一種鑄造用鎳基單晶合金籽晶的切割制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及Ni基和Ni3Al基單晶高溫合金鑄造的籽晶精確定向切割制備方法，進(jìn) 一步說是通過測定與機械加工使具有任意取向的Ni基單晶合金成為具有（001)、（011)或 (111)晶體學(xué)取向特征的籽晶。
【背景技術(shù)】
[0002] 提高航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的性能關(guān)鍵在于提高服役材料的性能。Ni基單晶渦輪葉 片是渦輪發(fā)動機中服役條件技術(shù)難度要求最大的一個關(guān)鍵部件，對其材料的服役要求極為 苛刻。由于Ni單晶合金具有各向異性的特點，沿軸為（111)取向的渦輪葉片將具有更高、 更穩(wěn)定的高溫性能。研宄表明：Ni-6. 8A1-13. 8M〇-6W合金（111)晶向在980°C、280MPa條件 下的斷裂壽命是（001)晶向的9倍，產(chǎn)生1 %蠕變的時間是（001)晶向的41倍；室溫（111) 取向的彈性模量幾乎是（001)取向的2倍，即使在1000~1100°C的高溫下，（111)取向的 持久強度比（001)取向高10%~15%以上，持久壽命高3倍。而通過螺旋選晶法得到的單 晶葉片生長方向表現(xiàn)出明顯的擇優(yōu)取向（一般沿溫度梯度方向即：(〇〇1)方向），而且該擇 優(yōu)取向往往與軸向存在一定偏角，使得單晶葉片的高溫服役性能明顯下降。生產(chǎn)實踐表明， 通過螺旋選晶法定向凝固的渦輪葉片由于偏離（001)超過20°所產(chǎn)生的廢品率約占生產(chǎn) 量的30%以上，此外通過該方法很難得到取向為（111)的葉片。
[0003] 籽晶法是指通過融化籽晶頂端表面并外延生長出的單晶體，這種方法所制得單晶 體的取向與籽晶的取向保持嚴(yán)格一致。目前，籽晶法的制備普遍為選取已具有（001)、（oil) 或（111)取向特征的單晶體上切取并制備籽晶，由此方法制得的籽晶在晶體學(xué)取向上的偏 角具有隨機性和不可控性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的是為籽晶法定向凝固Ni基單晶高溫合金鑄造提供一種具有高精度、 高效率、高可靠性的（001)、（011)、（111)籽晶制備方法。用于制備籽晶的試棒（或試板） 可以是具有任意取向的Ni基單晶高溫合金。此外，切割后制得籽晶的取向具有高度的一致 性與可重復(fù)性，進(jìn)而提高了由籽晶法得到的Ni基單晶高溫合金的鑄造性能和取向穩(wěn)定性。
[0005] 本發(fā)明提供一種鑄造用鎳基單晶合金籽晶的切割制備方法，包括如下步驟：
[0006] 第一步，對用于制備籽晶的試棒或者試板進(jìn)行機械加工后得到具有上、下平行截 面的試塊，對試塊的其中一個平行截面進(jìn)行磨光處理，得到磨光面。
[0007] 第二步，將試塊磨光面朝上平穩(wěn)固定于X射線應(yīng)力測定儀的轉(zhuǎn)盤中心，并在試塊 磨光面上進(jìn)行直線和箭頭方式標(biāo)記，標(biāo)記方向與X射線應(yīng)力測定儀上cp=〇°方向平行。
[0008] 第三步，確定試塊材料的X射線衍射角，對X射線應(yīng)力測定儀進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。
[0009] 第四步，利用X射線應(yīng)力測定儀對試塊的！D角和(P角進(jìn)行掃描。
[0010] 粗掃方法：固定2 0并設(shè)定It角的掃描范圍與9角的掃描范圍。為盡量減少切割 量，一般不切割偏離特定角度超過30°以上的試塊，S卩步角掃描范圍為0至30°，9角掃 描范圍為0°至360° ;粗掃It與9角每次增量分別為0.5°和5°，即：每給進(jìn)一次It角， 9角即以增量5°從0°旋轉(zhuǎn)至360°。記錄發(fā)生X衍射最強衍射時的這兩個角度！K9〇。
[0011] 精掃方法：固定2 0以及粗掃中記錄的$角，對q>〇角進(jìn)行物±1〇°1的范圍內(nèi)的掃 描。掃描步長為〇. 5°，記錄發(fā)生X衍射最強衍射時91角。
[0012] 第五步，利用線切割機實現(xiàn)去$、q>i偏角的單晶定向切割；
[0013] 第六步，對單晶定向切割后得到的試塊進(jìn)行籽晶的制備。
[0014] 優(yōu)選的，使用無心磨床對第六步制備得到的籽晶的表面進(jìn)行磨削加工提高籽晶表 面質(zhì)量。
[0015] 本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0016] 1、對原始單晶試棒取向要求極低（為減少切割量，偏離欲切割取向不應(yīng)超過 45。）。
[0017] 2、切割設(shè)備簡易，無需進(jìn)口國外設(shè)備，可以直接通過切割得到具有（001)、（011)、 (111)取向特征的籽晶。
[0018] 3、加工成本低。
[0019] 4、切割得到的籽晶精度高，可重復(fù)性好。
[0020] 5、籽晶表面光潔度高，無需進(jìn)行再加工。
【附圖說明】
[0021] 圖1為具有任意取向的Ni基單晶高溫合金平行截面切割示意圖。
[0022] 圖2為具有點轉(zhuǎn)9角的連接機構(gòu)功能的X射線應(yīng)力測定儀350AC測試原理示意圖。
[0023] 圖3為試塊法線方向與晶體學(xué)取向（本圖以（001)取向試樣為例）關(guān)系及切割面 示意圖。
[0024] 圖4為本發(fā)明中采用的夾具及試塊夾持的示意圖；
[0025] 圖5A、圖5B分別為本發(fā)明夾具使用的分度盤、試塊夾頭細(xì)節(jié)示意圖。
[0026] 圖6A、圖6B分別為經(jīng)本發(fā)明方法制備的具有（001)與（111)晶向籽晶勞埃斑點測 定取向分析截圖。
【具體實施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0028] 本發(fā)明提供的鑄造用鎳基單晶合金籽晶的切割制備方法，具體步驟如下：
[0029] 第一步，對用于制備籽晶的試棒或者試板進(jìn)行機械加工后得到具有上、下平行截 面的試塊，如圖1所示，沿虛線位置切割試棒或者試板，得到上下表面平行的試塊。對試塊 的其中一個平行截面進(jìn)行磨光處理，得到磨光面。
[0030] 磨光處理條件：依次使用60#、180#、400#、800#、1500#水磨砂紙磨光試塊平行截 面中的一面，以去除該表面的加工殘余應(yīng)力。
[0031] 第二步，將試塊磨光面朝上平穩(wěn)固定于X射線應(yīng)力測定儀（由邯鄲愛斯特應(yīng)力技 術(shù)應(yīng)用有限公司生產(chǎn)具有點轉(zhuǎn)9角的連接機構(gòu)功能的X射線應(yīng)力測定儀350AC)轉(zhuǎn)盤中心， 如圖2,并用細(xì)記號筆在試塊磨光面上進(jìn)行直線和箭頭方式標(biāo)記，標(biāo)記方向與X射線應(yīng)力測 定儀上q>=〇°方向平行。
[0032]第三步，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)（SSCS或相關(guān)Pdf卡片）確定試塊材料的X射線衍射 角，在X射線應(yīng)力測定儀配套的軟件中輸入相應(yīng)的參數(shù)（衍射角2 0、計數(shù)時間、計數(shù)量程等 參數(shù)）。
[0033]第四步，利用X射線應(yīng)力測定儀對試塊的！D角和q>角進(jìn)行掃描。
[0034] 粗掃方法：固定2 0并設(shè)定步角的掃描范圍與角的掃描范圍。為盡量減少切割 量，一般不切割偏離特定角度超過30°以上的試塊，S卩步角掃描范圍為0至30°，9角掃 描范圍為0°至360° ;粗掃步與9角每次增量分別為0.5°和5°，即：每給進(jìn)一次步角， 中角即以增量5°從0°旋轉(zhuǎn)至360°。記錄發(fā)生X衍射最強衍射時的這兩個角度！K9〇。
[0035] 精掃方法：固定2 0以及粗掃中記錄的步角，對q>〇角進(jìn)行物±10°啲范圍內(nèi)的掃 描。掃描步長為〇.5°，記錄發(fā)生X衍射最強衍射時奶角。
[0036] 第五步，利用線切割機（北京得力機床設(shè)備有限公司生產(chǎn)的DK7732線切割機）實 現(xiàn)去$、偏角的單晶定向切割；
[0037]將試塊在夾具上夾緊固定，實現(xiàn)單晶定向切割。
[0038]所述夾具如圖4所示，包括長方體底座1、支架2、轉(zhuǎn)桿3、鎖鈕4和夾頭5,所述長 方體底座1與支架2為一體成型結(jié)構(gòu)，并且支架2與長方體底座1垂直，呈"丄"型。支架2 豎直；轉(zhuǎn)桿3為圓柱形結(jié)構(gòu)，軸線水平，轉(zhuǎn)桿3的一端固定在支架2上，另一端設(shè)置夾頭5,如 圖5B，所述的夾頭5包括兩塊平板和兩個螺桿，其中一塊平板固定在轉(zhuǎn)桿3上，另一塊平板 為活動板，用來夾持試塊時，將試塊夾持在兩塊平板之間，并用螺桿夾緊固定；在支架2的 頂端設(shè)置固定轉(zhuǎn)桿3的鎖鈕4,所述轉(zhuǎn)桿3可以繞自身軸線旋轉(zhuǎn)進(jìn)而調(diào)節(jié)9角，調(diào)整到設(shè)定 角度后由鎖鈕4固定。所述轉(zhuǎn)桿3在支架2上的固定方式為，在支架2上設(shè)置有水平通孔 或水平盲孔，孔徑與轉(zhuǎn)桿3的外徑配合；與所述水平通孔或水平盲孔連通一個豎直通孔用 于設(shè)置鎖鈕4,轉(zhuǎn)桿3的一端插入所述水平通孔或水平盲孔內(nèi)，轉(zhuǎn)桿3旋轉(zhuǎn)合適角度后，由鎖 鈕4固定。在轉(zhuǎn)桿3末端有一個與轉(zhuǎn)桿3的截面圓心同心的分度盤6,如圖5A，分度盤6畫 在支架2上，分度盤6的0°刻度方向為與支架2的豎直軸線平行。試塊7在夾具上的夾持 要求為：試塊7磨光面的法向方向與轉(zhuǎn)桿3的軸線平行，試塊7磨光面上標(biāo)記方向與分度盤 6上的0°刻度線平行；固定長方體底座1時，長方體底座1的長邊應(yīng)平行于線切割導(dǎo)軌方 向的直線。將轉(zhuǎn)桿3沿X射線應(yīng)力測定儀的9角轉(zhuǎn)盤掃描方向旋轉(zhuǎn)至91角位置。在線切割 設(shè)備上設(shè)定切割方向為與線切割絲導(dǎo)軌方向（線切割設(shè)備-x軸方向）成步角的直線，進(jìn) 行第一次切割，得到第一切割面。之后對試塊的另一端進(jìn)行切割，使得第二切割面完全平行 于第一切割面。要求：經(jīng)過切割后的兩平行截面間距至少20mm(未切割前為兩平行截面，面 間距與試塊大小有關(guān)）。
[0039]第六步，對單晶定向切割后得到的試塊進(jìn)行籽晶的制備。
[0040] 將試塊的第一切割面或者第二切割面，用強力膠（502速干膠）粘接到1mm厚的導(dǎo) 電板上，僅粘接邊緣用于固定即可。所述的導(dǎo)電板選擇45號鋼板或其他導(dǎo)電板代替，目的 在于提供固定。將帶試塊的導(dǎo)電板水平的放置并固定于導(dǎo)軌上。此時，試塊第一切割面或 者第二切割面應(yīng)與過線切割導(dǎo)軌的XOY平面（為DK7732線切割機本身的坐標(biāo)軸，或者說切 割面與水平面平行）平行。通過編程在試塊上切取0