方形;对空心单晶试棒进行高温固溶处理;
4)检测空心试样位于长度中间位置处的壁厚,根据同一截面上最小壁厚和最大壁厚差距对比型芯的变形倾向,壁厚差值越小则待评价的型芯材料稳定性越好;
5)对空心单晶试样进行高温固溶处理,根据空心单晶试棒上再结晶晶粒的面积大小,对比评价采用不同型芯材料和型芯制备工艺方法型芯的退让性,再结晶晶粒的面积越大,则型芯材料或工艺方法的退让性越差。
2.根据权利要求1所述一种评价单晶高温合金空心叶片型芯退让性的方法,其特征在于,所述单晶空心试样空腔的横截为面等边三角形时,其边长为6~8毫米,尖角的倒圆半径为0.5~1毫米。
3.根据权利要求2所述一种评价单晶高温合金空心叶片型芯退让性的方法,其特征在于,所述空心试样空腔长度60~80毫米。
4.根据权利要求1所述一种评价单晶高温合金空心叶片型芯退让性的方法,其特征在于,所述单晶空心试样空腔的横截面形状为尖角倒圆的长方形时,长方形的窄边2~3毫米,长方形的宽边10~12毫米,尖角的倒圆半径为0.5~1毫米。
5.根据权利要求4所述一种评价单晶高温合金空心叶片型芯退让性的方法,其特征在于,所述空心试样空腔长度60~80毫米。
6.根据权利要求5所述一种评价单晶高温合金空心叶片型芯退让性的方法,其特征在于采用该型芯制备单晶空心试样,试样的壁厚0.8~1毫米。
7.根据权利要求1所述一种评价单晶高温合金空心叶片型芯退让性的方法,其特征在于,评价和检验不同型芯的退让性时,定向凝固的单晶空心试样铸件在同一炉次内完成。 说明书 : 一种评价单晶高温合金空心叶片型芯退让性的方法技术领域[0001] 本发明一种评价单晶高温合金空心叶片型芯退让性的方法属于单晶高温合金叶片制备工艺技术领域,用于对采用不同型芯材料或者制芯工艺制备型芯的退让性等铸造工艺性进行比较。背景技术[0002] 涡轮叶片是航空发动机中最关键的零件之一。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涡轮叶片材料。单晶高温合金空心涡轮叶片的制备成为航空发动机的重大关键技术之一。[0003] 由于空心叶片内部具有气冷通道,涡轮叶片通常需要采用铸造成形。在凝固后的冷却过程中,由于金属与陶瓷型芯热膨胀系数的差异,以及叶片内部结构的复杂性,合金的冷却收缩受到型芯的阻碍作用,在合金内部不可避免存在较大的铸造残余应力。[0004] 为了获得最优的综合力学性能,单晶高温合金通常需要采用完全热处理,也就是在固溶热处理过程中铸态的粗大γ '相和共晶全部溶解,而形成单相γ相。因此,单晶高温合金热处理时再结晶倾向大。由于再结晶严重削弱单晶高温合金的力学性能,在单晶高温合金叶片制备过程中再结晶是要极力避免的缺陷。超过某个临界范围的铸造残余应力,是导致再结晶驱动力的主要原因之一。残余应力越大,再结晶出现的可能性越大。单晶高温合金空心叶片中铸造残余应力产生的主要原因之一在于合金凝固冷却过程中的收缩受到了型芯的阻碍,型芯退让性是否足够决定了铸件中产生的残余应力是否小于内腔再结晶产生的临界范围内。[0005] 由于型芯的存在,不可避免地在合金中出现一定的铸造残余应力。然而,型芯的退让性足够,保证单晶叶片的合金中残余应力足够小,使得叶片热处理过程中不产生内腔再结晶,具有显著的现实工程意义。型芯退让性优劣的评判十分重要。然而,目前未检索到用于表征单晶高温合金空心叶片型芯退让性的工艺方法。但是,通常情况下型芯退让性的增加会导致型芯强度的降低,型芯变形倾向增大。在本专利中,提出了一种在对比型芯退让性的同时评价型芯的变形倾向,保证优选适合的型芯材料配方以及制芯工艺,使得型芯具备相对较为全面的满足单晶空心叶片制备的工艺性。发明内容[0006] 本发明的目的是:提出一种评价单晶高温合金空心叶片型芯退让性的方法,针对制备单晶高温合金空心叶片的型芯,对比评价退让性的同时对比型芯的变形倾向。该方法操作简便直接,可操作性强。[0007] 本发明的技术方案:一种评价单晶高温合金空心叶片型芯退让性的方法,采用单晶高温合金空心薄壁试样,对采用不同型芯材料配方或者不同工艺制备的型芯在定向凝固过程中的退让性进行评价和对比。叶片内腔结构复杂,通常在不同腔道的过渡处产生较大的铸造残余应力。该残余应力的存在,易于导致叶片在后续热处理过程中在叶片内部产生再结晶。内部再结晶的出现与多个因素有关,不仅与型芯本身的退让性有关,还包括叶片的尺寸、壁厚、过渡圆角的大小等因素。本发明针对航空发动机单晶叶片的典型叶片,抽取具有代表性的特征值,在对比评价退让性的同时对比型芯的尺寸稳定性。[0008] 内部铸造残余应力的峰值与叶片内腔结构密切相关。本发明设计的试样能够充分反应叶片内部导致铸造残余应力出现的结构特征,并且试样本身形状简单便于实现。[0009] 部分叶片的内部腔道具有长孔形的形状特征,在本发明中,采用长径比不小于10的带有尖角倒圆的三角形截面的空心试样表征并评价型芯的退让性。[0010] 部分叶片的内部腔道具有宽度狭窄的平板状特征,在本发明中,采用试样长度与长方形截面宽边之比不小于6、尖角倒圆的长方形截面空心试样表征并评价型芯的退让性。[0011] 分别加工制造单晶空心试样型芯和蜡模的模具,利用模具保证试样尺寸的一致性。分别制备目标型芯,然后采用型芯压制蜡模,组合空心试样模组。组合模组时,把所需评价的各个型芯组合在同一模组内,这样定向凝固在同一炉次内完成。不同试样在模组中的位置相同,确保不同型芯在定向凝固过程中的铸造条件相同。模组组合完成后制备型壳,并采用目标单晶高温合金定向凝固浇注单晶空心试样。[0012] 浇注完成后,进行模组切割成单个试样。采用所浇注单晶高温合金的固溶热处理制度进行热处理。[0013] 在试样长度的中部,没有芯头的支撑和限制,为变形的最大积累位置,试样的壁厚偏差一般也最大。同一截面上有的位置壁厚偏厚,有的位置壁厚偏薄。型芯的变形倾向越小,壁厚较厚与壁厚较薄的之间差值越小。[0014] 单晶高温合金空心试样凝固后的冷却过程中,合金受到型芯的阻碍作用在试样的尖角处产生铸造残余应力,制备型芯的材料配方或者工艺的不同,型芯的退让性也存在差异,当型芯的退让性较差时试样中产生了较大的铸造残余应力,在随后的固溶处理过程中易于导致再结晶的产生,通过对再结晶晶粒面积大小的对比可以评价型芯的退让性。根据有无发生再结晶、以及再结晶晶粒面积大小评价和对比不同型芯的退让性,再结晶晶粒面积越小甚至不产生再结晶,则型芯的退让性越好。[0015] 本发明的有益效果是:本发明提出一种评价单晶高温合金空心叶片型芯退让性的方法,针对制备单晶高温合金空心叶片的型芯,提出了一种在对比型芯退让性的同时评价型芯的变形倾向方法。保证优选适合的型芯材料配方以及制芯工艺,使得型芯具备相对较为全面的满足单晶空心叶片制备的工艺性。该方法操作简便直接,可操作性强。附图说明[0016] 图1用于检验和评价单晶高温合金空心叶片长条形空心试样[0017] 图2用于检验和评价单晶高温合金空心叶片平板状空心试样具体实施方式[0018] 一种评价单晶高温合金空心叶片型芯退让性的方法,对于采用不同型芯材料或者制芯工艺所制备的型芯退让性及变形倾向同时进行对比评价。针对特定的单晶叶片,就可选用的型芯材料和工艺进行优选和对比。[0019] 对于航空发动机单晶叶片,部分叶片的内部腔道具有长条形的形状特征,相应地,形成空腔的型芯从整体看为长度明显较大的长条形。本发明中,长条形单晶空心试样空腔的横截面形状为尖角倒圆的等边三角形。三角形的边长6~8毫米。尖角的倒圆半径为0.5~1毫米,空心试样空腔长度60~80毫米。试样的壁厚0.8~1毫米[0020] 部分叶片的内部腔道具有宽度狭窄的平板状特征,在本发明中,采用长宽比不小于6的带有尖角倒圆试样的长方形截面的空心试样对比评价型芯的退让性。相应地,试样空腔的横截面形状为尖角倒圆的长方形。长方形的窄边2~3毫米,长方形的宽边10~12毫米,尖角的倒圆半径为0.5~1毫米。试样空腔长度60~80毫米。试样的壁厚0.8~1毫米[0021] 采用所需要评价的不同型芯压制空心试样的蜡模,然后组合试样蜡模模组,组合模组时相对于模组外形每个试样在模组中的位置相同。对蜡模模组制备型壳,然后采用指定的单晶高温合金定向凝固浇注单晶空心试棒。[0022] 评价和检验不同型芯的退让性时,定向凝固的单晶空心试样铸件在同一炉次内完成,避免了不同炉次定向凝固造成不同的冷却过程所带来的试验结果分散性。[0023] 检测空心试样位于长度中间位置壁厚,根据同一截面上最小壁厚和最大壁厚数值之差对比型芯的变形倾向。壁厚差值越小,型芯的尺寸稳定性越好。[0024] 对空心单晶试样铸件进行高温固溶处理。空心单晶试样铸件在高温固溶处理的过程中易于出现再结晶。根据空心单晶试样上再结晶晶粒的面积大小,对比评价的不同型芯材料和或者型芯制备工艺方法的退让性;若空心单晶试样出现的再结晶晶粒的面积越大,则待评价的型芯材料或工艺方法的退让性越差。[0025] 实施例1[0026] 一种评价单晶高温合金空心叶片型芯退让性的方法,对于采用制备单晶高温合金空心叶片的不同型芯材料或者工艺所制备的型芯退让性及变形倾向同时进行评价。针对特定的单晶叶片,就可选用的型芯材料和工艺进行筛选和评价。[0027] 根据航空发动机单晶叶片通常所具有的内腔形状特征,部分叶片的内部腔道具有长条形的形状特征,相应地,形成空腔的型芯从整体看为长度明显较大的长条形。单晶空心试样空腔的横截面形状为尖角倒圆的等边三角形,三角形的边长8毫米。尖角的倒圆半径为0.5毫米,空心试样空腔长度80毫米。试样的壁厚0.8毫米[0028] 采用不同粒度级配的粉料制备型芯、以及不同烧结工艺制备型芯,对于不同型芯压制空心试样的蜡模,然后组合试样蜡模模组,组合模组时相对于模组外形每个试样在模组中的位置相同,制备型壳,然后采用指定的单晶高温合金定向凝固浇注单晶空心试棒。[0029] 评价和检验不同型芯的退让性时,定向凝固的单晶空心试样铸件在同一炉次内完成,避免不同炉子定向凝固造成不同的冷却过程所带来的试验结果分散性。[0030] 检测空心试样位于长度中间位置壁厚,根据同一截面上最小壁厚和最大壁厚数值判定型芯的变形倾向,壁厚差值越小型芯的尺寸稳定性越好。[0031] 采用该模具制备相同形状的型芯,利用待评价的型芯分别制备空心单晶试样定向凝固铸件,对空心单晶试样铸件进行高温固溶处理。空心单晶试样铸件在高温固溶处理的过程中会出现再结晶,根据空心单晶试样铸件上再结晶晶粒出现的试样位置和再结晶晶粒的面积大小,对待评价的不同型芯材料和待评价的工艺方法的退让性的比较和检验;若空心单晶试样越厚大的位置出现再结晶晶粒,则待评价的型芯材料或工艺方法的退让性越差;若空心单晶试样出现的再结晶晶粒的面积越大,则待评价的型芯材料或工艺方法的退让性越差。[0032] 实施例2[0033] 一种评价单晶高温合金空心叶片型芯退让性的方法,对于采用制备单晶高温合金空心叶片的不同型芯材料或者工艺所制备的型芯退让性及变形倾向同时进行评价。针对特定的单晶叶片,就可选用的型芯材料和工艺进行筛选和评价。[0034] 根据航空发动机单晶叶片通常所具有的内腔形状特征,部分叶片的内部腔道具有宽度狭窄的平板状特征,在本发明中,采用长宽比为6的带有尖角倒圆试样的长方形截面的空心试样验证型芯的退让性。相应地,试样空腔的横截面形状为尖角倒圆的长方形。长方形的宽度3毫米,长方形的长度12毫米,尖角的倒圆半径为1毫米。试样空腔长度60毫米。试样的壁厚1毫米。[0035] 采用不同粒度级配的粉料制备型芯、以及不同烧结工艺制备型芯,对于不同型芯压制空心试样的蜡模。然后组合试样蜡模模组,组合模组时相对于模组外形每个试样在模组中的位置相同,制备型壳,然后采用指定的单晶高温合金定向凝固浇注单晶空心试棒。[0036] 评价和检验不同型芯的退让性时,定向凝固的单晶空心试样铸件在同一炉次内完成,避免不同炉子定向凝固造成不同的冷却过程所带来的试验结果分散性。[0037] 检测空心试样位于长度中间位置壁厚,根据同一截面上最小壁厚和最大壁厚数值判定型芯的变形倾向,壁厚差值越小型芯的尺寸稳定性越好。[0038] 采用该模具制备相同形状的型芯,利用待评价的型芯分别制备空心单晶试样定向凝固铸件,对空心单晶试样铸件进行高温固溶处理。空心单晶试样铸件在高温固溶处理的过程中会出现再结晶,根据空心单晶试样铸件上再结晶晶粒出现的试样位置和再结晶晶粒的面积大小,对待评价的不同型芯材料和待评价的工艺方法的退让性的比较和检验;若空心单晶试样越厚大的位置出现再结晶晶粒,则待评价的型芯材料或工艺方法的退让性越差;若空心单晶试样出现的再结晶晶粒的面积越大,则待评价的型芯材料或工艺方法的退让性越差。

专利地区:北京

专利申请日期:2022-03-11

专利公开日期:2024-06-18

专利公告号:CN114659872B

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