[发明专利]超重力定向凝固熔铸炉装置

说明书

本发明公开了一种超重力定向凝固熔铸炉装置。包括超重力试验舱和安装在超重力试验舱中的高温加热子系统和坩埚及气冷系统，超重力试验舱安装接线电极和冷却气体阀装置，高温加热子系统固定于超重力试验舱，坩埚及气冷系统置于高温加热子系统；高温加热子系统包括上中下炉体、莫来石保温层、上下加热腔外体、上下加热炉管、坩埚支撑座，高温加热腔体分为上下部分，内部有螺旋状凹槽并装有发热体；坩埚支撑座内部有冷却气体通入的通气管道；坩埚及气冷系统包括进排气管、冷却底座、冷速调节环、坩埚和排气盖。本发明用于在超重力环境，解决了高速旋转状态下定向凝固温度梯度熔铸的关键难题，填补了国内技术行业的空白，且装备简单、操作方便。

技术领域

本发明涉及材料制备、定向凝固技术领域的一种超重力材料试验装置，尤其涉及一种超 重力定向凝固熔铸炉装置。

背景技术

随着现代航空发动机推重比增加和涡轮级数减少，涡轮前燃气进口温度从上世纪70年代 的1400-1500K发展到本世纪初的1600-1750K，推重比12-15发动机涡轮前燃气进口温度将 高达2000-2200K，这对发动机核心热端部件提出了更高的性能要求。高压涡轮工作叶片作为 热端部件关键组成部分之一，服役时长期工作在高温、高压、高转速、交变负载等耦合加载 条件下。

高压涡轮工作叶片作为航空发动机和燃气轮机热端部件关键组成部分之一，服役时长期 工作在高温、高压、高转速、交变负载等耦合加载条件下，是发动机中工作条件最恶劣的转 动部件，其使用可靠性直接影响整机性能。在高温合金的发展过程中，工艺对高温合金的发 展起着很大的推动作用。通常为了提高高温合金的综合力学性能，采用两种途径：其一是加 入大量合金化元素，通过合理的热处理工艺使之产生固溶强化、沉淀强化及晶界强化等，从 而保证高温合金具有从室温到高温的良好强度、表明稳定性和较好的塑性；其二是从凝固工 艺入手，采用定向凝固工艺，制备晶界平行于主应力轴从而消除有害横向晶界的柱状晶高温 合金或制备消除所有晶界的单晶高温合金。

定向及单晶叶片由于消除横向晶界或完全消除晶界，晶体沿[001]特定方向生长，提高初 熔温度及固溶处理窗口温度，增加γ数量并细化，大幅度提高了性能，提高使用温度。目前， 几乎所有先进航空发动机均采用单晶高温合金。工业上广泛应用的快速凝固法制备单晶合金， 其温度梯度只能达到100K/cm左右，凝固速率很低，导致凝固组织粗大，偏析严重，致使材 料的性能千里没有得到充分发挥。微重力下的晶体生长，由于重力加速度减小而有效的抑制 了重力造成的无规则热质对流，从而获得溶质分布高度均匀的晶体，但由于成本太高，无法 工业化。

单晶合金可以通过在超重力环境下进行制备，但现有技术缺少了了超重力环境下实现定 向凝固的温度梯度控制系统，缺少了超重力环境下实现定向凝固熔铸系统。

发明内容

本发明需要解决的是针对上述超重力、高温试验条件下材料难以定向凝固熔铸的问题， 高转速-高温耦合环境下材料定向凝固熔铸炉，提供一种装配简单、使用方便、安全系数高， 且可用于超重力工况的定向温度梯度凝固，使得超重力下制备单晶合金具有了可能。

超重力下装置的试验过程必须满足抗高温条件、特殊气氛环境、高G值、冷却气体降温 等要求，是确保该装置安全稳定运行的关键技术。

本发明未来实现上述要求和目的，采用的技术方案是：

本发明的定向凝固熔铸系统包括超重力试验舱和安装在超重力试验舱中的高温加热子系 统和坩埚及气冷系统，高温加热子系统固定于超重力试验舱底部，坩埚及气冷系统置于高温 加热子系统中。