CN111922322A - 一种定向凝固装置及铸造方法 - Google Patents

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徐维台
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    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
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Abstract

本发明公开了一种定向凝固装置及铸造方法，所述装置包括：热室及冷室，所述冷室设置于所述热室的上方，所述热室及冷室之间设置有隔热板；其中，在所述热室内设置有加热器、升降装置、以及模壳，在所述冷室内设置有冷却环，所述加热器环绕所述模壳设置；所述模壳上部设有开口，在所述开口处设置有激冷盘。与传统方式相比，凝固方向由逆重力方向变为顺重力方向，使得糊状区液体形成上轻下重的稳定状态，从而避免了传统工艺中由于逆重力凝固造成的对流现象，从源头上消除了高温合金定向和单晶铸件中普遍存在的雀斑缺陷。

Description

一种定向凝固装置及铸造方法
技术领域
本发明涉及精密铸造技术，更具体的是涉及一种定向凝固装置及铸造方法。
背景技术
航空发动机和燃气轮机是现代制造业的最高端产品，其中用高温合金制成的定向和单晶叶片是最重要的核心热端部件。从上个世纪70年代起至今，世界上一直采用Bridgman式定向凝固炉生产定向和单晶叶片。炉子的结构特点是分为上下两个腔室，上部腔室由熔化坩埚、模壳加热室组成，下部腔室是冷却室。
Bridgman炉工作时，先将加热室内的陶瓷模壳预热，浇入熔化的合金液，再将模壳下降，从加热区穿过挡热板进入冷却区，实现叶片从底端到顶端的顺序冷却和定向凝固。金属液浇注入模壳后直接与水冷铜盘接触，激冷形成一层等轴细晶，随即进行择优生长，晶体取向[001]附近的晶粒具有较高生长速度，获得生长空间形成柱状晶，随后模壳下降进入冷室，迫使柱状晶以相应的速率向上生长。若在进入叶片之前装置一个螺旋选晶器，就会通过螺旋段选出单个晶粒进入叶片型腔，形成单晶叶片。
现有的高温合金定向和单晶叶片的铸造工艺有一个显著缺点，即易于生成雀斑缺陷。雀斑是高温合金定向凝固过程中最常见的晶粒缺陷，通常出现在叶片的外表面，呈细长的链状分布，通常由许多取向杂乱的细碎晶粒组成。由于叶片成型的凝固过程是由下而上进行，树枝状晶体逆着重力方向上生长。W和Re这种密度很大的负偏析元素富集于先形成的枝晶中心部位，而Al和Ti这种密度很小的正偏析元素则被排斥到枝晶间的残余液体内。结果是，在枝晶根部也就是糊状区底部液体密度会变得明显小于糊状区上部。在地球重力的作用下，形成上重下轻的比重反差，使得糊状区液体不再保持稳定，从而引起隧道式的强烈对流，造成枝晶臂被冲断，最终形成垂直链状分布的细碎晶粒缺陷，称之为雀斑，直接导致定向和单晶产品的报废。特别是厚大的铸件如燃机叶片，散热困难，糊状区很宽，雀斑缺陷更加明显。另外，在高代次的高温合金中，难熔元素Re添加越来越多，密度反差越来越大，也使得液体对流和雀斑缺陷越来越严重。
发明内容
本发明的目的是在于解决高温合金定向和单晶叶片铸造工艺中存在雀斑的问题。
针对上述技术问题,本发明提出了一种定向凝固装置，所述装置包括：热室及冷室，所述冷室设置于所述热室的上方，所述热室及冷室之间设置有隔热板；
其中，在所述热室内设置有加热器、升降装置、以及模壳，在所述冷室内设置有冷却环，所述加热器环绕所述模壳设置；
所述模壳上部为敞口，在所述敞口处设置有激冷盘。
优选的，所述模壳的浇道为直浇道，所述直浇道设于所述模壳一侧，在底部与所述模壳的型腔连通。
优选的，所述直浇道的外周包裹有保温材料。
优选的，所述冷却环为水冷结构。
优选的，所述激冷盘为水冷铜盘结构。
优选的，在所述加热器的外周设置有保温套。
本发明同时还提供一种基于如上所述定向凝固装置的定向凝固铸造的方法，包括步骤：
S1，将模壳放置于热室内进行预热；
S2，将合金液通过所述模壳的浇口浇入，使型腔内合金液上升到顶部与激冷盘接触形成激冷层；
S3，浇注完成后通过升降装置将充满金属液的模壳由热室穿过隔热板上升直到全部进入冷室，模壳内的金属液实现从上向下的顺重力定向凝固。
优选的，所述升降装置上升速度控制在1到10mm/min。
优选的，所述步骤S2中，所述模壳的浇道为直浇道，所述直浇道设于所述模壳一侧与所述模壳底部连通，浇注时所述合金液从所述模壳的底部进入模壳内。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明中，热室位于下方，冷室位于上方，浇注充型后将模壳由热室上升穿过隔热板进入冷却区，金属液自上而下沿重力方向顺序凝固。与传统方式相比，凝固方向由逆重力方向变为顺重力方向，使得糊状区液体形成上轻下重的稳定状态，从而避免了传统工艺中由于逆重力凝固造成的对流现象，从源头上消除了高温合金定向和单晶铸件中普遍存在的雀斑缺陷。
附图说明
图1为本发明的设备及工艺示意图，模壳11内刚浇注完金属液，上表面在激冷板5的作用下形成激冷层6。
图2为模壳由热室21升入冷室22时，金属液由上向下进行顺重力凝固的过程。
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。
实施例一
如图1及图2所示，本发明提供一种定向凝固装置，所述装置包括：热室21及冷室22，所述冷室22设置于所述热室21的上方，所述热室21及冷室22之间设置有隔热板8。
其中，在所述热室21内设置有加热器10、升降装置13、以及模壳11，在所述冷室22内设置有冷却环7，所述加热器10环绕所述模壳11设置；所述模壳11上部敞口，在所述敞口处设置有激冷盘5进行封盖。
本实施例中，所述模壳11的浇道为直浇道3，所述直浇道3设于所述模壳11一侧，在底部与所述模壳11的型腔12连通。利用被保温材料包裹的直浇道对铸件中的凝固界面形成一定高差的液体压头，保证铸件凝固得到充足补缩，防止了缩松缺陷的产生。
在本实施例中，所述直浇道的外周包裹有保温材料4。保温材料4使直浇道内散热缓慢，从而在浇注后使得浇道凝固界面14的向下推进变得缓慢，进而有利于型腔12内的铸件凝固得到充足补缩。
在本实施例中，所述冷却环7为水冷结构。采用水冷结构有利于提高冷却的效率。
在本实施例中，所述激冷盘5为水冷铜盘结构，覆盖在模壳上面的敞口上。激冷盘5的作用是使浇注的合金液形成激冷细晶层，并通过高效冷却有利于晶粒向下生长。
在本实施例中，在所述加热器10的外周设置有保温套9，以减少热量损失，保持热室中的温度。
本实施例中的升降装置13由驱动机构及托盘构成，托盘用于放置模壳11，驱动机构可以是电机加上传动机构实现，传动机构可以是丝杆传动或液压传动等机构。
进一步的，本实施例中，定向凝固装置还可以通过在所述模壳11与激冷盘5之间设置选晶器，使得向下生长的定向柱晶仅有一个晶粒被选出，继续向下长成单晶铸件。
本实施例中，热室位于下方，冷室位于上方，浇注充型后将模壳由热室上升穿过隔热板进入冷却区，金属液自上而下沿重力方向顺序凝固。与传统方式相比，凝固方向由逆重力方向变为顺重力方向，使得糊状区液体形成上轻下重的稳定状态，从而避免了传统工艺中由于反重力凝固造成的对流现象，从源头上消除了高温合金定向和单晶铸件中普遍存在的雀斑缺陷。
实施例二
本发明同时还提供一种基于实施例一所述定向凝固装置的定向凝固铸造的方法，参考图1及图2，其包括步骤：
S1，将模壳11放置于热室21内进行预热；
S2，将合金液通过所述模壳11的浇口2沿重力方向1浇入，使合金液通过直浇道3进入型腔12，上升到顶部敞口处与激冷盘5接触形成激冷层6；
S3，浇注完成后，通过升降装置13沿向上方向18将浇注后的模壳11由热室21穿过隔热板8以预定速度上升到冷室22，上升速度控制在1到10mm/min。在模壳上升过程中，模壳中的金属液从激冷层6开始逐渐向下凝固，凝固界面16沿重力方向17向下推移，形成柱状晶组织15。直浇道3中的凝固界面14始终高于铸件中的凝固界面16，能够对后者进行补缩。直到整个模壳穿过隔热板升入冷室，模壳内的金属液全部凝固，最终得到无雀斑缺陷的定向凝固铸件。在设置有选晶器的条件下可得到无雀斑的单晶铸件。
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 (9)

1.一种定向凝固装置，其特征在于，所述装置包括：热室及冷室，所述冷室设置于所述热室的上方，所述热室及冷室之间设置有隔热板；
其中，在所述热室内设置有加热器、升降装置、以及模壳，在所述冷室内设置有冷却环，所述加热器环绕所述模壳设置；
所述模壳上部为敞口，在所述敞口处设置有激冷盘。
2.按照权利要求1所述的定向凝固装置，其特征在于，所述模壳的浇道为直浇道，所述直浇道设于所述模壳一侧，在底部与所述模壳的型腔连通。
3.按照权利要求2所述的定向凝固装置，其特征在于，所述直浇道的外周包裹有保温材料。
4.按照权利要求1所述的定向凝固装置，其特征在于，所述冷却环为水冷结构。
5.按照权利要求1所述的定向凝固装置，其特征在于，所述激冷盘为水冷铜盘结构。
6.按照权利要求1所述的定向凝固装置，其特征在于，在所述加热器的外周设置有保温套。
7.一种基于如权利要求1所述定向凝固装置的定向凝固铸造的方法，其特征在于，包括步骤：
S1，将模壳放置于热室内进行预热；
S2，将合金液通过所述模壳的浇口浇入，使型腔内合金液上升到顶部与激冷盘接触形成激冷层；
S3，浇注完成后通过升降装置将充满金属液的模壳由热室穿过隔热板上升直到全部进入冷室，模壳内的金属液实现从上向下的顺重力定向凝固。
8.按照权利要求1所述的定向凝固铸造的方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述升降装置上升速度控制在1到10mm/min。
9.按照权利要求1所述的定向凝固铸造的方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述模壳的浇道为直浇道，所述直浇道设于所述模壳一侧与所述模壳底部连通，浇注时所述合金液从所述模壳的底部进入模壳内。
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