CN103192062A - 一种用于高温合金单晶叶片制造的模壳 - Google Patents

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马德新
杨功显
巩秀芳
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Abstract

本发明提供了一种用于高温合金单晶叶片制造的模壳，在定向凝固工艺中使用，所述模壳的面层对应模壳内的高温合金熔体、背层采用热的良导体材料制得。所述模壳背层的材料为碳化硅或石墨。所述背层的材料为碳化硅时，模壳的面层的材料为碳化硅或陶瓷。所述背层的材料为石墨时，模壳的面层的材料为陶瓷。本发明所提供的使用导热材料做成的用于高温合金单晶叶片制造的模壳，使用石墨和碳化硅作为热的良导体，它们的导热性能不但远远高于陶瓷材料，甚至显著好于高温合金，将会使模壳的导热能力提高一个数量级以上，从而大大加快铸件的冷却速度，显著改善定向凝固的热温条件，提高单晶或定向柱晶叶片的成品率。

Description

一种用于高温合金单晶叶片制造的模壳
技术领域
本发明涉及高温合金部件的精密铸造，具体是用于高温合金单晶叶片制造的一种导热模壳。
背景技术
现在制造高温合金叶片的模壳材料为陶瓷，以Al2O3为主，导热性很差，特别是重型燃机用的大型叶片的模壳很厚，造成叶片凝固过程中冷却太慢，无法建立较高的温度梯度来保证单晶组织的形成。世界上正积极开发新工艺以改善叶片凝固过程中的散热，其中最著名的为液态金属冷却，即在炉底下设置一加热的液态金属的熔池，模壳降入池中通过传导向外散热。
但是，这种方法只是改进了模壳表面向周围环境的散热，并没有减小模壳本身的热阻，金属铸件的热量仍然难以从模壳的内表面传到外表面，而且液态金属浴冷法的附加设备庞大，操作繁琐，需要将成吨的锡或Al熔化过热作液态冷却剂，生产成本很高，因而难于应用到生产中去。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种用于高温合金单晶叶片制造的模壳，可有效克服上述弊端，减小模壳本身的热阻以提高叶片的冷却速度。
本发明所采用的技术方案是：
一种用于高温合金单晶叶片制造的模壳，在定向凝固装置中使用，所述模壳的面层对应模壳内的高温合金熔体、背层采用热的良导体材料制得。
所述模壳背层的材料为碳化硅或石墨。
所述背层的材料为碳化硅时，模壳的面层的材料为碳化硅或陶瓷。
所述背层的材料为石墨时，模壳的面层的材料为陶瓷。
本发明所产生的有益效果是：
本发明的导热型模壳，使用导热性好的材料制作模壳，如石墨和碳化硅（SiC）。作为热的良导体，它们的导热性能不但远远高于陶瓷材料，甚至显著好于高温合金。具体的：
碳化硅是著名的热良导体，且化学性质非常稳定，可非常简单地用来作模壳材料。不论面层还是背层，只需将砂料和浆料中的粉料由陶瓷换成碳化硅，按通常的方法进行粘浆、淋砂、脱蜡、烧残蜡和高温焙烧。所有工序都可在空气中进行。
石墨的导热能力比碳化硅还要高数倍。利用石墨做模壳材料时，需先用普通的刚玉粉浆料作面层，防止金属液直接与石墨接触引起增碳。由于面层很薄，对模壳的热阻影响不大。做模壳的背层时将砂料和浆料中粉料由刚玉换成石墨。由于石墨温度高时会被氧化，所以模壳脱蜡后烧残蜡时温度不能高，高温焙烧也不能在空气中进行。
本发明所提供的使用导热材料做成的用于高温合金单晶叶片制造的模壳，将会使模壳的导热能力提高一个数量级以上，从而大大加快铸件的冷却速度，显著改善定向凝固的热温条件，提高单晶或定向柱晶叶片的成品率。
附图说明
图1为本发明碳化硅模壳制造示意图；
图2为本发明石墨模壳制造示意图。
图中标号表示：1、叶片蜡模，2、碳化硅模壳，3、底盘蜡模，4、陶瓷面层，5、石墨背层。
具体实施方式
如图1～2所示，本发明是一种用于高温合金单晶叶片制造的模壳，在定向凝固装置中使用，本发明的模壳的面层对应其内部装的高温合金熔体、背层采用热的良导体材料制得。本具体实施方式中，背层可采用的热的良导体材料有：碳化硅（SiC）、石墨或其他导热性良好且具有一定硬度的材料等。具体以碳化硅或石墨这两种材料来说明：
当背层的材料为碳化硅时，模壳的面层的材料为碳化硅或陶瓷。也就是说，当要使用碳化硅这种导热材料时，可以整体使用碳化硅制作导热模壳，也可以使用陶瓷制作导热模壳的面层、仅使用碳化硅制作背层。
当背层的材料为石墨时，模壳的面层的材料为陶瓷。也就是说，当要使用石墨这种导热材料时，必须使用陶瓷制作导热模壳的面层、只能将石墨制作成模壳的背层。
实施例一，整体使用碳化硅制作导热模壳的方法
准备工作：使用碳化硅粉做粉料、硅溶胶做粘结剂、加入其它辅助料（如润湿剂和消泡剂）混成浆料，并使用碳化硅颗粒作为砂料。
制作方法：
1）按通常方法组装叶片蜡模1，用来形成模壳内腔。
2）使用普通的精密铸造法在叶片蜡模1的外表面使用粘浆淋砂的方法制作碳化硅模壳2的面层和背层。
3）碳化硅模壳2干燥后，使用通常的方法进行脱蜡和烧残蜡，并在空气气氛中进行焙烧强化。
4）碳化硅模壳2在真空炉内预热并保温，然后浇入高温金属合金熔体，进行定向凝固。
本实施例一仅仅是将通常精密铸造工艺中浆料的粉料和淋砂用的砂料由刚玉更换为碳化硅，其他的制壳工序基本一致。
实施例二，使用石墨和陶瓷制作导热模壳的方法 
使用陶瓷制作导热模壳的面层：
1）按通常方法组装叶片蜡模1，用来形成模壳内腔。
2）使用普通的精密铸造法在叶片蜡模1的外表面，使用刚玉粉浆料及砂料、采用粘浆淋砂的方法制作陶瓷面层4。
使用石墨制作导热模壳的背层：
3）使用石墨做粉料、硅溶胶做粘结剂、加入其它辅助料（如润湿剂和消泡剂）混成浆料，并使用石墨颗粒作为砂料。
4）使用普通的精密铸造法在陶瓷面层4的外表面，使用步骤3）的浆料和砂料、采用粘浆淋砂的方法制作石墨背层5，完成本导热模壳的造型。
5）导热模壳干燥后，使用通常的方法进行脱蜡，并在400度左右的温度下烧去残蜡。
6）导热模壳在使用之前，先在真空炉内预热并保温焙烧，然后再进行高温金属合金试样的浇注和定向凝固。

Claims (4)

1. 一种用于高温合金单晶叶片制造的模壳，在定向凝固装置中使用，其特征在于：所述模壳的面层对应模壳内的高温合金熔体、背层采用热的良导体材料制得。
2.根据权利要求1所述的用于高温合金单晶叶片制造的模壳，其特征在于：所述模壳背层的材料为碳化硅或石墨。
3.根据权利要求1或2所述的用于高温合金单晶叶片制造的模壳，其特征在于：所述背层的材料为碳化硅时，模壳的面层的材料为碳化硅或陶瓷。
4.根据权利要求1或2所述的用于高温合金单晶叶片制造的模壳，其特征在于：所述背层的材料为石墨时，模壳的面层的材料为陶瓷。
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