本發(fā)明涉及熔模鑄造，具體涉及一種降低含re單晶高溫合金中y元素?zé)龘p的方法。

背景技術(shù)：

1、高溫合金是于航空、航天、能源、核工業(yè)、石化、國(guó)防武器裝備和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)不可或缺的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料。由于發(fā)動(dòng)機(jī)效率的日益提升，對(duì)葉片的結(jié)構(gòu)和性能提出更高的要求。相繼研究和應(yīng)用的第二代和第三代單晶合金，分別比第一代單晶合金的耐溫能力提高約30-60℃。無(wú)re或少re(3-6％)是三代單晶合金化學(xué)成分的主要特征。

2、含錸(re)高溫合金具有優(yōu)良的高溫性能，是目前制造先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)氣輪機(jī)葉片的主要材料。在單晶高溫合金中添加適量re元素，在合金中形成短程有序的re原子團(tuán)，re原子團(tuán)可有效地阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，降低合金元素?cái)U(kuò)散速率，提高相的粗化激活能，從而可以改善單晶高溫合金的高溫力學(xué)性能，如提高持久壽命、持久強(qiáng)度和抗熱腐蝕能力等。

3、一般來(lái)說(shuō)，加入y、la、ce等稀土元素可明顯改善合金的耐高溫氧化腐蝕性能，其中y的添加提高了氧化鋁保護(hù)膜的連續(xù)性，使含re單晶高溫合金的高溫抗氧化性能明顯提高。然而在制備合金過(guò)程中，由于稀土元素活性高在熔鑄環(huán)境下極易被燒損，一方面造成稀土元素原損失，嚴(yán)重影響稀土元素對(duì)鎳基高溫合金的改性作用；另一方面，稀土元素活性強(qiáng)，極易向合金表面偏聚與鑄模坩堝材料發(fā)生界面反應(yīng)破壞合金表面質(zhì)量。因此，在稀土y添加提高單晶高溫合金綜合性能的同時(shí)，減少因稀土y活性強(qiáng)而造成的元素?zé)龘p及界面反應(yīng)十分重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種降低含re單晶高溫合金中y元素?zé)龘p的方法，通過(guò)在陶瓷面層中添加氧化釔控制合金熔體中釔元素與陶瓷型殼發(fā)生反應(yīng)、以及在冒口處加蓋難熔金屬片降低熔體中釔元素?fù)]發(fā)等手段來(lái)降低y元素?zé)龘p率。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

3、一種降低含re單晶高溫合金中y元素?zé)龘p的方法，該方法是在采用熔模鑄造技術(shù)制備含re單晶高溫合金的過(guò)程中，通過(guò)工藝控制來(lái)降低y元素?zé)龘p率；該方法具體包括如下步驟：

4、(1)制備面層漿料，面層漿料中含有al2o3和y2o3粉末；

5、(2)采用步驟(1)面層漿料在蠟?zāi)Ｉ现苽涿鎸樱⑦M(jìn)一步制備定向凝固用陶瓷模殼；

6、(3)將陶瓷模殼放置在真空定向凝固爐中進(jìn)行含re單晶高溫合金制備，采用的定向凝固工藝過(guò)程為：首先在熔鑄室中將合金原料(各元素原料或合金錠)加熱熔化為熔融合金液；然后將熔融合金液澆注到陶瓷型殼中；最后經(jīng)定向凝固后取出單晶高溫合金鑄件。

7、進(jìn)一步地，步驟(1)中，面層漿料中所含y2o3粉末的粒度為10-20μm；面層漿料中所含y2o3的重量與陶瓷面層中al2o3重量比例為1：(80-90)；通過(guò)在陶瓷面層中引入y2o3，提高陶瓷型殼中面層的高溫穩(wěn)定性，降低合金高溫熔體中釔(y)與陶瓷面層的反應(yīng)。

8、進(jìn)一步地，步驟(3)中，合金原料加熱熔化時(shí)，向熔鑄室通入惰性氣體。

9、進(jìn)一步地，步驟(3)澆注過(guò)程中，當(dāng)熔融合金液澆注到陶瓷模殼中后，在冒口處蓋上有y涂層的難熔金屬蓋。

10、進(jìn)一步地，步驟(3)澆注過(guò)程中，在合金液向陶瓷型殼澆注時(shí)通入co2或氬氣，其中co2或氬氣流量為1～2l/min，通過(guò)co2或氬氣降低設(shè)備內(nèi)蒸氣壓，防止高溫熔體中釔元素的揮發(fā)，澆注完成后使充入的co2或氬氣在設(shè)備中穩(wěn)定保持3-5分鐘。

11、進(jìn)一步地，步驟(3)定向凝固過(guò)程中，向設(shè)備中充入還原性氣體co和h2，其中，co和h2的總流量為0.3-0.5l/min，co與h2流量比為5：(0.5-1)；h2為還原性氣氛，通過(guò)與co混合調(diào)節(jié)氫氣分壓，以免發(fā)生危險(xiǎn)；(通入的co2或氬氣關(guān)閉后再充入還原性氣體)

12、進(jìn)一步地，步驟(3)澆注過(guò)程中，在陶瓷型殼冒口蓋上的難熔金屬蓋為w或mo金屬蓋，金屬蓋的厚度為1～2mm，金屬蓋直徑比澆口杯的直徑大5～10％，金屬蓋該厚度與直徑的設(shè)置防止了因金屬蓋和陶瓷型殼的熱膨脹系數(shù)不一致而導(dǎo)致型殼開(kāi)裂的弊端。

13、進(jìn)一步地，所述難熔金屬蓋的內(nèi)側(cè)采用等離子噴涂或熱噴涂的方法噴涂y涂層，y涂層厚度30～50μm，y涂層與難熔金屬蓋的結(jié)合強(qiáng)度≥10mpa，通過(guò)在難熔金屬蓋上設(shè)置y涂層并控制結(jié)合強(qiáng)度來(lái)降低合金熔體中釔元素的揮發(fā)并防止金屬蓋上的y脫落。(揮發(fā)時(shí)y涂層先揮發(fā)，因此最大限度減少了熔體中y燒損)

14、進(jìn)一步地，步驟(3)定向凝固時(shí)，陶瓷型殼的溫度控制為1400～1430℃，型殼移動(dòng)速率為8-9mm/min。

15、本發(fā)明所述含re單晶高溫合金中設(shè)計(jì)re元素含量為0.3-6.0wt.％，y元素含量為0.03-10wt.％；該方法制備的含re單晶高溫合金中y元素的燒損率為30％以下。

16、本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果如下：

17、1、本發(fā)明在陶瓷型殼面層中添加特定量的氧化釔，氧化釔具有高的穩(wěn)定性，高溫下難以與熔煉合金中的活潑金屬al、ti、re及y元素等發(fā)生反應(yīng)，有效控制了合金熔體中y和re等元素與陶瓷型殼發(fā)生反應(yīng)，避免了燒損。

18、2、本發(fā)明在澆注過(guò)程中通過(guò)通入ar或co2來(lái)降低設(shè)備內(nèi)蒸汽壓以控制釔元素的揮發(fā)。

19、3、本發(fā)明在定向凝固過(guò)程中，在冒口處加蓋噴涂有氧化釔的難熔金屬片以降低熔體中釔元素?fù)]發(fā)。

20、4、本發(fā)明方法簡(jiǎn)單可行，可以有效控制高溫合金中微量釔等元素的含量，從而提升合金性能的穩(wěn)定性，具有工藝簡(jiǎn)單，成本低等特點(diǎn)。

技術(shù)特征：

1.一種降低含re單晶高溫合金中y元素?zé)龘p的方法，其特征在于：該方法是在采用熔模鑄造技術(shù)制備含re單晶高溫合金的過(guò)程中，通過(guò)工藝控制來(lái)降低y元素?zé)龘p率；該方法具體包括如下步驟：

2.按照權(quán)利要求1所述的降低含re單晶高溫合金中y元素?zé)龘p的方法，其特征在于：步驟(1)中，面層漿料中所含y2o3粉末的粒度為10-20μm；面層漿料中所含y2o3的重量與陶瓷面層中al2o3重量比例為1：(80-90)；通過(guò)在陶瓷面層中引入y2o3，提高陶瓷型殼中面層的高溫穩(wěn)定性，降低合金高溫熔體中釔(y)與陶瓷面層的反應(yīng)。

3.按照權(quán)利要求1所述的降低含re單晶高溫合金中y元素?zé)龘p的方法，其特征在于：步驟(3)中，合金原料加熱熔化時(shí)，向熔鑄室通入惰性氣體。

4.按照權(quán)利要求1所述的降低含re單晶高溫合金中y元素?zé)龘p的方法，其特征在于：步驟(3)澆注過(guò)程中，當(dāng)熔融合金液澆注到陶瓷模殼中后，在冒口處蓋上有y涂層的難熔金屬蓋。

5.按照權(quán)利要求1所述的降低含re單晶高溫合金中y元素?zé)龘p的方法，其特征在于：步驟(3)澆注過(guò)程中，在合金液向陶瓷型殼澆注時(shí)通入co2或氬氣，其中co2或氬氣流量為1～2l/min，通過(guò)co2或氬氣降低設(shè)備內(nèi)蒸氣壓，防止高溫熔體中釔元素的揮發(fā)，澆注完成后使充入的co2或氬氣設(shè)備內(nèi)穩(wěn)定保持3-5分鐘。

6.按照權(quán)利要求5所述的降低含re單晶高溫合金中y元素?zé)龘p的方法，其特征在于：步驟(3)定向凝固過(guò)程中，向設(shè)備中充入還原性氣體co和h2，其中，co和h2的總流量為0.3-0.5l/min，co與h2流量比為5：(0.5-1)；h2為還原性氣氛，通過(guò)與co混合調(diào)節(jié)氫氣分壓，以免發(fā)生危險(xiǎn)。

7.按照權(quán)利要求4所述的降低含re單晶高溫合金中y元素?zé)龘p的方法，其特征在于：步驟(3)澆注過(guò)程中，在陶瓷型殼冒口蓋上的難熔金屬蓋為w或mo金屬蓋，金屬蓋的厚度為1～2mm，金屬蓋直徑比澆口杯的直徑大5～10％，金屬蓋該厚度與直徑的設(shè)置防止了因金屬蓋和陶瓷型殼的熱膨脹系數(shù)不一致而導(dǎo)致型殼開(kāi)裂的弊端。

8.按照權(quán)利要求7所述的降低含re單晶高溫合金中y元素?zé)龘p的方法，其特征在于：所述難熔金屬蓋的內(nèi)側(cè)采用等離子噴涂或熱噴涂的方法噴涂y涂層，y涂層厚度30～50μm，y涂層與難熔金屬蓋的結(jié)合強(qiáng)度≥10mpa，通過(guò)在難熔金屬蓋上設(shè)置y涂層并控制結(jié)合強(qiáng)度來(lái)降低合金熔體中釔元素的揮發(fā)并防止金屬蓋上的y脫落。

9.按照權(quán)利要求1所述的降低含re單晶高溫合金中y元素?zé)龘p的方法，其特征在于：步驟(3)定向凝固時(shí)，陶瓷型殼的溫度控制為1400～1430℃，型殼移動(dòng)速率為8-9mm/min。

10.按照權(quán)利要求1所述的降低含re單晶高溫合金中y元素?zé)龘p的方法，其特征在于：所述含re單晶高溫合金中設(shè)計(jì)re元素含量為0.3-6.0wt.％，y元素含量為0.03-10wt.％；該方法制備的含re單晶高溫合金中y元素的燒損率為30％以下。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種降低含Re單晶高溫合金中Y元素?zé)龘p的方法，屬于熔模鑄造技術(shù)領(lǐng)域。該方法包括：(1)制備含Y2O3面層漿料；(2)采用面層漿料在蠟?zāi)Ｉ现苽涿鎸?，并進(jìn)一步制備陶瓷模殼；(3)將陶瓷模殼放置在真空定向凝固爐中，將熔融合金液澆注到陶瓷型殼后，經(jīng)定向凝固制備單晶高溫合金鑄件。本發(fā)明通過(guò)陶瓷型殼層中添加氧化釔控制合金熔體中釔元素與陶瓷型殼發(fā)生反應(yīng)；定向凝固過(guò)程中降低熔鑄室真空度降低蒸汽壓控制釔元素的揮發(fā)、以及在冒口處加蓋難熔金屬片降低熔體中釔元素?fù)]發(fā)。本發(fā)明方法簡(jiǎn)單可行，可以有效控制高溫合金中微量釔等元素的含量，從而提升合金性能的穩(wěn)定性，具有工藝簡(jiǎn)單，成本低等特點(diǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：舒德龍,王澤宇,鄭鈺潔,張典
受保護(hù)的技術(shù)使用者：遼寧紅銀金屬有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/26