[0001] 本发明涉及单晶高温合金制备技术领域，特别是涉及是一种<110>、<111>特殊取向单晶高温合金的制备方法。

[0002] 镍基单晶高温合金由于优异的高温使役性能，被广泛用于先进航空发动机、舰船及地面工业燃气轮机涡轮叶片的制备。由于晶界的消除，单晶高温合金的力学性能表现出显著的各向异性，<001>方向的弹性模量较低，且具有较优的综合性能。但是，为了提高单晶叶片特定部位的力学性能和满足科研、生产需求，还需制备出<110>、<111>取向的单晶高温合金。因此，如何制备出<110>、<111>取向的单晶高温合金，成为了当前需要解决的一个技术难题。

[0003] 在以往公开的发明创造中可知，特殊取向单晶高温合金的制备普遍采用以下两种方法：(1)籽晶切割法；首先，需利用X射线测定单晶取向；然后，再使用特制工装旋转特定角度，对已有单晶进行切割；最后，利用所得籽晶以外延生长方式获得<110>、<111>取向的单晶高温合金。此类特殊取向单晶高温合金的制备方法存在操作复杂、费用昂贵、精度差及枝晶切断等一系列问题。(2)籽晶与模壳倾角组壳法；由于组壳角度较大，在籽晶制备与埋置过程中，难免会出现随机误差，影响取向精度；再者，在定向凝固过程中，还需三次枝晶发展成一次枝晶向上生长，这极易产生杂晶，难以保证合金的单晶性；另外，枝晶近似线性分布，当取向偏离角较大时，凝固组织的不均匀性促进了裂纹的萌生，严重降低了合金的高温蠕变和疲劳等关键性能，不利于特殊取向单晶高温合金的发展与应用。

[0004] 因此，针对上述技术难题，本发明提出了一种基于<001>籽晶获得<110>、<111>取向单晶高温合金的制备方法，即通过在选晶器与零件之间设置角度控制段对底部籽晶的二次取向进行控制，制备出<110>、<111>取向的单晶高温合金。该发明不仅简化了籽晶制备流程，降低了生产成本，提高了单晶铸件的生产效率，而且具有较好的可操作性及较优的取向可控性。

[0051] 本发明提供了一种基于<001>籽晶制备<110>或<111>取向单晶高温合金的方法，包括以下步骤：

[0052] 本发明优选的将<001>取向的籽晶控制在5°之内(籽晶<001>面与圆柱形籽晶的轴向角度控制在5°之内，即<001>取向偏离5°之内)，并进行磨抛与腐蚀，所述磨抛还优选的依序采用400#、1000#、2000#砂纸进行机械研磨，然后使用颗粒度为2.5μm金刚石研磨膏抛光。

[0053] 在本发明中，蚀刻方法选用化学腐蚀，腐蚀液为盐酸硫酸铜水溶液，其配比为4g CuSO4+10ml HCl+20ml H2O，所述的化学腐蚀时间控制在2～8s。经蚀刻后，可观察到肉眼清晰的“十字花”结构，平行二次枝晶轴画出十字交叉线即可。

[0054] 按常规螺旋选晶器的模壳制备过程进行操作，蜡模组合：该蜡模从上到下分为冒口、浇道、零件(待浇铸制备的铸件)、角度控制段(如图2所注)、选晶段、籽晶段和底盘，各部分之间依次进行圆滑过渡连接，完成蜡模的组合。将上述蜡模的外部均匀涂挂陶瓷耐火浆料后，依序进行脱蜡、烧结，得到所述模壳，如图3所示。

[0055] 籽晶段的内腔为圆柱形腔体，从上到下依次与选晶段、角度控制段相连通。

[0056] 所述角度控制段的下端面为正方形、上端面为矩形，下端面与水平面平行、上端面与下端面呈45°(对应45°的模壳)或57°(对应33°的模壳)夹角，所述角度控制段在平行于矩形长边竖直面的投影上部为直角三角形、下部为上底长度大于下底长度的直角梯形，直角三角形的一条直角边与直角梯形的直角边共线，直角三角形的另一条直角边与直角梯形的上底重合；

[0057] 下端面的正方形边长为6mm，上端面的矩形长为12mm、宽为4mm，上端的最高点与下端面的垂直距离、即角度控制段的高度为20mm，角度控制段的内腔为由下端面的正方形向上端面的矩形逐渐平滑过渡形成的腔室，在平滑过渡过程中进行倒圆角处理，圆角半径R＝1.5～2.5；角度控制段上、下端面分别通过平滑过渡段与零件、选晶段平滑过渡连通。具体参照图2。

[0058] 优选的，所述角度控制段下端面通过过渡段与螺旋选晶器中选晶段的竖直段上端面相连通，选晶器竖直段上端面内腔为直径5mm的圆形，两者平滑过渡，它们两端面间过渡段长度(或高度)为5mm、过渡段内腔由角度控制段下端面向选晶段上端面逐渐平滑过渡；

[0059] 角度控制段上端面通过过渡段与零件(待浇铸制备的铸件腔)下端面相连通，零件为圆柱形腔体，其下端面直径为13mm，它们两端面间过渡段长度(或高度)为15mm、过渡段内腔由角度控制段上端面向零件下端面逐渐平滑过渡；过渡段内进行倒圆角处理，R＝1.5～2.5。

[0060] 优选的，所述脱蜡温度为450℃。

[0061] 优选的，所述的烧结温度为1000℃，时间为12h。

[0062] 本发明对所述的铸件蜡模材料没有任何特殊限定，采用本领域技术人员熟知的材料即可。

[0063] 所述的蜡模尺寸优选按照目标产物的实际需要进行调整即可。

[0064] 本发明所述蜡模组合须保证所述籽晶段的<001>轴向与所述底盘呈90°夹角；将选晶器与零件间的角度通过角度控制段进行控制，控制角度分别设计为45°，33°。其他所述组合的过程没有任何特殊限定，采用本领域技术人员熟知的过程对浇注系统等进行机械组合即可。

[0065] 得到蜡模后，在所述蜡模的外部涂挂陶瓷耐火浆料后，依次脱蜡和焙烧，得到模壳。所得模壳结构如图3所示。所述模壳由上到下分别为冒口、浇道、零件、角度控制段、选晶段、籽晶段和底盘。

[0066] 获取到模壳后，将所述籽晶进行埋置到控制角度为45°的模壳的籽晶段中(其中45°为圆柱状零件轴向与水平方向的夹角)，且保证籽晶的二次取向<010>或<100>取向与铸件的<001>方向的竖直投影方向平行(如图4所示)，然后采用刚玉粉与硅溶胶混合溶液固定。

[0067] 刚玉粉料粒度为300～400目，粉液质量比为3:1.8。硅溶胶中SiO2质量含量35％；

[0068] 籽晶埋置完成后，本发明将高温合金母合金的熔体浇铸到所述模壳中进行定向凝固，得到所述的<110>取向的单晶高温合金。

[0069] 按照上述籽晶的二次取向标定要求与籽晶埋置要求，将所得<110>取向的单晶高温合金籽晶埋置于控制角度为33°的模壳的籽晶段中(其中33°为圆柱状零件轴向与水平方向的夹角)，并保证<110>籽晶的<110>二次取向与铸件在<001>方向的投影线平行，然后进行高温合金的浇铸并完成定向凝固，即可得到所述的<111>取向的单晶高温合金。

[0070] 本发明对所述的高温合金母合金成分并没有任何的特殊限定，采用本领域技术人员所熟知的合金即可。

[0071] 本发明对所述的熔炼温度、浇铸温度、模壳温度、保温时间及定向凝固抽拉速率也没有任何特殊限定，采用本领域技术人员熟知的拉晶过程即可。

[0072] 本发明获得单晶铸件，采用劳厄法进行一次取向测定并进行二次取向标定。

[0073] 下面将结合实施例对本发明所提供的基于<001>籽晶获得<110>、<111>取向单晶高温合金的制备方法进行说明，但是不能理解为对本发明保护范围的限定。

[0074] 实施例1：

[0075] 步骤1：高温合金籽晶段的制备：

[0076] 选用<001>取向偏离2°的单晶试棒作为圆柱型籽晶，以其一个端面((001)面)为待处理面，依次使用400#、1000#、2000#砂纸进行机械研磨，使用颗粒度为2.5μm的金刚石研磨膏进行抛光。籽晶成分为Ni‑6.8Cr‑7.2Co‑6.4Al‑6.8Ta‑4.8W‑1.30Mo‑3Re‑0.12Hf(元素前的数字代表其于合金中的重量百分比％，Ni为余量)。

[0077] 步骤2：二次取向的标定：

[0078] 采用所述的硫酸铜盐酸水溶液对(001)面进行蚀刻处理，以肉眼观察到清晰的十字花为标准，并标定<100>和<010>二次取向(即十字走向)。其中所述腐蚀剂为硫酸铜盐酸水溶液，配比为4g CuSO4+10ml HCl+20ml H2O；其中硫酸铜为CuSO4·5H2O，盐酸质量浓度为37％。

[0079] 步骤3：籽晶的埋置：

[0080] 将所述籽晶埋置入所述模壳(控制角度为45°的定向凝固模壳)的籽晶段中，(001)面平行于水平面，且保证籽晶的<100>或<010>的二次取向与圆柱状零件轴向在<001>方向上的竖直投影线平行，并用刚玉和硅溶胶混合物进行固定。

[0081] 步骤4：高温合金的浇铸：

[0082] 本实例选取的高温合金母合金为Reńe N5作为浇铸合金，浇铸到所述<110>模壳中，高温合金的浇注温度为1580℃，保温15min后，并进行从下至上的进行定向凝固，所述定向凝固的抽拉速率为3mm/min,即得到所述<110>取向的单晶高温合金。合金成分为Ni‑6.8Cr‑7.2Co‑6.4Al‑6.8Ta‑4.8W‑1.30Mo‑3Re‑0.12Hf(元素前的数字代表其于合金中的重量百分比％，Ni为余量)。

[0083] 步骤5：籽晶铸件的取向测定：

[0084] 对所得零件使用劳厄法进行取向测定，其中射线方向为零件径向，在测试过程沿径向调整零件位置(具体如图6所示)，α角为最小值时，γ角为单晶高温合金的一次取向值，如表1所示。其中X射线测试参数为电压41kV，0.35mA。

[0085] 步骤6：籽晶铸件二次取向的标定：

[0086] 将所得籽晶铸件沿其径向旋转，将单晶棒旋转至γ≈45°；β≈45°；α＝Min位置，保证α角为最小值，其中垂直于射线方向为<001>二次取向，平行于射线方向为<110>二次取向，如示意图6所示。

[0087] 图8和图9分别为沿所得<110>铸件的(001)和(010)面切割，并按上述步骤磨抛与腐蚀处理，观察所得到的微观组织。经观察可得，采取本发明所述方法制备的单晶高温合金晶体取向为<110>取向，取向偏差一般介于2～7°，组织均匀，无杂晶，无铸造缺陷，符合工业生产要求。

[0088] 表1为所得的三支籽晶铸件的劳厄法测试结果，结合式(1)计算可得，晶向指数＝<110>；晶面指数＝<1‑12>，可得出本发明所提供的铸件为<110>取向。

[0089] 表1本实施例中所得铸件的劳埃法测试结果

[0090]   α β γ X‑<100> Y‑<010> Z‑<001>铸件1 ‑4 43.6 42.7 43.8 42.9 35.2
铸件2 5.2 44.1 43.1 43.4 44.1 36.5
铸件3 ‑7.3 ‑41.3 ‑42.4 44.6 38.2 37.2

[0091]

[0092] 步骤7：<111>取向单晶高温合金制备：

[0093] 完成<110>取向的单晶高温合金籽晶的二次取向标定后，按上述籽晶处理要求与籽晶埋置要求(过程和条件同上<110>取向的单晶高温合金铸件的制备步骤1‑6)，与其不同之处在于，将该籽晶埋入所得控制角度为33°的定向凝固模壳中，并保证<110>籽晶的<110>二次取向与圆柱状铸件在<001>方向的投影线平行，然后，再进行高温合金的浇铸与从下至上的定向凝固。结合<110>籽晶的制备方法分析可知，本发明所提供的技术方案也可制备出<111>取向的单晶高温合金，取向偏差一般介于2～10°，组织均匀，无杂晶，无铸造缺陷，符合工业生产要求。具体如图7和图10所示。

[0094] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。