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
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％，a1<a2(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。
上述步骤(2)中，两根棒材相对接时，接触面为平直面或楔形面；所述平直面是指接触面垂直于氧化铝管轴向，所述楔形面是指接触面与氧化铝管轴向所成角度为0°～90°之间。
上述步骤(2)中，两根棒材对接时，接触面的选择原则为：当高熔点棒材的密度小于低熔点棒材时，接触面为平直面；当高熔点棒材的密度大于低熔点棒材时，则接触面为楔形面；楔形面的高度根据所需梯度成分的长度而定。
上述步骤(3)中，保温炉温度及熔炼时间的选择原则为：当接触面为平直面时，保温炉温度应高于下端高熔点棒材熔点50～100℃，熔炼时间20～40min；当接触面为楔形面时，保温炉温度应高于下端高熔点棒材熔点100～150℃，熔炼时间2～4h。
本发明的原理如下：
利用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。当上端低熔点合金的密度大于下端高熔点合金时，两种合金液会发生对流，相互混合，从而改变合金成分，产生成分梯度。此时，两种合金的接触面为平直面即可，通过降低保温炉温度，缩短熔炼时间控制合金液对流的速度和距离。而当上端低熔点合金的密度小于下端高熔点合金时，合金液不发生对流，设置两种合金的接触面为楔形面，通过元素在合金液中的扩散实现两种合金在径向上的融合。在两种合金的楔形接触段，任意一个横截面两种合金所占的比重都不相同，从而产生成分梯度。由于元素的扩散速率较慢，因此要提高保温炉温度，增加熔炼时间，以确保径向扩散的充分性。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明提供的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，能够一次性制备出多种成分梯度分布的单晶样品，极大的提高了实验用单晶样品的制备效率，降低实验成本，属于一种高通量制备方法。
(2)本发明采用的模壳结构简单、易制备，能够根据实际需要调整单晶试棒的直径及根数，具有极大的灵活性。
(3)本发明制备的镍基单晶合金试棒中，梯度成分的分布距离能够达到厘米级别，可以用于持久、蠕变等试样的加工，用于力学性能的高通量表征研究。
附图说明
图1为本发明制备方法的流程示意图；图中：1-氧化铝管、2-模壳底盘、3-水冷盘、4-加热体、5-高熔点合金棒材、6-低熔点合金棒材。
图2为本发明实施例1钽含量梯度变化单晶试棒的成分分析结果。
图3为本发明实施例2铬含量梯度变化单晶试棒的成分分析结果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作详细说明，但本发明的保护范围不仅限于下述实施例。
实施例1：
本实施例为钽(Ta)含量连续梯度分布的镍基单晶高温合金试棒的制备，具体步骤为：
(1)模壳制备：模壳底盘2制备采用传统方法，通过涂料对圆盘型蜡模进行包裹、风干、脱蜡、磨平后获得。承装单晶试棒的模壳使用内径为10mm的高纯氧化铝管，长度为150mm，根数为4根。将模壳底盘钻孔，插入氧化铝管1，并用涂料固定。
(2)合金棒材准备：根据所设计的Ta含量的梯度变化范围(5～9wt％)，分别制备5wt％Ta和9wt％Ta两种成分的合金，具体成分如表1所示。含5wt％Ta的合金熔点高，制备成直径16mm的单晶试棒；含9wt％Ta的合金冶炼成合金锭。将两种合金加工成直径9.8mm的棒材，长度均为6cm，接触面加工成平直面。将两种合金棒材装入模壳上氧化铝管中，含5wt％Ta的高熔点合金棒材5放在下端，含9wt％Ta的低熔点合金棒材6放在上端，两种试棒的接触面保证干净、贴合。
表1实施例1所用两种合金的化学成分(wt％)
(3)梯度成分试棒定向凝固：采用高速凝固法(HRS)制备梯度成分单晶试棒。将模壳固定在水冷盘3上，升入保温炉内，保温炉内加热体4对模壳进行加热。保温炉温度为1480℃，熔炼时间30min，炉内真空度≤1Pa。熔炼结束后，采用3mm/min的抽拉速率将模壳从保温炉内拉出，即获得所需Ta含量连续梯度分布的镍基单晶高温合金试棒。
利用扫描电镜的能谱对Ta含量梯度变化单晶试棒的纵截面进行成分分析，结果如图2所示。从图中可以看出，Ta含量梯度变化的距离大约为25mm，变化范围大致为5～8.5wt％。
实施例2：
本实施例为铬(Cr)含量连续梯度分布的镍基单晶高温合金试棒的制备，具体步骤为：
(1)模壳制备：模壳底盘制备采用传统方法，通过涂料对圆盘型蜡模进行包裹、风干、脱蜡、磨平后获得。承装单晶试棒的模壳使用内径为6mm的高纯氧化铝管，长度为150mm，根数为4根。将模壳底盘钻孔，插入氧化铝管，并用涂料固定。
(2)合金棒材准备：根据Cr含量的梯度变化范围(2.5～6wt％)，分别制备2.5wt％Cr和6wt％Cr两种成分的合金，具体成分如表2所示。2.5wt％Cr合金熔点高，制备成直径16mm的单晶试棒；6wt％Cr合金冶炼成合金锭。将两种合金加工成直径5.8mm的试棒，长度均为6cm，接触面加工成楔形面，楔形面高度25mm。将两种合金试棒装入模壳中，2.5wt％Cr试棒放在下端，6wt％Cr试棒放在上端，两种试棒的接触面保证干净、贴合。
表2实施例2所用两种合金的化学成分(wt％)
(3)梯度成分试棒定向凝固：采用高速凝固法(HRS)制备梯度成分单晶试棒。将模壳固定在水冷盘上，升入保温炉内。保温炉温度为1550℃，熔炼时间2h，炉内真空度≤1Pa。熔炼结束后，采用5mm/min的抽拉速率将模壳从保温炉内拉出，即获得所需Cr含量连续梯度分布的镍基单晶高温合金试棒。
利用扫描电镜的能谱对Cr含量梯度变化单晶试棒的纵截面进行成分分析，结果如图3所示。从图中可以看出，Cr含量梯度变化的距离大约为20mm，变化范围大致为2.5～6wt％。
