[發明專利]超重力定向凝固熔鑄爐裝置

在審

• 申請號: 201910853023.X
• 申請日: 2019-09-10
• 公開（公告）號: CN110846712A
• 公開（公告）日: 2020-02-28
• 發明（設計）人: 韋華;謝亞丹;王江偉;林偉岸;張澤;陳云敏
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: C30B11/00
• 分類號: C30B11/00;C30B30/00;C30B29/52;C22C1/02
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林超

本發明公開了一種超重力定向凝固熔鑄爐裝置。包括超重力試驗艙和安裝在超重力試驗艙中的高溫加熱子系統和坩堝及氣冷系統，超重力試驗艙安裝接線電極和冷卻氣體閥裝置，高溫加熱子系統固定于超重力試驗艙，坩堝及氣冷系統置于高溫加熱子系統；高溫加熱子系統包括上中下爐體、莫來石保溫層、上下加熱腔外體、上下加熱爐管、坩堝支撐座，高溫加熱腔體分為上下部分，內部有螺旋狀凹槽并裝有發熱體；坩堝支撐座內部有冷卻氣體通入的通氣管道；坩堝及氣冷系統包括進排氣管、冷卻底座、冷速調節環、坩堝和排氣蓋。本發明用于在超重力環境，解決了高速旋轉狀態下定向凝固溫度梯度熔鑄的關鍵難題，填補了國內技術行業的空白，且裝備簡單、操作方便。

技術領域

本發明涉及材料制備、定向凝固技術領域的一種超重力材料試驗裝置，尤其涉及一種超 重力定向凝固熔鑄爐裝置。

背景技術

隨著現代航空發動機推重比增加和渦輪級數減少，渦輪前燃氣進口溫度從上世紀70年代 的1400-1500K發展到本世紀初的1600-1750K，推重比12-15發動機渦輪前燃氣進口溫度將 高達2000-2200K，這對發動機核心熱端部件提出了更高的性能要求。高壓渦輪工作葉片作為 熱端部件關鍵組成部分之一，服役時長期工作在高溫、高壓、高轉速、交變負載等耦合加載 條件下。

高壓渦輪工作葉片作為航空發動機和燃氣輪機熱端部件關鍵組成部分之一，服役時長期 工作在高溫、高壓、高轉速、交變負載等耦合加載條件下，是發動機中工作條件最惡劣的轉 動部件，其使用可靠性直接影響整機性能。在高溫合金的發展過程中，工藝對高溫合金的發 展起著很大的推動作用。通常為了提高高溫合金的綜合力學性能，采用兩種途徑：其一是加 入大量合金化元素，通過合理的熱處理工藝使之產生固溶強化、沉淀強化及晶界強化等，從 而保證高溫合金具有從室溫到高溫的良好強度、表明穩定性和較好的塑性；其二是從凝固工 藝入手，采用定向凝固工藝，制備晶界平行于主應力軸從而消除有害橫向晶界的柱狀晶高溫 合金或制備消除所有晶界的單晶高溫合金。

定向及單晶葉片由于消除橫向晶界或完全消除晶界，晶體沿[001]特定方向生長，提高初 熔溫度及固溶處理窗口溫度，增加γ數量并細化，大幅度提高了性能，提高使用溫度。目前， 幾乎所有先進航空發動機均采用單晶高溫合金。工業上廣泛應用的快速凝固法制備單晶合金， 其溫度梯度只能達到100K/cm左右，凝固速率很低，導致凝固組織粗大，偏析嚴重，致使材 料的性能千里沒有得到充分發揮。微重力下的晶體生長，由于重力加速度減小而有效的抑制 了重力造成的無規則熱質對流，從而獲得溶質分布高度均勻的晶體，但由于成本太高，無法 工業化。

單晶合金可以通過在超重力環境下進行制備，但現有技術缺少了了超重力環境下實現定 向凝固的溫度梯度控制系統，缺少了超重力環境下實現定向凝固熔鑄系統。

發明內容

本發明需要解決的是針對上述超重力、高溫試驗條件下材料難以定向凝固熔鑄的問題， 高轉速-高溫耦合環境下材料定向凝固熔鑄爐，提供一種裝配簡單、使用方便、安全系數高， 且可用于超重力工況的定向溫度梯度凝固，使得超重力下制備單晶合金具有了可能。

超重力下裝置的試驗過程必須滿足抗高溫條件、特殊氣氛環境、高G值、冷卻氣體降溫 等要求，是確保該裝置安全穩定運行的關鍵技術。

本發明未來實現上述要求和目的，采用的技術方案是：

本發明的定向凝固熔鑄系統包括超重力試驗艙和安裝在超重力試驗艙中的高溫加熱子系 統和坩堝及氣冷系統，高溫加熱子系統固定于超重力試驗艙底部，坩堝及氣冷系統置于高溫 加熱子系統中。