一種定向凝固用碳化矽型殼的製作方法

2023-05-18 09:56:06 2

專利名稱：一種定向凝固用碳化矽型殼的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及金屬的鑄造技術，特別提供了一種用於合金定向凝固的碳化矽型殼。
背景技術：
能源是國民經濟建設的動力，工業用高性能燃氣輪機是目前潔淨的能源動力系統之一，燃氣輪機葉輪製造技術主要源引航空發動機葉片的製造技術。因此，先進的高溫合金定向凝固技術也被用來研製工業燃氣輪機葉片。葉片的定向凝固是指在鑄造過程中控制熱流方向，使結晶沿著平行葉片主應力軸方向生長，形成定向生長的柱晶組織的鑄造技術。由於定向凝固結晶組織的葉片消除了橫向晶界，因而其性能和使用壽命均得到大幅度提高。
定向凝固通常是在真空感應爐中進行的，定向凝固過程是通過散熱來控制熱流以達到定向結晶的目的的。定向凝固過程的散熱可分為三個階段啟始階段，在定向凝固的啟始階段，熱量主要通過水冷結晶器的底盤散出，鑄件通過熱傳導與結晶器進行熱交換。此階段以熱傳導為主，以鑄型的熱輻射為輔。所以定向凝固的最初階段是以熱傳導為主的階段。
中間階段，隨著定向凝固時間的延長，鑄件的凝固部分增長，定向結晶凝固區的液固界面距結晶器越來越遠，結晶器冷卻能力的影響逐漸減弱，熱傳導方式散熱也不斷變小，而鑄型的熱輻射散熱的影響逐漸增強。當鑄件凝固達到中部時，此時結晶器的熱傳導和鑄型的熱輻射散熱共同發揮作用維持鑄件定向凝固繼續進行。所以定向凝固的中間階段是以熱傳導和熱輻射共同發揮作用的。
最後階段，當鑄件的定向凝固到最後階段，此時的散熱與最初階段顛倒過來了，它是以鑄型的熱輻射散熱為主，結晶器的熱傳導散熱為輔。因此，鑄件定向凝固的最後階段是以熱輻射為主的階段。
定向凝固的三個階段的散熱方式不同，散熱能力不同，柱晶的生長狀況也不同。基本上是前階段細，後階段粗。對於航空發動機的小尺寸葉片，定向凝固的散熱方式處於啟始階段和中間階段的前期，鑄型的散熱能力對定向凝固的影響還不是特別突出，現有的剛玉材質的鑄型還是可行的。但是，對於工業用高性能燃氣輪機的大尺寸長葉片，為了保證其定向結晶的穩定性和效率，鑄型散熱能力的提高就顯得尤為重要。
進一步地，定向凝固的技術關健是控制凝固區液相中的溫度梯度。溫度梯度越大，柱晶生長的越挺直、越緻密。為了保證定向凝固的質量和效率，一般都設法提高定向凝固的溫度梯度。提高溫度梯度通常辦法是提高鑄型加熱器的加熱溫度，提高合金的澆注溫度和提高結晶器的導熱能力等。先進的定向凝固技術是採用液態金屬冷卻法。即將鑄型與結晶器拉出加熱器以後直接浸入低熔點、高沸點液態金屬中，利用金屬的熱容量使凝固區激冷，使液相的溫度梯度大幅度提高。上述提高溫度梯度的方法都得要通過鑄型的吸熱和散熱來實現。因此，在同樣條件下，提高鑄型的導熱性對於提高凝固區液相的溫度梯度起著重要的作用。這是因為，鑄型的導熱性強，可以縮小凝固區的範圍，有利於提高溫度梯度；同時鑄型導熱性強有助於加強已凝固鑄件的熱傳導，也有利於提高溫度梯度。另外，提高鑄型的導熱性，有利於提高定向凝固的溫度梯度，也有利於柱晶生長。這是因為柱晶由枝晶構成，枝晶生長需要局部過冷，過冷度越大，枝晶越細，力學性能越好，而局部過冷是由冷卻速率造成的，冷卻速率是與鑄型的散熱能力直接相關的。由此可見，提高鑄型的導熱性是提高葉片定向結晶質量和效率的重要措施。
發明的技術內容本實用新型的目的是提供一種定向凝固用碳化矽型殼，其具有足夠的強度和良好的導熱性，並且成本較低，特別適於鑄造大尺寸的定向凝固結晶件。
本實用新型具體提供了一種定向凝固用碳化矽型殼，其特徵在於該型殼的殼壁為碳化矽材料並具有層狀結構。
本實用新型定向凝固用碳化矽型殼中，所述碳化矽層內還可以襯有剛玉層。型殼殼壁的總層數為3～30，其中至少有一層為碳化矽層；每層厚0.5～1.5mm，總壁厚為3～30mm。並且殼壁由內及外逐層增厚。層與層之間可以用氧化矽、剛玉、碳化矽砂之一種或多種粘接。
本實用新型定向凝固用碳化矽型殼分為全殼和半殼碳化矽，是以矽溶膠漿為粘接劑，全殼碳化矽型殼是從裡至外逐層撒的相應粒度的碳化矽砂，半殼碳化矽型殼是僅在最外面幾層撒以相應的碳化矽砂；然後，放入加熱爐內加熱到950～1600℃，保溫30～60分鐘，取出製成的，成品型殼因此而具有層狀結構。由於碳化矽是一種黑色晶體，具有較高的熱輻射率，並且同時具有較高的耐火度，較低的膨脹係數和較穩定的化學性質等特性，因此，所製備出的碳化矽型殼具有足夠的強度和良好的導熱性，適於鑄造大尺寸的定向結晶件，另外由於碳化矽來源廣泛，因而成本低廉。


圖1為全殼大尺寸定向凝固用碳化矽型殼的殼壁剖面結構示意；圖2為全殼大尺寸定向凝固用碳化矽型殼及定向結晶葉片照片；圖3為半殼大尺寸定向凝固用碳化矽型殼的殼壁剖面結構示意；圖4為半殼大尺寸定向凝固用碳化矽型殼及定向結晶葉片照片。
具體實施方式
實施例1矽溶膠與剛玉粉混合攪拌，直至黏度達到30秒(用中國標準流杯測量黏度)，製成漿料。在工業燃氣輪機葉片的蠟型(300mm長)上塗掛漿料，撒一層60～80#碳化矽粉，反覆3次；塗掛漿料，撒36#碳化矽粉，反覆3次；塗掛漿料，撒24#碳化矽粉，反覆6次；放入加熱爐內升溫到950～1050℃保溫30分鐘，獲得12層結構的全碳化矽層(1)的碳化矽型殼，剖面結構見圖1，外型見圖2。用該型殼定向凝固DZM41合金葉片照片見圖2，其金相組織一次枝晶細，二次枝晶短，碳化物細，碳化物共晶少。
實施例2與實施例1不同之在於，先用剛玉粉替代碳化矽砂，第六層後仍然用碳化矽砂，最終獲得12層結構的半碳化矽層(1)半剛玉層(2)的碳化矽型殼，剖面結構見圖3，外型見圖4。用該型殼定向凝固DZM41合金葉片照片見圖4，其金相組織一次枝晶細，二次枝晶長，碳化物小，碳化物共晶稍多。
權利要求1.一種定向凝固用碳化矽型殼，其特徵在於該型殼的殼壁為碳化矽材料並具有層狀結構。
2.按照權利要求1所述定向凝固用碳化矽型殼，其特徵在於所述碳化矽層內襯剛玉層。
3.按照權利要求1或2所述定向凝固用碳化矽型殼，其特徵在於所述型殼殼壁的總層數為3～30，其中至少有一層為碳化矽層；每層厚0.5～1.5mm，總壁厚為3～30mm。
4.按照權利要求3所述定向凝固用碳化矽型殼，其特徵在於所述型殼殼壁由內及外逐層增厚。
5.按照權利要求1或2所述定向凝固用碳化矽型殼，其特徵在於所述層與層之間用氧化矽、剛玉、碳化矽砂之一種或多種粘接。
專利摘要一種定向凝固用碳化矽型殼，其特徵在於該型殼的殼壁為碳化矽材料並具有層狀結構，所述碳化矽層內還可以襯有剛玉層。本實用新型具有足夠的強度和良好的導熱性，適於鑄造大尺寸的定向結晶件。
文檔編號B22C1/00GK2629875SQ0321179
公開日2004年8月4日 申請日期2003年3月10日 優先權日2003年3月10日
發明者樓琅洪, 寧國山, 趙惠田, 李英敖, 文怡 申請人:中國科學院金屬研究所