[发明专利]一种具有锡锅搅拌装置的液态金属冷却定向凝固设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有锡锅搅拌装置的液态金属冷却定向凝固设备，尤其是适用于制造大型燃气轮机柱晶叶片的定向凝固设备的锡锅搅拌装置。

背景技术

由于航空、航天和地面燃气轮机发电技术的发展，这些领域所使用的动力机械燃气轮机的涡轮前燃气进口温度不断提高，要求涡轮叶片耐温能力不断增加。而定向及单晶叶片由于消除了垂直于应力轴横向晶界，晶向和作用于叶片的应力方向平行，断绝了失效在垂直于应力方向的晶粒边界发生的根源，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。

众所周知，利用定向凝固方法可以制造定向及单晶铸件，消除横向晶界或完全消除晶界。单晶或定向凝固柱状晶铸件与常规的多晶铸件的主要区别在于消除了方向不同和方向任意的晶粒之间的边界，使整个铸件为<001>或<111>晶向，非常适宜于燃气轮机对叶片的工况要求。

目前广泛应用的定向凝固法是“高速凝固(high rate solidification，简称HRS)法”。图1为其示意图。但是HRS法制备大尺寸的定向凝固铸件存在温度梯度低的缺点。液态金属冷却法(liquid metal cooling，简称LMC法)”以低熔点液态金属作为冷却区域的冷却介质，液态金属冷却在铸型表面的传热速率比辐射冷却的传热速率高得多，铸件散热大大增强，温度梯度和凝固速率较高，克服了HRS技术定向凝固温度梯度低且不稳定的问题。获得的铸件组织细密、缺陷较少。

采用液态金属冷却，铸型从加热保温炉拉出浸入液体冷却介质的过程中，会带来以下三个问题：

1.排开液态金属熔池表面的浮动隔热挡板，造成浮动隔热挡板的堆积，保温效果降低，而且保温温度不均；

2.使铸型周围的液态金属冷却介质温度急剧升高，降低传热效果和铸型中合金凝固前沿的温度梯度；

3.造成液态金属冷却介质液面上升，进入保温炉，损坏加热元件，造成液态冷却介质挥发。

对于这些问题以前的工艺都未解决。例如俄罗斯和美国共有专利(专利号：US 6715534B1)叙述了一种生产定向凝固铸件的方法设备，使用锡作为冷却介质，生产的铸件质量良好，但是此设备没有搅拌装置，液态金属锡的温度不均衡。美国专利(专利号：US5988257)披露了一种用于熔融液定向凝固的方法和设备，该设备采用了浮动隔热挡板，设有搅动装置来搅动浮动隔热挡板，搅动装置可在水平方向直线移动，定向抽拉过程中不会造成浮动隔热挡板的堆积。但是此搅动装置不能搅拌液态金属冷却介质。中国专利(专利号：CN 2808362Y)披露了一种生产定向凝固铸件的设备，此设备只能搅拌液态金属锡，而不能搅动浮动隔热挡板。美国专利(专利号：US6446701B1)披露了一种适于铸造航空发动机和工业燃气轮机部件的定向凝固装置，该装置采用液态金属冷却，铸件拉拔过程中由于铸型浸入排出的液态金属通过设在金属锅上的溢流口流入到预热的容器中，拉拔结束后，倾转预热容器，使里面的液态金属流回到金属锅中。此种工艺方法解决了液面升高溢流问题，但是需要附加装置，预热容器需要经常倾转，操作复杂。美国专利(专利号：US6085827)直接把冷却介质加满容器，液体就不会上升进入加热室，而是直接从容器上面流出落入炉子底面的接收容器中，进行下一次铸造前向容器中补加相同质量的固体冷却介质，并熔化。这种方法操作繁琐，延长了生产周期。

发明内容

本发明的目的，是提供一种具有锡锅搅拌装置的液态金属冷却定向凝固设备，能加快液态金属锡的换热，使液态金属锡温度均匀，并解决了液态金属锡的溢流问题。

采用的技术方案是：

一种具有锡锅搅拌装置的液态金属冷却定向凝固设备，包括铸型加热保温炉、陶瓷铸型、激冷托盘、抽拉托架、浮动隔热挡板、不锈钢容器、第一搅拌装置、第二搅拌装置和搅拌装置驱动机构。