专利名称：一种定向凝固用碳化硅型壳的制作方法
技术领域：
本实用新型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。
背景技术：
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。
发明的技术内容本实用新型的目的是提供一种定向凝固用碳化硅型壳，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。
本实用新型具体提供了一种定向凝固用碳化硅型壳，其特征在于该型壳的壳壁为碳化硅材料并具有层状结构。
本实用新型定向凝固用碳化硅型壳中，所述碳化硅层内还可以衬有刚玉层。型壳壳壁的总层数为3～30，其中至少有一层为碳化硅层；每层厚0.5～1.5mm，总壁厚为3～30mm。并且壳壁由内及外逐层增厚。层与层之间可以用氧化硅、刚玉、碳化硅砂之一种或多种粘接。
本实用新型定向凝固用碳化硅型壳分为全壳和半壳碳化硅，是以硅溶胶浆为粘接剂，全壳碳化硅型壳是从里至外逐层撒的相应粒度的碳化硅砂，半壳碳化硅型壳是仅在最外面几层撒以相应的碳化硅砂；然后，放入加热炉内加热到950～1600℃，保温30～60分钟，取出制成的，成品型壳因此而具有层状结构。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。
图1为全壳大尺寸定向凝固用碳化硅型壳的壳壁剖面结构示意；图2为全壳大尺寸定向凝固用碳化硅型壳及定向结晶叶片照片；图3为半壳大尺寸定向凝固用碳化硅型壳的壳壁剖面结构示意；图4为半壳大尺寸定向凝固用碳化硅型壳及定向结晶叶片照片。
具体实施方式
实施例1硅溶胶与刚玉粉混合搅拌，直至黏度达到30秒(用中国标准流杯测量黏度)，制成浆料。在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；放入加热炉内升温到950～1050℃保温30分钟，获得12层结构的全碳化硅层(1)的碳化硅型壳，剖面结构见图1，外型见图2。用该型壳定向凝固DZM41合金叶片照片见图2，其金相组织一次枝晶细，二次枝晶短，碳化物细，碳化物共晶少。
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，第六层后仍然用碳化硅砂，最终获得12层结构的半碳化硅层(1)半刚玉层(2)的碳化硅型壳，剖面结构见图3，外型见图4。用该型壳定向凝固DZM41合金叶片照片见图4，其金相组织一次枝晶细，二次枝晶长，碳化物小，碳化物共晶稍多。
权利要求1.一种定向凝固用碳化硅型壳，其特征在于该型壳的壳壁为碳化硅材料并具有层状结构。
2.按照权利要求1所述定向凝固用碳化硅型壳，其特征在于所述碳化硅层内衬刚玉层。
3.按照权利要求1或2所述定向凝固用碳化硅型壳，其特征在于所述型壳壳壁的总层数为3～30，其中至少有一层为碳化硅层；每层厚0.5～1.5mm，总壁厚为3～30mm。
4.按照权利要求3所述定向凝固用碳化硅型壳，其特征在于所述型壳壳壁由内及外逐层增厚。
5.按照权利要求1或2所述定向凝固用碳化硅型壳，其特征在于所述层与层之间用氧化硅、刚玉、碳化硅砂之一种或多种粘接。
专利摘要一种定向凝固用碳化硅型壳，其特征在于该型壳的壳壁为碳化硅材料并具有层状结构，所述碳化硅层内还可以衬有刚玉层。本实用新型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。
文档编号B22C1/00GK2629875SQ0321179
公开日2004年8月4日 申请日期2003年3月10日 优先权日2003年3月10日
发明者楼琅洪, 宁国山, 赵惠田, 李英敖, 文怡 申请人:中国科学院金属研究所