一种单晶铸件大模组浇注系统设计方法

：本发明涉及精密铸造和材料制备，具体为一种单晶铸件大模组浇注系统设计方法。

背景技术

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背景技术：

1、单晶叶片是航空发动机及燃气轮机中的关键热端部件，称为“皇冠上的明珠”，对制备工艺的控制较为苛刻。现阶段通常采用定向凝固技术制备高温合金单晶叶片。传统的小模组制备方式虽然结构简单，易操作，但是每炉制备的叶片数量有限，成本较高。而近年来开发的大模组(如：模组浇注底盘直径300mm以上)精密铸造是一种高效率、低成本的铸造方法，使用一个模组、一个型壳、一个坩埚，一次性铸造成型整组或整台套叶片，实现了一次性整组整台份生产，提高了铸件质量和性能的稳定性，显著缩短制造周期。

2、目前，中国科学院金属研究所研发的一种新型单晶叶片生长设备，集成了中心加热系统和底部水冷散热系统，通过在模组中心增加石墨发热体，减少铸件靠近中心内侧和靠近发热体外侧之间的温度差异，提高了定向凝固过程中的温度梯度和稳定性，可用于大模组单晶铸件制备。但是，由于中心石墨发热体的存在，使得常用的浇注系统无法适用，而且大模组结构复杂，浇铸系统设计不合理会导致疏松、夹渣、欠铸、卷气等冶金缺陷，为此开发一种大模组浇注系统设计方法。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、为了解决现有技术的缺点与不足，本发明的目的在于提供了一种单晶铸件大模组浇注系统设计方法，实现铸件合理充型，主要适用于类似结构的单晶铸件大模组的熔模精密铸造。

2、本发明采用的技术解决方案是：

3、一种单晶铸件大模组浇注系统设计方法，该浇注系统包括最上方环形浇口杯，浇口杯的下方连接有直浇道，竖直的直浇道沿圆周均匀排布；位于浇口杯下方的直浇道上部外侧连接有圆盘浇道，圆盘浇道的下端连接有叶片铸件，叶片铸件的底端连接有用于使其成为单晶铸件的螺旋选晶器，螺旋选晶器的底端通过向上倾斜的底浇道与直浇道下部外侧相连，使金属液通过直浇道流经底浇道注入螺旋选晶器的底部，完成铸件的充型过程。

4、所述的单晶铸件大模组浇注系统设计方法，石墨加热体沿竖向设置于浇注系统的中心，浇口杯内圈直径大于石墨加热体的直径，即整个浇注系统环绕于石墨加热体且上下移动。

5、所述的单晶铸件大模组浇注系统设计方法，浇口杯下方竖直分布n根直浇道，每根直浇道呈360°/n环形平均分布，3≤n≤20。

6、所述的单晶铸件大模组浇注系统设计方法，直浇道下部外侧呈辐射状连接有m根倾斜的底浇道，每根底浇道的一端与直浇道相连，每根底浇道的另一端都与一个螺旋选晶器的底端相连，每个螺旋选晶器的顶端与叶片铸件连接。

7、所述的单晶铸件大模组浇注系统设计方法，相邻底浇道之间的夹角为360°/(n×m)。

8、所述的单晶铸件大模组浇注系统设计方法，圆盘浇道个数与直浇道相同，每个圆盘浇道包括一个主浇管、一根侧浇管以及m根支浇管，主浇管的中部通过侧浇管与直浇道相连，主浇管下方设置m根支浇管，每根支浇管的下端连接一个叶片铸件。

9、所述的单晶铸件大模组浇注系统设计方法，主浇管呈圆弧形，弧心角为(m-1)×360°/(n×m)。

10、所述的单晶铸件大模组浇注系统设计方法，叶片铸件包括的摆放方式为叶盆朝向或背向整个浇注系统摆放。

11、所述的单晶铸件大模组浇注系统设计方法，每组叶片铸件为一个叶片或两个以上叶片串联。

12、所述的单晶铸件大模组浇注系统设计方法，金属液通过环形浇口杯导入直浇道，流入底部后，通过与之相连的底浇道流入螺旋选晶器中，随之注入叶片铸件底部，实现叶片铸件自下而上的充型；当直浇道中的金属液升高到圆盘浇道的位置，通过侧浇管流进主浇管中，最后通过支浇管与叶片铸件的顶部相连，对叶片铸件在凝固过程中起到补缩的作用。

13、本发明的设计思想是：

14、大模组制备单晶铸件的难点在于尺寸大，结构复杂，温度场较难控制。本发明采用中心加热体的方式，减少铸件靠近中心内侧和靠近发热体外侧之间的温度差异，提高了定向凝固过程中的温度梯度和稳定性。本发明将浇口设计成环形，与其相连的直浇道和铸件都围绕中心加热体设置，既解决了中心位置浇口杯干涉问题，又使铸件温度场分布更加均匀。同时，合理的浇注方式，不但保证了铸件平稳充型，而且有效降低金属液注入时对陶瓷型芯的冲击，提高了单晶铸件的冶金质量和产品合格率。

15、本发明具有的优点和积极效果是：

16、1、本发明的单晶铸件大模组浇注系统中，由于金属液的浇注方式是底注式，从直浇道通过底浇道流进螺旋选晶器底部，从而向上流动，自下而上充满整个铸件，一方面保证了螺旋选晶器底部一直有金属液注入，不会出现瞬间凝固，同时这种充型方式更加平稳，有效降低金属液注入时对陶瓷型芯的冲击。

17、2、此外，环形浇口和多根直浇道相连的设计，解决了中心位置设置浇口杯干涉问题，既可用于集成了中心加热系统和底部水冷散热系统的设备，又实现了一次性整组整台份生产，提高了铸件质量和性能的稳定性，显著缩短制造周期，降低成本。

技术特征：

1.一种单晶铸件大模组浇注系统设计方法，其特征在于，该浇注系统包括最上方环形浇口杯，浇口杯的下方连接有直浇道，竖直的直浇道沿圆周均匀排布；位于浇口杯下方的直浇道上部外侧连接有圆盘浇道，圆盘浇道的下端连接有叶片铸件，叶片铸件的底端连接有用于使其成为单晶铸件的螺旋选晶器，螺旋选晶器的底端通过向上倾斜的底浇道与直浇道下部外侧相连，使金属液通过直浇道流经底浇道注入螺旋选晶器的底部，完成铸件的充型过程。

2.按照权利要求1所述的单晶铸件大模组浇注系统设计方法，其特征在于，石墨加热体沿竖向设置于浇注系统的中心，浇口杯内圈直径大于石墨加热体的直径，即整个浇注系统环绕于石墨加热体且上下移动。

3.按照权利要求1所述的单晶铸件大模组浇注系统设计方法，其特征在于，浇口杯下方竖直分布n根直浇道，每根直浇道呈360°/n环形平均分布，3≤n≤20。

4.按照权利要求3所述的单晶铸件大模组浇注系统设计方法，其特征在于，直浇道下部外侧呈辐射状连接有m根倾斜的底浇道，每根底浇道的一端与直浇道相连，每根底浇道的另一端都与一个螺旋选晶器的底端相连，每个螺旋选晶器的顶端与叶片铸件连接。

5.按照权利要求4所述的单晶铸件大模组浇注系统设计方法，其特征在于，相邻底浇道之间的夹角为360°/(n×m)。

6.按照权利要求4所述的单晶铸件大模组浇注系统设计方法，其特征在于，圆盘浇道个数与直浇道相同，每个圆盘浇道包括一个主浇管、一根侧浇管以及m根支浇管，主浇管的中部通过侧浇管与直浇道相连，主浇管下方设置m根支浇管，每根支浇管的下端连接一个叶片铸件。

7.按照权利要求6所述的单晶铸件大模组浇注系统设计方法，其特征在于，主浇管呈圆弧形，弧心角为(m-1)×360°/(n×m)。

8.按照权利要求1所述的单晶铸件大模组浇注系统设计方法，其特征在于，叶片铸件包括的摆放方式为叶盆朝向或背向整个浇注系统摆放。

9.按照权利要求1所述的单晶铸件大模组浇注系统设计方法，其特征在于，每组叶片铸件为一个叶片或两个以上叶片串联。

10.按照权利要求1至9之一所述的单晶铸件大模组浇注系统设计方法，其特征在于，金属液通过环形浇口杯导入直浇道，流入底部后，通过与之相连的底浇道流入螺旋选晶器中，随之注入叶片铸件底部，实现叶片铸件自下而上的充型；当直浇道中的金属液升高到圆盘浇道的位置，通过侧浇管流进主浇管中，最后通过支浇管与叶片铸件的顶部相连，对叶片铸件在凝固过程中起到补缩的作用。

技术总结
本发明涉及精密铸造和材料制备技术领域，具体为一种单晶铸件大模组浇注系统设计方法。该浇注系统包括最上方环形浇口杯，浇口杯的下方连接有直浇道，竖直的直浇道沿圆周均匀排布。位于浇口杯下方的直浇道上部外侧连接有圆盘浇道，圆盘浇道的下端连接有叶片铸件，叶片铸件的底端连接有用于使其成为单晶铸件的螺旋选晶器，螺旋选晶器的底端通过向上倾斜的底浇道与直浇道下部外侧相连，使金属液通过直浇道流经底浇道注入螺旋选晶器的底部，完成铸件的充型过程。本发明可应用于集成了中心加热系统和底部水冷散热系统的设备，确保了铸件充型平稳，能有效减轻高温浇注对铸件陶瓷型芯的冲击，实现多个单晶铸件的高质量制备。

技术研发人员：谢君,周亦胄,李金国,马月姣,侯桂臣,孙晓峰
受保护的技术使用者：中国科学院金属研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17