[發(fā)明專利]優(yōu)化單晶葉片定向凝固溫度場分布的引晶裝置及其應用

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110585708.8
• 申請日: 2021-05-27
• 公開（公告）號: CN113337878A
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 曾龍;夏明許;王斌強;李建國
• 申請（專利權(quán)）人: 上海交通大學
• 主分類號: C30B11/00
• 分類號: C30B11/00;C30B29/52;B22D27/04
• 代理公司: 上海科盛知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31225
• 代理人: 顧艷哲

本發(fā)明涉及一種優(yōu)化單晶葉片定向凝固溫度場分布的引晶裝置，包括環(huán)形激冷盤，設(shè)于陶瓷模殼的底部；激冷盤抽拉環(huán)，連接于所述環(huán)形激冷盤，并與外部的激冷盤移動機構(gòu)相連接，實現(xiàn)所述環(huán)形激冷盤的獨立移動；冷卻器，能夠上下移動的設(shè)于所述環(huán)形激冷盤的上部；冷卻器抽拉桿，連接于所述冷卻器，套設(shè)于所述激冷盤抽拉環(huán)內(nèi)，并與外部的冷卻器移動機構(gòu)相連接，實現(xiàn)所述冷卻器相對于所述陶瓷模殼在其內(nèi)進行獨立移動。本裝置利用真空輻射散熱帶走葉身“陰面”的熱量并提高冷卻速度，從而對葉片定向凝固過程中的整體溫度場進行優(yōu)化。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于單晶高溫合金制備領(lǐng)域，具體涉及一種優(yōu)化單晶葉片定向凝固溫度場分布的引晶裝置及其應用。

背景技術(shù)

高壓渦輪葉片是航空發(fā)動機的核心熱端部件，其承溫能力是一款發(fā)動機先進程度的重要指標。隨著現(xiàn)代航空工業(yè)的快速發(fā)展，對高壓渦輪葉片的高溫性能要求越來越高。已有的研究表明：定向凝固、氣膜冷卻和熱障涂層是提高高壓渦輪葉片高溫性能的主要方式。在定向凝固制備過程中，高溫合金熔體被澆入加熱的陶瓷模殼，然后隨著模殼一起從加熱爐中拉出來。在此過程中，熱量通過底部的激冷盤和模殼側(cè)部不斷散失，使得高溫合金熔體獲得一個正的溫度梯度，鑄件從底部到頂部順序凝固，最終獲得鑄造單晶葉片。

目前，工業(yè)生產(chǎn)中所采用的單晶爐、模殼加熱爐和激冷板分別采用筒形和圓形結(jié)構(gòu)，與之對應，葉片陶瓷模殼組也采用圓形的結(jié)構(gòu)，葉片在陶瓷模殼組底板上呈環(huán)形均勻分布。這種布置方式使得葉片葉身兩側(cè)的冷卻條件嚴重不對稱，葉身面向冷卻環(huán)的一側(cè)(陽面)冷卻速度較快，背向冷卻環(huán)的一側(cè)(陰面)冷卻速度較慢，從而破壞了高溫合金熔體內(nèi)的溫度場均勻性，惡化了固—液兩相區(qū)的穩(wěn)定性，增大了鑄造葉片中雜晶、雀斑等缺陷的出現(xiàn)概率嚴重地影響了鑄造單晶葉片的質(zhì)量。

為了改善單晶葉片定向凝固過程中的溫度場分布，專利CN 102166643 A在制備單晶葉片陶瓷模殼的過程中，將U型的陶瓷纖維保溫塊預置在葉片緣板邊緣處的模殼中，利用耐高溫陶瓷纖維保溫塊導熱率比較低的特性，該方法能夠合理降低葉片緣板邊緣處的冷卻速度和過冷度。

與之類似的，專利CN101537484 A將石墨或者SiC導熱塊植入到模殼容易出現(xiàn)熱障的部位，利用導熱塊增強葉身與緣板交界處的冷卻速度。雖然該類方法可以在一定程度上改善單晶葉片定向凝固的溫度場，但是該方法作用面積有限，且大大增加了陶瓷模殼組制備工藝的復雜性，因此，該方法并沒有在工業(yè)生產(chǎn)中得到應用。

專利CN110170636 A發(fā)明了一種可以改善單晶葉片凝固條件的鑄造設(shè)備，該設(shè)備采用矩形的加熱器和冷卻器，相應的，葉片型殼直列式地分布在冷卻器上，該種方法使每個葉片兩側(cè)在加熱器中都能以最近的距離直接面對加熱器和冷卻器，受到同等的加熱條件和散熱條件，達到改善凝固條件、提高溫度梯度、減少鑄造缺陷，提高單晶葉片的良品率和質(zhì)量。然而，如果采用該方法，生產(chǎn)單位不僅需要重新購置新的單晶爐，還需要對陶瓷模殼的生產(chǎn)線和制作工藝做出巨大的調(diào)整，因此，該方法短期實現(xiàn)的難度很大。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是為了解決現(xiàn)有單晶葉片鑄造過程因溫度場得不到較好控制導致單晶葉片存在雜晶、雀斑等鑄造缺陷的問題，而提供一種優(yōu)化單晶葉片定向凝固溫度場分布的引晶裝置及其應用。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種優(yōu)化單晶葉片定向凝固溫度場分布的引晶裝置，包括：

環(huán)形激冷盤，設(shè)于陶瓷模殼的底部；

激冷盤抽拉環(huán)，連接于所述環(huán)形激冷盤，并與外部的激冷盤移動機構(gòu)相連接，實現(xiàn)所述環(huán)形激冷盤的獨立移動；

冷卻器，能夠上下移動的設(shè)于所述環(huán)形激冷盤的上部；

冷卻器抽拉桿，連接于所述冷卻器，套設(shè)于所述激冷盤抽拉環(huán)內(nèi)，并與外部的冷卻器移動機構(gòu)相連接，實現(xiàn)所述冷卻器相對于所述陶瓷模殼在其內(nèi)進行獨立移動。