[发明专利]一种化学成分连续梯度分布的镍基单晶高温合金试棒的制备方法

说明书

本发明公开了一种化学成分连续梯度分布的镍基单晶高温合金试棒的制备方法，属于金属材料制备技术领域。该方法利用放在模壳下端的高熔点单晶合金作为籽晶，通过定向凝固工艺实现单晶生长。在两种合金完全熔化状态下，两种合金液通过对流或者扩散相互混合，从而改变合金成分，产生成分梯度。该方法能够实现镍基单晶试样中厘米级别的成分梯度分布，可以满足持久、蠕变等宏观力学性能研究的需求。

技术领域

本发明涉及金属材料制备技术领域，具体涉及一种化学成分连续梯度分布的镍基单晶高温合金试棒的制备方法。

背景技术

2011年6月，美国总统奥巴马在卡耐基·梅隆大学作的以“先进制造业伙伴关系”为主题的演讲中提出了“材料基因组计划”(Materials Genome Initiative,MGI)，明确指出其总目标是利用近年来在材料模拟计算、高通量实验和数据挖掘方面取得的突破，将新材料从发现到应用的速度至少提高一倍，成本至少降低一半。MGI展现了未来先进材料开发的崭新模式。近年来，国内也启动了中国版的“材料基因组计划”，大力发展材料基因组技术。作为材料基因组技术之一的高通量制备技术取得了较为显著的发展。金属材料的高通量制备方法有多种，包括组合材料芯片技术、粉末冶金方法、3D打印方法、基于普通熔炼铸造开发的新装置、扩散多元节方法等等。其中，组合材料芯片技术并不适用于高温合金领域；粉末冶金、3D打印以及基于普通熔炼铸造开发的新装置等方法都是通过控制原料粉末成分的精确配比来实现材料成分的梯度变化，获得的材料均为多晶合金；扩散多元节方法虽然能够制备成分梯度分布的单晶试样，但梯度成分的分布距离很窄(大约200μm)，不能满足宏观力学性能(如持久、蠕变)研究的需求。目前，适用于镍基单晶高温合金的高通量制备方法还未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种化学成分连续梯度分布的镍基单晶高温合金试棒的制备方法，能够实现镍基单晶试样中厘米级别的成分梯度分布，可以满足持久、蠕变等宏观力学性能研究的需求。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种化学成分连续梯度分布的镍基单晶高温合金试棒的制备方法，所述化学成分连续梯度分布的镍基单晶高温合金是指，合金化学成分中的A元素含量呈梯度分布，除镍以外的其他元素则含量保持不变；该镍基单晶高温合金试棒的制备方法包括以下步骤：

(1)模壳制备：所述模壳包括模壳底盘和用于承装镍基单晶高温合金试棒的氧化铝管，所述模壳底盘上钻孔，氧化铝管插入模壳底盘上的孔中并固定(可采用涂料固定)；

(2)合金棒材准备：根据目标合金试棒中A元素含量的分布范围，分别制备A元素含量为a1的合金棒材和A元素含量为a2的合金棒材，其中熔点相对高的合金成分制备成单晶态的合金棒材，熔点低的则不做要求；合金棒材的直径略小于模壳上氧化铝管的内径；同时，高熔点成分的单晶态合金棒材作为籽晶，长度大于3cm；两根棒材相对接后置入氧化铝管中；

(3)制备化学成分连续梯度分布的镍基单晶高温合金试棒：采用高速凝固法(HRS)制备，首先将模壳固定在水冷盘上，置入保温炉内；保温炉的温度及熔炼时间需要根据两种成分试棒的接触面类型来确定，炉内真空度≤1Pa，定向凝固的抽拉速率为3～6mm/min。

上述步骤(1)中，所述模壳底盘采用传统方法制备，通过涂料对圆盘型蜡模进行包裹、风干、脱蜡、磨平后获得；所述氧化铝管的材质为高纯氧化铝，根据所需试棒尺寸选择氧化铝管的内径，氧化铝管的数量根据实验需求确定。

上述步骤(2)中，所述A元素是指镍基单晶高温合金中除镍以外的任一种主元素；目标合金试棒中A元素重量百分含量的分布范围为a1％～a2％，a1a2(a1为含量下限，a2为含量上限)。

上述步骤(2)中，作为籽晶的高熔点棒材放在氧化铝管下部，另一棒材放在氧化铝管的上部，两个棒材的接触面保证干净、贴合。