专利名称：用于制造单晶铸件的薄壳上浮方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及高温合金定向凝固领域，特别是单晶涡轮机叶片的制造工艺问题，具体为用于 制造单晶铸件的薄壳上浮法及其装置。
背景技术：
利用高温合金的定向凝固来铸造单晶涡轮叶片，已成为制造高效航空发动机的关键技术 之一。目前这种叶片的生产都是利用Bridgman定向凝固炉进行的。为此，陶瓷模壳需要先在 炉体上部的热区内预热到高于合金的烙点温度，再浇入感应熔化的高温合金熔液，模壳以预 定的速度缓慢下降，穿过隔热挡板进入炉体下部的冷区，整个铸件由下至上逐渐冷却并凝固。 利用铸件下部的螺旋选晶器，可使仅有一个晶粒能通过并扩展到整个铸件。由于消除了晶界 这个高温工作条件下的最薄弱环节，使得叶片的高温性能大为提高，寿命也提高了十几倍。 随着航空发动机叶片尺寸的不断加大，以及大型工业燃气轮机对单晶叶片的迫切需求，使得 大尺寸叶片的生产成为急需解决的关键问题。
为了制造大尺寸的单晶叶片或铸件，必须加大陶瓷模壳的厚度，以保证在浇铸和长时间 的定向凝固期间能维持足够的强度。然而模壳厚度的增加，使得铸件的散热冷却变得极为困 难，造成诸如易产生铸造缺陷和生产率低下等问题。为了提高铸件的冷却速度，尤其是凝固 时的温度梯度，人们尝试了运用液体金属冷却(LMC)和气体冷却(GC)的办法。这两种方 法虽然有一定效果，但只能强化模壳表面的散热能力，并不能解决厚膜壳本身的巨大热阻问 题。对于大尺寸叶片，铸件难以透过模壳向外散热。此外这两种方法需对炉体进行改造，并 需添加大量的辅助设备，浇铸工艺变得非常复杂，生产成本大大增加。因此这两种方法虽经 过十几年的大量研究，至今未能在生产上得到应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种薄壳浮出法生产单晶铸件(如燃气轮机叶片)的新方法和新 装置，以明显改善铸件的散热条件与冷却强度，提高铸件质量。
用于制造单晶铸件的薄壳上浮装置，包括陶瓷模壳、高温合金溶池、浮动绝热保温层及 水冷模块，浮动绝热保温层位于高温合金溶池的上表面，水冷模块位于浮动绝热保温层的上 面；陶瓷模壳的顶端设有激冷块，陶瓷模壳下端设有堵块。
上述装置中，水冷模块为铜合金制成的环形水冷装置；
上述装置中，浮动绝热保温层为，由陶瓷颗粒或液态炉渣组成，浮于液态金属表面； 上述装置中，激冷块为水冷铜板；上述装置中，堵块和高温合金为同种材料。 使用上述装置制备单晶铸件的方法为
(a)先将陶瓷模壳的选晶器部分安装于升降装置的激冷块上。浇口朝下且用同种炉料的堵 块堵塞；(b)模壳下降，穿过浮动保温层进入熔体，浇口里的堵塞块可防止保温材料进入模壳。 随着堵塞块熔化，液态金属进入模壳，在激冷块上形成激冷层。适当提高炉温，可提高充型 能力；(c)模壳以预定的速度缓慢上升，穿过保温层到冷却区，铸件从上至下冷却，由激冷层 开始向下定向凝固，经选晶器形成单晶，并扩展至整个铸件。为了加强冷却，可用氩气吹冷， 同时也对熔体起到保护作用。
本发明的优点为-
本发明的一个主要特点是模壳浸在熔体中，模壳内外液态金属的压力相互抵消，而不像 普通工艺那样，液态金属浇入模壳会产生很大的冲击力和内胀力，因此无论铸件尺寸多大， 都可采用超薄模壳，只要能维持模壳的形状已形成铸件的外形即可。可见本发明不仅能节约 制壳材料，更重要的优点在于由于减小了模壳的厚度，模壳的热阻大为减小，从而极大地改 善铸件的散热条件和冷却能力，改善铸件的质量。和普通的Bridgman工艺相比，本发明的另 一优点是工艺和装备大为简化。省去了专门的熔化和浇铸装置，使得设备投资和生产成本大 为降低。
图1用于制造单晶铸件的薄壳上浮法工艺和装置示意图
1、高温合金熔池，2、浮动绝热保温层，3、堵块，4、水冷模块，5、激冷块，6、陶瓷模壳
具体实施例方式
实施例
应用本发明制备总长度为180mm的铸造涡轮单晶叶片(试样)，材质为CMSX-6。陶瓷模 壳厚度6由原来的15mm，减为5mm。由于大大减少了液态金属通过模壳向外传热的热阻， 显著改善了冷却条件和结晶前沿的温度梯度，提高了凝固过程中单晶组织生长的稳定性和可 靠性。和传统的工艺相比，大幅度提高了铸件的合格率。
权利要求
1、用于制造单晶铸件的薄壳上浮装置，包括陶瓷模壳(6)、高温合金溶池(1)、浮动绝热保温层(2)及水冷模块(4)，浮动绝热保温层(2)位于高温合金溶池(1)的上表面，水冷模块(4)位于浮动绝热保温层(2)的上面；陶瓷模壳(6)的顶端设有激冷块(5)，陶瓷模壳(6)下端浇口设有堵块(3)。
2、 权利要求1所述的用于制造单晶铸件的薄壳上浮装置，其特征在于水冷模块(4) 为铜合金制成的环形水冷装置。
3、 权利要求1所述的用于制造单晶铸件的薄壳上浮装置，其特征在于浮动绝热保温层 (2)由陶瓷颗粒或液态炉渣组成，浮于高温合金溶池(1)液态金属表面。
4、 权利要求1所述的用于制造单晶铸件的薄壳上浮装置，其特征在于激冷块(5)为 水冷铜板。
5、 权利要求1所述的用于制造单晶铸件的薄壳上浮装置，其特征在于堵块(3)和高温合金溶池(1)中的高温合金为同种材料。
6、 使用权利要求l所述装置制造单晶铸件的方法为'(a)先将陶瓷模壳(6)的选晶器部分安装于激冷块(5)上，浇口朝下且用与高温合金同 种炉料的堵块(3)堵塞；(b)陶瓷模壳(6)下降，穿过浮动绝热保温层(2)进入高温合金 熔体，随着堵块(3)熔化，高温合金熔体进入陶瓷模壳(6)，在激冷块(5)上形成激冷层； (c)陶瓷模壳(6)以预定的速度缓慢上升，穿过浮动绝热保温层(2)到冷却区，铸件从上至 下冷却，由激冷层开始向下定向凝固，经选晶器形成单晶，并扩展至整个铸件。
7、 权利要求6所述的制备方法，其特征在于在制备过程中，使用氩气吹冷。
全文摘要
用于制造单晶铸件的薄壳上浮方法及其装置，涉及高温合金定向凝固领域。本发明先将陶瓷模壳的选晶器部分安装于激冷块上，浇口朝下且用与高温合金同种炉料的堵块堵塞；陶瓷模壳下降，穿过浮动绝热保温层进入高温合金熔体，随着堵块熔化，高温合金熔体进入陶瓷模壳，在激冷块上形成激冷层；陶瓷模壳以预定的速度缓慢上升，穿过浮动绝热保温层到冷却区，铸件从上至下冷却，由激冷层开始向下定向凝固，经选晶器形成单晶，并扩展至整个铸件。由于模壳所受内外液态金属的压力抵消，所以模壳可以做得很薄。这不仅能减少制壳材料消耗，更重要的是能大大改善铸件的散热条件，提高铸件的质量。此外，本发明的工艺装置简单，使设备投资和生产成本大为降低。
文档编号C30B11/00GK101537485SQ20091003021
公开日2009年9月23日 申请日期2009年3月17日 优先权日2009年3月17日
发明者孙少纯, 赵玉涛, 马德新 申请人:江苏大学