CN112553682A - 一种用于单晶叶片定向凝固铸造的平行式加热和冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于单晶叶片铸造的平行式加热和冷却装置，包括平行式加热组件、平行式冷却组件、支架和隔热挡板；其中，平行式加热组件和平行式冷却组件分别置于支架的上部和下部，且由隔热挡板隔开实现热区与冷区的隔离。本发明突破原有定向凝固炉环形加热器和环形组模方式的限制，采用平行式加热器和冷却器进行加热和冷却，使叶片两侧都成了阳面，得到对称而相同的加热和冷却效果，消除了传统环形加热器的“阴影效应”，获得了更加均匀的温度场，从而消除单晶叶片铸造过程中因温场不均匀造成的缺陷，提高单晶叶片的品质和成品率。将加热器设计成上、下双区加热，可以根据叶片的实际尺寸选择单区或者双区加热，既提高了加热的效率，节约了能源，也提高了温度场的均匀性。

Description

一种用于单晶叶片定向凝固铸造的平行式加热和冷却装置

技术领域

本发明属于定向凝固铸造应用技术领域，具体涉及一种用于单晶叶片定向凝固铸造的平行式加热和冷却装置。

背景技术

在传统的定向凝固制备单晶叶片的工艺中，为了匹配Bridgman定向凝固设备中的环形加热器和增加生产效率，用于铸造高温合金单晶叶片的陶瓷模壳也需要组成环形的叶片模壳组，如图1所示。但是，在定向凝固的过程中，环形模壳组会在内侧形成一个环形的封闭区域，在模壳组抽拉的过程中，热区与冷区之间完全贯通不能隔热，在加热器内面向加热器的一层受热快温度上升也快，而模壳背对加热器面因不能有效受热，相对于面向加热器面存在温度上升较慢的情况。当模壳降入下部冷却区时，背对冷却器不能有效散热，温度的降低滞后于面向冷却器面。这种环式模壳组内侧形成的温度较低的筒形封闭区域被称为“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，使得本来就偏低的阴影区温度变得比阳面更低。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，导致大量的铸造缺陷，如杂晶和雀斑都会在铸件阴影区的一侧形成，这种现象被称之为“阴影效应”。随着叶片尺寸主要是宽度的增加，叶片内外侧之间凝固条件的差别会随着距离的增大而增大，因而阴影效应更加严重。

在申请人团队前期的研究中发现采用环式模壳叶片组在单晶高温合金定向凝固的过程中，90％的杂晶、100％的雀斑缺陷都形成于“阴影区”。除此之外，对于雀斑缺陷，即使是在冷却速率较大的叶片身部位，当“阴影效应”存在时，也会导致雀斑缺陷的产生，但是这种现象却不会在单个叶片的凝固过程中发生。因此在工业生产中，相比于叶片自身几何形状对高温合金单晶叶片完整性的影响，“阴影效应”的影响更加显著。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于单晶叶片定向凝固铸造的平行式加热和冷却装置。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种用于单晶叶片铸造的平行式加热和冷却结构，包括平行式加热组件、平行式冷却组件、支架和隔热挡板；

其中，平行式加热组件和平行式冷却组件分别置于支架的上部和下部，且由隔热挡板隔开实现热区与冷区的隔离。

优选地，所述的平行式加热组件包括保温包、电阻加热器、加热器电极、引电极、加热电源和热区控温装置；

其中，电阻加热器设置于保温包内，在保温包一侧设有与电阻加热器相连的加热器电极，引电极设置于保温包外部且与所述加热器电极相连，引电极还与外部加热电源相连；热区控温装置设置在保温包的另一侧。

进一步优选地，热区控温装置与保温包通过螺栓结构连接固定。

优选地，所述的热区控温装置由若干B型热电偶、陶瓷保护套管和热电偶固定接口组成；B型热电偶穿过陶瓷保护套管，且通过在加热器与保温包之间的热电偶固定接口与热区相连，用于测量热区的温度场分布。

优选地，所述电阻加热器为矩形结构，采用C-C复合材料制成，分为上、下两区，其中上区最高加热温度为1650℃，下区最高加热温度为1650℃，能够根据实际叶片大小选择单区或者双区加热。

优选地，所述的保温包采用石墨硬毡作为保温材料，采用不锈钢作为保温包支撑材料，保温包为矩形结构用于包覆加热体。

优选地，所述加热器电极为石墨电极，通过将石墨电极与加热电源进行连接，可实现加热器的通电加热；所述引电极为铜电极，用于将加热电极与外部加热电源进行连接。

优选地，所述的平行式冷却组件包括结晶器、水冷铜环、冷却水管和冷区控温装置；

其中，冷却水管有两路，结晶器与其中一路冷却水管构成的冷却回路密封相连，能够在冷区进行上、下抽拉运动实现定向凝固冷却；水冷铜环与另一路冷却水管相连构成封闭冷却回路，位于隔热挡板下侧且固定在支架上；冷区控温装置固定在支架下方，用于测量冷区的温度场分布。

优选地，所述的冷区温控装置由若干B型热电偶、陶瓷保护套管和热电偶固定接口组成；B型热电偶穿过陶瓷保护套管，且通过设置在固定在支架上的热电偶固定接口与冷区相连，用于测量冷区的温度场分布。

优选地，所述水冷铜环为铜质材料制成的矩形冷却环，其内环尺寸与结晶器外缘尺寸保持一致。

优选地，所述支架由不锈钢材料制成，主要用于平行式加热组件与冷却组建的固定。所述隔热挡板为矩形结构，采用石墨硬毡制成，位于加热组件与冷却组件之间，将凝热区与冷区隔离开来，以保证定型固过程中的温度场均匀。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、突破原有定向凝固炉环形加热器和环形组模方式的限制，采用平行式加热器和冷却器进行和冷却，使叶片两侧都成了阳面，得到对称而相同的加热和冷却，消除了“阴影效应”，获得了更加均匀的温度场，从而可以消除单晶叶片铸造过程中因温场不均匀导致的缺陷，提高单晶叶片的品质和成品率；

2、将加热器设计成上、下双区加热，可以根据叶片的实际尺寸选择单区或者双区加热，既提高了加热的效率，节约了能源，也提高了温度场的均匀性；

3、在隔热挡板下部增加水冷铜环，进一步提高高温合金凝固时固液界面的温度梯度，同时可以将固液界面前沿控制在隔热挡板的中心位置处，进一步提高凝固时温度场的均匀性；

4、采用平形式加热和冷却组件，可以使炉体变得更为紧凑合理，提高生产效率。这是因为，在采用传统Bridgman工艺进行叶片生产时为了提高生产率，炉子需要尽量做的很大，从而保证每炉可以浇铸更多的叶片。然而当叶片沿加热桶内侧呈环状排列，在保持叶片间距的条件下，炉腔的截面积与加热桶周长的平方成正比，也与叶片数的平方成正比。例如说，要使每炉叶片的浇注数量增加一倍，就要使炉腔的截面积增加3倍。而加热桶直径越大，其环状模壳中心的阴影区就越大，这不但浪费了炉腔空间，更使加热区和冷却区之间的贯通面积随加，损害了两区之间的隔热，恶化了定向凝固的条件，这就是为什么用大炉子浇注叶片数量多的模壳时，铸件质量会严重下降，废品率大大增加。而采用本发明的平时式加热和冷却装置后，叶片呈平行式排列，炉腔的截面积与加热板长度成正比，即与叶片数成正比关系，而不是像传统炉中那样成平方关系，从而大大节省了炉子容积。而且由于消除了“阴影效应”，叶片数量的增加并不会恶化冷热区之间的隔热状况，这就保证了在扩大炉体容积提高浇注数量的同时，并不会降低铸件的质量，这也本发明的新型加热冷区结构相对于传统Bridgman式炉筒形加热冷却结构的显著优势和创新。

附图说明

图1是传统Bridgman加热与模组方式的结构示意图；图中1为高温合金叶片，2为陶瓷模壳，3为中柱，4为加热体；

图2是传统Bridgman加热与模组方式“阴影效应”的示意图；

图3是采用本发明用于单晶叶片定向凝固铸造的平行式加热和冷却示意图；图中，1为高温合金叶片，2为陶瓷模壳，4为加热体；

图4是传统Bridgman工艺采用圆筒形加热器的温场分布及固液界面模拟图；

图5是本发明采用平行式加热和冷却装置的温场分布及固液界面模拟图；

图6是传统Bridgman工艺和本发明的平行式加热和冷却装置条件下出现雀斑缺陷的对比图；

图7是本发明的用于单晶叶片定向凝固铸造的平行式加热和冷却装置的结构图；其中，(a)为轴测图；(b)为剖面图；

图中，8为支架，9为保温包，10为电阻加热器，11为加热器电极，12为引电极，13为加热电源，14为隔热挡板，15为热区控温装置，16为结晶器，17为水冷铜环，18为冷却水管，19为冷区控温装置，20为浇铸漏斗，21为叶片陶瓷模组。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图7中(a)和(b)，为本发明的一种用于单晶叶片定向凝固铸造的平行式加热和冷却装置，该装置由平行式加热组件和平行式冷却组件、隔热挡板14和支架8构成，其中平行式加热组件固定在支架8的上部，平行式冷却组件固定在支架8的下部，在加热组件与冷却组件之间有隔热挡板14将其隔开，实现热区与冷区的隔离。

进一步地，本发明的平行式加热组件由保温包9、电阻加热器10、加热器电极11、引电极12、加热电源13、隔热挡板14和热区控温装置15组成，其中电阻加热10器在保温包9内部，在加热组件的一侧由加热器电极11与电阻加热器10相连，穿过保温包9与保温包9外部的引电极12相连，进一步通过引电极12与外部加热电源13；另一侧由控温装置15与保温包通过螺栓结构连接固定。平行式冷却组件由结晶器16、水冷铜环17、冷却水管18和冷区控温装置19组成，其中结晶器16与冷却水管18相连，可在冷区实现上下抽拉运动，水冷铜环与另一路冷却水管18相连，位于隔热挡板下侧固定在支架8上。

进一步优选的，本发明的支架8由不锈钢材料制成，主要用于平行式加热组件与冷却组建的固定。

进一步优选的，本发明的保温包9主要采用整体石墨硬毡作为保温材料，采用不锈钢作为保温包支撑材料，将其制成矩形结构，将加热体整体包覆其中。

进一步优选的，本发明的电阻加热器10为矩形结构，采用C-C复合材料作为加热器材料，分为上、下两区，其中上区最高加热温度为1650℃，下区最高加热温度为1650℃，可根据实际叶片大小选择单区或者双区加热。

进一步优选的，本发明的加热器电极11为石墨电极，通过将石墨电极与加热电源5进行连接，可实现加热器的通电加热。

进一步优选的，本发明的引电极12为铜电极，主要是将加热电极与外部加热电源13进行连接。

进一步优选的，本发明的隔热挡板14为矩形结构，采用石墨硬毡作为隔热挡板材料，将结构位于加热组件与冷却组件之间，将热区与冷区隔离开来，以保证定型凝固过程中的温度场均匀。

进一步优选的，本发明的热区温控系统15主要由若干B型热电偶、陶瓷保护套管和热电偶固定接口组成，将B型热电偶穿过陶瓷保护套管，再通过在加热器10与保温包9之间的热电偶固定接口与热区相连，用于测量热区的温度场分布

进一步优选的，本发明的结晶器16为矩形结构的铜板，底部与冷却水管11构成的冷却回路进行密封连接，实现定向凝固冷却。

进一步优选的，本发明的水冷铜环17为铜质材料制成的矩形冷却环与冷却水管18构成封闭冷却回路，其内环尺寸大小与结晶器外缘尺寸保持一致，其位于隔热挡板下部，采用耐高温螺栓与支架进行固定。

进一步优选的，本发明的一种用于单晶叶片定向凝固铸造的平行式加热和冷却装置，其特征在于：冷区温控系统19主要由若干B型热电偶、陶瓷保护套管和热电偶固定接口组成，将B型热电偶穿过陶瓷保护套管，再通过在固定在支架8上的热电偶固定接口与冷区相连，用于测量冷区的温度场分布。

本发明的用于单晶叶片定向凝固铸造的平行式加热和冷却装置，在工作时：

接通电源后平行式电阻加热器开始加热，加热到铸造工艺指定温度后进入保温状态，等待合金浇注，待高温合金浇注完毕后，根据设定的铸造工艺，冷却组件开始向下抽拉，对铸件实现定向冷却凝固，待整个模组下拉至冷区后整个定向凝固过程结束。

本发明上述的用于单晶叶片定向凝固铸造的平行式加热和冷却装置，解决现有Bridgman定向凝固中环形加热器所存在的“阴影效应”(参见图2)。与现在世界上通用的定向凝固炉相比，它的加热器和冷却器不再是圆桶形，而是呈平板式平行排列，采用平行式加热器进行加热以及平行式冷却组件进行冷却，对应的隔热挡板也设计成为矩形结构，模壳不再需要组成环形模组，而是直接将其放置于平行式加热器和冷却器的底板上即可，如图3所示，且模壳的摆放可以根据加热器的大小和模壳的大小摆放为一列或者两列甚至多列，以提高生产效率。采用本发明的平行式加热和冷却装置以及模壳摆放方式，可以使每个叶片两侧都成了阳面，得到对称而相同的加热和冷却效果，从而使模壳在面向加热体的一侧与背对加热体的一层受热均匀，避免由于温场不均匀造成的杂晶缺陷，有效的提高单晶叶片铸造的成品品质、降低成本。

根据实验研究发现，在采用传统的Bridgman工艺生产叶片时，通过数值模拟的方法可以看出其固液界面存在明显的弯曲，如图4所示；而采用本发明的平行式加热与冷却装置后，其温场分布更加均匀，固液界面在凝固前沿保持一个水平状态，如图5所示，这种更加均匀的温度场和平直的固液界面能够有效的抑制单晶叶片生产过程中的雀斑和杂晶缺陷，如图6所示，从而显著提高单晶叶片的成品率。

综上所述，本发明的用于单晶叶片定向凝固铸造的平行式加热和冷却装置，可以消除传统Bridgman定向凝固中的“阴影效应”，使叶片在定向凝固过程中获得均匀的温度场和凝固前沿，降低定向凝固过程中杂晶和雀斑缺陷在单晶叶片中的形成；上、下双区加热器，可以根据叶片的实际尺寸选择单区或者双区加热，既提高了加热的效率，节约了能源，也提高了温度场的均匀性；在隔热挡板下部增加水冷铜环，进一步提高高温合金凝固时固液界面的温度梯度，同时可以将固液界面前沿控制在隔热挡板的中心位置处，进一步提高凝固时温度场的均匀性；采用平形式加热和冷却组件，可以是炉体变得更为紧凑合理，提高生产效率。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于单晶叶片定向凝固铸造的平行式加热和冷却装置，其特征在于，包括平行式加热组件、平行式冷却组件、支架(8)和隔热挡板(14)；

其中，平行式加热组件和平行式冷却组件分别置于支架(8)的上部和下部，且由隔热挡板(14)隔开实现热区与冷区的隔离。

2.根据权利要求1所述的用于单晶叶片定向凝固铸造的平行式加热和冷却装置，其特征在于，所述的平行式加热组件包括保温包(9)、电阻加热器(10)、加热器电极(11)、引电极(12)、加热电源(13)和热区控温装置(15)；

其中，电阻加热器(10)设置于保温包(9)内，在保温包(9)一侧设有与电阻加热器(10)相连的加热器电极(11)，引电极(12)设置于保温包(9)外部且与所述加热器电极(11)相连，引电极(12)还与外部加热电源(13)相连；热区控温装置(15)设置在保温包(9)的另一侧。

3.根据权利要求2所述的用于单晶叶片定向凝固铸造的平行式加热和冷却装置，其特征在于，所述的热区控温装置(15)由若干B型热电偶、陶瓷保护套管和热电偶固定接口组成；B型热电偶穿过陶瓷保护套管，且通过在加热器(10)与保温包(9)之间的热电偶固定接口与热区相连，用于测量热区的温度场分布。

4.根据权利要求2所述的用于单晶叶片定向凝固铸造的平行式加热和冷却装置，其特征在于，所述电阻加热器(10)采用C-C复合材料制成，分为上、下两区，其中上区最高加热温度为1650℃，下区最高加热温度为1650℃，能够根据实际叶片大小选择单区或者双区加热。

5.根据权利要求2所述的用于单晶叶片定向凝固铸造的平行式加热和冷却装置，其特征在于，所述的保温包(9)采用石墨硬毡作为保温材料，采用不锈钢作为保温包支撑材料，保温包(9)为矩形结构用于包覆加热体。

6.根据权利要求2所述的用于单晶叶片定向凝固铸造的平行式加热和冷却装置，其特征在于，所述加热器电极(11)为石墨电极；所述引电极(12)为铜电极。

7.根据权利要求1所述的用于单晶叶片定向凝固铸造的平行式加热和冷却装置，其特征在于，所述的平行式冷却组件包括结晶器(16)、水冷铜环(17)、冷却水管(18)和冷区控温装置(19)；

其中，冷却水管(18)有两路，结晶器(16)与其中一路冷却水管(18)构成的冷却回路密封相连，能够在冷区进行上、下抽拉运动实现定向凝固冷却；水冷铜环(17)与另一路冷却水管(18)相连构成封闭冷却回路，位于隔热挡板(14)下侧且固定在支架(8)上；冷区控温装置(19)固定在支架(8)下方，用于测量冷区的温度场分布。

8.根据权利要求7所述的用于单晶叶片定向凝固铸造的平行式加热和冷却装置，其特征在于，所述的冷区温控装置(19)由若干B型热电偶、陶瓷保护套管和热电偶固定接口组成；B型热电偶穿过陶瓷保护套管，且通过设置在固定在支架(8)上的热电偶固定接口与冷区相连，用于测量冷区的温度场分布。

9.根据权利要求7所述的用于单晶叶片定向凝固铸造的平行式加热和冷却装置，其特征在于，所述水冷铜环(17)为铜质材料制成的矩形冷却环，其内环尺寸与结晶器(16)外缘尺寸保持一致。

10.根据权利要求1～9中任意一项所述的用于单晶叶片定向凝固铸造的平行式加热和冷却装置，其特征在于，所述支架(8)由不锈钢材料制成；所述隔热挡板(14)为矩形结构，采用石墨硬毡制成。

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