专利名称：一种新型定向凝固铸造方法
技术领域：
本发明涉及定向凝固技术，具体是一种液态金属冷却定向凝固铸造技术。
背景技术：
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3所示，模壳3放置在水冷结晶器6上，并在保温炉2中通过加热原件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3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。图4是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。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。
发明内容
本发明目的是提供一种新型定向凝固铸造方法，具体是一种液态金属冷却定向凝固铸造方法，使铸件的温度梯度更高及拉伸速率更大。
本发明提供一种新型定向凝固铸造方法，即将熔化的合金浇铸到在保温炉中预热的铸型中，铸型放置在结晶器上，铸型以一定的速度逐渐拉出保温炉，其特征在于所述放置在结晶器上的铸型被以一定的速度拉入低熔点液态金属熔池。
本发明提供的新型定向凝固铸造方法中，其低熔点液态金属熔池可以是Sn熔池，Sn液的温度为232～380℃。
本发明提供的新型定向凝固铸造方法中，其Sn液表面可以使用动态隔热层，动态隔热层的材料是耐高温、热传导系数低、密度低于液态Sn、高温下与铸型材料不反应、与Sn不浸润的材料。
本发明提供的新型定向凝固铸造方法中，其动态隔热层的材料可以是Al2O3、SiO2、SiC或MgAl2O4等。
本发明提供的新型定向凝固铸造方法，其动态隔热层的厚度可以为0.1～10cm。
本发明提供的新型定向凝固铸造方法中，当合金浇铸温度在1450～1800℃时，铸型保温炉温度为1450-1800℃，拉伸速率在1mm/min～25mm/min。
本发明提供的新型定向凝固铸造方法具有如下优点可以通过优化的工艺参数得到理想的大尺寸定向凝固和单晶材料，与传统使用水冷结晶器定向凝固工艺比较，生产效率显著提高，材料的宏观组织在整个长度范围内均匀，微观组织偏析小。
图1为采用本发明定向凝固25×8×2cm铸件，得到的铸件顶端定向结晶组织；图2为传统水冷结晶器工艺相同铸件，相同部位得到的定向结晶组织；图3为传统HRS工艺制备定向凝固铸件示意图；图4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。
具体实施例方式
实施例1 DZ125L定向合金制备20×80×250mm的板状铸件。
铸型预先放置在拉伸系统的不锈钢底盘上，不锈钢底盘的下半部分浸入熔融的Sn液中，Sn液温度235℃。使用AlMg2O4作为动态隔热层材料，动态隔热层厚度2cm。
模壳温度保持在1450℃，DZ125L合金锭熔化后，浇入板状铸型中，静置1分钟，(浇铸温度1500℃)。铸型随不锈钢底盘以17mm/min的速度向下拉入Sn液中，实现定向凝固。
权利要求
1.一种新型定向凝固铸造方法，即将熔化的合金浇铸到在保温炉中预热的铸型中，铸型放置在结晶器上，铸型以一定的速度逐渐拉出保温炉，其特征在于所述放置在结晶器上的铸型以一定的速度逐渐拉入低熔点液态金属熔池。
2.按照权利要求1所述的新型定向凝固铸造方法，其特征在于所述低熔点液态金属熔池是Sn熔池，Sn液的温度为232～380℃。
3.按照权利要求2所述的新型定向凝固铸造方法，其特征在于在所述Sn液表面使用动态隔热层，动态隔热层的材料是耐高温、热传导系数低、密度低于液态Sn、高温下与铸型材料不反应、与Sn不浸润的材料。
4.按照权利要求3所述的新型定向凝固铸造方法，其特征在于所述动态隔热层的材料是Al2O3、SiO2、SiC或MgAl2O4。
5.按照权利要求1～4之一所述的新型定向凝固铸造方法，其特征在于所述动态隔热层的厚度为0.1～10cm。
6.按照权利要求1～4之一所述的新型定向凝固铸造方法，其特征在于当合金浇铸温度在1450～1800℃时，拉伸速率在1mm/min～25mm/min。
7.按照权利要求5所述的新型定向凝固铸造方法，其特征在于当合金浇铸温度在1450～1800℃时，铸型保温炉温度为1450-1800℃，拉伸速率在1mm/min～20mm/min。
全文摘要
本发明提供一种新型定向凝固铸造方法，即将熔化的合金浇铸到在保温炉中预热的铸型中，铸型放置在结晶器上，铸型以一定的速度逐渐拉出保温炉，其特征在于所述放置在结晶器上的铸型以一定的速度拉入低熔点液态金属熔池。本发明提供的新型定向凝固铸造方法具有如下优点可以通过优化的工艺参数得到理想的大尺寸定向凝固和单晶材料，与传统使用水冷结晶器定向凝固工艺比较，生产效率显著提高，材料的宏观组织在整个长度范围内均匀，微观组织偏析小。
文档编号B22D27/04GK1853827SQ20051004634
公开日2006年11月1日 申请日期2005年4月29日 优先权日2005年4月29日
发明者张健, 燕冰川, 楼琅洪 申请人:中国科学院金属研究所