-75);葉片頂部使用Ni3Al基超高溫合金IC32(專利號:201110125242X)，其成分為:6Cr-7Co-8Mo-3Re-2ff-7.2A1-5.3Ta_bal.Ni，具體步驟如下:
[0066]第一步，制備頂部澆注式葉片模殼3，葉片306葉頂朝上正放，使用起晶器301、螺旋選晶器302和單晶放大器303來獲得單晶，并設計直徑為1.2mm的管道作為窄通道305橫置在相鄰起晶器之間，窄通道305的高度為起晶器301高度的1/2處，使起晶器301相互連通；計算得到所需Ni基高溫合金的質量為3.4公斤，所需Ni3Al基超高溫合金的質量為
1.6公斤；
[0067]第二步，在定向凝固設備中安裝兩個磁感熔化爐，按照所需質量分別熔化兩種合金:Ni基高溫合金熔化溫度為1520°C，Ni3Al基超高溫合金熔化溫度為1570°C ；
[0068]第三步，澆注溫度為1580°C，模殼3溫度與澆注溫度相同，先澆注Ni基高溫合金，澆注后靜置5min ；以3mm/min抽拉速率運行5min，使起晶器301和窄通道305內Ni基高溫合金完全凝固；再澆注Ni3Al基超高溫合金，澆注后靜置5min ;
[0069]第四步，進行單晶葉片306的生長:螺旋選晶器302生長速率為3mm/min、單晶放大器303生長速率逐步增加到4mm/min，葉根及中部生長速率為4mm/min，在兩種合金互擴散形成的過渡區(qū)生長速率逐步放慢到3mm/min，葉頂及饒注盤304生長速率維持3mm/min，直至單晶生長完成；
[0070]第五步，所得材料施加再設計的固溶均勻化處理、高溫時效處理和低溫時效處理。兩種合金標準固溶均勻化溫度點最低溫度為1300°C，最高溫度為1350°C，其中間每隔20°C選取中間溫度點，再設計的固溶均勻化處理制度為:1300°C /2h+1320°C /4h+1340°C /6h+135(TC /1ho兩種合金標準高溫時效溫度點中較低溫度為1100°C，較高溫度為1140°C，再設計的高溫時效處理制度為:1100°C /lh+1140°C /2h+l100C /lh。再設計的低溫時效處理制度為:8700C /32ho
[0071]所得熱處理態(tài)單晶葉片材料的典型微觀組織形貌見圖5。從中可以看出熱處理后，葉片材料根部和中部由較寬的ga_a通道和0.5 μπι的方正第二相組成，頂部有細窄ga_a通道和0.65 μ m方正第二相組成，分別接近Ni基單晶高溫合金和Ni3Al基超高溫合金的典型熱處理組織，證明再設計的熱處理制度有效。
[0072]勞埃取向法得到該材料根部晶體取向為001偏5.8°，頂部晶體取向為001偏6.0°。所得葉片兩端晶向偏差為0.2°，說明該葉片材料由一個完整單晶組成，是單晶葉片。由此證明本發(fā)明提供的技術方案成功制備了一種由不同成分的葉根、中部和葉頂復合成的單晶葉片材料。
[0073]對所得材料不同部位進行持久力學測試。其根部及中部的980°C /250MPa持久壽命為311h，頂部1200°C /70MPa持久壽命為251h。該單晶葉片材料根部及中部具有良好的中低溫性能，其頂部具有優(yōu)異的超高溫性能，完全符合新一代航空發(fā)動機的設計需求。
【主權項】
1.一種由兩種合金復合成的功能梯度單晶葉片材料的制備方法，其特征在于:具體包括如下步驟: 第一步，制備頂部澆注式葉片模殼； 葉片葉頂朝上正放，使用起晶器、螺旋選晶器和單晶放大器來獲得單晶，并設計橫置在相鄰起晶器之間的窄通道，使起晶器相互連通；計算所需Ni基高溫合金的質量和所需Ni3Al基超高溫合金的質量； 第二步，在定向凝固設備中安裝磁感應熔化爐A和磁感應熔化爐A，分別用于熔化Ni基高溫合金的質量和Ni3Al基超高溫合金；Ni基高溫合金熔化溫度為1480?1520°C，Ni3Al基超高溫合金熔化溫度為1520?1570°C ； 第三步，設定澆注溫度為1500?1580°C，模殼溫度與澆注溫度相同，先澆注Ni基高溫合金，饒注后靜置5min ;以3mm/min抽拉速率運行5?8min，使起晶器和窄通道內金屬液完全凝固；再澆注Ni3Al基超高溫合金，澆注后靜置5min ; 第四步，進行單晶葉片的生長:螺旋選晶器生長速率為3?4mm/min、單晶放大器生長速率逐步增加到4?6mm/min，葉根及葉中部生長速率為4?6mm/min，在兩種合金互擴散形成的過渡區(qū)生長速率逐步放慢到3?4mm/min，葉頂及饒注盤生長速率維持3?4mm/min，直至單晶生長完成；Ni基高溫合金鑄造的葉根及葉中部的長度為葉片總長的2/3?4/5長度范圍內，其余為葉頂； 第五步，所得材料施加再設計的固溶均勻化處理、高溫時效處理和低溫時效處理； 固溶均勻化處理制度的再設計方法為:選取兩合金標準固溶制度全部溫度點中的最低溫度和最高溫度，在兩溫度之間以20度為溫度梯度增加溫度點，形成所設計的固溶制度溫度點序列，其最低溫度點保溫2小時，其最高溫度點保溫10小時，中間的每個溫度點均保溫2?6小時；高溫時效處理制度的再設計方法為:選取兩種合金標準高溫時效制度溫度點，分別稱為較低溫度和較高溫度，按照“較低溫度保溫I小時+較高溫度保溫2小時+較低溫度保溫I小時”設計該材料的高溫時效處理制度；低溫時效處理制度的再設計方法為:選取兩種合金標準低溫時效制度保溫時間中的較長時間，按照“870°C保溫該較長時間”設計低溫時效處理制度。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種由兩種合金復合成的功能梯度單晶葉片材料的制備方法，其特征在于:所述管道的高度為起晶器高度的1/2處。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種由兩種合金復合成的功能梯度單晶葉片材料的制備方法，其特征在于:所述窄通道的為直徑0.8?1.2mm的管道。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種由兩種合金復合成的功能梯度單晶葉片材料的制備方法，其特征在于:所述的過渡區(qū)是指Ni基高溫合金鑄造部分和Ni3Al基超高溫合金鑄造部分的界面上下各1mm長度葉片段，該過渡區(qū)由于兩中合金在液相條件下進行相互擴散，其成分從Ni基高溫合金均勻過渡到Ni3Al基超高溫合金。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種由兩種合金復合成的功能梯度單晶葉片材料的制備方法，其特征在于:所述生長速率逐步增加或逐步放慢是指速率變化率為0.5mm/min2o
6.一種由兩種合金復合成的功能梯度單晶葉片材料，其特征在于:葉根和葉中部的材料是Ni基高溫合金，葉頂材料是Ni3Al基超高溫合金，葉根和葉中部長度在葉片總長的2/3?4/5長度范圍內。
7.一種實現(xiàn)權利要求1所述的制備方法的定向凝固設備，包括循環(huán)水冷卻體和頂部澆注式精密鑄造模殼，其特征在于:高溫室頂部設置磁感應熔化爐A和磁感應熔化爐B ;所述的頂部澆注式精密鑄造模殼中，在相鄰的兩個起晶器之間設置窄通道，所述的窄通道為直徑0.8?1.2mm的管道結構；所述的窄通道水平設置在起晶器的1/2高度處，使多個起晶器相互連通；所述的兩個磁感應熔化爐A和磁感應熔化爐B中分別用于盛放和熔化Ni基高溫合金和Ni3Al基超高溫合金，并將Ni基高溫合金金屬液和Ni3Al基超高溫合金金屬液澆鑄到所述的頂部澆注式精密鑄造模殼內。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種由兩種合金復合成的功能梯度單晶葉片材料及其制備方法，屬于高溫合金及其制備技術領域。所述單晶葉片的葉根及中部為Ni基高溫合金、葉頂為Ni3Al基超高溫合金的單晶葉片材料，預計該材料的葉根及中部具有較好的中低溫服役性能，其葉頂具有較好的超高溫服役性能。所述制備方便包括模殼設計、澆注工藝、單晶生長控制和熱處理制度等步驟。本發(fā)明通過起晶器窄通道的設計，可以準確的控制兩合金在葉片縱向的分布，大大提高了工藝穩(wěn)定性和材料可設計性；所得到的單晶葉片材料實現(xiàn)了功能梯度服役，符合新一代航空發(fā)動機的設計需求。
【IPC分類】B22D19-16, C22F1-10, B22C9-04, F01D5-28, C30B11-00, C30B29-52
【公開號】CN104858399
【申請?zhí)枴緾N201510184237
【發(fā)明人】宮聲凱, 茹毅, 裴延玲, 張安琪, 侯皓章, 陳明, 趙海坤, 李樹索
【申請人】北京航空航天大學
【公開日】2015年8月26日
【申請日】2015年4月17日