CN102205391A - 用于高温合金单晶生长的螺旋选晶器的制备装置及方法 - Google Patents

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一种金属模具制造技术领域的用于高温合金单晶生长的螺旋选晶器的制备装置，包括：金属外模和金属内镶块，金属内镶块固定设置于金属外模内腔中。金属外模为水平分型结构，由上模板和下模板组成且内部中空，其中：上模板位于内金属内镶块顶部，下模板位于金属内镶块底部；金属内镶块共四块且分别转动设置于金属外模内部四个顶角。本发明解决了螺旋选晶器金属模具空间螺旋结构的加工困难，使脱模过程变得简单高效。并且将起晶段、螺旋段、过渡段一次整体成形，简化了选晶器制备工艺，制备得到的选晶器尺寸精度高，表面光洁度良好。

Description

用于高温合金单晶生长的螺旋选晶器的制备装置及方法
技术领域
本发明涉及一种金属模具制造技术领域的装置及方法，具体是一种用于高温合金单晶生长的螺旋选晶器的制备装置及方法。
背景技术
航空发动机和燃气轮机的发展对涡轮叶片各项性能提出了越来越高的要求，由于镍基单晶高温合金只有一个晶粒定向生长而成，消除了所有晶界而去除了容易产生的裂纹源，具有良好的持久寿命，低蠕变速率和良好的抗热疲劳等性能。高温合金定向凝固和单晶涡轮叶片已在国外广泛应用，是目前制造先进航空航天发动机和燃气轮机叶片的主要热端部件材料。
定向凝固过程中经过晶体择优生长和选晶器的选晶作用，抑制其他晶粒生长而最终使[001]取向的一个晶粒长大获得单晶。G.J.S.Higginbotham把常见的选晶器归纳为4种类型：转折型、倾斜型、缩颈型和螺旋型(文献1：Higginbotham GJS.From research to cost-effective directionalsolidification and single-crystal production--an integrated approach.Materials Science andTechnology.Volume 2，Number 5，May 1986，pp.442-460＜Higginbotham GJS.由研究到经济的定向凝固和单晶铸件-整合方案.材料科学与技术.1986，2(5)：442-460)。经研究分析和应用验证，螺旋型选晶器是目前应用最广泛也是最成功的选晶器类型。螺旋选晶器的获得首先需要制备具有空间螺旋结构的蜡模，目前螺旋选晶器蜡模的制作可分为手工制作和模具制备方法，也可运用快速成形技术(Rapid Prototyping)制备。螺旋选晶器一般包括起晶段、螺旋段、过渡段三部分，手工制作螺旋段是将一定粗细的软蜡条绕于圆柱上，操作简单方便，但是很难获得指定的螺旋升角，手工组合起晶段、螺旋段、过渡段三部分工艺复杂且易变形、损坏，效率低，重复性差。快速成型技术所用材料是丙烯酸酯或环氧树脂，熔点较高，膨胀性大，不易熔化去除，而且会造成型壳碎裂，再加制备成本较高而得不到有效利用和推广；模具制备螺旋选晶器蜡模是既经济又能保证尺寸精度要求的途径之一，但是目前所见报道很少
经过对现有技术的检索发现，郑启等人的专利公开了“一种半螺旋选晶器”，采用了石膏模制备选晶器蜡模(文献2：郑启，侯桂臣，田为民，孙晓峰，金涛，赵乃仁，管恒荣，胡壮麒.一种半螺旋选晶器.公开日期：2003年7月16日)，也有用橡胶模制备螺旋选晶器。相比而言，金属模具在尺寸精度和生产效率方面比石膏模和橡胶模更有优势。
由于选晶器复杂的空间螺旋形状造成模具的开发困难，特别是金属模具的开发。在模具加工中，空间螺旋结构加工难度大；此外，为了保证旋晶效果，螺旋段为尺寸较小的圆柱。普通对开式、一个分型面方法不能制备螺旋选晶器。以上技术难题限制了快速制备高质量螺旋选晶器的发展，影响了高温合金单晶生长的研究。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供一种用于高温合金单晶生长的螺旋选晶器的制备装置，采用一水平分型面外模、四开式内镶块组合方法制作螺旋选晶器金属模具，解决了螺旋选晶器金属模具空间螺旋结构的加工困难，使脱模过程变得简单高效。并且将起晶段、螺旋段、过渡段一次整体成形，简化了选晶器制备工艺，制备得到的选晶器尺寸精度高，表面光洁度良好。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：金属外模和金属内镶块，其中：金属内镶块固定设置于金属外模内腔中。
所述的金属外模为水平分型结构，由上模板和下模板组成且内部中空，其中：上模板位于内金属内镶块顶部，下模板位于金属内镶块底部；
所述的上模板和下模板上均设有用于浇注选晶器的起晶段和过渡段，其中：起晶段为直型圆柱凹腔且直径为15-20mm，高度为20-30mm，过渡段为倒置锥台凹腔且高度为10-15mm。
所述的金属内镶块共四块且分别转动设置于金属外模内部四个顶角，其中：四个金属内镶块之间连接，四个金属内镶块之间设有用于浇注选晶器的螺旋段，该螺旋段以螺旋旋转中心为法线方向十字剖开的四个镶块组成的空间螺旋结构，旋转角度为360°-720°，螺旋升角为15°-35°。
本发明涉及上述装置的螺旋选晶器制备方法，通过分别将下模板和上模板固定于注蜡机底座上和液压柱下并合模压紧进行注蜡，待注蜡完成后由液压柱抬起上模板，将金属内镶块和蜡模一起取出，分别按顺序45°方向分离四块金属内镶块即可得到螺旋选晶器蜡模。
本发明涉及的螺旋选晶器制备方法具有如下的特点：采用一水平分型面外模与四开式内镶块组合，特别是内镶块45°角脱模法，简单快速，成品率高；可快速批量制备具有螺旋结构的高温合金单晶用螺旋选晶器；该方法适用性强，工艺简单，可制备特定要求的选晶器；采用高抛光度金属材料制作模具，选晶器尺寸精度高，表面光洁度好；选晶器三部分(起晶段、螺旋段、过渡段)一次整体成形，免去手工拼接，简化了选晶器制备工艺，提高制备效率。
附图说明
图1是螺旋选晶器模具结构示意图；
图2是金属内镶块及脱模示意图；
图3是螺旋选晶器示意图；
图中：1金属外模、2下模板、3浇口、4流道、5起晶段、6螺旋段、7过渡段、8内镶块(四个)、9长螺栓、10定位销、11短螺栓、12定位销、13上模板、14模板定位栓、15锁模螺栓、16凹槽、17长螺栓孔、18排气槽、19左上镶块、20右上镶块、21左下镶块、22右下镶块。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本装置包括：金属外模1和金属内镶块8，其中：金属外模1位于最外部，金属内镶块8完全被包裹于金属外模1内腔中。由长螺栓9将金属内镶块8固定在金属外模1内壁，由长螺栓9将金属外模1紧固。
所述的金属外模1结构上采用一水平分型，包括：上模板13和下模板2。其中：内部部分中空，上模板13位于内金属内镶块8顶部，下模板2位于金属内镶块8底部。采用6160铝合金材质；选晶器的起晶段5和过渡段7位于金属外模1中。起晶段5为直型圆柱凹腔，直径为17mm，高度为30mm，过渡段7为倒置锥台凹腔，高度为上底直径为12mm，下底直径为6mm，高度为12mm。
如图1和图2所示，所述的金属内镶块8结构上包括：左上镶块19、右上镶块20、左下镶块21、右下镶块22。其中：左上镶块19、右上镶块20、左下镶块21、右下镶块22分别使用定位销10，12和短螺栓11相互固定，镶嵌于上模板13、下模板2之间，长螺栓9固定在金属外模1的下模板2内壁，合上上模板13，保证内镶块8相对位置的稳定性。所述的材料采用抛光性优良的S136模具钢；选晶器的螺旋段6位于金属内镶块8中，它是以螺旋旋转中心为法线方向十字剖开的四个镶块组成的空间螺旋结构，螺旋柱直径为6mm，螺旋升角为18°，螺旋半径为6mm，螺距为16mm，环绕角度360°。起晶段5、螺旋段6、过渡段7连接处进行面倒圆处理。
制备选晶器蜡膜时，使用的注蜡机型号为MPI-55 Series C-Frame Wax Injector，在蜡料筒中投入中温(70℃)型蜡，用短螺栓11、定位销10、定位销12固定内镶块8(分别为图2中的左上镶块19、右上镶块20、左下镶块21、右下镶块22)的相对位置，通过长螺栓9把内镶块8固定在下模板2上。然后将下模板2固定于注蜡机底座上，上模板13固定在于注蜡机液压柱下方。在模具内壁均匀喷洒脱模剂，下降液压柱，合模压紧。启动注蜡机注蜡程序，设置注蜡压强为15kg/m2，注蜡时间(保压补缩)为20s，流速为100cm3/s，冷却定型时间为20s。待冷却定型后，自动开启上模板13，拧下长螺栓9，使内镶块8与下模板2分离，取出内镶块8。拧出短螺栓11，分别拔出定位销10、定位销12，按顺序45°方向取出左上镶块19、右上镶块20，最后水平分离左下镶块21、右下镶块22，得到螺旋选晶器蜡模。
实施例2
如图1所示，本装置包括：金属外模1和金属内镶块8，其中：金属外模1位于最外部，金属内镶块8完全被包裹于金属外模1内腔中。由长螺栓9将金属内镶块8固定在金属外模1内壁，由长螺栓9将金属外模1紧固。
所述的金属外模1结构上采用一水平分型，包括：上模板13和下模板2。其中：内部部分中空，上模板13位于内金属内镶块8顶部，下模板2位于金属内镶块8底部。采用6160铝合金材质；选晶器的起晶段5和过渡段7位于金属外模1中。起晶段5为直型圆柱凹腔，直径为15mm，高度为25mm，过渡段7为倒置锥台凹腔，高度为上底直径为10mm，下底直径为4mm，高度为10mm。
如图1和图2所示，所述的金属内镶块8结构上包括：左上镶块19、右上镶块20、左下镶块21、右下镶块22。其中：左上镶块19、右上镶块20、左下镶块21、右下镶块22分别使用定位销10，12和短螺栓11相互固定，镶嵌于上模板13、下模板2之间，长螺栓9固定在金属外模1的下模板2内壁，合上上模板13，保证内镶块8相对位置的稳定性。所述的材料采用抛光性优良的S136模具钢；选晶器的螺旋段6位于金属内镶块8中，它是以螺旋旋转中心为法线方向十字剖开的四个镶块组成的空间螺旋结构，螺旋柱直径为4mm，螺旋升角为14°，螺旋半径为8mm，螺距为12mm，环绕角度540°。起晶段5、螺旋段6、过渡段7连接处进行面倒圆处理。
制备选晶器蜡膜时，使用的注蜡机型号为MPI-55 Series C-Frame Wax Injector，在蜡料筒中投入中温(70℃)型蜡，用短螺栓11、定位销10、定位销12固定内镶块8(分别为图2中的左上镶块19、右上镶块20、左下镶块21、右下镶块22)的相对位置，通过长螺栓9把内镶块8固定在下模板2上。然后将下模板2固定于注蜡机底座上，上模板13固定在于注蜡机液压柱下方。在模具内壁均匀喷洒脱模剂，下降液压柱，合模压紧。启动注蜡机注蜡程序，设置注蜡压强为15kg/m2，注蜡时间(保压补缩)为15s，流速为100cm3/s，冷却定型时间为15s。待冷却定型后，自动开启上模板13，拧下长螺栓9，使内镶块8与下模板2分离，取出内镶块8。拧出短螺栓11，分别拔出定位销10、定位销12，按顺序45°方向取出左上镶块19、右上镶块20，最后水平分离左下镶块21、右下镶块22，得到螺旋选晶器蜡模。

Claims (6)

1.一种用于高温合金单晶生长的螺旋选晶器的制备装置，包括：金属外模和金属内镶块，其特征在于：金属内镶块固定设置于金属外模内腔中；
所述的金属外模为水平分型结构，由上模板和下模板组成且内部中空，其中：上模板位于内金属内镶块顶部，下模板位于金属内镶块底部；
所述的金属内镶块共四块且分别转动设置于金属外模内部四个顶角。
2.根据权利要求1所述的用于高温合金单晶生长的螺旋选晶器的制备装置，其特征是，所述的上模板和下模板上均设有用于浇注选晶器的起晶段和过渡段。
3.根据权利要求2所述的用于高温合金单晶生长的螺旋选晶器的制备装置，其特征是，所述的起晶段为直型圆柱凹腔且直径为15-20mm，高度为20-30mm，过渡段为倒置锥台凹腔且高度为10-15mm。
4.根据权利要求1所述的用于高温合金单晶生长的螺旋选晶器的制备装置，其特征是，所述的四个金属内镶块之间连接，四个金属内镶块之间设有用于浇注选晶器的螺旋段。
5.根据权利要求4所述的用于高温合金单晶生长的螺旋选晶器的制备装置，其特征是，所述的螺旋段以螺旋旋转中心为法线方向十字剖开的四个镶块组成的空间螺旋结构，旋转角度为360°-720°，螺旋升角为15°-35°。
6.一种根据上述任一权利要求所述装置的螺旋选晶器制备方法，其特征在于，通过分别将下模板和上模板固定于注蜡机底座上和液压柱下并合模压紧进行注蜡，待注蜡完成后由液压柱抬起上模板，将金属内镶块和蜡模一起取出，分别按顺序45°方向分离四块金属内镶块即可得到螺旋选晶器蜡模。
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