CN101934367A - 一种液态金属冷却定向凝固铸造设备用隔热挡板 - Google Patents

Abstract

一种液态金属冷却定向凝固铸造设备用隔热挡板，其特征是由半环形挡板和半环形挡板对接构成的环形隔热挡板，能在小平面内左、右移动。所述半环形挡板和半环形挡板是由氧化鋯制成或由石墨片夹硅酸铝纤维毡压制而成，厚度10～50mm。使用时所述隔热挡板与固定隔热挡板和浮动隔热挡板以及加热保温炉共同形成封闭空间。该隔热挡板为生产定向柱晶和单晶组织铸件提供了良好的生成条件，提高了固-液界面前沿的温度梯度和凝固速度。

Description

一种液态金属冷却定向凝固铸造设备用隔热挡板

技术领域

本发明涉及一种液态金属冷却定向凝固铸造设备用隔热挡板。具体地讲是一种消除径向热流，保证一维热流的防辐射隔热挡板。

技术背景

定向及单晶叶片由于消除了垂直于应力轴的横向晶界，晶向和作用于叶片的应力方向平行，耐温能力明显提高，具有更好的纵向机械性能，能够在高温燃气的恶劣环境中长时间工作，非常适宜于燃气轮机对叶片的工况要求。

目前制造定向组织或单晶组织铸件的定向凝固设备主要有快速凝固法(HRS)定向凝固设备和液态金属冷却法(LMC)定向凝固设备，这两种工艺设备是工业上普遍应用的，为航空发动机和地面燃气轮机定向和单晶叶片制造做出了重要贡献。HRS法通过炉内加热保温区和铸件底部水冷托盘及辐射散热实现正的温度梯度。但随铸件从保温区域拉出，散热逐渐变为以辐射为主，散热效率很快下降，导致凝固前沿的温度梯度不断降低，所生产的铸件组织不均匀。特别是对于大尺寸燃气轮机叶片的生产，HRS法的上述缺点十分突出。为克服HRS方法的不足，LMC法应运而生，LMC法以低熔点液态金属作为冷却区域的冷却介质，铸件散热大大增强，温度梯度和凝固速率较高，获得的铸件组织细密、缺陷较少，且铸件组织均匀，可满足工业燃气轮机大尺寸叶片及高性能航空发动机叶片定向凝固生产的要求。

无论是HRS法还是LMC法，防辐射隔热挡板是制约获得优良铸件的一个瓶颈。

众所周知，铸件定向凝固需要两个条件：首先，热流向单一方向流动并垂直于生长中的固-液界面；其次，晶体生长前方的熔液中没有结晶核心。为此，在工艺上必须采取措施避免侧向散热，同时在靠近固-液界面的熔液中应造成较大的温度梯度。这是保证定向柱晶和单晶生长挺直，取向正确的基本要素。为了达到最大的温度梯度，关键是要使保温炉热区的热量向保温炉外冷区的热辐射损失减到最小，使热量主要通过激冷盘传导，以及通过铸型表面向外界散失，为了促进垂直于零件横截面的热流，隔热挡板的设置对固液界面前沿的温度梯度有重要的影响。加拿大专利(专利号：2106151)叙述了一种定向凝固装置用热辐射挡板，这种热辐射挡板具有一定的柔韧性，中间开有一条狭缝或十字交叉型狭缝等形状，铸型通过时，狭缝被撑开，但是狭缝的两端仍有很大的空隙。美国专利(专利号：USP6510889)使用多级挡板的定向凝固装置，放置在加热保温炉的底端。包括一个固定初级挡板，放置在定向炉的底端，第二级挡板可解开，临近并在初级挡板的下方，初级挡板向下移动并接触第二级挡板时，可向下顶出次级挡板的临时支撑，从而使次级挡板落下，不影响铸件抽拉。中国专利(专利号：200510046341.3)叙述了一种定向凝固铸造用隔热挡板，由两块或多块拼合而成，外圈与铸型保温炉炉体紧密结合，内圈形状尺寸和所用模壳形状尺寸吻合。但这种挡板受铸件形状限制，挡板和铸件之间的缝隙达0.5～10mm。以上挡板安装在HRS定向凝固炉中，虽然仍有一定的辐射热从缝隙中散失，但散失量明显减少，对防止热量从热区向冷区辐射，提高温度梯度起到了很大的作用。

但是，对于LMC工艺，铸型拉出加热保温炉后，浸入液态金属冷却介质中。在铸型加热区和液态金属冷却熔池液面间存在一个过渡区域，在这一过渡区域热量向外界散失，引起不希望的径向温度梯度，凝固前沿的曲率也增大，导致定向或单晶组织铸件缩松、大角度晶界、雀斑等致命缺陷，削弱了LMC的高梯度优势。采用LMC工艺定向凝固抽拉过程中，在某些情况下合金液在加热区和液态金属冷却区的过渡区域就已经处于液相线温度以下，凝固在这之间的很短距离就已经发生了。由于在过渡区大量的热辐射损失，削弱了单晶和定向柱晶生长条件。因此，防止这一过渡区域的径向热量损失，消除径向温度梯度，保持轴向的高温度梯度是LMC工艺的一个关键技术。美国专利(专利号：USP5899257)使加热保温炉底部接触或进入液态金属冷却介质表面的浮动隔热层里面。但是这种方法容易使液态金属冷却介质进入加热保温炉，损坏加热元件，造成液态冷却介质挥发。美国专利(专利号：USP4108236)在加热保温炉和液态金属冷却介质熔池之间加了一块隔热挡板，凝固过程中，挡板漂浮在液态锡上面，减少了铸型浸入冷却熔池前的热量损失，但是热量仍然会从径向流失，仍然存在径向温度梯度。美国专利(专利号：USP6557618)披露了一种用来制造定向和单晶组织并且轴肩尺寸很大的大型定向或单晶组织叶片的方法。将隔热挡板分布在铸型周围，和铸型竖直线同心，固定在铸型上，随铸型一起浸入液态金属冷却介质中，挡板材料为石墨纸或碳及碳基复合材料。垂直挡板可以降低温度梯度的径向分量，使界面尺寸变化大的铸件过渡区的组织缺陷和缩松降低，形成小角度晶界，避免了大角度晶界的形成。与以前的工艺相比，提高了单晶成品率。但是这种挡板的制造工艺复杂，而且不易固定，容易从铸型脱落。

发明内容

本发明的目的，是提供一种稳定可靠的隔热挡板，该隔热挡板能降低或消除温度梯度的径向分量，提高温度梯度的轴向数值，保证严格的轴向一维热流。

采用的技术方案是：

一种液态金属冷却定向凝固铸造设备用隔热挡板，该隔热挡板为环形挡板，所述环形挡板由两个结构相同的半环形挡板对接构成。

所述两个半环形挡板是由氧化鋯制成，或由石墨片夹硅酸铝纤维毡制成，厚度为10-50mm。

该隔热挡板为生产定向柱晶和单晶组织铸件提供了良好的生成条件，提高了固-液界面前沿的温度梯度和凝固速度。该隔热挡板为可移动隔热挡板，位于加热保温炉固定隔热挡板和液态金属介质锡液面上浮动隔热挡板之间，此种可移动隔热挡板减少了热量沿径向方向的散失，保证了铸件沿轴向方向的严格的一维热流，减小或消除了径向温度梯度，减轻或消除了铸件中的缩松、大角度晶界、雀斑等致命缺陷的产生，改善了微观组织，抑制了铸型壁上杂晶的生成。

附图说明

图1为液态金属冷却定向凝固装置纵截面图。

图2为过渡区热量散失示意图。

图3是本发明的可移动隔热挡板横截面图。

图4是本发明的可移动隔热挡板复位后定向柱晶生长示意图。

具体实施方式

实施例

一种液态金属冷却定向凝固铸造设备用隔热挡板，为环形挡板13，所述环形挡板13可在水平面内左右移动，环形挡板13由半环形挡板15和半环形挡板16拼合构成，半环形挡板16与半环形挡板15在结构上相同，是由氧化鋯或硅片夹硅酸铝纤维毡制成。

本发明的隔热挡板使用原理：

以前的LMC工艺，只在加热室保温炉的底部设置固定隔热挡板，阻止热量由加热区向冷却区散失，并在液态金属冷却介质表面设置浮动挡板，进一步阻止热量由加热区向冷却区散失，提高固-液界面前沿的温度梯度。但是由于在加热区和冷却区之间存在一过渡区域间隙“G”，如图1所示。抽拉过程中，充满液态金属的铸型4在加热保温炉2中被加热器3和5加热到一定的温度，然后在抽拉轴10的带动下以一定的速度逐渐进入冷却区域，伸入液态金属冷却介质容器9所容纳的液态金属冷却介质锡8中，在这一过程中，铸型在过渡区域“G”，散失了很大的热量，如图2所示，导致轴向方向的温度梯度增大，径向方向的温度梯度降低，铸件出现雀斑、大角度晶界等晶体缺陷，导致铸件报废。

本发明隔热挡板13置于加热保温炉固定隔热挡板6与盛装在液态金属锡的容器9内的液态金属锡液面上浮动隔热挡板7之间。见图4，由液压机构(图中未示出)控制导向套11，沿导向轴12在水平面内左右移动，如图中R-L所示。铸型4进入加热区加热保温炉2之前，隔热挡板13处于打开状态，铸型可以顺利进入加热保温炉，这时分别给加热器3和5通电，使加热区的温度逐渐升高到待浇注合金液相线温度以上，合金熔炼并过热后，以常规方法通过漏斗1浇入被加热的铸型，启动抽拉机构，使铸型或固定铸型的激冷盘在抽拉轴10的带动下以一定的速度下移，进入液态金属冷却介质中，同时启动液压装置，使可移动隔热挡板闭合。在这一定向凝固过程中，可移动隔热挡板在加热保温炉和液态金属冷却介质之间起到了很好的阻止径向方向热量损失的作用，提供了严格的单向轴向热量从凝固铸件中传出，有利于形成柱状晶14组织和单晶组织。消除了铸件中的缩松、大角度晶界、雀斑等缺陷，降低了枝晶间隙，消除了杂晶形成隐患，提高了产品合格率。而且由于减小了枝晶间距，明显缩短了铸件热处理时间，热处理过程中溶质扩散时间与枝晶间距离的平方成正比。

Claims (3)

1.一种液态金属冷却定向凝固铸造设备用隔热挡板，其特征是由半环形挡板(15)和半环形挡板(16)对接构成的环形隔热挡板(13)，能在小平面内左、右移动。

2.根据权利要求1所述的一种液态金属冷却定向凝固铸造设备用隔热挡板，其特征在于：所述半环形挡板(15)和半环形挡板(16)是由氧化鋯制成或由石墨片夹硅酸铝纤维毡压制而成，厚度10～50mm。

3.根据权利要求1所述的一种液态金属冷却定向凝固铸造设备用隔热挡板，其特征在于：使用时所述隔热挡板(13)与固定隔热挡板(6)和浮动隔热挡板(7)以及加热保温炉(2)共同形成封闭空间。

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