[發明專利]用于制造單晶鑄件的薄殼上浮方法及其裝置

有效

• 申請號: 200910030214.2
• 申請日: 2009-03-17
• 公開（公告）號: CN101537485A
• 公開（公告）日: 2009-09-23
• 發明（設計）人: 趙玉濤;馬德新;孫少純
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: B22D27/04
• 分類號: B22D27/04;C30B11/00;C30B29/52
• 代理公司: 南京知識律師事務所
• 代理人: 汪旭東

技術領域

本發明涉及高溫合金定向凝固領域，特別是單晶渦輪機葉片的制造工藝問題，具體為用于 制造單晶鑄件的薄殼上浮法及其裝置。

背景技術

利用高溫合金的定向凝固來鑄造單晶渦輪葉片，已成為制造高效航空發動機的關鍵技術 之一。目前這種葉片的生產都是利用Bridgman定向凝固爐進行的。為此，陶瓷模殼需要先在 爐體上部的熱區內預熱到高于合金的熔點溫度，再澆入感應熔化的高溫合金熔液，模殼以預 定的速度緩慢下降，穿過隔熱擋板進入爐體下部的冷區，整個鑄件由下至上逐漸冷卻并凝固。 利用鑄件下部的螺旋選晶器，可使僅有一個晶粒能通過并擴展到整個鑄件。由于消除了晶界 這個高溫工作條件下的最薄弱環節，使得葉片的高溫性能大為提高，壽命也提高了十幾倍。 隨著航空發動機葉片尺寸的不斷加大，以及大型工業燃氣輪機對單晶葉片的迫切需求，使得 大尺寸葉片的生產成為急需解決的關鍵問題。

為了制造大尺寸的單晶葉片或鑄件，必須加大陶瓷模殼的厚度，以保證在澆鑄和長時間 的定向凝固期間能維持足夠的強度。然而模殼厚度的增加，使得鑄件的散熱冷卻變得極為困 難，造成諸如易產生鑄造缺陷和生產率低下等問題。為了提高鑄件的冷卻速度，尤其是凝固 時的溫度梯度，人們嘗試了運用液體金屬冷卻(LMC)和氣體冷卻(GC)的辦法。這兩種方 法雖然有一定效果，但只能強化模殼表面的散熱能力，并不能解決厚膜殼本身的巨大熱阻問 題。對于大尺寸葉片，鑄件難以透過模殼向外散熱。此外這兩種方法需對爐體進行改造，并 需添加大量的輔助設備，澆鑄工藝變得非常復雜，生產成本大大增加。因此這兩種方法雖經 過十幾年的大量研究，至今未能在生產上得到應用。

發明內容

本發明的目的是提供一種薄殼浮出法生產單晶鑄件(如：燃氣輪機葉片)的新方法和新 裝置，以明顯改善鑄件的散熱條件與冷卻強度，提高鑄件質量。

用于制造單晶鑄件的薄殼上浮裝置，包括陶瓷模殼、高溫合金溶池、浮動絕熱保溫層及 水冷模塊，浮動絕熱保溫層位于高溫合金溶池的上表面，水冷模塊位于浮動絕熱保溫層的上 面；陶瓷模殼的頂端設有激冷塊，陶瓷模殼下端設有堵塞塊。

上述裝置中，水冷模塊為銅合金制成的環形水冷裝置；

上述裝置中，浮動絕熱保溫層為，由陶瓷顆粒或液態爐渣組成，浮于液態金屬表面；

上述裝置中，激冷塊為水冷銅板；

上述裝置中，堵塞塊和高溫合金為同種材料。

使用上述裝置制備單晶鑄件的方法為：

(a)先將陶瓷模殼的選晶器部分安裝于升降裝置的激冷塊上。澆口朝下且用同種爐料的堵 塞塊堵塞；(b)模殼下降，穿過浮動保溫層進入熔體，澆口里的堵塞塊可防止保溫材料進入模 殼。隨著堵塞塊熔化，液態金屬進入模殼，在激冷塊上形成激冷層。適當提高爐溫，可提高 充型能力；(c)模殼以預定的速度緩慢上升，穿過保溫層到冷卻區，鑄件從上至下冷卻，由激 冷層開始向下定向凝固，經選晶器形成單晶，并擴展至整個鑄件。為了加強冷卻，可用氬氣 吹冷，同時也對熔體起到保護作用。

本發明的優點為：

本發明的一個主要特點是模殼浸在熔體中，模殼內外液態金屬的壓力相互抵消，而不像 普通工藝那樣，液態金屬澆入模殼會產生很大的沖擊力和內脹力，因此無論鑄件尺寸多大， 都可采用超薄模殼，只要能維持模殼的形狀已形成鑄件的外形即可。可見本發明不僅能節約 制殼材料，更重要的優點在于由于減小了模殼的厚度，模殼的熱阻大為減小，從而極大地改 善鑄件的散熱條件和冷卻能力，改善鑄件的質量。和普通的Bridgman工藝相比，本發明的另 一優點是工藝和裝備大為簡化。省去了專門的熔化和澆鑄裝置，使得設備投資和生產成本大 為降低。

附圖說明

圖1?用于制造單晶鑄件的薄殼上浮法工藝和裝置示意圖

1、高溫合金熔池，2、浮動絕熱保溫層，3、堵塞塊，4、水冷模塊，5、激冷塊，6、陶瓷模 殼

具體實施方式

實施例：

應用本發明制備總長度為180mm的鑄造渦輪單晶葉片(試樣)，材質為CMSX-6。陶瓷模 殼厚度6由原來的15mm，減為5mm。由于大大減少了液態金屬通過模殼向外傳熱的熱阻， 顯著改善了冷卻條件和結晶前沿的溫度梯度，提高了凝固過程中單晶組織生長的穩定性和可 靠性。和傳統的工藝相比，大幅度提高了鑄件的合格率。