CN110170636A - 一种改善单晶叶片凝固条件的铸造设备 - Google Patents

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马德新
崔树森
冯杰
徐维台
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Shenzhen Wan Ze Aviation Technology Co Ltd
Co Ltd Of Damp Central-South Research Institute Of Shenzhen Ten Thousand
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Shenzhen Wan Ze Aviation Technology Co Ltd
Co Ltd Of Damp Central-South Research Institute Of Shenzhen Ten Thousand
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
    • B22D27/04—Influencing the temperature of the metal, e.g. by heating or cooling the mould
    • B22D27/045—Directionally solidified castings
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C30B11/003—Heating or cooling of the melt or the crystallised material

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Abstract

本发明公开了一种改善单晶叶片凝固条件的铸造设备，包括真空凝固炉，所述真空凝固炉内设置有加热器和炉下冷却器，所述炉下冷却器设置于所述加热器下方，其特征在于：所述真空凝固炉的加热器和冷却器的横截面为矩形以对应于直列式排列的陶瓷模壳，使每个叶片两侧在加热区中都能以最近的距离直接面对加热器，受到同等的最有效的辐射加热；降到冷却区时则都能以最近的距离直接面对冷却器，受到同等的最有效的散热冷却。本发明能明显改善凝固条件，提高温度梯度，减少铸造缺陷，提高定向和单晶叶片的良品率和质量。

Description

一种改善单晶叶片凝固条件的铸造设备
技术领域
本发明涉及精密铸造技术，更具体的是涉及一种改善单晶叶片凝固条件的设备及铸造设备。
背景技术
现在世界上通用的制造单晶叶片的真空凝固炉的加热器和冷却器均为圆环形，与此相应，铸造叶片的陶瓷模壳也是圆环状排列。这种炉体结构和模壳排列方式造成了每个叶片两侧的受热及冷却条件的严重不对称。每个叶片模壳的朝外一侧(简称阳面)在加热区时面对加热器，受到直接的辐射加热；降到冷却区时则面对冷却器，能有效被冷却。这样就造成较高的温度梯度和冷速，并形成较窄的糊状区，为单晶生长创造了有利条件。但在叶片朝内的一侧(简称阴面)则相反，在炉中因背对加热器不能直接辐射受热，使环状排列模壳的中心形成温度较低的筒形阴影区。特别是当模壳下降到接近炉腔底部时，由于阴影区内没有挡热板，热量散失加快且得不到加热器的有效补充，使得本来就低于阳面的阴影区温度变得更低。而降到了冷却区后由于背对冷却器不能很好冷却，原来的阴影区变成了相对封闭的缓冷区，因而冷速和温度梯度明显偏低，结果是形成凹形的凝固界面和很宽的糊状区，凝固条件非常恶劣，以至于铸造缺陷如杂晶和雀斑基本都产生在铸件在阴影区的一侧，这种现象被称之为阴影效应。
为消除现用的定向凝固炉中陶瓷模壳圆环状排列方式带来的阴影效应，我们曾发明一种直排式的模壳排列方式和矩形的隔热板开口形状，能够消除模壳圆环状排列形成的阴影区，使每个叶片两侧具有比较对称的加热和冷却条件(申请号为CN201811316668.1)。但是由于加热器和冷却器仍然都是圆环形，它们到直排式的各个模壳的距离都不同，这就导致各个叶片的凝固条件并不相同，特别是中间模壳距离圆环形加热器和冷却器都很远，凝固条件差了很多。而且每次只能浇注一列模壳，生产效率不高。
发明内容
本发明的目的是在我们发明的直排式模壳(申请号为CN201811316668.1)基本解决了现有的圆桶式定向凝固炉中阴影效应问题的基础上，进一步解决直排式模壳与圆形的加热器和冷却器不匹配、各个叶片的凝固条件不相同和生产率不高的问题。
为了实现上述的目的，本发明所提供的改善单晶叶片凝固条件的设备，包括真空凝固炉，所述真空凝固炉内设置有炉内加热器和炉下冷却器，所述炉下冷却器设置于所述加热器下方，所述真空凝固炉的炉内加热器和炉下冷却器的横截面为矩形以使直列式排列的陶瓷模壳上的每个叶片两侧都得到对称而相同的加热和冷却。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：每个叶片两侧在加热区中都能以最近的距离直接面对加热器，受到同等的最有效的辐射加热；降到冷却区时则都能以最近的距离直接面对冷却器，受到同等的最有效的的散热冷却，有利于定向凝固在最佳的条件下稳定顺利进行，减少铸造缺陷，提高定向和单晶叶片的良品率和质量。若使用双列式或更多列式的矩形的加热器和冷却器，在质量提高的基础上还可使生产率成倍提高
附图说明
图1为本发明真空凝固炉内的横截面结构示意图。
图2为本发明真空凝固炉内的纵截面结构示意图。
图3为本发明多列式真空凝固炉内的横截面结构示意图。
图4为本发明多列式真空凝固炉内的纵截面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
如图1-4所示为改善单晶叶片凝固条件的设备，其包括真空凝固炉，其中所述真空凝固炉内设置有加热器1和炉下设置有冷却器5，所述冷却器5设置于所述加热器1和隔热板4下方，所述真空凝固炉的加热器1和冷却器5的横截面为矩形，陶瓷模壳2呈直列式排列在加热器1内部，由于加热器1和冷却器5的横截面为矩形，从而使得直列式排列的每个陶瓷模壳2及相应的每个叶片3两侧都得到相同的最近距离的加热和冷却。
加热器1和冷却器5之间设置有档热板4，以避免加热器1与冷却器5之间形成热交换，降低加热或冷却的效率。在陶瓷模壳2的底部，还设置有激冷板。
在本实施例中，根据所用陶瓷模壳的尺寸和炉腔的大小，设计合适高度、宽度和长度的加热器1和冷却器5。加热器1和冷却器5的宽度要略大于所用最大陶瓷模壳2的宽度,加热器1的高度要大于所用最大陶瓷模壳2的高度,所述冷却器的高度为50到200mm。
本实施例中，加热器1为电阻式加热,用碳纤维材料制成,具有良好的加热效果，冷却器由铜制成,通水冷却，冷却效率高。
如图1-2和图3-4所示，所述加热器和所述冷却器为一排或多排形式排列，可以浇注一排或同时浇注多排的陶瓷模壳，以提高生产率。
本实施例中，将加热器1和冷却器5安装在与之匹配制作的矩形定向凝固炉里，也可安装在原有的圆桶式炉壳中，以节省成本。
基于该铸造设备，其铸造工艺如下：
A、制壳工序：用反复粘浆淋砂的方法制成一定壁厚的直排式陶瓷模壳2，脱蜡并焙烧。
B、铸造工序：将直排式的陶瓷模壳2安置在长条形的激冷板6上，升入矩形加热室预热(即加热器内)，浇注入金属液，再下降穿过挡热板4的矩形开口，被矩形的冷却器5冷却，实现从下而上的定向凝固。由于陶瓷模壳2外廓与加热器1、挡热板4和冷却器5的间隙都很小，又是对称加热和冷却，能形成较大温度梯度，有利于制成高质量的定向和单晶叶片。
C、后处理工序：去除陶瓷模壳，切去浇注系统，脱去型芯，经腐蚀处理后检测铸件的晶粒组织，确认得到高质量的、无杂晶和雀斑缺陷、组织致密的单晶叶片铸件。
上述实施例仅用于说明本发明的具体实施方式。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，都应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种改善单晶叶片凝固条件的设备，包括真空凝固炉，所述真空凝固炉内设置有加热器和炉下冷却器，所述炉下冷却器设置于所述加热器下方，其特征在于：所述真空凝固炉的加热器和冷却器的横截面为矩形以使直列式排列的陶瓷模壳上的每个叶片两侧都得到对称而相同的最佳加热和冷却条件。
2.根据权利要求1所述的改善单晶叶片凝固条件的设备，其特征在于：所述加热器和冷却器的宽度略大于所用最大陶瓷模壳宽度,所述加热器高度大于所用最大模壳的高度,所述冷却器的高度为50到200mm。
3.根据权利要求1或2所述的改善单晶叶片凝固条件的设备，其特征在于：所述加热器为电阻式加热,用碳纤维材料制成,所述冷却器由铜制成,通水冷却。
4.根据权利要求1或2所述的改善单晶叶片凝固条件的设备，其特征在于：所述加热器和所述冷却器为一排或多排形式排列，以使可以浇注一排或同时浇注多排的陶瓷模壳。
5.按照权利要求1到4所述的改善单晶叶片凝固条件的设备，其特征在于：此设备不仅适用于高温合金单晶叶片的制造，也适用于其它合金和其它铸件的铸造。
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