CN109877300A - 一种气、液双介质冷却定向/单晶凝固装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种气、液双介质冷却定向/单晶凝固装置及方法，装置为定向/单晶真空炉模壳加热器，模壳加热器分为上模壳加热器和下模壳加热器，模壳加热器和双介质冷却环之间通过隔热挡板隔开，模壳放置在双介质结晶盘上。凝固方法包括如下步骤：加热；保温；二次重熔；浇铸；抽拉叶片；合金凝固；该方法通过双介质冷却环和结晶盘，双介质冷却环包括水冷环和气冷环；双介质结晶盘包括水冷结晶盘和气冷结晶盘，水冷环和水冷结晶盘与真空炉水冷系统相连，气冷环和气冷结晶盘与惰性气体装置相连，惰性气体经喷环喷至模壳上，在径向和轴向对模壳和模壳内的合金进行冷却。在定向凝固同时采用双气冷、水冷系统，实现快速高效定向凝固和单晶生长。

Description

一种气、液双介质冷却定向/单晶凝固装置及方法

技术领域

本发明涉及单晶/定向真空精密铸造领域，主要应用于航空航天发动机和燃气轮机单晶/定向叶片生产，具体是一种气、液双介质冷却定向/单晶凝固装置及方法。

背景技术

涡轮叶片是航空发动机和燃气轮机的重要热部件，承受的温度负载和应力负载非常巨大。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。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。单晶定向凝固铸造技术的开发成功是提高涡轮叶片热强性的重要突破。第一，单晶叶片消除了所有晶界，在承受高温蠕变和热疲劳应力作用时就没有最容易损坏的区域；第二，单晶有最佳结晶取向，它与轴向和方位角应力矢量是匹配的。目前，单晶叶片已广泛应用于航空发动机和燃气轮机上。

定向/单晶凝固时将过热合金熔体浇注入模壳，靠近水冷盘表面的那一层合金熔体迅速冷至结晶温度以下而开始结晶，此时形成的晶粒，其位向是混乱的。在随后的凝固进行过程中，由于热流是通过已结晶的固体金属单向向下散热，且结晶前沿是正向温度梯度，合金在结晶过程中晶体<001>是择优取向，生长速度最快，因此那些具有<001>方向的晶粒择优长大，将其它方向的晶粒淘汰掉。只要上述定向凝固条件保持不变，取向为<001>的柱状晶就可以保持生长，直到整个叶片，形成柱状晶组织。

在实施定向结晶时，定向凝固的结晶组织与温度梯度G和凝固速率R有密切关系。温度梯度是指凝固界面前沿的温度随距离的变化，低温度梯度工艺可形成粗大的树枝状组织，局部偏析严重；高温度梯度结晶可使合金铸件的补缩愈好，疏松愈少，组织愈致密。从而提高使用性能。

采用水冷铜板结晶时，模壳的散热主要靠水冷环和水冷结晶盘；水冷环实现模壳径向散热，水冷结晶盘实现模壳轴向散热。散热方式为辐射散热和传导散热。在高真空状态下，辐射散热系数和传导散热系数均很低，导致在实施定向结晶采用水冷铜板结晶的温度梯度只有约20℃/cm。目前欧美和国内普遍采用的是低温度梯度的水冷铜板结晶, 在合金定向凝固过程中，特别是制备大尺寸合金零件时，存在温度梯度偏低、合金零件各部分受热不均匀等情况，从而导致采用定向凝固工艺制备合金时杂晶等单晶凝固缺陷的产生，严重影响合金质量。

鉴于上述内容，有必要提供一种低温度梯度下结晶好的方法。

发明内容

本发明为避免上述现有技术存在的不足之处，提供一种克服现有低温度梯度结晶技术不足之处，提高大尺寸定向合金或单晶合金零件生长时固/液界面的温度梯度和铸件冷却速率而提供一种气、液双介质冷却定向/单晶凝固装置及方法。该装置在定向凝固炉产生辐射散热和传导散热的同时，将气体对流散热和水冷引入到定向凝固设备中，以提高铸件的温度梯度和冷却速率，能够有效地减少制备合金时杂晶等缺陷的产生，提高定向/单晶叶片的质量和性能。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种气、液双介质冷却定向/单晶凝固的装置，其特征在于，所述装置包括定向/单晶真空炉模壳加热器、双介质冷却环及双介质结晶盘； 定向/单晶真空炉模壳加热器分为上模壳加热器和下模壳加热器，模壳加热器和双介质冷却环之间通过隔热挡板隔开，模壳放置在双介质结晶盘上；

对上述技术方案的改进，双介质冷却环包括水冷环和气冷环； 气冷环在水冷环的上方。

所述气冷环包括环体和在环体上设置的喷环；所述气冷环通过气冷管路5与惰性气体发生装置相连，惰性气体经喷环喷至模壳上，对模壳和模壳内的合金进行冷却；所述气冷环喷环沿环体内侧周向分布，喷环喷射气体的方向可调，流量、压力可调。

对上述技术方案的改进，双介质结晶盘为紫铜材料制成，安装在模壳抽拉机构上方。

对上述技术方案的改进，双介质结晶盘包括气冷上盘和水冷下盘；气冷上盘和水冷下盘通过密封圈密封。

对上述技术方案的改进，气冷上盘包括气道、喷气环和进气口，所述气冷上盘通过进气口与惰性气体发生装置相连，惰性气体经喷气自底向上喷至模壳上，对模壳和模壳内的合金进行冷却；所述喷气环沿气冷上盘上部周向分布，喷气环喷射气体的流量、压力可调。

对上述技术方案的改进，所述水冷下盘包括水道和进出水口；所述水冷下盘通过进出水口与真空炉水冷系统相连，对模壳和模壳内的合金进行冷却。

对上述技术方案的改进，模壳底部沿结晶盘喷气环上方周向设置透气环，惰性气体经喷气环和该透气环自底向上喷至模壳上，对模壳和模壳内的合金进行冷却。

一种气、液双介质冷却定向/单晶凝固装置及方法，其特征在于，所述凝固方法采用一种气、液双介质冷却定向/单晶凝固装置进行；

具体凝固方法包括如下步骤：

步骤1：加热；

当进行单晶/定向高温合金叶片精密浇铸时，模壳升至模壳感应加热器内，模壳感应加热器按照设定的升温曲线对模壳进行加热；

步骤2：保温；

当加热温度到达设定温度时，进行保温，视模壳尺寸大小，保温时间控制在30~60分钟；

步骤3：二次重熔；

将单晶母合金加至感应熔炼坩埚进行二次重熔；

步骤4：浇铸；

熔炼坩埚倾翻将二次重熔的合金夜浇注入模壳中；

步骤5：抽拉叶片；

模壳按设定的抽拉速率向下抽拉单晶/定向高温合金叶片；

步骤6：合金凝固；

模壳向下抽拉时，模壳加热器里模壳内合金液，经过双介质冷却结晶环和双介质结晶盘的共同作用，模壳散热，靠近双介质冷却结晶环和双介质结晶盘表面的那一层合金熔体迅速冷至结晶温度以下而开始结晶，合金凝固。

本发明的有益效果在于：

本发明通过在定向/单晶真空炉的模壳加热器底部设置气、水双介质冷却装置，可以增强定向凝固及单晶生产过程中的整体冷却强度，提高温度梯度，增大冷却速率，提高单晶叶片的质量和性能。实现快速高效定向凝固及单晶生长。

附图说明

图1是本发明一种气、液双介质冷却定向/单晶凝固装置及方法结构示意图。

图2是本发明双介质冷却环示意图。

图3是本发明双介质结晶盘示意图。

其中：1、水冷环体；2、气冷环体；3、喷环；4、水冷管路；5、气冷管路；6、水冷结晶盘；7、上模壳加热器；8、下模壳加热器；9、隔热挡板；10、叶片液相部分；11、叶片固相部分；12、气冷上盘；13、水冷下盘；14、水道；15、进出水口；16、密封圈；17、气道；18、喷气环；19、进气口。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1-3所示：请参阅图1-3，为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种气、液双介质冷却定向/单晶凝固的装置，其特征在于，所述装置包括定向/单晶真空炉模壳加热器、双介质冷却环及双介质结晶盘6；定向/单晶真空炉模壳加热器分为上模壳加热器7和下模壳加热器8，模壳加热器和双介质冷却环之间通过隔热挡板9隔开，模壳放置在双介质结晶盘6上；

对上述技术方案的改进，

双介质冷却环包括水冷环和气冷环； 气冷环在水冷环的上方。

所述气冷环包括环体2和在环体上设置的喷环3；所述气冷环通过气冷管路5与惰性气体发生装置相连，惰性气体经喷环3喷至模壳上，对模壳和模壳内的合金进行冷却；所述气冷环喷环3沿环体2内侧周向分布，喷环喷射气体的方向可调，流量、压力可调。

对上述技术方案的改进，

双介质结晶盘为紫铜材料制成，安装在模壳抽拉机构上方。

对上述技术方案的改进，

双介质结晶盘6包括气冷上盘12和水冷下盘13；气冷上盘12和水冷下盘13通过密封圈16密封。

对上述技术方案的改进，气冷上盘12包括气道17、喷气环18和进气口19，所述气冷上盘12通过进气口19与惰性气体发生装置相连，惰性气体经喷气环18自底向上喷至模壳上，对模壳和模壳内的合金进行冷却；所述喷气环18沿气冷上盘12上部周向分布，喷气环18喷射气体的流量、压力可调。

所述水冷下盘13包括水道14和进出水口15；所述水冷下盘14通过进出水口15与真空炉水冷系统相连，对模壳和模壳内的合金进行冷却。

对上述技术方案的改进，模壳底部沿结晶盘喷气环18上方周向设置透气环，惰性气体经喷气环18和该透气环自底向上喷至模壳上，对模壳和模壳内的合金进行冷却。

一种气、液双介质冷却定向/单晶凝固装置及方法，其特征在于，所述凝固方法采用一种气、液双介质冷却定向/单晶凝固装置进行；

具体凝固方法包括如下步骤：

步骤1：加热；

当进行单晶/定向高温合金叶片精密浇铸时，模壳升至模壳感应加热器内，模壳感应加热器按照设定的升温曲线对模壳进行加热；

步骤2：保温；

当加热温度到达设定温度时，进行保温，视模壳尺寸大小，保温时间控制在30~60分钟；

步骤3：二次重熔；

将单晶母合金加至感应熔炼坩埚进行二次重熔；

步骤4：浇铸；

熔炼坩埚倾翻将二次重熔的合金夜浇注入模壳中；

步骤5：抽拉叶片；

模壳按设定的抽拉速率向下抽拉单晶/定向高温合金叶片；

步骤6：合金凝固；

模壳向下抽拉时，模壳加热器里模壳内合金液，经过双介质冷却结晶环和双介质结晶盘的共同作用，模壳散热，靠近双介质冷却结晶环和双介质结晶盘表面的那一层合金熔体迅速冷至结晶温度以下而开始结晶，合金凝固。

本发明通过对冷却环和结晶盘通入惰性气体及冷却水对模壳进行双重冷却，以增强单晶生长的冷却强度，提高温度梯度，增大冷却速率，从而可以有效地减少杂晶等单晶铸造缺陷的产生，提高单晶叶片的质量和性能。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种气、液双介质冷却定向/单晶凝固的装置，其特征在于，所述装置包括定向/单晶真空炉模壳加热器、双介质冷却环及双介质结晶盘（6）；

定向/单晶真空炉模壳加热器分为上模壳加热器（7）和下模壳加热器（8），模壳加热器和双介质冷却环之间通过隔热挡板（9）隔开，模壳放置在双介质结晶盘（6）上。

2.按照权利要求1所述的一种气、液双介质冷却定向/单晶凝固装置及方法，其特征是：所述双介质冷却环包括水冷环和气冷环，气冷环在水冷环的上方；

所述气冷环包括环体（2）和在环体上设置的喷环（3）；所述气冷环通过气冷管路（5）与惰性气体发生装置相连，惰性气体经喷环（3）喷至模壳上，对模壳和模壳内的合金进行冷却；所述气冷环喷环（3）沿环体（2）内侧周向分布，喷环喷射气体的方向可调，流量、压力可调。

3.按照权利要求1所述的一种气、液双介质冷却定向/单晶凝固装置，其特征是：所述双介质结晶盘（6）为紫铜材料制成，安装在模壳抽拉机构上方。

4.按照权利要求1所述的一种气、液双介质冷却定向/单晶凝固装置，其特征是：所述双介质结晶盘（6）包括气冷上盘（12）和水冷下盘（13）；气冷上盘（12）和水冷下盘（13）通过密封圈（16）密封。

5.按照权利要求4所述的一种气、液双介质冷却定向/单晶凝固装置，其特征在于，气冷上盘（12）包括气道（17）、喷气环（18）和进气口（19），所述气冷上盘（12）通过进气口（19）与惰性气体发生装置相连，惰性气体经喷气环（18）自底向上喷至模壳上，对模壳和模壳内的合金进行冷却；所述喷气环（18）沿气冷上盘（12）上部周向分布，喷气环（18）喷射气体的流量、压力可调。

6.按照权利要求4所述的一种气、液双介质冷却定向/单晶凝固装置，其特征在于，所述水冷下盘（13）包括水道（14）和进出水口（15）；所述水冷下盘（14）通过进出水口（15）与真空炉水冷系统相连，对模壳和模壳内的合金进行冷却。

7.一种气、液双介质冷却定向/单晶凝固装置及方法，其特征在于，模壳底部沿结晶盘喷气环（18）上方周向设置透气环，惰性气体经喷气环（18）和该透气环自底向上喷至模壳上，对模壳和模壳内的合金进行冷却。

8.一种气、液双介质冷却定向/单晶凝固方法，其特征在于，所述凝固方法采用如权利要求1-7中任一项的装置进行；

具体凝固方法包括如下步骤：

步骤1：加热；

当进行单晶/定向高温合金叶片精密浇铸时，模壳升至模壳感应加热器内，模壳感应加热器按照设定的升温曲线对模壳进行加热；

步骤2：保温；

当加热温度到达设定温度时，进行保温，视模壳尺寸大小，保温时间控制在30~60分钟；

步骤3：二次重熔；

将单晶母合金加至感应熔炼坩埚进行二次重熔；

步骤4：浇铸；

熔炼坩埚倾翻将二次重熔的合金夜浇注入模壳中；

步骤5：抽拉叶片；

模壳按设定的抽拉速率向下抽拉单晶/定向高温合金叶片；

步骤6：合金凝固；

模壳向下抽拉时，模壳加热器里模壳内合金液，经过双介质冷却结晶环和双介质结晶盘的共同作用，模壳散热，靠近双介质冷却结晶环和双介质结晶盘表面的那一层合金熔体迅速冷至结晶温度以下而开始结晶，合金凝固。