CN115135433A - 用于定向结晶具有定向或单晶结构的铸件的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明的主题为用于定向结晶具有定向或单晶结构的铸件的方法和装置。该方法基于以下事实：在将含有合金的模具(1)从加热区(5)转移至冷却区(7)期间，使用非接触式温度计(9a、9b)在至少两个点实时测量结晶前沿(14)的CLT1上方和CLT2下方的模具表面(1)的温度，其中至少一个最低点位于冷却区中。该装置具有至少两个安装于腔室(2)中的非接触式温度计(9a,9b)，至少一个(9b)，最低的，位于冷却区(7)中。

Description

用于定向结晶具有定向或单晶结构的铸件的方法和装置

本发明的主题为用于定向结晶具有定向或单晶结构的铸件的方法和装置。

本发明涉及铸件生产技术的领域，特别是通过冷却处理铸模中的熔融体，以及用于此类处理的装置，并且可应用于由耐热和抗蠕变合金生产铸件，尤其是用于航空或能源行业的大型精密铸造。

存在使用双室真空炉生产具有定向或单晶结构的铸件的已知方法，所述炉中一个室(上腔室)为加热区，而另一个室(下腔室)为冷却区。这些方法包括将填充有液态金属的陶瓷模具从加热区移动(提取)至冷却区，这根据预定曲线以恒定或可变速度(被称为模具提取速度)进行。

铸造具有定向或单晶结构的涡轮叶片的最常用方法为Bridgman方法，其包括将设置于冷却铜基座上的陶瓷模具引入到加热区(通常被制作为置于真空室中的电阻或感应加热石墨套筒)中，并然后将(耐热和抗蠕变)超合金的熔融体从坩埚倾入到先前加热至高于合金液相线温度的温度的模具中，并通过隔热隔板的开口将填充有液态超合金的模具从加热区移动至冷却区，所述隔板优选地为两个区之间的热屏障，在该过程期间通过辐射从形状表面带走热量，所述辐射发生在隔热隔板下方的冷却区，作为其结果在合金的所谓液-固区域发生缓慢的定向结晶过程。该方法的一个特性特征为利用热辐射现象来冷却充满合金的铸模。所述模具以预定的、通常恒定的速度从加热区移动至冷却区，无论在该过程中在结晶前沿区域获得的实际温度梯度如何。

还存在使用借助位于冷却区上部的喷嘴引导至模具的惰性气体流通过应用对流热交换来增加结晶前沿区域温度梯度的已知方法。此种方法例如从专利号PL222793中已知，其本质为在叶片铸件的结晶区域使用至少一种引导至模具的超音速惰性气流以每喷嘴0.5-2 g/s的消耗量进行叶片铸件的冷却。

专利号US7017646描述了涉及生产特征为几何形状和横截面尺寸存在显著差异的具有定向或单晶结构的铸件的方法的发明。使用惰性气体进行冷却，喷嘴在一个平面内呈圆柱形地布置于加热和冷却室之间的隔板下方。在其中厚度与前一个明显不同的(“不齐”)铸件片段进入冷却区的情况下，结晶同时保持相同的定向或单晶特性需要不同的冷却参数。在所述专利中，这是通过在冷却不齐片段的同时减少或完全停止气流来实现的。没有温度梯度测量，并且因此没有动态控制。气流仅会减少或停止，并且这是预先编程的，其导致无法使过程缩短。

专利US10082032所涵盖的方法为最广泛的，并且最有可能影响铸件宏观和微观结构的形成，因为其考虑各种过程控制方法，比如：模具速度控制、冷却气流速率控制、熔融体温度控制，这些是在使用热电偶进行温度测量的基础上进行的。然而，该专利仅涉及等轴铸件的生产，并且所使用的测量方法(即在加热区和冷却区放置热电偶)为在冷却区的间接测量，与冷却模具的温度和结晶前沿区域的温度梯度没有直接关系，但取决于许多其他因素，比如：具有结晶超合金的模具的重量、该模具的尺寸和几何形状、热电偶与铸造元件表面的距离、炉内压力等。此种测量的结果难以与模具表面或其内部的温度直接联系起来。

专利号US5197531描述了借助于直接置于模具上的热电偶来测量结晶前沿区域温度梯度的方法。然而，所应用的方法需要在陶瓷模具上耗时地手动组装特殊的热电偶。对于手动组装热电偶(通常使用陶瓷粘合剂)以及将它们连接于熔炉的测量系统的需要意味着应将冷模具置于熔炉中，即在接近环境温度的温度下，并且然后，在于炉内安装测量系统并获得适当的真空度之后，该模具必须缓慢加热至操作温度。此种温度测量解决方案使得无法将预热的模具置于炉内，这是批量生产中常见的工业实践。对于将冷模具置于炉内的需要显著延长过程，延长炉的抽气以达到工作真空，并且需要在加热区加热模具，由于将冷模具注满可能会导致模具开裂并引起各种形式的铸造缺陷。因此，此类形式和测量仅在测试铸件进行。

所提及解决方案的共同缺点为缺乏允许在工业条件下进行高性能、大规模和全自动生产的对结晶前沿区域实际温度梯度的连续和全自动控制，无论铸造物的几何形状和横截面尺寸如何。由于在所述解决方案中缺乏此类对结晶前沿区域温度梯度的控制，在确保过程的高效率同时保持超合金填充的模具的稳定和最适冷却条件方面可能会出现困难，尤其是在铸造具有可变横截面尺寸和弦长的叶片时。

已知可用于生产铸件的装置，其形式为置于由在加热和冷却区之间具有中心开口的隔热屏隔开的真空壳体中的圆柱形垂直室。在加热区上方的真空室中，存在用于熔化合金并将其熔融体倾入到铸模中的装置，以及在冷却区中，可安装喷嘴以使冷却剂(主要为冷却的惰性气体)供应至从加热区转移至靠近喷嘴的冷却区的铸模表面。

已知装置的共同缺点为难以提供含有熔融体以在铸模的整个高度上形成定向和单晶铸件结构的稳定最适铸模加热和冷却参数。

本发明的目的为开发实施此方法的方法和装置，允许基于对结晶前沿区域温度梯度的连续和非接触式测量，通过经由模具提取速度的动态、自动控制来使真空铸造炉中的结晶时间最小化并且降低缺陷百分比，来优化具有定向或单晶结构的铸件的生产。

根据本发明具有定向或单晶结构的铸件的定向结晶方法(其包括将置于与垂直上下驱动机构连接的结晶器上的陶瓷铸模转移至加热区，用来自坩埚的熔融合金填充模具，将填充的模具从加热区移动至冷却区，直至铸造结晶过程完成，在该过程之后与该模具分离)的特征在于在将含有合金的模具从加热区转移至冷却区期间，使用非接触式温度计在至少两个点测量结晶前沿的CLT1上方和CLT2下方的模具表面温度。至少有一个最低点位于冷却区，并且这些点的温度梯度值(ΔCLT=CLT1-CLT2)由PLC或其他系统在温度梯度测量系统与模具下降机构和/或质量或体积流量调节器之间反馈回路中进行分析，这些调节器在吹气支持模具冷却过程时调节惰性气体流速。实时温差瞬时值被用于动态地调整从加热区至冷却区的模具转移速度和/或调节流速或气体混合物组成。

优选地，冷却区中的下测温点与位于其上方的下一个测量点的距离为至少25 mm，而下测温点与水平隔热隔板的距离为至少20 mm。

优选地，测量点位于惰性气流冲击区域的上方和下方。

优选地，非接触式温度计的操作基于用于分析由模具表面发射的热辐射的任何技术，优选地为高温测量或热成像。

用于生产具有定向或单晶结构的铸件的装置，其包含含有用于熔化熔体并将熔融体倾入到铸模中的坩埚的真空室，所述铸模安装于冷却结晶器上并且借助于驱动机构以上下方向垂直移动，并且该真空室具有由具有中心开口呈圆盘形式的水平隔热隔板隔开的加热区和冷却区，并且根据本发明，其特征在于至少两个非接触式温度计被安装于真空室中，至少一个位于冷却区的最低点。

优选地，带有气体喷射器的环形气体收集器被安装在冷却区外壳中，所述气体喷射器以由流量调节器设置的速率供应惰性气流。

优选地，最低非接触式温度计位于冷却区中，与布置于其上方的下一个计量器距离至少25 mm。

优选地，在加热区中提供至少一个非接触式温度计。

优选地，安装有气体歧管的装置中的非接触式温度计以这样的方式布置，即下部的温度计位于冷却气体供应喷嘴平面的下方，而另一个位于该平面的上方，使得其中自环形喷嘴流出的惰性气流冲击气体歧管的区域位于计量器之间。

优选地，诸如高温计或热成像摄像机等非接触式温度计的操作基于对模具表面发射的热辐射的分析。

本发明毋庸置疑的优点为可选择在工业条件下将其用于涡轮叶片的高性能和大规模生产，以实现最大可能的熔炉产量、过程能效，同时保持铸件所需的宏观和微观结构。

由于在结晶前沿区域使用温度梯度的连续和自动控制，可在最短时间内并以铸件所需的宏观和微观结构进行这一过程，无论铸造物的几何形状和横截面尺寸如何。由于使用非接触式温度测量，可在工业规模上、在每个过程中使用根据本发明的方法。根据本发明的方法不需要使用特殊准备的模具和在模具上安装测量传感器的耗时程序。

本发明的实施方案在附图中说明，其中图1显示熔炉的纵向截面，其中模具在上部位置，完全在加热区中，图2显示图1的细节A，其显示其中上部计量器位于加热区的变型中计量器的位置，图3显示熔炉的纵向截面，其中模具在中间位置，即部分在加热区中，部分在冷却区中，图4显示图3的细节B，其显示其中上部计量器位于加热区的变型中计量器的位置，图5显示在其中上部计量器在冷却区中的变型中模具处于中间位置的熔炉细节，图6显示熔炉的纵向截面，其中模具在下部位置，完全在冷却区中，图7显示图6的细节C，其显示其中上部计量器位于加热区的变型中计量器的位置。图8以透视图显示具有带气体喷射器的环形气体歧管的单独冷却室，图9显示加热区和冷却区的纵向截面，其中模具含有可变直径的棒状铸件，图10显示呈具有可变直径的棒形式的铸件，图11显示加热区和冷却区的纵向截面，其中模具含有可变形状的涡轮叶片铸件，图12显示呈可变几何形状涡轮叶片形式的铸件。

实施方案1

包含真空室2的装置，其中用于熔化合金并将熔融体倾入到铸模1中的坩埚6位于所述真空室2中，所述铸模1安装于冷却的结晶器3上并借助于驱动机构4垂直上下移动。真空室具有由呈具有中心开口呈圆盘形式的水平隔热隔板8隔开的加热区5和冷却区7，加热区5由石墨马弗炉19形成，所述马弗炉19具有由隔热层18隔开的电感器17。冷却区7具有呈管状水套形式的冷却壳体13。两个非接触式温度计9a和最低的9b被安装于真空室中。以上装置被用于生产具有圆形横截面和达14 mm的直径的棒材，其中直径在棒材长度的1/3阶梯式地从8变化至14 mm。棒材在图9和10中显示。对于生产，使用陶瓷壳模，其通过失蜡法制备，壁厚为10 mm+/-1 mm。将预热的铸模1在熔炉的真空室2中置于用水冷却的结晶器3上，使用驱动器4将其转移至坩埚6下方的加热区5。加热区5、冷却区7和坩埚6位于真空室2中。将加热区5中的陶瓷模具1加热至1,510℃的温度，该温度高于合金的液相线温度。在坩埚6中，将CMSX-4镍超合金熔化，并且在其被加热至高于液相线的温度(即1510℃)之后，将其倾入到陶瓷模具1中，并然后提取模具1，即通过水平隔热隔板8中的开口将其从加热区5转移至冷却区7。该转移由与该装置的逻辑控制器耦合的驱动系统以2-6 mm/min的速度范围进行。借助于两个非接触式温度计9a和9b连续测量加热区5和冷却区7中模具1的表面温度。在该实施例中，这些为耦合于熔炉逻辑控制器的高温计。上部高温计9a位于隔热隔板8上表面上方3 cm处，而下部高温计9b位于上部高温计9a下方8 cm处。将高温计9a和9b之间的温差瞬时值与240℃的设定值进行比较，所述设定值对应于30℃/cm的结晶前沿处温度梯度值。熔炉的逻辑控制器不断改变模具1的转移速度，以将模具1的最高可能转移速度保持在2-6mm/min的范围内，同时防止温度梯度降至低于设定值。对于所使用的条件(实施例中的没有气体的铸造过程)，该速度为4 mm/min。当具有从8增加至14 mm的横截面的模具1的部分101被转移至冷却区7时，由非接触式温度计9a和9b检测到的模具1上的纵向温度梯度减小，并且PLC将模具1的提取速度平稳地降低至2.8 mm/min。在具有增加的横截面的片段101已通过其中熔体结晶发生的区域之后，由高温计9a和9b测量的温度梯度值开始再次增加，并且逻辑控制器平稳地将模具1的提取速度提高至4.2 mm/min的值。在所使用的方法中，获得了10个具有圆形横截面、具有满足航空工业要求的单晶结构的棒材铸件，而在横截面急剧增加的位置处，结构中没有缺陷，并且保持期望的微观结构细化。在整个过程中，模具1的提取速度在2-6 mm/min的设定限制范围内，并根据铸造样品横截面的变化平稳地进行调整。这一过程在真空中进行，腔室中压力为约1x10^-3毫巴。

实施方案2：

该装置如在实施方案1那样，其中紧邻隔热隔板8的下方，在冷却区7的外壳13的圆周上，存在带有径向布置的气体喷射器12的环形气体收集器11。气体喷射器12的喷嘴被引导朝向冷却区7的中心。每个喷射器连接于调节惰性气体流速的质量流量调节器16。每一个均连接于PLC。

在该实施方案中的装置中，如实施方案1中那样生产样品。将加热区5中的陶瓷模具1加热至1,510℃的温度，该温度高于合金的液相线温度。在坩埚6中，将CMSX-4镍超合金熔化，并在其加热至1,510℃(即高于液相线的温度)之后，将其倾入到陶瓷模具1中，并然后提取模具1，即通过水平隔热隔板8中的开口将其从加热区5转移至冷却区7，而在冷却区7中存在呈环形气体收集器11形式用于供应冷却气流的装置，所述气体收集器配备有两个气体喷射器12用于一个单一样品10。从径向布置于冷却区7的圆周上并与水平面以10°角倾斜的这些喷射器中，氩气流以超音速引导到模具1上，并且同时真空泵系统以炉内压力保持在0.16巴(绝对)的这种方式操作。流入到环形气体收集器11中的氩气量由耦合于熔炉PLC的质量阀控制，范围为40-400 Ndm³/分钟。模具1的移位由具有耦合于该装置PLC的滑动驱动器4的驱动系统以6 mm/min的恒定速度进行。加热区5和冷却区7中模具1的表面温度借助于耦合于该熔炉PLC的两个非接触式温度计(高温计) 9a和9b连续进行测量。上部高温计9a位于隔热隔板8上表面上方3 cm处，而下部高温计9b位于上部高温计9a下方8 cm处。将高温计9a和9b之间的温差瞬时值与400℃的设定值进行比较，所述设定值对应于50℃/cm的结晶前沿处温度梯度值。熔炉的PLC连续地调节冷却气体(氩气)的流量，以防止温度梯度降至低于设定值，同时保持6 mm/min的恒定提取速度。当具有从8增加至14 mm的横截面的模具的部分101被移动至冷却区7时，由非接触式温度计9检测到的模具1上的纵向温度梯度减小，并且PLC增加冷却气体流量，在所述实施方案中比初始流量增加80%。在具有增加的横截面的样品片段移动通过其中发生合金结晶的区域(即通过其中冷却气流冲击模具1的区域)之后，由高温计9a和9b测量的温度梯度值开始再次增加，并且PLC将冷却气流降低至最小，确保保持设定的温度梯度。在使用的方法中，获得了10个具有圆形横截面、具有满足航空工业要求的单晶结构的棒材铸件，而在横截面急剧增加的位置处101，结构中没有缺陷，并且保持期望的微观结构细化和铸件轴线自方向[0 0 1 ]的偏向角。在所述实施方案中，模具1的提取速度在整个过程中为6 mm/min。

处理的对象可为除在图9和10中在实施方案1和2中所示物品以外的物品。图11显示用于以不同变体成形（即用于模拟可变几何形状涡轮叶片形状的图12物品)的铸模的过程。

实施方案3

模具1从加热区5至冷却区7的转移速度的动态控制系统在该过程期间以基于使用非接触式温度计9a和9b在位于冷却区7中的至少两个测量点连续测量模具1表面温度的结晶前沿区域14中的温度梯度测量系统与模具下降机构(即填充有超合金的模具1置于其上的结晶器3的驱动器4)之间的闭合反馈回路连续操作。分析温差瞬时值(ΔCLT = CLT1 -CLT2)的PLC动态地控制置于结晶器3上的模具1从加热区5至冷却区7的转移速度，以保持铸造物10或其特定部分101编程的温差ΔCLT，保证最短可能时间并保持该铸件所需的宏观和微观结构，无论铸造物10几何形状和横截面的尺寸如何。

实施方案4

惰性气体组分流速的动态控制系统在该过程期间以基于使用非接触式温度计9a和9b在位于冷却区7中的至少两个测量点连续测量模具1表面温度的结晶前沿区域14中的温度梯度测量系统与调节惰性气体组分流速的质量流量调节器16之间的闭合反馈回路连续操作。分析温差瞬时值(ΔCLT = CLT1 - CLT2)的PLC动态地控制惰性气体组分的流速，同时保持从加热区5至冷却区7的恒定模具转移速度，以保持铸造物10或其特定部分101编程的温差ΔCLT，保证最短可能时间并保持该铸件所需的宏观和微观结构，无论铸造物10几何形状和横截面尺寸如何。通过变化惰性气体组分的流速值，可影响从结晶前沿区域14的模具表面接收的热流密度值，其可由以下关系表示：

，其中：

- 热流密度，

α - 总传热系数，

α_r - 辐射传热系数，

α_c - 对流传热系数，

T_m - 模具表面温度，

T_a - 冷却区温度，

υ - 冷却工件表面处的线性气体速度，

p - 压力，

d - 冷却部件的特征尺寸，

η - 气体动力粘度系数，

c_p - 气体比热容，

- 数值大于0的常量。

实施方案3和4描述了其中存在两个计量器并且两者均安装于隔热隔板8下方的解决方案变体的情况。这不排除其他变体，包括其中例如其中一个计量器位于加热区中在保温隔板上方的变体。

Claims (10)

1.具有定向或单晶结构的铸件的定向结晶方法，其包括将置于与垂直上下驱动机构连接的结晶器上的陶瓷铸模转移至加热区，用来自坩埚的熔融合金填充所述模具，将所述填充的模具从所述加热区向冷却区移动，直至铸造结晶过程完成，在所述过程之后与所述模具分离，其特征在于当将含有所述合金的所述模具(1)从所述加热区(5)向所述冷却区(7)移动的同时，使用非接触式温度计(9a、9b)在结晶前沿(14)的CLT1上方和CLT2下方在至少两个点实时测量所述模具(1)表面温度，其中至少最低点之一位于所述冷却区，并且在这些点的温度梯度值(ΔCLT=CLT1-CLT2)由PLC或其他系统在温度梯度测量系统与模具下降机构和/或质量或体积流量调节器(16)之间反馈回路中进行分析，所述调节器(16)在其吹动助于所述模具(1)冷却过程时调节惰性气体流速，并且实时确定的温差瞬时值被用于动态调整从所述加热区(5)至所述冷却区(5)的模具(1)转移速率和/或调整所述流速或气体混合物组成。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于所述冷却区(7)中的下测温点(9b)与位于其上方的下一个测量点的距离为至少25 mm，而所述下测温点(9b)与水平隔热隔板(8)的距离为至少20 mm。

3.权利要求1的方法，其特征在于所述测量点(9a、9b)位于所述惰性气流的冲击区域的上方和下方。

4.权利要求1的方法，其特征在于所述非接触式温度计(9a、9b)的操作基于用于分析由所述模具(1)表面发出的热辐射的任何技术，优选地为高温测量或热成像。

5.用于生产具有定向或单晶结构的铸件的装置，其包含含有用于熔化熔体并将所述熔融体倾入到铸模中的坩埚的真空室，所述铸模安装于冷却结晶器上并且借助于驱动机构以上下方向垂直移动，并且所述真空室具有由具有中心开口呈圆盘形式的水平隔热隔板隔开的加热区和冷却区，其特征在于在所述真空室(2)中安装有至少两个非接触式温度计(9a、9b)，其中至少一个(9b)，最低的，位于所述冷却区(7)中。

6.根据权利要求5的装置，其特征在于带有气体喷射器(12)的环形气体收集器(11)被安装于所述冷却区的外壳中，所述气体喷射器(11)以由流量调节器(16)设置的流速供应惰性气流。

7.根据权利要求5或6的装置，其特征在于所述最低非接触式温度计(9b)位于所述冷却区(7)中，与布置于其上方的下一个计量器距离至少25 mm。

8.根据权利要求5或6的装置，其特征在于至少一个非接触式温度传感器(9a)位于所述加热区中。

9.根据权利要求6的装置，其特征在于所述非接触式温度计(9a、9b)以这样的方式布置，即下部温度计位于所述环形气体收集器(11)的所述气体喷射器(12)平面下方，而第二个位于所述平面上方，使得从所述气体喷射器(12)流出的所述惰性气流冲击区域位于所述计量器(9a、9b)之间。

10.根据权利要求5或6的装置，其特征在于所述非接触式温度计(9a、9b)比如高温计或热成像摄像机的操作基于对所述模具(1)表面发射的热辐射的分析。

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