專利名稱：一種液態金屬冷卻定向凝固鑄造設備用隔熱擋板的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種液態金屬冷卻定向凝固鑄造設備用隔熱擋板。具體地講是一種消 除徑向熱流，保證一維熱流的防輻射隔熱擋板。
背景技術：
定向及單晶葉片由于消除了垂直于應力軸的橫向晶界，晶向和作用于葉片的應力 方向平行，耐溫能力明顯提高，具有更好的縱向機械性能，能夠在高溫燃氣的惡劣環境中長 時間工作，非常適宜于燃氣輪機對葉片的工況要求。目前制造定向組織或單晶組織鑄件的定向凝固設備主要有快速凝固法(HRS)定 向凝固設備和液態金屬冷卻法(LMC)定向凝固設備，這兩種工藝設備是工業上普遍應用 的，為航空發動機和地面燃氣輪機定向和單晶葉片制造做出了重要貢獻。HRS法通過爐內加 熱保溫區和鑄件底部水冷托盤及輻射散熱實現正的溫度梯度。但隨鑄件從保溫區域拉出， 散熱逐漸變為以輻射為主，散熱效率很快下降，導致凝固前沿的溫度梯度不斷降低，所生產 的鑄件組織不均勻。特別是對于大尺寸燃氣輪機葉片的生產，HRS法的上述缺點十分突出。 為克服HRS方法的不足，LMC法應運而生，LMC法以低熔點液態金屬作為冷卻區域的冷卻 介質，鑄件散熱大大增強，溫度梯度和凝固速率較高，獲得的鑄件組織細密、缺陷較少，且鑄 件組織均勻，可滿足工業燃氣輪機大尺寸葉片及高性能航空發動機葉片定向凝固生產的要 求。無論是HRS法還是LMC法，防輻射隔熱擋板是制約獲得優良鑄件的一個瓶頸。眾所周知，鑄件定向凝固需要兩個條件首先，熱流向單一方向流動并垂直于生長 中的固_液界面；其次，晶體生長前方的熔液中沒有結晶核心。為此，在工藝上必須采取措 施避免側向散熱，同時在靠近固-液界面的熔液中應造成較大的溫度梯度。這是保證定向 柱晶和單晶生長挺直，取向正確的基本要素。為了達到最大的溫度梯度，關鍵是要使保溫爐 熱區的熱量向保溫爐外冷區的熱輻射損失減到最小，使熱量主要通過激冷盤傳導，以及通 過鑄型表面向外界散失，為了促進垂直于零件橫截面的熱流，隔熱擋板的設置對固液界面 前沿的溫度梯度有重要的影響。加拿大專利(專利號2106151)敘述了一種定向凝固裝置 用熱輻射擋板，這種熱輻射擋板具有一定的柔韌性，中間開有一條狹縫或十字交叉型狹縫 等形狀，鑄型通過時，狹縫被撐開，但是狹縫的兩端仍有很大的空隙。美國專利(專利號 USP6510889)使用多級擋板的定向凝固裝置，放置在加熱保溫爐的底端。包括一個固定初級 擋板，放置在定向爐的底端，第二級擋板可解開，臨近并在初級擋板的下方，初級擋板向下 移動并接觸第二級擋板時，可向下頂出次級擋板的臨時支撐，從而使次級擋板落下，不影響 鑄件抽拉。中國專利(專利號=200510046341. 3)敘述了一種定向凝固鑄造用隔熱擋板，由 兩塊或多塊拼合而成，外圈與鑄型保溫爐爐體緊密結合，內圈形狀尺寸和所用模殼形狀尺 寸吻合。但這種擋板受鑄件形狀限制，擋板和鑄件之間的縫隙達0.5 10mm。以上擋板安 裝在HRS定向凝固爐中，雖然仍有一定的輻射熱從縫隙中散失，但散失量明顯減少，對防止 熱量從熱區向冷區輻射，提高溫度梯度起到了很大的作用。
但是，對于LMC工藝，鑄型拉出加熱保溫爐后，浸入液態金屬冷卻介質中。在鑄型 加熱區和液態金屬冷卻熔池液面間存在一個過渡區域，在這一過渡區域熱量向外界散失， 引起不希望的徑向溫度梯度，凝固前沿的曲率也增大，導致定向或單晶組織鑄件縮松、大角 度晶界、雀斑等致命缺陷，削弱了 LMC的高梯度優勢。采用LMC工藝定向凝固抽拉過程中， 在某些情況下合金液在加熱區和液態金屬冷卻區的過渡區域就已經處于液相線溫度以下， 凝固在這之間的很短距離就已經發生了。由于在過渡區大量的熱輻射損失，削弱了單晶和 定向柱晶生長條件。因此，防止這一過渡區域的徑向熱量損失，消除徑向溫度梯度，保持軸 向的高溫度梯度是LMC工藝的一個關鍵技術。美國專利(專利號USP5899257)使加熱保溫 爐底部接觸或進入液態金屬冷卻介質表面的浮動隔熱層里面。但是這種方法容易使液態金 屬冷卻介質進入加熱保溫爐，損壞加熱元件，造成液態冷卻介質揮發。美國專利(專利號 USP4108236)在加熱保溫爐和液態金屬冷卻介質熔池之間加了一塊隔熱擋板，凝固過程中， 擋板漂浮在液態錫上面，減少了鑄型浸入冷卻熔池前的熱量損失，但是熱量仍然會從徑向 流失，仍然存在徑向溫度梯度。美國專利(專利號USP6557618)披露了一種用來制造定向 和單晶組織并且軸肩尺寸很大的大型定向或單晶組織葉片的方法。將隔熱擋板分布在鑄型 周圍，和鑄型豎直線同心，固定在鑄型上，隨鑄型一起浸入液態金屬冷卻介質中，擋板材料 為石墨紙或碳及碳基復合材料。垂直擋板可以降低溫度梯度的徑向分量，使界面尺寸變化 大的鑄件過渡區的組織缺陷和縮松降低，形成小角度晶界，避免了大角度晶界的形成。與以 前的工藝相比，提高了單晶成品率。但是這種擋板的制造工藝復雜，而且不易固定，容易從 鑄型脫落。
發明內容
本發明的目的，是提供一種穩定可靠的隔熱擋板，該隔熱擋板能降低或消除溫度 梯度的徑向分量，提高溫度梯度的軸向數值，保證嚴格的軸向一維熱流。采用的技術方案是一種液態金屬冷卻定向凝固鑄造設備用隔熱擋板，該隔熱擋板為環形擋板，所述 環形擋板由兩個結構相同的半環形擋板對接構成。所述兩個半環形擋板是由氧化鋯制成，或由石墨片夾硅酸鋁纖維氈制成，厚度為 10-50mmo該隔熱擋板為生產定向柱晶和單晶組織鑄件提供了良好的生成條件，提高了 固-液界面前沿的溫度梯度和凝固速度。該隔熱擋板為可移動隔熱擋板，位于加熱保溫爐 固定隔熱擋板和液態金屬介質錫液面上浮動隔熱擋板之間，此種可移動隔熱擋板減少了熱 量沿徑向方向的散失，保證了鑄件沿軸向方向的嚴格的一維熱流，減小或消除了徑向溫度 梯度，減輕或消除了鑄件中的縮松、大角度晶界、雀斑等致命缺陷的產生，改善了微觀組織， 抑制了鑄型壁上雜晶的生成。
圖1為液態金屬冷卻定向凝固裝置縱截面圖。圖2為過渡區熱量散失示意圖。圖3是本發明的可移動隔熱擋 橫截面圖。
圖4是本發明的可移動隔熱擋板復位后定向柱晶生長示意圖。
具體實施例方式實施例一種液態金屬冷卻定向凝固鑄造設備用隔熱擋板，為環形擋板13，所述環形擋板 13可在水平面內左右移動，環形擋板13由半環形擋板15和半環形擋板16拼合構成，半環 形擋板16與半環形擋板15在結構上相同，是由氧化鋯或硅片夾硅酸鋁纖維氈制成。本發明的隔熱擋板使用原理以前的LMC工藝，只在加熱室保溫爐的底部設置固定隔熱擋板，阻止熱量由加熱 區向冷卻區散失，并在液態金屬冷卻介質表面設置浮動擋板，進一步阻止熱量由加熱區向 冷卻區散失，提高固-液界面前沿的溫度梯度。但是由于在加熱區和冷卻區之間存在一過 渡區域間隙“G”，如圖1所示。抽拉過程中，充滿液態金屬的鑄型4在加熱保溫爐2中被加 熱器3和5加熱到一定的溫度，然后在抽拉軸10的帶動下以一定的速度逐漸進入冷卻區 域，伸入液態金屬冷卻介質容器9所容納的液態金屬冷卻介質錫8中，在這一過程中，鑄型 在過渡區域“G”，散失了很大的熱量，如圖2所示，導致軸向方向的溫度梯度增大，徑向方向 的溫度梯度降低，鑄件出現雀斑、大角度晶界等晶體缺陷，導致鑄件報廢。本發明隔熱擋板13置于加熱保溫爐固定隔熱擋板6與盛裝在液態金屬錫的容器9 內的液態金屬錫液面上浮動隔熱擋板7之間。見圖4，由液壓機構(圖中未示出)控制導向 套11，沿導向軸12在水平面內左右移動，如圖中R-L所示。鑄型4進入加熱區加熱保溫爐2 之前，隔熱擋板13處于打開狀態，鑄型可以順利進入加熱保溫爐，這時分別給加熱器3和5 通電，使加熱區的溫度逐漸升高到待澆注合金液相線溫度以上，合金熔煉并過熱后，以常規 方法通過漏斗1澆入被加熱的鑄型，啟動抽拉機構，使鑄型或固定鑄型的激冷盤在抽拉軸 10的帶動下以一定的速度下移，進入液態金屬冷卻介質中，同時啟動液壓裝置，使可移動隔 熱擋板閉合。在這一定向凝固過程中，可移動隔熱擋板在加熱保溫爐和液態金屬冷卻介質 之間起到了很好的阻止徑向方向熱量損失的作用，提供了嚴格的單向軸向熱量從凝固鑄件 中傳出，有利于形成柱狀晶14組織和單晶組織。消除了鑄件中的縮松、大角度晶界、雀斑等 缺陷，降低了枝晶間隙，消除了雜晶形成隱患，提高了產品合格率。而且由于減小了枝晶間 距，明顯縮短了鑄件熱處理時間，熱處理過程中溶質擴散時間與枝晶間距離的平方成正比。
權利要求
一種液態金屬冷卻定向凝固鑄造設備用隔熱擋板，其特征是由半環形擋板(15)和半環形擋板(16)對接構成的環形隔熱擋板(13)，能在小平面內左、右移動。
2.根據權利要求1所述的一種液態金屬冷卻定向凝固鑄造設備用隔熱擋板，其特征在 于所述半環形擋板(15)和半環形擋板(16)是由氧化鋯制成或由石墨片夾硅酸鋁纖維氈 壓制而成，厚度10 50mm。
3.根據權利要求1所述的一種液態金屬冷卻定向凝固鑄造設備用隔熱擋板，其特征在 于使用時所述隔熱擋板(13)與固定隔熱擋板(6)和浮動隔熱擋板(7)以及加熱保溫爐 (2)共同形成封閉空間。
全文摘要
一種液態金屬冷卻定向凝固鑄造設備用隔熱擋板，其特征是由半環形擋板和半環形擋板對接構成的環形隔熱擋板，能在小平面內左、右移動。所述半環形擋板和半環形擋板是由氧化鋯制成或由石墨片夾硅酸鋁纖維氈壓制而成，厚度10～50mm。使用時所述隔熱擋板與固定隔熱擋板和浮動隔熱擋板以及加熱保溫爐共同形成封閉空間。該隔熱擋板為生產定向柱晶和單晶組織鑄件提供了良好的生成條件，提高了固-液界面前沿的溫度梯度和凝固速度。
文檔編號B22D27/04GK101934367SQ201010274038
公開日2011年1月5日 申請日期2010年9月7日 優先權日2010年9月7日
發明者于波, 劉孝福, 婁延春, 蘇貴橋 申請人:沈陽鑄造研究所