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CN114606563A - 一种籽晶可通用和能重复使用制备单晶高温合金的方法 - Google Patents

一种籽晶可通用和能重复使用制备单晶高温合金的方法 Download PDF

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CN114606563A
CN114606563A CN202210211478.3A CN202210211478A CN114606563A CN 114606563 A CN114606563 A CN 114606563A CN 202210211478 A CN202210211478 A CN 202210211478A CN 114606563 A CN114606563 A CN 114606563A
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Abstract

一种籽晶可通用且能重复利用籽晶制备单晶高温合金的方法，在预埋刚玉管于籽晶段的基础上做进一步的改进，增加使用冷却板辅助<001>取向籽晶制备单晶高温合金，使<001>取向籽晶的轴向与铸件的轴向形成一定的角度a，当液态母合金浇入后，晶体生长会沿着与籽晶相同的结晶位相生长，即得到<001>方向偏离轴线a的铸件。通过圆锥形的过渡段使得籽晶与零件段之间有一定的缓冲，能够使得籽晶与零件段较好的连接在一起，确保定向凝固过程中籽晶顶端不出现杂晶凝固缺陷，并且刚玉管与冷却板铸件有足够的距离，确保籽晶段的受力在模壳上，避免刚玉管因受力问题而遭到损坏。采用本发明能够实现用<001>取向籽晶制备出特定取向的单晶铸件，并实现籽晶可通用且能重复利用。

Description

一种籽晶可通用和能重复使用制备单晶高温合金的方法
技术领域
本发明涉及单晶高温合金制备领域，具体是一种预埋刚玉管并采用冷却板辅助<001>取向籽晶制备单晶高温合金的方法。
背景技术
镍基单晶高温合金因为其优异的高温力学性能，一直以来是航空发动机涡轮叶片的首选材料。镍基单晶高温合金在<001>方向与叶片的最大受力方向一致时能取得最好的综合力学性能。目前在单晶高温合金的生产中，多采用的是选晶法制取单晶高温合金，选晶法制备单晶高温合金已经有四十多年的历史，在工艺上比较成熟，成本也较低。但是利用选晶法并不能精准的控制单晶的三维取向。而采用籽晶法制备单晶高温合金时，精度高、能控制单晶的三维取向。
现有的籽晶法制备单晶高温合金时存在两个明显的缺点，一个是要采用与单晶高温合金铸件取向一致的单晶作为籽晶，在制备过程中籽晶的轴向与定向凝固方向一致。每次铸造不同取向的单晶高温合金铸件时就要制备相应取向的籽晶，籽晶不能通用。第二是在现有的籽晶法制备单晶高温合金时，籽晶回熔区常常会产生杂晶，而籽晶回熔区产生的杂晶导致籽晶难以重复利用，每次都需要使用新的籽晶，生产成本比较高。在申请号为CN201610389765.8的发明创造中公开了一种预埋刚玉管于籽晶段制备单晶高温合金的方法，能够有效的解决籽晶回熔区的产生杂晶的问题，解决了籽晶不可以重复利用的问题。但是依然没有解决制备单晶高温合金时需要根据单晶铸件晶体的取向来制备出相应取向的籽晶的问题。
发明内容
为克服现有技术中存在的在制备单晶铸件时受制于籽晶晶体取向，导致籽晶通用性差，单晶制备成本高的不足，本发明提出了一种籽晶可通用且能重复利用籽晶制备单晶高温合金的方法。
本发明的具体过程是：
步骤1，制备<001>取向的籽晶：
采用劳埃法在镍基单晶高温合金试样上标出晶体<001>方向，随后定向切割出方形单晶，方形单晶轴线与晶体<001>方向平行，得到籽晶坯。对籽晶坯表面进行磨制及清洗，得到籽晶。所述籽晶的长度为20mm～50mm，边长为3×3mm。
步骤2，制作含刚玉管的籽晶段蜡模：
在制作蜡模时，将刚玉管放入模具中的籽晶段内，设置刚玉管的顶部端面距离籽晶段的顶部内表面3～6mm。再将熔融后的蜡料填充满模具中并冷却凝固，获得含刚玉管的籽晶段蜡模。
所述蜡模中的籽晶段的轴线偏离零件段轴线；所偏离的方向与角度与铸件晶体<001>方向一致。偏离角度为5～55度。
所述籽晶段的长度为40～70mm，边长为3×3mm～15×15mm。所述刚玉管长度为30～45mm。
步骤3，制作冷却板
制作所述冷却板时，将钢板切割为厚度为5mm～10mm、直径为50mm的圆形板，得到冷却板坯。
在该冷却板坯的中心切割出贯通的籽晶插入孔。该籽晶插入孔为方孔，该方孔的边长为3×3mm～15×15mm。所述籽晶插入孔的几何中心线偏离所述零件段的轴线；所偏离的方向与角度与铸件晶体<001>方向一致，使该冷却板坯入口与出口并不在同一垂直面上。
得到冷却板。
步骤4，制作籽晶段内含刚玉管的模壳：
所述模壳包括零件段、过渡段、含刚玉管的籽晶段和冷却板。
首先采用石蜡分段制作零件段蜡模、过渡段蜡模、含刚玉管的籽晶段蜡模和冷却板蜡模。按顺序将所述零件段蜡模、含刚玉管的籽晶段蜡模、冷却板蜡模焊接为整体，获得整体铸件蜡模。
利用获得的整体铸件蜡模，采用熔模铸造工艺制作所述含刚玉管于籽晶段的模壳。
在所述籽晶段内含刚玉管的模壳中：零件段的内径为8～40mm；过渡段的圆周表面为锥面。将该过渡段的大端端面与零件段下端端面连接；将该过渡段小端与籽晶段连接。
所述过渡段的大端端面的直径为10～50mm，小端端面的直径为6～30mm，过渡段的长度为5～10mm。
步骤5，定向凝固制备所需取向的单晶高温合金铸件：
将步骤1中得到的<001>取向的籽晶插入所述冷却板的籽晶插入孔中；插入深度为5～10mm。将插有籽晶的冷却板从含有刚玉管的所述模壳底部放入该模壳内部，完成所述含刚玉管于籽晶段的模壳组合。
将组合后的冷却板与模壳放入定向凝固炉中。将定向凝固炉升温至1480℃～1550℃，使所述籽晶部分熔化，使所述籽晶部分熔化，产生长度为7mm的糊状区；保温20～30min。
将制备单晶高温合金铸件的母合金置于坩埚中加热，熔化成熔融状态，得到母合金溶液。
待所述籽晶糊状区保温结束后，将所述母合金溶液浇注到模壳中，保持定向凝固炉温度不变。母合金溶液在模壳中静置20～30min后，以3～9mm/min的速度向下抽拉，制得<001>方向偏离轴线的单晶高温合金铸件。
所述制备多个<001>方向偏离轴线的单晶高温合金铸件的具体过程是：
Ⅰ回收可重复使用的籽晶，将得到的<001>方向偏离轴线的单晶高温合金铸件在籽晶段与过渡段的衔接处切开；将得到的籽晶段作为重复使用的籽晶坯料，具体是，将得到的籽晶坯料用线切割切去底端7mm，确保籽晶再次使用时新产生的糊状区不会与上一次籽晶使用产生的糊状区重叠。对切割后的籽晶坯料表面进行磨制及清洗，得到回收的籽晶。所述回收的籽晶长度为20mm～50mm，籽晶的边长为3×3mm～15×15mm。
Ⅱ制备第二个单晶高温合金铸件，所述第二个单晶高温合金铸件的<001>方向偏离轴线5度。具体是，将该籽晶插入冷却板5中。重复步骤5，获得第二个的制得<001>方向偏离轴线5～55度的单晶高温合金铸件。
Ⅲ重复所述回收可重复使用的籽晶的过程和制备第二个单晶高温合金铸件的过程，依次完成制备其余各单晶高温合金铸件。
步骤6，制备多个<001>方向偏离轴线的单晶高温合金铸件：
在制备多个<001>方向偏离轴线的单晶高温合金铸件时，首先根据设定的制备单晶高温合金铸件的数量回收可重复使用的籽晶，并使所回收的籽晶数量比设定的制备单晶高温合金铸件的数量少一个。
使用回收的籽晶制备多个<001>方向偏离轴线的单晶高温合金铸件。
与现有技术相比较，本发明取得的有益效果在于：
本发明通过将<001>取向籽晶的轴向与铸件的轴向形成一定的角度a，当液态母合金浇入后，晶体生长会沿着与籽晶相同的结晶位相生长，即可以得到<001>方向偏离轴线a的铸件。由于籽晶是倾斜放置的，采用传统冷却板无法冷却籽晶，从而导致籽晶熔化制备失败，因为籽晶是倾斜放置的使得模壳受力不均匀，使用冷却板冷却籽晶及辅助支撑模壳，确保单晶制备过程中籽晶底端保持固相并保持模壳完整性。因为籽晶段不是全部与零件段接触，设置过渡段为圆台形结构，使得籽晶与零件段之间有一定的缓冲，能够使得籽晶与零件段较好的连接在一起，确保定向凝固过程中籽晶顶端不出现杂晶凝固缺陷。采用本发明能够实现用<001>取向籽晶制备出特定取向的单晶铸件。同时结合了预埋刚玉管于籽晶段的方法，能有效的降低模壳籽晶段内壁的表面粗糙度，减小合金浇注时对籽晶的冲刷速度，从而避免回熔区杂晶的形成，使得籽晶能够重复利用。在设置刚玉管时，刚玉管顶部距离籽晶段顶部3～6mm，确保了刚玉管顶部与过渡段底部有一定的距离，以确保熔融铸件材料能够从过渡段平稳的进入籽晶段，避免产生杂晶。设置刚玉管底部距离冷却板3～6mm，刚玉管距离冷却板有足够的距离，确保籽晶段的受力在模壳上，避免刚玉管因受力问题而遭到损坏。
本发明在预埋刚玉管于籽晶段的基础上做进一步的改进，增加使用冷却板辅助<001>取向籽晶制备单晶高温合金。采用本发明生产的单晶高温合金铸件如图6和图7所示，重复使用籽晶生产的单晶高温合金铸件如图8所示。籽晶回熔区均没有杂晶产生，说明采用本发明能够实现用<001>取向籽晶制备出特定取向的单晶高温合金铸件，并实现籽晶可通用且能重复利用制备单晶高温合金铸件。
附图说明
图1为铸件蜡模的结构示意图。
图2为过渡段的结构示意图。
图3为籽晶段+刚玉管的结构示意图。
图4为冷却板的结构示意图。
图5为本发明的模壳结构示意图。
图6为使用本方法制备的单晶样品横截面组织示意图
图7为使用本方法制备的单晶样品回熔区组织示意图。
图8为使用重复使用籽晶制备的单晶样品回熔区组织示意图。
图9是本发明的流程图。
图中：1.零件段；2.过渡段；3.刚玉管；4.籽晶段；5.冷却板；6.锥面；7.偏离角度；8.籽晶插入孔；9.籽晶。
具体实施方式
实施例1
本实施例采用所述籽晶可通用且能重复利用籽晶的制备单晶高温合金的方法制备<001>方向偏离零件段轴向5度的单晶高温合金。本实施例要制备两个单晶高温合金铸件。
本实施例的具体步骤如下：
步骤1，制备<001>取向的籽晶。
采用劳埃法在镍基单晶高温合金试样上标出晶体<001>方向，随后定向切割出方形单晶，方形单晶轴线与晶体<001>方向平行，得到籽晶坯。对籽晶坯表面进行磨制及清洗，得到<001>取向的籽晶9；所述籽晶的长度为20mm～50mm，边长为3×3mm；所述磨制及清洗包括以下步骤：依次采用80#、240#、400#、600#和800#砂纸打磨后，使用酒精清洗；所述酒精的纯度为95％以上。
步骤2，制作含刚玉管的籽晶段蜡模
所述蜡模中的籽晶段的轴线偏离零件段轴线；所偏离的方向与角度与铸件晶体<001>方向一致。本实施例中，偏离角度7为5度。
在制作蜡模时，将刚玉管3放入模具中的籽晶段4内，设置刚玉管3的顶部端面距离籽晶段4的顶部内表面3mm。将熔融后的蜡料填充满模具中并冷却凝固，获得含刚玉管的籽晶段蜡模。所述籽晶段4的长度为40mm，截面大小为3×3mm。所述刚玉管3长度为34mm。
步骤3，制作冷却板
所述冷却板5为圆形，其厚度为5mm～10mm，直径为50mm。
制作所述冷却板时，将钢板切割为厚度为5mm～10mm、直径为50mm的圆形板，得到冷却板坯。
在该冷却板坯的中心切割出贯通的籽晶插入孔8。该籽晶插入孔8为方孔，该方孔的边长为3×3mm。所述籽晶插入孔8的几何中心线偏离所述零件段的轴线；所偏离的方向与角度与铸件晶体<001>方向一致，使该冷却板坯入口与出口并不在同一垂直面上。
得到冷却板5。
步骤4，制作籽晶段内含刚玉管的模壳。
所述模壳包括零件段1、过渡段2、含刚玉管3的籽晶段4和冷却板5。
首先采用石蜡分段制作蜡模：所述蜡模包含零件段蜡模、过渡段蜡模、含刚玉管的籽晶段蜡模和冷却板蜡模。按顺序将零件段蜡模、含刚玉管的籽晶段蜡模、冷却板蜡模焊接为整体。修整各焊接处，使得各焊接处的表面光滑，获得整体铸件蜡模。
利用获得的整体铸件蜡模，采用熔模铸造工艺制作所述籽晶段内含刚玉管的模壳。
其中零件段1和过渡段2的具体尺寸如下：
所述零件段为圆柱形，内径为10mm。
所述过渡段2的圆周表面为锥面。将该过渡段的大端端面与零件段下端端面连接。该过渡段大端端面的直径与所述零件段的直径相同；将该过渡段小端与籽晶段4连接。
在所述籽晶段内含刚玉管的模壳中：零件段的内径为10mm；过渡段圆周表面为锥面6。将该过渡段的大端端面与零件下端端面连接；将该过渡段小端与籽晶段连接。
本实施例中，该过渡段的大端端面的直径为10mm，小端端面的直径为6mm，过渡段圆台形高5mm。
步骤5，定向凝固制备所需取向的单晶高温合金铸件。
将步骤1得到的<001>取向的籽晶9插入所述冷却板的籽晶插入孔8中；插入深度为5mm。再将插有籽晶的冷却板从含有刚玉管的所述模壳底部放入该模壳内部，完成所述含刚玉管于籽晶段的模壳组合。
将组合后的冷却板与模壳放入定向凝固炉中。按常规方法将定向凝固炉升温至1480℃，使所述籽晶部分熔化，使所述籽晶部分熔化，产生长度为7mm的糊状区；保温20min。
将制备单晶高温合金铸件的母合金置于坩埚中加热，熔化成熔融状态，得到母合金溶液。
待所述籽晶糊状区保温结束后，将所述母合金溶液浇注到模壳中，保持定向凝固炉温度不变。熔融母合金在模壳中静置20min后，以3mm/min的速度向下抽拉，制得<001>方向偏离轴线的单晶高温合金铸件。本实施例中，该单晶高温合金铸件的<001>方向偏离轴线5度。
步骤6，制备多个<001>方向偏离轴线的单晶高温合金铸件：
在制备多个<001>方向偏离轴线的单晶高温合金铸件时，首先根据设定的制备单晶高温合金铸件的数量回收可重复使用的籽晶，并使所回收的籽晶数量比设定的制备单晶高温合金铸件的数量少一个。本实施例中，制备2个单晶高温合金铸件，故需要回收1个籽晶。
使用回收的籽晶制备多个<001>方向偏离轴线的单晶高温合金铸件。
所述制备多个<001>方向偏离轴线的单晶高温合金铸件的具体过程是：
Ⅰ回收可重复使用的籽晶，将得到的<001>方向偏离轴线的单晶高温合金铸件在籽晶段与过渡段的衔接处切开；将得到的籽晶段作为重复使用的籽晶坯料，具体是，将得到的籽晶坯料用线切割切去底端7mm，确保籽晶再次使用时新产生的糊状区不会与上一次籽晶使用产生的糊状区重叠。对切割后的籽晶坯料表面进行磨制及清洗，得到籽晶。所述籽晶的长度为20mm，籽晶边长为3×3mm。
Ⅱ制备第二个单晶高温合金铸件，所述第二个单晶高温合金铸件的<001>方向偏离轴线5度。具体是，将该籽晶插入冷却板5中。重复步骤5，获得第二个的制得<001>方向偏离轴线5度的单晶高温合金铸件。
至此，得到利用回收籽晶制作的第二个单晶高温合金铸件。
重复所述回收可重复使用的籽晶的过程和制备第二个单晶高温合金铸件的过程，依次完成制备其余各单晶高温合金铸件。得到多个<001>方向偏离轴线的单晶高温合金铸件。
实施例2
本实施例采用所述籽晶可通用且能重复利用籽晶的制备单晶高温合金的方法制备<001>方向偏离零件段轴向15度的单晶高温合金。本实施例要制备两个单晶高温合金铸件。
本实施例的具体步骤如下：
步骤1，制备<001>取向的籽晶。
采用劳埃法在镍基单晶高温合金试样上标出晶体<001>方向，随后定向切割出方形单晶，方形单晶轴线与晶体<001>方向平行，得到籽晶坯。对籽晶坯表面进行磨制及清洗，得到<001>取向的籽晶9；所述籽晶的长度为25mm，边长为4×4mm；所述磨制及清洗包括以下步骤：依次采用80#、240#、400#、600#和800#砂纸打磨后，使用酒精清洗；所述酒精的纯度为95％以上。
步骤2，制作含刚玉管的籽晶段蜡模
所述蜡模中的籽晶段的轴线偏离零件段轴线；所偏离的方向与角度与铸件晶体<001>方向一致。本实施例中，所述籽晶段蜡模偏离角度为15度。
在制作蜡模时，将刚玉管3放入模具中的籽晶段4内，设置刚玉管3的顶部端面距离籽晶段4的顶部内表面3mm。将熔融后的蜡料填充满模具中并冷却凝固，获得含刚玉管的籽晶段蜡模。所述籽晶段4的长度为45mm，截面大小为4×4mm。所述刚玉管3长度为37mm。
步骤3，制作冷却板
所述冷却板5为圆形，其厚度为5mm，直径为50mm。
制作所述冷却板时，将钢板切割为厚度为5mm、直径为50mm的圆形板，得到冷却板坯。
在该冷却板坯的中心切割出贯通的籽晶插入孔8。该籽晶插入孔8为方孔，该方孔的边长为4×4mm。所述籽晶插入孔8的几何中心线偏离所述零件段的轴线；所偏离的方向与角度与铸件晶体<001>方向一致，使该冷却板坯入口与出口并不在同一垂直面上。
得到冷却板5。
步骤4，制作籽晶段内含刚玉管的模壳。
所述模壳包括零件段1、过渡段2、含刚玉管3的籽晶段4和冷却板5。
首先采用石蜡分段制作蜡模：所述蜡模包含零件段蜡模、过渡段蜡模、含刚玉管的籽晶段蜡模和冷却板蜡模。按顺序将零件段蜡模、含刚玉管的籽晶段蜡模、冷却板蜡模焊接为整体。修整各焊接处，使得各焊接处的表面光滑，获得整体铸件蜡模。
利用获得的整体铸件蜡模，采用熔模铸造工艺制作所述籽晶段内含刚玉管的模壳。
在所述籽晶段内含刚玉管的模壳中：零件段的内径为15mm；过渡段的圆周表面为锥面6。将该过渡段的大端端面与零件下端端面连接；将该过渡段小端与籽晶段连接。
所述过渡段的大端端面的直径为15mm，小端端面的直径为10mm，过渡段的长度为5mm。
步骤5，定向凝固制备所需取向的单晶高温合金铸件。
将步骤1得到的<001>取向的籽晶9插入所述冷却板的籽晶插入孔8中；插入深度为5mm。再将插有籽晶的冷却板从含有刚玉管的所述模壳底部放入该模壳内部，完成所述含刚玉管于籽晶段的模壳组合。
将组合后的冷却板与模壳放入定向凝固炉中。按常规方法将定向凝固炉升温至1500℃，使所述籽晶部分熔化，使所述籽晶部分熔化，产生长度为7mm的糊状区；保温20min。
将制备单晶高温合金铸件的母合金置于坩埚中加热，熔化成熔融状态，得到母合金溶液。
待所述籽晶糊状区保温结束后，将所述母合金溶液浇注到模壳中，保持定向凝固炉温度不变。熔融母合金在模壳中静置20min后，以3mm/min的速度向下抽拉，制得<001>方向偏离轴线的单晶高温合金铸件。本实施例中，该单晶高温合金铸件的<001>方向偏离轴线15度。
步骤6，制备多个<001>方向偏离轴线的单晶高温合金铸件：
在制备多个<001>方向偏离轴线的单晶高温合金铸件时，首先根据设定的制备单晶高温合金铸件的数量回收可重复使用的籽晶，并使所回收的籽晶数量比设定的制备单晶高温合金铸件的数量少一个。本实施例中，制备4个单晶高温合金铸件，故需要回收3个籽晶。
使用回收的籽晶制备多个<001>方向偏离轴线的单晶高温合金铸件。
所述制备多个<001>方向偏离轴线的单晶高温合金铸件的具体过程是：
Ⅰ回收可重复使用的籽晶，将得到的<001>方向偏离轴线的单晶高温合金铸件在籽晶段与过渡段的衔接处切开；将得到的籽晶段作为重复使用的籽晶坯料，具体是，将得到的籽晶坯料用线切割切去底端7mm，确保籽晶再次使用时新产生的糊状区不会与上一次籽晶使用产生的糊状区重叠。对切割后的籽晶坯料表面进行磨制及清洗，得到籽晶。所述籽晶的长度为25mm，籽晶边长为4×4mm。
Ⅱ制备第二个单晶高温合金铸件，所述第二个单晶高温合金铸件的<001>方向偏离轴线15度。具体是，将该籽晶插入冷却板5中。重复步骤5，获得第二个的制得<001>方向偏离轴线15度的单晶高温合金铸件。
至此，得到利用回收籽晶制作的第二个单晶高温合金铸件。
重复所述回收可重复使用的籽晶的过程和制备第二个单晶高温合金铸件的过程，依次完成制备其余各单晶高温合金铸件。得到多个<001>方向偏离轴线的单晶高温合金铸件。
实施例3
本实施例采用所述籽晶可通用且能重复利用籽晶的制备单晶高温合金的方法制备<001>方向偏离零件段轴向35度的单晶高温合金。本实施例要制备两个单晶高温合金铸件。
本实施例的具体步骤如下：
步骤1，制备<001>取向的籽晶。
采用劳埃法在镍基单晶高温合金试样上标出晶体<001>方向，随后定向切割出方形单晶，方形单晶轴线与晶体<001>方向平行，得到籽晶坯。对籽晶坯表面进行磨制及清洗，得到<001>取向的籽晶9；所述籽晶的长度为30mm，边长为5×5mm；所述磨制及清洗包括以下步骤：依次采用80#、240#、400#、600#和800#砂纸打磨后，使用酒精清洗；所述酒精的纯度为95％以上。
步骤2，制作含刚玉管的籽晶段蜡模
所述蜡模中的籽晶段的轴线偏离零件段轴线；所偏离的方向与角度与铸件晶体<001>方向一致。本实施例中，偏离角度7为35度。
在制作蜡模时，将刚玉管3放入模具中的籽晶段4内，设置刚玉管3的顶部端面距离籽晶段4的顶部内表面5mm。将熔融后的蜡料填充满模具中并冷却凝固，获得含刚玉管的籽晶段蜡模。所述籽晶段4的长度为50mm，截面大小为5×5mm。所述刚玉管3长度为40mm。
步骤3，制作冷却板
所述冷却板5为圆形，其厚度为5mm，直径为50mm。
制作所述冷却板时，将钢板切割为厚度为5mm、直径为50mm的圆形板，得到冷却板坯。
在该冷却板坯的中心切割出贯通的籽晶插入孔8。该籽晶插入孔8为方孔，该方孔的边长为5×5mm。所述籽晶插入孔8的几何中心线偏离所述零件段的轴线；所偏离的方向与角度与铸件晶体<001>方向一致，使该冷却板坯入口与出口并不在同一垂直面上。
得到冷却板5。
步骤4，制作籽晶段内含刚玉管的模壳。
所述模壳包括零件段1、过渡段2、含刚玉管3的籽晶段4和冷却板5。
首先采用石蜡分段制作蜡模：所述蜡模包含零件段蜡模、过渡段蜡模、含刚玉管的籽晶段蜡模和冷却板蜡模。按顺序将零件段蜡模、含刚玉管的籽晶段蜡模、冷却板蜡模焊接为整体。修整各焊接处，使得各焊接处的表面光滑，获得整体铸件蜡模。
利用获得的整体铸件蜡模，采用熔模铸造工艺制作所述籽晶段内含刚玉管的模壳。
在所述籽晶段内含刚玉管的模壳中：零件段的内径为17mm；过渡段的圆周表面为锥面6。将该过渡段的大端端面与零件下端端面连接；将该过渡段小端与籽晶段连接。
所述过渡段的大端端面的直径为17mm，小端端面的直径为10mm，过渡段的长度为5mm。
步骤5，定向凝固制备所需取向的单晶高温合金铸件。
将步骤1得到的<001>取向的籽晶9插入所述冷却板的籽晶插入孔8中；插入深度为6mm。再将插有籽晶的冷却板从含有刚玉管的所述模壳底部放入该模壳内部，完成所述含刚玉管于籽晶段的模壳组合。
将组合后的冷却板与模壳放入定向凝固炉中。按常规方法将定向凝固炉升温至1520℃，使所述籽晶部分熔化，使所述籽晶部分熔化，产生长度为7mm的糊状区；保温20min。
将制备单晶高温合金铸件的母合金置于坩埚中加热，熔化成熔融状态，得到母合金溶液。
待所述籽晶糊状区保温结束后，将所述母合金溶液浇注到模壳中，保持定向凝固炉温度不变。熔融母合金在模壳中静置20min后，以3mm/min的速度向下抽拉，制得<001>方向偏离轴线的单晶高温合金铸件。本实施例中，该单晶高温合金铸件的<001>方向偏离轴线35度。
步骤6，制备多个<001>方向偏离轴线的单晶高温合金铸件：
在制备多个<001>方向偏离轴线的单晶高温合金铸件时，首先根据设定的制备单晶高温合金铸件的数量回收可重复使用的籽晶，并使所回收的籽晶数量比设定的制备单晶高温合金铸件的数量少一个。本实施例中，制备8个单晶高温合金铸件，故需要回收7个籽晶。
使用回收的籽晶制备多个<001>方向偏离轴线的单晶高温合金铸件。
所述制备多个<001>方向偏离轴线的单晶高温合金铸件的具体过程是：
Ⅰ回收可重复使用的籽晶，将得到的<001>方向偏离轴线的单晶高温合金铸件在籽晶段与过渡段的衔接处切开；将得到的籽晶段作为重复使用的籽晶坯料，具体是，将得到的籽晶坯料用线切割切去底端7mm，确保籽晶再次使用时新产生的糊状区不会与上一次籽晶使用产生的糊状区重叠。对切割后的籽晶坯料表面进行磨制及清洗，得到籽晶。所述籽晶的长度为35mm，籽晶边长为5×5mm。
Ⅱ制备第二个单晶高温合金铸件，所述第二个单晶高温合金铸件的<001>方向偏离轴线35度。具体是，将该籽晶插入冷却板5中。重复步骤5，获得第二个的制得<001>方向偏离轴线35度的单晶高温合金铸件。
至此，得到利用回收籽晶制作的第二个单晶高温合金铸件。
重复所述回收可重复使用的籽晶的过程和制备第二个单晶高温合金铸件的过程，依次完成制备其余各单晶高温合金铸件。得到多个<001>方向偏离轴线的单晶高温合金铸件。
实施例4
本实施例采用所述籽晶可通用且能重复利用籽晶的制备单晶高温合金的方法制备<001>方向偏离零件段轴向45度的单晶高温合金。本实施例要制备两个单晶高温合金铸件。
本实施例的具体步骤如下：
步骤1，制备<001>取向的籽晶。
采用劳埃法在镍基单晶高温合金试样上标出晶体<001>方向，随后定向切割出方形单晶，方形单晶轴线与晶体<001>方向平行，得到籽晶坯。对籽晶坯表面进行磨制及清洗，得到<001>取向的籽晶9；所述籽晶的长度为35mm，边长为6×6mm；所述磨制及清洗包括以下步骤：依次采用80#、240#、400#、600#和800#砂纸打磨后，使用酒精清洗；所述酒精的纯度为95％以上。
步骤2，制作含刚玉管的籽晶段蜡模
所述蜡模中的籽晶段的轴线偏离零件段轴线；所偏离的方向与角度与铸件晶体<001>方向一致。本实施例中，偏离角度7为45度。
在制作蜡模时，将刚玉管3放入模具中的籽晶段4内，设置刚玉管3的顶部端面距离籽晶段4的顶部内表面3mm。将熔融后的蜡料填充满模具中并冷却凝固，获得含刚玉管的籽晶段蜡模。所述籽晶段4的长度为60mm，截面大小为6×6mm。所述刚玉管3长度为48mm。
步骤3，制作冷却板
所述冷却板5为圆形，其厚度为5mm，直径为50mm。
制作所述冷却板时，将钢板切割为厚度为5mm、直径为50mm的圆形板，得到冷却板坯。
在该冷却板坯的中心切割出贯通的籽晶插入孔8。该籽晶插入孔8为方孔，该方孔的边长为6×6mm。所述籽晶插入孔8的几何中心线偏离所述零件段的轴线；所偏离的方向与角度与铸件晶体<001>方向一致，使该冷却板坯入口与出口并不在同一垂直面上。
得到冷却板5。
步骤4，制作籽晶段内含刚玉管的模壳。
所述模壳包括零件段1、过渡段2、含刚玉管3的籽晶段4和冷却板5。
首先采用石蜡分段制作蜡模：所述蜡模包含零件段蜡模、过渡段蜡模、含刚玉管的籽晶段蜡模和冷却板蜡模。按顺序将零件段蜡模、含刚玉管的籽晶段蜡模、冷却板蜡模焊接为整体。修整各焊接处，使得各焊接处的表面光滑，获得整体铸件蜡模。
利用获得的整体铸件蜡模，采用熔模铸造工艺制作所述籽晶段内含刚玉管的模壳。
在所述籽晶段内含刚玉管的模壳中：零件段的内径为20mm；过渡段的圆周表面为锥面6。将该过渡段的大端端面与零件下端端面连接；将该过渡段小端与籽晶段连接。
所述过渡段的大端端面的直径为20mm，小端端面的直径为10mm，过渡段的长度为5mm。
步骤5，定向凝固制备所需取向的单晶高温合金铸件。
将步骤1得到的<001>取向的籽晶9插入所述冷却板的籽晶插入孔8中；插入深度为7mm。再将插有籽晶的冷却板从含有刚玉管的所述模壳底部放入该模壳内部，完成所述含刚玉管于籽晶段的模壳组合。
将组合后的冷却板与模壳放入定向凝固炉中。按常规方法将定向凝固炉升温至1550℃，使所述籽晶部分熔化，使所述籽晶部分熔化，产生长度为7mm的糊状区；保温20min。
将制备单晶高温合金铸件的母合金置于坩埚中加热，熔化成熔融状态，得到母合金溶液。
待所述籽晶糊状区保温结束后，将所述母合金溶液浇注到模壳中，，保持定向凝固炉温度不变。熔融母合金在模壳中静置20min后，以1mm/min的速度向下抽拉，制得<001>方向偏离轴线的单晶高温合金铸件。本实施例中，该单晶高温合金铸件的<001>方向偏离轴线45度。
步骤6，制备多个<001>方向偏离轴线的单晶高温合金铸件：
在制备多个<001>方向偏离轴线的单晶高温合金铸件时，首先根据设定的制备单晶高温合金铸件的数量回收可重复使用的籽晶，并使所回收的籽晶数量比设定的制备单晶高温合金铸件的数量少一个。本实施例中，制备16个单晶高温合金铸件，故需要回收15个籽晶。
使用回收的籽晶制备多个<001>方向偏离轴线的单晶高温合金铸件。
所述制备多个<001>方向偏离轴线的单晶高温合金铸件的具体过程是：
Ⅰ回收可重复使用的籽晶，将得到的<001>方向偏离轴线的单晶高温合金铸件在籽晶段与过渡段的衔接处切开；将得到的籽晶段作为重复使用的籽晶坯料，具体是，将得到的籽晶坯料用线切割切去底端7mm，确保籽晶再次使用时新产生的糊状区不会与上一次籽晶使用产生的糊状区重叠。对切割后的籽晶坯料表面进行磨制及清洗，得到籽晶。所述籽晶的长度为35mm，籽晶边长为6×6mm。
Ⅱ制备第二个单晶高温合金铸件，所述第二个单晶高温合金铸件的<001>方向偏离轴线45度。具体是，将该籽晶插入冷却板5中。重复步骤5，获得第二个的制得<001>方向偏离轴线45度的单晶高温合金铸件。
至此，得到利用回收籽晶制作的第二个单晶高温合金铸件。
重复所述回收可重复使用的籽晶的过程和制备第二个单晶高温合金铸件的过程，依次完成制备其余各单晶高温合金铸件。得到多个<001>方向偏离轴线的单晶高温合金铸件。

Claims (6)

1.一种籽晶可通用和能重复使用制备单晶高温合金的方法，其特征在于，具体过程是：
步骤1，制备<001>取向的籽晶：
采用劳埃法在镍基单晶高温合金试样上标出晶体<001>方向，随后定向切割出方形单晶，方形单晶轴线与晶体<001>方向平行，得到籽晶坯；对籽晶坯表面进行磨制及清洗，得到籽晶；
步骤2，制作含刚玉管的籽晶段蜡模：
在制作蜡模时，将刚玉管放入模具中的籽晶段内，设置刚玉管的顶部端面距离籽晶段的顶部内表面3～6mm；再将熔融后的蜡料填充满模具中并冷却凝固，获得含刚玉管的籽晶段蜡模；
所述蜡模中的籽晶段的轴线偏离零件段轴线；所偏离的方向与角度与铸件晶体<001>方向一致；偏离角度为5～55度；
步骤3，制作冷却板：
制作所述冷却板时，将钢板切割为厚度为5mm～10mm、直径为50mm的圆形板，得到冷却板坯；
在该冷却板坯的中心切割出贯通的籽晶插入孔；该籽晶插入孔为方孔，该方孔的边长为3×3mm～15×15mm；所述籽晶插入孔的几何中心线偏离所述零件段的轴线；所偏离的方向与角度与铸件晶体<001>方向一致，使该冷却板坯入口与出口并不在同一垂直面上；
得到冷却板；
步骤4，制作籽晶段内含刚玉管的模壳：
所述模壳包括零件段、过渡段、含刚玉管的籽晶段和冷却板；
首先采用石蜡分段制作零件段蜡模、过渡段蜡模、含刚玉管的籽晶段蜡模和冷却板蜡模；按顺序将所述零件段蜡模、含刚玉管的籽晶段蜡模、冷却板蜡模焊接为整体，获得整体铸件蜡模；
利用获得的整体铸件蜡模，采用熔模铸造工艺制作籽晶段含刚玉管的模壳；
步骤5，定向凝固制备所需取向的单晶高温合金铸件：
将步骤1中得到的<001>取向的籽晶插入所述冷却板的籽晶插入孔中；插入深度为5～10mm；将插有籽晶的冷却板从含有刚玉管的所述模壳底部放入该模壳内部，完成所述模壳与冷却板的组合；
将组合后的冷却板与模壳放入定向凝固炉中；将定向凝固炉升温至1480℃～1550℃，使所述籽晶部分熔化，使所述籽晶部分熔化，产生长度为7mm的糊状区；保温20～30min；
将制备单晶高温合金铸件的母合金置于坩埚中加热，熔化成熔融状态，得到母合金溶液；
待所述籽晶糊状区保温结束后，将所述溶液母合金浇注到模壳中，保持定向凝固炉温度不变；母合金溶液在模壳中静置20～30min后，以3～9mm/min的速度向下抽拉，制得<001>方向偏离轴线的单晶高温合金铸件；
步骤6，制备多个<001>方向偏离轴线的单晶高温合金铸件：
在制备多个<001>方向偏离轴线的单晶高温合金铸件时，首先根据设定的制备单晶高温合金铸件的数量回收可重复使用的籽晶，并使所回收的籽晶数量比设定的制备单晶高温合金铸件的数量少一个；
使用回收的籽晶制备多个<001>方向偏离轴线的单晶高温合金铸件。
2.如权利要求1所述制备单晶高温合金的方法，其特征在于，所述籽晶段的长度为40～70mm，边长为3×3mm～15×15mm；所述刚玉管长度为30～45mm。
3.如权利要求1所述制备单晶高温合金的方法，其特征在于，所述含刚玉管于籽晶段的模壳中：零件段的内径为8～40mm；过渡段的圆周表面为锥面；将该过渡段的大端端面与零件段下端端面连接；将该过渡段小端与籽晶段连接。
4.如权利要求3所述制备单晶高温合金的方法，其特征在于，所述过渡段的大端端面的直径为10～50mm，小端端面的直径为6～30mm，过渡段的长度为5～10mm。
5.如权利要求1所述制备单晶高温合金的方法，其特征在于，所述制备多个<001>方向偏离轴线的单晶高温合金铸件的具体过程是：
Ⅰ回收可重复使用的籽晶，将得到的<001>方向偏离轴线的单晶高温合金铸件在籽晶段与过渡段的衔接处切开；将得到的籽晶段作为重复使用的籽晶坯料，具体是，将得到的籽晶坯料用线切割切去底端7mm，确保籽晶再次使用时新产生的糊状区不会与上一次籽晶使用产生的糊状区重叠；对切割后的籽晶坯料表面进行磨制及清洗，得到回收的籽晶；
Ⅱ制备第二个单晶高温合金铸件，所述第二个单晶高温合金铸件的<001>方向偏离轴线5度；具体是，将该籽晶插入冷却板5中；重复步骤5，获得第二个的制得<001>方向偏离轴线5～55度的单晶高温合金铸件；
Ⅲ重复所述回收可重复使用的籽晶的过程和制备第二个单晶高温合金铸件的过程，依次完成制备其余各单晶高温合金铸件。
6.如权利要求5所述制备单晶高温合金的方法，其特征在于，所述回收的籽晶长度为20mm～50mm，籽晶的边长为3×3mm～15×15mm。
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