專利名稱：一種高溫合金的定向凝固裝置及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高溫合金部件的精密鑄造，具體是在高溫合金部件的精密鑄造所用的一種定向凝固裝置及其使用方法。
背景技術(shù)：
為了提高航空發(fā)動機(jī)和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的性能，高溫合金渦輪葉片需要利用精密鑄造加定向凝固的工藝制成柱晶或單晶組織。在真空爐內(nèi)，高溫合金熔化后澆入高溫陶瓷模殼中以設(shè)定的速度緩慢下降進(jìn)入冷區(qū)，造成陶瓷模殼自下而上的冷卻和陶瓷模殼內(nèi)鑄件的定向凝固、形成高溫合金的柱晶或單晶組織。但是，由于陶瓷模殼導(dǎo)熱性很差，在真空中通過輻射向外散熱效率低下，造成其葉片鑄件凝固過程中冷卻速度和溫度梯度不高，影響了產(chǎn)品的質(zhì)量。特別是重型燃機(jī)用的大型葉片由于體積大，散熱問題更加嚴(yán)重?，F(xiàn)在世界上正積極開發(fā)新工藝以改善單晶葉片的生長條件。其中最著名的為液態(tài)金屬浸浴冷卻工藝。如圖1所示，在加熱室A底部設(shè)置一個液態(tài)金屬的熔池，陶瓷模殼3降入池中通過傳導(dǎo)散熱。但此法附加設(shè)備龐大，需耗巨資建新爐，且操作繁瑣，要將成噸的錫或鋁使用昂貴的加熱油11熔化并保溫、作為液態(tài)冷卻劑。由于生產(chǎn)成本很高，效率低下，導(dǎo)致此工藝雖發(fā)明幾十年但一直難于應(yīng)用到生產(chǎn)中。另一種改善葉片散熱的方法是氣體冷卻法，是向抽拉出爐膛的模殼噴射惰性氣體如氬氣進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。但由于氣體會吹入爐膛而使?fàn)t溫大大降低，反而降低了葉片質(zhì)量，因而這種方法也未能得到應(yīng)用。冶金企業(yè)利用連續(xù)鑄造工藝生產(chǎn)形狀簡單的金屬線材、板材或管材半成品，或制造低熔點(diǎn)金屬(如銅、鋁)的單晶或柱狀晶金屬產(chǎn)品，是結(jié)構(gòu)簡單的等截面無鑄型產(chǎn)品或半成品的連續(xù)鑄造。在無鑄型的連續(xù)鑄造`時，對連續(xù)鑄造的產(chǎn)品或半成品進(jìn)行噴水冷卻是必不可少的工序之一，同時，為防止水與熾熱的金屬接觸引起的氧化缺陷、汽膜熱阻甚至爆炸危險(xiǎn)，也有考慮用其他冷卻液如液態(tài)金屬或熔鹽(離子液體)。但是，由于上述產(chǎn)品或半成品一般為普通的黑色金屬或有色金屬，其加工的精度要求不高、可以有大量的加工余量，噴水冷卻直接作用在該產(chǎn)品或半成品的金屬表面上，容易與表面發(fā)生氧化反應(yīng)，且工作環(huán)境要求不高、一般在空氣環(huán)境中進(jìn)行，不適用于本發(fā)明的帶型殼的高溫合金定向凝固工藝的冷卻。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于:提供了一種用于高溫合金的定向凝固裝置及其使用方法，能簡單且有效地解決葉片模殼散熱問題，改善單晶葉片的生長條件。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
一種高溫合金的定向凝固裝置，包括加熱室和鑄模冷室，所述加熱室和鑄模冷室是上下相通、相互隔熱的真空腔，其腔體內(nèi)設(shè)置有升降工作臺，升降工作臺上放置模殼，高溫合金熔體在加熱室內(nèi)澆入模殼、隨升降工作臺下降進(jìn)入鑄模冷室而定向凝固；所述鑄模冷室內(nèi)設(shè)置有噴射冷卻裝置，包括依次連接的噴嘴、冷卻液導(dǎo)管和冷卻液盛具，所述加熱室底部的出爐口處均勻設(shè)置一圈噴嘴、噴嘴的噴出端對應(yīng)模殼外周面，冷卻液導(dǎo)管上設(shè)置有噴射栗。所述鑄模冷室內(nèi)設(shè)置有冷卻液循環(huán)裝置，包括冷卻液收集盤和回流管，所述冷卻液收集盤設(shè)置在升降工作臺的頂部外周上，冷卻液收集盤的底部設(shè)置有冷卻液回流孔、通過回流管連接冷卻液盛具。所述噴嘴底部內(nèi)側(cè)設(shè)置有一圈遮板，該遮板呈倒置的傘狀、其底部開口對應(yīng)冷卻液收集盤內(nèi)側(cè)。所述噴嘴為霧化噴嘴。所述冷卻液為液態(tài)鎵銦錫合金。所述模殼為陶瓷模殼。所述的高溫合金的定向凝固裝置的使用方法，具體步驟為:
安裝工作:
1)在現(xiàn)有的定向凝固爐的鑄模冷室內(nèi)、圍繞加熱室底部的出爐口處均勻設(shè)置一圈噴嘴，并將噴嘴通過冷卻液導(dǎo)管與冷卻液盛具連接，在冷卻液導(dǎo)管上設(shè)置噴射泵；
2)把陶瓷模殼放置在升降工作臺上，并在升降工作臺頂部外周安裝冷卻液收集盤，并使用回流管將冷卻液收集盤底部的冷卻液回流孔與冷卻液盛具相連；
3)在噴嘴底部內(nèi)側(cè)設(shè) 置一圈遮板，所述遮板呈倒置的傘狀、其底部開口對應(yīng)冷卻液收集盤內(nèi)側(cè)；
4)將銦錫液態(tài)合金作為冷卻液，倒入冷卻液盛具內(nèi)；
定向凝固裝置的使用:
5)通過升降工作臺將陶瓷模殼升入加熱室內(nèi)；關(guān)閉定向凝固爐的爐門、并對加熱室和鑄模冷室內(nèi)腔抽真空；
6)開啟加熱室內(nèi)的加熱器、對陶瓷模殼進(jìn)行預(yù)熱，然后將熔化的高溫合金熔體澆入陶瓷模殼；
7)通過升降工作臺將陶瓷模殼以設(shè)定速度的勻速緩慢下降至鑄模冷室；
8)當(dāng)陶瓷模殼進(jìn)入鑄模冷室后，打開噴射泵，使冷卻液以霧滴狀噴向陶瓷模殼、對陶瓷模殼內(nèi)部的高溫合金熔體進(jìn)行強(qiáng)制冷卻；
)9噴嘴底部內(nèi)側(cè)的遮板防止冷卻液濺出、換熱后的冷卻液沿陶瓷模殼下流，遮板和陶瓷模殼上的冷卻液經(jīng)冷卻液收集盤和回流管收集至冷卻液盛具，如此完成冷卻液的循環(huán)工作；
10)在高溫合金定向凝固過程即將結(jié)束時，關(guān)閉噴射泵，并將鑄模冷室放真空后打開，取出陶瓷模殼、并從中取出定向凝固后的高溫合金鑄件。本發(fā)明所產(chǎn)生的有益效果是:
與通常的采用液態(tài)金屬熔池冷卻的高溫合金的定向凝固相比，本發(fā)明有如下特點(diǎn):
(1)本發(fā)明的裝置簡單緊湊，可利用原有的定向凝固爐稍作添置，無需建新爐和變動原有結(jié)構(gòu)；
(2)由于冷卻液體用量大大減小(從液態(tài)金屬浴冷法的數(shù)噸減為一升左右)，可使用室溫下為液態(tài)的鎵銦錫(Ga-1n-Sn)合金。無須添加加熱裝置進(jìn)行熔化和保溫，操作大大簡化；
(3)液態(tài)金屬為室溫，且經(jīng)過水冷保持低溫，比加溫過熱的錫液或鋁液冷卻效果要好。與采用氣體冷卻的高溫合金的定向凝固相比，本發(fā)明有如下特點(diǎn):
(O由于本發(fā)明中冷卻介質(zhì)是液體，冷卻效果比氣體要好得多；
(2)由于冷卻介質(zhì)是金屬液體，不會像氣體那樣上升進(jìn)入爐膛而降低爐溫；
(3)液態(tài)的冷卻介質(zhì)能自動回流到儲備容器，不必另設(shè)復(fù)雜的回收系統(tǒng)；
(4)液態(tài)冷卻介質(zhì)不會像氣體那樣影響爐內(nèi)氣氛和真空狀況。與采用噴水冷卻的無鑄型的連續(xù)鑄造相比，本發(fā)明有如下特點(diǎn):
(1)本發(fā)明為帶陶瓷鑄型的高溫合金精密鑄造，與上述的無鑄型的連續(xù)鑄造不同；
(2)本發(fā)明的產(chǎn)品材料為高溫合金，與上述產(chǎn)品或半產(chǎn)品為普通的黑色金屬或有色金屬不同；
(3)本發(fā)明的產(chǎn)品形狀為復(fù)雜的渦輪葉片、是無加工余量的產(chǎn)品，與上述產(chǎn)品或半成品的形狀一般為簡單的、等截面結(jié)構(gòu)不同；
(4)本發(fā)明的冷卻作用部位在陶瓷模殼外表面，與上述的噴水冷卻直接作用在產(chǎn)品或半產(chǎn)品的金屬表面不同；
(5)本發(fā)明的加工環(huán)境十分精密嚴(yán)格苛刻、工作條件必須在真空爐內(nèi)，與上述噴水冷卻環(huán)境要求較低、可以直接直接作用在空氣中不同。`


圖1所示的是現(xiàn)有技術(shù)的冷卻裝置的使用狀態(tài)示意 圖2所示的是本發(fā)明冷卻裝置的使用狀態(tài)示意圖。圖中標(biāo)號表示:1、加熱器，2、保溫層，3、陶瓷模殼，4、高溫合金熔體，5、高溫合金鑄件，6、隔熱陶瓷球，7、升降工作臺，8、底盤，9、冷卻用液態(tài)金屬，10、攪拌裝置，11加熱油，12、隔熱板，13、噴嘴，14、噴射泵，15、遮板，16、冷卻液收集盤，17、回流管，18、冷卻液盛具，19、冷卻液，20、水冷爐底，A、加熱室，B、鑄模冷室。
具體實(shí)施例方式如圖2所不,本發(fā)明是一種高溫合金的定向凝固裝置,包括加熱室A和鑄模冷室B,加熱室A和鑄模冷室B是上下相通、相互隔熱的真空腔，其腔體內(nèi)設(shè)置有升降工作臺7。升降工作臺7上放置模殼，高溫合金熔體4在加熱室A內(nèi)澆入模殼、隨升降工作臺7下降進(jìn)入鑄模冷室B而定向凝固。本具體實(shí)施方式
中，模殼是陶瓷模殼3，陶瓷模殼3內(nèi)裝有液態(tài)的高溫合金熔體4。加熱室A內(nèi)部設(shè)置有加熱器1、外部設(shè)置有保溫層2，加熱室A和鑄模冷室B之間設(shè)置有隔熱板12。本發(fā)明的創(chuàng)新之處在于:在定向凝固爐的鑄模冷室B內(nèi)設(shè)置一套噴射冷卻裝置和冷卻液循環(huán)裝置。具體的:
噴射冷卻裝置包括依次連接的噴嘴13、冷卻液導(dǎo)管和冷卻液盛具18。加熱室A底部的出爐口處均勻設(shè)置一圈噴嘴13、噴嘴13的噴出端對應(yīng)陶瓷模殼3的外周面，冷卻液導(dǎo)管上設(shè)置有噴射泵14。噴嘴13為霧化噴嘴，噴嘴13的個數(shù)按陶瓷模殼3外輪廓大小而定，噴嘴13內(nèi)徑與壓力的選擇、以噴嘴13能夠噴出細(xì)霧滴狀的冷卻液霧為原則。本具體實(shí)施方式
中，冷卻液盛具18是一個銅杯、放置在水冷爐底12上，噴射泵14是電動泵，冷卻液19為低熔點(diǎn)的液態(tài)鎵銦錫合金。
冷卻液循環(huán)裝置包括冷卻液收集盤16、遮板15和回流管17。冷卻液收集盤16設(shè)置在升降工作臺7的頂部外周上，冷卻液收集盤16的底部設(shè)置有冷卻液回流孔、通過回流管17連接冷卻液盛具18。噴嘴13底部內(nèi)側(cè)設(shè)置有一圈遮板15，該遮板15呈倒置的傘狀、其底部開口對應(yīng)冷卻液收集盤16的內(nèi)側(cè)。如此設(shè)置，冷卻液19 (液態(tài)鎵銦錫合金)經(jīng)噴射泵14 (電動泵)驅(qū)動、通過冷卻液導(dǎo)管經(jīng)噴嘴13噴向陶瓷模殼3，遮板15和陶瓷模殼3外周面上的冷卻液19通過冷卻液收集盤16和回流管17流回冷卻液盛具18 (銅杯)，從而使得陶瓷模殼3內(nèi)的高溫合金熔體4充分冷卻、定向凝固，同時冷卻液19循環(huán)利用、節(jié)能減排。上述高溫合金的定向凝固裝置的使用方法，具體步驟為:
安裝工作:
I)在現(xiàn)有的定向凝固爐的鑄模冷室B內(nèi)、圍繞加熱室A底部的出爐口處均勻設(shè)置一圈噴嘴13，并將噴嘴13通過冷卻液導(dǎo)管與冷卻液盛具18 (銅杯)連接，在冷卻液導(dǎo)管上設(shè)置噴射泵14 (電動泵);具體的:噴嘴13設(shè)置在加熱室A與鑄模冷室B之間的隔熱板12底部，噴嘴13水平設(shè)置、使得其噴出的霧狀液滴有效作用在陶瓷模殼3的外周面上。2)把陶瓷模殼3放置在升降工作臺7上，并在升降工作臺7頂部外周安裝冷卻液收集盤16，并使用回流管17將冷卻液收集盤16底部的冷卻液回流孔與冷卻液盛具18相連；具體的:通過底盤8將陶瓷模殼3固定安裝在升降工作臺7的上表面上，在底盤8的底部、升降工作臺7的頂部外周上設(shè)置安裝冷卻液收集盤16，并用回流管17 (具有一定余量和延展性的軟管)與冷卻液盛具18 (銅杯)相連。3)在噴嘴13底部內(nèi)側(cè)設(shè)置一圈遮板15，所述遮板15呈倒置的傘狀、其底部開口對應(yīng)冷卻液收集盤16內(nèi)側(cè)；
4)將銦錫液態(tài)合金作為冷卻液19,倒入冷卻液盛具18(銅杯)內(nèi)；
使用前檢驗(yàn):
5)將陶瓷模殼3通過升降工作臺7升入加熱室A內(nèi)再下降至鑄模冷室B，打開噴射泵14 (電動泵)壓縮冷卻液19對陶瓷模殼3外周面進(jìn)行霧狀噴射，測試成功后關(guān)閉裝置；必要時，調(diào)整噴嘴13的個數(shù)、位置和方向，并優(yōu)化其噴射流量，以達(dá)到最佳效果。定向凝固裝置的使用:
6)通過升降工作臺7將陶瓷模殼3升入加熱室A內(nèi)，關(guān)閉定向凝固爐的爐門、并對加熱室A和鑄模冷室B內(nèi)腔抽真空；
7)開啟加熱室A內(nèi)的加熱器1、對陶瓷模殼3進(jìn)行預(yù)熱，然后將熔化后的高溫合金熔體4澆入陶瓷模殼3 ；
8)通過升降工作臺7將陶瓷模殼3以設(shè)定速度下降至鑄模冷室B；
9)當(dāng)陶瓷模殼3進(jìn)入鑄模冷室B后，在適當(dāng)時刻打開噴射泵14，使冷卻液19以霧滴狀噴向陶瓷模殼3、對陶瓷模殼3內(nèi)部的高溫合金熔體4進(jìn)行強(qiáng)制冷卻；
10)噴嘴3底部內(nèi)側(cè)的遮板15防止冷卻液19濺出、換熱后的冷卻液19沿陶瓷模殼3下流，遮板15和陶瓷模殼3上的冷卻液19經(jīng)冷卻液收集盤16和回流管17收集至冷卻液盛具18，如此完成冷卻液19的循環(huán)工作；11)在高溫合金定向凝固過程即將結(jié)束時，關(guān)閉噴射泵14，并將鑄模冷室B放真空后打開，取出陶瓷模殼3、并從中取出定向凝固后的高溫合金鑄件5。若需連續(xù)澆注，可在升降工作臺7上安裝新的陶瓷模殼3，重復(fù)步驟5) 11)進(jìn)行下一次的工作循 環(huán)。
權(quán)利要求
1.一種高溫合金的定向凝固裝置，包括加熱室和鑄模冷室，所述加熱室和鑄模冷室是上下相通、相互隔熱的真空腔，其腔體內(nèi)設(shè)置有升降工作臺，升降工作臺上放置模殼，高溫合金熔體在加熱室內(nèi)澆入模殼、隨升降工作臺下降進(jìn)入鑄模冷室而定向凝固；其特征在于:所述鑄模冷室內(nèi)設(shè)置有噴射冷卻裝置，包括依次連接的噴嘴、冷卻液導(dǎo)管和冷卻液盛具，所述加熱室底部的出爐口處均勻設(shè)置一圈噴嘴、噴嘴的噴出端對應(yīng)模殼外周面，冷卻液導(dǎo)管上設(shè)置有噴射泵。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫合金的定向凝固裝置，其特征在于:所述鑄模冷室內(nèi)設(shè)置有冷卻液循環(huán)裝置，包括冷卻液收集盤和回流管，所述冷卻液收集盤設(shè)置在升降工作臺的頂部外周上，冷卻液收集盤的底部設(shè)置有冷卻液回流孔、通過回流管連接冷卻液盛具。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高溫合金的定向凝固裝置，其特征在于:所述噴嘴底部內(nèi)側(cè)設(shè)置有一圈遮板，該遮板呈倒置的傘狀、其底部開口對應(yīng)冷卻液收集盤內(nèi)側(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫合金的定向凝固裝置，其特征在于:所述噴嘴為霧化噴嘴。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫合金的定向凝固裝置，其特征在于:所述冷卻液為液態(tài)鎵銦錫合金。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫合金的定向凝固裝置，其特征在于:所述模殼為陶瓷模殼。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫合金的定向凝固裝置的使用方法，其特征在于:具體步驟為: 安裝工作: 1)在現(xiàn)有的定向凝固爐的鑄模冷室內(nèi)、圍繞加熱室底部的出爐口處均勻設(shè)置一圈噴嘴，并將噴嘴通過冷卻液導(dǎo)管與冷卻液盛具連接，在冷卻液導(dǎo)管上設(shè)置噴射泵； 2)把陶瓷模殼放置在升降工作臺上，并在升降工作臺頂部外周安裝冷卻液收集盤，并使用回流管將冷卻液收集盤底部的冷卻液回流孔與冷卻液盛具相連； 3)在噴嘴底部內(nèi)側(cè)設(shè)置一圈遮板，所述遮板呈倒置的傘狀、其底部開口對應(yīng)冷卻液收集盤內(nèi)側(cè)； 4)將銦錫液態(tài)合金作為冷卻液，倒入冷卻液盛具內(nèi)； 定向凝固裝置的使用: 5)通過升降工作臺將陶瓷模殼升入加熱室內(nèi)；關(guān)閉定向凝固爐的爐門、并對加熱室和鑄模冷室內(nèi)腔抽真空； 6)開啟加熱室內(nèi)的加熱器、對陶瓷模殼進(jìn)行預(yù)熱，然后將熔化的高溫合金熔體澆入陶瓷模殼； 7)通過升降工作臺將陶瓷模殼以設(shè)定速度的勻速緩慢下降至鑄模冷室； 8)當(dāng)陶瓷模殼進(jìn)入鑄模冷室后，打開噴射泵，使冷卻液以霧滴狀噴向陶瓷模殼、對陶瓷模殼內(nèi)部的高溫合金熔體進(jìn)行強(qiáng)制冷卻； 9)噴嘴底部內(nèi)側(cè)的遮板防止冷卻液濺出、換熱后的冷卻液沿陶瓷模殼下流，遮板和陶瓷模殼上的冷卻液經(jīng)冷卻液收集盤和回流管收集至冷卻液盛具，如此完成冷卻液的循環(huán)工作； 10)在高溫合金定向凝固過程即將結(jié)束時，關(guān)閉噴射泵，并將鑄模冷室放真空后打開，取出陶瓷模殼 、并從中取出定向凝固后的高溫合金鑄件。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種高溫合金的定向凝固裝置，包括加熱室和鑄模冷室，所述加熱室和鑄模冷室是上下相通、相互隔熱的真空腔，其腔體內(nèi)設(shè)置有升降工作臺，升降工作臺上放置模殼，高溫合金熔體在加熱室內(nèi)澆入模殼、隨升降工作臺下降進(jìn)入鑄模冷室而定向凝固；所述鑄模冷室內(nèi)設(shè)置有噴射冷卻裝置，包括依次連接的噴嘴、冷卻液導(dǎo)管和冷卻液盛具，所述加熱室底部的出爐口處均勻設(shè)置一圈噴嘴、噴嘴的噴出端對應(yīng)模殼外周面，冷卻液導(dǎo)管上設(shè)置有噴射泵。本發(fā)明裝置簡單緊湊，在現(xiàn)有定向凝固爐上稍作添置、無需建新爐和變動原有結(jié)構(gòu)；無須添加加熱裝置進(jìn)行熔化和保溫，操作大大簡化；冷卻效果優(yōu)越；能簡單且有效地解決葉片模殼散熱問題，改善單晶葉片的生長條件。
文檔編號B22D27/04GK103147117SQ20131011082
公開日2013年6月12日 申請日期2013年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月1日
發(fā)明者馬德新, 楊功顯, 鞏秀芳 申請人:東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司