一種生產定向凝固鑄件用的設備制造技術

本實用新型專利技術提供一種生產定向凝固鑄件用的設備，主要包括熔煉室、保溫爐、結晶器，熔煉室里有坩堝，坩堝四周是感應加熱線圈，坩堝底上有孔，孔用隔片掩蓋，保溫爐在熔煉室的下面，里面放置鑄模，四周有加熱體，鑄模上方有漏斗，鑄模下墊結晶器底盤，結晶器在保溫爐下面，裝在升降機構上，結晶器和保溫爐與真空系統相連接，其特征在于：結晶器是低熔點合金熔池，低熔點合金溶液表面上有隔熱層。該設備的優點為：定向凝固中的溫度梯度大幅度提高，溫度梯度可從傳統ＨＲＳ工藝４０～６０Ｋ／ｃｍ提高到１２０～１８０Ｋ／ｃｍ，可以制備最高３５－４０ｃｍ的大尺寸鑄件；生產效率明顯提高；解決金屬在長時間高溫下容易與陶瓷鑄型發生反應的問題；合金定向凝固組織微觀偏析減輕，縮短了合金后續熱處理時間，節約成本。（*該技術在2015年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本技術涉及一種用于生產定向凝固鑄件的設備，尤其涉及一種用于鑄造大尺寸定向和單晶鑄件(如燃氣輪機葉片等)的定向凝固鑄造的設備。
技術介紹
定向凝固技術可以生產消除橫向晶界(定向柱晶)或完全消除晶界(單晶)的金屬鑄件，與傳統鑄造方法得到的鑄件比較，這些鑄件具有更好的縱向機械性能。燃氣輪機、航空發動機的靜動葉片就是定向凝固技術應用的一個例子。工業化的定向凝固技術主要是指高速凝固法(HRS)，如圖1所示，模殼(3)放置在水冷結晶器(6)上，并在保溫爐(2)中通過加熱元件(1)加熱到金屬的熔點以上，在模殼中澆鑄熔融的金屬后，模殼被從保溫爐中沿箭頭方向拉下，形成定向凝固鑄件。定向凝固鑄件質量的一個關鍵決定因素是定向凝固設備在整個定向凝固過程中能達到的溫度梯度，如果整個鑄件在較高的溫度梯度下定向凝固，生產效率就較高，產品的合格率也較高。為加大溫度梯度，一些HRS設備在保溫爐底部使用了隔熱擋板(4)，在隔熱擋板下使用了水冷環(5)，這樣使模殼的熱量一方面通過熱傳導向水冷結晶器散失，另一方面通過熱輻射向水冷環散失。為得到熔融的合金，一般定向凝固設備都采用感應加熱方法，如圖1所示，高溫合金母合金放置在坩堝(11)中，經感應線圈(12)加熱熔化后，通過澆道(13)傾倒入保溫爐的模殼中。傳統的HRS設備由于隔熱擋板無法隨鑄件形狀變化而變化，在模殼(3)和隔熱擋板(4)之間不可避免地會留下間隙，這會大大降低定向凝固過程的溫度梯度；同樣，水冷環的冷卻效果也受鑄件形狀的影響；另外，水冷結晶器(6)在定向凝固過程中向下移動，逐漸遠離保溫爐，通過水冷結晶器的熱傳導帶走的熱量越來越少，一般當鑄型高度超過7cm時，模殼的熱量主要依靠向真空室壁(7)的輻射來帶走，因此隨鑄件長度的增加，HRS設備能達到的溫度梯度逐步降低。定向凝固中凝固速度(大致等于水冷結晶器的拉伸速率)、溫度梯度與鑄件尺寸的關系如圖2所示。圖中的等軸晶、縮孔、斑點、小角度晶界等都是定向和單晶鑄件中常見的缺陷，顯然HRS法生產大葉片時，由于設備所能達到的溫度梯度很小，生產中只能采用很低的凝固速度(拉伸速率)，一方面生產效率極低，另一方面已經接近工藝條件的極限(圖中灰色橢圓區)，鑄件很容易產生缺陷，產品合格率很低。所以，HRS法在生產大尺寸定向和單晶鑄件時，成本極高。
技術實現思路
本技術的目的是提供一種生產定向凝固鑄件用的設備，能大幅度提高定向凝固過程中的溫度梯度，而且溫度梯度在整個定向凝固過程中保持不變，不受鑄件尺寸的影響。本技術提供一種生產定向凝固鑄件用的設備，主要包括熔煉室(34)、保溫爐(37)、結晶器(40)、升降機構(46)、真空系統(50、51)，熔煉室(34)在設備的最上方，熔煉室(34)里有坩堝(32)，坩堝(32)四周是感應加熱線圈(31)，坩堝(32)底上有孔(36)，孔(36)用隔片(33)掩蓋，保溫爐(37)在熔煉室(34)的下面，保溫爐(37)里放置鑄模(10)，四周有加熱體(38)，鑄模(10)上方有漏斗(35)，鑄模(10)下墊結晶器底盤(58)，結晶器(40)在保溫爐(37)下面，結晶器(40)裝在升降機構(46)上，以控制升降速度，結晶器(40)和保溫爐(37)與真空系統(50)相連接，以保持真空，其特征在于結晶器(40)是低熔點合金熔池，低熔點合金溶液表面上有隔熱層(42)。本技術提供的生產定向凝固鑄件用的設備，其低熔點合金熔池(40)可以是Sn熔池(40)，備有控溫系統(41)，保持在232～380℃之間。本技術提供的生產定向凝固鑄件用的設備，其隔熱層(42)的形狀與鑄型形狀相適應，其材料是耐高溫、熱傳導系數低、高溫下與鑄型材料不反應的材料。厚度為0.1～10cm。本技術提供的生產定向凝固鑄件用的設備，其低熔點合金熔池(40)里自上伸下攪拌器(44)。本技術提供的生產定向凝固鑄件用的設備的優點包括1、定向凝固中的溫度梯度大幅度提高，溫度梯度可從傳統HRS工藝40～60K/cm提高到120～180K/cm。可以制備最高35～40cm的大尺寸鑄件，在定向凝固中溫度梯度與鑄件尺寸無關。2、定向凝固中拉伸速率快，例如7～20mm/min，生產效率明顯提高。3、解決金屬在長時間高溫下容易與陶瓷鑄型發生反應的問題。4、合金定向凝固組織微觀偏析減輕，縮短了合金后續熱處理時間，節約成本。附圖說明圖1為傳統HRS工藝制備定向凝固鑄件示意圖。圖2為定向凝固工藝中溫度梯度、拉伸速率與定向凝固鑄件尺寸、缺陷關系示意圖。圖3為本技術結構示意圖。具體實施方式實施例1一種生產定向凝固鑄件用的設備的結構如圖3所示，主要包括熔煉室(34)、保溫爐、結晶器、升降機構、真空系統(50、51)。上部是感應熔煉真空室熔煉室(34)，熔煉室(34)里有坩堝(32)，坩堝(32)四周是感應線圈(31)，坩堝(32)底上有孔(36)，孔(36)用隔片(33)掩蓋。鑄模(10)、鑄模保溫爐(37)和低熔點金屬Sn熔池(40)等安裝在熔煉室(34)下方的下部真空室里，與真空泵系統包括機械泵、羅茨泵和增壓泵相連。鑄模(10)置于保溫爐里，四周有加熱體(38)，鑄模(10)上方有漏斗(35)，鑄模(10)下墊底盤(58)。低熔點金屬熔池(40)用德國SIEMENS公司控溫系統(41)保持在232～380℃之間，合金溶液面上有隔熱層(42)；低熔點合金熔池(40)里備有攪拌器(44)。下部真空室外設有鑄型的拉伸驅動機構控制結晶器底盤(58)的升降速度。采用低熔點金屬Sn液態冷卻的方法，使鑄型接觸低熔點合金后迅速冷卻；低熔點合金的溫度通過控溫機構(41)控制，當大型鑄件進入低熔點合金熔池(40)，使低熔點金屬熔池(40)溫度升高時，可通過控溫機構冷卻低熔點熔池溫度；低熔點金屬表面有一層隔熱層(42)，當鑄型降入低熔點金屬熔池(40)時，隔熱層(42)保證鑄型保溫爐的熱量不會輻射散失，保證低熔點金屬表面不會因熱輻射而升高溫度；據此1、定向凝固中的溫度梯度大幅度提高，溫度梯度可從傳統HRS工藝40-60K/cm提高到120-180K/cm。可以制備最高35-40cm的大尺寸鑄件。溫度梯度與鑄件尺寸無關。2、拉伸速率快，例如7-20mm/min，生產效率明顯提高。3、解決金屬在長時間高溫下容易與陶瓷鑄型發生反應的問題。4、合金定向凝固組織微觀偏析減輕，縮短了合金后續熱處理時間，節約成本。5、采用低熔點金屬Sn液態冷卻的方法，可以通過快速淬火(最快5m/s)中斷穩態定向凝固，保留高溫合金糊狀區形貌，從而得到定向凝固中枝晶生長形態、枝晶偏析、固液界面形態等大量信息，對材料科學研究意義重大。實施例2一種生產定向凝固鑄件用的設備的結構基本上與實施例1相同，區別在于低熔點合金熔池(40)可以通過滑道(45)拉出或推入真空室，可以將本設備改為傳統的HRS設備。本設備也可以將傳統HRS設備的水冷結晶器，改為低熔點金屬熔池(40)而獲得。權利要求1.一種生產定向凝固鑄件用的設備，主要包括熔煉室(34)、保溫爐(37)、結晶器(40)、升降機構(46)、真空系統(50)，熔煉室(34)在設備的最上方，熔煉室(34)里有坩堝(32)，坩堝(32)四周是感應線圈(31)，坩堝(3本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種生產定向凝固鑄件用的設備，主要包括熔煉室（３４）、保溫爐（３７）、結晶器（４０）、升降機構（４６）、真空系統（５０），熔煉室（３４）在設備的最上方，熔煉室（３４）里有坩堝（３２），坩堝（３２）四周是感應線圈（３１），坩堝（３２）底上有孔（３６），孔（３６）用隔片（３３）掩蓋，保溫爐（３７）在熔煉室（３４）的下面，保溫爐（３７）里放置鑄模（１０），四周有加熱體（３８），鑄模（１０）上方有漏斗（３５），鑄模（１０）下墊底盤（５８），結晶器（４０）在保溫爐（３７）下面，結晶器（４０）裝在升降機構（４６）上，結晶器（４０）和保溫爐（３７）與真空系統（５０）相連接，其特征在于：結晶器（４０）是低熔點合金熔池，低熔點合金溶液面上有隔熱層（４２）。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：張健，燕冰川，樓瑯洪，陳忠政，朱玉紅，
申請(專利權)人：中國科學院金屬研究所，
類型：實用新型
國別省市：89[中國|沈陽]