[发明专利]一种确定定向凝固铸造中铸型摆放角度的方法

说明书

【技术领域】

本发明属于定向凝固制造领域，具体涉及一种确定定向凝固铸造中铸型摆放角度的方法。 

【背景技术】

采用定向凝固铸造工艺可以使定向晶高温合金铸件的晶粒沿热流流失的方向定向排列，这样可以基本消除垂直于应力轴的横向晶界，从而大幅度提高高温合金铸件的性能，如涡轮叶片的力学性能和承温性能。但是在实际生产过程中，所生产的定向晶高温合金铸件时常含有晶体缺陷，例如铸件局部多晶、晶体取向偏移；另外，定向晶高温合金铸件产品的制成分散率极大，即在所有控制条件不变的情况下，并不能保证铸件的成功制造。 

针对定向晶高温合金铸件易出现缺陷且制造制成分散率大这两个不足，国内外做了大量研究，发现影响因素众多。首先是温度梯度的控制，定向凝固过程中，温度梯度大小及方向的控制是决定定向晶高温合金铸件是否能制成的最重要因素。温度梯度越大，对定向晶高温合金铸件越有利，但是限于现有的定向凝固技术，温度梯度的大小仍然在一个有限的范围内，所以，在定向晶高温合金铸件的生长过程中必须要综合其他因素保证定向晶高温合金铸件成功制成。其次是冷却装置的冷却介质、定向凝固炉的情况、高温合金铸件结构形式等都对最终的铸件质量有所影响。不过，在保证了上述控制参数处于合理范围内的情况下，定向凝固铸件仍会出现晶体缺陷和制成分散率极大这两个问题。 

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种确定定向凝固铸造中铸型摆放角度的方法，采用该方法为高温合金铸件的高质量制造提供了必要条件。 

为了实现上述目的，本发明采取如下实现方案： 

一种确定定向凝固铸造中铸型摆放角度的方法，包括以下步骤： 

1）沿平行于高温合金铸件定向晶生长方向选取n个纵向截面； 

2）对选取的n个纵向截面的铸型外壁分别进行散热分析，计算选取的n个纵向截面的铸型外壁的单点辐射角系数，其中，单点辐射角系数表示从铸型外壁任意一点离开的漫分布的辐射能中投射到定向凝固炉冷却装置接收面上的热量与铸型外壁该点总散热量的比值； 

3）调整铸型在定向凝固炉中的摆放角度，分别比较每一个选取的纵向截面正对冷却装置区域的外壁的单点辐射角系数，当每个纵向截面正对冷却装置区域的外壁的单点辐射角系数最大值与最小值差值的平均值最小时，即为铸型在定向凝固炉中的最佳摆放角度。 

本发明进一步改进在于，选取的纵向截面为1～3个。 

本发明进一步改进在于，选取的n个纵向截面的铸型外壁的每一个辐射点的单点辐射角系数其计算公式如下： 

式中，A₁和A₂分别为冷却装置热量接收点面元和任意一个纵向截面铸型外壁热量辐射点面元，r为任意一个纵向截面铸型外壁热量辐射点到冷却装置上热量接收点的距离，即 为冷却装置接收点的法向与的夹角，为任意一个纵向截面铸型外壁辐射点的法向与的夹角。 

本发明进一步改进在于，选取的n个纵向截面的铸型外壁的每一个辐射点的单点辐射角系数其计算公式如下： 

式中，A₁和A₂分别为冷却装置热量接收点面元和任意一个纵向截面铸型外壁热量辐射点面元，r为任意一个纵向截面铸型外壁辐射点到冷却装置上热量接收点的距离，即 为冷却装置接收点的法向与的夹角，为任意一个纵向截面铸型外壁辐射点的法向与的夹角，s为冷却装置热量接收面纵向截面轮廓曲线的长度，x₁和x₂分别为冷却装置热量接收面上边缘点的坐标和下边缘点的坐标，t为冷却装置接收面纵向截面轮廓曲线上面元A₁所处点切线的斜率。 

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果： 

本发明一种确定定向凝固铸造中铸型摆放角度的方法，该方法基于对定向凝固温度场的变化，考量了摆放角度对定向凝固高温合金铸件制成率的影响，得出铸型在定向凝固炉中的摆放角度对高温合金铸件定向晶生长情况的优劣进行预测；通过对铸型摆放角度的选择和优化可以进一步消除定向凝固铸造中高温合金铸件横向截面的周向温度梯度，从而提高了高温合金铸件定向晶组织的质量并降低了高温合金铸件的制成分散率。