CN104907541A - 燃气轮机叶片铸件的定向凝固方法和生产该铸件的装置 - Google Patents

燃气轮机叶片铸件的定向凝固方法和生产该铸件的装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及燃气轮机叶片铸件的定向凝固方法和生产该铸件的装置，具体是铸造技术领域，特别是通过至少一个惰性气体超声波气流在模具中冷却熔体的处理，气流在叶片铸件凝固区域引导到模具。该方法在燃气轮机定子叶片和转子叶片的耐热合金铸件的生产中特别有用。生产定向凝固和单晶结构的燃气轮机叶片铸件的装置包括置于真空外壳中的工艺腔室，被隔热屏水平分为加热区域和冷却区域，隔热屏置于保持环上，保持环安装在加热腔室和冷却腔室之间的圆柱壁中距壁底座优选0.30-0.55的壁高度的位置，冷却腔室外壳由两部分构成，在其之间设置供给惰性气体气流的环形气体收集器，其装配有置于距隔热屏的底部表面优选45-75mm的双向气体喷射器。

Description

燃气轮机叶片铸件的定向凝固方法和生产该铸件的装置
技术领域
本发明的主题是燃气轮机叶片铸件的定向凝固方法和用于生产定向凝固和单晶结构的燃气轮机叶片铸件的装置。
本发明涉及铸造技术领域，特别是模具中的熔体通过其冷却的处理，并且可以应用于燃气轮机的定子叶片和转子叶片的耐热合金铸件的生产。
背景技术
存在已知的燃气轮机叶片铸件的生产方法，所述燃气轮机叶片铸件具有定向凝固和单晶结构，其基于在铸造模具中耐热合金熔融物的定向凝固，这在俄罗斯专利RU2152844(B22D27/04，2000年7月20日公开)、RU2157296(B22D27/04，2000年10月10日公开)、RU2211746(B22D27/04，2001年12月26日公开)、和美国教导US6311760(B22D27/04，2001年11月6日公开)中公开。
已知的方法包括：具有凝固合金的真空陶瓷壳模具从加热区域到冷却区域的竖直移动，并且使用惰性气体气流对其冷却，其中惰性气体气流通过具有喷嘴的喷射器产生，喷射器大致径向于冷却区域的轴线和/或沿着冷却区域的轴线从顶部到底部引导冷却气流。
按照技术本质和所实现技术效果来说最接近的方法是美国专利US5921310(B22D27/04，1999年7月13日公开)中公开的制造定向凝固和单晶结构的涡轮机叶片铸件的方法，其包括将待填充熔体的铸造模具移动到加热区域中，从坩埚倒出温度在合金液相线温度以上的耐热合金熔融物，具有熔体的真空铸造模具从加热区域通过隔热屏的开口移动到冷却区域，并且通过使用在冷却区域上部的惰性气体气流冷却铸造模具，在距冷却区域上部不大于40mm的位置，定向凝固耐热合金熔融物，惰性气体气流被引导通过开口或喷嘴、向下和沿着铸造模具的外表面被引导。
已知方法的共同缺点是在具有不同宽度翼弦的叶片铸造期间很难提供稳定和最佳的冷却条件以便在凝固前沿达到最大纵向和最小横向的温度梯度。这导致铸件中的结构缺陷，特别是在铸件从一个厚度转变到另一厚度的区域，导致了可使用产品的百分比减少和过度气体消耗。
此外用于基于定向凝固来生产由耐热合金制成的定向凝固和单晶结构的燃气轮机叶片铸件的装置在专利US3690367(B22D41/00，1979年9月12日公开)、RU2152844(B22D27/04，2000年7月20日公开)、RU2157296(B22D27/04，2000年10月10日公开)、US6311760(B22D27/04，2001年11月6日公开)和RU2211746(B22D27/04，2001年12月26日公开)中公开。用于实现定向凝固最有效的是生产铸件的装置呈置于真空外壳中竖直圆柱腔室的形式、用具有中心开口的隔热屏在加热区域和冷却区域之间分开。腔室在加热区域中包括用于熔化和倾倒合金到铸造模具中的设备，并且在冷却区域中包括用于供给冷却剂(通常是冷冻后的惰性气体)到铸造模具表面的喷嘴，冷却剂从加热区域引导到紧邻喷嘴的冷却区域中。
已知装置的共同缺点是很难在具有熔体的铸造模具的加热和冷却期间提供稳定和最佳条件，该条件在整个模具高度上对形成铸件的定向凝固和单晶结构是必须的。
按照技术本质和所实现技术效果来说最接近的装置是美国专利US5921310(B22D27/04，1999年7月13日公开)中公开的用于制造定向凝固和单晶结构的涡轮机叶片铸件的装置，其由置于真空外壳中的圆柱腔室构成，用具有中心开口的隔热屏在加热区域和冷却区域之间分开。在腔室上方设置用于熔化和倾倒合金到铸造模具的设备，其具有旋转感应炉、用于熔化的坩埚和倾倒料斗。此外，所述装置包括用于水冷固化器的竖直移动的驱动装置，铸造模具设置在该水冷固化器上。
所述装置在加热区域中的腔室具有感应器、隔热层和石墨衬套，并且在冷却区域中具有水冷外壳和用于供给惰性气体气流的呈具有喷嘴的腔室形式的装置，另外隔热屏中的中心开口的一部分由环形密封件封闭，环形密封件通过由隔热材料制成的柔性片形成。
此外，用于供给冷却惰性气体气流的装置在距冷却装置上部不大于40mm的位置在熔体的一部分已经凝固的区域中提供铸造模具的冷却，其中喷嘴引导惰性气体气流向下并且沿着铸造模具的外表面经过不变的轨迹。
上述装置实施用于生产定向凝固和单晶结构的燃气轮机叶片铸件的方法，其包括将待填充熔体的铸造模具移动到加热区域中，从坩埚倒出温度在合金液相线温度以上的耐热合金，具有熔体的真空铸造模具从加热区域经过隔热屏中的开口移动到冷却区域中，并且通过用惰性气体气流在冷却区域的上部距冷却区域的上部不超过40mm的位置冷却铸造模具进行耐热合金的定向凝固。
上述装置的缺点是在腔室元件的结构中没有优化的方案，即：
-在不同构造和不同宽度翼弦的叶片的生产中，由于无法达到模具的最大冷却效率而限制了装置的技术潜力，
-不能在凝固前沿上提供在铸件中避免结构缺陷所必须的足够高的纵向和足够低的横向温度梯度，
-降低了铸件的品质和可使用产品的百分比。
发明内容
本发明的目的和技术效果是提供一种燃气轮机叶片铸件的定向凝固方法，其提供用于金属定向和单晶结构发展的最佳条件，其与叶片翼弦的宽度无关，在铸件从一个厚度转变到另一厚度的区域不存在铸件中的缺陷。
根据本发明方法的主题，包括具有正在凝固熔体的真空陶瓷壳模具从加热区域到冷却区域的竖直移动，并且使用惰性气体气流对其冷却，惰性气体气流在冷却区域的上部被引导到模具，其在于：通过每喷嘴0.5-2g/s消耗量的至少一个惰性气体超声波气流进行叶片铸件的冷却，所述超声波气流在叶片铸件的凝固区域被引导到模具。
当具有达到50mm翼弦的叶片铸件通过每喷嘴0.5-2g/s消耗量的一个惰性气体超声波气流进行冷却时是有利的，所述超声波气流在叶片铸件的最近边缘的凝固区域被引导到模具。
当具有从50mm到70mm翼弦的叶片铸件通过每喷嘴0.5-2g/s消耗量的两个惰性气体超声波气流进行冷却时是有利的，所述超声波气流分别在叶片铸件的压力面的凝固区域和吸力面的凝固区域被引导到模具。
此外，当具有70mm以上翼弦的叶片铸件通过每喷嘴0.5-2g/s消耗量的三个惰性气体超声波气流进行冷却时是有利的，所述超声波气流分别在叶片铸件的最近边缘的凝固区域、压力面的凝固区域和吸力面的凝固区域被引导到模具。
根据本发明装置的主题，包括置于真空外壳中的竖直工艺腔室，其中腔室上方设置用用熔化合金和将熔体倾倒到铸造模具中的装置，其中腔室被具有中心开口的屏障形式的隔热屏水平分为加热区域和冷却区域，其中腔室的外壳包括供给冷却惰性气体气流的装置，其在于隔热屏被置于保持环上，保持环被安装在加热区域和两件式冷却区域之间的圆柱壁中距壁的底座0.25，优选0.30-0.55的壁高度的位置，其中在腔室的外壳中在冷却区域设置环形气体收集器，环形气体收集器供给冷却惰性气体气流，并且装配有双向气体喷射器，喷射器设置在距隔热屏的底部表面至少40mm，优选45-75mm的位置。
当驱动器被设置在腔室下方，用于上下移动水冷固化器，所述铸造模具被置于水冷固化器上时是有利的。
其次，当在加热区域中的腔室包括由隔热层分开的感应器和石墨衬套时是有利的。
再次，当隔热屏中的中心开口的一部分通过由隔热材料制成的扇形形式的柔性片封闭，所述扇形通过在隔热屏中的径向切割获得时是有利的。
此外，当装置装配有具有可变直径的中心开口的可移除隔热屏，所述可变直径对应于铸造模具的直径时是有利的。
当隔热屏的保持环由碳复合材料制成，并且隔热屏的圆柱壁由压制石墨毡制成时也是有利的。
当腔室在冷却区域中的外壳装配有水冷装置时是有利的。
如果在环形气体收集器的内壁中存在用于容纳气体喷射器的开口则是有利的。
此外，当环形气体收集器的气体喷射器装配有超声波喷嘴，超声波喷嘴具有0.7-1.5mm直径和10-15°的钝角的临界喷嘴，在喷嘴的临界截面中的3-10bar的气体压力下具有每喷嘴0.5-2g/s的气体消耗量时是有利的。
附图说明
基于附图所示装置的实施例来更好地描述本发明，其中附图表示：
图1-根据本发明装置的轴向纵截面，
图2-叶片铸件冷却设计，使用一个惰性气体超声波气流，超声波气流在叶片铸件的最近边缘的凝固区域被引导到模具，
图3-叶片铸件冷却设计，使用两个惰性气体超声波气流，超声波气流在叶片铸件的压力面的凝固区域和吸力面的凝固区域被引导到模具，
图4-叶片铸件冷却设计，使用三个惰性气体超声波气流，超声波气流在叶片铸件的最近边缘的凝固区域、压力面的凝固区域和吸力面的凝固区域被引导到模具。
具体实施方式
燃气轮机叶片的铸件被生产为具有菱形卡锁(尖部)和45mm、62mm和74mm的轮廓翼弦。为了制造它们，使用12±1mm的恒定壁厚的陶瓷壳模具。模具的外表面是平滑的，没有斑点。
陶瓷壳形式的铸造模具1在真空容器2的外壳中被设置在水冷固化器3上，并且其通过驱动系统被移动到装置下方用于熔化合金和倾倒熔融物至铸造模具1中的加热区域4。真空容器2的外壳通过短管5和6连接到真空设施。在用于熔化和铸造的装置中在液相线温度以上的温度熔化耐热合金之后，该耐热合金从坩埚8被倾倒至铸造模具1中，并且随后穿过具有中心开口的隔热屏9移动到工艺腔室的冷却区域10。
为了在铸造模具1中提供熔体的所需温度，工艺腔室在其加热区域4中包括具有隔热件12和石墨衬套13的感应器11。
区域4和10之间热传递的降低通过插入隔热屏9来实现，其中屏9被设置在薄保持环14上，保持环被挤压到由隔热材料制成(例如由压制石墨毡制成)的圆柱壁15中。薄保持环14由耐热材料制成，例如碳复合材料。屏9也可以被部分地挤压到圆柱壁15中。隔热屏9被设计为可移除的以允许当计划生产另一种类型的铸造叶片时容易且快速地替换该隔热屏。屏9可以在不使真空外壳通气的情况下手动地或以自动的方式安装在保持环14上。
通过如下方式提供加热区域4和冷却区域10之间隔热的可靠性：它们之间的最小允许距离；在距圆柱壁15的底座0.30-0.55的圆柱壁高度的位置设置保持环14；并且使用扇形形式的柔性隔热片部分地关闭隔热屏9中的开口。随着铸造模具1的移动，柔性片弯曲并且占据隔热屏9的中心开口的面积最小时的位置。
为了扩大装置的工艺潜力并确保用于熔体定向凝固的最佳条件，工艺腔室的外壳16在冷却区域10中装配有水冷系统并且由两部分制成，在所述两部分之间设置用于引入冷却惰性气体气流的装置。用于引入冷却气体气流的装置被制成环形气体收集器17的形式，装配有气体喷射器18，气体喷射器成排地设置在距隔热屏9的底部表面45-75mm的位置，并且具有变换冷却气体流动方向的能力。
为了确保喷射器18的不同类型的设置，用于喷射器的开口19形成在环形收集器17的内壁中，其可以由密封塞封闭。
喷射器18的重要特性是变换冷却惰性气体的流动方向的能力，其被应用于以超声波气体流速移动的铸造模具1。出于此目的，可以使用具有超声波喷嘴的已知气体喷射器。具有0.7-1.5mm临界直径和10-15°钝角的超声波喷嘴的喷射器18的最佳操作参数是在3-10bar气体压力下喷嘴临界截面中每喷嘴气体消耗量为0.5-2g/s。冷却气体流动方向的改变通过将喷射器安装在对应的孔19中和/或通过转动喷射器来实现，例如，使用球形接头和/或通过转动扩散器。
改变冷却气体流动方向的能力帮助实现在生产具有不同构造和不同翼弦宽度的叶片中熔体凝固的最佳模式。通过竖直(大致向下)和水平地改变流动，实现了最小温度纵向梯度。同时为了冷却具有45mm翼弦的叶片铸件，使用一个具有惰性气体超声波气流的喷射器是足够的，超声波气流具有每喷嘴0.5-2g/s的消耗量，其在叶片铸件的最近边缘(例如后缘)的凝固区域被引导到铸造模具1(图2)。
为了冷却具有62mm翼弦的叶片铸件，使用两个具有惰性气体超声波气流的喷射器是足够的，超声波气流具有每喷嘴0.5-2g/s的消耗量，其在叶片铸件的压力面和吸力面的凝固区域被引导到模具(图3)。
为了冷却具有74mm翼弦的叶片铸件，使用三个具有惰性气体超声波气流的喷射器是足够的，超声波气流具有每喷嘴0.5-2g/s的消耗量，其在叶片铸件的最近边缘、压力面和吸力面的凝固区域被引导到模具1(图4)。
根据本发明的装置帮助达到设想的技术效果：在不同构造和不同宽度翼弦的叶片生产中改善了用于熔体定向凝固的技术潜力和最佳条件，具有高百分比的适于使用的产品。
基于熔化模型的标准方法由电刚玉陶瓷(electrocorundum ceramics)制成壳模具。在将熔体类型CMSX-4倾倒至模具中之后，其以4-8mm/min的速率从加热区域竖直移动到冷却区域。在冷却区域，特别是在距冷却区域上边界60mm的位置，模具在叶片的凝固区域被来自固定的已知喷射器的惰性气体(氩气)气流冷却，喷射器具有超声波喷嘴，其在出口提供惰性气体超声波气流。真空冷却区域中的惰性气体的剩余压力是230mbar。
根据本发明方法的变型可以不考虑固化器上的模具的设置来实施，但是在多个叶片坯料的铸造期间，叶片翼弦的最理想设置是沿着固化器的半径，并且叶片的一个边缘的设置是靠近固化器的边缘。叶片的所述边缘被设置成最靠近冷却气体气流源。
实施根据本发明方法的所有实施例的结果是获得具有金属单晶结构的不同尺寸的燃气轮机叶片铸件，其中不存在有关收缩的结构缺陷，特别是在叶片和叶片尖端之间的区域。
附图标记列表
1-铸造模具；
2-真空容器；
3-固化器；
4-工艺腔室的加热区域；
5-用于附接真空设施的短管；
6-用于加工腔室冷却区域的额外排放的短管；
7-熔体
8-具有熔体的填充装置的坩埚
9-具有中心开口的隔热屏
10-工艺腔室的冷却区域
11-加热区域的感应器
12-感应器的隔热件
13-石墨衬套
14-隔热屏的保持环
15-隔热屏的圆柱壁
16-冷却区域中的工艺腔室的外壳
17-环形气体收集器
18-气体喷射器
19-用于气体喷射器的开口

Claims (13)

1.一种燃气轮机叶片铸件的定向凝固方法，包括：使具有正在凝固熔体的真空陶瓷壳模具从加热区域竖直移动到冷却区域中，并且用惰性气体气流冷却该真空陶瓷壳模具，所述惰性气体气流在冷却区域的上部被引导到模具，其特征在于，通过每喷嘴0.5-2g/s消耗量的至少一个惰性气体超声波气流进行叶片铸件的冷却，所述超声波气流在叶片铸件的凝固区域被引导到模具。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过每喷嘴0.5-2g/s消耗量的一个惰性气体超声波气流进行具有达到50mm翼弦的铸件叶片的冷却，所述超声波气流在叶片铸件的最近边缘的凝固区域被引导到模具。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过每喷嘴0.5-2g/s消耗量的两个惰性气体超声波气流进行具有从50mm至70mm翼弦的铸件叶片的冷却，所述超声波气流在叶片铸件的压力面的凝固区域和吸力面的凝固区域被引导到模具。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过每喷嘴0.5-2g/s消耗量的三个惰性气体超声波气流进行具有70mm以上翼弦的铸件叶片的冷却，所述超声波气流分别在叶片铸件的最近边缘的凝固区域、压力面的凝固区域和吸力面的凝固区域被引导到模具。
5.一种用于生产定向凝固和单晶结构的燃气轮机叶片铸件的装置，包括：置于真空外壳中的竖直工艺腔室，其中在工艺腔室上方设置用于熔化合金和将熔体倾倒至铸造模具中的装置，其中工艺腔室被屏障形式的具有中心开口的隔热屏水平地分为加热区域和冷却区域，其中腔室的外壳包括供给冷却惰性气体气流的装置，其特征在于，隔热屏(9)被置于保持环(14)上，保持环被安装在工艺腔室的加热区域和两件式冷却区域之间的圆柱壁(15)中距壁的底座0.25，优选0.30-0.55的壁高度的位置，其中在冷却区域中的工艺腔室外壳(16)中设置有环形气体收集器(17)，环形气体收集器供给冷却惰性气体气流，并且装配有双向气体喷射器(18)，双向气体喷射器设置在距隔热屏(9)的底部表面至少40mm，优选45-75mm的位置。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，驱动器被设置在工艺腔室下方，用于上下移动水冷固化器(3)，铸造模具(1)被置于水冷固化器上。
7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，在加热区域(4)中的工艺腔室包括由隔热层分开的感应器(11)和石墨衬套(13)。
8.根据权利要求5或6或7所述的装置，其特征在于，隔热屏(9)中的中心开口的一部分通过由隔热材料制成的扇形形式的柔性片封闭，所述扇形通过在屏(9)中的径向切割获得。
9.根据权利要求5或6或7所述的装置，其特征在于，装配有具有可变直径的中心开口的可移除隔热屏(9)，所述可变直径对应于铸造模具(1)的直径。
10.根据权利要求5到9中任一项所述的装置，其特征在于，隔热屏(9)的保持环(14)由碳复合材料制成，并且隔热屏(9)的圆柱壁(15)由压制石墨毡制成。
11.根据权利要求5到10中任一项所述的装置，其特征在于，工艺腔室在其冷却区域(10)中的外壳装配有水冷装置。
12.根据权利要求5到11中任一项所述的装置，其特征在于，在环形气体收集器(17)的内壁中存在用于容纳气体喷射器(18)的开口。
13.根据权利要求5到12中任一项所述的装置，其特征在于，环形气体收集器(17)的气体喷射器(18)装配有超声波喷嘴，所述超声波喷嘴具有0.7-1.5mm的直径和10-15°的钝角的临界喷嘴，在喷嘴的临界截面中在3-10bar的气体压力下具有每喷嘴0.5-2g/s的气体消耗量。
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