[發(fā)明專(zhuān)利]一種改善單晶鑄件凝固過(guò)程中溫度分布的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910030213.8
• 申請(qǐng)日: 2009-03-17
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101537484A
• 公開(kāi)（公告）日: 2009-09-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙玉濤;馬德新;孫少純
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 江蘇大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): B22D27/04
• 分類(lèi)號(hào): B22D27/04;C30B11/00;C30B29/52
• 代理公司: 南京知識(shí)律師事務(wù)所
• 代理人: 汪旭東

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及高溫合金定向凝固領(lǐng)域，特指一種改善單晶鑄件凝固過(guò)程中溫度分布的方法。

背景技術(shù)

從上個(gè)世紀(jì)50年代起，為了提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的功能和效率，人們成功地利用高溫合金定向凝固技術(shù)將渦輪機(jī)葉片制成單晶形態(tài)。由于消除了晶界這個(gè)高溫工作條件下的薄弱環(huán)節(jié)，使得葉片的高溫工作壽命提高了幾十倍。最近二十年來(lái)，隨著能源和環(huán)境保護(hù)問(wèn)題的日益緊迫，各工業(yè)化國(guó)家都在致力于提高工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)尤其是電站燃?xì)廨啓C(jī)的效率。其中最重要的措施就是把航空發(fā)動(dòng)機(jī)的單晶葉片技術(shù)應(yīng)用到大型工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的葉片制造中。由于燃?xì)廨啓C(jī)的葉片尺寸遠(yuǎn)大于航空葉片，重量增加了幾十倍，使得其單晶鑄件的生產(chǎn)變得極為困難。外來(lái)晶的形成，多發(fā)生在葉片截面發(fā)生強(qiáng)烈變化的部位，如葉片的本部到葉冠的連接處，截面尺寸一般都會(huì)有幾十毫米的擴(kuò)展。葉冠邊緣(附圖1中B處)，由于模殼薄散熱條件好，能很快冷卻到液相線溫度(T_L)以下，造成溶液的過(guò)冷；而葉冠內(nèi)角(附圖1中A處)，由于散熱條件極差，能長(zhǎng)時(shí)間地保持過(guò)熱狀態(tài)。這個(gè)熱節(jié)點(diǎn)阻礙了葉片本部的單晶生長(zhǎng)向葉冠邊緣B處的擴(kuò)展，使得B處的過(guò)冷度越來(lái)越大，最終導(dǎo)致第二晶粒的形核和生長(zhǎng)，破壞了整個(gè)葉片的單晶性。因此，通過(guò)調(diào)整外部模殼的散熱條件，改善定向單晶鑄件凝固過(guò)程中的溫度分布，對(duì)于防止局部出現(xiàn)雜晶，至關(guān)重要。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種能夠有效改善單晶鑄件凝固過(guò)程中溫度分布的方法。

一種通過(guò)植入熱導(dǎo)體，改善單晶鑄件定向凝固過(guò)程中溫度分布的方法。在制備熔模鑄造陶瓷模殼的過(guò)程中，將熱導(dǎo)體植入到鑄件凝固向外部傳熱過(guò)程中，易出現(xiàn)熱障的部位。上述熱導(dǎo)體為石墨或SiC，石墨的導(dǎo)熱能力比陶瓷模殼高出幾十倍，在真空條件下具有良好的高溫性能，而高溫合金的澆鑄和凝固均是在真空的條件下完成的。此外石墨價(jià)格便宜，易于加工成所需要的形狀。SiC也可作為熱導(dǎo)體，但其硬度高，不易加工。

熱導(dǎo)體植入的具體方法是：在熔(蠟)模表面第一或第二層陶瓷殼形成后，將熱導(dǎo)體用制殼用陶瓷漿料粘接在預(yù)定位置；按通常精密鑄造模殼一樣的制備方法，進(jìn)行掛涂料、撒砂，撒完砂后將熱導(dǎo)體外端的積砂抹去；當(dāng)熱導(dǎo)體為石墨時(shí)，對(duì)陶瓷模殼焙燒需在密閉的燒結(jié)爐中進(jìn)行，燒結(jié)爐中放置石墨碎塊以吸收氧氣。或采用以下燒結(jié)方法：模殼先600℃預(yù)燒結(jié)徹底脫蠟，澆鑄前在真空凝固爐中預(yù)熱模殼時(shí)，先進(jìn)行1200℃1小時(shí)的保溫?zé)Y(jié)，然后再加熱到預(yù)定的預(yù)熱溫度進(jìn)行澆鑄；采用SiC熱導(dǎo)體在模殼制備過(guò)程中植入時(shí)，可按正常的方法進(jìn)行陶瓷模殼焙燒。

采用石墨熱導(dǎo)體時(shí)，也可采用如下方法：植入前，在石墨熱導(dǎo)體上涂一層蠟?zāi)ぁＣ撓炦^(guò)程中，蠟?zāi)と刍療釋?dǎo)體脫落取出，在原來(lái)熱導(dǎo)體的位置留下空穴；然后按正常方法焙燒后，再將石墨熱導(dǎo)體用陶瓷漿料粘入空穴中。

本發(fā)明的原理，即植入熱導(dǎo)體對(duì)模殼內(nèi)鑄件的溫度分布的影響，如附圖1所示。圖中：1、陶瓷模殼；2、熱區(qū)；3、隔熱擋板；4、冷區(qū)；5、熱導(dǎo)體。圖1(a)為通常未植入熱導(dǎo)體的陶瓷模殼內(nèi)溫度場(chǎng)分布，圖1(b)為植入熱導(dǎo)體后的溫度分布。顯然通過(guò)植入一導(dǎo)熱體，可將葉冠內(nèi)角A處的熱及時(shí)散出，使其迅速冷卻至液相線溫度以下。葉片本部的單晶生長(zhǎng)可以迅速進(jìn)入葉冠并向外緣B處擴(kuò)展，避免此處因長(zhǎng)時(shí)間過(guò)冷而產(chǎn)生雜晶。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為：具體應(yīng)用實(shí)施簡(jiǎn)單易行，無(wú)需改變?cè)械亩ㄏ蚰淘O(shè)備；通過(guò)熱導(dǎo)體導(dǎo)出導(dǎo)熱熱障處的熱量，可有效調(diào)節(jié)和優(yōu)化單晶鑄件凝固過(guò)程中溫度場(chǎng)分布，保證單晶的順利生長(zhǎng)和擴(kuò)展。

附圖說(shuō)明

圖1：植入熱導(dǎo)體對(duì)模殼內(nèi)鑄件溫度分布的影響

(e)未植入熱導(dǎo)體的陶瓷模殼內(nèi)單晶葉片鑄件的溫度場(chǎng)分布，可見(jiàn)顯然葉冠外緣B部位易形成孤立的深過(guò)冷區(qū)從而引發(fā)雜晶；

(f)植入熱導(dǎo)體后單晶葉片鑄件的溫度分布，顯然使用熱導(dǎo)體技術(shù)可大大減輕A部位的熱量集中，從而使單晶能在葉冠外緣達(dá)到深度過(guò)冷前，擴(kuò)展到該處。

圖2：葉片的幾何形狀和陶瓷模殼的結(jié)構(gòu)

圖3：植入熱導(dǎo)體對(duì)T_L-等溫線的影響

(a)沒(méi)有植入熱導(dǎo)體時(shí)，凝固前沿T_L-等溫線分布

(b)植入熱導(dǎo)體后，凝固前沿T_L-等溫線分布

圖4：植入熱導(dǎo)體對(duì)單晶葉片組織的影響

(c)未植入熱導(dǎo)體時(shí)，葉片本體和葉冠連接區(qū)域的宏觀和微觀組織

(d)植入熱導(dǎo)體時(shí)，葉片本體和葉冠連接區(qū)域的宏觀和微觀組織

1、陶瓷模殼，2、熱區(qū)，3、隔熱擋板，4、冷區(qū)，5、熱導(dǎo)體

具體實(shí)施方式

實(shí)施例：