[发明专利]一种液态金属冷却定向凝固工艺

说明书

技术领域

本发明涉及定向凝固技术，特别提供一种液态金属冷却定向凝固工艺。

背景技术

定向凝固技术可以生产消除横向晶界(定向柱晶)或完全消除晶界(单晶)的金属铸件，与传统铸造方法得到的铸件比较，这些铸件具有更好的纵向机械性能。燃气轮机、航空发动机的静动叶片就是定向凝固技术应用的一个例子。

目前广泛使用的定向凝固方法是高速定向凝固技术(HRS)。具体的工艺方法是将熔融的金属浇入保温炉内预热的型壳中，型壳以一定的速率拉出保温炉，形成具有一定方向的温度梯度，最终获得定向铸件。在HRS工艺中，铸件的热量主要是靠铸件底部的激冷盘的热传导和铸件向炉体的辐射传热，但是当铸件的尺寸比较大时，底盘激冷盘的热传导作用已经很小了，主要是靠铸件向炉体的热辐射来进行，这样固液界面前沿的温度梯度就会显著降低，容易产生铸造缺陷。

液态金属冷却定向凝固技术(LMC)是目前国外发达国家大力研究的技术，并且已经形成了一定的生产能力，国内在这方面的研究还刚刚起步。LMC技术与HRS技术相比，主要的不同就是在于对铸件的传热方式的改变，它是将铸型直接拉入低熔点合金熔池，靠低熔点液态金属的热传导代替了HRS技术中的辐射传热。由于热传导的传热效率明显大于热辐射，因此LMC技术可以获得比HRS大的温度梯度，并且可以在相当长的拉伸距离内保持较高的温度梯度，这为制备大尺寸和形状复杂的定向铸件提供了有利的保障。

低熔点金属加热及恒温装置是LMC设备的核心装置。要求此装置能够快速熔化大量的低熔点金属，并且在工作过程中保持低熔点金属的温度稳定。在铸件抽拉过程中由于铸型的热量和保温炉的辐射热会使低熔点金属的温度升高，从而影响铸件固液界面的温度梯度，诱发铸造缺陷。

在国内由于LMC工艺还刚刚起步，因此没有这方面的报道。在国外的一些专利和文献中介绍了一些有关LMC工艺的报道，但是都很少涉及到低熔点金属熔池装置。其中US6308767和US3763926发明中设计到了低熔点金属熔池的装置，他们发明的熔池都是在四周加入了一种加热管和冷却介质，但是这种加热方式还是起不到快速加热融化低熔点金属的目的，而且没有对铸件拉入熔池位置(温度升高最快的位置)周围的低熔点金属进行恒温处理，没有起到快速冷却的作用。

发明内容

本发明目的是提供一种液态金属冷却定向凝固工艺，该工艺采用特有的低熔点金属熔池，能够在工作过程中保持低熔点金属的温度稳定，从而避免铸造缺陷，并且能够快速熔化大量的低熔点金属，提高了生产效率。

本发明具体提供了一种液态金属冷却定向凝固工艺，该工艺采用液态金属冷却定向凝固技术，其特征在于：将铸型直接拉入特有的低熔点金属熔池中，

所述低熔点金属熔池由恒温装置3和加热器4构成，其中恒温装置由内小外大的两个空心筒3.1和3.2套装构成，内外两个空心筒相互连通，空心筒壁中充满了液体恒温介质，恒温装置3外接加热和冷却系统；加热器4由底盘4.1及插在其上的加热元件4.2组成；恒温装置的外套筒3.2和加热器的底盘4.1构成熔池，其中充满了低熔点金属6。

本发明提供的一种液态金属冷却定向凝固工艺，其特征在于：所述恒温装置的内筒上设置温度传感器5。

本发明提供的一种液态金属冷却定向凝固工艺，其具体步骤为：

首先开启快速加热元件4.2，对低熔点金属熔池中的低熔点金属进行熔化，待低熔点金属全部熔化后关闭快速加热元件4.2，采用恒温装置3进行保温。

然后铸型2在保温炉(如图1A所示)内一定温度下进行预热，之后将合金液浇入铸型2中，当合金液全部浇入铸型2中后，铸型2以一定的速率(2mm/min～40mm/min)拉出保温炉A，直接拉入位于保温炉A正下方的低熔点金属熔池B中的低熔点液态金属中，从而完成高温度梯度液态金属冷却定向凝固过程。