鎳基單晶高溫合金渦輪葉片的製備工藝的製作方法
2023-05-19 13:48:01 1
本發明屬於航空精密鑄造領域，具體涉及一種鎳基單晶高溫合金渦輪葉片的製備工藝。
背景技術：
航空航天產業是國家綜合國力的集中體現和重要標誌，是國家先進位造業的重要組成部分，是國家科技創新體系一支重要力量，是國家戰略產業。航空發動機是航空航天產業最為重要的部件，被稱為工業中的皇冠，發動機中的葉片則是發動機中的心臟，其製造成本約佔整機的25%至30%，而葉片製造的關鍵技術在於單晶凝固生產過程，葉片材料以及選晶器的好壞則決定了單晶葉片的材料取向性能，一直以來是國內葉片製造技術的瓶頸之一。
鎳基高溫合金因具有良好的機械性能，被廣泛應用於航空、航天、航海以及能源化工領域，鎳基單晶高溫合金更是以其優異的高溫力學性能成為先進航空發動機設計的首選材料。但是在生產中，單晶高溫合金渦輪葉片因取向偏離、雜晶、縮松等凝固缺陷的存在導致其廢品率較高，因為這些凝固缺陷成為單晶高溫合金研究的主要問題，而選晶過程則是造成晶體取向偏離以及雜晶等缺陷形成的主要原因之一。
因此，為了解決以上問題研製出一種能夠有效避免凝固缺陷的產生，並提高葉片各項性能的製作工藝是本領域技術人員所急需解決的難題。
技術實現要素：
為解決上述問題，本發明公開了一種鎳基單晶高溫合金渦輪葉片的製備工藝。
為了達到上述目的，本發明提供如下技術方案：
一種鎳基單晶高溫合金渦輪葉片的製備工藝，製備工藝包括以下步驟：鎳基單晶高溫合金的成分選取、選晶器的參數設計、選晶器的製備、鎳基單晶高溫合金的製備以及製備渦輪葉片。
進一步地，製備工藝具體包括：
（1）選取鎳基單晶高溫合金，其組成成分以及各成分所佔質量百分比分別為：cr：1.75～2%、co＜3%、mo：2.9～4.25%、re：3～7%、ru＜2.2%、w：6.3～8.1%、al：2.9～6.75%、ti＜2%、ta：4.7～8.2%、nb＜0.15%、hf：0.03～0.12%、b＜0.03%、zr＜0.015%、v＜0.8%、稀土元素＜0.05%、其他為ni；
（2）分別選取3～5組選晶參數不同的選晶器，模擬選晶過程，優化選晶參數，並獲得最優選晶參數；
（3）按照步驟（2）得到的最優選晶參數製備選晶器；
（4）通過步驟（3）獲得的選晶器利用選晶法製備鎳基單晶高溫合金；
（5）將步驟（4）得到的鎳基單晶高溫合金通過定向凝固法製備渦輪葉片。
進一步地，鎳基高溫合金的組成成分以及各成分所佔質量百分比分別為：cr：1.9%、co：2.1%、mo：4%、re：6.5%、ru：1.5%、w：7.2%、al：3.2%、ti：0.2%、ta：8%、hf：0.05%、b：0.01%、zr：0.005%、v：0.35%、稀土元素：0.02%、其他為ni。
進一步地，稀土元素為y、ce以及lu中的任意一種或者任意幾種的組合。
進一步地，步驟（2）的選晶器為螺旋選晶器；選晶參數包括螺旋起升角、螺旋直徑、螺旋螺距。
進一步地，步驟（5）中的定向凝固法為液態金屬冷卻法。
進一步地，步驟（3）的具體方法為：以無鹼玻璃纖維為原料，按照步驟（2）得到的最優選晶參數，通過3d列印製備選晶器。
本發明提供了一種鎳基單晶高溫合金渦輪葉片的製備工藝，首先進行鎳基單晶高溫合金的成分選取，考慮到鎳基單晶高溫合金用於航空發動機葉片時，不僅需要具備優異的高溫強度、抗疲勞性能、抗高溫腐蝕性和高溫合金組織穩定性，還需要具備優異的承溫能力，本發明首先按照如下組分配比選取鎳基單晶高溫合金，cr：1.75～2%、co＜3%、mo：2.9～4.25%、re：3～7%、ru＜2.2%、w：6.3～8.1%、al：2.9～6.75%、ti＜2%、ta：4.7～8.2%、nb＜0.15%、hf：0.03～0.12%、b＜0.03%、zr＜0.015%、v＜0.8%、稀土元素＜0.05%、其他為ni；cr作為固溶強化元素能夠提高鎳基高溫合金的抗熱腐蝕和氧化性能，但是cr同時也是拓撲密排相（tcp）的形成元素，而tcp相對鎳基高溫合金渦輪葉片的高溫合金性能是有害的，因此不宜過高；co能夠使強化相γ′均勻分布在基體γ相內起到強化高溫合金的作用；mo能夠通過起到強化γ′和γ的作用，但是對鎳基高溫合計內的抗腐蝕性能有消極作用；re可以起到提高鎳基單晶高溫合金的承溫能力、抗腐蝕性和抗氧化能力的作用，但是re元素的密度較大，凝固過程中偏析於枝晶幹增加了雀斑缺陷形成的傾向性，同時re降低了鎳基高溫合金在高溫條件下的組織穩定性；ru能夠起到穩定合金組織和提高力學性能的效果，但是價格非常昂貴，需要嚴格控制；w可以提高鎳基高溫合金的高溫性能，但是w在凝固過程中強烈地偏析於γ枝晶幹，當w的含量較高時會引起糊狀區內液相的熱質對流，增加雀斑缺陷形成的傾向性；al的作用是提高合金中γ′相的含量，同時為在鑄件表面形成al2o3保護層提高基本元素，以提高鑄件的抗氧化能力；ti、ta以及nb能夠代替al原子強化γ′相，尤其是高溫下的力學新能，然而當這些元素的含量超過一定量之後就會形成脆性的tcp相；hf的主要作用是改善合金的鑄造性；b、zr在合金中主要起強化晶界的作用，但是降低了合金的初熔溫度；微量的v能夠賦予鎳基高溫合金一些特殊的機能，例如提高抗張強度和屈服點；稀土元素能夠有效改善鎳基高溫合金的部分性能。通過上述成分組成的相互作用，例如mo、w能夠減慢al、ti以及cr的高溫擴散，增加擴散激活能；稀土元素與ru相配合，可增強組織穩定性，降低共晶含量，提升高溫蠕變性能等，既能夠顯著提高鎳基高溫合金的高溫性能，又能夠有效避免有害相和鑄造缺陷的出現，同時具有優秀的鑄造性能，明顯超過現有鎳基高溫合金的性能以及製備工藝性，同時本發明還提供了一組最優成分配比。
隨後選取3～5組選晶參數不同的選晶器，模擬選晶過程，優化選晶參數，並獲得最優選晶參數，並通過得到的最優選晶參數製備選晶器。考慮到螺旋選晶器的選晶效果最為優秀，首先通過幾組選晶參數不同的螺旋選晶器模擬選晶過程，並分別獲得螺旋起升角、螺旋直徑以及螺旋螺距對選晶效果的影響，優化現有螺旋選晶器的選晶參數，獲得最優選晶參數，並製造獲得最優螺旋選晶器；通過獲得的最優螺旋選晶器製備鎳基單晶高溫合金，再通過液態金屬冷卻法製備渦輪葉片，不僅可以大大提高葉片的冷卻效率，同時還可以顯著改善葉片的微觀組織，包括：細化枝晶、改善γ′相和碳化物、減少疏鬆含量。
同時本發明為了提高最優螺旋選晶器的製備精度，以無鹼玻璃纖維為主要原料，輔以增強成分作為列印材料，通過3d列印生產製備。
本發明與現有技術相比，所採用的鎳基高溫合金具有優秀的高溫性能以及良好鑄造性能，同時在鑄造過程中能夠有效避免有害相以及鑄造缺陷的產生；通過數據以及選晶效果對選晶參數進行優化，通過製備高精度螺旋選晶器獲得的鎳基單晶高溫合金，單晶質量以及合格率極為優秀，保證後續通過液態金屬冷卻法製備的渦輪葉片中晶界的有效消除、微觀組織的有效改善以及整體性能的顯著提升。
附圖說明
圖1、螺旋起升角與選晶高度的折線圖；
圖2、螺旋直徑與選晶高度的折線圖；
圖3、螺旋螺距與選晶高度的折線圖。
具體實施方式
以下將結合具體實施例對本發明提供的技術方案進行詳細說明，應理解下述具體實施方式僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍。
實施例1：
本發明提供了一種鎳基單晶高溫合金渦輪葉片的製備工藝，一種鎳基單晶高溫合金渦輪葉片的製備工藝，製備工藝包括以下步驟：鎳基單晶高溫合金的成分選取、選晶器的參數設計、選晶器的製備、鎳基單晶高溫合金的製備以及製備渦輪葉片。
製備工藝具體包括：
（1）選取鎳基單晶高溫合金，其組成成分以及各成分所佔質量百分比分別為：cr：1.75%、co：1%、mo：2.9%、re：3%、ru：0.5%、w：6.3%、al：2.9%、ti：0.5%、ta：4.7%、nb：0.05%、hf：0.03%、b：0.005%、zr：0.01%、v：0.2%、稀土元素：0.01%、其他為ni；稀土元素為y；
（2）分別選取4組選晶參數不同的螺旋選晶器，模擬選晶過程，優化選晶參數，並獲得最優選晶參數；選晶參數按照螺旋起升角、螺旋直徑、螺旋螺距的順序依次為：
a組（20°、2mm、13mm）、b組（30°、3mm、15mm）、c組（40°、4mm、17mm）、d組（50°、5mm、19mm）；
經過模擬選晶過程以及圖1、2、3，我們可以獲得，螺旋起升角越大，選晶高度越高，選晶效率越低；螺旋直徑越大，選晶高度越高，選晶效率越低；螺旋螺距越寬，選晶高度越低，選晶效率越低；綜合考慮後，預選選晶參數分別為：20°、2mm、19mm，考慮到支撐強度以及螺旋直徑在達到3mm後選晶才趨於穩定，因此所選選晶參數調整為19.5°、3mm、19mm；
（3）按照步驟（2）得到的最優選晶參數，以無鹼玻璃纖維為原料，通過3d列印製備螺旋選晶器；
（4）通過步驟（3）獲得的選晶器利用選晶法製備鎳基單晶高溫合金；
（5）將步驟（4）得到的鎳基單晶高溫合金通過液態金屬冷卻法製備渦輪葉片。
實施例2：
本發明提供了一種鎳基單晶高溫合金渦輪葉片的製備工藝，一種鎳基單晶高溫合金渦輪葉片的製備工藝，製備工藝包括以下步驟：鎳基單晶高溫合金的成分選取、選晶器的參數設計、選晶器的製備、鎳基單晶高溫合金的製備以及製備渦輪葉片。
製備工藝具體包括：
（1）選取鎳基單晶高溫合金，其組成成分以及各成分所佔質量百分比分別為：cr：2%、co：2.9%、mo：4.25%、re：7%、ru：2.1%、w：8.1%、al：6.75%、ti：1.95%、ta：8.2%、nb：0.13%、hf：0.12%、b：0.028%、zr：0.014%、v：0.7%、稀土元素：0.04%、其他為ni；稀土元素為y以及lu的組合；
（2）分別選取4組選晶參數不同的螺旋選晶器，模擬選晶過程，優化選晶參數，並獲得最優選晶參數；選晶參數按照螺旋起升角、螺旋直徑、螺旋螺距的順序依次為：
a組（20°、2mm、13mm）、b組（30°、3mm、15mm）、c組（40°、4mm、17mm）、d組（50°、5mm、19mm）；
經過模擬選晶過程以及圖1、2、3，我們可以獲得，螺旋起升角越大，選晶高度越高，選晶效率越低；螺旋直徑越大，選晶高度越高，選晶效率越低；螺旋螺距越寬，選晶高度越低，選晶效率越低；綜合考慮後，預選選晶參數分別為：20°、2mm、19mm，考慮到支撐強度以及螺旋直徑在達到3mm後選晶才趨於穩定，因此所選選晶參數調整為19.5°、3mm、19mm；
（3）按照步驟（2）得到的最優選晶參數，以無鹼玻璃纖維為原料，通過3d列印製備螺旋選晶器；
（4）通過步驟（3）獲得的選晶器利用選晶法製備鎳基單晶高溫合金；
（5）將步驟（4）得到的鎳基單晶高溫合金通過液態金屬冷卻法製備渦輪葉片。
實施例3：
本發明提供了一種鎳基單晶高溫合金渦輪葉片的製備工藝，一種鎳基單晶高溫合金渦輪葉片的製備工藝，製備工藝包括以下步驟：鎳基單晶高溫合金的成分選取、選晶器的參數設計、選晶器的製備、鎳基單晶高溫合金的製備以及製備渦輪葉片。
製備工藝具體包括：
（1）選取鎳基單晶高溫合金，其組成成分以及各成分所佔質量百分比分別為：cr：1.9%、co：2%、mo：3.9%、re：6%、ru：1.6%、w：7%、al：3.5%、ti：0.3%、ta：7.8%、nb：0.05%、hf：0.06%、b：0.01%、zr：0.006%、v：0.4%、稀土元素：0.02%、其他為ni；稀土元素為y、ce以及lu的組合；
（2）分別選取4組選晶參數不同的螺旋選晶器，模擬選晶過程，優化選晶參數，並獲得最優選晶參數；選晶參數按照螺旋起升角、螺旋直徑、螺旋螺距的順序依次為：
a組（20°、2mm、13mm）、b組（30°、3mm、15mm）、c組（40°、4mm、17mm）、d組（50°、5mm、19mm）；
經過模擬選晶過程以及圖1、2、3，我們可以獲得，螺旋起升角越大，選晶高度越高，選晶效率越低；螺旋直徑越大，選晶高度越高，選晶效率越低；螺旋螺距越寬，選晶高度越低，選晶效率越低；綜合考慮後，預選選晶參數分別為：20°、2mm、19mm，考慮到支撐強度以及螺旋直徑在達到3mm後選晶才趨於穩定，因此所選選晶參數調整為19.5°、3mm、19mm；
（3）按照步驟（2）得到的最優選晶參數，以無鹼玻璃纖維為原料，通過3d列印製備螺旋選晶器；
（4）通過步驟（3）獲得的選晶器利用選晶法製備鎳基單晶高溫合金；
（5）將步驟（4）得到的鎳基單晶高溫合金通過液態金屬冷卻法製備渦輪葉片。
鎳基高溫合金的組成成分以及各成分所佔質量百分比分別為：cr：1.9%、co：2.1%、mo：4%、re：6.5%、ru：1.5%、w：7.2%、al：3.2%、ti：0.2%、ta：8%、hf：0.05%、b：0.01%、zr：0.005%、v：0.35%、稀土元素：0.02%、其他為ni；稀土元素為y、ce以及lu中的任意一種或者任意幾種的組合。
實施例4：
本發明提供了一種鎳基單晶高溫合金渦輪葉片的製備工藝，一種鎳基單晶高溫合金渦輪葉片的製備工藝，製備工藝包括以下步驟：鎳基單晶高溫合金的成分選取、選晶器的參數設計、選晶器的製備、鎳基單晶高溫合金的製備以及製備渦輪葉片。
製備工藝具體包括：
（1）選取鎳基單晶高溫合金，其組成成分以及各成分所佔質量百分比分別為：cr：1.9%、co：2.1%、mo：4%、re：6.5%、ru：1.5%、w：7.2%、al：3.2%、ti：0.2%、ta：8%、hf：0.05%、b：0.01%、zr：0.005%、v：0.35%、稀土元素：0.02%、其他為ni；稀土元素為y、ce以及lu的組合；
（2）根據實施例1～3直接將選晶參數調整為19.5°、3mm、19mm；
（3）按照步驟（2）得到的最優選晶參數，以無鹼玻璃纖維為原料，通過3d列印製備螺旋選晶器；
（4）通過步驟（3）獲得的選晶器利用選晶法製備鎳基單晶高溫合金；
（5）將步驟（4）得到的鎳基單晶高溫合金通過液態金屬冷卻法製備渦輪葉片。
實施例1步驟（2）通過選取4組選晶參數，將選晶參數與選晶高度一一對應，即附圖1、2、3，得出各選晶參數與選晶高度的影響，得出較為優秀的選晶參數，並根據實際情況以及分析對其進行調整，獲得最優選晶參數。實施例1、2、3中不斷對鎳基單晶高溫合金的成分以及配比進行調節，並通過測試實施例1、2、3獲得的渦輪葉片的整體性能，得到實施例3中的成分配比較為優秀，最後通過實施例4中對成分配比的微調獲得整體性能即為優秀的渦輪葉片，實施例4為最佳實施例。
最後需要說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制性技術方案，本領域的普通技術人員應當理解，那些對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和範圍，均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。