專利名稱：一種改善單晶鑄件凝固過(guò)程中溫度分布的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高溫合金定向凝固領(lǐng)域，特指一種改善單晶鑄件凝固過(guò)程中溫度分布的方法。
背景技術(shù)：
從上個(gè)世紀(jì)50年代起，為了提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的功能和效率，人們成功地利用高溫合金定 向凝固技術(shù)將渦輪機(jī)葉片制成單晶形態(tài)。由于消除了晶界這個(gè)高溫工作條件下的薄弱環(huán)節(jié)， 使得葉片的高溫工作壽命提高了幾七倍。最近二十年來(lái)，隨著能源和環(huán)境保護(hù)問(wèn)題的日益緊 迫，各工業(yè)化國(guó)家都在致力于提高工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)尤其是屯站燃?xì)廨啓C(jī)的效率。其中最重要的 措施就是把航空發(fā)動(dòng)機(jī)的單晶葉片技術(shù)應(yīng)用到大型工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的葉片制造中。由于燃?xì)廨?機(jī)的葉片尺寸遠(yuǎn)大于航空葉片，重量增加了幾十倍，使得其單晶鑄件的生產(chǎn)變得極為凼難。 外來(lái)晶的形成，多發(fā)生在葉片截面發(fā)生強(qiáng)烈變化的部位，如葉片的本部到葉冠的連接處，截 面尺寸一般都會(huì)有幾十毫米的擴(kuò)展。葉冠邊緣(附圖1中B處)，由于模殼薄散熱條件好， 能很快冷卻到液相線溫度(TO以下，造成溶液的過(guò)冷；而葉冠內(nèi)角(附圖1中A處)，由于散 熱條件極差，能長(zhǎng)時(shí)間地保持過(guò)熱狀態(tài)。這個(gè)熱節(jié)點(diǎn)阻礙了葉片木部的單晶生長(zhǎng)向葉冠邊緣 B處的擴(kuò)展，使得B處的過(guò)冷度越來(lái)越大，最終導(dǎo)致第二品粒的形核和生長(zhǎng)，破壞了整個(gè)葉 片的單晶性。因此，通過(guò)調(diào)整外部模殼的散熱條件，改善定向單晶鑄件凝固過(guò)程中的溫度分 布，對(duì)于防止局部出現(xiàn)雜晶，至關(guān)重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠有效改善單品鑄件凝固過(guò)程中溫度分布的方法。 一種通過(guò)植入熱導(dǎo)體，改善單晶鑄件定向凝固過(guò)程中溫度分布的方法。在制備熔模鑄造 陶瓷模殼的過(guò)程中，將熱導(dǎo)體植入到鑄件凝固向外部傳熱過(guò)程中，易出現(xiàn)熱障的部位。上述 熱導(dǎo)體為石墨或SiC，石墨的導(dǎo)熱能力比陶瓷模殼高出幾十倍，在真空條件下具有良好的高 溫性能，而高溫合金的澆鑄和凝固均是在真空的條件下完成的。此外石墨價(jià)格便宜，易于加 工成所需要的形狀。SiC也可作為熱導(dǎo)體，但其硬度高，不易加工。
熱導(dǎo)體植入的具體方法是在熔(蠟)模表面第一或第二層陶瓷殼形成后，將熱導(dǎo)體用 制殼用陶瓷漿料粘接在預(yù)定位置；按通常精密鑄造模殼一樣的制備方法，進(jìn)行掛涂料、撒砂， 撒完砂后將熱導(dǎo)體外端的積砂抹去；當(dāng)熱導(dǎo)體為石墨時(shí)，對(duì)陶瓷模殼焙燒需在密閉的燒結(jié)爐 中進(jìn)行，燒結(jié)爐中放置石墨碎塊以吸收氧氣。或釆用以下燒結(jié)方法模殼先60(TC預(yù)燒結(jié)徹 底脫蠟，澆鑄前在真空凝固爐中預(yù)熱模殼時(shí)，先進(jìn)行120CTC1小時(shí)的保溫?zé)Y(jié)，然后再加熱 到預(yù)定的預(yù)熱溫度進(jìn)行澆鑄；采用SiC熱導(dǎo)體在模殼制備過(guò)程中植入時(shí)，可按正常的方法進(jìn)行陶瓷模殼焙燒。
.采用石墨熱導(dǎo)體時(shí)，也可采用如下方法植入前，在石墨熱導(dǎo)體上涂一層蠟?zāi)ぁＣ撓炦^(guò) 程中，蠟?zāi)と刍療釋?dǎo)體脫落取出，在原來(lái)熱導(dǎo)體的位置留下空穴；然后按正常方法焙燒后， 再將石墨熱導(dǎo)體用陶瓷漿料粘入空穴中。
本發(fā)明的原理，即植入熱導(dǎo)體對(duì)模殼內(nèi)鑄件的溫度分布的影響，如附圖l所示。圖中1、 陶瓷模殼；2、熱區(qū)；3、隔熱擋板；4、冷區(qū)；5、熱導(dǎo)體。圖l(a)為通常未植入熱導(dǎo)體的陶 瓷模殼內(nèi)溫度場(chǎng)分布，圖l(b)為植入熱導(dǎo)休后的溫度分布。顯然通過(guò)植入一導(dǎo)熱體，可將葉 冠內(nèi)角A處的熱及時(shí)散出，使其迅速冷卻至液相線溫度以下。葉片本部的單晶生長(zhǎng)可以迅速 進(jìn)入葉冠并向外緣B處擴(kuò)展，避免此處因長(zhǎng)時(shí)間過(guò)冷而產(chǎn)生雜晶。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為具體應(yīng)用實(shí)施簡(jiǎn)單易行，無(wú)需改變?cè)械亩ㄏ蚰O(shè)備；通過(guò)熱導(dǎo)體 導(dǎo)出導(dǎo)熱熱障處的熱量，可有效調(diào)節(jié)和優(yōu)化單晶鑄件凝固過(guò)程中溫度場(chǎng)分布，保證單晶的順 利生長(zhǎng)和擴(kuò)展。


圖1:植入熱導(dǎo)體對(duì)模殼內(nèi)鑄件溫度分布的影響
(e)未植入熱導(dǎo)體的陶瓷模殼內(nèi)單品葉片鑄件的溫度場(chǎng)分布，可見(jiàn)顯然葉冠外緣B部位易形
成孤立的深過(guò)冷區(qū)從而弓1發(fā)雜晶；
(f)植入熱導(dǎo)體后單晶葉片鑄件的溫度分布，顯然使用熱導(dǎo)體技術(shù)可大大減輕A部位的熱量
集中，從而使單晶能在葉冠外緣達(dá)到深度過(guò)冷前，擴(kuò)展到該處。
圖2:葉片的幾何形狀和陶瓷模殼的結(jié)構(gòu) 圖3:植入熱導(dǎo)體對(duì)TY-等溫線的影響
(a) 沒(méi)有植入熱導(dǎo)體時(shí)，凝固甜沿T,-等溫線分布
(b) 植入熱導(dǎo)體后，凝固前沿L-等溫線分布
圖4:植入熱導(dǎo)體對(duì)單品葉片組織的影響
(c) 未植入熱導(dǎo)體時(shí)，葉片本體和葉冠連接區(qū)域的宏觀和微觀組織
(d) 植入熱導(dǎo)體時(shí)，葉片本體和葉冠連接區(qū)域的宏觀和微觀組織
1、陶瓷模殼，2、熱區(qū)，3、隔熱擋板，4、冷區(qū)，5、熱導(dǎo)體
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例
將本發(fā)明技術(shù)應(yīng)用于一單晶葉片的鑄造，葉片長(zhǎng)度為150mm，材料為CMSX6，陶瓷模 殼的結(jié)構(gòu)見(jiàn)附圖2。
附圖3為實(shí)際測(cè)定的凝固過(guò)程中陶瓷模殼內(nèi)，tl = 2105s和t2 = 2190s時(shí)刻的TY-等溫線
4分布。其中(a)圖為未植入熱導(dǎo)體，陶瓷模殼內(nèi)凝固過(guò)程中的TY-等溫線；(b)圖為植入熱導(dǎo)體 條件下，陶瓷模殼內(nèi)凝固過(guò)程中的T,-等溫線。明顯可見(jiàn)，液相線(TL)等溫線由于熱導(dǎo)體的作 用，由凹形變得明顯平緩。邊緣的過(guò)冷度由29t減少為18°C，過(guò)冷時(shí)間由244秒減少為150 秒，使得此處形成第二晶粒的可能性大大減小。
附圖4為植入和未植入熱導(dǎo)體所得葉片鑄件，葉片本體和葉冠連接區(qū)域的宏觀和微觀組 織的對(duì)比。未實(shí)施熱導(dǎo)體技術(shù)時(shí)，葉片在此區(qū)域?qū)嶋H上為多晶組織，即在葉冠邊緣出現(xiàn)了雜 晶；而實(shí)施本技術(shù)后，葉片為單晶組織。在應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)前，所澆鑄的單晶葉片鑄件， 在此部位單晶組織合格率僅為20%;而安裝熱導(dǎo)體后所生產(chǎn)的葉片鑄件，在此部位的單晶組 織全都合格。
可見(jiàn)，應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)，可有效改善葉冠內(nèi)角的散熱條件，使葉片本部的單晶生長(zhǎng)及 時(shí)擴(kuò)展到葉冠邊緣，從而避免了葉冠部分因過(guò)冷度太大而生成雜晶，大大提高了單晶產(chǎn)品的 合格率。
權(quán)利要求
1、一種改善單晶鑄件凝固過(guò)程中溫度分布的方法，具體為在熔(蠟)模表面第一或第二層陶瓷殼形成后，將熱導(dǎo)體用制殼用陶瓷漿料粘接在鑄件凝固向外部傳熱過(guò)程中易出現(xiàn)熱障的部位，熱導(dǎo)體為石墨或SiC；按通常精密鑄造模殼一樣的制備方法，進(jìn)行掛涂料、撒砂，撒完砂后將熱導(dǎo)體外端的積砂抹去后進(jìn)行燒結(jié)。
2、 權(quán)利要求l所述的一種改善單晶鑄件凝固過(guò)程中溫度分布的方法，其特征在于當(dāng)熱 導(dǎo)體為石墨時(shí)，對(duì)陶瓷模殼焙燒需在密閉的燒結(jié)爐中進(jìn)行，燒結(jié)爐中放置石墨碎塊以吸收氧 氣。
3、 權(quán)利要求1所述的一種改善單晶鑄件凝固過(guò)程中溫度分布的方法，其特征在于當(dāng)熱 導(dǎo)體為石墨時(shí)，采用以下燒結(jié)方法模殼先60(TC預(yù)燒結(jié)徹底脫蠟，澆鑄前在真空凝固爐中預(yù)熱模殼時(shí)，先進(jìn)行120(TC1小時(shí)的保溫?zé)Y(jié)，然后再加熱到預(yù)定的預(yù)熱溫度進(jìn)行澆鑄。
4、 權(quán)利要求1所述的一種改善單晶鑄件凝固過(guò)程中溫度分布的方法，其特征在于當(dāng)熱導(dǎo)體為SiC時(shí)，按常規(guī)方法進(jìn)行陶瓷模殼焙燒。
5、 一種改善單晶鑄件凝固過(guò)程中溫度分布的方法，具體為選用石墨為熱導(dǎo)體時(shí)，采用 如下方法植入鑄件凝固向外部傳熱過(guò)程中易出現(xiàn)熱障的部位前，在石墨熱導(dǎo)體上涂一層蠟 膜；脫蠟過(guò)程中，蠟?zāi)と刍療釋?dǎo)體脫落取出，在原來(lái)熱導(dǎo)體的位置留下空穴；然后按常規(guī)方 法焙燒后，再將石墨熱導(dǎo)體用陶瓷漿料粘入空穴中。
全文摘要
一種改善單晶鑄件凝固過(guò)程中溫度分布的方法，涉及高溫合金定向凝固領(lǐng)域。在制備熔模鑄造陶瓷模殼的過(guò)程中，將熱導(dǎo)體植入到鑄件凝固向外部傳熱過(guò)程中，易出現(xiàn)熱障的部位。上述熱導(dǎo)體為石墨或SiC。實(shí)際使用表明，應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)可使鑄件內(nèi)的過(guò)冷度差及過(guò)冷時(shí)間差大大減少，從而使雜晶產(chǎn)生的幾率明顯減少，使鑄件的單晶合格率大為提高。
文檔編號(hào)C30B29/10GK101537484SQ20091003021
公開(kāi)日2009年9月23日 申請(qǐng)日期2009年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月17日
發(fā)明者孫少純, 趙玉濤, 馬德新 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)