基於超細鎳粉區域雙誘導定向再結晶製備單晶葉片的方法與流程

2023-12-04 17:28:51 1

本發明屬於航空航天材料技術領域，尤其是涉及一種利用超細單晶或多晶鎳粉製備鎳基高溫單晶葉片材料及其製備方法。

背景技術：

單晶葉片是基於定向凝固技術發展出的一種沿葉身方向完全消除晶界織構的葉片。作為高推重比航空發動機的核心部件，必須具有優良的高溫抗蠕變、抗熱機械疲勞、抗氧化腐蝕性能和較高的承溫能力，它也是衡量一種型號發動機先進程度的重要標誌。目前航空發動機渦輪葉片普遍採用複合氣膜冷卻式的單晶空心結構，其結構形狀複雜、成形精度偏低、廢品率極高。而葉片尺寸精度控制一直是制約新型航空發動機研製的重大技術難題之一。隨著設計結構的複雜化，傳統的bridgman熔模鑄造技術低效率、無法滿足大尺寸單晶葉片鑄造、低溫度梯度等缺陷不斷被放大，無法滿足現代先進航空發動機及燃氣輪機對單晶葉片的需求。新的鑄造技術液態金屬冷卻法逐漸發展，但受限於目前冷卻液的成本問題及部分冶金缺陷限制，並未實現單晶葉片鑄造的產業化。

雖然美國專利us2012070303a1和us2012034098a1專利各提出了一種含w、hf、re等難熔金屬的製備鎳基高溫合金單晶葉片的配方，以及中國專利200510046361.0也提出了一種含w、ta、re等難容金屬的鎳基高溫合金配方，中國專利200710063165.3和中國專利200610046891.x各自分別提出不含re但是含w、ta等其它難熔金屬的鎳基高溫合金配方，上述這些專利都是利用傳統的真空感應爐按相應的各自配方熔煉合金元素，然後澆鑄形成鎳基高溫合金母合金，最後再通過熔模澆註定向凝固的方法製備單晶葉片。所有通過母合金熔煉，然後熔模澆註定向凝固製備單晶葉片的方法，都存在著單晶葉片的尺寸精度和單晶葉片的質量受到模殼和型芯的重要影響，而且溫度梯度和溫度場的分布不易控制，導致產品容易出現各種缺陷，產品的成品率低。再加上由於模殼是一次性使用，結晶器的使用存在引晶、選晶、過渡段廢料，導致單晶葉片的價格十分昂貴。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了克服上述現有技術由於使用熔模定向凝固工藝存在的單晶葉片的成品率低、單晶缺陷多的問題而提供一種加工性能、力學性能、熱學性能高、生產成本低的基於超細單晶鎳粉的區域雙誘導定向再結晶製備單晶葉片的方法。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

基於超細鎳粉區域雙誘導定向再結晶製備單晶葉片的方法，採用以下步驟：

(1)以超細單晶或多晶鎳粉顆粒為主要原材料，根據高溫合金材料配方要求加入其它超細金屬粉末，再進行球磨混合；

(2)將混合均勻的超細金屬粉末通過模具模壓或3d列印成葉片毛坯；

(3)將得到的葉片毛坯通過熔煉區域完成合金化處理並定向凝固實現再結晶，在熔煉區域的前後均施加磁場，迫使還未融化的單晶或多晶鎳粉顆粒的微小磁疇按單晶葉片的生長方向定向排列及約束和誘導處於高溫再結晶過程的單晶磁矩按單晶葉片的生長方向定向排列，製作得到單晶葉片。

作為優選的實施方式，超細單晶或多晶鎳粉顆粒為球形或類球形晶體，粒徑為微米、亞微米或納米粒子，加入量大於50wt％，原料中採用的超細單晶或多晶鎳粉即可以作為單晶生長的晶種，也可以由於其在居裡點溫度以上的超順磁性而在外加電磁場中其磁疇做定向排列，因此可以利用這一特性在熔煉區域的前後施加雙電磁場約束誘導，在熔煉區域前，對單晶磁疇的磁矩方向進行約束，迫使無序的微小單晶磁疇定向排列，誘導在熔煉區域的鎳原子磁矩按照單晶生長方向定向排列，在熔煉區域後，約束誘導鎳基合金單晶的定向生長，不僅如此，為了適應渦輪葉片的曲面軸向，可以通過旋轉調整外加磁場的方向，調整和約束超細單晶鎳粉的微小磁疇磁矩定向排列方向始終與渦輪葉片的軸向保持在小於10度的夾角。

作為優選的實施方式，超細單晶或多晶鎳粉顆粒的粒徑為20nm～1mm，加入量為50～95wt％。

更加優選的，超細單晶或多晶鎳粉顆粒的粒徑優選為1～10μm，加入量優選為65～85wt％。

超細鎳粉的粒徑首先影響區域熔煉溫度，粒徑越小，區域熔煉溫度可以越低，例如鎳的熔點為1453℃，但是超細鎳粉可以在遠低於熔點溫度熔化，其次，粒徑越小，超順磁性越強，因此在誘導結晶和定向排列所需要的外加磁場的磁感應強度可以越小。因此可以說，鎳粉的粒徑影響區域熔煉溫度，外加磁場的大小，甚至最終產品質量。但是，超細鎳粉的粒徑太小，也會導致粉體的比表面積增大，不易成型，同時增加成型毛坯中的微小磁疇數量，這些都會增加再結晶中的缺陷，降低單晶葉片質量。所以，超細單晶或多晶鎳粉的優選粒徑為1～10μm。

作為優選的實施方式，其它超細金屬粉末選自鎢、鉬、鉻、鈷、錸、釕、鋁或鉭中的一種或幾種，粉末為微米、亞微米或納米粒子，形貌為球形或類球形，可以是晶體，也可以是非晶體。選用上述超細金屬粉末可以與超細單晶或多晶鎳粉在低於鎳的熔點溫度下一次性同時完成熔融、合金化和再結晶過程。

作為優選的實施方式，步驟(1)採用幹法球磨或溼法球磨進行混合，溼法球磨過程中以乙醇作為溶劑。

作為優選的實施方式，步驟(3)所述的熔煉區域的熔煉溫度控制在1100～1600℃，溫度梯度>50k/cm，牽引速度0.5-150mm/min，可以採用空氣、水或液態金屬冷卻，採用上述溫度梯度可以對合金進行定向凝固。

作為優選的實施方式，在熔煉區域前施加前處理外部電磁場，該外部電磁場迫使還未融化的單晶或多晶鎳粉顆粒的微小磁疇按單晶葉片的生長方向定向排列，上述外部電磁場的磁感應強度在0.1～1000特斯拉，磁場的磁矩方向可以調節，與葉片曲面軸向的夾角始終控制在小於10度的範圍內。

更加優選的，外部電磁場的磁感應強度優選1～10特斯拉，磁矩方向與葉片曲面軸向的夾角始終控制在0～5°。

作為優選的實施方式，在熔煉區域後施加後處理外部電磁場，約束和誘導處於高溫再結晶過程的單晶磁矩按單晶葉片的生長方向定向排列，上述外部電磁場的磁感應強度在0.1～1000特斯拉，磁場的磁矩方向可以調節，與葉片曲面軸向的夾角始終控制在小於10度的範圍內。

更加優選的，外部電磁場的磁感應強度優選1～10特斯拉，磁矩方向與葉片曲面軸向的夾角始終控制在0～5°。

上述外加磁場的強度以及磁矩方向是本申請第二個具有創新點的技術關鍵所在，首先，本申請是利用超細鎳粉的超順磁性，在居裡點溫度以上熔點以下，普通鎳由鐵磁性變為順磁性，因為顆粒細小的納米效應而使得超細鎳粉具有超順磁性，也就是說，外加磁場，鎳粉感應產生磁性，且方向與外加磁場方向相同，如外加磁場消失，鎳粉的磁性消失，由於是單晶鎳粉，只有一個磁疇和一個磁矩，因而其感應磁場方向與外加磁性方向相同。這也是本專利申請的技術關鍵，即利用超細單晶鎳粉的超順磁性，施加外磁場，迫使超細單晶鎳粉定向排列並控制其磁矩方向與外加磁場方向一致。其次，利用這一特性，調控外加磁場方向與葉片的軸向一致，就可以做到控制單晶葉片生長方向與葉片的軸向保持一致，小於10°，更優選是小於5°。葉片單晶是鎳原子的高度有序排列，外加磁場誘導單晶鎳粉在高溫定向排列，顯然有利於葉片單晶在高溫的有序生長和減少定向凝固時缺陷的產生。再次，單晶葉片晶體的取向不同，其高溫蠕變性能有很大差異，取向的晶體性能最好，因此需要控制晶體的取向，最好是晶體按方向生長，且與葉片的軸向一致，因為葉片是曲面的，且有空腔，截面複雜，因此需要始終控制單晶按方向生長，且與葉片軸向一致，其夾角也是越小越好。由於外加磁場方向可調，因此，本專利申請的一大優點就是可以控制晶體的生長方向與葉片軸向保持一致，其夾角最優可以控制在5°以內。最後，可以提高單晶葉片的高溫蠕變性能，延長單晶葉片的使用壽命。

製作得到的葉片從結構上看可以為實心葉片或空心葉片，從材質上看可以為單晶葉片、柱狀晶葉片、等軸晶葉片或細晶化的定向凝固葉片。

除了葉片之外，通過上述方法還可以製作得到機匣和渦輪盤。

與現有技術相比，本發明在材料中引入超細單晶或多晶鎳粉，以及外部電磁場雙誘導，可獲得如下有益效果：

(1)原料使用超細金屬粉末，可降低燒結、結晶溫度，使晶粒更加細化；

(2)由於使用超細金屬粉末，燒結驅動力更強，合金元素擴散更為容易，擴散距離短，更容易合金化，同時可減少宏觀偏析；

(3)使用超細鎳粉，在鎳居裡點357.6℃以上，超細鎳粉具有超順磁性，在融化前的外加約束磁場調控下，可以容易調整、約束和控制單晶磁疇的排列方向，約束粉體顆粒融化、燒結。

(4)由於燒結沒有破壞單晶鎳粉的磁疇結構，在再結晶過程中，可以容易使單晶顆粒磁疇定向排列，完成再結晶過程。

(5)粉末合金化，通過改變配方，容易調整和控制單晶合金成分和比例；

(6)利用電磁場約束融化、約束誘導再結晶；

(7)燒結過程實質是合金化、再結晶過程，燒結溫度可以低於鎳熔點1453℃，無需粉末全部融化，表面融化完成燒結，消除單晶顆粒晶界，完成合金化，最後形成大的合金單晶過程。

(8)旋轉磁場雙約束，可控制單晶粉末磁疇、原子磁矩方向排列一致，可確保結晶方向與葉片曲面軸向始終控制在50k/cm，牽引速度0.5mm/min，定向凝固時採用空氣進行冷卻處理。在熔煉區域的前後均施加磁場，迫使還未融化的單晶或多晶鎳粉顆粒的微小磁疇按單晶葉片的生長方向定向排列及約束和誘導處於高溫再結晶過程的單晶磁矩按單晶葉片的生長方向定向排列，其中，在熔煉區域前施加前處理外部電磁場的磁感應強度為0.1特斯拉，磁矩方向與葉片曲面軸向的夾角始終控制在小於10度的範圍內，在熔煉區域後施加後處理外部電磁場，該外部電磁場的磁感應強度為0.1特斯拉，磁矩方向與葉片曲面軸向的夾角始終控制在小於10度的範圍內，製作得到單晶葉片，其結構為實心。

實施例6

基於超細鎳粉區域雙誘導定向再結晶製備單晶葉片的方法，採用以下步驟：

(1)以超細單晶鎳粉顆粒為主要原材料，本實施例中採用的超細單晶鎳粉顆粒為類球形，粒徑為1μm，加入量為65wt％，根據高溫合金材料配方要求還可以加入其它超細金屬粉末，本實施例中加入的超細金屬粉末為鎢、鉬，粉末為亞微米粒子，形貌為球形晶體，再進行幹法球磨混合；

(2)將混合均勻的超細金屬粉末通過模具模壓成葉片毛坯；

(3)將得到的葉片毛坯通過熔煉區域完成合金化處理並定向凝固實現再結晶，熔煉區域的熔煉溫度控制在1200℃，溫度梯度>50k/cm，牽引速度10mm/min，定向凝固時採用空氣進行冷卻處理。在熔煉區域的前後均施加磁場，迫使還未融化的單晶或多晶鎳粉顆粒的微小磁疇按單晶葉片的生長方向定向排列及約束和誘導處於高溫再結晶過程的單晶磁矩按單晶葉片的生長方向定向排列，其中，在熔煉區域前施加前處理外部電磁場的磁感應強度為1特斯拉，磁矩方向與葉片曲面軸向的夾角始終控制在5度，在熔煉區域後施加後處理外部電磁場，該外部電磁場的磁感應強度為1特斯拉，磁矩方向與葉片曲面軸向的夾角始終控制在5度，製作得到空心的柱狀晶葉片。

實施例7

基於超細鎳粉區域雙誘導定向再結晶製備單晶葉片的方法，採用以下步驟：

(1)以超細多晶鎳粉顆粒為主要原材料，本實施例中採用的超細多晶鎳粉顆粒為類球形，粒徑為10μm，加入量為85wt％，根據高溫合金材料配方要求還可以加入其它超細金屬粉末，本實施例中加入的超細金屬粉末為鈷、錸、釕，粉末為微米粒子，形貌為類球形非晶體，再進行溼法球磨混合；

(2)將混合均勻的超細金屬粉末通過3d列印成葉片毛坯；

(3)將得到的葉片毛坯通過熔煉區域完成合金化處理並定向凝固實現再結晶，熔煉區域的熔煉溫度控制在1400℃，溫度梯度>50k/cm，牽引速度80mm/min，定向凝固時採用空氣進行冷卻處理。在熔煉區域的前後均施加磁場，迫使還未融化的單晶或多晶鎳粉顆粒的微小磁疇按單晶葉片的生長方向定向排列及約束和誘導處於高溫再結晶過程的單晶磁矩按單晶葉片的生長方向定向排列，其中，在熔煉區域前施加前處理外部電磁場的磁感應強度為10特斯拉，磁矩方向與葉片曲面軸向的夾角始終控制在2度，在熔煉區域後施加後處理外部電磁場，該外部電磁場的磁感應強度為10特斯拉，磁矩方向與葉片曲面軸向的夾角始終控制在2度，製作得到空心的等軸晶葉片。

實施例8

基於超細鎳粉區域雙誘導定向再結晶製備單晶葉片的方法，採用以下步驟：

(1)以超細多晶鎳粉顆粒為主要原材料，本實施例中採用的超細多晶鎳粉顆粒為類球形，粒徑為1mm，加入量為95wt％，根據高溫合金材料配方要求還可以加入其它超細金屬粉末，本實施例中加入的超細金屬粉末為鈷、錸、釕，粉末為微米粒子，形貌為類球形非晶體，再進行溼法球磨混合；

(2)將混合均勻的超細金屬粉末通過3d列印成葉片毛坯；

(3)將得到的葉片毛坯通過熔煉區域完成合金化處理並定向凝固實現再結晶，熔煉區域的熔煉溫度控制在1600℃，溫度梯度>50k/cm，牽引速度150mm/min，定向凝固時採用空氣進行冷卻處理。在熔煉區域的前後均施加磁場，迫使還未融化的單晶或多晶鎳粉顆粒的微小磁疇按單晶葉片的生長方向定向排列及約束和誘導處於高溫再結晶過程的單晶磁矩按單晶葉片的生長方向定向排列，其中，在熔煉區域前施加前處理外部電磁場的磁感應強度為1000特斯拉，磁矩方向與葉片曲面軸向的夾角始終控制在0度，在熔煉區域後施加後處理外部電磁場，該外部電磁場的磁感應強度為1000特斯拉，磁矩方向與葉片曲面軸向的夾角始終控制在0度，製作得到空心的等軸晶葉片。

以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明並不局限於上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的範圍內做出各種變形或修改，這並不影響本發明的實質內容。