螺旋选晶器12顶部，最终长满整个型腔;支撑杆 14位于整个烙模组的中屯、，增加模壳的整体结构强度，起到一定的支撑作用。水冷系统包括 水冷环7和水冷板15,均需要通入循环冷却水;水冷环7较低的溫度可W加快铸件系统在该 区域的福射散热，增强对铸件系统的冷却能力；水冷板15对螺旋选晶器12起晶段底部的激 冷作用，可W促进螺旋选晶器12起晶段底部形核面大量形核。
[0017]在本实施例中，参见图1和图2,铸件系统的铸件型腔基体模壳9采用烙模组结构， 至少包括两个竖直的分段变截面的圆柱形铸件型腔，分段变截面的圆柱形铸件型腔的顶部 通过横向的烙体流通通道相互连通，诱注口 13位于烙体流通通道上，对应诱注口 13的烙体 流通通道的底部下沉成为缓冲腔，在缓冲腔的底部和底部水冷板15之间通过固定安装支撑 杆14进行连接和支撑。
[001引在本实施例中，参见图2,固定福射挡板6上方的炉体1的内腔部分为加热区，在在 炉体1内的加热区设有加热器2，加热器2包括上加热单元3、分区挡板4和下加热单元5，上加 热单元3和下加热单元5的中间用分区挡板4隔开，上加热单元巧日热溫度高于下加热单元5 的加热溫度，有效提高了溫度梯度，固定福射挡板6下方为冷却区设有水冷环7。
[0019] 在本实施例中，利用图2的装置进行变截面铸件的定向凝固，试样为不同截面的长 度分别为40mm和60mm的变截面铸件，其变截面尺寸为10mm，加热器溫度为1500°C，水冷环7 和底部水冷板15的初始溫度为25°C，并持续水冷，模壳初始溫度均为1500°C，模壳厚度6mm， 合金烙体初始溫度为1500°C，诱注完成后，保溫一段时间至溫度基本恒定后，W2mm/min的 拉速将铸件系统和底部水冷板15从加热区向冷却区缓慢抽拉，实现自下而上的定向凝固， 所制备的单晶的微观组织实验结果如图3所示。
[0020] 对比例一： 为了突出双层模壳法抑制变截面处杂晶形成的效果，变截面处不加保溫模壳11时，进 行与实施例一同样的定向凝固实验，实验的其他参数与实施例一的设置相同，所制备的单 晶的微观组织实验结果如图3所示。
[0021] 结合实施例一和对比例一的对比可知，如图3所示，在相同的拉速下，对比例一不 加保溫模壳11，在铸件变截面拐角处10有杂晶产生;而再实施例一中设有保溫模壳11后，铸 件变截面拐角处10无杂晶产生。因此，在实施例一中，变截面处加保溫模壳11的双层模壳法 确实能明显抑制变截面处杂晶形成，获得均一的单晶组织。
[0022] 实施例二： 本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于： 在本实施例中，利用实施例一控制变截面处杂晶形成的装置进行变截面铸件的定向凝 固，增大变截面尺寸至15mm，试样为不同截面的长度分别为30mm和60mm的变截面铸件，加热 器溫度为1500°C，水冷环7和底部水冷板15的初始溫度为25°C，并持续水冷，模壳初始溫度 均为1500°C，模壳厚度6mm，合金烙体初始溫度为1500°C，诱注完成后，保溫一段时间至溫度 基本恒定后，W2mm/min的拉速将铸件系统和底部水冷板15从加热区向冷却区缓慢抽拉，实 现自下而上的定向凝固，所制备的单晶的微观组织实验结果如图4所示。
[002引对比例二： 为了突出双层模壳法抑制变截面处杂晶形成的效果，变截面处不加保溫模壳11时，进 行与实施例二同样的定向凝固实验，实验的其他参数与实施例二的设置相同，所制备的单 晶的微观组织实验结果如图4所示。
[0024] 结合实施例二和对比例二的对比可知，如图4所示，在相同的拉速下，对比例二不 加保溫模壳11，在铸件变截面拐角处10有杂晶产生;而再实施例二中设有保溫模壳11后，铸 件变截面拐角处10无杂晶产生。因此，在实施例二中，变截面处加保溫模壳11的双层模壳法 确实能明显抑制变截面处杂晶形成，获得均一的单晶组织。
[0025] 上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可W 根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下 做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的， 只要不背离本发明控制变截面处杂晶形成的方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的 保护犯i围。
【主权项】
1. 一种控制变截面处杂晶形成的方法，其特征在于:设置定向凝固装置，由铸件型腔模 壳形成金属定向凝固工作空间，并使定向凝固工作空间形成竖直的分段变截面的圆柱形铸 件型腔，在铸件型腔的变截面拐角处的铸件型腔模壳部分形成局部双层模壳，局部双层模 壳是由保温模壳和铸件型腔模壳分别作为内外壳层结合形成的复合模壳，利用保温模壳包 围铸件变截面拐角，进而控制铸件在变截面处的径向温度梯度为0.5~1.0°C/mm，同时控制 其加热炉内腔温度为1450~1550°C，采用水冷系统作为对铸件起晶段进行冷却，在定向凝 固装置内的固-液界面处和初生凝固组织中形成设定的过冷度，并控制定向凝固铸坯的拉 速连续可调；将铸件型腔模壳与拉杆固定，然后一起上升进入定向凝固装置的加热炉中设 定位置处，然后向铸件型腔模壳中浇铸金属熔体，浇注完成后，保温至温度基本恒定后，根 据设定抽拉速度及温度梯度，以1~4mm/min的拉速将铸件型腔模壳、初生凝固铸件和水冷 系统一并从加热炉内的加热区向冷却区缓慢抽拉，使在铸件型腔模壳中的金属熔体进行自 下而上的定向凝固形成单晶组织。2. 根据权利要求1所述控制变截面处杂晶形成的方法，其特征在于:在铸件起晶段利用 螺旋选晶器的螺旋段的选择作用，逐渐生长金属单晶凝固组织。3. 根据权利要求2所述控制变截面处杂晶形成的方法，采用控制变截面处杂晶形成的 装置来实施，所述控制变截面处杂晶形成的装置包括炉体(1)和加热器(2)，其特征在于:在 所述加热器(2)下方设有固定辐射挡板(6)，所述固定辐射挡板(6)将整个所述炉体（1)的内 腔分为上方的加热区和下方的冷却区，铸件系统从加热区拉到冷却区使金属熔体进行自下 而上的定向凝固，所述铸件系统包括铸件型腔基体模壳(9)、螺旋选晶器(12)和模壳顶部的 浇注口（13)，所述铸件型腔基体模壳(9)内部形成竖直分段变截面的圆柱形铸件型腔，液态 高温合金熔体经所述浇注口（13)浇入铸件型腔基体模壳(9)中，在铸件变截面拐角（10)处 的铸件型腔基体模壳(9 )内表面固定设置保温模壳（11 )，使铸件变截面拐角（10 )处的铸件 型腔模壳部分形成局部双层结构的复合模壳，利用保温模壳（11)包围铸件变截面拐角 (10)，进而控制变截面铸件(8)在变截面处的径向温度梯度为0.5~1 °C/mm，所述螺旋选晶 器（12)的顶部与铸件型腔基体模壳(9)的底部连通，所述螺旋选晶器（12)的底部固定安装 在设置于加热区和冷却区分界线位置处的底部水冷板（15)上，在变截面铸件(8)起晶段利 用螺旋选晶器的螺旋段的选择作用，最终只有一个晶粒生长到螺旋选晶器（12)的顶部，逐 渐生长金属单晶凝固组织，最终长满整个型腔，控制变截面铸件(8)的拉速连续可调，将所 述铸件系统与拉杆固定，然后一起上升进入定向凝固装置的炉体(1)中设定位置处，然后向 铸件型腔中浇铸金属熔体，浇注完成后，保温至温度基本恒定后，根据设定抽拉速度及温度 梯度，以1~4mm/min的拉速将铸件系统从加热炉内的加热区向冷却区缓慢抽拉，使在铸件 型腔中的金属熔体进行自下而上的定向凝固形成单晶组织。4. 根据权利要求1~3中任意一项所述控制变截面处杂晶形成的方法，其特征在于:所 述铸件系统的铸件型腔基体模壳(9)采用熔模组结构，至少包括两个竖直的分段变截面的 圆柱形铸件型腔，分段变截面的圆柱形铸件型腔的顶部通过横向的熔体流通通道相互连 通，所述浇注口（ 13)位于熔体流通通道上，对应所述浇注口（ 13)的熔体流通通道的底部下 沉成为缓冲腔，在缓冲腔的底部和底部水冷板(15)之间通过固定安装支撑杆（14)进行连接 和支撑。5. 根据权利要求1~3中任意一项所述控制变截面处杂晶形成的方法，其特征在于:所 述保温模壳(11)与铸件型腔基体模壳(9)间隙性接触。6.根据权利要求1~3中任意一项所述控制变截面处杂晶形成的方法，其特征在于：固 定辐射挡板(6)上方的所述炉体（1)的内腔部分为加热区，在在炉体（1)内的加热区设有加 热器(2)，加热器(2)包括上加热单元(3)、分区挡板(4)和下加热单元(5)，所述上加热单元 (3)和所述下加热单元(5)的中间用所述分区挡板(4)隔开，所述上加热单元(3)加热温度高 于所述下加热单元(5)的加热温度，固定辐射挡板(6)下方为冷却区设有水冷环(7)。
【专利摘要】本发明公开了一种控制变截面处杂晶形成的方法，通过在变截面处使用双层模壳法，能切实有效的抑制变截面处杂晶形成，在相对较高的拉速下获得单晶组织，获得机械性能优良的高温合金铸件。本发明变截面铸件定向凝固装置由加热系统、铸件系统和水冷系统组成，铸件系统从加热区拉到冷却区可以实现自下而上的定向凝固。采用双层模壳法有优异的抑制杂晶形成的效果，对多叶片成组制造并获得性能优异的单晶高温合金叶片，提高生产效率具有重要的指导意义。
【IPC分类】B22D27/04, C30B29/52, C30B11/00
【公开号】CN105436478
【申请号】CN201511008332
【发明人】玄伟东, 李传涛, 谢信亮, 任忠鸣, 李传军, 任兴孚, 王宝军
【申请人】上海大学
【公开日】2016年3月30日
【申请日】2015年12月30日