能够减少截面变化铸件中雀斑的定向凝固方法
【专利摘要】一种能够减少截面变化铸件中雀斑的定向凝固方法，通过在截面变化铸件的模壳顶部添加辐射挡板,提高冷却速率或凝固速率，达到消除雀斑的目的。本发明通过辐射挡板将上部加热体的辐射热阻挡，减少液相吸收的热量，使铸件上的冷却速率得到提高，从而可使枝晶组织得到细化，热质对流流动阻力增大，而凝固速率提高的结果，使枝晶生长速率大于枝晶间的流动速率的可能性增大。本发明提高铸件凝固过程中的冷却速率及凝固速率，降低了雀斑的形成倾向。具体应用实施简单易行，材料来源广，耗费少，并且无需改变原有的模壳。
【专利说明】
能够减少截面变化铸件中雀斑的定向凝固方法
技术领域
[0001] 本发明属于镍基高温合金定向凝固领域，具体是一种能够减少截面变化铸件中雀 斑的定向凝固方法。
【背景技术】
[0002] 由于燃气轮机涡轮叶片的尺寸和质量远大于航空发动机叶片。因此，通常使用的 消除横向晶界，获得定向晶或单晶的高速凝固法(HRS法)定向凝固技术由于冷却能力不足 等原因，导致雀斑等铸造缺陷的出现概率增大。雀斑缺陷由缩松，共晶，碎断的枝晶臂等组 成的一种链状宏观偏析，通常出现在定向凝固铸件表面，降低铸件的高温抗变形性能。
[0003] 目前，普遍认为雀斑的形成跟热质对流有关。在竖直向上的Bridgman法定向凝固 中，一次枝晶生长方向与热流方向相反。像W，Re等这些重元素通常偏析于枝晶干，而像Ti， A1这种轻元素偏析于枝晶间。这样，就使得下部糊状区中液相密度小于上部枝晶尖端前沿 附近的液相密度，处于不稳定状态。如果糊状区中低密度的液相克服糊状区的粘滞阻力，就 会向上流动进入上部过热液相中，同时上部高密度的液相向下流动，形成环流。向上的富含 溶质的低密度液相流动抑制枝晶生长，甚至通过重熔或蠕变折断枝晶臂，而向下的流动促 进枝晶生长，这样就在向上的流动路径上形成溶质通道。如果折断的枝晶臂未被带入过热 液相中，而是留在形成的溶质通道中，最后与溶质通道中的液相一块凝固成为雀斑。
[0004] 根据文献，增大冷却速率，能够减小枝晶臂间距，细化枝晶组织，增大流动阻力，抑 制热质流动，起到抑制雀斑的效果。因此，可通过增大铸件的冷却速率来抑制雀斑。另外，根 据Flemings判据，当枝晶间液相流动速率大于枝晶生长速率时，雀斑才会形成。因此，也可 通过增大枝晶生长速率(即凝固速率)使其大于液相流动速率来减少雀斑。
[0005] 现有的向下定向凝固技术（Downward Directional Solidification Process)方 法，通过消除密度反转来消除热质对流达到消除雀斑的效果，但是该方法需要对设备做出 大的改变，成本高。液态金属冷却法(LMC法），通过提高冷却速率来细化枝晶组织，增大热质 对流流动阻力，从而降低雀斑的形成倾向，但是该方法除了需要对设备进行改造外，使用的 冷却介质可能污染铸件，增大成本。自发定向凝固（Autonomous Directional Solidification)技术，将合金过冷到某一程度，通过增大凝固速率迫使热质对流来不及形 成来达到抑制雀斑的目的，但是该技术对温度控制要求高，并且需要在模壳内表面加抑制 形核的涂层，操作复杂，难度大。在申请号为201610345111.5的发明创造中，通过在截面突 变平台底部添加石墨块来减小枝晶臂间距，细化枝晶组织，增大热质对流阻力，来达到消除 雀斑的目的，但是使用该方法时需要对模壳进行处理，会降低模壳的整体强度，操作复杂。
[0006] 对于燃气轮机涡轮叶片这类的铸件，雀斑更容易出现在在叶片上尺寸厚大的部 位。因此，增大冷却速率或凝固速率，从而减弱热质对流来减少定向凝固过程中雀斑尤为重 要，并且采取的方法成本还要低。
【发明内容】
[0007] 为解决由于现有截面变化铸件定向凝固过程中冷却速率及凝固速率过低而导致 雀斑出现的问题，本发明提出了一种能够减少截面变化铸件中雀斑的定向凝固方法。
[0008] 本发明的体过程是：
[0009] 步骤1，确定截面变化铸件在定向凝固过程中的冷却速率及凝固速率分布。
[0010] 步骤2,确定辐射挡板的形状、尺寸及安放位置。
[0011] 所确定的辐射挡板的形状、尺寸包括该辐射挡板的形状、外轮廓尺寸和厚度；
[0012] 所述的辐射挡板的外形与加热体的内腔形状相同，并且该辐射挡板与加热体的内 壁之间有5mm的间隙;该福射挡板厚度为15mm。所述福射挡板的几何中心有矩形通孔。
[0013]确定辐射挡板的安放位置。所述辐射挡板安放在模壳顶部。
[0014] 在确定截面变化铸件在定向凝固过程中的冷却速率及凝固速率分布时，是利用 ProCAST软件对添加了辐射挡板的铸件定向凝固过程进行数值模拟并进行后处理，得到铸 件上的冷却速率及凝固速率分布。
[0015] 步骤3,辐射挡板的制作。根据步骤2确定的形状尺寸制作辐射挡板;所述的辐射挡 板材料为莫来石耐火砖；
[0016] 步骤4,模壳的制作。
[0017] 步骤5,辐射挡板的安放。将制作完成的辐射挡板几何中心的矩形孔套装在模壳顶 部，并使该辐射挡板在抽拉过程中能够方便的与模壳分离；
[0018]步骤6，合金液的保温。定向凝固采用传统的Bridgman定向凝固炉。先将所述的镍 基高温合金放入定向凝固炉加热熔化并浇入到模壳中，在1550~1700°C下保温15~25min。 [0019]步骤7,铸件的定向凝固。合金保温结束之后，以20~70wn/s的抽拉速率使盛满合 金液的模壳及辐射挡板从定向凝固炉的加热体中向下移动通过隔热板进入冷却体，直至合 金液完全凝固，最后获得铸件。所述的辐射挡板在向下移动与隔热板接触后与模壳分离，停 止移动;所述盛满合金液的模壳在辐射挡板停止后继续移动，直至合金液完全凝固。
[0020]本发明通过在截面变化铸件的模壳顶部添加辐射挡板，提高冷却速率或凝固速 率，达到消除雀斑的目的。图2a与图3a为应用本发明前铸件上的冷却速率分布，图2b与图3b 为应用本发明后铸件上的冷却速率分布。图4a与图5a为应用本发明前铸件上的凝固速率分 布，图4b与图5b为应用本发明后铸件上的凝固速率分布。可见，应用本发明后，辐射挡板将 上部加热体的辐射热阻挡，减少液相7吸收的热量，使铸件上的冷却速率得到提高，从而可 使枝晶组织得到细化，热质对流流动阻力增大，而凝固速率提高的结果，使枝晶生长速率大 于枝晶间的流动速率的可能性增大。因此，雀斑形成倾向就降低。
[0021]将应用本发明得到的铸件进行宏观腐蚀与未应用本发明得到的铸件进行对比。图 6显示了实施例一条件下，应用本发明前后铸件上的雀斑。对应的表1给出了铸件上的雀斑 统计结果。可见，应用本发明后，铸件上的雀斑总数量由23条减少为18条，总长度由198_减 小为110mm。图7显示了实施例二条件下，应用本发明前后铸件上的雀斑。对应的表2给出了 铸件上的雀斑统计结果。可见，应用本发明后，铸件上的雀斑总数量由17条减少为14条，总 长度由12 7.5mm减小为8 5mm。说明应用本发明的技术，能够降低雀斑形成倾向，减少雀斑。 [0022]本发明的优点为:在截面变化铸件的模壳顶部底部安放辐射挡板，提高铸件凝固 过程中的冷却速率及凝固速率，降低了雀斑的形成倾向。具体应用实施简单易行，材料来源 广，耗费少，无需改变原有的模壳。
【附图说明】
[0023] 图1是定向凝固过程中，福射挡板在Bridgman定向凝固炉中的位置示意图，其中的 图la是凝固初期，图lb是凝固后期；图中箭头所示为模壳移动方向；
[0024] 图2是应用本发明前后冷却速率分布对比，其中的图2a是应用前，图2b是实施例一 应用本发明后；图中浅颜色区域的冷却速率大于深颜色的；
[0025]图3是应用本发明前后冷却速率分布对比，其中的图3a是应用前，图3b是实施例二 应用本发明后；图中浅颜色区域的冷却速率大于深颜色的；
[0026]图4是应用本发明前后凝固速率分布的对比，其中的图4a是应用前，图4b是实施例 一应用本发明后；图中浅颜色区域的凝固速率大于深颜色的；
[0027]图5是应用本发明前后凝固速率分布的对比，其中的图5a是应用前，图5b是施例二 中应用本发明后；图中浅颜色区域的凝固速率大于深颜色的；
[0028]图6a是通过现有技术得到的铸件，图6b是本发明实施例一得到的铸件；图中箭头 所示为雀斑；
[0029]图7a是通过现有技术得到的铸件，图7b是是本发明实施例二得到的铸件；图中箭 头所示为雀斑；
[0030]图8是实施例中所用辐射挡板的三维示意图；
[0031]图9是本发明的流程图。图中：
[0032] 1.铸件;2.辐射挡板;3.加热体;4.模壳;5.隔热板;6.冷却体;7.液相。
【具体实施方式】
[0033] 本发明通过五个实施例来具体说明本发明的实施过程。所述五个实施例的区别在 于所使用的铸件高度、保温温度、保温时间和抽拉速率不同。
[0034] 实施例一
[0035] 本实施例是一种能够减少截面变化铸件中雀斑的定向凝固方法。
[0036] 将本实施例应用于一模拟空心叶片截面变化部位的铸件1的定向凝固，如图1所 示;所述截面变化的铸件小截面的尺寸为4mm X 20mm X 100mm，铸件大截面的尺寸为40mm X 20mm X 25mm，材料为镍基高温合金。具体步骤如下：
[0037] 步骤1，启动确定截面变化铸件在定向凝固过程中的冷却速率及凝固速率分布。
[0038] 通过模拟计算获得截面变化铸件在定向凝固过程中的冷却速率及凝固速率分布。 利用ProCAST软件对铸件1定向凝固过程按常规方法进行数值模拟，并按常规方法进行后处 理得到铸件上的冷却速率及凝固速率分布，如图2a与图3a所示；
[0039] 步骤2,确定辐射挡板的形状、尺寸及安放位置。
[0040] 确定辐射挡板的形状及外轮廓尺寸。所述的辐射挡板2的最大轮廓尺寸与加热体3 的内腔形状尺寸相同，以使辐射挡板能够阻挡更多的辐射热，但是为便于实际安装辐射挡 板2及防止辐射挡板2移动时受到加热体3的干扰，辐射挡板2与加热体3的内壁之间有5_的 间隙。本实施例中，福射挡板2的最大轮廓尺寸为145mm X 95mm。
[0041 ]确定辐射挡的厚度。根据传热学原理，辐射挡板2的厚度增加，能够阻挡的辐射热 量就增多，但当辐射挡板达到一定厚度时，已经能够阻挡大部分的辐射热，继续增加厚度对 辐射热的阻挡效果不明显。另外，辐射挡板厚度增加，重量也增加，安放在模壳上时，增加了 模壳的不稳定性。因此，本实例中使用的辐射挡板厚度为15mm。
[0042]确定辐射挡板的安放位置。所述辐射挡板安放在模壳顶部，如图1所示。当凝固界 面到达变截面附近时，由于辐射挡板将上部加热体的辐射热阻挡，减少合金吸收的热量，从 而使合金在凝固时向外排出的热量减少，就可能使冷却速率与凝固速率得到提高。用 ProCAST软件对添加了辐射挡板的定向凝固过程进行模拟，并后处理得到冷却速率及凝固 速率分布，分别如图3与图4所示。与步骤1得到的未添加辐射挡板的对比，可看出添加辐射 挡板后，铸件上的冷却速率与凝固速率得到提高。
[0043] 所述的福射挡板中间有矩形的通孔，通孔尺寸为40mm X 20mm，用于合金液向模壳 中浇注。本实施例中使用的辐射挡板形状如图8所示。
[0044]步骤3,辐射挡板的制作。根据步骤2确定的形状尺寸制作辐射挡板2;所述的辐射 挡板材料为莫来石耐火砖；
[0045] 步骤4,模壳的制作。利用标准的熔模铸造用模壳制作工艺来制作所需模壳4;
[0046] 步骤5,辐射挡板的安放。将制作完成的辐射挡板几何中心的矩形孔套装在模壳顶 部，并使该辐射挡板在抽拉过程中能够方便的与模壳分离；
[0047]步骤6，合金液的保温。定向凝固采用传统的Br idgman定向凝固炉，如图1所示。先 将所述的镍基高温合金放入定向凝固炉加热熔化并浇入到模壳4中，在1700°C下保温 15min〇
[0048]步骤7，铸件的定向凝固。合金保温结束之后，以20wn/s的抽拉速率使盛满合金液 的模壳4及辐射挡板2从定向凝固炉的加热体3中向下移动通过隔热板5进入冷却体6,直至 合金液完全凝固，最后获得铸件。所述的辐射挡板2在向下移动与隔热板5接触后与模壳4分 离，停止移动；所述盛满合金液的模壳4在辐射挡板2停止后继续移动，直至合金液完全凝 固。
[0049] 将应用本发明得到的铸件进行宏观腐蚀与未应用本发明得到的铸件进行对比，如 图6所示。表1给出了应用本发明前后，铸件上的雀斑统计结果。可见，应用本发明后，铸件上 的雀斑总数量减少，总长度减小。说明应用本发明的技术，能够改善截面变化铸件上的冷却 条件，提高跟雀斑形成有关的冷却速率或凝固速率，减少雀斑。
[0050] 表1应用本发明前后结果对比
[0052] 实施例二
[0053] 将本发明应用于一模拟空心叶片截面变化部位的铸件1的定向凝固，如图1所示； 所述截面变化的铸件小截面的尺寸为4mm X 20mm X 100mm，铸件大截面的尺寸为40mm X 20mm X 50mm，材料为镍基高温合金;具体步骤如下：
[0054] 步骤1，启动确定截面变化铸件在定向凝固过程中的冷却速率及凝固速率分布。
[0055] 通过模拟计算获得截面变化铸件在定向凝固过程中的冷却速率及凝固速率分布。 利用ProCAST软件对铸件1定向凝固过程按常规方法进行数值模拟，并进行后处理得到铸件 上的冷却速率及凝固速率分布，如图2a与图3a所不；
[0056] 步骤2,确定辐射挡板的形状、尺寸及安放位置。
[0057] 辐射挡的形状及外轮廓尺寸的确定。要想使辐射挡板阻挡更多的辐射热，所述的 辐射挡板2的最大轮廓尺寸应该与加热体3的内腔形状尺寸相同，但是为便于实际安装辐射 挡板2及防止辐射挡板2移动时受到加热体3的干扰，辐射挡板2与加热体3的内壁之间的间 距为5mm，福射挡板2的最大轮廓尺寸为145mm X 95mm。
[0058]辐射挡的厚度确定。根据传热学原理，辐射挡板2的厚度增加，能够阻挡的辐射热 量就增多，但当辐射挡板达到一定厚度时，已经能够阻挡大部分的辐射热，继续增加厚度对 辐射热的阻挡效果不明显。另外，辐射挡板厚度增加，重量也增加，安放在模壳上时，增加了 模壳的不稳定性。因此，本实例中使用的辐射挡板厚度为15mm。
[0059]辐射挡板安放在模壳顶部，如图1所示。当凝固界面到达变截面附近时，由于辐射 挡板将上部加热体的辐射热阻挡，减少合金吸收的热量，从而使合金在凝固中向外排出的 热量减少，就可能使冷却速率与凝固速率提高。用ProCAST软件对添加了辐射挡板的定向凝 固过程进行模拟，并后处理得到冷却速率及凝固速率分布，分别如图3与图4所示。与步骤1 得到的未添加辐射挡板的对比，可看出添加辐射挡板后，铸件上的冷却速率与凝固速率得 到提尚。
[0060] 所述的福射挡板中间设有通孔，通孔尺寸为40mm X 20mm，用于合金液向模壳中饶 注。最终，本实施例中使用的辐射挡板形状如图8所示。
[0061] 步骤3,辐射挡板的制作。根据步骤2确定的形状尺寸制作辐射挡板;所述的辐射挡 板材料为莫来石耐火砖；
[0062] 步骤4,模壳的制作。利用标准的熔模铸造用模壳制作工艺来制作所需模壳；
[0063] 步骤5,辐射挡板的安放。将制作完成的辐射挡板几何中心的矩形孔套装在模壳顶 部，并使该辐射挡板在抽拉过程中能够方便的与模壳分离；
[0064]步骤6，合金液的保温。定向凝固采用传统的Br idgman定向凝固炉，如图1所示。先 将所述的镍基高温合金放入定向凝固炉加热熔化并浇入到模壳4中在1700°C下保温15min。 [0065]步骤7，铸件的定向凝固。合金保温之后，以30wn/s的抽拉速率使盛满合金液的模 壳4及辐射挡板2从定向凝固炉的加热体5中向下移动通过隔热板6进入冷却体7,直至合金 液完全凝固，最后获得铸件。所述的辐射挡板2在向下移动与隔热板6接触后与模壳4分离， 停止移动;所述盛满合金液的模壳4在辐射挡板2停止后继续移动，直至合金液完全凝固。 [0066]将应用本发明得到的铸件进行宏观腐蚀与未应用本发明得到的铸件进行对比，如 图7所示。表2给出了应用本发明前后，铸件上的雀斑统计结果。可见，应用本发明后，铸件上 的雀斑总数量减少，总长度减小。说明应用本发明的技术，能够改善截面变化铸件上的冷却 条件，提高跟雀斑形成有关的冷却速率或凝固速率，减少雀斑。
[0067]表2应用本发明前后结果对比
[0069] 实施例三
[0070]将本发明应用于一模拟空心叶片截面变化部位的铸件1的定向凝固，如图1所示； 所述截面变化的铸件小截面的尺寸为4mm X 20mm X 100mm，铸件大截面的尺寸为40mm X 20mm X 50mm，材料为镍基高温合金;具体步骤如下：
[0071]步骤1，启动确定截面变化铸件在定向凝固过程中的冷却速率及凝固速率分布。
[0072] 通过模拟计算获得截面变化铸件在定向凝固过程中的冷却速率及凝固速率分布。 利用ProCAST软件对铸件1定向凝固过程按常规方法进行数值模拟，并进行后处理得到铸件 上的冷却速率及凝固速率分布，如图2a与图3a所不；
[0073] 步骤2,确定辐射挡板的形状、尺寸及安放位置。
[0074] 辐射挡的形状及外轮廓尺寸的确定。要想使辐射挡板阻挡更多的辐射热，所述的 辐射挡板2的最大轮廓尺寸应该与加热体3的内腔形状尺寸相同，但是为便于实际安装辐射 挡板2及防止辐射挡板2移动时受到加热体3的干扰，辐射挡板2与加热体3的内壁之间的间 距为5mm，福射挡板2的最大轮廓尺寸为145mm X 95mm。
[0075] 辐射挡的厚度确定。根据传热学原理，辐射挡板2的厚度增加，能够阻挡的辐射热 量就增多，但当辐射挡板达到一定厚度时，已经能够阻挡大部分的辐射热，继续增加厚度对 辐射热的阻挡效果不明显。另外，辐射挡板厚度增加，重量也增加，安放在模壳上时，增加了 模壳的不稳定性。因此，本实例中使用的辐射挡板厚度为15mm。
[0076] 辐射挡板安放在模壳顶部，如图1所示。当凝固界面到达变截面附近时，由于辐射 挡板将上部加热体的辐射热阻挡，减少合金吸收的热量，从而使合金在凝固中向外排出的 热量减少，就可能使冷却速率与凝固速率提高。用ProCAST软件对添加了辐射挡板的定向凝 固过程进行模拟，并后处理得到冷却速率及凝固速率分布，分别如图3与图4所示。与步骤1 得到的未添加辐射挡板的对比，可看出添加辐射挡板后，铸件上的冷却速率与凝固速率得 到提尚。
[0077] 所述的福射挡板中间设有通孔，通孔尺寸为40mm X 20mm，用于合金液向模壳中饶 注。最终，本实施例中使用的辐射挡板形状如图8所示。
[0078] 步骤3,辐射挡板的制作。根据步骤2确定的形状尺寸制作辐射挡板;所述的辐射挡 板材料为莫来石耐火砖；
[0079] 步骤4,模壳的制作。利用标准的熔模铸造用模壳制作工艺来制作所需模壳；
[0080] 步骤5,辐射挡板的安放。将制作完成的辐射挡板几何中心的矩形孔套装在模壳顶 部，并使该辐射挡板在抽拉过程中能够方便的与模壳分离；
[0081 ]步骤6，合金液的保温。定向凝固采用传统的Br idgman定向凝固炉，如图1所示。先 将所述的镍基高温合金放入定向凝固炉加热恪化并饶入到模壳4中在1600°C下保温25min。 [0082]步骤7，铸件的定向凝固。合金保温之后，以45wn/s的抽拉速率使盛满合金液的模 壳4及辐射挡板2从定向凝固炉的加热体5中向下移动通过隔热板6进入冷却体7,直至合金 液完全凝固，最后获得铸件。所述的辐射挡板2在向下移动与隔热板6接触后与模壳4分离， 停止移动;所述盛满合金液的模壳4在辐射挡板2停止后继续移动，直至合金液完全凝固。
[0083]将应用本发明得到的铸件进行宏观腐蚀与未应用本发明得到的铸件进行对比。表 3给出了应用本发明前后，铸件上的雀斑统计结果。可见，应用本发明后，铸件上的雀斑总数 量减少，总长度减小。说明应用本发明的技术，能够改善截面变化铸件上的冷却条件，提高 跟雀斑形成有关的冷却速率或凝固速率，减少雀斑。
[0084]表3应用本发明前后结果对比 [0086]~实施例四
[0087] 将本发明应用于一模拟空心叶片截面变化部位的铸件1的定向凝固，如图1所示； 所述截面变化的铸件小截面的尺寸为4mm X 20mm X 100mm，铸件大截面的尺寸为40mm X 20mm X 50mm，材料为镍基高温合金;具体步骤如下：
[0088] 步骤1，启动确定截面变化铸件在定向凝固过程中的冷却速率及凝固速率分布。
[0089] 通过模拟计算获得截面变化铸件在定向凝固过程中的冷却速率及凝固速率分布。 利用ProCAST软件对铸件1定向凝固过程按常规方法进行数值模拟，并进行后处理得到铸件 上的冷却速率及凝固速率分布，如图2a与图3a所不；
[0090] 步骤2,确定辐射挡板的形状、尺寸及安放位置。
[0091] 辐射挡的形状及外轮廓尺寸的确定。要想使辐射挡板阻挡更多的辐射热，所述的 辐射挡板2的最大轮廓尺寸应该与加热体3的内腔形状尺寸相同，但是为便于实际安装辐射 挡板2及防止辐射挡板2移动时受到加热体3的干扰，辐射挡板2与加热体3的内壁之间的间 距为5mm，福射挡板2的最大轮廓尺寸为145mm X 95mm。
[0092] 辐射挡的厚度确定。根据传热学原理，辐射挡板2的厚度增加，能够阻挡的辐射热 量就增多，但当辐射挡板达到一定厚度时，已经能够阻挡大部分的辐射热，继续增加厚度对 辐射热的阻挡效果不明显。另外，辐射挡板厚度增加，重量也增加，安放在模壳上时，增加了 模壳的不稳定性。因此，本实例中使用的辐射挡板厚度为15mm。
[0093] 辐射挡板安放在模壳顶部，如图1所示。当凝固界面到达变截面附近时，由于辐射 挡板将上部加热体的辐射热阻挡，减少合金吸收的热量，从而使合金在凝固中向外排出的 热量减少，就可能使冷却速率与凝固速率提高。用ProCAST软件对添加了辐射挡板的定向凝 固过程进行模拟，并后处理得到冷却速率及凝固速率分布，分别如图3与图4所示。与步骤1 得到的未添加辐射挡板的对比，可看出添加辐射挡板后，铸件上的冷却速率与凝固速率得 到提尚。
[0094] 所述的福射挡板中间设有通孔，通孔尺寸为40mm X 20mm，用于合金液向模壳中饶 注。最终，本实施例中使用的辐射挡板形状如图8所示。
[0095] 步骤3,辐射挡板的制作。根据步骤2确定的形状尺寸制作辐射挡板;所述的辐射挡 板材料为莫来石耐火砖；
[0096] 步骤4,模壳的制作。利用标准的熔模铸造用模壳制作工艺来制作所需模壳；
[0097]步骤5,辐射挡板的安放。将制作完成的辐射挡板几何中心的矩形孔套装在模壳顶 部，并使该辐射挡板在抽拉过程中能够方便的与模壳分离；
[0098]步骤6，合金液的保温。定向凝固采用传统的Br idgman定向凝固炉，如图1所示。先 将所述的镍基高温合金放入定向凝固炉加热熔化并浇入到模壳4中在1700°C下保温20min。 [0099]步骤7，铸件的定向凝固。合金保温之后，以55wn/s的抽拉速率使盛满合金液的模 壳4及辐射挡板2从定向凝固炉的加热体5中向下移动通过隔热板6进入冷却体7,直至合金 液完全凝固，最后获得铸件。所述的辐射挡板2在向下移动与隔热板6接触后与模壳4分离， 停止移动;所述盛满合金液的模壳4在辐射挡板2停止后继续移动，直至合金液完全凝固。
[0100] 将应用本发明得到的铸件进行宏观腐蚀与未应用本发明得到的铸件进行对比。表 4给出了应用本发明前后，铸件上的雀斑统计结果。可见，应用本发明后，铸件上的雀斑总数 量减少，总长度减小。说明应用本发明的技术，能够改善截面变化铸件上的冷却条件，提高 跟雀斑形成有关的冷却速率或凝固速率，减少雀斑。
[0101] 表4应用本发明前后结果对比
[0103] 实施例五
[0104] 将本发明应用于一模拟空心叶片截面变化部位的铸件1的定向凝固，如图1所示； 所述截面变化的铸件小截面的尺寸为4mm X 20mm X 100mm，铸件大截面的尺寸为40mm X 20mm X 25mm，材料为镍基高温合金;具体步骤如下：
[0105] 步骤1，启动确定截面变化铸件在定向凝固过程中的冷却速率及凝固速率分布。
[0106] 通过模拟计算获得截面变化铸件在定向凝固过程中的冷却速率及凝固速率分布。 利用ProCAST软件对铸件1定向凝固过程按常规方法进行数值模拟，并进行后处理得到铸件 上的冷却速率及凝固速率分布，如图2a与图3a所不；
[0107] 步骤2,确定辐射挡板的形状、尺寸及安放位置。
[0108] 辐射挡的形状及外轮廓尺寸的确定。要想使辐射挡板阻挡更多的辐射热，所述的 辐射挡板2的最大轮廓尺寸应该与加热体3的内腔形状尺寸相同，但是为便于实际安装辐射 挡板2及防止辐射挡板2移动时受到加热体3的干扰，辐射挡板2与加热体3的内壁之间的间 距为5mm，福射挡板2的最大轮廓尺寸为145mm X 95mm。
[0109]辐射挡的厚度确定。根据传热学原理，辐射挡板2的厚度增加，能够阻挡的辐射热 量就增多，但当辐射挡板达到一定厚度时，已经能够阻挡大部分的辐射热，继续增加厚度对 辐射热的阻挡效果不明显。另外，辐射挡板厚度增加，重量也增加，安放在模壳上时，增加了 模壳的不稳定性。因此，本实例中使用的辐射挡板厚度为15mm。
[0110]辐射挡板安放在模壳顶部，如图1所示。当凝固界面到达变截面附近时，由于辐射 挡板将上部加热体的辐射热阻挡，减少合金吸收的热量，从而使合金在凝固中向外排出的 热量减少，就可能使冷却速率与凝固速率提高。用ProCAST软件对添加了辐射挡板的定向凝 固过程进行模拟，并后处理得到冷却速率及凝固速率分布，分别如图3与图4所示。与步骤1 得到的未添加辐射挡板的对比，可看出添加辐射挡板后，铸件上的冷却速率与凝固速率得 到提尚。
[0111 ] 所述的福射挡板中间设有通孔，通孔尺寸为40mm X 20mm，用于合金液向模壳中饶 注。最终，本实施例中使用的辐射挡板形状如图8所示。
[0112] 步骤3,辐射挡板的制作。根据步骤2确定的形状尺寸制作辐射挡板;所述的辐射挡 板材料为莫来石耐火砖；
[0113] 步骤4,模壳的制作。利用标准的熔模铸造用模壳制作工艺来制作所需模壳；
[0114]步骤5,辐射挡板的安放。将制作完成的辐射挡板几何中心的矩形孔套装在模壳顶 部，并使该辐射挡板在抽拉过程中能够方便的与模壳分离；
[0115]步骤6，合金液的保温。定向凝固采用传统的Br idgman定向凝固炉，如图1所示。先 将所述的镍基高温合金放入定向凝固炉加热恪化并饶入到模壳4中在1550°C下保温15min。
[0116] 步骤7，铸件的定向凝固。合金保温之后，以70wn/s的抽拉速率使盛满合金液的模 壳4及辐射挡板2从定向凝固炉的加热体5中向下移动通过隔热板6进入冷却体7,直至合金 液完全凝固，最后获得铸件。所述的辐射挡板2在向下移动与隔热板6接触后与模壳4分离， 停止移动;所述盛满合金液的模壳4在辐射挡板2停止后继续移动，直至合金液完全凝固。
[0117] 将应用本发明得到的铸件进行宏观腐蚀与未应用本发明得到的铸件进行对比。表 5给出了应用本发明前后，铸件上的雀斑统计结果。可见，应用本发明后，铸件上的雀斑总数 量减少，总长度减小。说明应用本发明的技术，能够改善截面变化铸件上的冷却条件，提高 跟雀斑形成有关的冷却速率或凝固速率，减少雀斑。
[0118] 表5应用本发明前后结果对比
【主权项】
1. 一种能够减少截面变化铸件中雀斑的定向凝固方法，其特征在于，具体过程是： 步骤1，确定截面变化铸件在定向凝固过程中的冷却速率及凝固速率分布； 步骤2，确定辐射挡板的形状、尺寸及安放位置； 所确定的辐射挡板的形状、尺寸包括该辐射挡板的形状、外轮廓尺寸和厚度； 确定辐射挡板的安放位置;所述辐射挡板安放在模壳顶部； 步骤3，辐射挡板的制作;根据步骤2确定的形状尺寸制作辐射挡板;所述的辐射挡板材 料为莫来石耐火砖； 步骤4,模壳的制作； 步骤5,辐射挡板的安放;将制作完成的辐射挡板几何中心的矩形孔套装在模壳顶部， 并使该辐射挡板在抽拉过程中能够方便的与模壳分离； 步骤6，合金液的保温;定向凝固采用传统的Bridgman定向凝固炉；先将所述的镍基高 温合金放入定向凝固炉加热熔化并浇入到模壳中，在1550~1700°C下保温15~25min; 步骤7,铸件的定向凝固；合金保温结束之后，以20~70ym/s的抽拉速率使盛满合金液 的模壳及辐射挡板从定向凝固炉的加热体中向下移动通过隔热板进入冷却体，直至合金液 完全凝固，最后获得铸件;所述的辐射挡板在向下移动与隔热板接触后与模壳分离，停止移 动;所述盛满合金液的模壳在辐射挡板停止后继续移动，直至合金液完全凝固。2. 如权利要求1所述能够减少截面变化铸件中雀斑的定向凝固方法，其特征在于，所述 的辐射挡板的外形与加热体的内腔形状相同，并且该辐射挡板与加热体的内壁之间有5_ 的间隙;所述福射挡板的几何中心有矩形通孔;福射挡板的厚度为15mm。3. 如权利要求1所述能够减少截面变化铸件中雀斑的定向凝固方法，其特征在于，步骤 1在确定截面变化铸件在定向凝固过程中的冷却速率及凝固速率分布时，用ProCAST软件对 添加了辐射挡板的铸件的定向凝固过程进行模拟并后处理，得到铸件上的冷却速率及凝固 速率分布。
【文档编号】B22D27/04GK105880533SQ201610436684
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月17日
【发明人】李秋东, 沈军, 秦岭
【申请人】西北工业大学