CN107385513B - 一种定向凝固炉用中心加热和中央冷却装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种定向凝固炉用中心加热和中央冷却装置，属于高温合金加工制造技术领域。该装置是在定向凝固炉中增加中心加热系统和中央冷却系统，提高高温合金定向凝固过程中的温度梯度；其中：所述中心加热系统包括筒形发热体，该发热体设置于以环状方式排列的多个模壳围绕的中心轴位置处，通电后对型壳内侧进行加热；所述中央冷却系统包括圆柱状金属管，设于水冷底盘的中央位置，通过在圆柱状金属管内通入冷却水对型壳内侧进行冷却；通过增加中心加热系统和中央冷却系统，实现定向凝固过程中铸件内外两侧单晶生长的温度梯度一致，实现快速高效定向凝固及单晶生长。该方法适于制造定向凝固及单晶零件。
Description
技术领域：
本发明涉及高温合金制造技术领域，具体涉及一种定向凝固炉用中心加热和中央冷却装置，用于定向凝固及单晶高温合金的定向凝固制备。
背景技术：
众所周知，铸造高温合金具有高强度、高耐热性的优点，随着精密铸造工艺和陶瓷型芯技术的发展，其已成为现代航空发动机涡轮叶片和导向叶片首选材料。早期用精密铸造工艺制成的高温合金叶片为等轴晶组织，组织基体被杂乱无序的晶界切割。在长期的实践中，研究人员发现这些晶界在高温受力条件下为薄弱部位，使叶片性能被严重减弱；叶片断裂失效时，裂纹扩展经常是沿垂直于受力方向的横向晶界。于是发展了定向凝固技术，制备出了定向柱晶叶片，在消除了与主应力轴垂直的横向晶界后，叶片的性能大大提高。进一步的研究发现定向结晶后，裂纹首先出现在纵向晶界上。于是单晶定向凝固铸造技术被用来消除高温合金叶片中的所有晶界，结果使叶片高温性能实现了进一步提高。目前，单晶叶片不仅早已安装在各种先进航空发动机上，也越来越多地用在了重型燃气轮机中。
现在通用的单晶叶片定向凝固炉如图1所示，包括加热区(加热区上区3和加热区下区4)和水冷底盘6，加热区所用加热器均为圆桶形，通过周向向内的径向热辐射来加热以环状方式排列的模壳及其内部的合金熔体，型壳向下抽拉时，经过加热区时型壳内为合金液(叶片未凝固部分1)。加热区和水冷底盘6之间通过隔热挡板5隔开。
在定向凝固过程中，当模壳下降到隔热挡板5下的冷区时，型壳通过向外对圆环状的水冷底盘6辐射散热，使合金熔体凝固成型(叶片已凝固部分2)。这种炉体结构造成了每个叶片里外两侧的受热及冷却严重不对称。每个叶片朝外一侧(简称阳面)在加热区中直接面对加热器，而且离加热器较近，受到有效的辐射加热；降到冷却区时该侧则直接面对水冷环，更靠近水冷环，因而能有效辐射散热，这样就形成了较高的温度梯度和较窄的糊状区，为单晶生长创造了有利条件。而在叶片朝内一侧(简称阴面)则相反，在炉中因背对加热器不能直接辐射受热，使环状排列模壳中心形成温度较低的筒形阴影区；降到冷却区时该侧由于背对水冷环，而且离水冷环更远，不能很好冷却，原来的阴影区变成了相对封闭的缓冷区，因而冷却速率和温度梯度明显偏低，结果就形成凹形的凝固界面和很宽的糊状区，单晶组织凝固形成条件非常恶劣，以至于杂晶和雀斑等单晶铸造缺陷更容易在铸件阴影区一侧形成，这种现象被称之为阴影效应，如图2所示阴影区域。随着叶片尺寸的增加，叶片内外两侧间的凝固条件差别由于距离的增大而增大，因而阴影效应更加严重。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种定向凝固炉用中心加热和中央冷却装置，采用该装置可以有效地消除定向凝固及单晶叶片生产过程中的阴影效应。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种定向凝固炉用中心加热和中央冷却装置，该装置是在定向凝固炉中增加中心加热系统和中央冷却系统，提高高温合金定向凝固过程中的温度梯度；其中：所述中心加热系统包括筒形发热体，该发热体设置于以环状方式排列的多个模壳围绕的中心轴位置处，通电后对型壳内侧进行加热；所述中央冷却系统包括圆柱状金属管，设于水冷底盘的中央位置，通过在圆柱状金属管内通入冷却水对型壳内侧进行冷却；通过增加中心加热系统和中央冷却系统，实现定向凝固过程中铸件内外两侧单晶生长的温度梯度一致。
所述中心加热系统还包括水冷铜电极和测温热电偶，所述水冷铜电极与与筒形发热体顶端相连接，用于引电；所述测温热电偶置于筒形发热体内部，
所述筒形发热体为等静压石墨或耐高温金属材料，加热功率根据加热区域大小设于5-30kw之间，为单相引电结构，加热电压控制在40V以下，保证真空环境下的稳定工作；筒形发热体具体形状根据叶片分布和具体工艺确定。
所述水冷铜电极为铜管结构，由水冷铜电极作为悬臂支撑在熔炼室内并置于保温桶内部，使筒形发热体呈悬吊方式。
所述中央冷却系统的圆柱状金属管为空心双层冷却套结构，包括外管和内管，外管和内管之间通入高速流动冷却水。
所述水冷底盘的中心开设与所述空心双层冷却套的外径相适应的通孔，空心双层冷却套经该通孔安装进水冷底盘的中央并能在该通孔内自由滑动(传动动力由液压或电动提供)，空心双层冷却套与定向凝固炉模壳的抽拉杆之间设有动密封组件，保证对真空的密封性能。
所述空心双层冷却套的外管采用导热良好的金属材质制作，可以提供足够的冷却温度梯度。所述空心双层冷却套的内管顶端为喇叭形水口，保证冷却水流到顶端时能够形成局部流动加速的作用，进而增加冷顶端的冷却效果和提高整体流速的作用。
所空心双层冷却套内通入5-6bar的流动水，且需要采用纯水冷却，以防止内冷却水结垢产生水道堵塞的情况。
该装置还包括挡热板，设于所述圆柱状金属管的顶端。
本发明的设计原理和有益效果如下：
1、本发明针对定向凝固及单晶高温合金铸件，提出一种定向凝固炉用中心加热和中央冷却装置和方法，在常规定向凝固炉内加入中心加热系统和中央冷却系统后，有效消除单晶叶片生产制造过程中的阴影效应，可以有效地减少单晶铸造缺陷的产生，提高单晶叶片的质量和性能。
2、当模壳在热区加热保温时，除了定向凝固炉的周向环形加热系统外，还采用了中心加热系统，通过中心加热系统，可以有效消除定向凝固过程中铸件远离周向环形发热体的内侧阴影效应，通过对铸件阴影区一侧进行补偿加热，使铸件内外两侧处于相似的加热条件，以达到相同的温度，提高定向凝固铸件中的温度梯度，减少凝固缺陷的产生，提高单晶叶片等精铸件的质量和性能。
3、当模壳下拉到冷区散热冷却时，除了周向环形散热冷却系统(水冷环)外，还采用了中央冷却系统，通过中央冷却系统，可以有效提高定向凝固及单晶铸件定向凝固过程中远离周向环形散热体(水冷环)内侧的冷却效果，使铸件内外两侧的冷却速率基本一致；从而可以使叶片内外两侧单晶生长的温度梯度基本一致，有效地减少单晶铸造缺陷的产生，提高单晶的质量和性能。
4、除了单晶高温合金铸件的加工制造外，本发明装置和方法还可以推广应用到其它合金和零件的定向凝固领域。
附图说明：
图1为现有定向凝固炉制备单晶叶片原理示意图。
图2为采用现有定向凝固炉造成的阴影效应示意图；其中：(a)定向凝固凝俯视图；(b)定向凝固炉侧视图。
图3为本发明定向凝固炉用中心加热和中央冷却装置结构示意图。
图4为本发明装置的中心加热系统结构和工作示意图；其中：(a)结构图；(b)工作图。
图5为本发明装置的中央冷却系统结构和工作示意图；其中：(a)结构图；(b)工作图。
图6为未采用本发明的单晶叶片的凝固过程模拟。
图7为采用本发明后单晶叶片的凝固过程模拟。
图8为未采用本发明后制备的有杂晶缺陷的单晶叶片。
图9为采用本发明后制备的合格单晶叶片。
图中：1-叶片未凝固部分；2-叶片已凝固部分；3-加热器上区；4-加热器下区；5-隔热挡板；6-水冷底盘；7-中心加热系统；8-中央冷却系统。
具体实施方式：
以下结合附图及实施例详述本发明。
本发明为定向凝固炉用中心加热和中央冷却装置，如图3所示。该装置是在常规定向凝固炉中增加中心加热系统7和中央冷却系统8，提高高温合金定向凝固过程中的温度梯度；其中：所述中心加热系统7包括筒形发热体，该发热体设置于以环状方式排列的多个模壳围绕的中心轴位置处，通电后对型壳内侧进行加热；所述中央冷却系统8包括圆柱状金属管，设于水冷底盘6的中央位置，通过在圆柱状金属管内通入冷却水对型壳内侧进行冷却；通过增加中心加热系统和中央冷却系统，实现定向凝固过程中铸件内外两侧单晶生长的温度梯度一致。
所述中心加热系统还包括水冷铜电极和测温热电偶，所述水冷铜电极与与筒形发热体顶端相连接，用于引电；所述测温热电偶置于筒形发热体内部，
所述筒形发热体为等静压石墨或耐高温金属材料，加热功率根据加热区域大小设于5-30kw之间，为单相引电结构，加热电压控制在40V以下，保证真空环境下的稳定工作。
所述水冷铜电极为铜管结构，由水冷铜电极作为悬臂支撑在熔炼室内并置于保温桶内部，使筒形发热体呈悬吊方式。
所述中央冷却系统的圆柱状金属管为空心双层冷却套结构，包括外管和内管，外管和内管之间通入高速流动冷却水。
所述水冷底盘的中心开设与所述空心双层冷却套的外径相适应的通孔，空心双层冷却套经该通孔安装进水冷底盘的中央并能在该通孔内自由滑动，空心双层冷却套与定向凝固炉模壳的抽拉杆之间设有动密封组件，保证对真空的密封性能。
所述空心双层冷却套的外管采用导热良好的金属材质制作，可以提供足够的冷却温度梯度。所述空心双层冷却套的内管顶端为喇叭形水口，保证冷却水流到顶端时能够形成局部流动加速的作用，进而增加冷顶端的冷却效果和提高整体流速的作用。
所空心双层冷却套内通入5-6bar的流动水，且需要采用纯水冷却，以防止内冷却水结垢产生水道堵塞的情况。
该装置还包括挡热板，设于所述圆柱状金属管的顶端。
本发明中中心加热系统的特点如下：
该系统要求具有良好的补偿加热能力，在独立实现加热并监控中央温区的温度。通过控制系统的统一调协与控制对包括中央区域内的整个温度场的监控与调节动作。这种方法可以对加热温度和速率的精确控制，使定向凝固过程中大尺寸型壳获得均匀稳定的温度场。
如图4所示，中央加热系统采用筒形加热器，具体形状根据叶片分布和具体工艺确定，中央加热系统的主要作用是补偿“阴影”区域的低温效应，加热功率不大，主要为热量补偿，加热器采用电阻加热方式，悬吊结构，水冷铜电极引电。测温热电偶与置于加热器内部，与中央加热系统合为一体。电阻加热器为等静压石墨或耐高温金属材料，加热功率跟据加热区域大小在5-30kw之间，为单相引电结构，加热电压控制在40V以下，保证真空环境下的稳定工作；水冷电极为铜管结构，由中央加热系统的上部接入到加热器座上，将电流引入加热器，同时保证电极具有足够的冷却。整个中央加热系统由水冷电极作为悬臂支撑在熔炼室内并置于保温桶内部。
本发明的中央冷却系统结构特点：
中央冷却系统是一种复杂的运动机构，本质上说它是在传统模壳传动系统的基础上再建立一套内部的相对运动系统。它的主要作用是具有空心双层的冷却套，其内部在工作时保持高速流动冷却水用来提供所必要的中央温度梯度。这种方式同样是为了消除模壳内部的“阴影”效应。
如图5所示，中央冷却系统的传动动力可由电动或液压提供，中央冷却系统空心双层冷却套与模壳传统系统的抽拉杆之间设有传密封组件，保证对真空的密封性能。同时为了保证中央冷却系统的自常运作，传统模壳传动系统的水冷底盘中心开一个外径略大于空心双层冷却套的外径。空心双层冷却套的外壁采用导热良好的金属材质制作，可以提供足够的冷却温度梯度。
空心双层冷却套内部，设有一内管，内管顶端为喇叭形水口，保证冷却水流到顶端时可以形成局部流动加速的作用，进而增加冷顶端的冷却效果和提高整体流速的作用。
为保证中央冷却系统的冷却效果，整个中央冷却系统采用5-6bar的高压供水水，且须采用纯水冷却，以防止内冷却水结垢产生水道堵塞的情况。
本发明在抽拉过程中对型壳内侧通过中央冷却系统补充冷却。当型壳随着环状结晶器系统向下运动时，中央圆柱形水冷金属管保持不动；此时型壳内侧就可以通过中央水冷金属管散热，从而在铸件凝固时，可以有效地对铸件内侧增强冷却，使铸件内外两侧处于相似的凝固冷却条件。在叶片铸件凝固结束后，中央圆柱形水冷金属管向下运动回到与环形水冷结晶器上表面平齐的状态。此外，在中央圆柱形水冷金属管顶部施加挡热板，就可以避免上述型壳底部由于没有挡热板使得阴影区温度比阳面更低的问题。
对比例1：
采用如图1所示的常规定向凝固炉进行定向凝固时，对单晶叶片的凝固过程进行模拟，结果如图6。可以看到，铸件中的固液界面是从外向内倾斜的，当单晶生长到缘板或叶冠处，这就容易造成杂晶等凝固缺陷的形成。采用常规定向凝固炉制备的单晶叶片的杂晶缺陷如图8所示。
实施例1：
采用本发明装置的中心加热系统后，可以有效地对铸件在阴影区一侧进行补偿加热，使叶片内外两侧处于相似的加热条件，以达到相同的温度，以使叶片内外两侧单晶生长的温度梯度基本一致，减少单晶铸造缺陷的产生。采用本发明中的中央冷却系统后，模壳下拉到冷区散热冷却时，可以有效提高单晶叶片生产制造过程中阴影区内一侧的冷却效果，使叶片内外两侧处于相似的凝固冷却条件，以使叶片内外两侧单晶生长的冷却速率基本一致。采用本发明带有中心加热和中央冷却装置的定向凝固炉后，对单晶叶片的凝固过程进行了模拟，结果如图7。可以看出，铸件中的凝固界面基本是平的，铸件内外两侧的温度梯度和冷却速率基本一致，从而可以有效地减少单晶凝固缺陷的产生，提高单晶叶片的质量和性能。采用本发明后可以有效减少铸造缺陷的产生，制造出的合格单晶叶片如图9所示。采用本发明后单晶叶片合格率提高了30％。
Claims (4)
1.一种定向凝固炉用中心加热和中央冷却装置，其特征在于：该装置是在定向凝固炉中增加中心加热系统和中央冷却系统，提高高温合金定向凝固过程中的温度梯度；其中：所述中心加热系统包括筒形发热体，该发热体设置于以环状方式排列的多个模壳围绕的中心轴位置处，通电后对型壳内侧进行加热；所述中央冷却系统包括圆柱状金属管，设于水冷底盘的中央位置，通过在圆柱状金属管内通入冷却水对型壳内侧进行冷却；通过增加中心加热系统和中央冷却系统，实现定向凝固过程中铸件内外两侧单晶生长的温度梯度一致；
所述中心加热系统还包括水冷铜电极和测温热电偶，所述水冷铜电极与与筒形发热体顶端相连接，用于引电；所述测温热电偶置于筒形发热体内部；
所述筒形发热体为等静压石墨或耐高温金属材料，加热功率根据加热区域大小设于5-30kw之间，为单相引电结构，加热电压控制在40V以下，保证真空环境下的稳定工作；
所述水冷铜电极为铜管结构，由水冷铜电极作为悬臂支撑在熔炼室内并置于保温桶内部，使筒形发热体呈悬吊方式；
所述中央冷却系统的圆柱状金属管为空心双层冷却套结构，包括外管和内管，外管和内管之间通入高速流动冷却水；
所述水冷底盘的中心开设与所述空心双层冷却套的外径相适应的通孔，空心双层冷却套经该通孔安装进水冷底盘的中央并能在该通孔内自由滑动，空心双层冷却套与定向凝固炉模壳的抽拉杆之间设有动密封组件，保证对真空的密封性能；
所述空心双层冷却套的内管顶端为喇叭形水口，保证冷却水流到顶端时能够形成局部流动加速的作用，进而增加冷顶端的冷却效果和提高整体流速的作用。
2.根据权利要求1所述的定向凝固炉用中心加热和中央冷却装置，其特征在于：所述空心双层冷却套的外管采用导热良好的金属材质制作，可以提供足够的冷却温度梯度。
3.根据权利要求1所述的定向凝固炉用中心加热和中央冷却装置，其特征在于：所空心双层冷却套内通入5-6bar的流动水，且需要采用纯水冷却，以防止内冷却水结垢产生水道堵塞的情况。
4.根据权利要求1所述的定向凝固炉用中心加热和中央冷却装置，其特征在于：该装置还包括挡热板，设于所述圆柱状金属管的顶端。
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