專利名稱：一種改善單晶鑄件凝固過程中溫度分布的方法
技術領域：
本發明涉及高溫合金定向凝固領域，特指一種改善單晶鑄件凝固過程中溫度分布的方法。
背景技術：
從上個世紀50年代起，為了提高航空發動機的功能和效率，人們成功地利用高溫合金定 向凝固技術將渦輪機葉片制成單晶形態。由于消除了晶界這個高溫工作條件下的薄弱環節， 使得葉片的高溫工作壽命提高了幾七倍。最近二十年來，隨著能源和環境保護問題的日益緊 迫，各工業化國家都在致力于提高工業燃氣輪機尤其是屯站燃氣輪機的效率。其中最重要的 措施就是把航空發動機的單晶葉片技術應用到大型工業燃氣輪機的葉片制造中。由于燃氣輪 機的葉片尺寸遠大于航空葉片，重量增加了幾十倍，使得其單晶鑄件的生產變得極為凼難。 外來晶的形成，多發生在葉片截面發生強烈變化的部位，如葉片的本部到葉冠的連接處，截 面尺寸一般都會有幾十毫米的擴展。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，造成溶液的過冷；而葉冠內角(附圖1中A處)，由于散 熱條件極差，能長時間地保持過熱狀態。這個熱節點阻礙了葉片木部的單晶生長向葉冠邊緣 B處的擴展，使得B處的過冷度越來越大，最終導致第二品粒的形核和生長，破壞了整個葉 片的單晶性。因此，通過調整外部模殼的散熱條件，改善定向單晶鑄件凝固過程中的溫度分 布，對于防止局部出現雜晶，至關重要。

發明內容
本發明的目的是提供一種能夠有效改善單品鑄件凝固過程中溫度分布的方法。 一種通過植入熱導體，改善單晶鑄件定向凝固過程中溫度分布的方法。在制備熔模鑄造 陶瓷模殼的過程中，將熱導體植入到鑄件凝固向外部傳熱過程中，易出現熱障的部位。上述 熱導體為石墨或SiC，石墨的導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。此外石墨價格便宜，易于加 工成所需要的形狀。SiC也可作為熱導體，但其硬度高，不易加工。
熱導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，將熱導體用 制殼用陶瓷漿料粘接在預定位置；按通常精密鑄造模殼一樣的制備方法，進行掛涂料、撒砂， 撒完砂后將熱導體外端的積砂抹去；當熱導體為石墨時，對陶瓷模殼焙燒需在密閉的燒結爐 中進行，燒結爐中放置石墨碎塊以吸收氧氣。或釆用以下燒結方法模殼先60(TC預燒結徹 底脫蠟，澆鑄前在真空凝固爐中預熱模殼時，先進行120CTC1小時的保溫燒結，然后再加熱 到預定的預熱溫度進行澆鑄；采用SiC熱導體在模殼制備過程中植入時，可按正常的方法進行陶瓷模殼焙燒。
.采用石墨熱導體時，也可采用如下方法植入前，在石墨熱導體上涂一層蠟膜。脫蠟過 程中，蠟膜熔化熱導體脫落取出，在原來熱導體的位置留下空穴；然后按正常方法焙燒后， 再將石墨熱導體用陶瓷漿料粘入空穴中。
本發明的原理，即植入熱導體對模殼內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；3、隔熱擋板；4、冷區；5、熱導體。圖l(a)為通常未植入熱導體的陶 瓷模殼內溫度場分布，圖l(b)為植入熱導休后的溫度分布。顯然通過植入一導熱體，可將葉 冠內角A處的熱及時散出，使其迅速冷卻至液相線溫度以下。葉片本部的單晶生長可以迅速 進入葉冠并向外緣B處擴展，避免此處因長時間過冷而產生雜晶。
本發明的優點為具體應用實施簡單易行，無需改變原有的定向凝同設備；通過熱導體 導出導熱熱障處的熱量，可有效調節和優化單晶鑄件凝固過程中溫度場分布，保證單晶的順 利生長和擴展。


圖1:植入熱導體對模殼內鑄件溫度分布的影響
(e)未植入熱導體的陶瓷模殼內單品葉片鑄件的溫度場分布，可見顯然葉冠外緣B部位易形
成孤立的深過冷區從而弓1發雜晶；
(f)植入熱導體后單晶葉片鑄件的溫度分布，顯然使用熱導體技術可大大減輕A部位的熱量
集中，從而使單晶能在葉冠外緣達到深度過冷前，擴展到該處。
圖2:葉片的幾何形狀和陶瓷模殼的結構 圖3:植入熱導體對TY-等溫線的影響
(a) 沒有植入熱導體時，凝固甜沿T,-等溫線分布
(b) 植入熱導體后，凝固前沿L-等溫線分布
圖4:植入熱導體對單品葉片組織的影響
(c) 未植入熱導體時，葉片本體和葉冠連接區域的宏觀和微觀組織
(d) 植入熱導體時，葉片本體和葉冠連接區域的宏觀和微觀組織
1、陶瓷模殼，2、熱區，3、隔熱擋板，4、冷區，5、熱導體
具體實施例方式
實施例
將本發明技術應用于一單晶葉片的鑄造，葉片長度為150mm，材料為CMSX6，陶瓷模 殼的結構見附圖2。
附圖3為實際測定的凝固過程中陶瓷模殼內，tl = 2105s和t2 = 2190s時刻的TY-等溫線
4分布。其中(a)圖為未植入熱導體，陶瓷模殼內凝固過程中的TY-等溫線；(b)圖為植入熱導體 條件下，陶瓷模殼內凝固過程中的T,-等溫線。明顯可見，液相線(TL)等溫線由于熱導體的作 用，由凹形變得明顯平緩。邊緣的過冷度由29t減少為18°C，過冷時間由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體所得葉片鑄件，葉片本體和葉冠連接區域的宏觀和微觀組 織的對比。未實施熱導體技術時，葉片在此區域實際上為多晶組織，即在葉冠邊緣出現了雜 晶；而實施本技術后，葉片為單晶組織。在應用本發明的技術前，所澆鑄的單晶葉片鑄件， 在此部位單晶組織合格率僅為20%;而安裝熱導體后所生產的葉片鑄件，在此部位的單晶組 織全都合格。
可見，應用本發明的技術，可有效改善葉冠內角的散熱條件，使葉片本部的單晶生長及 時擴展到葉冠邊緣，從而避免了葉冠部分因過冷度太大而生成雜晶，大大提高了單晶產品的 合格率。
權利要求
1、一種改善單晶鑄件凝固過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，將熱導體用制殼用陶瓷漿料粘接在鑄件凝固向外部傳熱過程中易出現熱障的部位，熱導體為石墨或SiC；按通常精密鑄造模殼一樣的制備方法，進行掛涂料、撒砂，撒完砂后將熱導體外端的積砂抹去后進行燒結。
2、 權利要求l所述的一種改善單晶鑄件凝固過程中溫度分布的方法，其特征在于當熱 導體為石墨時，對陶瓷模殼焙燒需在密閉的燒結爐中進行，燒結爐中放置石墨碎塊以吸收氧 氣。
3、 權利要求1所述的一種改善單晶鑄件凝固過程中溫度分布的方法，其特征在于當熱 導體為石墨時，采用以下燒結方法模殼先60(TC預燒結徹底脫蠟，澆鑄前在真空凝固爐中預熱模殼時，先進行120(TC1小時的保溫燒結，然后再加熱到預定的預熱溫度進行澆鑄。
4、 權利要求1所述的一種改善單晶鑄件凝固過程中溫度分布的方法，其特征在于當熱導體為SiC時，按常規方法進行陶瓷模殼焙燒。
5、 一種改善單晶鑄件凝固過程中溫度分布的方法，具體為選用石墨為熱導體時，采用 如下方法植入鑄件凝固向外部傳熱過程中易出現熱障的部位前，在石墨熱導體上涂一層蠟 膜；脫蠟過程中，蠟膜熔化熱導體脫落取出，在原來熱導體的位置留下空穴；然后按常規方 法焙燒后，再將石墨熱導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程中溫度分布的方法，涉及高溫合金定向凝固領域。在制備熔模鑄造陶瓷模殼的過程中，將熱導體植入到鑄件凝固向外部傳熱過程中，易出現熱障的部位。上述熱導體為石墨或SiC。實際使用表明，應用本發明的技術可使鑄件內的過冷度差及過冷時間差大大減少，從而使雜晶產生的幾率明顯減少，使鑄件的單晶合格率大為提高。
文檔編號C30B29/10GK101537484SQ20091003021
公開日2009年9月23日 申請日期2009年3月17日 優先權日2009年3月17日
發明者孫少純, 趙玉濤, 馬德新 申請人:江蘇大學