CN114309550A - 基于局域区域温度可调系统整体细晶铸造的装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于局域区域温度可调系统整体细晶铸造的装置，坩埚外周设置合金熔炼线圈，旋转平台上设置模壳，模壳上方设置发热装置，发热装置外侧设置感应线圈，合金锭在坩埚内重熔为合金熔体，模壳通过旋转平台上升至发热装置内，重熔后的合金熔体浇注进入模壳，模壳正上方通过冒口加热组件加热。本发明通过本装置在加热氛围中、外界动力搅拌的情况下完成铸件的凝固，可保证铸件轮毂、轮缘及部分叶片区域均形成细小均匀的晶粒，实现整体细晶铸造的目的；本发明通过设置冒口加热组件，可有效延长耐火材料模壳内冒口区域合金熔体保持液态的时间，增强冒口补缩功能，可在工艺设计时选择更小的冒口尺寸，提高铸件出品率。
Description
技术领域
本发明涉及属于细晶铸造真空精密铸造领域，主要应用于航空航天发动机、燃气轮机、机车内燃机用细晶铸件生产；具体是涉及基于局域区域温度可调系统整体细晶铸造的装置及其方法。
背景技术
航空航天发动机、燃气轮机、机车内燃机的恶劣工况易使涡轮在高温热应力和机械应力的综合作用下发生低周疲劳。涡轮的轮毂区域相对厚大，易产生粗大的晶粒(5～18mm左右),叶片形成较细的等轴晶。这样的晶粒组织容易导致叶轮在高应力区域产生裂纹,裂纹产生的原因是热应力和机械应力引起的低周疲劳作用所造成的,裂纹的敏感区在轮盘的中心区域和叶片的根部并使其对应力敏感的轮毂部位产生疲劳裂纹；为提高铸造的整体涡轮的低周疲劳寿命,近年来国外广泛采用细晶铸造技术以保证在轮毂区获得细小均匀的等轴晶；细晶铸造法通常分为三大类：热控法、机械法和化学法；在这几种细晶铸造工艺方法中,化学法容易引起铸件夹杂；电磁搅拌和超声波法在真空炉里实现起来设备复杂昂贵;热控法对型壳温度和浇注温度的控制要求过严,且浇注过程中容易卷入夹杂，因而机械法应用最为广泛。机械法中开发最早、应用最多的是美国Howmet公司的GX法,它是通过高速旋转铸型,使型内金属液在凝固过程中产生强烈搅动以打碎已凝固的枝晶而使晶粒细化；这种方法尤其适用于回转体类铸件,美国Howmet公司用该法已成功地制造了MAR-M247、IN718等高温合金的整体涡轮,使涡轮的低周疲劳寿命提高了2～3倍，德国、法国在新型航空发动机中也采用细晶铸造整体涡轮。
汤鑫等在材料工程杂志发表论文指出，动力法生产出的涡轮盘类铸件，其晶粒可远细小于普通铸造方法甚至热控方法，但动力法和热控法生产的铸件叶片及轮缘区域无明显细化，有典型的柱状晶出现；US3614976专利中提出，应用旋转动力法，可以有效的细化涡轮盘类铸件轮毂区域的晶粒，但对叶片以及轮缘区域的晶粒无法有效细化，甚至会长出大量粗大的柱状晶，可见，目前常规的细晶铸造方法可有效细化极其厚大铸件区域的晶粒，但无法细化非厚大区域的晶粒。
随着使用要求的不断提高，轮盘整体均要求具有均匀且细小的经晶粒组织，而目前常规的晶粒细化方法无法满足要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种基于局域区域温度可调系统整体细晶铸造的装置及其方法，以获得高出品率及具有整体均匀细小晶粒的精密铸造涡轮盘类铸件；该方法将首先通过感应加热的方式首先将陶瓷模壳保持在周围的预热温度中，然后实施浇注，浇注完成后，将启动冒口加热组件，并通过旋转平台带动模壳整体旋转，之后按设定速率降低发热体的温度，控制铸件逐步凝固，最后关闭冒口加热装置，完成铸造。
本发明的技术方案如下：
一种基于局域区域温度可调系统整体细晶铸造的装置，其中：包括坩埚、合金熔炼线圈、冒口加热组件、模壳、旋转平台、感应线圈和发热装置，所述坩埚外周设置合金熔炼线圈，所述旋转平台上设置模壳，所述模壳上方设置发热装置，所述发热装置外侧设置感应线圈，合金锭在坩埚内重熔为合金熔体，模壳通过旋转平台上升至发热装置内，重熔后的合金熔体浇注进入模壳，模壳正上方通过冒口加热组件加热。
优选的是，所述的基于局域区域温度可调系统整体细晶铸造的装置，其中：所述冒口加热组件包括炉体、设置于炉体上的密封件和设置于炉体内的伸缩轴，所述伸缩轴内设置同轴电缆，所述伸缩轴一端连接驱动件，所述伸缩轴另一端设置冒口加热线圈，所述冒口加热线圈和同轴电缆电连接。
一种基于局域区域温度可调系统整体细晶铸造的方法，其中：包括以下步骤：
S1.将合金锭加入坩埚内重熔为合金熔体，并保温；
S2.将模壳预热至900-1200℃后转移至旋转平台上，通过旋转平台带动模壳上升至发热装置内，并控制发热装置内的温度为1000-1500℃，将合金熔体浇注至模壳内得到铸件；
S3.通过旋转平台带动模壳旋转，并将冒口加热组件平移至模壳正上方，对铸件进行加热，并控制发热装置温度≤1300℃，旋转结束后，旋转平台和模壳下降移出发热装置，同时冒口加热组件停止加热，完成铸造。
优选的是，所述的基于局域区域温度可调系统整体细晶铸造的方法，其中：步骤S1中重熔温度为1420-1530℃，保温时间为3-12min。
优选的是，所述的基于局域区域温度可调系统整体细晶铸造的方法，其中：步骤S2中模壳上升至发热装置(8)内的速度为5-20mm/min。
优选的是，所述的基于局域区域温度可调系统整体细晶铸造的方法，其中：步骤S2中的浇注时间为2-15s。
优选的是，所述的基于局域区域温度可调系统整体细晶铸造的方法，其中：步骤S3中旋转平台带动模壳旋转的旋转速度为50-200rpm，旋转时间为5～18min。
本发明的优点在于：
本发明的基于局域区域温度可调系统整体细晶铸造的装置及其方法，通过本装置在加热氛围中、外界动力搅拌的情况下完成铸件的凝固，可保证铸件轮毂、轮缘及部分叶片区域均形成细小均匀的晶粒，实现整体细晶铸造的目的；本发明通过设置冒口加热组件，可有效延长耐火材料模壳内冒口区域合金熔体保持液态的时间，增强冒口补缩功能，可在工艺设计时选择更小的冒口尺寸，提高铸件出品率。
附图说明
图1为本发明基于局域区域温度可调系统整体细晶铸造的装置的结构示意图。
图2为本发明冒口加热组件的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1-2所示，本实施例提供一种基于局域区域温度可调系统整体细晶铸造的装置，其中：包括坩埚1、合金熔炼线圈2、冒口加热组件、模壳4、旋转平台6、感应线圈7和发热装置8，所述坩埚1外周设置合金熔炼线圈2，所述旋转平台6上设置模壳4，所述模壳4上方设置发热装置8，所述发热装置8外侧设置感应线圈7，合金锭在坩埚1内重熔为合金熔体5，模壳4通过旋转平台6上升至发热装置8内，重熔后的合金熔体5浇注进入模壳4，模壳4正上方通过冒口加热组件加热。
其中：所述冒口加热组件包括炉体31、设置于炉体31上的密封件33和设置于炉体31内的伸缩轴32，所述伸缩轴32内设置同轴电缆34，所述伸缩轴32一端连接驱动件，所述伸缩轴32另一端设置冒口加热线圈3，所述冒口加热线圈3和同轴电缆34电连接。
冒口加热组件主要功能是使得冒口加热线圈3可以水平伸缩从而对模壳4正上方进行加热，伸缩轴32连接手工齿轮，水平伸缩功能主要通过伸缩轴32与同轴电缆34同步在手工齿轮的驱使下在密封件33内的炉体31内腔进行水平移动，密封件33的作用是保证伸缩轴32与同轴电缆34在同步移动的情况下炉内的真空度。
实施例2
如图1-2所示，本实施例提供一种基于局域区域温度可调系统整体细晶铸造的方法，其中：包括以下步骤：
S1.将合金锭加入坩埚1内重熔为合金熔体5，并保温，重熔温度为1420-1530℃，保温时间为3-12min；
S2.将模壳4预热至900-1200℃后转移至旋转平台6上，模壳4上升至发热装置8内的速度为5-20mm/min，通过旋转平台6带动模壳4上升至发热装置8内，并控制发热装置8内的温度为1000-1500℃，将合金熔体5浇注至模壳4内得到铸件，浇注时间为2-15s；
S3.通过旋转平台6带动模壳4旋转，并将冒口加热组件平移至模壳4正上方，对铸件进行加热，并控制发热装置8的温度≤1300℃，旋转平台6带动模壳4旋转的旋转速度为50-200rpm，旋转时间为5～18min，旋转结束后，旋转平台6和模壳4下降移出发热装置8，同时冒口加热组件停止加热，完成铸造。
发热装置8和感应线圈7用于对模壳4进行保温，降低铸件非厚大区域的凝固速度，为铸件细晶提供更为充分的时间；冒口加热组件用于减慢模壳冒口区域的凝固，保证铸件凝固过程中有充分的补缩静压头，提高精密铸造出品率；通过本发明的方法生产的铸件，可具有高工艺出品率和整体细小均匀的晶粒度的特点。
本发明的基于局域区域温度可调系统整体细晶铸造的装置及其方法，通过本装置在加热氛围中、外界动力搅拌的情况下完成铸件的凝固，可保证铸件轮毂、轮缘及部分叶片区域均形成细小均匀的晶粒，实现整体细晶铸造的目的；本发明通过设置冒口加热组件，可有效延长耐火材料模壳内冒口区域合金熔体保持液态的时间，增强冒口补缩功能，可在工艺设计时选择更小的冒口尺寸，提高铸件出品率。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种基于局域区域温度可调系统整体细晶铸造的装置，其特征在于：包括坩埚（1）、合金熔炼线圈（2）、冒口加热组件、模壳（4）、旋转平台（6）、感应线圈（7）和发热装置（8），所述坩埚（1）外周设置合金熔炼线圈（2），所述旋转平台（6）上设置模壳（4），所述模壳（4）上方设置发热装置（8），所述发热装置（8）外侧设置感应线圈（7），合金锭在坩埚（1）内重熔为合金熔体（5），模壳（4）通过旋转平台（6）上升至发热装置（8）内，重熔后的合金熔体（5）浇注进入模壳(4)，模壳(4)正上方通过冒口加热组件加热。
2.根据权利要求1所述的基于局域区域温度可调系统整体细晶铸造的装置，其特征在于：所述冒口加热组件包括炉体（31）、设置于炉体（31）上的密封件（33）和设置于炉体（31）内的伸缩轴（32），所述伸缩轴（32）内设置同轴电缆（34），所述伸缩轴（32）一端连接驱动件，所述伸缩轴（32）另一端设置冒口加热线圈（3），所述冒口加热线圈（3）和同轴电缆（34）电连接。
3.一种基于局域区域温度可调系统整体细晶铸造的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.将合金锭加入坩埚（1）内重熔为合金熔体（5），并保温；
S2.将模壳（4）预热至900-1200℃后转移至旋转平台(6)上，通过旋转平台(6)带动模壳（4）上升至发热装置(8)内，并控制发热装置(8)内的温度为1000-1500℃，将合金熔体（5）浇注至模壳(4)内得到铸件；
S3.通过旋转平台（6）带动模壳(4)旋转，并将冒口加热组件平移至模壳(4)正上方，对铸件进行加热，并控制发热装置(8)温度≤1300℃，旋转结束后，旋转平台(6)和模壳(4)下降移出发热装置(8)，同时冒口加热组件停止加热，完成铸造。
4.根据权利要求3所述的基于局域区域温度可调系统整体细晶铸造的方法，其特征在于：步骤S1中的重熔温度为1420-1530℃，保温时间为3-12min。
5.根据权利要求3所述的基于局域区域温度可调系统整体细晶铸造的方法，其特征在于：步骤S2中模壳（4）上升至发热装置(8)内的速度为5-20mm/min。
6.根据权利要求3所述的基于局域区域温度可调系统整体细晶铸造的方法，其特征在于：步骤S2中的浇注时间为2-15s。
7.根据权利要求3所述的基于局域区域温度可调系统整体细晶铸造的方法，其特征在于：步骤S3中旋转平台（6）带动模壳(4)旋转的旋转速度为50-200rpm，旋转时间为5～18min。
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