CN115351257A - 一种Ni基合金管的离心铸造模具及离心铸造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Ni基合金管的离心铸造模具，包括模具组件，包裹在所述模具组件外侧的钢包套组件；所述模具组件包括上模具和下模具，以及设置于上模具和下模具之间的中模具；所述中模具为管状结构，上模具和下模具沿中模具的轴向分别设置于中模具的上下两侧，所述中模具和下模具可拆卸且密封连接，中模具和上模具可拆卸且密封连接，所述上模具中部开设有第一通孔，所述第一通孔与中模具连通；所述钢包套组件外侧设置有加热外壳。另外，本发明还公开了采用该离心铸造模具离心铸造Ni基合金管的方法。本发明的铸造模具和方法可实现Ni基合金管的高度可控、可消除缩孔、缩松等铸造缺陷，大大降低合金化学成分偏析问题，提高生产效率。
Description
技术领域
本发明属于合金管材制备技术领域，具体涉及一种Ni基合金管的离心铸造模具及离心铸造方法。
背景技术
燃气轮机作为一种动力机械，具有体积小、重量轻、启动快、少用或不用冷却系统等一系列优点，广泛应用于航空、发电、原油和天然气运输、交通运输以及冶金、化工等部门。燃气轮机叶片在服役过程中遭受高温氧化和热腐蚀破坏，为提高叶片使用寿命，保证燃气轮机的安全稳定运行，采用防护性涂层是目前最有效的办法。Ni基合金涂层为常见的高温防护涂层，与基体具有很好的粘附性和较低的互扩散性，而且有很好的抗高温氧化，抗热腐蚀性能，以及高的韧性和抗热疲劳强度。广泛用于航空等各类燃气轮机热端部件，如涡轮机工作叶片、导向热片、燃烧室等部件。近年来，随着我国航空事业发展，Ni基合金材的需求量增大，同时具有很重要的战略意义。
Ni基合金材通过电子束物理气相沉积、三极溅射、低压等离子喷涂和多弧离子镀等喷涂方法，基体上加很高的负偏压，利用气体放电使气体或被蒸发的物质部分离化，在气体离子或者被蒸发物质离子轰击作用的同时把Ni基合金材的蒸发物质或者反应物沉积在基片上。所以，Ni基合金材的制备和质量保证是Ni基合金防护涂层使用的基础，是基片上Ni基合金防护涂层稳定性的有力保障。Ni基合金材的制备通常是采用真空感应熔炼和重力铸造方法，制备Ni基合金实心铸锭。
Ni基合金材为高温合金，重力铸造过程中，存在铸件局部和整体的冷却不平衡，破坏了熔体的顺序凝固，容易在铸件中产生缺陷如缩孔、缩松以及在铸件中形成残余应力，Ni基合金实心铸锭芯部存在大量的缩孔和疏松等缺陷，合金铸锭的高度受限，只能使用底部三分之一的材料，导致Ni基合金材的尺寸较小，其余材料只能进行重熔或直接报废，这样不仅生产效率低而且造成材料和能源浪费。严重制约着Ni基合金防护涂层的使用和发展。
另外重力浇铸由于疏松缺陷，很难实现大规格尺寸的Ni基合金管的生产，不能实现管坯高度的控制；不能实现化学元素成分偏析的控制，主要是稀土元素Y的范围控制和均匀性；不能避免管坯出现内部裂纹，不能满足加工的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种Ni基合金管的离心铸造模具及离心铸造方法。本发明的铸造模具和方法可实现Ni基合金管的高度可控、可消除缩孔、缩松等铸造缺陷，大大降低合金化学成分偏析问题，提高生产效率。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种Ni基合金管的离心铸造模具，其特征在于，包括模具组件，和包裹在所述模具组件外侧的钢包套组件；所述模具组件包括上模具和下模具，以及设置于上模具和下模具之间的中模具；所述中模具为管状结构，上模具和下模具沿中模具的轴向分别设置于中模具的上下两侧，所述中模具和下模具可拆卸且密封连接，中模具和上模具可拆卸且密封连接，所述上模具中部开设有第一通孔，所述第一通孔与中模具连通；所述钢包套组件外侧设置有加热外壳。
上述的一种Ni基合金管的离心铸造模具，其特征在于，还包括设置于下模具上且位于中模具内的垫片，所述垫片的厚度为5mm～10mm。
上述的一种Ni基合金管的离心铸造模具，其特征在于，所述上模具和下模具上均设置有凸起，上模具的凸起部位向下嵌入中模具内，下模具的凸起部位向上嵌入中模具内。
上述的一种Ni基合金管的离心铸造模具，其特征在于，所述钢包套组件包括第一钢包套和第二钢包套，所述第一钢包套为下端封闭，上端开口的筒状结构，第一钢包套包裹在下模具和中模具外侧；所述第二钢包套设置于上模具上，第二钢包套中部开设有第二通孔，所述第二通孔与所述第一通孔相连通；所述第一钢包套和第二钢包套可拆卸连接。
上述的一种Ni基合金管的离心铸造模具，其特征在于，沿所述中模具的轴向，所述第二通孔的边界与所述第一通孔的边界平齐。
上述的一种Ni基合金管的离心铸造模具，其特征在于，所述加热外壳包括壳体以及设置在所述壳体内壁的电热元件。
上述的一种Ni基合金管的离心铸造模具，其特征在于，还包括温度测量元件和温度控制器；所述温度测量元件与电热元件连接，用于测量所述加热外壳的温度；所述温度控制器用于显示温度测量元件传输来的温度信号，且将测量值与设定值进行比较，输出温度控制信号，控制加热外壳的温度。
另外，本发明还提供了一种采用上述离心铸造模具离心铸造Ni基合金管的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、组装离心铸造模具并将离心铸造模具中的第一钢包套与离心浇铸机连接；
步骤二、将Ni基合金锭坯置于中频真空感应炉的氧化铝坩埚内，封炉抽真空；
步骤三、利用加热外壳将离心铸造模具加热至300℃～500℃并保温，开启中频真空感应炉对Ni基合金锭坯进行熔化和精炼，将精炼的合金溶液浇入离心铸造模具中进行离心浇铸，得到Ni基合金管坯；
步骤四、对步骤三中所述Ni基合金管坯进行机械加工，得到Ni基合金管。
上述的方法，其特征在于，步骤三中待氧化铝坩埚中Ni基合金锭坯完全熔化，充氩至0.07MPa～0.08MPa，精炼2.5min～3.5min；离心浇铸的转速为500r/min～800r/min，浇入时间为10s～15s。
上述的方法，其特征在于，步骤三中精炼合金溶液浇入完成15s～25s后，降低转速至180r/min～220r/min，再过2min～3min后降低转速至0r/min，停止保温，60min～90min后停止抽真空。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的离心铸造模具具有结构简单、使用可靠性高、成本低廉、重复操作性强等特点。
2、本发明通过设置垫片，能够保护模具组件中的下模具，避免其受到高温合金液体冲击，防止合金管坯中出现石墨夹杂，且垫片具有易更换的优点。
3、本发明通过设置第一钢包套和第二钢包套，能够牢固连接离心浇铸机，并稳定固定模具组件，实现离心浇铸机带动模具组件转动。
4、本发明的离心铸造模具中的加热外壳实现了对模具组件的可控加热，提高了离心铸造时合金溶液在模具组件中的流动性，降低了合金溶液在模具组件中的凝固速度，使得合金管坯充型完整，消除了合金管坯表面的冷隔。
5、本发明的离心铸造方法可通过加热外壳对模具组件进行温度调节，通过离心浇铸机转速的调节实现合金管坯高度可控。
6、本发明的离心铸造方法可实现合金管坯的顺序凝固，消除合金管坯中的缩孔及疏松等缺陷，使晶粒细化，避免产生内裂纹，提高了合金管坯质量以及生产效率。
7、本发明的铸造模具和方法可实现Ni基合金管的高度可控、可消除缩孔、缩松等铸造缺陷，提高合金管坯中稀土元素的成分均匀性和可控性，大大降低合金化学成分偏析问题，提高生产效率。
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为离心铸造模具的结构示意图。
图2为本发明实施例2离心铸造的Ni基合金管坯的外观照片。
图3位本发明实施例2离心铸造的Ni基合金管的外观照片。
附图标记说明：
1—上模具； 2—下模具； 3—中模具；
4—垫片； 5—第一通孔； 6—第一钢包套；
7—第二钢包套； 8—第二通孔； 9—壳体；
10—电热元件 11—温度测量元件； 12—温度控制器。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本实施例的Ni基合金管的离心铸造模具，包括模具组件，包裹在所述模具组件外侧的钢包套组件；所述模具组件可以为石墨模具组件，包括上模具1和下模具2，以及设置于上模具1和下模具2之间的中模具3；所述中模具3为管状结构，上模具1和下模具2沿中模具3的轴向分别设置于中模具3的上下两侧，所述中模具3和下模具2可拆卸且密封连接，中模具3和上模具1可拆卸且密封连接，所述上模具1中部开设有第一通孔5，所述第一通孔5与中模具3连通；所述钢包套组件外侧设置有加热外壳。所述模具组件也可采用耐热钢模，耐热钢模内表面涂膜，涂膜材料可以为氧化铝粉与玻璃水按照1:2～1:2.5的质量比混合的混合物。
在一种可能的实施方式中，还包括设置于下模具2上且位于中模具3内的垫片4，垫片4与下模具2接触。其中，垫片4可以为石墨垫片，也可采用其他相似功能的垫片，如氧化铝垫片或钨垫片等，垫片4的作用为保护下模具2，避免其受到高温合金液体冲击，防止合金管坯中出现石墨夹杂。
在一种可能的实施方式中，所述垫片4覆盖下模具2位于中模具3内的上表面。
在一种可能的实施方式中，所述垫片4的厚度为5mm～10mm(优选5mm，6mm，7mm，8mm，9mm，10mm)。
在一种可能的实施方式中，所述上模具1和下模具2上均设置有凸起，上模具1的凸起部位向下嵌入中模具3内，且上模具1的凸起部位外壁与中模具3的内壁紧密相接，下模具2的凸起部位向上嵌入中模具3内，且下模具2的凸起部位外壁与中模具3的内壁紧密相接。
在一种可能的实施方式中，所述钢包套组件包括第一钢包套6和第二钢包套7，所述第一钢包套6为下端封闭，上端开口的筒状结构，第一钢包套6包裹在下模具2和中模具3外侧；所述第二钢包套7设置于上模具1上，第二钢包套7中部开设有第二通孔8，所述第二通孔8与所述第一通孔5相连通；所述第一钢包套6和第二钢包套7可拆卸连接。第一钢包套6和第二钢包套7可以通过螺栓连接，具体的，可以通过例如4个或6个螺栓。
在一种可能的实施方式中，沿所述中模具3的轴向，所述第二通孔8的边界与所述第一通孔5的边界平齐。
在一种可能的实施方式中，所述加热外壳包括壳体9以及设置在所述壳体9内壁的电热元件10。其中，电热元件10可以为电阻丝。电热元件的作用为给模具组件加热，提高合金溶液在模具组件中流动性，降低合金溶液在模具组件中的凝固速度，使得合金管坯充型完整，消除合金管坯表面的冷隔。
在一种可能的实施方式中，还包括温度测量元件11和温度控制器12；所述温度测量元件11与电热元件10连接，用于测量所述加热外壳的温度；所述温度控制器12用于显示温度测量元件11传输来的温度信号，且将测量值与设定值进行比较，输出温度控制信号，控制加热外壳的温度。其中，所述温度测量元件可采用热电偶温度传感器，进行非接触式测量。
实施例2
采用实施例1的离心铸造模具离心铸造Ni基合金管的方法，包括以下步骤：
步骤一、将离心浇铸机与离心铸造模具中的第一钢包套6通过法兰连接；然后将模具组件的下模具2置于第一钢包套6中，将中模具3置于下模具2上方，且将下模具2凸起部位嵌套在中模具3内，再将垫片4置于下模具2上方，且完全覆盖下模具2位于中模具3内的上表面；接下来将上模具1置于中模具3上方，且将上模具1凸起部位嵌套在中模具3内；接下来将第二钢包套7置于第一钢包套6及模具组件上方，并将第二钢包套7与第一钢包套6固定连接，以使模具组件固定于钢包套组件内，防止模具组件晃动；
步骤二、将熔炼制备的Ni基合金锭坯置于中频真空感应炉内的氧化铝坩埚中，封炉抽真空；
步骤三、给离心铸造模具的加热外壳通电，设置加热温度为350℃，保温时间90min；当加热外壳温度到达350℃，且真空感应炉真空度小于1Pa，感应炉开始加热，待坩埚中Ni基合金锭坯完全熔化，充氩至0.07MPa，精炼3min，在精炼合金溶液的同时打开离心浇铸机，设置转速700r/min，将合金溶液浇入模具组件中，10s～15s浇完，浇完后再过20s，设置离心浇铸机转速200r/min，再过2min后设置离心浇铸机转速0r/min，最后关闭离心浇铸机电源；将加热外壳断电，80min后停止抽真空，打开真空感应炉放气阀，打开真空感应炉炉盖，拆除第二钢包套7，从模具组件中取出Ni基合金管坯；
步骤四、对Ni基合金管坯进行机械加工，得到Ni基合金管。
图2和图3分别为本实施例离心铸造的Ni基合金管坯和Ni基合金管的外观照片。从图2可以看出，Ni基合金管坯充型完整，上下尺寸均匀，表面无石墨夹杂、裂纹等、大的凹坑等缺陷；从图3可以看出，机加后的Ni基合金管材内外壁表面光滑，无夹杂、缩松、气孔等缺陷。
实施例3
采用实施例1的离心铸造模具离心铸造Ni基合金管的方法，包括以下步骤：
步骤一、将离心浇铸机与离心铸造模具中的第一钢包套6通过法兰连接；然后将模具组件的下模具2置于第一钢包套6中，将中模具3置于下模具2上方，且将下模具2凸起部位嵌套在中模具3内，再将垫片4置于下模具2上方，且完全覆盖下模具2位于中模具3内的上表面；接下来将上模具1置于中模具3上方，且将上模具1凸起部位嵌套在中模具3内；接下来将第二钢包套7置于第一钢包套6及模具组件上方，并将第二钢包套7与第一钢包套6固定连接，以使模具组件固定于钢包套组件内，防止模具组件晃动；
步骤二、将熔炼制备的Ni基合金锭坯置于中频真空感应炉内的氧化铝坩埚中，封炉抽真空；
步骤三、给离心铸造模具的加热外壳通电，设置加热温度为500℃，保温时间60min；当加热外壳温度到达500℃，且真空感应炉真空度小于1Pa，感应炉开始加热，待坩埚中Ni基合金锭坯完全熔化，充氩至0.08MPa，精炼2.5min，在精炼合金溶液的同时打开离心浇铸机，设置转速500r/min，将合金溶液浇入模具组件中，10s～15s浇完，浇完后再过15s，设置离心浇铸机转速220r/min，再过2.5min后设置离心浇铸机转速0r/min，最后关闭离心浇铸机电源；将加热外壳断电，60min后停止抽真空，打开真空感应炉放气阀，打开真空感应炉炉盖，拆除第二钢包套7，从模具组件中取出Ni基合金管坯；
步骤四、对Ni基合金管坯进行机械加工，得到Ni基合金管。
实施例4
采用实施例1的离心铸造模具离心铸造Ni基合金管的方法，包括以下步骤：
步骤一、将离心浇铸机与离心铸造模具中的第一钢包套6通过法兰连接；然后将模具组件的下模具2置于第一钢包套6中，将中模具3置于下模具2上方，且将下模具2凸起部位嵌套在中模具3内，再将垫片4置于下模具2上方，且完全覆盖下模具2位于中模具3内的上表面；接下来将上模具1置于中模具3上方，且将上模具1凸起部位嵌套在中模具3内；接下来将第二钢包套7置于第一钢包套6及模具组件上方，并将第二钢包套7与第一钢包套6固定连接，以使模具组件固定于钢包套组件内，防止模具组件晃动；
步骤二、将熔炼制备的Ni基合金锭坯置于中频真空感应炉内的氧化铝坩埚中，封炉抽真空；
步骤三、给离心铸造模具的加热外壳通电，设置加热温度为300℃，保温时间120min；当加热外壳温度到达300℃，且真空感应炉真空度小于1Pa，感应炉开始加热，待坩埚中Ni基合金锭坯完全熔化，充氩至0.07MPa，精炼3.5min，在精炼合金溶液的同时打开离心浇铸机，设置转速800r/min，将合金溶液浇入模具组件中，10s～15s浇完，浇完后再过25s，设置离心浇铸机转速180r/min，再过3min后设置离心浇铸机转速0r/min，最后关闭离心浇铸机电源；将加热外壳断电，90min后停止抽真空，打开真空感应炉放气阀，打开真空感应炉炉盖，拆除第二钢包套7，从模具组件中取出Ni基合金管坯；
步骤四、对Ni基合金管坯进行机械加工，得到Ni基合金管。
将本发明离心浇铸的Ni基合金管材与传统重力浇铸的Ni基合金管材进行比较，本发明离心浇铸的Ni基合金管材的高度达到120mm，而传统重力浇铸的Ni基合金管材高度只有60mm，且表面有缩松\裂纹等铸造缺陷；此外，本发明的控温调节使Ni基合金管材充型完整，不再出现管材底部为碗状，顶部管壁变薄等状况，保证了管壁尺寸上下均匀，机加成品率从34.5％(传统重力浇铸)提高到89.2％；本发明采用离心浇铸，合金液的流动性增强，使得Ni基合金管材的管壁内表面、外表面、底部、中部、顶部化学成分均匀，如Ni元素含量相差不到0.5％，优于传统重力浇铸的2％。
本发明的模具和方法也可用于所述含Co元素的合金管，其它主成分元素包含Cr元素、Al元素、Y元素、Si元素或Hf元素。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种Ni基合金管的离心铸造模具，其特征在于，包括模具组件，和包裹在所述模具组件外侧的钢包套组件；所述模具组件包括上模具(1)和下模具(2)，以及设置于上模具(1)和下模具(2)之间的中模具(3)；所述中模具(3)为管状结构，上模具(1)和下模具(2)沿中模具(3)的轴向分别设置于中模具(3)的上下两侧，所述中模具(3)和下模具(2)可拆卸且密封连接，中模具(3)和上模具(1)可拆卸且密封连接，所述上模具(1)中部开设有第一通孔(5)，所述第一通孔(5)与中模具(3)连通；所述钢包套组件外侧设置有加热外壳。
2.根据权利要求1所述的一种Ni基合金管的离心铸造模具，其特征在于，还包括设置于下模具(2)上且位于中模具(3)内的垫片(4)，所述垫片(4)的厚度为5mm～10mm。
3.根据权利要求1所述的一种Ni基合金管的离心铸造模具，其特征在于，所述上模具(1)和下模具(2)上均设置有凸起，上模具(1)的凸起部位向下嵌入中模具(3)内，下模具(2)的凸起部位向上嵌入中模具(3)内。
4.根据权利要求1所述的一种Ni基合金管的离心铸造模具，其特征在于，所述钢包套组件包括第一钢包套(6)和第二钢包套(7)，所述第一钢包套(6)为下端封闭，上端开口的筒状结构，第一钢包套(6)包裹在下模具(2)和中模具(3)外侧；所述第二钢包套(7)设置于上模具(1)上，第二钢包套(7)中部开设有第二通孔(8)，所述第二通孔(8)与所述第一通孔(5)相连通；所述第一钢包套(6)和第二钢包套(7)可拆卸连接。
5.根据权利要求4所述的一种Ni基合金管的离心铸造模具，其特征在于，沿所述中模具(3)的轴向，所述第二通孔(8)的边界与所述第一通孔(5)的边界平齐。
6.根据权利要求1所述的一种Ni基合金管的离心铸造模具，其特征在于，所述加热外壳包括壳体(9)以及设置在所述壳体(9)内壁的电热元件(10)。
7.根据权利要求6所述的一种Ni基合金管的离心铸造模具，其特征在于，还包括温度测量元件(11)和温度控制器(12)；所述温度测量元件(11)与电热元件(10)连接，用于测量所述加热外壳的温度；所述温度控制器(12)用于显示温度测量元件(11)传输来的温度信号，且将测量值与设定值进行比较，输出温度控制信号，控制加热外壳的温度。
8.一种采用如权利要求2所述离心铸造模具离心铸造Ni基合金管的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、组装离心铸造模具并将离心铸造模具中的第一钢包套(6)与离心浇铸机连接；
步骤二、将Ni基合金锭坯置于中频真空感应炉的氧化铝坩埚内，封炉抽真空；
步骤三、利用加热外壳将离心铸造模具加热至300℃～500℃并保温，开启中频真空感应炉对Ni基合金锭坯进行熔化和精炼，将精炼的合金溶液浇入离心铸造模具中进行离心浇铸，得到Ni基合金管坯；
步骤四、对步骤三中所述Ni基合金管坯进行机械加工，得到Ni基合金管。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤三中待氧化铝坩埚中Ni基合金锭坯完全熔化，充氩至0.07MPa～0.08MPa，精炼2.5min～3.5min；离心浇铸的转速为500r/min～800r/min，浇入时间为10s～15s。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤三中精炼合金溶液浇入完成15s～25s后，降低转速至180r/min～220r/min，再过2min～3min后降低转速至0r/min，停止保温，60min～90min后停止抽真空。
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