CN113512763A - 一种高温合金定向凝固装置及凝固方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温合金定向凝固装置及凝固方法，属于金属铸造技术领域，旨在解决锚形模壳散热不均匀导致的晶体组织中雀斑等缺陷性问题和高温合金定向凝固过程中的晶体的浪费问题。本发明通过加热器便可以实现合金液的保温或过热状态，通过提拉杆将锚形模壳以恒定速度向上提拉，再对锚形模壳上设置水冷系统，此时锚形模壳逐渐浮出恒温流质使液面的部分热量散失，从而产生温度梯度，迫使接触子晶的合金液向下定向凝固形成单晶体，可以有效的解决锚形模壳的散热问题，也避免了晶体组织中雀斑等缺陷性问题，降低了定向凝固过程中的晶体的浪费。

Description

一种高温合金定向凝固装置及凝固方法

技术领域

本发明属于金属铸造领域，涉及一种高温合金定向凝固装置及凝固方法。

背景技术

高温合金是一类重要的应用于燃气轮机、航空航天发动机核心部件的关键Ni基金属材料，其能够在较高温度的服役条件下依然保持良好的强度、刚度、抗蠕变、抗腐蚀等优异的理化特性。目前绝大多数常用的高温合金均属变形、固溶、时效、粉末高温合金，如典型的Inconel718，能够保持在650摄氏度条件下依然良好的综合性能。

但在更高温度下(如现代航空发动机涡轮前燃烧室温度已经超过1400摄氏度，即便在耐热涂层和气冷作用下高温合金所承载的温度也已经逼近其理论液相线)，晶界缺陷反而会成为弱化相。因而，为进一步提高高温合金适配条件，必须发展消除了晶界缺陷的单晶体进行服役。

除却合金化设计以外，领域内一般以定向凝固手段控制凝固生长条件，从而保证凝固过程形核长大的高温合金是由唯一的1个晶粒长出，避免了晶界缺陷的产生。通过这种手段设计了如CMSX-4、CMSX-6等高温合金，并在发动机领域取得了巨大成功。

为实现这一过程，领域内发展了向下抽拉法(Bridgeman法)。其核心设计在于，将上下开口的合金叶片陶瓷模壳竖直放置，在模壳下开口安置有子晶和冷铁；浇铸时，熔化的合金液从模壳上进入模壳之中并接触下部的子晶，随后将整体缓慢向下抽拉以使得模壳进入冷区，从而建立其从下向上的冷却梯度，迫使合金液体向上定向凝固。

然而，定向凝固以获得单晶的成品率并不是100％的。在定向凝固过程当中，合金依然会由于一些未知的、偶发因素，导致在单晶组织中出现诸如“雀斑”、“马赛克”等缺陷，并包含与主要晶粒取向并不相同的杂晶。尽管这些组织在整个产品中的发生概率并不高，但由于其携带了额外的晶界缺陷，从而使得零件的可靠性不符合预期。

一般认为，在这一凝固过程中，杂晶等缺陷产生的原因通常与不理想的温度场与合金固有的偏析凝固过程有关。高温合金的凝固过程是以树枝晶糊状界面向液相推进的，当凝固进行到一定程度时，树枝晶的枝晶臂将富集高熔点大密度相(如W，Re)，而在枝晶间的液相区域内则包含有低熔点低密度相。当以Bridgeman法进行向下抽拉时，液固界面上部的剩余液相可能与液固界面中的枝晶间的低密度液体发生对流，从而造成对树枝晶的破坏，加剧了产生杂晶的可能。

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高温合金定向凝固装置，旨在解决现有技术中锚形模壳散热不均匀导致的晶体组织中雀斑等缺陷性问题、高温合金定向凝固过程中的晶体的浪费和高温合金定向凝固过程中的杂晶含量高等技术问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明提出的一种高温合金定向凝固装置，包括舱体和两个提拉杆，在舱体的上方设置有舱盖，提拉杆穿过舱盖伸入舱体内；舱盖上还设有浇孔；

所述舱体内设置有加热器、恒温坩埚、水冷系统和锚形模壳，恒温坩埚中填充有恒温流质，加热器用于加热恒温流质，锚形模壳设置在恒温坩埚内，在锚形模壳的上方设有子晶，水冷系统设置在子晶的上方，提拉杆用于将锚形模壳和水冷系统按照恒定速度向上提拉，锚形模壳上开设有浇口，浇口与舱盖上的浇孔相对而设，用于对锚形模壳内注入合金液。

优选地，锚形模壳还包括厚颈、浇道、合金模和流道，浇口的下方连通有浇道，浇道的下方连通有一个放射状的流道，该流道含有若干个分支，在每一个分支的端部均连通有1个合金模，子晶设置在合金模的上方，厚颈设置在浇口和浇道的连接处。

优选地，所述锚形模壳为氧化铝陶瓷。

优选地，所述提拉杆呈“L”型，两个提拉杆卡合固定在厚颈的底端。

优选地，水冷系统包括冷铁、水冷环和水冷软管，所述冷铁环绕设置在舱盖的上方，水冷环位于子晶的上方，水冷软管的下端与水冷环连接，水冷软管的上端穿过舱盖与冷铁连通。

优选地，在舱体的内底面与恒温坩埚的底壁之间还设有阻热垫。

优选地，在该恒温流质的表面铺有隔热浮块，隔热浮块的密度小于恒温流质的密度。

优选地，所述恒温流质为铝、铜、或铝铜合金；

所述隔热浮块为陶瓷球、陶瓷瓦片或者不规则的陶瓷颗粒，隔热浮块的尺寸在2-10mm之间。

优选地，还包括气道，气道位于舱体的侧壁上用于对舱体抽真空。

本发明还公开了一种高温合金定向凝固装置的凝固方法，包括如下步骤，

步骤1：准备阶段

安装高温合金定向凝固装置，将恒温流质倒入恒温坩埚没过子晶的平面；

步骤2：预热恒温流质

打开加热器使恒温坩埚内的恒温流质熔化以成为流体；

步骤3：注入合金液

将准备好的过热合金液从浇孔注入，使得合金液体充入锚形模壳的内部，合金液没过子晶并使合金液平面在锚形模壳的附近，关闭浇孔；

步骤4：使恒温坩埚保温

控制加热器的功率，使恒温坩埚内的温度能保证合金液过热；

步骤5：向上提拉锚形模壳

打开水冷系统，控制提拉杆将锚形模壳按照恒定的速度向上提拉，此时锚形模壳逐渐浮出恒温流质使液面上的部分热量散失，从而产生温度梯度，迫使接触子晶的合金液向下定向凝固形成单晶体，至锚形模壳完全离开恒温流质提拉结束。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开的一种高温合金定向凝固装置，对恒温坩埚内加入恒温流质，对恒温坩埚外壁设置加热器，便于加热器加热恒温坩埚内的恒温流质，将锚形模壳设置在恒温坩埚内，可以使加热的恒温流质充满锚形模壳的外壁；对舱盖上设置浇孔，对锚形模壳上设置浇口，便于将合金液从浇孔处注入锚形模壳内，采用恒温流质加热锚形模壳内的合金液；通过控制加热器的功率来保证锚形模壳内的合金液始终保持过热状态；将水冷系统设置在子晶的上方，在打开水冷系统时，锚形模壳和水冷系统在两个提拉杆的作用下将锚形模壳和水冷系统以恒定速度向上平稳的提拉，锚形模壳逐渐浮出恒温流质使液面的部分热量散失，从而产生温度梯度，迫使接触子晶的合金液向下定向凝固形成单晶体，直至锚形模壳完全离开恒温流质提拉结束。本发明提出的高温合金定向凝固装置结构简单，通过加热器便可以实现合金的保温或过热状态，操作简单，采用水冷系统便能产生温度梯度，有效的解决了锚形模壳的散热问题，也避免了晶体组织中雀斑等缺陷性问题，降低了定向凝固过程中的晶体的浪费。

进一步地，浇口的下方连通有浇道，浇道的下方连通有放射状的流道，流道的若干分支的端部均连通有1个合金模，便于锚形模壳散热更均匀，子晶设置在合金模的上方便于合金液与子晶接触形成单晶体，浇口和浇道的连接处设有厚颈，提拉杆呈“L”型，提拉杆卡合固定在厚颈的底端，锚形模壳的厚颈设计一方面可以增强锚形模壳的强度，在提拉时减少锚形模壳被破坏的倾向，另一方面可以在浇口处形成隔热作用以避免环绕的水冷环对浇口提前凝固。

进一步地，冷铁环绕设置在舱盖的上方便于对，水冷环位于子晶的上方，水冷软管的下端与水冷环连接，水冷软管的上端穿过舱盖与冷铁连通，这样的设计能够让水冷系统对需要冷却的部分均能发挥作用。

进一步地，阻热垫位于舱体的内底面和恒温坩埚之间，可以在加热恒温坩埚时避免恒温坩埚直接与舱体接触，使舱体内温度过高，不利于锚形模壳降温。

进一步地，隔热浮块位于恒温流质的上方，可以避免液态的恒温流质热量散失过快，不能充分对锚形模壳内的合金液加热。

进一步地，因为氧化铝陶瓷硬度大，耐磨性能极好，重量轻，因此，锚形模壳采用氧化铝陶瓷材质制成。

进一步地，气道位于舱体的侧壁上可以对舱体抽真空。

进一步地，浇孔处设有开关，利于合金液灌注与密封。

进一步地，所述恒温流质为铝，铜，或铝铜合金，因为常规加热只能以热辐射进行，由于辐射的特殊性，热传输功率低，恒温均匀性不好，不利于温度控制。使用金属液体恒温控制手段，由于金属流体的高热传导特性，可以保证温度场是几乎理想均匀的，且金属的传热效率很高，温度控制更有效，也更灵敏，温度与加热几乎没有迟滞，但由于金属液体对外散热的换热系数很大，为防止热损失，使用密度小于金属的不规则阻热材料作为隔热浮块，隔热浮块为陶瓷球，陶瓷瓦片或者不规则的陶瓷颗粒，隔热浮块的尺寸在2-10mm之间，可以有效避免热损失，达到节能与保温的目的。

本发明还公开了一种高温合金定向凝固装置的凝固方法，该方法只需通过水冷系统便可以使锚形模壳产生温度梯度，有效的解决了锚形模壳的散热问题。

附图说明

图1为本发明的高温合金定向凝固装置示意图；

图2为本发明的高温合金定向凝固装置的锚形模壳结构示意图；

图3为本发明的高温合金定向凝固装置的水冷环与合金模排布图；

图4为本发明的高温合金定向凝固方法流程示意图；其中，(a)为未注入合金液体；(b)为注入合金液体；(c)为向上提拉；(d)为完全提拉完成凝固。

其中：1-舱体；101-气道；2-舱盖；201-浇孔；202-冷铁；3-提拉杆；4-加热器；5-恒温坩埚；501-阻热垫；502-恒温流质；503-隔热浮块；6-水冷环；601-子晶；602-水冷软管；7-锚形模壳；701-厚颈；702-浇口；703-浇道；704-合金模；705-流道。

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：

参照图1，一种高温合金定向凝固装置，包含舱体1、舱盖2、两个提拉杆3、加热器4、恒温坩埚5、阻热垫501、恒温流质502、隔热浮块503、水冷系统、子晶601、锚形模壳7；所述水冷系统包括水冷环6、冷铁201和水冷软管602；所述舱体1的侧壁上设置有带阀门的气道101与外接真空设备连通；所述舱盖2位于舱体1之上，舱盖2中心还包含有垂直贯通的可开合的浇孔201，以利于合金液灌注与密封；所述舱盖2相对于舱体1的外侧还安装有连通水冷的冷铁202，冷铁202环绕设置在舱盖2的上方；所述恒温坩埚5通过间隔有阻热垫501而固定安置在舱体1内部的底上，恒温坩埚5内部还放置有恒温流质502，恒温流质502之上还有隔热浮块503；所述恒温坩埚5外壁还安装有加热器4，这样设计时，可以通过加热将恒温坩埚5内的恒温流质502加热至液态，并通过密度小于恒温流质502的隔热浮块503悬浮其上以减少热损失，从而提高恒温效果。

参照图2，所述锚形模壳7包括厚颈701、浇口702、浇道703、合金模704和流道705，锚形模壳7上部设有浇口702，浇口702下连通有浇道703，浇道703下方连通有放射状的流道705，该流道705含有若干个分支，流道705的若个分支的端部均连通有1个合金模704，合金模704的上端拥有开口并安装有子晶601，浇口702和浇道703的连接处的增厚部位是厚颈701，这种设计能够保证合金液体自从浇口702冲入后，从合金模704的下方进入接触上部的子晶601，使得凝固发生于上部。

优选地，锚形模壳7连通的合金模704可以为图3(a)所示的4个合金模704，也可以是图3(b)所示的6个合金模704，使锚形模壳散热更均匀。

所述子晶601上部还安装有水冷环6，水冷环6环绕于浇口702并于其保持等间隙，水冷环6的一侧还连有水冷软管602，水冷软管602的另一端穿过舱盖2连接至冷铁202，这样的设计能够让水冷系统对需要冷却的部分均能发挥作用。

所述锚形模壳7的厚颈701处卡有L形提拉杆3的下端，所述提拉杆3的主体竖直安置向上穿过舱盖2，另有机电装置控制其上下，所述锚形模壳7可以被提拉杆3向上竖直提拉；锚形模壳7的厚颈701设计一方面可以增强锚形模壳7的强度，在提拉时减少锚形模壳7被破坏的倾向，另一方面可以在浇口702处形成隔热作用以避免环绕的水冷环6对浇口702提前凝固。

如图4为本发明的高温合金定向凝固方法示意图，其中，图4(a)为未注入合金液的示意图；图4(b)为注入合金液示意图；图4(c)为向上提拉锚形模壳7和水冷系统的示意图；图4(d)为完全提拉完成凝固示意图。本发明还提出了一种高温合金定向凝固装置的凝固方法，包括如下步骤：

步骤1准备：

按照本发明所描述的一种定向凝固单晶高温合金装置，将所述的各个要素安置在描述中所设置的位置；选择固体的恒温流质502倒入恒温坩埚5之中并确保已经在恒温流质502上安置了足量覆盖表面的隔热浮块503，确保已经安置好了子晶601并连接水冷环6的锚形模壳7与浇孔201、浇口702共轴使浇孔201和浇口702相对而设，用于对锚形模壳7内注入合金液；恒温流质502必须没过子晶601的平面；

步骤2预热与真空：

打开气道101，对舱体1内抽真空，在达到真空后，打开加热器4以让恒温坩埚5内的恒温流质502熔化以成为流体，并使得隔热浮块503漂浮在流体表面，随后关闭气道101，关闭真空；

步骤3注入合金液：

将准备好的过热合金液从浇孔201注入，使得合金液体完全充入锚形模壳7的内部，没过子晶601并使得合金液平面在厚颈701附近，随后关闭浇孔201；

步骤4保温：

通过控制加热器4的功率，使得恒温坩埚5内的温度保持在相对于合金液一定过热；

步骤5向上提拉凝固：

打开水冷系统，使得冷铁202与水冷环6构成冷域，控制提拉杆3将锚形模壳7(包含固定其上的子晶601与水冷环6)按照恒定的速度向上提拉，此时锚形模壳7会逐渐浮出恒温流质502从而使得液面上的部分失去热量，从而产生温度梯度，迫使接触子晶601的合金液向下定向凝固，形成单晶体；这一过程持续至所有锚形模壳7拉出恒温流质502。

实施例1：

选择CMSX-4合金作为实验材料，选择铝块作为恒温流质502，选择氧化铝陶瓷片(10mm)作为隔热浮块503，选择氧化铝陶瓷锚形模壳7，选择4个合金模704的排布，将恒温流质502保温至1450℃，合金液浇铸温度在1500℃，在合金液完全充型后，控制向上提拉速度1mm/min进行向上凝固，实验表明，4个合金模704之中的单晶样品均发现了少量杂晶。

实施例2：

选择CMSX-4合金作为实验材料，选择铝块作为恒温流质502，选择氧化铝陶瓷球(10mm)作为隔热浮块503，选择氧化铝陶瓷锚形模壳7，选择6个合金模704的排布，将恒温流质502保温至1500℃，合金液浇铸温度在1500℃，在合金液完全充型后，控制向上提拉速度2mm/min进行向上凝固，实验表明，仅1个合金模704之中的单晶样品均发现了少量杂晶。

实施例3：

选择CMSX-4合金作为实验材料，选择铜块作为恒温流质502，选择氧化铝陶瓷片(5mm)作为隔热浮块503，选择氧化铝陶瓷锚形模壳7，选择4个合金模704的排布，将恒温流质502保温至1500℃，合金液浇铸温度在1550℃，在合金液完全充型后，控制向上提拉速度3mm/min进行向上凝固，实验表明，未发现杂晶。

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)

1.一种高温合金定向凝固装置，其特征在于，包括舱体(1)和两个提拉杆(3)，在舱体(1)的上方设置有舱盖(2)，提拉杆(3)穿过舱盖(2)伸入舱体(1)内；舱盖(2)上还设有浇孔(201)；

所述舱体(1)内设置有加热器(4)、恒温坩埚(5)、水冷系统和锚形模壳(7)，恒温坩埚(5)中填充有恒温流质(502)，加热器(4)用于加热恒温流质(502)，锚形模壳(7)设置在恒温坩埚(5)内，在锚形模壳(7)的上方设有子晶(601)，水冷系统设置在子晶(601)的上方，提拉杆(3)用于将锚形模壳(7)和水冷系统按照恒定速度向上提拉，锚形模壳(7)上开设有浇口(702)，浇口(702)与舱盖(2)上的浇孔(201)相对而设，用于对锚形模壳(7)内注入合金液。

2.根据权利要求1所描述的高温合金定向凝固装置，其特征在于，锚形模壳(7)还包括厚颈(701)、浇道(703)、合金模(704)和流道(705)，浇口(702)的下方连通有浇道(703)，浇道(703)的下方连通有一个放射状的流道(705)，该流道(705)含有若干个分支，在每一个分支的端部均连通有1个合金模(704)，子晶(601)设置在合金模(704)的上方，厚颈(701)设置在浇口(702)和浇道(703)的连接处。

3.根据权利要求2所描述的高温合金定向凝固装置，其特征在于，所述锚形模壳(7)为氧化铝陶瓷。

4.根据权利要求2所描述的高温合金定向凝固装置，其特征在于，所述提拉杆(3)呈“L”型，两个提拉杆(3)卡合固定在厚颈(701)的底端。

5.根据权利要求1所描述的高温合金定向凝固装置，其特征在于，水冷系统包括冷铁(202)、水冷环(6)和水冷软管(602)，所述冷铁(202)环绕设置在舱盖(2)的上方，水冷环(6)位于子晶(601)的上方，水冷软管(602)的下端与水冷环(6)连接，水冷软管(602)的上端穿过舱盖(2)与冷铁(202)连通。

6.根据权利要求1所描述的高温合金定向凝固装置，其特征在于，在舱体(1)的内底面与恒温坩埚(5)的底壁之间还设有阻热垫(501)。

7.根据权利要求1所描述的一种高温合金定向凝固装置，其特征在于，在该恒温流质(502)的表面铺有隔热浮块(503)，隔热浮块(503)的密度小于恒温流质(502)的密度。

8.根据权利要求7所描述的高温合金定向凝固装置，其特征在于，所述恒温流质(502)为铝、铜、或铝铜合金；

所述隔热浮块(503)为陶瓷球、陶瓷瓦片或者不规则的陶瓷颗粒，隔热浮块(503)的尺寸在2-10mm之间。

9.根据权利要求1所描述的高温合金定向凝固装置，其特征在于，还包括气道(101)，气道(101)位于舱体(1)的侧壁上用于对舱体(1)抽真空。

10.基于权利要求1～9任意一项所述的高温合金定向凝固装置的凝固方法，包括如下步骤：

步骤1：准备阶段

安装高温合金定向凝固装置，将恒温流质(502)倒入恒温坩埚(5)没过子晶(601)的平面；

步骤2：预热恒温流质(502)

打开加热器(4)使恒温坩埚(5)内的恒温流质(502)熔化以成为流体；

步骤3：注入合金液

将准备好的过热合金液从浇孔(201)注入，使得合金液体充入锚形模壳(7)的内部，合金液没过子晶(601)并使合金液平面在锚形模壳(7)的附近，关闭浇孔(201)；

步骤4：使恒温坩埚(5)保温

控制加热器(4)的功率，使恒温坩埚(5)内的温度能保证合金液过热；

步骤5：向上提拉锚形模壳(7)

打开水冷系统，控制提拉杆(3)将锚形模壳(7)按照恒定的速度向上提拉，此时锚形模壳(7)逐渐浮出恒温流质(502)使液面上的部分热量散失，从而产生温度梯度，迫使接触子晶(601)的合金液向下定向凝固形成单晶体，至锚形模壳(7)完全离开恒温流质(502)提拉结束。

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