CN103192063A - 一种用于高温合金单晶叶片制造的铸型及其定向凝固装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于高温合金单晶叶片制造的铸型，在定向凝固装置中使用，所述铸型呈圆柱形，包括内层陶瓷薄壳和外部填充夹层；所述陶瓷薄壳形成的内部空腔用于浇注高温合金熔体、形成高温合金铸件，陶瓷薄壳外周利用桶形围板交替填充导热材料和隔热材料、粘接形成具有多层水平导热层和隔热层的填充实体。本发明的实体导热铸型工艺，可在现行的定向凝固炉中进行浇注和定向凝固，能使叶片的各个侧面受到比较均匀的加热，因而能有效消除后果严重的阴影效应及其引发的组织缺陷；改变了现行设备中冷热区之间几乎完全贯通的状况，实现了热区与冷区之间的封闭性隔绝，有利于减少热量散失，大大提高铸件内温度梯度，形成单晶生长的最佳热温条件。

Description

一种用于高温合金单晶叶片制造的铸型及其定向凝固装置
技术领域
本发明涉及高温合金部件的精密铸造，具体是用于高温合金单晶叶片制造的一种实体导热铸型及其定向凝固装置。
背景技术
为了提高航空发动机和工业燃气轮机的性能，高温合金涡轮叶片需用定向凝固的工艺制成柱晶或单晶组织，如图1所示。为此先用精密铸造的方法制作高温合金单晶叶片的陶瓷模壳3，为保证强度，陶瓷模壳3一般比较厚、其最厚处的厚度可达数厘米。陶瓷模壳3放入定向凝固装置的加热室中加热，然后将熔化后的高温合金试样4浇入陶瓷模壳3中，通过升降工作台8以设定的速度缓慢下降进入铸模冷室，造成陶瓷模壳3自下而上的冷却和陶瓷模壳3内的高温合金铸件5的定向凝固，形成柱晶或单晶组织。
现行的单晶叶片的生产工艺存在着几个重要缺点：
一是由于陶瓷模壳3具有一定的厚度、其导热性很差；特别是重型燃机用的大型叶片的陶瓷模壳3更厚，造成该叶片凝固过程中冷却太慢，影响了产品的的质量。
二是定向凝固装置中是靠辐射的方式加热和冷却，由于辐射传热的方向性，叶片背对加热室内的加热器的一侧（阴侧）在热区A得不到有效的加热，而到了冷区B（铸模冷室）又因背对铸模冷室中的冷却装置的得不到有效的冷却，凝固条件非常恶劣，造成叶片阴侧集中出现缺陷，被称为阴影效应。
三是叶片形状复杂，截面变化大，陶瓷模壳3在加热室中从热区A到冷区B的抽拉工程中，两区间无法有效隔绝，基本处于贯通状态，不但造成热量的严重散失，更无法建立较高的温度梯度来保证单晶组织的形成。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种用于高温合金单晶叶片制造的铸型及其定向凝固装置，可有效克服上述弊端，为高温合金单晶叶片的形成创造良好的热温条件。
本发明所采用的技术方案是：
一种用于高温合金单晶叶片制造的铸型，在定向凝固装置中使用，所述铸型呈圆柱形，包括内层陶瓷薄壳和外部填充夹层；所述陶瓷薄壳形成的内部空腔用于浇注高温合金熔体、形成高温合金铸件，陶瓷薄壳外周利用桶形围板交替填充导热材料和隔热材料、粘接形成具有多层水平导热层和隔热层的填充实体。
所述导热层与隔热层的厚度比为8～11：1。
所述铸型外径略小于定向凝固装置加热室底部环形隔热板的内径。
所述导热材料为石墨或碳化硅。
所述隔热材料为陶瓷浆料，烧结后形成陶瓷隔热层。
所述的用于高温合金单晶叶片制造的铸型的定向凝固装置，包括加热室和铸模冷室，所述加热室和铸模冷室是上下相通、相互隔热的真空腔，所述真空腔体内设置有升降工作台和铸型，铸型的陶瓷薄壳内装有高温合金试样；所述铸模冷室内的冷却装置是对应铸型外周面设置的水冷套。
本发明所产生的有益效果是：
本发明的实体导热铸型工艺，可有效克服现有生产工艺存在着的重要缺点，为高温合金单晶叶片的形成创造良好的热温条件。
本发明的实体铸型可在现行的定向凝固炉中进行浇注和定向凝固。铸型中的导热层具有极好的导热能力，能使叶片的各个侧面受到比较均匀的加热，因而能有效消除后果严重的阴影效应及其引发的组织缺陷。由于外部被厚实的实体铸型充满，内层陶瓷壳可做得很薄，远小于普通模壳的厚度，而导热层的热阻可忽略不计，因而整个铸型的横向热阻比普通模壳大大减小。铸型中的水平陶瓷薄层起着隔热层的作用，使热区的热量沿水平方向传入金属铸件，在铸件内垂直向下导出，而不是直接从铸型传到冷区。这样可大大提高铸件内垂直方向的温度梯度。
本发明的实体导热铸型的圆柱型外形与圆环形的隔热板能形成近乎无间隙的匹配。改变了现行设备中冷热区之间几乎完全贯通的状况，使热区的热量几乎无法通过辐射向下散失，实现了热区与冷区之间的有效隔绝。铸型内的横向陶瓷隔热层阻挡了热量的垂直下传。这些都有利于减少热量散失，更重要的是能大大提高铸件内温度梯度，形成单晶生长的最佳热温条件。
针对本发明实体导热铸型特殊设计的定向凝固装置中铸模冷室内的冷却装置采用与导热铸型的圆柱型外形相匹配的水冷套，十分适用于本发明实体导热铸型的冷却，利于高温合金单晶叶片的形成。
附图说明
图1为现有的高温合金单晶叶片的定向凝固工艺示意图；
图2为本发明的实体导热铸型制作示意图。
图3为实体导热铸型定向凝固示意图；
图中标号表示：1、加热器，2、保温层，3、陶瓷模壳，4、高温合金熔体，5、高温合金铸件，6、环形隔热板，7、水冷套，8、升降工作台，9、浇注漏斗，10、叶片蜡模，11、陶瓷薄壳，12、导热层，13、桶形围板，14、隔热层，A、热区，B、冷区。
具体实施方式
如图2～3所示，本发明是一种用于高温合金单晶叶片制造的铸型，在定向凝固装置中使用，铸型呈圆柱型实体，实体导热铸型的外径略小于定向凝固装置加热室底部出炉口侧的环形隔热板6的内径。
铸型呈圆柱形，包括内层陶瓷薄壳11和外部填充夹层。具体的：陶瓷薄壳11形成的内部空腔用于浇注高温合金熔体4、形成高温合金铸件5。陶瓷薄壳11外周利用桶形围板13交替填充导热材料和隔热材料、粘接形成具有多层水平导热层12和隔热层14的填充实体。填充实体硬化后、拆去桶形围板13，对铸型进行干燥、脱蜡和焙烧。
本具体实施方式中，导热层12与隔热层14的厚度比约为8～11：1，其中优选的厚度比为10比1。例如：每层导热层12的厚度为10到20毫米，而每层隔热层14的厚度为1到2毫米。即填充实体主要是由导热层12构成，在导热层12之间设置有厚度相对很薄的隔热层14。导热材料为石墨或碳化硅。隔热材料为陶瓷浆料，例如刚玉、石英等材料，烧结后形成陶瓷隔热层14。桶形围板13 可用金属或塑料等材料做成，既要方便组装和拆卸，又要有一定强度保证在充填浆料时不变形。
如此设计，由于陶瓷薄壳11外为厚实的填充实体，强度得到了充分保证，因此，本发明中的陶瓷薄壳11本身可以做得十分薄，远小于普通的陶瓷模壳3的厚度。因为填充夹层中的导热层12由热的良导体材料制得，其热阻可忽略不计，因而整个铸型的横向热阻比普通模壳大大减小。同时，填充夹层中水平设置的隔热层14，使得热区A的热量沿水平方向传入高温合金铸件5、在高温合金铸件5内垂直向下导出，使得铸型填充夹层内的热量不会直接从热区A内传到冷区B，这样不仅大大提高高温合金铸件5内垂直方向的温度梯度，还减少了热量的散失。
本发明用于高温合金单晶叶片制造的铸型的制造方法如下：
1)按通常方法组装铸件最内层叶片蜡模10，用来形成铸件形状。
2)使用普通的精密铸造法在叶片蜡模10的外表面使用粘浆淋砂的方法制作二层陶瓷薄壳11，形成铸件光滑表面。
3)将陶瓷薄壳11放入外径略小于加热室底部环形隔热板6内径的圆桶状容器（桶形围板13）内。
4)在陶瓷薄壳11和桶形围板13之间交替注入导热材料（如石墨或碳化硅浆料）和隔热材料（如陶瓷浆料），形成导热层12和隔热层14相间构成的多层结构的圆柱形实体导热铸型，直到达到铸件所需高度。本具体实施方式中，陶瓷砂浆料可用普通制壳浆料加刚玉砂混成，石墨砂浆料可用硅溶胶作粘结剂，石墨粉作粉料，加石墨砂混成。其中：每层浆料浇完要有一定的时间间隔使浆料硬化。
5)拆开围板13，取出实体导热铸型，干燥后进行脱蜡和烧残蜡。
使用本发明用于高温合金单晶叶片制造的铸型定向凝固装置，包括加热室和铸模冷室，加热室和铸模冷室是上下相通、相互隔热的真空腔，该真空腔体内设置有升降工作台8和本发明的实体导热铸型，实体导热铸型的陶瓷薄壳11内装有高温合金试样4。铸模冷室内的冷却装置是对应实体导热铸型外周面设置的水冷套5，该水冷套5环绕实体导热铸型设置、其内径略大于实体导热铸型的外径。
使用本发明用于高温合金单晶叶片制造的铸型进行定向凝固的方法如下：
1)按通常方法把本发明的实体导热铸型安装在定向凝固装置的升降工作台8上，将实体导热铸型升入加热室内，关炉门、抽真空，开启加热器1加热，预热并保温焙烧实体导热铸型。
2)将熔化后的高温合金试样4浇入实体导热铸型的陶瓷薄壳11内。
3)通过升降工作台8将陶瓷模壳3以设定速度下降至铸模冷室。
4)实体导热铸型及其内部的高温合金试样4被铸模冷室内的冷却装置（水冷套5）冷却，高温合金试样4进行定向凝固、形成高温合金铸件5。
5)在高温合金定向凝固过程结束后，将铸模冷室放真空后打开，取出实体导热铸型、并从中取出定向凝固后的高温合金铸件5。
若需连续浇注，可在升降工作台8上安装新的实体导热铸型，重复步骤（1）～（5）进行下一次的工作循环。

Claims (7)

1. 一种用于高温合金单晶叶片制造的铸型，在定向凝固装置中使用，其特征在于：所述铸型呈圆柱形，包括内层陶瓷薄壳和外部填充夹层；所述陶瓷薄壳形成的内部空腔用于浇注高温合金熔体、形成高温合金铸件，陶瓷薄壳外周利用桶形围板交替填充导热材料和隔热材料、粘接形成具有多层水平导热层和隔热层的填充实体。
2.根据权利要求1所述的用于高温合金单晶叶片制造的铸型，其特征在于：内层为陶瓷薄壳。
3.根据权利要求1所述的用于高温合金单晶叶片制造的铸型，其特征在于：所述外部铸型导热层与隔热层的厚度比为8～11：1。
4.根据权利要求1所述的用于高温合金单晶叶片制造的铸型，其特征在于：所述圆柱型铸型外径略小于定向凝固装置加热室底部环形隔热板的内径。
5.根据权利要求1所述的用于高温合金单晶叶片制造的铸型，其特征在于：所述导热材料为石墨或碳化硅。
6.根据权利要求1所述的用于高温合金单晶叶片制造的铸型，其特征在于：所述隔热材料为陶瓷浆料，烧结后形成陶瓷隔热层。
7.根据权利要求1所述的用于高温合金单晶叶片制造的铸型的定向凝固装置，包括加热室和铸模冷室，所述加热室和铸模冷室是上下相通、相互隔热的真空腔，其特征在于：所述真空腔体内设置有升降工作台和铸型，铸型的陶瓷薄壳内装有高温合金试样；所述铸模冷室内的冷却装置是对应铸型外周面设置的水冷套。
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