一种合金铸造的定向凝固装置及含有其的凝固系统

摘要

本发明属于合金铸造应用技术领域，具体公开了一种合金铸造的定向凝固装置，包括真空炉外壳、内壳、加料口、加热内胆、电阻加热器、电导线、卧式箱、横弧形敞开式密封套、卧式箱体通槽、循环流动冷却部件、竖支撑、横板、水平密封部件、铰链、密封门和视窗等。本发明有益效果在于：1、整体为模块化组合式结构，便于进行装配使用，同时可实现智能自动化的生产作业；2、循环流动冷却部件，工作时换热系数很大，大大增加了铸件冷却速度和凝固过程中的温度梯度，尤其适合大尺寸定向叶片的制造，同时由于具有较高的冷却速率，材料凝固偏析明显降低，使大型铸件的热处理简单易行，节约成本，提高效率，并且可以显著提高材料的组织稳定性。

说明书

技术领域

本发明属于合金铸造应用技术领域，具体涉及一种合金铸造的定向凝固装置及含有其的凝固系统。

背景技术

制备定向和单晶铸件的关键是控制凝固过程，使固液界面温度梯度足够大，并在液相区内维持正向温度梯度以阻止其它新晶粒形成。目前国内小型航空叶片工业生产中普遍应用的是高速凝固法(HRS)定向凝固工艺，随铸型尺寸增加，定向凝固中的温度梯度显著降低，较易出现斑点、等轴晶等铸造缺陷，同时在高温下合金与模壳、陶瓷型芯容易发生反应。此外，由于凝固速率慢，铸件偏析严重，热处理困难，因此HRS法生产重型燃机用大尺寸叶片时，成品率低，效率低，成本高。

LMC技术是目前最先进的定向凝固技术之一，其基本原理是：直接将模壳拉入低熔点金属浴槽，由于液态金属与模壳之间换热系数很大，热量始终通过热传导带走，大大增加了铸件冷却速度和凝固过程中的温度梯度，而且整个定向凝固过程中固液界面的温度梯度受铸件尺寸影响很小，尤其适合大尺寸定向叶片的制造。由于具有较高的冷却速率，材料凝固偏析明显降低，使大型铸件的热处理简单易行，节约成本，提高效率，并且可以显著提高材料的组织稳定性。

而如何设计一种装置实现单晶高温合金叶片模壳的冷却定向凝固是当前所亟需解决的。

因此，基于上述问题，本发明提供一种合金铸造的定向凝固装置及含有其的凝固系统。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种合金铸造的定向凝固装置及含有其的凝固系统，其整体结构设计合理，能对待模块进行旋转式的循环散热降温，

解决背景技术中所存在的技术问题，实现单晶高温合金叶片模壳的冷却定向凝固。

技术方案：本发明的第一方面提供一种合金铸造的定向凝固装置，包括真空炉外壳、内壳、加料口、加热内胆、电阻加热器、电导线，所述真空炉外壳下部设置有卧式箱体，及对称设置在真空炉外壳下端外侧的横弧形敞开式密封套，及设置在卧式箱体上部端面内的卧式箱体通槽，及设置在卧式箱体内的循环流动冷却部件，及设置在卧式箱体两端底面的竖支撑腿，及两端分别与竖支撑腿连接的横板，及设置在卧式箱体上部两侧外壁，且与横弧形敞开式密封套相配合使用的水平密封部件，及设置在横板上的模壳伸缩旋转控制部件，及设置在卧式箱体上部一侧的若干个窗口，及设置在卧式箱体，且位于窗口一侧的铰链，及与铰链连接，且与窗口相配合使用的密封门，及设置在密封门上的视窗；所述循环流动冷却部件，用于对模壳进行循环的散热降温；所述水平密封部件，用于加热内胆、电阻加热器熔炼时的密封；所述模壳伸缩旋转控制部件，用于与循环流动冷却部件相配合使用对模壳进行旋转辅助散热。

本技术方案的，所述循环流动冷却部件，包括设置在卧式箱体内部的喇叭形集料块，及设置在喇叭形集料块内的石墨烯纳米球颗粒，及设置在卧式箱体上部，且与喇叭形集料块连接的若干个进料管，及与进料管连接的循环进料管，及与循环进料管连接的循环颗粒进料泵，及设置在卧式箱体下部，且与喇叭形集料块连接的若干个出料管，及与出料管连接的循环出料管，及与循环出料管连接的循环颗粒出料泵，及设置在卧式箱体一侧的石墨烯纳米球颗粒冷却塔，及设置在石墨烯纳米球颗粒冷却塔上部端面的出气口，及设置在石墨烯纳米球颗粒冷却塔上部外壁的若干个石墨烯纳米球颗粒冷却塔进料口，及设置在石墨烯纳米球颗粒冷却塔下部外壁的若干个石墨烯纳米球颗粒冷却塔出料口，其中，石墨烯纳米球颗粒冷却塔进料口、石墨烯纳米球颗粒冷却塔出料口分别与循环颗粒出料泵、循环颗粒进料泵连接，及设置在石墨烯纳米球颗粒冷却塔外壁，且位于石墨烯纳米球颗粒冷却塔进料口、石墨烯纳米球颗粒冷却塔出料口之间的若干个支冷气导管，及分别与若干个支冷气导管一端连接的主冷气导管，及与主冷气导管连接的冷气进气风机。

本技术方案的，还包括设置在石墨烯纳米球颗粒冷却塔内壁，且位于相邻支冷气导管之间的若干个斜导流网板，及分别设置在支冷气导管一端的冷气布气头，及设置在石墨烯纳米球颗粒冷却塔底部内壁的石墨烯纳米球颗粒收集凹槽，其中，石墨烯纳米球颗粒冷却塔出料口的一端贯穿石墨烯纳米球颗粒冷却塔，且与石墨烯纳米球颗粒收集凹槽连接。

本技术方案的，所述水平密封部件，包括对称设置在卧式箱体上部外壁的一组横气缸座，及设置在横气缸座上的横气缸，及设置在横气缸一端，且位于横弧形敞开式密封套内的连接部，及设置在横弧形敞开式密封套内，且与连接部连接的弧形密封板，及对称设置在弧形密封板内的两组半圆形卡槽、竖杆圆形卡槽。

本技术方案的，所述模壳伸缩旋转控制部件，包括设置在横板对称中心线上的第一竖气缸，及设置在第一竖气缸一端的电机座，及设置在电机座上的竖驱动电机，及与竖驱动电机连接的联轴器，及设置在卧式箱体对称中心线底部内的保护套，及一端与联轴器连接、另一端依次贯穿卧式箱体、保护套的伸缩式传动轴，及设置在伸缩式传动轴一端的模壳座，及设置在模壳座外壁的模壳座限位块，及设置在伸缩式传动轴上，且与保护套相配合使用的第一密封圈，竖杆圆形卡槽与伸缩式传动轴相配合使用。

本技术方案的，还包括设置在电机座外壁的一组电机座定位块，及设置在电机座定位块内的电机座定位块通孔，及一端与卧式箱体底部连接、另一端贯穿电机座定位块通孔，且与横板连接的第一竖限位杆。

本技术方案的，还包括设置在横板上，且一端位于卧式箱体内的模壳伸缩控制部件，用于与模壳伸缩旋转控制部件的模壳座限位块相配合使用，对模壳座限位块进行支撑限位，模壳伸缩控制部件，包括对称设置在第一竖气缸两侧的一组第二竖气缸，及分别设置在第二竖气缸一端的竖杆连接块，及一端与竖杆连接块连接、另一端位于卧式箱体内的竖杆，及设置在竖杆上且与卧式箱体相配合使用的第二密封圈，及分别与竖杆另一端连接的模壳座限位块支撑横板，及设置在模壳座限位块支撑横板对称中心线内的伸缩式传动轴通槽，其中，模壳座限位块与模壳座限位块支撑横板接触，两组半圆形卡槽与竖杆相配合使用。

本技术方案的，还包括设置在横板上，且分别位于竖杆连接块两侧的竖杆连接块限位耳板，及分别设置在竖杆连接块限位耳板内的竖杆连接块限位耳板通孔，及一端与卧式箱体底部连接、另一端贯穿竖杆连接块限位耳板通孔，且与横板连接的第二竖限位杆。

本技术方案的，还包括设置在横弧形敞开式密封套内，且与横气缸相配合使用的横气缸隔热密封圈，及设置在石墨烯纳米球颗粒收集凹槽内的温度传感器。

本发明的第二方面提供一种凝固系统，含有所述的合金铸造的定向凝固装置。

与现有技术相比，本发明的一种合金铸造的定向凝固装置及含有其的凝固系统的有益效果在于：1、整体为模块化组合式结构，便于进行装配使用，同时可实现智能自动化的生产作业；2、循环流动冷却部件，工作时直接将模壳拉入低熔点纳米球浴槽（沙床），由于纳米球的导热系数高与模壳之间换热系数很大，热量始终通过热传导带走，大大增加了铸件冷却速度和凝固过程中的温度梯度，而且整个定向凝固过程中固液界面的温度梯度受铸件尺寸影响很小，尤其适合大尺寸定向叶片的制造，同时由于具有较高的冷却速率，材料凝固偏析明显降低，使大型铸件的热处理简单易行，节约成本，提高效率，并且可以显著提高材料的组织稳定性；3、可实现模壳的防裂，石墨烯纳米球颗粒的对旋转的模壳进行挤压分裂（热等静压），石墨烯纳米球颗粒对高温合金等缩松缩孔的铸件进行热致密化处理，通过热等静压处理后，铸件可以达到100%致密化，提高铸件的整体力学性能。

附图说明

图1是本发明的一种合金铸造的定向凝固装置的主视结构示意图；

图2是本发明的一种合金铸造的定向凝固装置的连接部、弧形密封板、两组半圆形卡槽、竖杆圆形卡槽的等的俯视结构示意图；

图3是本发明的一种合金铸造的定向凝固装置的模壳伸缩旋转控制部件、一组第二竖气缸、竖杆连接块等的侧视结构示意图；

图4是本发明一种合金铸造的定向凝固装置的石墨烯纳米球颗粒冷却塔、出气口、若干个石墨烯纳米球颗粒冷却塔进料口等的结构示意图；

图5是本发明的一种合金铸造的定向凝固装置的卧式箱体、窗口、铰链、密封门等的俯视部分结构示意图；

其中，图纸序号如下：10-卧式箱体、10-1-卧式箱体通槽、11-竖支撑腿、12-横板、13-真空炉外壳、14-内壳、15-加热内胆、16-加料口、17-电阻加热器、18-电导线、19-横气缸座、20-横气缸、21-横弧形敞开式密封套、22-连接部、23-弧形密封板、24-横气缸隔热密封圈、25-石墨烯纳米球颗粒、26-第二竖气缸、27-竖杆连接块、28-模壳座限位块支撑横板、29-伸缩式传动轴通槽、30-竖杆、31-第二密封圈、32-第一竖气缸、33-电机座、34-竖驱动电机、35-联轴器、36-保护套、37-第一密封圈、38-伸缩式传动轴、39-模壳座、40-电机座定位块、41-喇叭形集料块、42-电机座定位块通孔、43-第一竖限位杆、44-竖杆连接块限位耳板、45-竖杆连接块限位耳板通孔、46-第二竖限位杆、47-半圆形卡槽、48-循环进料管、49-循环颗粒进料泵、50-出料管、51-循环出料管、52-循环颗粒出料泵、53-石墨烯纳米球颗粒冷却塔、54-出气口、55-石墨烯纳米球颗粒冷却塔进料口、56-石墨烯纳米球颗粒冷却塔出料口、57-冷气进气风机、58-主冷气导管、59-支冷气导管、60-冷气布气头、61-斜导流网板、62-石墨烯纳米球颗粒收集凹槽、63-温度传感器、64-铰链、65-密封门、66-视窗、67-窗口、68-竖杆圆形卡槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

如图1、图2、图3、图4和图5所示的一种合金铸造的定向凝固装置，包括真空炉外壳13、加料口16、内壳14、加热内胆15、电阻加热器17、电导线18，

真空炉外壳13下部设置有卧式箱体10，及对称设置在真空炉外壳13下端外侧的横弧形敞开式密封套21，及设置在卧式箱体10上部端面内的卧式箱体通槽10-1，及设置在卧式箱体10内的循环流动冷却部件，及设置在卧式箱体10两端底面的竖支撑腿11，及两端分别与竖支撑腿11连接的横板12，及设置在卧式箱体10上部两侧外壁，且与横弧形敞开式密封套21相配合使用的水平密封部件，及设置在横板12上的模壳伸缩旋转控制部件，及设置在卧式箱体10上部一侧的若干个窗口67，及设置在卧式箱体10，且位于窗口67一侧的铰链64，及与铰链64连接，且与窗口67相配合使用的密封门65，及设置在密封门65上的视窗66；

循环流动冷却部件，用于对模壳进行循环的散热降温；

水平密封部件，用于加热内胆15、电阻加热器17熔炼时的密封；

模壳伸缩旋转控制部件，用于与循环流动冷却部件相配合使用对模壳进行旋转辅助散热。

其中，循环流动冷却部件，包括设置在卧式箱体10内部的喇叭形集料块41，及设置在喇叭形集料块41内的石墨烯纳米球颗粒25，及设置在卧式箱体10上部，且与喇叭形集料块41连接的若干个进料管47，及与进料管47连接的循环进料管48，及与循环进料管48连接的循环颗粒进料泵49，及设置在卧式箱体10下部，且与喇叭形集料块41连接的若干个出料管50，及与出料管50连接的循环出料管51，及与循环出料管51连接的循环颗粒出料泵52，及设置在卧式箱体10一侧的石墨烯纳米球颗粒冷却塔53，及设置在石墨烯纳米球颗粒冷却塔53上部端面的出气口54，及设置在石墨烯纳米球颗粒冷却塔53上部外壁的若干个石墨烯纳米球颗粒冷却塔进料口55，及设置在石墨烯纳米球颗粒冷却塔53下部外壁的若干个石墨烯纳米球颗粒冷却塔出料口56，其中，石墨烯纳米球颗粒冷却塔进料口55、石墨烯纳米球颗粒冷却塔出料口56分别与循环颗粒出料泵52、循环颗粒进料泵49连接，及设置在石墨烯纳米球颗粒冷却塔53外壁，且位于石墨烯纳米球颗粒冷却塔进料口55、石墨烯纳米球颗粒冷却塔出料口56之间的若干个支冷气导管59，及分别与若干个支冷气导管59一端连接的主冷气导管58，及与主冷气导管58连接的冷气进气风机57，用于通过循环石墨烯纳米球颗粒25的对模壳进行循环的凝固散热降温。

此外，还包括设置在石墨烯纳米球颗粒冷却塔53内壁，且位于相邻支冷气导管59之间的若干个斜导流网板61，及分别设置在支冷气导管59一端的冷气布气头60，及设置在石墨烯纳米球颗粒冷却塔53底部内壁的石墨烯纳米球颗粒收集凹槽62，其中，石墨烯纳米球颗粒冷却塔出料口56的一端贯穿石墨烯纳米球颗粒冷却塔53，且与石墨烯纳米球颗粒收集凹槽62连接，用于对循环石墨烯纳米球颗粒25进行快速的冷却，以便循环至卧式箱体10对模壳可靠的凝固散热降温。

其中，水平密封部件，包括对称设置在卧式箱体10上部外壁的一组横气缸座19，及设置在横气缸座19上的横气缸20，及设置在横气缸20一端，且位于横弧形敞开式密封套21内的连接部22，及设置在横弧形敞开式密封套21内，且与连接部22连接的弧形密封板23，及对称设置在弧形密封板23内的两组半圆形卡槽47、竖杆圆形卡槽68，其中，横弧形敞开式密封套21、弧形密封板23均为隔热保温材质，用于对真空炉外壳13、内壳14、加热内胆15、电阻加热器17、电导线18等作业时进行密封，将石墨烯纳米球颗粒25与熔炼作业时的真空炉外壳13、内壳14等隔离。

其中，模壳伸缩旋转控制部件，包括设置在横板12对称中心线上的第一竖气缸32，及设置在第一竖气缸32一端的电机座33，及设置在电机座33上的竖驱动电机34，及与竖驱动电机34连接的联轴器35，及设置在卧式箱体10对称中心线底部内的保护套36，及一端与联轴器35连接、另一端依次贯穿卧式箱体10、保护套36的伸缩式传动轴38，及设置在伸缩式传动轴38一端的模壳座39，及设置在模壳座39外壁的模壳座限位块40，及设置在伸缩式传动轴38上，且与保护套36相配合使用的第一密封圈37，竖杆圆形卡槽68与伸缩式传动轴38相配合使用，当模壳需要通过石墨烯纳米球颗粒25进行凝固降温、散热时，对模壳进行旋转，实现均衡、快速的凝固降温、散热，提高凝固的铸件品质。

此外，还包括设置在电机座33外壁的一组电机座定位块40，及设置在电机座定位块40内的电机座定位块通孔42，及一端与卧式箱体10底部连接、另一端贯穿电机座定位块通孔42，且与横板12连接的第一竖限位杆43，此种结构设计，用于对升/降调整的电机座33进行水平的限位，实现竖驱动电机34驱动旋转作业时或升/降调整作业时电机座33上竖驱动电机34等的垂直稳定性。

其中，还包括设置在横板12上，且一端位于卧式箱体10内的模壳伸缩控制部件，用于与模壳伸缩旋转控制部件的模壳座限位块40相配合使用，对模壳座限位块40进行支撑限位，模壳伸缩控制部件，包括对称设置在第一竖气缸32两侧的一组第二竖气缸26，及分别设置在第二竖气缸26一端的竖杆连接块27，及一端与竖杆连接块27连接、另一端位于卧式箱体10内的竖杆30，及设置在竖杆30上且与卧式箱体10相配合使用的第二密封圈31，及分别与竖杆30另一端连接的模壳座限位块支撑横板28，及设置在模壳座限位块支撑横板28对称中心线内的伸缩式传动轴通槽29，其中，模壳座限位块40与模壳座限位块支撑横板28接触，两组半圆形卡槽47与竖杆30相配合使用，此种结构设计，用于对模壳座39进行辅助的垂直支撑，实现垂直调整模壳座39上模壳位置时稳定性，即模壳座限位块支撑横板28与模壳座限位块40接触，对模壳座39进行支撑，其中，模壳座限位块40设置为包括但不仅限于圆形凸板结构。

其中，还包括设置在横板12上，且分别位于竖杆连接块27两侧的竖杆连接块限位耳板44，及分别设置在竖杆连接块限位耳板44内的竖杆连接块限位耳板通孔45，及一端与卧式箱体10底部连接、另一端贯穿竖杆连接块限位耳板通孔45，且与横板12连接的第二竖限位杆46，此种结构设计，实现对竖杆30升/降调整时的水平限位，实现升/降调整模壳座限位块支撑横板28的可靠性。

其中，还包括设置在横弧形敞开式密封套21内，且与横气缸20相配合使用的横气缸隔热密封圈24，及设置在石墨烯纳米球颗粒收集凹槽62内的温度传感器63，用于与智能自动化控制系统连接，实现降温后石墨烯纳米球颗粒25温度的显示，实现智能式生产控制。

本发明的应用，一种凝固系统，含有所述的合金铸造的定向凝固装置。

本结构的合金铸造的定向凝固装置工作原理或结构原理：

（1）控制启动第一竖气缸32，第一竖气缸32通过电机座33、竖驱动电机34、联轴器35、伸缩式传动轴38将模壳座39上的模壳垂直伸入加热内胆15内；

（2）控制启动气缸20，横气缸20通过连接部22驱动弧形密封板23在

横弧形敞开式密封套21相向运动进行密封，其中竖杆圆形卡槽68与伸缩式传动轴38接触（卡入）进行密封；

（3）通过电导线18开启电阻加热器17对模壳内的原料进行加热；

（4）熔炼加热完成后，重复（2）的动作，此时横气缸20通过连接部22驱动弧形密封板23在横弧形敞开式密封套21相反运动进行打开，其中竖杆圆形卡槽68与伸缩式传动轴38脱离；

（5）分别开启循环颗粒出料泵52、循环颗粒进料泵49、冷气进气风机57，此时石墨烯纳米球颗粒25在卧式箱体10、石墨烯纳米球颗粒冷却塔53内循环，而冷气进气风机57对石墨烯纳米球颗粒25进行降温；

（5）重复（1）的动作，此时第一竖气缸32通过电机座33、竖驱动电机34、联轴器35、伸缩式传动轴38将模壳座39上的模壳垂直收缩脱离加热内胆15，并拉至喇叭形集料块41内的石墨烯纳米球颗粒25内；

（6）启动竖驱动电机34，竖驱动电机34通过联轴器35、伸缩式传动轴38带动模壳座39旋转，模壳座39带动模壳同步旋转式的凝固散热、降温；

（7）当完成凝固散热、降温后，竖驱动电机34停机，重复进行（1）的动作，此时启动第一竖气缸32通过电机座33、竖驱动电机34、联轴器35、伸缩式传动轴38将模壳座39上的模壳垂直升起调整至卧式箱体10外壁窗口67的位置，打开密封门65取出凝固后模壳即可；

（8）重复（1）至（7）的动作，进行下一铸造模块的定向凝固。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。