异型筒状大型薄壁件的连续定向凝固精密铸造工艺及设备制造技术

本发明专利技术涉及一种异形筒状大型薄壁件的连续定向凝固精密铸造工艺及设备，其工艺特点在于在铸件的外表面采用了连续定向凝固或电磁结晶器连续铸造的工艺方法，而在铸件的内表面采用了定向凝固精密铸造的工艺方法。用薄壳陶瓷型芯形成了铸件的内表面。在设备方面的点是：在薄壳陶瓷型芯内设置了加热、隔热（辐射挡板），冷却装置，和定向凝固精密铸造的工艺装置是基本相同的，不同的是本发明专利技术将这一套装置应用于芯内，而且采用了能旋转的加热及冷却装置以便使大型薄壁件圆周及内外表面在同一水平面内温度均匀一致。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术提供一种异型筒状大型薄壁件的连续定向凝固精密铸造工艺及设备，尤其适用于制作导弹舱体。导弹外壳亦称导弹舱体，是细而长的筒形部件，一般战术导弹直径约为300mm～1000mm，长达7～8米。为了安装及制作方便常将之分解为若干舱段，有些舱段是用高强度铝合金铸造的，一般舱段长800mm(最大的达3000mm)，厚2～3mm，外表面为圆柱面，内表面有横竖加强筋及凸台棋子等，其高度可能超过一般壁厚的几倍或几十倍。此外导弹舱体作为航天器的主体要承受气流施加的外力、惯性力、尾喷管的推力等等，因而要求它必须具有很高的机械性能及冶金质量，每个舱段都要经过X光透视检查。对裂纹、缩松、气孔、夹杂等铸造缺陷限制非常严格。因此导弹舱的铸造是十分困难的，一般的铸造方法是不能胜任的。国内外均采用差压铸造法生产之，虽然此法是公认的生产大型薄壁件有效的工艺，但从多年的生产效果及进一步提高产品质量角度来看，尚存在一些不足之处①填充性不足。其所铸的舱段，当长度为800mm时，其厚度为8mm，远远未能满足铸造更长更薄舱段的要求。②补缩性不足。经常出现缩松缺陷，废品率达50％。目前国外有一种先进的战术导弹其最长的舱段长3000mm，厚度2.5mm。这样又长又薄的舱段尚没有找到有效的铸造生产工艺。自从Chalmers于1952年首先采用定向凝固研究平面及胞状凝固以来，定向凝固技术得到迅速发展，从60～70年代开始定向凝固精密铸造为提高航空燃气涡轮发动机叶片的生产和性能作出过巨大贡献。有人称涡轮叶片的80年代是定向凝固叶片的年代，90年代则是单晶叶片的年代。众所周知，定向凝固的最基本条件就是使固—液界面上液体保持足够的温度梯度GL，20余年来有关定向凝固技术的重大改进基本上都是围绕上述课题进行的，见文献、、、。其中较突出的工艺方法为①高速凝固法(简称为H、R、S法)，其要点是把精铸模壳固定在水冷铜底座(亦称结晶器)上，升入加热保温炉中，使铜底座和幅射挡板在同一高度，下面为冷却装置。工作时先把上面的加热保温炉加热到预定温度、浇铸铸件、向铜底座喷冷却水、然后把铜底座下降，使高温(金属熔点以上的)模壳逐渐下降到冷却区。②液态金属冷却法(L、M、C法)，与上法的区别主要在下方的冷却区改为一池液态金属锡，当铸件浇铸后，把铜底座(或称结晶器)及模壳以一定速度降入锡池中，这样可以进一步提高温度梯度GL。尽管定向凝固技术在研制叶片上作出了巨大的贡献，但其冷却方式是通过铜底座及在模壳中的铸件本身向下散热，以及通过模壳向外散热，这些散热途径都是比较慢的，这就决定了其生产率及铸件尺寸受到一定限制，至今所生产的叶片长度只有100多mm，以及其它小型铸件。Kerr、M.C.flemings及大野笃美等著名学者发展了这一技术，提出了连续定向凝固技术、，其已凝固金属部分完全裸露在大气或冷却介质中(不在模壳中)，这就极大的提高了冷却速度，生产出了无限长的各种小截面型材(直径10mm左右)，但是用它来生产异型铸件就不可能。现在此法成为生产小截面高品位型材的有效途径。可见现在定向凝固及连续定向凝固尚处在理论研究、生产小型铸件及小截面型材阶段，用其理论解决大型铸件的生产及质量问题的工作尚未有所见。此外，电磁结晶器连续铸造法已于1969年在当年的苏联正式投入生产，美国于八年后也投入生产。见、、、。该工艺具有诸多优越性，已为世界各国所公认，其主要特点是，未凝固以前铸件已成型，不与任何固体物质接触仅在电磁力及表面张力作用下形成光洁的表面，待其凝固后表面光洁度可达6。本专利技术所谓异型筒状大型薄壁件系指航天航空所用大型筒状舱体及壁板，最典型的产品就是导弹舱段，它是直径为300～1000mm，内、外表面均为园柱面，但内表面上分布有不同的横竖加强筋、园台棋子等，厚度为2.5mm、长度800～3000mm。对待这样的铸件，航天与航空工业应用很广，目前尚无理想的铸造方法。定向凝固或连续定向凝固或电磁结晶器连续铸造均不能完成这一使命。但是三者产品的高质量，也即是高密度(来源于高补缩性能)，以及三者的高填充性能(文献说能铸出Φ0.5mm的小棍)则是本专利技术提出的依据。本专利技术的目的是把三者的特点结合起来，提出一种适用于制作又长又薄的导弹舱体的连续定向凝固精密铸造工艺及设备，以提高航天器的质量。本专利技术的具体作法是在铸件的外表面(外园柱面)采用连续定向凝固的成型、加热及冷却方式，例如其园柱状外表面由结晶器(7)成型。在结晶器(7)之上，铝合金液(11)用加热体(12)加热，在结晶器(7)之下，铸件之外表面用外旋转冷却器(6)冷却之。而其内表面为内园柱面，其上分布有横竖加强筋及凸台棋子等，采用定向凝固精密铸造、的成型、加热、冷却方式采用薄壳陶瓷型芯(21)成型、在液固界面(34)附近设置了幅射挡板(32)，在其上设置了内旋转加热炉(20)，在其下设置了内冷却器(2)。薄壳陶瓷型芯(21)通过耐热钢制的芯头(33)装配在引出底座(1)上，再以内六角埋头螺钉锁紧，在两者周围再装配上引出导管(3)，以螺钉锁紧之。工作开始之前，引出底座(1)带动薄壳陶瓷型芯(21)及引出导管(3)，由下而上进入结晶器(7)中，停止在使引出导管(3)之顶端进入结晶器(7)下口内20mm处。一般的连续定向凝固法，研究的课题是Φ10mm左右小棒材，从石墨结晶器中拉制出来，得到一个优质产品，控制因素也比较少①液体金属温度、②石墨结晶器温度、③冷却介质量及种类、④冷却介质与结晶器矩离。本专利技术比上法复杂的多，其特殊性在于①产品是异型筒状大型薄壁件，其截面虽然很小但铸件尺寸却很大(可达3000mm长，直径Φ可达1000mm)。因而在同一水平截面上沿园周方向有可能产生温度分布不均匀的现象，而导致工艺失败。为了解决这一问题，本专利技术采用了旋转的加热及冷却装置，例如采用了内旋转加热炉(20)及外旋转冷却器(6)以及内冷却器(2)。②薄壳陶瓷型芯(21)必须和铸件同时运动，同时静止，即保持相对静止，否则就铸不出内表面带有横竖加强筋和园台棋子等的导弹舱段，故称之为“随动型芯”。③作为“随动型芯”的薄壳陶瓷型芯(21)对铸件的温度场影响很大，因而其热物理性质(如导热性、加热冷却时的稳定性)是很重要的。一般涡轮发动机叶片定向凝固精密铸造均用陶瓷模壳(是由硅酸乙酯水解液与铝钒土粉配制成桨料与铝钒土颗粒骨料制成的)，属于绝热材料，与铝合金的导热性相差很远。本专利技术则要求更大的导热性，为此配制薄壳陶瓷型芯(21)的浆料时，除硅酸乙酯水解液及铝钒土粉外增加了石墨粉，在骨料中除铝钒土颗粒外，还增加了石墨颗粒或金属网片段等。④本专利技术对产品的内外表面有不同的加工处理方式对其外表面采用连续定向凝固法(例如O、C、C法)或电磁结晶器连续铸造法的加热、成型、冷却方式。而对其内表面则采用定向凝固精密铸造法的加热、成型、冷却方式。但是这两种工艺都有一定的液固界面位置，例如定向凝固法的液固界面位置在幅射挡板附近，而连续定向凝固法的液固界面在结晶器下出口处，因此在本设备安装时应保证薄壳陶瓷型芯(21)内的幅射挡板(32)应与结晶器(7)的下出口处于同一水平高度。此外这两种工艺的冷却方式有很大差别外表面直接接触冷却介质，而其内表面被薄壳陶瓷型芯(21)所包围，冷却介质是喷本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种异型筒状大型薄壁件连续定向凝固精密铸造工艺如下：首先把加热体（１２）、加热体（１８）、结晶器加热炉（９）以及型芯内加热炉送电加热，使加热保温炉各处均达到予定的温度，把精炼好的液体金属浇铸到坩锅（１０）中，进入由结晶器（７）、型芯、引出导管（３）的顶端三者所组成的型腔中，此时开动冷却装置，使引出导管（１）及型腔中的液体铝合金底部被冷却，在引出导管（１）之顶端凝固了一层铝合金、热电偶所测得毫伏数达到一定数值后，开动引出底座（１）牵引引出导管（３）及铸件底端（５）逐渐由结晶器（７）中引出，被进一步冷却，其特征是：在铸件之外表面采用连续定向凝固法或电磁结晶器连续铸造法的成型、加热、冷却方式，而在其内表面采用定向凝固精密铸造法的成型、加热、冷却方式。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李忠炎，
申请(专利权)人：李忠炎，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]