[发明专利]优化单晶叶片定向凝固温度场分布的引晶装置及其应用

说明书

本发明涉及一种优化单晶叶片定向凝固温度场分布的引晶装置，包括环形激冷盘，设于陶瓷模壳的底部；激冷盘抽拉环，连接于所述环形激冷盘，并与外部的激冷盘移动机构相连接，实现所述环形激冷盘的独立移动；冷却器，能够上下移动的设于所述环形激冷盘的上部；冷却器抽拉杆，连接于所述冷却器，套设于所述激冷盘抽拉环内，并与外部的冷却器移动机构相连接，实现所述冷却器相对于所述陶瓷模壳在其内进行独立移动。本装置利用真空辐射散热带走叶身“阴面”的热量并提高冷却速度，从而对叶片定向凝固过程中的整体温度场进行优化。

技术领域

本发明属于单晶高温合金制备领域，具体涉及一种优化单晶叶片定向凝固温度场分布的引晶装置及其应用。

背景技术

高压涡轮叶片是航空发动机的核心热端部件，其承温能力是一款发动机先进程度的重要指标。随着现代航空工业的快速发展，对高压涡轮叶片的高温性能要求越来越高。已有的研究表明：定向凝固、气膜冷却和热障涂层是提高高压涡轮叶片高温性能的主要方式。在定向凝固制备过程中，高温合金熔体被浇入加热的陶瓷模壳，然后随着模壳一起从加热炉中拉出来。在此过程中，热量通过底部的激冷盘和模壳侧部不断散失，使得高温合金熔体获得一个正的温度梯度，铸件从底部到顶部顺序凝固，最终获得铸造单晶叶片。

目前，工业生产中所采用的单晶炉、模壳加热炉和激冷板分别采用筒形和圆形结构，与之对应，叶片陶瓷模壳组也采用圆形的结构，叶片在陶瓷模壳组底板上呈环形均匀分布。这种布置方式使得叶片叶身两侧的冷却条件严重不对称，叶身面向冷却环的一侧(阳面)冷却速度较快，背向冷却环的一侧(阴面)冷却速度较慢，从而破坏了高温合金熔体内的温度场均匀性，恶化了固—液两相区的稳定性，增大了铸造叶片中杂晶、雀斑等缺陷的出现概率严重地影响了铸造单晶叶片的质量。

为了改善单晶叶片定向凝固过程中的温度场分布，专利CN 102166643 A在制备单晶叶片陶瓷模壳的过程中，将U型的陶瓷纤维保温块预置在叶片缘板边缘处的模壳中，利用耐高温陶瓷纤维保温块导热率比较低的特性，该方法能够合理降低叶片缘板边缘处的冷却速度和过冷度。

与之类似的，专利CN101537484 A将石墨或者SiC导热块植入到模壳容易出现热障的部位，利用导热块增强叶身与缘板交界处的冷却速度。虽然该类方法可以在一定程度上改善单晶叶片定向凝固的温度场，但是该方法作用面积有限，且大大增加了陶瓷模壳组制备工艺的复杂性，因此，该方法并没有在工业生产中得到应用。

专利CN110170636 A发明了一种可以改善单晶叶片凝固条件的铸造设备，该设备采用矩形的加热器和冷却器，相应的，叶片型壳直列式地分布在冷却器上，该种方法使每个叶片两侧在加热器中都能以最近的距离直接面对加热器和冷却器，受到同等的加热条件和散热条件，达到改善凝固条件、提高温度梯度、减少铸造缺陷，提高单晶叶片的良品率和质量。然而，如果采用该方法，生产单位不仅需要重新购置新的单晶炉，还需要对陶瓷模壳的生产线和制作工艺做出巨大的调整，因此，该方法短期实现的难度很大。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有单晶叶片铸造过程因温度场得不到较好控制导致单晶叶片存在杂晶、雀斑等铸造缺陷的问题，而提供一种优化单晶叶片定向凝固温度场分布的引晶装置及其应用。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种优化单晶叶片定向凝固温度场分布的引晶装置，包括：

环形激冷盘，设于陶瓷模壳的底部；

激冷盘抽拉环，连接于所述环形激冷盘，并与外部的激冷盘移动机构相连接，实现所述环形激冷盘的独立移动；

冷却器，能够上下移动的设于所述环形激冷盘的上部；

冷却器抽拉杆，连接于所述冷却器，套设于所述激冷盘抽拉环内，并与外部的冷却器移动机构相连接，实现所述冷却器相对于所述陶瓷模壳在其内进行独立移动。