签
名：
摘要
上区预热温度１５２５℃，下区温度１５５０℃，牵引速度２－３ｍｍ／ｍｉｎ。 ５５０。Ｃ， 并通过实验初步建立了镍基高温合金单晶叶片制备工艺体系：熔体温度１ 最后依托设计的定向凝固炉成功完成了镍基高温合金单晶叶片的浇注工作。 型砂粒度配比，经过涂挂、干燥、脱蜡、焙烧等环节制备了适合单晶浇注用型壳。 合格的型壳是叶片制备的先决条件。借鉴经验确定了氧化铝基的浆料配方与 的实验，确定了正置式作为叶片的蜡模组合方式。 于叶片截面发生形状改变时很容易产生杂晶，基于这一特点，通过蜡模组合方式 作为镍基高温合金单晶叶片单晶核的形成方案，并设计了相应的螺旋选晶器。由 要获得合格的单晶叶片，首先要形成单个晶核。论文中确定了“自生籽晶法” 设备热调试，证明设计的定向凝固炉具有稳定的温度场。 基高温合金单晶叶片结构复杂的特点，构建了定向凝固过程自动控制平台。通过 设计出了满足镍基高温合金单晶叶片定向凝固生长的定向凝固设备。并且基于镍 部分、型壳牵引部分、温度测量及控制系统、真空系统等相关部分的考察、论证， 借鉴现有定向凝固炉的设备特点，通过对熔炼部分、高温加热部分、冷却区 了定向凝固设备的各项设计指标。 定向凝固设备的设计路线。并根据实际镍基高温合金单晶叶片的尺寸等要求确定 根据镍基高温合金单晶叶片定向凝固的特点，选择了Ｔａｍｍａｎ．Ｂｒｉｄｇｅｍａｎ法作为 首先为实现单晶叶片的成功制备，需要设计、制备出合适的定向凝固设备。 研究工作。 围绕这一关键，本论文针对镍基高温合金单晶叶片的制备过程开展了全面的 制备成功率与叶片性能的同时提高是单晶叶片制备过程的核心与关键。 程具有紧密的联系。因此，如何通过单晶叶片的制备过程的优化实现单晶叶片的 而所有这些缺陷的形成，除了合金本身的性能以外，都与单晶叶片的制备过 品率低、叶片性能远远低于国外同类产品的现状。 干扰，单晶叶片的制备过程中很容易出现各种缺陷，最终造成了目前单晶叶片成 ３０—５０度、持久性能提高１０％．３０％。但是，由于单晶制备过程中的各种因素的 对于镍基高温合金，采用合适的单晶定向凝固工艺可使合金的使用温度提高 上海交通大学博士后出站报告
ｐｒｅｈｅａｔｉｎｇ ｐａｒｔ，ｃｏｏｌｉｎｇ ｐａｒｔ，ｃａｓｔｉｎｇ
ＳＯ
ｐａｒｔ，ｃａｓｔｉｎｇ
ｍｏｕｌｄ
ｉｎｇｏｔ
ｐｕｌｌｉｎｇ ｐａｒｔ，
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐａｒｔ ａｎｄ
ｏｎ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔ
ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｆｕｍａｃｅ
ｓｈｏｗｅｄ
ｔｈｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｈａｄ ｓｔａｂｌｅ
Ｗａｓ
ｃａｓｔ
ｔｈｒｏｕｇｈ
ｄｅｓｉｇｎｅｄ
ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ
ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ
ｆｕｒｎａｃｅ．Ａｎｄ
ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ Ｗａｓ
ｂｕｉｌｔ ａｓ
ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ｔｈｒｏｕｇｈ
ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ：ｍｅｌｔｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗａｓ １ ５５０＂Ｃ，ｕｐｐｅｒ ｐｒｅｈｅａｔｉｎｇ Ｗａｓ １ ５２５。Ｃ，ｌｏｗｅｒ ｐｒｅｈｅａｔｉｎｇ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ．
ｇｅｎｅｒａｔｅ
ｏｎｅ
Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｇｅｔ ｇｏｏｄ ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｂｌａｄｅｓ，ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｓｔｅｐ ｗａｓ ｔｏ ｃｒｙｓｔａｌ ｎｕｃｌｅｕｓ．Ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ‘‘ａｕｔｏｇｅｎｉｃ
ｓｅｅｄ’’ｍｅｔｈｏｄ Ｗａｓ
ｓｅｌｅｃｔｅｄ ａｓ ｃｒｙｓｔａｌ ｎｕｃｌｅｕｓ
ａｄｖａｎｃｅｄ
ｌｅｖｅｌ．Ａｎｄ
ｔｈｅ ｍａｘ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｃｒｙｓｔａｌ
ｏｆｌｅｓｓ
ｅｘｃｅｅｄｉｎｇ ｔｈｅ ｗｏｒｄ ｃｏｍｍｏｎ ｓｔａｎｄａｒｄ
ｔｈａｎ
１０。．
Ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｗｏｕｌｄ ｇｉｖｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｈｅｏｒｙ ｇｕｉｄｉｎｇ ｔｏ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｂｌａｄｅｓ ｐｒｏｄｕｃｅ
Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｗａｓ
１ ５ ５０＊Ｃ，ａｎｄ ｓｐｅｅｄ Ｗａｓ ２ ｔｏ ３ｍｍ／ｍｉｎ．
ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ
ｂｌａｄｅｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈｅ ｐｒｉｍａｒｙ
ｄｅｎｄｒｉｔｉｃ ｓｐａｃｉｎｇ ｗａｓ
２００ ｌａ ｍ，ｒｅａｃｈｉｎｇ ｔｈｅ ｗｏｒｄ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ Ｗａｓ ３．３１。，ｆａｒ
第一章、绪论……………………………………………………………………………………。１ １．１航空用单晶高温合金的研究现状………………………………………………………ｌ １．１．１单晶高温合金概述………………………………………………………………１ １．１．２单晶高温合金发展特点…………………………………………………………２ １．２镍基高温合金单晶叶片的制备…………………………………………………………４
ｏｎ
ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ
ｆｕｍａｃｅ Ｗａｓ
ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｐｒｏｄｕｃｅ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｂｌａｄｅｓ，ｔｈｅ
ｂｌａｄｅｓ．Ｂａｓｅｄ
ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ
ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｒｏｕｔｅ，ｔｈａｔ
上海交通大学博士后科研工作总结
镍基高温合金单晶叶片成型技术基 础研究
流动站：材料科学与工程学院
博士后：徐华苹 联系导师：王俊教授
２０１２年３月６日
上海交通人学博士后出站报告
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原创性声明
本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ａｌｌ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｄｅｆｅｃｔｓ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ ｐｒｏｃｅｓｓ．
ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｓ
ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ
Ａｌｌ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｄｅｆｅｃｔｓ ｗｅｒｅ ｒｅｌａｔｉｎｇ ｔｏ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｅｘｃｅｐｔ ｆｏｒ ａｌｌｏｙｓ
ｏｆ ｃｒｙｓｔａｌ
ｏｆｉｅｎｔａｔｉｏｎ，ｐｒｉｍａｒｙ
ｄｅｎｄｒｉｔｉｃ ｓｐａｃｉｎｇ
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上海交通大学博士后出站报告
摘要…………………………………………………………………………………………………………………………．Ｉ
Ａｂｓｔｒａｃｔ……．…………．……………………………………………………………………………．…．．．…．…………．ＩＩＩ
１．２．１单晶高温合金母合金的制备……………………………………………………６
１．２．２镍基高温合金单晶叶片的成型技术……………………………………………９ １．２．２．１定向凝固技术…………………………………………………………………．９ １．２．２．２定向凝固技术的工艺参数与单晶质量的关系………………………………１２ １．２－３单晶叶片截面尺寸与工艺参数的关系………………………………………．．１５ １．２．３．１截面变化对枝晶生长过程的影响……………………………………………１６ １．２．３．２截面变化对一次枝晶间距的影响……………………………………………１６ １．３单晶叶片成型设备设计及过程控制…………………………………………………．１７ １．３．１定向凝固设备的基本要素……………………………………………………．．１７ １．３．２单晶叶片成型过程控制现状…………………………………………………．．１８ １．３．３冶金过程控制的趋势…………………………………………………………．．１９ １．４本论文研究的主要内容………………………………………………………………．２０ 第二章镍基高温合金单晶叶片制备设备设计………………………………………………一２２ ２．１单晶形成过程及基本原理……………………………………………………………一２２ ２．２镍基高温合金单晶叶片定向凝固设备设计方案……………………………………．．２３ ２．２．１定向凝固设备设计要点………………………………………………………一２３ ２．２．２定向凝固设备整体构成………………………………………………………一２５ ２．２．３定向凝固设备设计技术指标……………………………………………………２５ ２．３定向凝固设备设计……………………………………………………………………．２６ ２．３．１熔炼及旋转浇注系统……………………………………………………………２６ ２．３．２定向热流区系统…………………………………………………………………２８ ２．３．２．１热端……………………………………………………………………………２９ ２．３．２．２冷端………………………………………………………………………………一３０ ２．３．３定向抽拉系统……………………………………………………………………３０ ２－３．４数据测量与控制系统……………………………………………………………３ １ ２．３．４．１数据测量系统…………………………………………………………………３１ ２．３．４．２控制系统………………………………………………………………………３２ ２．３．５真空系统………………………………………………………………………．．３６ ２．３．６电源系统………………………………………………………………………．．３６ ２．３．７炉体及水冷系统………………………………………………………………．．３６ ２．３．８安全保护措施……………………………………………………………………３６ ２．４设备热调试……………………………………………………………………………．３８ ２．５本章小结………………………………………………………………………………．３９ 第三章镍基高温合金单晶叶片制备…………………………………………………………一４１ ３．１镍基高温合金单晶叶片单晶核的形成………………………………………………．４１ ３．１．１单晶核形成方案设计…………………………………………………………．．４ｌ ３．１．２选晶器的设计…………………………………………………………………。４２