一种生产定向凝固铸件用的设备制造技术

本实用新型专利技术提供一种生产定向凝固铸件用的设备，主要包括熔炼室、保温炉、结晶器，熔炼室里有坩埚，坩埚四周是感应加热线圈，坩埚底上有孔，孔用隔片掩盖，保温炉在熔炼室的下面，里面放置铸模，四周有加热体，铸模上方有漏斗，铸模下垫结晶器底盘，结晶器在保温炉下面，装在升降机构上，结晶器和保温炉与真空系统相连接，其特征在于：结晶器是低熔点合金熔池，低熔点合金溶液表面上有隔热层。该设备的优点为：定向凝固中的温度梯度大幅度提高，温度梯度可从传统ＨＲＳ工艺４０～６０Ｋ／ｃｍ提高到１２０～１８０Ｋ／ｃｍ，可以制备最高３５－４０ｃｍ的大尺寸铸件；生产效率明显提高；解决金属在长时间高温下容易与陶瓷铸型发生反应的问题；合金定向凝固组织微观偏析减轻，缩短了合金后续热处理时间，节约成本。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种用于生产定向凝固铸件的设备，尤其涉及一种用于铸造大尺寸定向和单晶铸件(如燃气轮机叶片等)的定向凝固铸造的设备。
技术介绍
定向凝固技术可以生产消除横向晶界(定向柱晶)或完全消除晶界(单晶)的金属铸件，与传统铸造方法得到的铸件比较，这些铸件具有更好的纵向机械性能。燃气轮机、航空发动机的静动叶片就是定向凝固技术应用的一个例子。工业化的定向凝固技术主要是指高速凝固法(HRS)，如图1所示，模壳(3)放置在水冷结晶器(6)上，并在保温炉(2)中通过加热元件(1)加热到金属的熔点以上，在模壳中浇铸熔融的金属后，模壳被从保温炉中沿箭头方向拉下，形成定向凝固铸件。定向凝固铸件质量的一个关键决定因素是定向凝固设备在整个定向凝固过程中能达到的温度梯度，如果整个铸件在较高的温度梯度下定向凝固，生产效率就较高，产品的合格率也较高。为加大温度梯度，一些HRS设备在保温炉底部使用了隔热挡板(4)，在隔热挡板下使用了水冷环(5)，这样使模壳的热量一方面通过热传导向水冷结晶器散失，另一方面通过热辐射向水冷环散失。为得到熔融的合金，一般定向凝固设备都采用感应加热方法，如图1所示，高温合金母合金放置在坩埚(11)中，经感应线圈(12)加热熔化后，通过浇道(13)倾倒入保温炉的模壳中。传统的HRS设备由于隔热挡板无法随铸件形状变化而变化，在模壳(3)和隔热挡板(4)之间不可避免地会留下间隙，这会大大降低定向凝固过程的温度梯度；同样，水冷环的冷却效果也受铸件形状的影响；另外，水冷结晶器(6)在定向凝固过程中向下移动，逐渐远离保温炉，通过水冷结晶器的热传导带走的热量越来越少，一般当铸型高度超过7cm时，模壳的热量主要依靠向真空室壁(7)的辐射来带走，因此随铸件长度的增加，HRS设备能达到的温度梯度逐步降低。定向凝固中凝固速度(大致等于水冷结晶器的拉伸速率)、温度梯度与铸件尺寸的关系如图2所示。图中的等轴晶、缩孔、斑点、小角度晶界等都是定向和单晶铸件中常见的缺陷，显然HRS法生产大叶片时，由于设备所能达到的温度梯度很小，生产中只能采用很低的凝固速度(拉伸速率)，一方面生产效率极低，另一方面已经接近工艺条件的极限(图中灰色椭圆区)，铸件很容易产生缺陷，产品合格率很低。所以，HRS法在生产大尺寸定向和单晶铸件时，成本极高。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种生产定向凝固铸件用的设备，能大幅度提高定向凝固过程中的温度梯度，而且温度梯度在整个定向凝固过程中保持不变，不受铸件尺寸的影响。本技术提供一种生产定向凝固铸件用的设备，主要包括熔炼室(34)、保温炉(37)、结晶器(40)、升降机构(46)、真空系统(50、51)，熔炼室(34)在设备的最上方，熔炼室(34)里有坩埚(32)，坩埚(32)四周是感应加热线圈(31)，坩埚(32)底上有孔(36)，孔(36)用隔片(33)掩盖，保温炉(37)在熔炼室(34)的下面，保温炉(37)里放置铸模(10)，四周有加热体(38)，铸模(10)上方有漏斗(35)，铸模(10)下垫结晶器底盘(58)，结晶器(40)在保温炉(37)下面，结晶器(40)装在升降机构(46)上，以控制升降速度，结晶器(40)和保温炉(37)与真空系统(50)相连接，以保持真空，其特征在于结晶器(40)是低熔点合金熔池，低熔点合金溶液表面上有隔热层(42)。本技术提供的生产定向凝固铸件用的设备，其低熔点合金熔池(40)可以是Sn熔池(40)，备有控温系统(41)，保持在232～380℃之间。本技术提供的生产定向凝固铸件用的设备，其隔热层(42)的形状与铸型形状相适应，其材料是耐高温、热传导系数低、高温下与铸型材料不反应的材料。厚度为0.1～10cm。本技术提供的生产定向凝固铸件用的设备，其低熔点合金熔池(40)里自上伸下搅拌器(44)。本技术提供的生产定向凝固铸件用的设备的优点包括1、定向凝固中的温度梯度大幅度提高，温度梯度可从传统HRS工艺40～60K/cm提高到120～180K/cm。可以制备最高35～40cm的大尺寸铸件，在定向凝固中温度梯度与铸件尺寸无关。2、定向凝固中拉伸速率快，例如7～20mm/min，生产效率明显提高。3、解决金属在长时间高温下容易与陶瓷铸型发生反应的问题。4、合金定向凝固组织微观偏析减轻，缩短了合金后续热处理时间，节约成本。附图说明图1为传统HRS工艺制备定向凝固铸件示意图。图2为定向凝固工艺中温度梯度、拉伸速率与定向凝固铸件尺寸、缺陷关系示意图。图3为本技术结构示意图。具体实施方式实施例1一种生产定向凝固铸件用的设备的结构如图3所示，主要包括熔炼室(34)、保温炉、结晶器、升降机构、真空系统(50、51)。上部是感应熔炼真空室熔炼室(34)，熔炼室(34)里有坩埚(32)，坩埚(32)四周是感应线圈(31)，坩埚(32)底上有孔(36)，孔(36)用隔片(33)掩盖。铸模(10)、铸模保温炉(37)和低熔点金属Sn熔池(40)等安装在熔炼室(34)下方的下部真空室里，与真空泵系统包括机械泵、罗茨泵和增压泵相连。铸模(10)置于保温炉里，四周有加热体(38)，铸模(10)上方有漏斗(35)，铸模(10)下垫底盘(58)。低熔点金属熔池(40)用德国SIEMENS公司控温系统(41)保持在232～380℃之间，合金溶液面上有隔热层(42)；低熔点合金熔池(40)里备有搅拌器(44)。下部真空室外设有铸型的拉伸驱动机构控制结晶器底盘(58)的升降速度。采用低熔点金属Sn液态冷却的方法，使铸型接触低熔点合金后迅速冷却；低熔点合金的温度通过控温机构(41)控制，当大型铸件进入低熔点合金熔池(40)，使低熔点金属熔池(40)温度升高时，可通过控温机构冷却低熔点熔池温度；低熔点金属表面有一层隔热层(42)，当铸型降入低熔点金属熔池(40)时，隔热层(42)保证铸型保温炉的热量不会辐射散失，保证低熔点金属表面不会因热辐射而升高温度；据此1、定向凝固中的温度梯度大幅度提高，温度梯度可从传统HRS工艺40-60K/cm提高到120-180K/cm。可以制备最高35-40cm的大尺寸铸件。温度梯度与铸件尺寸无关。2、拉伸速率快，例如7-20mm/min，生产效率明显提高。3、解决金属在长时间高温下容易与陶瓷铸型发生反应的问题。4、合金定向凝固组织微观偏析减轻，缩短了合金后续热处理时间，节约成本。5、采用低熔点金属Sn液态冷却的方法，可以通过快速淬火(最快5m/s)中断稳态定向凝固，保留高温合金糊状区形貌，从而得到定向凝固中枝晶生长形态、枝晶偏析、固液界面形态等大量信息，对材料科学研究意义重大。实施例2一种生产定向凝固铸件用的设备的结构基本上与实施例1相同，区别在于低熔点合金熔池(40)可以通过滑道(45)拉出或推入真空室，可以将本设备改为传统的HRS设备。本设备也可以将传统HRS设备的水冷结晶器，改为低熔点金属熔池(40)而获得。权利要求1.一种生产定向凝固铸件用的设备，主要包括熔炼室(34)、保温炉(37)、结晶器(40)、升降机构(46)、真空系统(50)，熔炼室(34)在设备的最上方，熔炼室(34)里有坩埚(32)，坩埚(32)四周是感应线圈(31)，坩埚(3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生产定向凝固铸件用的设备，主要包括熔炼室（３４）、保温炉（３７）、结晶器（４０）、升降机构（４６）、真空系统（５０），熔炼室（３４）在设备的最上方，熔炼室（３４）里有坩埚（３２），坩埚（３２）四周是感应线圈（３１），坩埚（３２）底上有孔（３６），孔（３６）用隔片（３３）掩盖，保温炉（３７）在熔炼室（３４）的下面，保温炉（３７）里放置铸模（１０），四周有加热体（３８），铸模（１０）上方有漏斗（３５），铸模（１０）下垫底盘（５８），结晶器（４０）在保温炉（３７）下面，结晶器（４０）装在升降机构（４６）上，结晶器（４０）和保温炉（３７）与真空系统（５０）相连接，其特征在于：结晶器（４０）是低熔点合金熔池，低熔点合金溶液面上有隔热层（４２）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张健，燕冰川，楼琅洪，陈忠政，朱玉红，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：实用新型
国别省市：89[中国|沈阳]