CN1426864A - 定向凝固铸造的方法及设备 - Google Patents

Abstract

一种定向凝固铸造设备，当注入铸模中的熔融材料定向凝固时能够提高冷却效果。放置在预定区周围的铸模(20)从加热到用于生产铸件(31)的金属熔点以上温度的加热室(10)中抽出，在铸模(20)的空腔(21)中的熔融金属(32)被定向凝固。定向凝固设备(100)包括：驱动杆(42)，用于从加热室(10)抽出铸模(20)；气体喷嘴(52b)，用于从设置了铸模的预定区内部喷射的冷却气体迅速冷却铸模(20)；气体喷嘴(52a)，用于从设置了铸模放置的预定区外部喷射的冷却气体迅速冷却铸模(20)。另外还设置了隔热板(15)，即使当驱动杆(42)上下移动时也固定不动。隔热板(15)阻止辐射热从加热室(10)散失。

Description

定向凝固铸造的方法及设备

技术领域

本发明涉及一种用于生产单向凝固铸件的方法及其生产设备，尤其涉及一种用于铸造静叶片、动叶片等(如燃气涡轮的静叶片、动叶片)的定向凝固铸造的方法及其铸造设备。

背景技术

传统上，布里曼晶体生长法已用于生产那些其部分承受巨大的热和机械载荷的铸件。构成复杂的燃气涡轮的静叶片或动叶片可以用来作为这种部件的一个例子。根据布里曼晶体生长法的定向凝固铸件呈现出择优取向的单晶或柱状晶。

下面将参照图8对用于生产定向凝固铸件的传统方法进行说明。如图8所示，一般是按这样的传统方式生产定向凝固铸件，驱动杆42沿着轴线A-A的箭头方向降低，放置在冷却盘41上的铸模20被从加热室10中抽出。当铸模20中的熔融金属32经过水冷环51时，熔融金属32通过辐射冷却等方式而冷却，并凝固成铸件31。代替如图中所示的用水冷环51的方法，另一种通过向铸模20上喷射冷却气体的方法也已被采用了。

还采用了其它的冷却方法，例如冷却槽法或把铸模20放入一个热导管中的方法。

在日本专利临时公开号9-10919/1997和9-206918/1997等中披露的技术即为上述的定向凝固铸造方法和设备。

发明内容

上述方法和设备传统上已被用于生产定向凝固铸件。

然而，在使用传统方法和设备完成的定向凝固中，如果被铸造的零件形状复杂或采用通过一次铸造工艺生产多个产品的方法，就会有称为“各向异性晶体”的结构缺陷或称为“斑点”的结构缺陷发生。这种结构缺陷使得成品率降低。另外，如果铸件变大，冷却效率将降低，因此铸件的生产效率也将降低。

例如，图8所示的方法和设备没有用于阻止加热器11中热辐射的机构。

在这种结构中，加热器11的部分辐射热反复地被反射，没有被吸收到铸模20内部形成的空间中，并到达了冷却区。所述辐射热也在铸模20的抽出和冷却过程中通过加热室10的中空部分到达冷却区。加热器11中的大部分辐射热不受阻碍地排放到冷却区，因此冷却区铸模20中的熔融金属32的冷却没有得到加强，此外，定向凝固铸造设备100的整体热效率降低。热效率的降低不仅导致了结构缺陷的发生，而且引起了人们对生产效率降低的关注。

在日本专利临时公开号9-10919/1997中披露的方法和设备中，由于能被冷却的铸模的数量只有一个，成品率和生产率很低。在日本专利临时公开号9-206918/1997中披露的方法和设备中，虽然同时能有多个铸模被冷却，但只能通过辐射冷却来对铸模进行冷却，因此整体冷却容量并没有提高，因此也不能生产大规模铸件。

因此本发明的目的在于提供一种定向凝固的方法和定向凝固的设备，当铸模中的熔融材料被定向凝固时能够增强冷却效果和提高生产率。

为了达到所述目的，本发明提供了一种定向凝固铸造设备，其特征是具有如下结构。即一种定向凝固铸造设备，能够通过从加热到待铸造金属熔点或以上温度的加热室中抽出放置在预定区周围的多个铸模，以定向凝固所述多个铸模中的熔融金属，装置包括：驱动器，用于把所述多个铸模从加热室中抽出；第一冷却器，使用第一冷却器可以用冷却气体从预定区内部冷却所述多个铸模；第二冷却器，使用第二冷却器可以用冷却气体从预定区外部冷却所述多个铸模。

本发明的定向凝固铸造设备有放置在预定区周围的多个铸模。例如，预定区可能是一个圆形区域。在这个圆形区域中，多个铸模放置在它的圆周上。所述多个铸模能用来自第一冷却器的冷却气体从圆的中侧冷却，并能用来自第二冷却器的冷却气体在圆的外部冷却。因此，定向凝固能获得充分的冷却效果，而且确保了足够的生产率。除了圆形，多边形(如三角形、矩形或各种各样的不确定的形状)也可以用作预定区。

定向凝固设备也可以进一步包含一个放置在加热室的下部和第一和第二冷却器上部的隔热板。隔热板有一个所述多个铸模能通过的开口。即使当所述多个铸模从加热室中抽出时，隔热板仍在加热室的下部和第一、第二冷却器的上部，隔热板阻止热从加热室的热源处散失。第一、第二冷却器获得的冷却效果和定向凝固铸造设备的热效率通过隔热板阻止热从热源处散失而得到提高。

因此，本发明的定向凝固铸造设备至少具有如下四个方面。

定向凝固铸造设备的第一方面在于第一、第二冷却器吹冷却气体直接冷却铸模。第二方面在于第一、第二冷却器沿着铸模的外围吹冷却气体。第三方面在于第一、第二冷却器从一个穿孔的管子中喷射冷却气体。

第四方面在于第一、第二冷却器从气体端口处喷射冷却气体，所述气体端口是在围绕铸模外围的环形管子内部圆周表面中形成的。在第四方面中，如果环形管是独立的单一体，从内侧冷却铸模的环形管部分可以被设定为第一冷却器，从外侧冷却铸模的环形管部分可以被设定为第二冷却器。如果环形管是由两个分开的管体组成，则管体之一可以被设定为第一冷却器，另一管体可以被设定为第二冷却器。制成的管子具有多个分开的管体是允许的。

在本发明中，根据所述四个方面，铸模能从放置在预定区周围的铸模的内侧和外侧迅速地被冷却。

定向凝固铸造设备也可进一步包括：第一辐射冷却器，经过驱动器，用于从驱动器内部吸收所述多个铸模的辐射热，并且，当所述多个铸模被驱动器降低时冷却它们；第二辐射冷却器，放置在第一辐射冷却器的外部，从驱动器外部吸收所述多个铸模的辐射热，并且，当所述多个铸模被驱动器降低时冷却它们。因此，经过第一、第二冷却器时被迅速冷却的铸模能够进一步被第一、第二辐射冷却器冷却。

本发明也可进一步提供一种如下所述的定向凝固铸造方法。即所述定向凝固铸造方法能够通过从加热到待铸造金属熔点或以上温度的加热室中抽出的放置在预定区的多个铸模，对所述多个铸模中的熔融金属进行定向凝固，包括的步骤为：从加热室抽出所述多个铸模，然后阻止加热室热量散失；向放置在预定区周围的所述多个铸模的内部和外部吹惰性气体，从而定向凝固熔融金属。

所述惰性气体可以是雾化液氮或液氮的蒸发气体。惰性气体并不仅限于液氮，只要惰性气体不与铸模发生化学反应，还可以使用其他惰性气体的流体。

惰性气体的特征是平面式吹到铸模上。当以平面方式吹入时，虽然惰性气旨在从带孔管中吹来，但也可以从单个喷嘴或多个喷嘴向铸模吹入，或者气体可以从环绕铸模的环形管向铸模吹入。

如上所述，根据本发明，可以提供所述定向凝固铸造设备和定向凝固铸造方法，当熔融材料进行定向凝固时能够提高冷却效果。定向凝固铸件的生产率也可通过上述的定向凝固铸造设备和方法而得到提高。

此外，由于熔融材料能够在定向凝固时被迅速冷却，可以提高在垂直方向的温度梯度的斜率并阻止结构缺陷的发生。而且，还可以通过迅速冷却降低在水平方向上温度梯度并改善冷却的均匀性。

附图说明

图1说明了第一实施方案中的定向凝固铸造设备100的结构。

图2说明了第一实施方案中的定向凝固铸造设备100内部的冷却过程。

图3是第一实施方案中的定向凝固铸造设备100的横截面图。

图4是第二实施方案中的定向凝固铸造设备100的横截面图。

图5说明了第三实施方案中的定向凝固铸造设备100的结构。

图6是第三实施方案中的定向凝固铸造设备100的横截面图。

图7是第四实施方案中的定向凝固铸造设备100的横截面图。

图8显示了传统定向凝固铸造设备100的结构。

具体实施方式

<第一实施方案>

下面将根据附图所示的第一实施方案对本发明进行说明。

图1是说明了第一实施方案中的定向凝固铸造设备100的结构。下面将说明通过定向凝固铸造叶片(如涡轮叶片)的情形。图3示出了在冷却过程中沿线B-B做水平截面得到的定向凝固铸造设备100的横截面图，所述冷却过程将在后面参照图2进行说明。换言之，在第一实施方案中所述的定向凝固铸造设备100中，如图3所示，多个叶片(图中为4个)能同时铸造。

如图1所示，定向凝固铸造设备100中的加热室10除底面外由外壳12包围。加热器11放置在加热室10的外壳12的内侧面上。在外壳12的上表面中制有开口13。设置了开口盖14用来盖住开口13。具有开口16的隔热板15放置在加热室10的底部。在隔热板15的末端设置了挠性指杆17，当铸模20从加热室10抽出时可以接触到铸模20的侧面。

铸模20位于加热室10的内部，铸模20有注入端口23和通道24，熔融金属从所述端口23被注入，从注入端口23注入的熔融金属通过所述通道24到达空腔21中。在铸模20的中部设置有薄陶瓷部分22，所述薄陶瓷部分22例如可以包含使晶体生长加速的晶核。

铸模20放置在冷却盘41上。冷盘41封闭了空腔21的底部并构成铸模20的底部。冷却盘41又封闭了隔热板15的开口16。冷却盘41由能够沿轴线A-A上下移动的驱动杆42支撑，并且能够响应于驱动杆42的降低从加热室10中抽出放置在冷却盘41上的铸模20。散热器43放置在驱动杆42内。当驱动杆42下降时，散热器43固定在相同的位置，并通过辐射冷却方式冷却沿定向凝固铸造设备100的中线(从轴线A-A侧)从加热室10中抽出的铸模20。

定向凝固铸造设备100也具有水冷环51和气体喷嘴52a和52b，所述水冷环51用于通过辐射冷却方式从定向凝固铸造设备100外围侧冷却铸模20，雾化液氮或液氮的蒸汽(下文称作“压缩气体”)通过所述气体喷嘴52a和52b喷射。气体喷嘴52a放置在隔热板15和水冷环51之间，如图3所示，从水冷环51侧(即铸模外周侧)冷却铸模20。气体喷嘴52b放置在隔热板15和散热器43之间，如图3所示，从中心侧(即从铸模内周侧)冷却铸模20。由于隔热板15和气体喷嘴52a和52b是固定的，即使当驱动杆42上下移动时它们也不动。

第一实施方案中的定向凝固铸造设备100具有一个由如上所述的气体喷嘴52a和52b、冷却盘41、散热器43和水冷环51组成的冷却区。可以设想出冷却区和放置在加热室10下部的驱动杆42被铸件(未示出)包围的情形。

加热室10的内部由放在加热室10内的加热器11加热，并保持在高于熔融金属32熔点的温度。在加热室10足够热的状态下熔融金属32由外壳12上制成的开口13注入至注入端口23。熔融金属经通道24送至空腔21中，并直接与形成铸模20底部的冷却盘41相接触。因此，熔融金属32的热通过热传导传递至冷却盘41。然后，熔融金属32冷却并定向凝固，进而凝固前沿33(薄合金)在空腔21的底部形成。由于其间的凝固前沿33，在上部的熔融金属32和下部的冷却盘41之间形成了很大的温度梯度。

图2是说明了第一实施方案中定向凝固铸造设备100中的冷却过程。如图2所示，冷却盘41随着驱动杆42沿轴线A-A的下降而降低。当降低时，放在冷却盘41上的铸模20经过在隔热板15中制成的开口16，并被从加热室10中抽出。

如上所述，能喷射压缩气体的气体喷嘴52a放置在隔热板15的下部的外周侧，即铸模20的外周侧。能喷射压缩气体的气体喷嘴52b放置在隔热板15的下部的内周侧，即铸模20的内周侧。当在空腔21中装有高温熔融金属32的铸模20经过气体喷嘴52a时，压缩气体从气体喷嘴52a中喷射至铸模20上，如箭头所示。同时，压缩气体也从气体喷嘴52b中喷射至铸模20上，如箭头所示。不仅铸模20而且在铸模20中空腔21中的熔融金属32也被喷射至其上的压缩气体迅速冷却。铸模20的外周侧面和内周侧面同时被压缩气体迅速冷却。

当熔融金属32送至空腔21时，在铸模20底部形成的凝固前沿33在气体喷嘴52a和52b下部的线B-B位置上在熔融金属32与铸件31之间形成界面。即使在铸模20下降时凝固前沿33仍保持在线B-B的位置，在这条线以下的铸件31发生凝固。铸件31向放置在铸模20外周侧的水冷环51和放置在铸模20内周侧的散热器43散热，如箭头所示，从而进一步得到冷却。

因此，被注入至空腔21的熔融金属32通过迅速冷却铸模20而得以定向凝固。在空腔21中定向凝固的铸件31的水平方向的温度梯度由于从内周侧面和外周侧面同时迅速冷却铸模20而尽可能地被减小。此外，由于在垂直方向上的温度梯度的斜率能被增大，因而能够进行没有结构缺陷的定向凝固。因而定向凝固设备100的生产率也得到提高。

图3是第一实施方案中的定向凝固铸造设备100的横截面图。图3中的截面图说明了图2中定向凝固设备100沿线B-B水平截开时的状态。

如图3所示，铸模20以环绕散热器43的方式放置在预定区中。水冷环51放置在铸模20的外周侧，与放在其内周侧的散热器43一起，从铸模20吸收辐射热，并冷却铸模20。喷向铸模20的压缩气体来自于放置了铸模20的区域的外周侧的气体喷嘴52a(即在冷却环51一侧)，如箭头所示。同样，喷向铸模20的压缩气体也来自于放置了铸模20的区域的内周侧的气体喷嘴52b(即在散热器43一侧)，如箭头所示。在铸模20的空腔21中的熔融金属32和铸模20被所述压缩气体迅速冷却，并定向凝固成铸件31。然后，当铸模20向散热器43和水冷环51散热时，铸模20中的铸件31通过辐射降温而冷却。

如上所述，在第一实施方案中，当铸模20从加热室10中抽出时，铸模20被在设置了铸模20的区域外设置的气体喷嘴52a和在设置了铸模20的区域内设置的气体喷嘴52b喷射出的压缩气体迅速冷却，因此熔融金属32被定向凝固。由于按照这种方式建造定向凝固铸造设备100且使得来自气体喷嘴52a和52b的压缩气体迅速冷却铸模20，因此提高了熔融金属32定向凝固时所获得的冷却效果。此外，当铸模20和冷却盘41下降时，加热器11散发的热能被放置在加热室10底部的中部的隔热板15阻挡。所以，不仅可以提高在气体喷嘴52a和52b以下获得的冷却效果，而且也能增强定向凝固设备100的整体热效率。

另外，根据第一实施方案，能够在一次铸造工艺过程中定向铸造多个铸件31的铸模20能得到有效冷却，而且熔融金属32能被定向凝固。此外，由于能够通过气体喷嘴52a和52b喷出的压缩气体获得快速冷却，即使铸件31有复杂形状的部分，已定向凝固的铸件31也不易产生结构缺陷。

在第一实施方案中雾化的液氮或液氮的蒸汽被用作从气体喷嘴52a和52b喷射的压缩气体。但是，如果惰性气体(如氦气和氩气)不与加热了的铸模20发生化学反应，则也可以作为压缩气体。

<第二实施方案>

下文将参照图4说明第二实施方案。图4是第二实施方案中的定向凝固铸造设备100的横截面图。图4中的横截面图说明了第一实施方案所述的定向凝固设备100沿线B-B截开时的情况，类似图3的横截面图。除了气体喷嘴52a和52b的方向，第二实施方案中的定向凝固铸造设备100与第一实施方案中所述的定向凝固铸造设备100在结构上相同，因此这里不再赘述。

如图4所示，铸模20以环绕散热器43的方式放置在预定区中。水冷环51放置在铸模20的外周侧面，与放置在铸模的内周侧面的散热器43一起，从铸模20吸收辐射热，并冷却铸模20。压缩气体从放置了铸模20的区域的外周侧面放置的气体喷嘴52a沿铸模20的外周喷射(即在水冷环51一侧)，如箭头所示。同样，压缩气体从放置了铸模20的区域的内周侧面放置的气体喷嘴52b沿铸模20的外周喷射(即在散热器43一侧)，如箭头所示。在铸模20的空腔21中的熔融金属32和铸模20一起被压缩气体迅速冷却，并定向凝固成铸件31。

如上所述，在第二实施方案中，铸模20被在设置了铸模20的区域之外设置的气体喷嘴52a和在设置了铸模20的区域之内设置的气体喷嘴52b喷射出的压缩气体迅速冷却，因此熔融金属32被定向凝固。因此，第二实施方案可以获得与第一实施方案相同的效果。

<第三实施方案>

下文将参照图5说明第三实施方案。

图5是说明了第三实施方案中的定向凝固铸造设备100的结构。这个定向凝固铸造设备100几乎与第一、第二实施方案中的定向凝固设备100具有相同的结构。在此定向凝固铸造设备100中，放置在冷却盘41上的铸模20通过沿轴线A-A降低驱动杆42而从加热室10中抽出。设置了带孔管53a和53b，用来取代第一、第二实施方案中的气体喷嘴52a和52b冷却铸模20。水冷环51放置在加热室10的下部。

图6是第三实施方案中的定向凝固铸造设备100的横截面图。图6的截面图说明了图5中的定向凝固铸造设备100沿线B-B截开时的情况。

如图6所示，铸模20环绕轴线A-A放置在预定区中。水冷环51放置在铸模20的外周侧面，并吸收铸模20的辐射热，从而冷却铸模20。压缩气体从放置了铸模20的区域的外周侧面上设置的带孔管53a的内周表面喷射(即在水冷环51侧)，如箭头所示。同时，压缩气体从放置了铸模20的区域的内周侧面上设置的带孔管53b的外周表面喷射(即在轴线A-A侧)，如箭头所示。铸模20中的熔融金属32迅速被压缩气体冷却，并定向凝固成铸件31。然后，铸模20向水冷环51散热，铸模20中的铸件31被冷却。

如上所述，在第三实施方案中，当铸模20从加热室10抽出时，铸模20被在放置了铸模20的区域之外设置的带孔管53a和在放置了铸模20的区域之内设置的带孔管53b喷射出的压缩气体冷却，从而熔融金属32定向凝固。通过按照这种方式建造定向凝固铸造设备100和通过带孔管53a和带孔管53b的压缩气体迅速冷却铸模20，提高了熔融金属32定向凝固时的冷却效果。另外，即使已定向凝固的铸件31有复杂形状的部分，也不易产生结构缺陷。此外，由于从铸模20的外周侧面和内周侧面同时喷射压缩气体而获得了快速冷却，熔融金属32的冷却均匀性得到改善。

<第四实施方案>

下文将参照图7说明第四实施方案。

图7是第四实施方案中的定向凝固铸造设备100的横截面图。图7中的横截面说明了根据第三实施方案的定向凝固铸造设备100例如沿线B-B截开后的情况。除了环绕铸模20外围的环54取代了图5中的带孔管53a和带孔管53b，第四实施方案中的定向凝固铸造设备100与第三实施方案中的定向凝固铸造设备100具有相同的结构。因此，可以设想环54是围绕铸模20的环形管，并且在环形管的内周表面制成了等距或非等距的气体端口。

如图7所示，铸模20环绕轴线A-A放置在预定区中。水冷环51放置在铸模20的外周侧面，并吸收铸模20的辐射热，从而冷却铸模20。压缩气体从环绕铸模20外周侧面放置(如箭头所示)的环54的内周表面处形成的气体端口喷射出。铸模20中的熔融金属32被压缩气体迅速冷却，并定向凝固成铸件31。然后，铸模20向水冷环51散热，铸模20中的铸件31通过辐射冷却而得到冷却。

如上所述，在第四实施方案中，当铸模20从加热室10抽出时，铸模20被从环绕铸模20的外周放置的环54的内周表面形成的气体端口喷射出的压缩气体迅速冷却，从而熔融金属32定向凝固。根据第四实施方案的结构可获得与第三实施方案相同的效果。此外，按照第四实施方案，由于冷却可以从铸造20的外围的各个方向获得，冷却的均匀性可以进一步得到改善。

在第四实施方案中，对铸模20被环形管包围的形式进行了说明，但是，环54并不一定是由单一的管来形成，多个管可以彼此相连合成一个环形管。此外，图7所示的环54的内周表面是曲面，但根据铸模20的形状，为了更有利于冷却铸模20，环54的形状可适当地变化。

Claims (10)

1.一种定向凝固铸造设备，能够通过从加热到待铸造金属熔点或以上温度的加热室中抽出放置在预定区周围的多个铸模，以定向凝固所述多个铸模中的熔融金属，装置包括：

驱动器，用于把所述多个铸模从加热室中抽出；

第一冷却器，使用第一冷却器可以用冷却气体从预定区内部冷却所述多个铸模；和

第二冷却器，使用第二冷却器可以用冷却气体从预定区外部冷却所述多个铸模。

2.根据权利要求1所述的定向凝固铸造设备，还包括隔热板，放置在加热室的下部和第一、第二冷却器的上部，并有一个所述多个铸模可以通过的开口，

其中即使当所述多个铸模从加热室中抽出时，隔热板也放置在加热室的下部和第一、第二冷却器的上部，并且隔热板可阻止热从加热室的热源散失。

3.根据权利要求1或2所述的定向凝固铸造设备，其中第一、第二冷却器向铸模上喷射冷却气体。

4.根据权利要求1或2所述的定向凝固铸造设备，其中第一、第二冷却器沿铸模外周喷射冷却气体。

5.根据权利要求1所述的定向凝固铸造设备，其中第一、第二冷却器从带孔管喷射冷却气体。

6.根据权利要求1所述的定向凝固铸造设备，其第一、第二冷却器从在环绕铸模外围放置的环形管的内周表面中形成的气体端口喷射冷却气体。

7.根据权利要求1所述的定向凝固铸造设备，还包括：

通过驱动器的第一辐射冷却器，用于当所述多个铸模被驱动器降低时从驱动器内部吸收所述多个铸模的辐射热并冷却所述多个铸模；

放置在第一辐射冷却器外的第二辐射冷却器，用于当所述多个铸模被驱动器降低时从驱动器外部吸收所述多个铸模的辐射热并冷却所述多个铸模。

8.一种定向凝固铸造方法，能够通过从加热到待铸造金属熔点或以上温度的加热室中抽出放置在预定区周围的多个铸模，以定向凝固所述多个铸模中的熔融金属，包括如下步骤：

从加热室中抽出所述多个铸模，并阻止热从加热室散失；和

从放置在预定区周围的所述多个铸模的内部和外部喷射惰性气体来冷却铸模，从而定向凝固熔融金属。

9.根据权利要求8所述的定向凝固铸造方法，其中惰性气体是雾化液氮或液氮的蒸汽。

10.根据权利要求8所述的定向凝固铸造方法，其惰性气体以平面方式喷射到铸模上。

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