CN206912221U - 一种定向凝固炉用气体冷却装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种定向凝固炉用气体冷却装置，属于高温合金制造技术领域。该装置包括环状管体和管体上设置的若干喷嘴；其中：所述环状管体设于定向凝固炉的水冷环底部。所述环状管体通过管道连接气体发生装置，气体发生装置向喷管中输入惰性气体，惰性气体经喷嘴喷至模壳上，对模壳和模壳内的合金进行冷却。该设备具有成本低、易维护、可操作性强等特点。在定向凝固采用气体冷却系统，实现快速高效定向凝固及单晶生长。该方法适于制造定向凝固及单晶零件。
Description
技术领域
本发明涉及高温合金制造技术领域，具体涉及一种定向凝固炉用气体冷却装置，用于定向凝固合金或单晶高温合金零件的加工。
背景技术：
众所周知，铸造高温合金具有高强度、高耐热性的优点，随着精密铸造工艺和陶瓷型芯技术的发展，铸造高温合金已成为现代航空发动机涡轮叶片和导向叶片首选材料。早期用精密铸造工艺制成的高温合金叶片为等轴晶组织，组织基体被杂乱无序的晶界切割。在长期的实践中，研究人员发现这些晶界在高温受力条件下为薄弱部位，使叶片性能被严重减弱；叶片断裂失效时，裂纹扩展经常是沿垂直于受力方向的横向晶界。于是发展了定向凝固技术，制备出了定向柱晶叶片，在消除了与主应力轴垂直的横向晶界后，叶片的性能大大提高。进一步的研究发现定向结晶后，裂纹首先出现在纵向晶界上。于是单晶定向凝固铸造技术被用来消除高温合金叶片中的所有晶界，结果使叶片高温性能实现了进一步提高。目前，单晶叶片不仅早已安装在各种先进航空发动机上，也越来越多地用在了重型燃气轮机中。
定向凝固时将过热合金熔体浇注入型壳，靠近水冷底盘表面的那一层合金熔体迅速冷至结晶温度以下而开始结晶，此时形成的晶粒，其位向是混乱的。在随后的凝固进行过程中，由于热流是通过已结晶的固体金属单向向下散热，且结晶前沿是正向温度梯度，立方晶系的金属及合金(Ni、 Fe、Co等及其合金)在结晶过程中晶体<001>是择优取向，生长速度最快，因此那些具有<001>方向的晶粒择优长大，将其它方向的晶粒淘汰掉。只要上述定向凝固条件保持不变，取向为<001>的柱状晶就可以保持生长，直到整个叶片，形成柱状晶组织，如图1所示。
根据定向凝固的经典理论—成分过冷理论，定向凝固的结晶组织与温度梯度G和凝固速率R有密切关系。温度梯度是指凝固界面前沿的温度随距离的变化特别是凝固区附近的温度梯度G值的大小是控制定向凝固的关键参数。多年来定向凝固工艺的改进多着眼于此。G值愈大，合金的凝固区愈窄，铸件的补缩愈好，疏松愈少，组织愈致密。凝固速率R 是指柱状晶生长的速率，R值愈大，则凝固过程愈短，生产效率愈高。
温度梯度G与凝固速率R的比值G/R是合金凝固区生长形态的特征参数，不同的G/R值，会获得不同的结晶组织。G/R值小，通常为树枝状凝固界面，得到柱状晶或等轴晶；G/R值在某一临界值以上时，则凝固界面为胞状，得到胞状晶；当G/R值很大时，凝固界面平滑，得到平面型结晶。凝固界面结晶形式与G、R值的关系如图2所示。
温度梯度G与凝固速率R的乘积G×R用V表示，其物理意义为单位时间内的温度变化，即冷却速率。
式中：TL—液相线温度；
TS—固相线温度；
Δτ—局部凝固时间，即铸件某处由液相线温度到固相线温度所经时间间隔；
h—固液相线温度差所经距离，即为Δτ局部凝固时间内柱状晶生长的距离。
一定的合金，冷却速率越大，则局部凝固时间越短，该合金晶体的二次枝晶臂距(S2)越小，其关系如下：
S2∝(Δτ)n，其中1/3≤n≤1/2
二段枝晶臂距细小，意味着合金组织均匀致密，强度和抗疲劳性能好。
目前，在合金定向凝固过程中，特别是制备大尺寸合金零件时，存在温度梯度偏低、合金零件各部分受热不均匀等情况，从而导致采用定向凝固工艺制备合金时杂晶等单晶凝固缺陷的产生，严重影响合金质量。
实用新型内容：
为了提高大尺寸定向合金或单晶合金零件生长时固/液界面的温度梯度和铸件冷却速率，本实用新型的目的在于提供一种定向凝固炉用气体冷却装置，该装置在定向凝固炉产生辐射散热和传导散热的同时，将气体对流散热引入到定向凝固设备中，以提高铸件的温度梯度和冷却速率，能够有效地减少制备合金时杂晶等缺陷的产生，提高定向合金或单晶零件(单晶叶片)的质量和性能。
为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案如下：
一种定向凝固炉用气体冷却装置，包括环状管体和管体上设置的若干喷嘴；其中：所述环状管体设于定向凝固炉的水冷环底部。
所述环状管体通过管道连接气体发生装置，气体发生装置向环状管体中输入惰性气体，惰性气体经喷嘴喷至模壳上，对模壳和模壳内的合金进行冷却。
所述喷嘴沿环状管体的内侧周向平均分布，喷嘴为波纹管，在实验前可根据需要将喷嘴喷射气体的方向进行调节。
所述环状管体与气体发生装置连接的管道上设有流量调节阀和流量计，流量调节阀用于调节进入环状管体内气体的流量。
所述环状管体上还设有固定板，用于将环状管体固定于定向凝固炉的水冷环上。
本实用新型的优点和有益效果如下：
1、本实用新型通过在定向凝固炉的水冷环底部设置气体冷却装置，可以增强定向凝固及单晶生产过程中的整体冷却强度，提高温度梯度，增大冷却速率，同时可以使铸件内外两侧的冷却速率基本一致。从而可以有效地减少杂晶等单晶铸造缺陷的产生，提高单晶叶片的质量和性能。实现快速高效定向凝固及单晶生长。
2、本实用新型的气体压力、流量和吹气方向变化可根据实际需要进行调控。
3、该装置具有成本低、易维护、可操作性强等特点。
4、本实用新型装置适用于单晶高温合金铸件的加工制造，还可以推广应用到其它合金和零件的定向凝固领域。
附图说明：
图1为定向凝固示意图。
图2为温度梯度G和凝固速率R对凝固界面形态的影响。
图3为本实用新型装置在定向凝固炉上的位置示意图。
图4为本实用新型气体冷却装置结构示意图。
图5为采用本实用新型制备的合格单晶叶片。
图中：1-叶片未凝固部分；2-叶片已凝固部分；3-加热器上区；4-加热器下区；5-隔热挡板；6-水冷环；7-气体冷却装置；701-环状管体；702-喷嘴；703-管道；704-固定板。
具体实施方式：
以下结合附图详述本实用新型。
本实用新型为定向凝固炉用气体冷却装置，如图3-4所示。在HRS法定向凝固炉的水冷环6底部，设计制造气体冷却装置7，该装置包括环状管体701和管体上的若干喷嘴702；所述环状管体701通过管道703连接气体发生装置，气体发生装置向环状管体701中输入惰性气体，惰性气体经喷嘴702喷至模壳上，对模壳和模壳内的合金进行冷却。
所述喷嘴702为波纹管，各个喷嘴沿环状管体的内侧周向平均分布，在实验前可根据需要将喷嘴喷射气体的方向进行调节。所述环状管体与气体发生装置连接的管道上设有流量调节阀和流量计。
通过环状管体上设置固定板704将该装置固定于定向凝固炉的水冷环上。
实施例1
采用本实用新型装置进行单晶叶片的制备，该装置固定在定向凝固炉上。先对喷嘴的喷射气体的方向根据需要进行调节，然后型壳向下抽拉。定向凝固炉包括加热区(加热区上区3和加热区下区4)和水冷环，加热区和水冷环6之间通过隔热挡板5隔开。型壳向下抽拉时，经过加热区时型壳内为合金液(叶片未凝固部分1)，经过水冷环6和气体冷却装置7时，型壳散热，合金凝固(叶片已凝固部分2)。
本实用新型装置内通入惰性气体对型壳进行冷却，以增强单晶生长的冷却强度，提高温度梯度，增大冷却速率，可以使铸件内外两侧的冷却速率基本一致，从而可以有效地减少杂晶等单晶铸造缺陷的产生，提高单晶叶片的质量和性能。采用本实用新型后单晶组织有效细化，表1所示为一次枝晶间距对比。制造出的合格单晶叶片如图5所示。
表1单晶一次枝晶间距对比(单位：μm)
。
Claims (5)
1.一种定向凝固炉用气体冷却装置，其特征在于：该装置包括环状管体和管体上设置的若干喷嘴；其中：所述环状管体设于定向凝固炉的水冷环底部。
2.根据权利要求1所述的定向凝固炉用气体冷却装置，其特征在于：所述环状管体通过管道连接气体发生装置，气体发生装置向环状管体中输入惰性气体，惰性气体经喷嘴喷至模壳上，对模壳和模壳内的合金进行冷却。
3.根据权利要求1所述的定向凝固炉用气体冷却装置，其特征在于：所述喷嘴沿环状管体的内侧周向平均分布，喷嘴为波纹管，喷嘴喷射气体的方向能够进行调节。
4.根据权利要求1所述的定向凝固炉用气体冷却装置，其特征在于：所述环状管体与气体发生装置连接的管道上设有流量调节阀和流量计，流量调节阀用于调节进入环状管体内气体的流量，进而控制喷射气体的压力。
5.根据权利要求1所述的定向凝固炉用气体冷却装置，其特征在于：所述环状管体上还设有固定板，用于将环状管体固定于定向凝固炉的水冷环上。
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