CN103147120A - 一种高温合金的定向凝固装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高温合金的定向凝固装置，包括加热室和铸模冷室，所述加热室和铸模冷室是上下相通、相互隔热的真空腔，其腔体内设置有升降工作台，升降工作台上放置模壳，高温合金熔体在加热室内浇入模壳、随升降工作台下降进入铸模冷室而定向凝固；所述铸模冷室内：在加热室出口和水冷炉底之间、对应模壳外周面设置有一个桶体，桶体内装满表面浸涂镓铟液态金属液膜的固态接触冷却球体，所述桶体与固态接触冷却球体的材料是热的良导体。本发明装置简单紧凑，可在现有定向凝固炉上稍作添置，无需建新炉和变动原有结构；不添加加热装置进行熔化和保温，操作大大简化；冷却效果优越；能简单且有效地解决叶片模壳散热问题，改善单晶叶片的生长条件。
Description
技术领域
本发明涉及高温合金部件的精密铸造，具体是在高温合金部件的精密铸造所用的一种固态接触冷却的定向凝固装置。
背景技术
高温合金单晶叶片是利用精密铸造的方法在真空炉中定向凝固而成。由于是靠辐射的方式散热，效率低下，造成叶片铸件凝固过程中冷却速度和温度梯度难以提高，严重影响了产品的的成品率。特别是重型燃机用的大型叶片由于体积大热量多，散热效率更是大问题。
现在世界上正积极开发新工艺以改善单晶叶片的生长条件。其中最著名的为液态金属浸浴冷却工艺。如图1所示，在加热室A下面设置一个液态金属的熔池，陶瓷模壳3降入池中通过传导散热。但此法附加设备庞大，需耗巨资建新炉，且操作繁琐，要将成吨的锡或铝使用昂贵的加热油11熔化并保温、作为液态冷却剂。由于生产成本很高，效率低下，导致此工艺虽发明几十年但一直难于应用到生产中。
另一种改善叶片散热的方法是气体冷却法，是向抽拉出炉膛的模壳喷射惰性气体如氩气进行强制冷却。但由于气体会吹入炉膛而使炉温大大降低，反而降低了叶片质量，因而这种方法也未能得到应用。
发明内容
本发明的目的在于：提供了一种用于高温合金的定向凝固装置，在炉底下用固态的介质对模壳进行有效的散热冷却，改善单晶叶片的生长条件。
本发明所采用的技术方案是：
一种高温合金的定向凝固装置，包括加热室和铸模冷室，所述加热室和铸模冷室是上下相通、相互隔热的真空腔，其腔体内设置有升降工作台，升降工作台上放置模壳，高温合金熔体在加热室内浇入模壳、随升降工作台下降进入铸模冷室而定向凝固；所述铸模冷室内：在加热室出口和水冷炉底之间、对应模壳外周面设置有一个桶体，桶体内装满表面浸涂镓铟液态金属液膜的固态接触冷却球体，所述桶体与固态接触冷却球体的材料是热的良导体。
所述桶体为金属桶体。
所述固态接触冷却球体为石墨小球。
所述桶体内固态接触冷却球体的顶部覆盖一层隔热材料球体，该隔热材料球体的直径大于固态接触冷却球体的直径、隔热材料球体的比重小于固态接触冷却球体的比重。
所述隔热材料球体为空心陶瓷小球。
所述桶体外壁上焊接水冷管。
所述桶体底部设置有闸门。
所述模壳是陶瓷模壳。
本发明所产生的有益效果是：
本发明提出了一种高温合金的定向凝固装置，采用新的强化冷却方法即固态接触冷却法，用来解决叶片模壳的散热问题。与通常的采用液态金属熔池冷却的高温合金的定向凝固和采用气体冷却的高温合金的定向凝固相比，本发明有如下特点：
（1）本发明的装置的结构简单紧凑，可利用原有的定向凝固炉稍作添置和调整，无需建新炉和变动原有结构；
（2）本发明无须添加加热装置进行熔化和保温，操作大大简化，十分方便；
（3）本发明的冷却介质成本很低且能反复使用；
（4）本发明的冷却效果优越，能简单且有效地解决叶片模壳散热问题，改善单晶叶片的生长条件。
附图说明
图1所示的是现有技术的冷却装置的使用状态示意图；
图2所示的是本发明冷却装置的使用状态示意图。
图中标号表示：1、加热器，2、保温层，3、陶瓷模壳，4、高温合金熔体，5、高温合金铸件，6、隔热材料球体，7、升降工作台，8、底盘，9、冷却用液态金属，10、搅拌装置，11加热油，12、冷却球体，13、桶体，14、闸门，15、水冷炉底，A、加热室，B、铸模冷室。
具体实施方式
如图2所示，本发明是一种高温合金的定向凝固装置，包括加热室A和铸模冷室B，加热室A和铸模冷室B是上下相通、相互隔热的真空腔，其腔体内设置有升降工作台7。升降工作台7上放置模壳，高温合金熔体4在加热室内浇入模壳、随升降工作台7下降进入铸模冷室B而定向凝固。本具体实施方式中，模壳是陶瓷模壳3，陶瓷模壳3内装有液态的高温合金熔体4。加热室A内部设置有加热器1、外部设置有保温层2，加热室A和铸模冷室B之间设置有隔热板。
本发明的创新之处在于：在定向凝固炉的铸模冷室B内设置一套固体接触冷却装置。具体的：
固体接触冷却装置包括桶体13和冷却球体12。具体在铸模冷室B内：在加热室A出口和水冷炉底15之间、对应陶瓷模壳3外周面设置有一个桶体13，桶体13内装满表面浸涂镓铟液态金属液膜的固态接触冷却球体12。需要注意的是，桶体13与固态接触冷却球体12的材料是热的良导体，具体的：桶体13是导热性良好、有一定强度和延展性的金属桶体13，比如：铝桶、铜铜或钢桶。固态接触冷却球体12可以是：碳化硅、石墨或铜球等。本具体实施方式选用石墨小球，因为石墨小球不仅导热性良好，其质量轻、有很好的润滑性，因而其退让性好、不会对模壳的下降造成障碍。
也就是说，本发明在加热室A下部的铸模冷室B的水冷炉底15上用金属薄片围起一个桶体13，里面装满冷却球体12，陶瓷模壳3从冷却球体12间穿过、并通过升降工作台7控制下降。冷却球体12将陶瓷模壳3的热量迅速导出，传向被水冷的水冷炉底15。同时，冷却球体12表面浸涂的一层镓铟液态金属液膜，能增加冷却球体12球间的接触面积，进一步提高导热效果。
另外，可以在桶体13外壁上焊接水冷管，以加快散热。
桶体13内固态接触冷却球体12的顶部覆盖一层隔热材料球体6，该隔热材料球体6的直径大于固态接触冷却球体12的直径、隔热材料球体6的比重小于固态接触冷却球体12的比重。隔热材料球体6可以是：空心陶瓷小球、空心石英小球、陶瓷棉球、碳纤维棉球等。本具体实施方式中，隔热材料球体6选用空心陶瓷小球。在冷却球体12的上面覆盖一层隔热材料球体6，以形成遮挡热辐射的隔热层；同时，相对于固态接触冷却球体12，选用体积大、比重小的隔热材料球体6，使得隔热材料球体6能够浮在最上面。
桶体13底部设置有闸门14，使得闸门14打开后桶体13内的固态接触冷却球体12和隔热材料球体6可以快速流出，方便更换模壳。
本发明高温合金的定向凝固装置的使用方法，具体如下：
准备工作：
先把陶瓷模壳3通过底盘8安装在升降工作台7上，在铸模冷室B的水冷炉底15上用金属片围起一个圆柱状桶体13，然后向桶体13内部加入浸涂了镓铟液态金属液膜的冷却球体12，并在冷却球体12的顶部覆盖一层隔热材料球体6、作为隔热层。通过升降工作台7将陶瓷模壳3上升和下降，检查陶瓷模壳3在桶体13内的上下移动情况。
准备就绪后：
（1）与通常一样将陶瓷模壳3升入加热室A内，关闭定向凝固装置的炉门、并对加热室A和铸模冷室B内腔抽真空。
（2）开启加热室A内的加热器1、对陶瓷模壳3进行预热，然后将熔化后的高温合金熔体4浇入陶瓷模壳3。
（3）通过升降工作台7将陶瓷模壳3以设定速度从加热室A下降至铸模冷室B。
（4）陶瓷模壳3穿过隔热材料球体6构成的隔热层、进入固体接触冷却区，陶瓷模壳3及其内部的高温合金熔体4的热量通过与陶瓷模壳3接触的冷却球体12进行热交换、从而冷却，热量最终由水冷炉底15和桶体13的侧壁传走。
（5）在高温合金定向凝固过程结束后，将铸模冷室B放真空后打开，打开桶体13底部的闸门14，放出桶体13内部的冷却球体12和隔热材料球体6，拆开桶体13的金属围板，取出陶瓷模壳3、并从中取出定向凝固后的高温合金铸件5。
若需连续浇注，可在升降工作台7上的底盘8上安装新的陶瓷模壳3，重复步骤（1）～（5）进行下一次的工作循环。
Claims (8)
1.一种高温合金的定向凝固装置，包括加热室和铸模冷室，所述加热室和铸模冷室是上下相通、相互隔热的真空腔，其腔体内设置有升降工作台，升降工作台上放置模壳，高温合金熔体在加热室内浇入模壳、随升降工作台下降进入铸模冷室而定向凝固；其特征在于：所述铸模冷室内：在加热室出口和水冷炉底之间、对应模壳外周面设置有一个桶体，桶体内装满表面浸涂镓铟液态金属液膜的固态接触冷却球体，所述桶体与固态接触冷却球体的材料是热的良导体。
2.根据权利要求1所述的高温合金的定向凝固装置，其特征在于：所述桶体为金属桶体。
3.根据权利要求1所述的高温合金的定向凝固装置，其特征在于：所述固态接触冷却球体为石墨小球。
4.根据权利要求1所述的高温合金的定向凝固装置，其特征在于：所述桶体内固态接触冷却球体的顶部覆盖一层隔热材料球体，该隔热材料球体的直径大于固态接触冷却球体的直径、隔热材料球体的比重小于固态接触冷却球体的比重。
5.根据权利要求4所述的高温合金的定向凝固装置，其特征在于：所述隔热材料球体为空心陶瓷小球。
6.根据权利要求1所述的高温合金的定向凝固装置，其特征在于：所述桶体外壁上焊接水冷管。
7.根据权利要求1所述的高温合金的定向凝固装置，其特征在于：所述桶体底部设置有闸门。
8.根据权利要求1所述的高温合金的定向凝固装置，其特征在于：所述模壳是陶瓷模壳。
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