[发明专利]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

说明书

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；