CN111215605B - 改善单晶叶片沉积物的定向凝固装置及其工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定向凝固装置，尤其是公开了一种改善单晶叶片沉积物的定向凝固装置及其工艺方法，属于单晶铸造工艺装备设计制造技术领域。提供一种能有效提高选晶质量，降低或减少微量成分沉积的改善单晶叶片沉积物的定向凝固装置及其工艺方法。所述的定向凝固装置包括水冷盘和布置在模壳底部的选晶器，所述选晶器的底部座接在水冷盘上，所述的定向凝固装置还包括气膜隔离系统，在水冷盘与选晶器之间通过所述气膜隔离系统输出的惰性气体形成一层气膜隔离层。所述的工艺方法采用先通过气膜隔离系统通入气体形成气膜隔离层，然后再进行单晶叶片的浇筑、抽拉以及冷却凝固。

Description

改善单晶叶片沉积物的定向凝固装置及其工艺方法

技术领域

本发明涉及一种定向凝固装置，尤其是涉及一种改善单晶叶片沉积物的定向凝固装置，属于单晶铸造工艺装备设计制造技术领域。本发明还涉一种采用所述定向凝固装置生产单晶叶片的工艺方法。

背景技术

单晶涡轮叶片广泛应用于航空发动机和燃气轮机。目前，工业上采用定向凝固技术，通过选晶法制备单晶叶片。定向凝固是在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，以获得具有特定取向柱状晶的技术。

选晶法是在铸件或是叶片底部加一个选晶器，然后通过定向凝固技术适当的控制固液界面的温度梯度和抽拉速率来制备单晶的方法。选晶器的关键结构包括引晶段和螺旋段，引晶段主要完成晶粒激冷形核和竞争生长，确保一定数量取向偏向角小的晶粒生长进入螺旋段。而螺旋段狭长通道的特殊结构保证最终只有一个晶粒被选择出来成为单晶。

由于选晶器底部水冷盘温度较低，定向凝固恒温和抽拉过程中炉内气氛、模壳中微量成分会沉积到水冷盘、模壳底板或者选晶器内，造成选晶失败或者最终选出的单晶组织不符合技术要求，从而叶片出现夹杂或杂晶缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种能有效提高选晶质量，降低或减少微量成分沉积的改善单晶叶片沉积物的定向凝固装置，以及采用所述定向凝固装置生产单晶叶片的工艺方法。

为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种改善单晶叶片沉积物的定向凝固装置，包括水冷盘和布置在模壳底部的选晶器，所述选晶器的底部座接在水冷盘上，所述的定向凝固装置还包括气膜隔离系统，在水冷盘与选晶器之间通过所述气膜隔离系统输出的惰性气体形成一层气膜隔离层。

进一步的是，所述的水冷盘包括上水冷盘和下水冷盘，所述的气膜隔离系统包括设置在上水冷盘中的输气通道和喷气孔，所述喷气孔的气体输入端与输气通道连通，所述喷气孔通过其气体输出端与上水冷盘的顶面连通，所述的气膜隔离层通过输气通道输送的惰性气体在喷气孔的配合下形成。

上述方案的优选方式是，所述的喷气孔为锥形喷气孔，锥形喷气孔的大端与输气通道连通，锥形喷气孔通过其小端与上水冷盘的顶面连通。

进一步的是，在上水冷盘中设置的输气通道呈十字型布置，布置在十字型输气通道上的锥形喷气孔的数量与选晶器的数量相当，各组锥形喷气孔在上水冷盘上沿水平面均布，并与相应选晶器的中心位置对应。

上述方案的优选方式是，所述的气膜隔离系统还包括气体输送组件，在输气通道的气体输入端上设置进气连接口，气体输送组件的气体输出端通过进气连接口与输气通道连通。

进一步的是，所述的气体输送组件包括输气钢管和输气软管，所述的气膜隔离系统还包括固定安装组件，所述的定向凝固装置还包括含有减重腔的抽拉轴，输气钢管的气体输出端与进气连接口连接，输气钢管通过气体输入端在固定安装组件的配合下穿入抽拉轴的减重腔中，输气软管的气体输出端与输气钢管的气体输入端连接。

上述方案的优选方式是，在输气软管上还串接有流量阀和控制开关。

进一步的是，所述的固定安装组件包括定位块、固定螺栓和密封圈一，在定位块和减重腔的侧壁上分别设置有相互适应的安装孔，输气钢管通过安装孔穿入抽拉轴的减重腔中，输气钢管与定位块上的安装孔之间焊接连接，定位块与减重腔的侧壁之间通过密封圈一在固定螺栓的配合下密封。

上述方案的优选方式是，上水冷盘为紫铜水冷盘，下水冷盘为不锈钢水冷盘，在紫铜水冷盘与不锈钢水冷盘之间还设置有密封圈二，在下水冷盘中设置有螺旋状的水冷通道。

一种采用所述定向凝固装置生产单晶叶片的工艺方法，所述的工艺方法为先将预热至规定温度的带有选晶器的模壳置于水冷盘上，关闭真空炉炉门并抽真空，然后通过带有气膜隔离系统的抽拉轴将水冷盘和模壳一起升入真空炉加热区进行加热保温，待水冷盘和模壳上升至指定高度位置后，真空炉控制系统触发软管末端的控制开关通过气膜隔离系统输入惰性气体，在模壳底板和选晶器底部之间形成一层持续有效的气体保护膜，

与此同时，真空炉熔炼室进行铸锭的熔炼，待铸锭熔化成金属液并达到浇铸温度后，将熔炼合格的金属液倒入惰性气体保护状态下的模壳中，在水冷盘的冷却下，金属液冷却凝固，晶粒激冷形核和竞争生长，最终在每一个结晶器中只生成一个晶粒被选择出来成为单晶，

最后关闭气膜隔离系统完成所述单晶叶片的生产工作。。

本发明的有益效果是：本申请以现有水冷盘和布置在模壳底部的选晶器为基础，并结合所述选晶器的底部座接在水冷盘上的结构特点，通过增加设置气膜隔离系统构成本申请的定向凝固装置，然后选晶生产单晶叶片的过程，在水冷盘与选晶器之间通过所述气膜隔离系统输出的惰性气体形成一层气膜隔离层，实现凝固过程中克服水冷盘、模壳底板或者选晶器内出现沉积物的技术问题，从而改善单晶叶片选晶器形核和竞争生长条件，进而减少或避免因沉积物导致叶片出现选晶失败或夹杂缺陷的方法及相应定向凝固装置。达到有效提高选晶质量，降低或减少微量成分沉积的目的。

附图说明

图1为本发明改善单晶叶片沉积物的定向凝固装置的结构示意图；

图2为图1的局部左视图。

图中标记为：水冷盘1、模壳底部2、选晶器3、气膜隔离系统4、上水冷盘5、下水冷盘6、输气通道7、喷气孔8、气体输送组件9、进气连接口10、输气钢管11、输气软管12、固定安装组件13、减重腔14、抽拉轴15、流量阀16、控制开关17、定位块18、固定螺栓19、密封圈一20，、安装孔21、密封圈二22、单晶叶片23。

具体实施方式

如图1、图2所示是为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供的一种能有效提高选晶质量，降低或减少微量成分沉积的改善单晶叶片沉积物的定向凝固装置，以及采用所述定向凝固装置生产单晶叶片的工艺方法。所述的定向凝固装置包括水冷盘1和布置在模壳底部2的选晶器3，所述选晶器3的底部座接在水冷盘1上，所述的定向凝固装置还包括气膜隔离系统4，在水冷盘1与选晶器3之间通过所述气膜隔离系统4输出的惰性气体形成一层气膜隔离层。本申请以现有水冷盘和布置在模壳底部的选晶器为基础，并结合所述选晶器的底部座接在水冷盘上的结构特点，通过增加设置气膜隔离系统构成本申请的定向凝固装置，然后选晶生产单晶叶片23的过程，在水冷盘与选晶器之间通过所述气膜隔离系统输出的惰性气体形成一层气膜隔离层，实现凝固过程中克服水冷盘、模壳底板或者选晶器内出现沉积物的技术问题，从而改善单晶叶片23选晶器形核和竞争生长条件，进而减少或避免因沉积物导致叶片出现选晶失败或夹杂缺陷的方法及相应定向凝固装置。达到有效提高选晶质量，降低或减少微量成分沉积的目的。

上述实施方式中，结合所述的水冷盘1包括上水冷盘5和下水冷盘6，而起主要冷却功能的螺旋状的水冷通道设置在下水冷盘6中的结构特点，本申请将所述的气膜隔离系统4设置为包括设置在上水冷盘5中的输气通道7和喷气孔8，所述喷气孔8的气体输入端与输气通道7连通，所述喷气孔8通过其气体输出端与上水冷盘5的顶面连通，所述的气膜隔离层通过输气通道7输送的惰性气体在喷气孔8的配合下形成。而为了避免熔融的金属进入喷气孔8中，本申请将所述的喷气孔8设置为锥形喷气孔，具体的布置方式为锥形喷气孔的大端与输气通道7连通，锥形喷气孔通过其小端与上水冷盘5的顶面连通。当然，为了提高气膜隔离层的形成效果，在上水冷盘5中设置的输气通道7呈十字型布置，布置在十字型输气通道上的锥形喷气孔的数量与选晶器3的数量相当，各组锥形喷气孔在上水冷盘5上沿水平面均布，并与相应选晶器3的中心位置对应。

进一步的，为了便于惰性气体的输送，再结合所述的定向凝固装置还包括含有减重腔14的抽拉轴15的结构特点，为了便于气膜隔离系统包括的气体输送组件的布置，在输气通道7的气体输入端上设置进气连接口10，所述的气体输送组件9包括输气钢管11和输气软管12，气体输送组件9的气体输出端通过进气连接口10与输气通道7连通。同时，本申请所述的气膜隔离系统4还包括固定安装组件13，输气钢管11的气体输出端与进气连接口10连接，输气钢管11通过气体输入端在固定安装组件13的配合下穿入抽拉轴15的减重腔14中，输气软管12的气体输出端与输气钢管11的气体输入端连接。当然，此时在输气软管12上还串接有流量阀16和控制开关17。与此同时，本申请将所述的固定安装组件13设置成包括定位块18、固定螺栓19和密封圈一20的结构，在定位块18和减重腔14的侧壁上分别设置有相互适应的安装孔21，输气钢管11通过安装孔21穿入抽拉轴15的减重腔14中，输气钢管11与定位块18上的安装孔21之间焊接连接，定位块18与减重腔14的侧壁之间通过密封圈一20在固定螺栓的配合下密封。

当然，为了不对本申请的选晶器进行大的改动，同时又保证冷却的效果，本申请的上水冷盘5仍然为紫铜水冷盘，下水冷盘6仍然为不锈钢水冷盘，在紫铜水冷盘与不锈钢水冷盘之间也设置有密封圈二22。

于是，在生产单晶叶片是便可以按下述步骤进行，先将预热至规定温度的带有选晶器的模壳置于水冷盘上，关闭真空炉炉门并抽真空，然后通过带有气膜隔离系统的抽拉轴将水冷盘和模壳一起升入真空炉加热区进行加热保温，待水冷盘和模壳上升至指定高度位置后，真空炉控制系统触发软管末端的控制开关通过气膜隔离系统输入惰性气体，在模壳底板和选晶器底部之间形成一层持续有效的气体保护膜，

与此同时，真空炉熔炼室进行铸锭的熔炼，待铸锭熔化成金属液并达到浇铸温度后，将熔炼合格的金属液倒入惰性气体保护状态下的模壳中，在水冷盘的冷却下，金属液冷却凝固，晶粒激冷形核和竞争生长，最终在每一个结晶器中只生成一个晶粒被选择出来成为单晶，

最后关闭气膜隔离系统完成所述单晶叶片的生产工作。

综上所述，采用本申请提供的定向凝固装置生产单晶涡轮叶片还具有以下优点，

通过从真空炉抽拉轴内部引出软管和惰性气体发生装置连接，钢制气管连接软管和选晶器，叶片选晶器底部相应位置开锥形喷气嘴，在不破坏真空炉真空环境的条件下，引入惰性气体在叶片选晶器底部形成一层气体保护膜，从而在叶片定向凝固过程中避免炉内气氛、模壳中微量成分沉积到水冷盘或者选晶器内，造成选晶失败或者最终选出的单晶组织不符合技术要求，提高单晶叶片23的质量和性能。

具体实施例

为避免现有技术存在的不足之处，本申请提供了一种克服水冷盘、模壳底板或者选晶器内沉积物，改善单晶叶片选晶器形核和竞争生长条件，从而避免因沉积物导致叶片出现选晶失败或夹杂缺陷的方法及相应定向凝固装置。具体的技术方案为：所述装置包括模壳、水冷盘和抽拉轴；模壳固定在水冷盘上，水冷盘安装在抽拉轴正上方。所述水冷盘分为上水冷盘和下水冷盘，上水冷盘为紫铜材质，下水冷盘为不锈钢材质，水冷盘之间通过密封圈密封。所述下水冷盘内部螺旋状水冷通道与真空炉水冷系统相连，对上水冷盘进行冷却，进而对模壳、选晶器和模壳内叶片进行冷却。在所述上水冷盘上设置有气道、喷气嘴、进气口。所述上水冷盘通过进气口与钢制气管的钢管喷嘴相连，引入氩气为代表的惰性气体。所述喷气嘴沿上水冷盘上部周向分布，数量与选晶器个数相等，且位置与选晶器中心对应；在模壳底板、选晶器底部形成一层气体保护膜。所述喷气嘴形状为锥形，其上部直径大小保证选晶器中合金液在表面张力的作用下不会流入喷气嘴。所述抽拉轴通过定位块将钢制气管固定在抽拉轴侧面，定位块与抽拉轴通过螺栓固定，密封圈密封。所述钢制气管通过定位块中心孔和抽拉轴侧面孔与抽拉轴内部软管连接，钢制气管与定位块通过焊接结构密封。所述软管一端和钢制气管通过密封结构连通，一端连接惰性气体发生装置；软管末端装有流量阀和控制开关，与真空炉控制系统连通。

实施例一

下面结合附图对本说明进一步说明。

单晶叶片的定向凝固过程包括模壳的固定、加热、保温；合金的熔炼、浇铸，叶片的抽拉、冷却等过程；合金浇铸充满型腔后在选晶器底部形核时，真空炉内气氛，模壳中微量元素的挥发会沉积到水冷盘、模壳底板和选晶器等温度较低的地方，对晶粒的形核和生长造成影响，从而产生杂晶、夹杂等缺陷导致叶片报废。

如图1、图2所示的改善单晶叶片沉积物的定向凝固装置，所述装置包括模壳、水冷盘和抽拉轴；模壳固定在水冷盘上，水冷盘安装在抽拉轴正上方。

所述水冷盘分为上水冷盘和下水冷盘，上水冷盘为紫铜材质，下水冷盘为不锈钢材质，水冷盘之间通过密封圈密封。

所述下水冷盘内部螺旋状水冷通道与真空炉水冷系统相连，对上水冷盘进行冷却，进而对模壳、选晶器和模壳内叶片进行冷却。

所述上水冷盘内设置有气道、喷气嘴、进气口。所述上水冷盘通过进气口与钢制气管的钢管喷嘴相连，引入氩气为代表的惰性气体。

所述喷气嘴沿上水冷盘上部周向分布，数量与选晶器个数相等，且位置与选晶器中心对应；在模壳底板、选晶器底部形成一层气体保护膜。

所述喷气嘴形状为锥形，其上部直径大小保证选晶器中合金液在表面张力的作用下不会流入喷气嘴。

所述抽拉轴通过定位块将钢制气管固定在抽拉轴侧面，定位块与抽拉轴通过螺栓固定，密封圈密封。

所述钢制气管通过定位块中心孔和抽拉轴侧面孔与抽拉轴内部软管连接，钢制气管与定位块通过焊接结构密封。

所述软管一端和钢制气管通过密封结构连通，一端连接惰性气体发生装置；软管末端装有流量阀和控制开关，与真空炉控制系统连通。

单晶叶片的模壳固定在水冷盘上，然后升入到热区进行加热保温到合金熔炼时，通过真空炉的控制系统打开软管上的控制开关，并通过流量阀调节惰性气体流量大小，直到合金浇铸、叶片凝固后结束，关闭控制开关。

通过从真空炉抽拉轴内部引出软管和惰性气体发生装置连接，钢制气管连接软管和水冷盘，并通过上水冷盘内部气道和选晶器底部相应位置开锥形喷气嘴，在不破坏真空炉真空环境的条件下，引入惰性气体在模壳底板和选晶器底部形成一层气体保护膜。

在上述技术方案基础上，为了提高气体保护膜的质量，可以选择这样的方案：所述模壳底板中心与水冷盘对应位置增加喷气嘴，各个喷气嘴的位置和数量至少与选晶器的位置和数量相当，当然，为了提高降低效果，也可以多于选晶器的数量，此时各个喷气嘴可以是一圈均布，目的是更好地在模壳底板和选晶器底部之间形成连续可靠的气体保护膜，从而在叶片定向凝固过程中避免沉积物沉积到水冷盘、模壳底板和选晶器底部，造成选晶失败或者最终选出的单晶组织不符合技术要求。

为了进一步提高本定向凝固装置的通用性，匹配不同数量单晶叶片的实用，对上述技术方案的改进：所述选晶器底部中心对应位置的喷气嘴可以优化为一圈或者几圈上大下小的锥形喷气环，适应不同数量和位置的单晶叶片模壳。

本申请的改善单晶叶片沉积物的定向凝固装置，在不破坏真空炉真空环境的条件下，引入惰性气体在叶片选晶器底部、模壳底板形成一层气体保护膜，从而在叶片定向凝固过程中避免炉内气氛、模壳中微量成分沉积到水冷盘、模壳底板和选晶器内，造成选晶失败或者叶片夹杂，提高单晶叶片的质量和性能。

Claims (5)

1.一种改善单晶叶片沉积物的定向凝固装置，包括水冷盘（1）和布置在模壳底部（2）的选晶器（3），所述选晶器（3）的底部座接在水冷盘（1）上，其特征在于：所述的定向凝固装置还包括气膜隔离系统（4），在水冷盘（1）与选晶器（3）之间通过所述气膜隔离系统（4）输出的惰性气体形成一层气膜隔离层，

所述的水冷盘（1）包括上水冷盘（5）和下水冷盘（6），所述的气膜隔离系统（4）包括设置在上水冷盘（5）中的输气通道（7）和喷气孔（8），所述喷气孔（8）的气体输入端与输气通道（7）连通，所述喷气孔（8）通过其气体输出端与上水冷盘（5）的顶面连通，所述的气膜隔离层通过输气通道（7）输送的惰性气体在喷气孔（8）的配合下形成，

所述的喷气孔（8）为锥形喷气孔，锥形喷气孔的大端与输气通道（7）连通，锥形喷气孔通过其小端与上水冷盘（5）的顶面连通，

在上水冷盘（5）中设置的输气通道（7）呈十字型布置，布置在十字型输气通道上的锥形喷气孔的数量与选晶器（3）的数量相当，各组锥形喷气孔在上水冷盘（5）上沿水平面均布，并与相应选晶器（3）的中心位置对应，

所述的气膜隔离系统还包括气体输送组件（9），在输气通道（7）的气体输入端上设置进气连接口（10），气体输送组件（9）的气体输出端通过进气连接口（10）与输气通道（7）连通，

所述的气体输送组件（9）包括输气钢管（11）和输气软管（12），所述的气膜隔离系统（4）还包括固定安装组件（13），所述的定向凝固装置还包括含有减重腔（14）的抽拉轴（15），输气钢管（11）的气体输出端与进气连接口（10）连接，输气钢管（11）通过气体输入端在固定安装组件（13）的配合下穿入抽拉轴（15）的减重腔（14）中，输气软管（12）的气体输出端与输气钢管（11）的气体输入端连接。

2.根据权利要求1所述的改善单晶叶片沉积物的定向凝固装置，其特征在于：在输气软管（12）上还串接有流量阀（16）和控制开关（17）。

3.根据权利要求1或2所述的改善单晶叶片沉积物的定向凝固装置，其特征在于：所述的固定安装组件（13）包括定位块（18）、固定螺栓（19）和密封圈一（20），在定位块（18）和减重腔（14）的侧壁上分别设置有相互适应的安装孔（21），输气钢管（11）通过安装孔（21）穿入抽拉轴（15）的减重腔（14）中，输气钢管（11）与定位块（18）上的安装孔（21）之间焊接连接，定位块（18）与减重腔（14）的侧壁之间通过密封圈一（20）在固定螺栓的配合下密封。

4.根据权利要求3所述的改善单晶叶片沉积物的定向凝固装置，其特征在于：上水冷盘（5）为紫铜水冷盘，下水冷盘（6）为不锈钢水冷盘，在紫铜水冷盘与不锈钢水冷盘之间还设置有密封圈二（22），在下水冷盘（6）中设置有螺旋状的水冷通道。

5.一种采用权利要求4所述定向凝固装置生产单晶叶片的工艺方法，其特征在于：所述的工艺方法为先将预热至规定温度的带有选晶器的模壳置于水冷盘上，关闭真空炉炉门并抽真空，然后通过带有气膜隔离系统的抽拉轴将水冷盘和模壳一起升入真空炉加热区进行加热保温，待水冷盘和模壳上升至指定高度位置后，真空炉控制系统触发输气软管末端的控制开关通过气膜隔离系统输入惰性气体，在模壳底板、选晶器底部形成一层持续有效的气体保护膜，

与此同时，真空炉熔炼室进行铸锭的熔炼，待铸锭熔化成金属液并达到浇铸温度后，将熔炼合格的金属液倒入惰性气体保护状态下的模壳中，在水冷盘的冷却下，金属液冷却凝固，晶粒激冷形核和竞争生长，最终在每一个选晶器中只选择出来一个晶粒成为单晶，

最后关闭气膜隔离系统完成所述单晶叶片的生产工作。

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