[發(fā)明專利]一種用于單晶葉片定向凝固鑄造的平行式加熱和冷卻裝置

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• 申請日: 2020-11-19
• 公開（公告）號: CN112553682A
• 公開（公告）日: 2021-03-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王富;楊強(qiáng);馬德新;徐維臺
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號: C30B11/00
• 分類號: C30B11/00;C30B29/52;B22D27/04
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 范巍

本發(fā)明公開了一種用于單晶葉片鑄造的平行式加熱和冷卻裝置，包括平行式加熱組件、平行式冷卻組件、支架和隔熱擋板；其中，平行式加熱組件和平行式冷卻組件分別置于支架的上部和下部，且由隔熱擋板隔開實(shí)現(xiàn)熱區(qū)與冷區(qū)的隔離。本發(fā)明突破原有定向凝固爐環(huán)形加熱器和環(huán)形組模方式的限制，采用平行式加熱器和冷卻器進(jìn)行加熱和冷卻，使葉片兩側(cè)都成了陽面，得到對稱而相同的加熱和冷卻效果，消除了傳統(tǒng)環(huán)形加熱器的“陰影效應(yīng)”，獲得了更加均勻的溫度場，從而消除單晶葉片鑄造過程中因溫場不均勻造成的缺陷，提高單晶葉片的品質(zhì)和成品率。將加熱器設(shè)計(jì)成上、下雙區(qū)加熱，可以根據(jù)葉片的實(shí)際尺寸選擇單區(qū)或者雙區(qū)加熱，既提高了加熱的效率，節(jié)約了能源，也提高了溫度場的均勻性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于定向凝固鑄造應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于單晶葉片定向凝固鑄造的平行式加熱和冷卻裝置。

背景技術(shù)

在傳統(tǒng)的定向凝固制備單晶葉片的工藝中，為了匹配Bridgman定向凝固設(shè)備中的環(huán)形加熱器和增加生產(chǎn)效率，用于鑄造高溫合金單晶葉片的陶瓷模殼也需要組成環(huán)形的葉片模殼組，如圖1所示。但是，在定向凝固的過程中，環(huán)形模殼組會在內(nèi)側(cè)形成一個環(huán)形的封閉區(qū)域，在模殼組抽拉的過程中，熱區(qū)與冷區(qū)之間完全貫通不能隔熱，在加熱器內(nèi)面向加熱器的一層受熱快溫度上升也快，而模殼背對加熱器面因不能有效受熱，相對于面向加熱器面存在溫度上升較慢的情況。當(dāng)模殼降入下部冷卻區(qū)時，背對冷卻器不能有效散熱，溫度的降低滯后于面向冷卻器面。這種環(huán)式模殼組內(nèi)側(cè)形成的溫度較低的筒形封閉區(qū)域被稱為“陰影區(qū)”。特別是當(dāng)模殼下降到接近爐腔底部時，由于陰影區(qū)內(nèi)沒有擋熱板，熱量散失加快且得不到加熱器的有效補(bǔ)充，使得本來就偏低的陰影區(qū)溫度變得比陽面更低。而降到了冷卻區(qū)后由于背對冷卻器不能很好冷卻，原來的陰影區(qū)變成了相對封閉的緩冷區(qū)，因而冷速和溫度梯度明顯偏低，結(jié)果是形成凹形的凝固界面和很寬的糊狀區(qū)，凝固條件非常惡劣，導(dǎo)致大量的鑄造缺陷，如雜晶和雀斑都會在鑄件陰影區(qū)的一側(cè)形成，這種現(xiàn)象被稱之為“陰影效應(yīng)”。隨著葉片尺寸主要是寬度的增加，葉片內(nèi)外側(cè)之間凝固條件的差別會隨著距離的增大而增大，因而陰影效應(yīng)更加嚴(yán)重。

在申請人團(tuán)隊(duì)前期的研究中發(fā)現(xiàn)采用環(huán)式模殼葉片組在單晶高溫合金定向凝固的過程中，90％的雜晶、100％的雀斑缺陷都形成于“陰影區(qū)”。除此之外，對于雀斑缺陷，即使是在冷卻速率較大的葉片身部位，當(dāng)“陰影效應(yīng)”存在時，也會導(dǎo)致雀斑缺陷的產(chǎn)生，但是這種現(xiàn)象卻不會在單個葉片的凝固過程中發(fā)生。因此在工業(yè)生產(chǎn)中，相比于葉片自身幾何形狀對高溫合金單晶葉片完整性的影響，“陰影效應(yīng)”的影響更加顯著。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種用于單晶葉片定向凝固鑄造的平行式加熱和冷卻裝置。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

本發(fā)明公開了一種用于單晶葉片鑄造的平行式加熱和冷卻結(jié)構(gòu)，包括平行式加熱組件、平行式冷卻組件、支架和隔熱擋板；

其中，平行式加熱組件和平行式冷卻組件分別置于支架的上部和下部，且由隔熱擋板隔開實(shí)現(xiàn)熱區(qū)與冷區(qū)的隔離。

優(yōu)選地，所述的平行式加熱組件包括保溫包、電阻加熱器、加熱器電極、引電極、加熱電源和熱區(qū)控溫裝置；

其中，電阻加熱器設(shè)置于保溫包內(nèi)，在保溫包一側(cè)設(shè)有與電阻加熱器相連的加熱器電極，引電極設(shè)置于保溫包外部且與所述加熱器電極相連，引電極還與外部加熱電源相連；熱區(qū)控溫裝置設(shè)置在保溫包的另一側(cè)。

進(jìn)一步優(yōu)選地，熱區(qū)控溫裝置與保溫包通過螺栓結(jié)構(gòu)連接固定。

優(yōu)選地，所述的熱區(qū)控溫裝置由若干B型熱電偶、陶瓷保護(hù)套管和熱電偶固定接口組成；B型熱電偶穿過陶瓷保護(hù)套管，且通過在加熱器與保溫包之間的熱電偶固定接口與熱區(qū)相連，用于測量熱區(qū)的溫度場分布。