一种碳化硅型壳的制备及在定向凝固中的应用制造技术

一种碳化硅型壳，其特征在于：该型壳主要成分为碳化硅，型壳的壳壁具有层状结构，在碳化硅层内还可以衬有刚玉层。型壳壳壁由内及外可以是逐层增厚。本发明专利技术具有足够的强度和良好的导热性，并且成本较低，特别适于铸造大尺寸的定向凝固结晶件。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及金属的铸造技术，特别提供了一种用于合金定向凝固的碳化硅型壳。
技术介绍
能源是国民经济建设的动力，工业用高性能燃气轮机是目前洁净的能源动力系统之一，燃气轮机叶轮制造技术主要源引航空发动机叶片的制造技术。因此，先进的高温合金定向凝固技术也被用来研制工业燃气轮机叶片。叶片的定向凝固是指在铸造过程中控制热流方向，使结晶沿着平行叶片主应力轴方向生长，形成定向生长的柱晶组织的铸造技术。由于定向凝固结晶组织的叶片消除了横向晶界，因而其性能和使用寿命均得到大幅度提高。定向凝固通常是在真空感应炉中进行的，定向凝固过程是通过散热来控制热流以达到定向结晶的目的的。定向凝固过程的散热可分为三个阶段启始阶段，在定向凝固的启始阶段，热量主要通过水冷结晶器的底盘散出，铸件通过热传导与结晶器进行热交换。此阶段以热传导为主，以铸型的热辐射为辅。所以定向凝固的最初阶段是以热传导为主的阶段。中间阶段，随着定向凝固时间的延长，铸件的凝固部分增长，定向结晶凝固区的液固界面距结晶器越来越远，结晶器冷却能力的影响逐渐减弱，热传导方式散热也不断变小，而铸型的热辐射散热的影响逐渐增强。当铸件凝固达到中部时，此时结晶器的热传导和铸型的热辐射散热共同发挥作用维持铸件定向凝固继续进行。所以定向凝固的中间阶段是以热传导和热辐射共同发挥作用的。最后阶段，当铸件的定向凝固到最后阶段，此时的散热与最初阶段颠倒过来了，它是以铸型的热辐射散热为主，结晶器的热传导散热为辅。因此，铸件定向凝固的最后阶段是以热辐射为主的阶段。定向凝固的三个阶段的散热方式不同，散热能力不同，柱晶的生长状况也不同。基本上是前阶段细，后阶段粗。对于航空发动机的小尺寸叶片，定向凝固的散热方式处于启始阶段和中间阶段的前期，铸型的散热能力对定向凝固的影响还不是特别突出，现有的刚玉材质的铸型还是可行的。但是，对于工业用高性能燃气轮机的大尺寸长叶片，为了保证其定向结晶的稳定性和效率，铸型散热能力的提高就显得尤为重要。进一步地，定向凝固的技术关健是控制凝固区液相中的温度梯度。温度梯度越大，柱晶生长的越挺直、越致密。为了保证定向凝固的质量和效率，一般都设法提高定向凝固的温度梯度。提高温度梯度通常办法是提高铸型加热器的加热温度，提高合金的浇注温度和提高结晶器的导热能力等。先进的定向凝固技术是采用液态金属冷却法。即将铸型与结晶器拉出加热器以后直接浸入低熔点、高沸点液态金属中，利用金属的热容量使凝固区激冷，使液相的温度梯度大幅度提高。上述提高温度梯度的方法都得要通过铸型的吸热和散热来实现。因此，在同样条件下，提高铸型的导热性对于提高凝固区液相的温度梯度起着重要的作用。这是因为，铸型的导热性强，可以缩小凝固区的范围，有利于提高温度梯度；同时铸型导热性强有助于加强已凝固铸件的热传导，也有利于提高温度梯度。另外，提高铸型的导热性，有利于提高定向凝固的温度梯度，也有利于柱晶生长。这是因为柱晶由枝晶构成，枝晶生长需要局部过冷，过冷度越大，枝晶越细，力学性能越好，而局部过冷是由冷却速率造成的，冷却速率是与铸型的散热能力直接相关的。由此可见，提高铸型的导热性是提高叶片定向结晶质量和效率的重要措施。专利技术的
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种碳化硅型壳，其具有足够的强度和良好的导热性，并且成本较低，特别适于铸造大尺寸的定向凝固结晶件。本专利技术提供了一种碳化硅型壳，其特征在于该型壳主要成分为碳化硅。本专利技术碳化硅型壳的壳壁可以具有层状结构，碳化硅层内还可以衬有刚玉层。壳层由内及外最好是逐渐增厚的。本专利技术碳化硅型壳，是由碳化硅砂和/或刚玉粉与硅溶胶浆料交替涂挂，再经950～1600℃保温20～60分钟，烧制而成。上述碳化硅型壳的制备方法中，其特征在于所述硅溶胶浆料含有刚玉和/或碳化硅粉，黏度为27～37秒(中国标准流杯)。本专利技术碳化硅型壳特别适用于高温合金工件的定向凝固。由于碳化硅是一种黑色晶体，具有较高的热辐射率，并且同时具有较高的耐火度，较低的膨胀系数和较稳定的化学性质等特性，因此，所制备出的碳化硅型壳具有足够的强度和良好的导热性，适于铸造大尺寸的定向结晶件，另外由于碳化硅来源广泛，因而成本低廉。附图说明图1为单根试棒碳化硅型壳的降温曲线；图2为多根试棒碳化硅型壳的降温曲线；图3为多根试棒碳化硅型壳使用后照片；图4为全壳型碳化硅型壳拉制的试棒金相组织照片；图5为半壳型碳化型壳拉制的试棒金相组织照片；图6为刚玉型型壳拉制的试棒金相组织照片；图7为全壳型碳化硅型壳拉制的定向结晶叶片照片；图8为半壳型碳化硅型壳拉制的定向结晶叶片照片。具体实施例方式实施例1硅溶胶与刚玉粉混合搅拌，直至黏度达到30秒(中国标准流杯)，制成浆料。分别在单根试棒、多根试棒、工业燃气轮机叶片的蜡型(300mm长)上涂挂浆料，撒一层60～80#碳化硅粉，反复3次；涂挂浆料，撒36#碳化硅粉，反复3次；涂挂浆料，撒24#碳化硅粉，反复6次；型壳脱蜡后，放入加热炉内升温到950～1050℃保温40分钟，分别获得12层结构的单根试棒、多根试棒、工业燃气轮机叶片全壳型碳化硅型壳。实施例2与实施例1不同之在于，先用刚玉粉替代碳化硅砂，在第六层后仍然用碳化硅砂，分别获得12层结构的单根试棒、多根试棒、工业燃气轮机时片半壳型碳化硅型壳。实施例3将单根试棒、多根试棒的全壳型碳化硅型壳和半壳型碳化硅型壳及对比的刚玉型壳分别放入冷却箱中，通过用热电偶测其降温过程，对散热能力进行测定。结果见图1和图2。可见，无论是单根试棒型壳，还是多根试棒的组合型壳；无论是从1300℃，还是1600℃培烧后测量其降温过程都表现出同样的降温趋势，即碳化硅型壳的降温速率大于刚玉型壳。而全碳化硅型壳的降温速率又优于半碳化硅型壳。实施例4用M41铸造高温合金，分别用多根试棒的三种型壳在定向结晶炉中，按合金的重熔和定向结晶工艺，以7mm/分的拉速进行了定向结晶试验。结果均成功地拉制出定向结晶试棒，拉制后多根试棒碳化硅型壳使用后照片见图3，表明该型壳不仅有适当的强度能够承受定向凝固过程的高温强度，而且还有良好的退让性。这样就可以避免大叶片在定向结晶过程中产生热裂。试棒经腐蚀后检查其柱晶生长情况，其结果是，用碳化硅型壳拉制出试棒的定向柱晶较刚玉型壳的定向柱晶且直，断晶也少。全壳碳化硅型壳拉制的试棒结晶情况又优于半壳碳化硅型壳。图4、5、6示出三种型壳拉出的三种试棒的定向结晶情况。三种型壳的定向结晶试棒的持久性能和其金相组织总结如下表。三种型壳试棒的高温持久与金相组织 实施例5 叶片结构复杂，转角多且尖锐；大尺寸叶片个头大，分量重，凝固时间长，对于型壳的高温强度要求极高，用M11铸造高温合金，在定向结晶炉中，按刚玉型壳大叶片的重熔和定向结晶工艺，以7mm/分拉速分别用实施例1和2的全壳和半壳碳化硅型进行了定向结晶试验。图7和8分别为用全壳形和半壳型碳化硅型壳拉制出的定向结晶叶片腐蚀后的结晶情况。由图可以看出全壳和半壳碳化硅型壳都满足大叶片定向结晶型壳高温强度的要求。而且其柱晶生长细而平直，效果非常令人满意。权利要求1.一种碳化硅型壳，其特征在于该型壳主要成分为碳化硅。2.按照权利要求1所述碳化硅型壳，其特征在于该型壳的壳壁具有层状结构。3.按照权利要求2所述碳化硅型壳，其特征在于所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳化硅型壳，其特征在于：该型壳主要成分为碳化硅。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：楼琅洪，宁国山，赵惠田，李英敖，文怡，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：89[中国|沈阳]