CN101733395A - 一种高温度梯度定向凝固设备 - Google Patents

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一种高温度梯度定向凝固设备，所述设备具体包含有下述组成部分：加热室(1)、模壳(2)、冷却金属液池(3)，循环水冷装置(4)，升降机构(5)，熔炼室(6)；本发明采用针对模壳底部主动进行水冷快速高效传热，模壳(2)侧向浸入液态金属中快速传热的复合冷却方式，使传热效率更高，从而获得的更高的温度梯度。可以生长质量更高、长度更长的零部件。

Description

一种高温度梯度定向凝固设备
技术领域
本发明涉及铸造设备领域，特别提供了一种尤其适用于铸造高温合金的高温度梯度定向凝固设备。
背景技术
铸造高温合金生产工艺中，定向凝固工艺就是将高温合金熔体，通过严格控制凝固过程，使其晶粒沿零件主应力方向平行生长，消除了横向晶界，这种具有成束柱状晶的涡轮叶片或导向叶片具有优异的性能，可以在更高的温度下使用，寿命也大大地延长，特别是采用该类设备还可以生长具有一个晶粒的单晶，其高温性能更优异。
温度梯度GL直接影响晶体生长速度和晶体的组织与性能，高的温度梯度不但有利于提高晶体的生长速度，还有利于细化一次枝晶间距和二次枝晶间距，有利于提高合金的综合性能。为了提高温度梯度，人们不断改进定向凝固工艺的方法。
传统的定向凝固工艺主要有发热铸型法、功率降低法、高速凝固法(High Rate Solidification-“HRS”)等。高速凝固法(HRS)是目前工业生产中使用最广泛的一种定向凝固技术，航空发动机中大量的涡轮叶片都是采用这种工艺生产的。
HRS工艺装置将底部开口的模壳置于水冷底座上，并置于石墨加热器中，加热器底部有隔热挡板。隔热挡板挡住了石墨加热器中的辐射热，使型壳内未凝固区处于热区的高温下，抽出机构使型壳随同冷却底板下降，热流则由水冷板通过热传导移出，另一部分热流则通过热辐射向四周散热，从而在固液界面前沿形成温度梯度。
对于大尺寸定向叶片的生产，传统定向凝固工艺(HRS)面临严峻的挑战，在凝固开始阶段，热量可由水冷铜板导出，但是，当水冷板和铸型下降后，铸型表面的热辐射成为主要的传热方式。由于合金的热传导率较小，所以离水冷底板越远，传导传热越小，而这时辐射传热方式还不能满足生产大尺寸叶片的传热需求。HRS工艺生产大尺寸叶片时，所能达到的温度梯度很小，为保证不出现等轴晶、缩孔、雀斑等缺陷，不得不采用很低的定向凝固速率，即使如此，仍然很难避免上述各种缺陷的出现。因此，利用传统HRS定向凝固法生产大尺寸叶片时合格率很低。所以，对于大尺寸的燃机叶片的生产，使用传统高速凝固法已经不能满足要求，必须通过改进工艺来提高温度梯度和凝固速度。
液态金属冷却法(Liquid Metal Cooling-“LMC”)就是其中一种新型高速定向凝固方法。该工艺采用液态金属作为冷却介质体现出比传统高速凝固方法更大的优势。其特点是将模壳和冷却盘直接拉入一个低熔点液态金属熔池中。该装置的主要优势是在抽拉过程中改变了传统定向凝固工艺的辐射传热方式，而是以液态金属的传导传热作为主要的传热方式，从而增加了热量的传递效率，提高了温度梯度和抽拉速度。这样可能得到更细更均匀、缺陷更少的铸态组织，从而有希望提高合金的室温拉伸性能、持久强度、高低周疲劳等力学性能。
随着现代航空工业和舰船行业的快速发展，对定向高温合金的零部件的要求越来越高，迫切需要具有更高梯度的定向凝固设备，使生产的零部件具有更高的性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有更高温度梯度的定向凝固设备，以便满足现代工业发展的更高需求。
本发明涉及铸造设备领域，特别提供了一种尤其适用于铸造高温合金的高温度梯度定向凝固设备。
本发明提供了一种高温度梯度定向凝固设备，所述设备具体包含有下述组成部分：加热室1、模壳2、冷却金属液池3，循环水冷装置4，升降机构5，熔炼室6；
其特征在于：所述设备中还包含有下述特征：
其一，所述设备中模壳底部放置在有循环水冷却的水冷盘403上；
其二，所述设备中含有能控制模壳2使其浸入冷却金属液池3深度的升降控制装置5。
本发明所述高温度梯度定向凝固设备中，循环水冷装置4构成如下：进水管401、出水管402、水冷盘403；其中，水冷盘403分别连接着进水管401和出水管402，同时水冷盘403与进水管401和出水管402为刚性连接，其强度足以支撑模壳2及铸件的重量；
所述水冷盘403的内部冷却水只通过进水管401和出水管402与外界连通。水冷盘403是一个通过进水管401和出水管402连通外界的封闭腔室。
本发明所述高温度梯度定向凝固设备中，除了水冷盘403直接与模壳底部以利于导热的形式直接接触之外，所述循环水冷盘4中的水循环管路由内到外分别有下述的结构构成：绝热层404、外护套405。
本发明所述高温度梯度定向凝固设备还应满足以下几种要求之一或其组合：
水冷盘403采用无氧铜材料制备；
绝热层404采用石棉或/和铝硅陶瓷纤维制备；
水冷盘403及进出水管外护套的材料采用不锈钢；
冷却金属液池3内的冷却用液态金属具体为低熔点金属：金属锡或金属铝或合金。
所述设备中所含有的能控制模壳2使其浸入冷却金属液池3升降控制装置5具体是以下几种之一或其组合：电动机、丝杠螺母副、齿轮副、链轮升降传动装置、钢丝绳吊装装置、凸轮机构、铰链多杆机构。
本发明采用针对模壳底部进行水冷快速高效传热，同时模壳2侧向浸入液态金属中快速传热的复合冷却方式，使传热效率更高，从而获得的更高的温度梯度。
本发明中，水冷盘403中通入高速循环水，模壳底部与水冷盘403表面接触，将熔化的合金液浇铸到预热的模壳2中，合金液在水冷盘403表面快速冷却迅速凝固，升降控制装置5将水冷盘403与模壳2以一定的速度拉入冷却金属液池3中，模壳2不断浸入冷却金属液池3中，模壳2中凝固部分合金的热量由其所浸入的冷却金属液池3中其侧面的冷却金属液和底端的水冷盘403快速导出，从而获得更高的凝固温度梯度，可以生长质量更高、长度更长的零部件；
本发明中，高温度梯度定向凝固设备所用的水冷盘403与冷却用的冷却金属液池3中的液态金属之间存在隔热材料和护套，水冷盘403及进水管401、出水管402与液态金属相互之间不换热以便保护循环水冷装置3的冷却效果。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为高温度梯度定向凝固设备简图；
图2为水冷盘403结构简图。
具体实施方式
附图1、2中各数字标记的含义如下：加热室1、模壳2、冷却金属液池3、循环水冷装置4、升降机构5、熔炼室6、进水管401、出水管402、水冷盘403、绝热层404、外护套405、升降控制装置5、熔炼炉6。
实施例1
一种高温度梯度定向凝固设备，所述设备具体包含有下述组成部分：加热室1、模壳2、冷却金属液池3、循环水冷装置4、升降机构5、熔炼室6、进水管401、出水管402、水冷盘403、绝热层404、外护套405、升降控制装置5、熔炼炉6。所述设备中还包含有下述特征：
其一，所述设备中模壳底部放置在有循环水冷却的水冷盘403上；
其二，所述设备中含有能控制模壳2使其浸入冷却金属液池3深度的升降控制装置5。
所述高温度梯度定向凝固设备中，循环水冷装置4构成如下：进水管401、出水管402、水冷盘403其中，水冷盘403分别连接着进水管401和出水管402，同时水冷盘403与进水管401和出水管402为刚性连接，其强度足以支撑模壳2及铸件的重量；
所述水冷盘403的内部冷却水只通过进水管401和出水管402与外界连通。
所述高温度梯度定向凝固设备中，除了水冷盘403直接与模壳底部以利于导热的形式直接接触之外，所述循环水冷盘4中的水循环管路由内到外分别有下述的结构构成：绝热层404、外护套405。
所述高温度梯度定向凝固设备还应满足以下要求：
水冷盘403采用无氧铜材料制备；
绝热层404采用石棉；
水冷盘403及进出水管外护套的材料采用不锈钢；
冷却金属液池3内的冷却用液态金属具体为低熔点金属：金属锡。
所述设备中所含有的能控制模壳2使其浸入冷却金属液池3的深度变化的升降控制装置5具体是：电动机、丝杠螺母副和齿轮副。
本实施例采用针对模壳底部主动进行水冷快速高效传热，模壳2侧向浸入液态金属中快速传热的复合冷却方式，使传热效率更高，从而获得的更高的温度梯度。
水冷盘403中通入高速循环水，模壳底部与水冷盘403表面接触，将熔化的合金液浇铸到预热的模壳2中，合金液在水冷盘403表面快速冷却迅速凝固，升降控制装置5将水冷盘403与模壳2以一定的速度拉入冷却金属液池3中，模壳2不断浸入冷却金属液池3中，模壳2中凝固部分合金的热量由其所浸入的冷却金属液池3中其侧面的冷却金属液和底端的水冷盘403快速导出，从而获得更高的凝固温度梯度，可以生长质量更高、长度更长的零部件；
高温度梯度定向凝固设备所用的水冷盘403与冷却用的冷却金属液池3中的液态金属之间存在隔热材料和护套，水冷盘403与进水管401、出水管402与液态金属相互之间不换热以便保护循环水冷装置4的冷却效果。
实施例2
一种高温度梯度定向凝固设备，所述设备具体包含有下述组成部分：加热室1、模壳2、冷却金属液池3、循环水冷装置4、升降机构5、熔炼室6、进水管401、出水管402、水冷盘403、绝热层404、外护套405、升降控制装置5、熔炼炉6。所述设备中还包含有下述特征：
其一，所述设备中模壳底部放置在有循环水冷却的水冷盘403上；
其二，所述设备中含有能控制模壳2使其浸入冷却金属液池3深度的升降控制装置5。
本发明所述高温度梯度定向凝固设备中，循环水冷装置4构成如下：进水管401、出水管402、水冷盘403；其中，水冷盘403分别连接着进水管401和出水管402，同时水冷盘403与进水管401和出水管402为刚性连接，其强度足以支撑模壳2及铸件的重量；
所述水冷盘403的内部冷却水只通过进水管401和出水管402与外界连通。
所述高温度梯度定向凝固设备中，除了水冷盘403直接与模壳底部以利于导热的形式直接接触之外，所述循环水冷盘4中的水循环管路由内到外分别有下述的结构构成：绝热层404、外护套405。
所述高温度梯度定向凝固设备还应满足以下要求：
水冷盘403采用无氧铜材料制备；
绝热层404采用铝硅陶瓷纤维制备；
水冷盘403及进出水管外护套的材料采用不锈钢；
冷却金属液池3内的冷却用液态金属具体为低熔点金属：金属铝。
所述设备中所含有的能控制模壳2使其浸入冷却金属液池3的深度变化的升降控制装置5具体是以下几种之一或其组合：电动机、丝杠螺母副、齿轮副。
本实施例采用针对模壳底部主动进行水冷快速高效传热，模壳2侧向浸入液态金属中快速传热的复合冷却方式，使传热效率更高，从而获得的更高的温度梯度。
水冷盘403中通入高速循环水，模壳底部与水冷盘403表面接触，将熔化的合金液浇铸到预热的模壳2中，合金液在水冷盘403表面快速冷却迅速凝固，升降控制装置5将水冷盘403与模壳2以一定的速度拉入冷却金属液池3中，模壳2不断浸入冷却金属液池3中，模壳2中凝固部分合金的热量由其所浸入的冷却金属液池3中其侧面的冷却金属液和底端的水冷盘403快速导出，从而获得更高的凝固温度梯度，可以生长质量更高、长度更长的零部件；
高温度梯度定向凝固设备所用的水冷盘403与冷却用的冷却金属液池3中的液态金属之间存在隔热材料和护套，水冷盘403与进水管401、出水管402与液态金属相互之间不换热以便保护循环水冷装置4的冷却效果。

Claims (5)

1.一种高温度梯度定向凝固设备，所述设备具体包含有下述组成部分：加热室(1)、模壳(2)、冷却金属液池(3)，循环水冷装置(4)，升降机构(5)，熔炼室(6)；
其特征在于：所述设备中还包含有下述特征：
其一，所述设备中模壳底部放置在有循环水冷却的水冷盘(403)上；
其二，所述设备中含有能控制模壳(2)使其浸入冷却金属液池(3)深度的升降控制装置(5)。
2.按照权利要求1所述一种高温度梯度定向凝固设备，其特征在于：所述高温度梯度定向凝固设备中，循环水冷装置(4)构成如下：进水管(401)、出水管(402)、水冷底盘(403)；其中，水冷底盘(403)分别连接着进水管(401)和出水管(402)；
所述水冷盘(403)的内部冷却水只通过进水管(401)和出水管(402)与外界连通。
3.按照权利要求2所述一种高温度梯度定向凝固设备，其特征在于：
除了水冷盘(403)直接与模壳底部紧密接触以利于导热之外，所述循环水冷装置(4)中的水循环管路由内到外分别有下述的层状结构构成：绝热层(404)、外护套(405)。
4.按照权利要求1或2或3所述一种高温度梯度定向凝固设备，其特征在于：所述设备中所含有的能控制模壳(2)使其浸入冷却金属液池(3)的升降控制装置(5)具体是以下几种之一或其组合：电动机、丝杠螺母副、齿轮副、链轮升降传动装置、钢丝绳吊装装置、凸轮机构、铰链多杆机构。
5.按照权利要求4所述高温度梯度定向凝固设备，其特征在于：所述设备还应满足以下几种要求之一或其组合：
水冷盘(403)采用无氧铜材料制备；
绝热层(404)采用石棉或/和铝硅陶瓷纤维制备；
水冷盘(403)的外护套采用不锈钢材料制备；
冷却金属液池(3)内的冷却用液态金属具体为低熔点金属：金属锡或金属铝或低熔点合金。
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