一种由两种合金复合成的功能梯度单晶叶片材料及其制备方法和实现设备

摘要

本发明公开了一种由两种合金复合成的功能梯度单晶叶片材料及其制备方法，属于高温合金及其制备技术领域。所述单晶叶片的叶根及中部为Ni基高温合金、叶顶为Ni₃Al基超高温合金的单晶叶片材料，预计该材料的叶根及中部具有较好的中低温服役性能，其叶顶具有较好的超高温服役性能。所述制备方便包括模壳设计、浇注工艺、单晶生长控制和热处理制度等步骤。本发明通过起晶器窄通道的设计，可以准确的控制两合金在叶片纵向的分布，大大提高了工艺稳定性和材料可设计性；所得到的单晶叶片材料实现了功能梯度服役，符合新一代航空发动机的设计需求。

主权项

一种由两种合金复合成的功能梯度单晶叶片材料的制备方法，其特征在于：具体包括如下步骤：第一步，制备顶部浇注式叶片模壳；叶片叶顶朝上正放，使用起晶器、螺旋选晶器和单晶放大器来获得单晶，并设计横置在相邻起晶器之间的窄通道，使起晶器相互连通；计算所需Ni基高温合金的质量和所需Ni₃Al基超高温合金的质量；第二步，在定向凝固设备中安装磁感应熔化炉A和磁感应熔化炉B，分别用于熔化Ni基高温合金的质量和Ni₃Al基超高温合金；Ni基高温合金熔化温度为1480～1520℃，Ni₃Al基超高温合金熔化温度为1520～1570℃；第三步，设定浇注温度为1500～1580℃，模壳温度与浇注温度相同，先浇注Ni基高温合金，浇注后静置5min；以3mm/min抽拉速率运行5～8min，使起晶器和窄通道内金属液完全凝固；再浇注Ni₃Al基超高温合金，浇注后静置5min；第四步，进行单晶叶片的生长：螺旋选晶器生长速率为3～4mm/min、单晶放大器生长速率逐步增加到4～6mm/min，叶根及叶中部生长速率为4～6mm/min，在两种合金互扩散形成的过渡区生长速率逐步放慢到3～4mm/min，叶顶及浇注盘生长速率维持3～4mm/min，直至单晶生长完成；Ni基高温合金铸造的叶根及叶中部的长度为叶片总长的2/3～4/5长度范围内，其余为叶顶；第五步，所得材料施加再设计的固溶均匀化处理、高温时效处理和低温时效处理；固溶均匀化处理制度的再设计方法为：选取两合金标准固溶制度全部温度点中的最低温度和最高温度，在两温度之间以20度为温度梯度增加温度点，形成所设计的固溶制度温度点序列，其最低温度点保温2小时，其最高温度点保温10小时，中间的每个温度点均保温2～6小时；高温时效处理制度的再设计方法为：选取两种合金标准高温时效制度温度点，分别称为较低温度和较高温度，按照“较低温度保温1小时+较高温度保温2小时+较低温度保温1小时”设计该材料的高温时效处理制度；低温时效处理制度的再设计方法为：选取两种合金标准低温时效制度保温时间中的较长时间，按照“870℃保温该较长时间”设计低温时效处理制度。