[发明专利]一种高温合金的定向凝固装置及其使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及高温合金部件的精密铸造，具体是在高温合金部件的精密铸造所用的一种定向凝固装置及其使用方法。 

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要利用精密铸造加定向凝固的工艺制成柱晶或单晶组织。在真空炉内，高温合金熔化后浇入高温陶瓷模壳中以设定的速度缓慢下降进入冷区，造成陶瓷模壳自下而上的冷却和陶瓷模壳内铸件的定向凝固、形成高温合金的柱晶或单晶组织。但是，由于陶瓷模壳导热性很差，在真空中通过辐射向外散热效率低下，造成其叶片铸件凝固过程中冷却速度和温度梯度不高，影响了产品的质量。特别是重型燃机用的大型叶片由于体积大，散热问题更加严重。 

现在世界上正积极开发新工艺以改善单晶叶片的生长条件。其中最著名的为液态金属浸浴冷却工艺。如图1所示，在加热室A底部设置一个液态金属的熔池，陶瓷模壳3降入池中通过传导散热。但此法附加设备庞大，需耗巨资建新炉，且操作繁琐，要将成吨的锡或铝使用昂贵的加热油11熔化并保温、作为液态冷却剂。由于生产成本很高，效率低下，导致此工艺虽发明几十年但一直难于应用到生产中。 

另一种改善叶片散热的方法是气体冷却法，是向抽拉出炉膛的模壳喷射惰性气体如氩气进行强制冷却。但由于气体会吹入炉膛而使炉温大大降低，反而降低了叶片质量，因而这种方法也未能得到应用。 

冶金企业利用连续铸造工艺生产形状简单的金属线材、板材或管材半成品，或制造低熔点金属（如铜、铝）的单晶或柱状晶金属产品，是结构简单的等截面无铸型产品或半成品的连续铸造。在无铸型的连续铸造时，对连续铸造的产品或半成品进行喷水冷却是必不可少的工序之一，同时，为防止水与炽热的金属接触引起的氧化缺陷、汽膜热阻甚至爆炸危险，也有考虑用其他冷却液如液态金属或熔盐（离子液体）。但是，由于上述产品或半成品一般为普通的黑色金属或有色金属，其加工的精度要求不高、可以有大量的加工余量，喷水冷却直接作用在该产品或半成品的金属表面上，容易与表面发生氧化反应，且工作环境要求不高、一般在空气环境中进行，不适用于本发明的带型壳的高温合金定向凝固工艺的冷却。 

发明内容

本发明的目的在于：提供了一种用于高温合金的定向凝固装置及其使用方法，能简单且有效地解决叶片模壳散热问题，改善单晶叶片的生长条件。 

本发明所采用的技术方案是： 

一种高温合金的定向凝固装置，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，其腔体内设置有升降工作台，升降工作台上放置模壳，高温合金熔体在加热室内浇入模壳、随升降工作台下降进入铸模冷室而定向凝固；所述铸模冷室内设置有喷射冷却装置，包括依次连接的喷嘴、冷却液导管和冷却液盛具，所述加热室底部的出炉口处均匀设置一圈喷嘴、喷嘴的喷出端对应模壳外周面，冷却液导管上设置有喷射泵。

所述铸模冷室内设置有冷却液循环装置，包括冷却液收集盘和回流管，所述冷却液收集盘设置在升降工作台的顶部外周上，冷却液收集盘的底部设置有冷却液回流孔、通过回流管连接冷却液盛具。 

所述喷嘴底部内侧设置有一圈遮板，该遮板呈倒置的伞状、其底部开口对应冷却液收集盘内侧。 

所述喷嘴为雾化喷嘴。 

所述冷却液为液态镓铟锡合金。 

所述模壳为陶瓷模壳。 

所述的高温合金的定向凝固装置的使用方法，具体步骤为： 

安装工作：

1)在现有的定向凝固炉的铸模冷室内、围绕加热室底部的出炉口处均匀设置一圈喷嘴，并将喷嘴通过冷却液导管与冷却液盛具连接，在冷却液导管上设置喷射泵； 

2)把陶瓷模壳放置在升降工作台上，并在升降工作台顶部外周安装冷却液收集盘，并使用回流管将冷却液收集盘底部的冷却液回流孔与冷却液盛具相连；

3)在喷嘴底部内侧设置一圈遮板，所述遮板呈倒置的伞状、其底部开口对应冷却液收集盘内侧；

4)将铟锡液态合金作为冷却液，倒入冷却液盛具内；

定向凝固装置的使用：

5)通过升降工作台将陶瓷模壳升入加热室内；关闭定向凝固炉的炉门、并对加热室和铸模冷室内腔抽真空；

6)开启加热室内的加热器、对陶瓷模壳进行预热，然后将熔化的高温合金熔体浇入陶瓷模壳；

7)通过升降工作台将陶瓷模壳以设定速度的匀速缓慢下降至铸模冷室；

8)当陶瓷模壳进入铸模冷室后，打开喷射泵，使冷却液以雾滴状喷向陶瓷模壳、对陶瓷模壳内部的高温合金熔体进行强制冷却；