CN101537484B - 一种改善单晶铸件凝固过程中温度分布的方法 - Google Patents
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Abstract
一种改善单晶铸件凝固过程中温度分布的方法，涉及高温合金定向凝固领域。在制备熔模铸造陶瓷模壳的过程中，将热导体植入到铸件凝固向外部传热过程中，易出现热障的部位。上述热导体为石墨或SiC。实际使用表明，应用本发明的技术可使铸件内的过冷度差及过冷时间差大大减少，从而使杂晶产生的几率明显减少，使铸件的单晶合格率大为提高。
Description
技术领域
本发明涉及高温合金定向凝固领域，特指一种改善单晶铸件凝固过程中温度分布的方法。
背景技术
从上个世纪50年代起，为了提高航空发动机的功能和效率，人们成功地利用高温合金定向凝固技术将涡轮机叶片制成单晶形态。由于消除了晶界这个高温工作条件下的薄弱环节，使得叶片的高温工作寿命提高了几十倍。最近二十年来，随着能源和环境保护问题的日益紧迫，各工业化国家都在致力于提高工业燃气轮机尤其是电站燃气轮机的效率。其中最重要的措施就是把航空发动机的单晶叶片技术应用到大型工业燃气轮机的叶片制造中。由于燃气轮机的叶片尺寸远大于航空叶片，重量增加了几十倍，使得其单晶铸件的生产变得极为困难。外来晶的形成，多发生在叶片截面发生强烈变化的部位，如叶片的本部到叶冠的连接处，截面尺寸一般都会有几十毫米的扩展。叶冠边缘(附图1中B处)，由于模壳薄散热条件好，能很快冷却到液相线温度(TL)以下，造成溶液的过冷；而叶冠内角(附图1中A处)，由于散热条件极差，能长时间地保持过热状态。这个热节点阻碍了叶片本部的单晶生长向叶冠边缘B处的扩展，使得B处的过冷度越来越大，最终导致第二晶粒的形核和生长，破坏了整个叶片的单晶性。因此，通过调整外部模壳的散热条件，改善定向单晶铸件凝固过程中的温度分布，对于防止局部出现杂晶，至关重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够有效改善单晶铸件凝固过程中温度分布的方法。
一种通过植入热导体，改善单晶铸件定向凝固过程中温度分布的方法。在制备熔模铸造陶瓷模壳的过程中，将热导体植入到铸件凝固向外部传热过程中，易出现热障的部位。上述热导体为石墨或SiC，石墨的导热能力比陶瓷模壳高出几十倍，在真空条件下具有良好的高温性能，而高温合金的浇铸和凝固均是在真空的条件下完成的。此外石墨价格便宜，易于加工成所需要的形状。SiC也可作为热导体，但其硬度高，不易加工。
热导体植入的具体方法是：在熔(蜡)模表面第一或第二层陶瓷壳形成后，将热导体用制壳用陶瓷浆料粘接在预定位置；按通常精密铸造模壳一样的制备方法，进行挂涂料、撒砂，撒完砂后将热导体外端的积砂抹去；当热导体为石墨时，对陶瓷模壳焙烧需在密闭的烧结炉中进行，烧结炉中放置石墨碎块以吸收氧气。或采用以下烧结方法：模壳先600℃预烧结彻底脱蜡，浇铸前在真空凝固炉中预热模壳时，先进行1200℃1小时的保温烧结，然后再加热到预定的预热温度进行浇铸；采用SiC热导体在模壳制备过程中植入时，可按正常的方法进行陶瓷模壳焙烧。
采用石墨热导体时，也可采用如下方法：植入前，在石墨热导体上涂一层蜡膜。脱蜡过程中，蜡膜熔化热导体脱落取出，在原来热导体的位置留下空穴；然后按正常方法焙烧后，再将石墨热导体用陶瓷浆料粘入空穴中。
本发明的原理，即植入热导体对模壳内铸件的温度分布的影响，如附图1所示。图中：1、陶瓷模壳；2、热区；3、隔热挡板；4、冷区；5、热导体。图1(a)为通常未植入热导体的陶瓷模壳内温度场分布，图1(b)为植入热导体后的温度分布。显然通过植入一导热体，可将叶冠内角A处的热及时散出，使其迅速冷却至液相线温度以下。叶片本部的单晶生长可以迅速进入叶冠并向外缘B处扩展，避免此处因长时间过冷而产生杂晶。
本发明的优点为：具体应用实施简单易行，无需改变原有的定向凝固设备；通过热导体导出导热热障处的热量，可有效调节和优化单晶铸件凝固过程中温度场分布，保证单晶的顺利生长和扩展。
附图说明
图1：植入热导体对模壳内铸件温度分布的影响
(e)未植入热导体的陶瓷模壳内单晶叶片铸件的温度场分布，可见显然叶冠外缘B部位易形成孤立的深过冷区从而引发杂晶；
(f)植入热导体后单晶叶片铸件的温度分布，显然使用热导体技术可大大减轻A部位的热量集中，从而使单晶能在叶冠外缘达到深度过冷前，扩展到该处。
图2：叶片的几何形状和陶瓷模壳的结构
图3：植入热导体对TL-等温线的影响
(a)没有植入热导体时，凝固前沿TL-等温线分布
(b)植入热导体后，凝固前沿TL-等温线分布
图4：植入热导体对单晶叶片组织的影响
(c)未植入热导体时，叶片本体和叶冠连接区域的宏观和微观组织
(d)植入热导体时，叶片本体和叶冠连接区域的宏观和微观组织
1、陶瓷模壳，2、热区，3、隔热挡板，4、冷区，5、热导体
具体实施方式
实施例：
将本发明技术应用于一单晶叶片的铸造，叶片长度为150mm，材料为CMSX6，陶瓷模壳的结构见附图2。
附图3为实际测定的凝固过程中陶瓷模壳内，t1＝2105s和t2＝2190s时刻的TL-等温线分布。其中(a)图为未植入热导体，陶瓷模壳内凝固过程中的TL-等温线；(b)图为植入热导体条件下，陶瓷模壳内凝固过程中的TL-等温线。明显可见，液相线(TL)等温线由于热导体的作用，由凹形变得明显平缓。边缘的过冷度由29℃减少为18℃，过冷时间由244秒减少为150秒，使得此处形成第二晶粒的可能性大大减小。
附图4为植入和未植入热导体所得叶片铸件，叶片本体和叶冠连接区域的宏观和微观组织的对比。未实施热导体技术时，叶片在此区域实际上为多晶组织，即在叶冠边缘出现了杂晶；而实施本技术后，叶片为单晶组织。在应用本发明的技术前，所浇铸的单晶叶片铸件，在此部位单晶组织合格率仅为20％；而安装热导体后所生产的叶片铸件，在此部位的单晶组织全都合格。
可见，应用本发明的技术，可有效改善叶冠内角的散热条件，使叶片本部的单晶生长及时扩展到叶冠边缘，从而避免了叶冠部分因过冷度太大而生成杂晶，大大提高了单晶产品的合格率。
Claims (5)
1.一种改善单晶铸件凝固过程中温度分布的方法，具体为：在熔蜡模表面第一或第二层陶瓷壳形成后，将热导体用制壳用陶瓷浆料粘接在铸件凝固向外部传热过程中易出现热障的部位，热导体为石墨或SiC；按通常精密铸造模壳一样的制备方法，进行挂涂料、撒砂，撒完砂后将热导体外端的积砂抹去后进行烧结。
2.权利要求1所述的一种改善单晶铸件凝固过程中温度分布的方法，其特征在于：当热导体为石墨时，对陶瓷模壳焙烧需在密闭的烧结炉中进行，烧结炉中放置石墨碎块以吸收氧气。
3.权利要求1所述的一种改善单晶铸件凝固过程中温度分布的方法，其特征在于：当热导体为石墨时，采用以下烧结方法：模壳先600℃预烧结彻底脱蜡，浇铸前在真空凝固炉中预热模壳时，先进行1200℃1小时的保温烧结，然后再加热到预定的预热温度进行浇铸。
4.权利要求1所述的一种改善单晶铸件凝固过程中温度分布的方法，其特征在于：当热导体为SiC时，按常规方法进行陶瓷模壳焙烧。
5.一种改善单晶铸件凝固过程中温度分布的方法，具体为：选用石墨为热导体时，采用如下方法：植入铸件凝固向外部传热过程中易出现热障的部位前，在石墨热导体上涂一层蜡膜；脱蜡过程中，蜡膜熔化热导体脱落取出，在原来热导体的位置留下空穴；然后按常规方法焙烧后，再将石墨热导体用陶瓷浆料粘入空穴中。
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