一种用于高温合金定向凝固成形的浇铸系统及浇注方法

摘要

本发明涉及高温合金定向凝固，特指一种用于高温合金定向凝固成形的浇铸系统及浇注方法。浇铸结构安装在保温加热器上部及内部，由浇注口挡板、浇注漏斗、漏斗与模壳浇口间的刚玉连接筒组成；安装时在浇注漏斗上方设有能够上下移动和左右旋转的浇注口挡板，同时在浇注口挡板的下表面粘一层0.5~2cm的耐高温材料；浇注漏斗的敞口端低于或者相平于保温加热器的上盖，并在浇注漏斗外表面与保温加热器的上盖接触面处垫上耐高温的垫片；浇注漏斗与模壳浇注口间套上一个尺寸合理的刚玉连接筒；该浇铸系统可以使金属液平稳地进入铸型，避免紊流和对铸型的冲涮，阻止熔渣和其他夹杂物进入型腔等；此发明结构简单，使投资和生产成本大为降低。

说明书

技术领域

本发明涉及高温合金定向凝固，特指一种用于高温合金定向凝固成形的浇铸系统及浇注方法。 

背景技术

定向凝固技术不仅是研究凝固理论的重要手段，也是开发新型材料的重要工业方法；定向凝固技术首先用于航空发动机涡轮叶片上，使发动机的性能获得了大幅度的提高；利用定向凝固技术，可获得柱状晶或单晶组织，提高材料的纵向力学性能。将材料在高温下熔化，然后注入型腔内是定向凝固工艺中必不可少的步骤。对现已公布的专利检索发现，针对定向凝固技术中高温合金的浇铸尚未发明更好的浇铸系统，在传统的选晶法制备单晶的浇铸过程中，合金液在浇入模壳之后，熔体沿着与热流相反的方向凝固，最终得到具有特定取向单晶，但是，在浇铸的过程中，必须控制金属液充填铸型的速度及充满铸型所需的时间，使金属液平稳地进入铸型，避免紊流和对铸型的冲涮，阻止熔渣和其他夹杂物进入型腔，尤其是涡轮叶片一类关键零件，对于非金属之类的缺陷十分敏感，因此．在定向凝固铸造中，必须采取各种措施防止夹杂物混入浇铸系统中；另外，传统的浇铸系统将浇注漏斗置于保温炉的外部，未对其充分的预热，高温合金熔液浇至漏斗上时，由于存在的巨大温差，容易使浇注漏斗炸裂，另一方面，从凝固组织考虑，在浇注时，当高温合金熔液接触未保温的漏斗时，势必会急剧降温而形核，从而提高形核速率，但为了获得定向凝固组织或单晶，需要抑制晶核的形成，这样为后面的定向凝固造成了不利因素，对于浇铸工艺的改进，虽然经历了大量研究，至今未能在生产上使用。 

发明内容

本发明的目的是提供一种定向凝固设备中新的浇铸系统，克服合金液在浇入模壳中存在的缺陷，抽拉模壳时并能明显提高温度梯度，提高铸件的合格率。 

一种用于高温合金定向凝固成形的浇铸系统，包括保温加热器、浇注口挡板、浇注漏斗、漏斗与模壳浇口间的刚玉连接筒、模壳和激冷板，其特征在于：浇注漏斗上方设有浇注口挡板，同时在浇注口挡板的下表面粘一层耐高温材料；并使浇注漏斗的敞口端低于或者相平于保温加热器的上盖，并在浇注漏斗外表面与保温加热器的上盖接触面处垫上耐高温并且性能良好的垫片；浇注漏斗与模壳浇注口间套上一个尺寸合理的刚玉连接筒。 

所述的浇注口挡板能够上下移动和左右旋转。 

所述的浇注口挡板下表面粘一层耐高温材料；所述耐高温材料为碳毡或者石棉毡，厚度为0.5~2cm。 

所述浇注漏斗外表面与保温加热器上盖接触面处设有垫片，垫片材料为耐高温材料，例如石棉绳。 

所述浇注漏斗的下端伸入到刚玉连接筒内，刚玉连接筒放置在模壳的浇口上。 

使用上述浇铸系统的方法为： 

    在保温加热器加热之前要将浇注口挡板旋至浇注口上方并降下，然后打开晶闸管调压器和保温器总电源，按照事先设定好的参数进行加热保温，当合金在坩埚被熔化后，开始进行浇铸，在浇铸前升起浇注口挡板并旋离浇注口，进行浇铸，使合金熔液沿浇注漏斗经刚玉连接筒浇铸至模壳中。然后在浇铸结束后，将浇注口挡板复原；保温10~60min，按选择1~5.5mm/min的速度将模壳拉出保温炉；即完成实验。

本发明的优点为：本发明设计与现有技术相比，具有的有益效果如下：本发明是建立在快速凝固法基础之上，结合快速凝固法和探讨定向凝固原理和特点，创造发明了这样一种浇铸的结构模式，它克服传统凝固方式中浇铸模式的一些不利因素。 

使浇注漏斗的敞口端低于或者相平于保温加热器的上盖，一方面可以使漏斗与模壳一块儿在保温炉中被加热并保温，有效防止了高温合金熔液浇至漏斗上时，由于存在的巨大温差，使浇注漏斗炸裂的危险；另一方面，从凝固组织考虑，在浇注刚开始后，当高温合金熔液接触未保温的漏斗时，势必会急剧降温而形核，从而提高形核速率，这样为后面的定向凝固造成了不利因素，本设计发明彻底消除了上述的不利因素；另外，在浇注漏斗与模壳浇注口间套上一个合理尺寸的刚玉连接筒，目的有两个，其一是防止在浇铸高温合金熔液时，合金熔液飞溅，从而损坏保温加热器，该连接筒起到挡板的保护作用；其二，该连接筒起到定位作用，使模壳浇口与浇注漏斗下端口保持在一条直线上；它克服了传统浇铸模式中如紊流、对铸型的冲涮、夹杂物等不利因素；设计能够上下移动和左右旋转的浇注口挡板目的有三个；其一，可以使浇注漏斗充分预热保温；其二，防止保温炉内的高温对定向凝固炉的上炉体（主要是炉盖）的辐射；其三，设计成上下移动和左右旋转是为了操作更为方便。 

附图说明

图1 用于定向凝固设备中的浇铸系统结构图。 

1、浇注口挡板；2、耐高温材料；3、保温加热器上盖；4、垫片；5、漏斗；6、保温加热器炉壁；7、刚玉连接筒；8、模壳；9、激冷板。

图2为浇注的总长度为220mm的铸造定向凝固试棒。

图3为浇注的总长度为220mm，宽度为30mm的铸造单晶叶片。

具体实施方式

实施例：

    利用本发明浇注总长度为220mm的铸造定向凝固试棒（图2），材质为CMSX-6高温合金；在保温加热器加热之前要将浇注口挡板旋至浇注口上方并降下，然后打开晶闸管调压器和保温器总电源，当合金在坩埚被熔化后，开始进行浇铸，在浇铸前升起浇注口挡板并旋离浇注口，进行浇铸，使合金熔液沿浇注漏斗经刚玉连接筒浇铸至模壳中。然后在浇铸结束后，将浇注口挡板复原；保温30min，按3.5mm/min的速度将模壳拉出保温炉；即完成实验。

利用本发明浇注总长度为220mm，宽度为30mm的铸造单晶叶片（图3），材质为CMSX-6高温合金；在保温加热器加热之前要将浇注口挡板旋至浇注口上方并降下，然后打开晶闸管调压器和保温器总电源，当合金在坩埚被熔化后，开始进行浇铸，在浇铸前升起浇注口挡板并旋离浇注口，进行浇铸，使合金熔液沿浇注漏斗经刚玉连接筒浇铸至模壳中；然后在浇铸结束后，将浇注口挡板复原；保温25min，按2mm/min的速度将模壳拉出保温炉；即完成实验。