[發明專利]定向凝固裝置及定向凝固方法

有效

• 申請號: 202110982707.7
• 申請日: 2021-08-25
• 公開（公告）號: CN113732272B
• 公開（公告）日: 2022-06-03
• 發明（設計）人: 束國剛;任忠鳴;玄偉東;段方苗;王保軍;任興孚;白小龍
• 申請（專利權）人: 中國聯合重型燃氣輪機技術有限公司;上海大學
• 主分類號: B22D27/04
• 分類號: B22D27/04;C30B11/00;C30B29/52;B22C9/22
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 曲進華

本發明提供了一種定向凝固裝置和定向凝固方法。定向凝固裝置，包括保溫爐、容器、鑄模、升降組件和攪拌組件。保溫爐具有保溫腔，容器位于保溫爐的下方，容器中裝有固態冷卻顆粒，鑄模能夠在保溫位置和冷卻位置之間往復移動，在保溫位置，鑄模容置于保溫腔中，在冷卻位置，鑄模浸沒在固態冷卻顆粒中。升降組件承載鑄模以驅動鑄模在保溫位置和冷卻位置之間往復移動。攪拌組件包括攪拌輥，攪拌輥位于容器內并能夠通過旋轉攪動固態冷卻顆粒。采用高導熱的固態冷卻顆粒作為冷卻介質，有利于獲得性能優良的定向凝固晶體。攪拌組件對固態冷卻顆粒的攪動能夠加速鑄模的冷卻，提高冷卻強度和溫度梯度，進而有利于定向凝固。

技術領域

本發明涉及定向凝固技術領域，尤其涉及一種定向凝固裝置及定向凝固方法。

背景技術

定向凝固技術作為一種柱狀晶、單晶制備過程中的主要方法，在先進高性能材料加工制備領域占有很高的地位，其主要原理是通過提供單一方向上的溫度梯度，使晶體沿著溫度梯度方向生長，以消除凝固過程中的橫向晶界，從而獲得高性能的鑄件。定向凝固技術在燃氣輪機、航空發電機的高溫合金葉片生產中廣泛應用。

溫度梯度是影響晶體生長速度和晶體的組織與性能質量的關鍵因素，高的溫度梯度有利于獲得優良的柱狀晶組織或單晶組織，還能細化枝晶、減小偏析以及提高合金的綜合性能。因此，如何提高并精確控制溫度梯度也就成為了定向凝固技術的重中之重。

傳統定向凝固工藝例如高速凝固法(High Rate Solidification,HRS)使用擋板隔絕熱端和冷端，但是對于大尺寸定向葉片的生產，傳統定向凝固方法的溫度梯度和凝固速度均無法滿足要求。為此，相關技術中多采用液態金屬冷卻法(Liquid Metal Cooling,LMC),采用低熔點液態金屬作為冷卻介質來提高冷卻強度，但是液態金屬冷卻法的技術較為復雜，工藝難以控制，且易于導致高溫合金的污染，降低葉片的質量和性能。

發明內容

本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。為此，本發明的實施例提出一種定向凝固裝置和定向凝固方法。

根據本發明實施例的定向凝固裝置，包括：保溫爐，所述保溫爐具有保溫腔；容器，所述容器位于所述保溫爐的下方，所述容器中裝有固態冷卻顆粒；鑄模，所述鑄模能夠在保溫位置和冷卻位置之間往復移動，在所述保溫位置，所述鑄模容置于所述保溫腔中；在所述冷卻位置，所述鑄模浸沒在所述固態冷卻顆粒中；升降組件，所述升降組件承載所述鑄模以驅動所述鑄模在所述保溫位置和所述冷卻位置之間往復移動。定向凝固裝置還包括攪拌組件，所述攪拌組件包括攪拌輥，所述攪拌輥位于所述容器內并能夠通過旋轉攪動所述固態冷卻顆粒。

根據本發明實施例提出的定向凝固裝置采用高導熱的固態冷卻顆粒作為冷卻介質，當鑄模從保溫位置向冷卻位置移動的過程中，鑄模的下端逐漸浸沒在固態冷卻顆粒中并與其接觸發生熱交換而被冷卻，鑄模中形成了單一方向上的穩定的溫度梯度，從而有利于獲得性能優良的定向凝固晶體。此外，固態冷卻顆粒還可以隔絕保溫爐中的熱量對鑄模中已凝固的晶體部分輻射加熱，從而可以進一步提高溫度梯度。攪拌組件對固態冷卻顆粒的攪動能夠加速鑄模的冷卻，提高冷卻強度和溫度梯度，進而有利于定向凝固。

另外，根據本發明的定向凝固裝置還具有如下附加技術特征：

在一些實施方式中，定向凝固裝置還包括冷卻托盤，所述冷卻托盤位于所述鑄模下方并承載所述鑄模，所述升降組件與所述冷卻托盤相連以便通過所述冷卻托盤帶動所述鑄模運動。

在一些實施方式中，所述冷卻托盤內部設有冷卻水流道，所述定向凝固裝置還包括與所述冷卻托盤相連的進水管和出水管，所述冷卻水流道與所述進水管和所述出水管中的每一者連通。

在一些實施方式中，所述升降組件包括支撐桿、桁架和驅動控制系統，所述桁架位于所述冷卻托盤下方，所述支撐桿連接所述桁架和所述冷卻托盤，所述驅動控制系統驅動并控制所述桁架的上升和下降以便最終帶動所述鑄模運動。