[发明专利]定向凝固装置及定向凝固方法

说明书

本发明提供了一种定向凝固装置和定向凝固方法。定向凝固装置，包括保温炉、容器、铸模、升降组件和搅拌组件。保温炉具有保温腔，容器位于保温炉的下方，容器中装有固态冷却颗粒，铸模能够在保温位置和冷却位置之间往复移动，在保温位置，铸模容置于保温腔中，在冷却位置，铸模浸没在固态冷却颗粒中。升降组件承载铸模以驱动铸模在保温位置和冷却位置之间往复移动。搅拌组件包括搅拌辊，搅拌辊位于容器内并能够通过旋转搅动固态冷却颗粒。采用高导热的固态冷却颗粒作为冷却介质，有利于获得性能优良的定向凝固晶体。搅拌组件对固态冷却颗粒的搅动能够加速铸模的冷却，提高冷却强度和温度梯度，进而有利于定向凝固。

技术领域

本发明涉及定向凝固技术领域，尤其涉及一种定向凝固装置及定向凝固方法。

背景技术

定向凝固技术作为一种柱状晶、单晶制备过程中的主要方法，在先进高性能材料加工制备领域占有很高的地位，其主要原理是通过提供单一方向上的温度梯度，使晶体沿着温度梯度方向生长，以消除凝固过程中的横向晶界，从而获得高性能的铸件。定向凝固技术在燃气轮机、航空发电机的高温合金叶片生产中广泛应用。

温度梯度是影响晶体生长速度和晶体的组织与性能质量的关键因素，高的温度梯度有利于获得优良的柱状晶组织或单晶组织，还能细化枝晶、减小偏析以及提高合金的综合性能。因此，如何提高并精确控制温度梯度也就成为了定向凝固技术的重中之重。

传统定向凝固工艺例如高速凝固法(High Rate Solidification,HRS)使用挡板隔绝热端和冷端，但是对于大尺寸定向叶片的生产，传统定向凝固方法的温度梯度和凝固速度均无法满足要求。为此，相关技术中多采用液态金属冷却法(Liquid Metal Cooling,LMC),采用低熔点液态金属作为冷却介质来提高冷却强度，但是液态金属冷却法的技术较为复杂，工艺难以控制，且易于导致高温合金的污染，降低叶片的质量和性能。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种定向凝固装置和定向凝固方法。

根据本发明实施例的定向凝固装置，包括：保温炉，所述保温炉具有保温腔；容器，所述容器位于所述保温炉的下方，所述容器中装有固态冷却颗粒；铸模，所述铸模能够在保温位置和冷却位置之间往复移动，在所述保温位置，所述铸模容置于所述保温腔中；在所述冷却位置，所述铸模浸没在所述固态冷却颗粒中；升降组件，所述升降组件承载所述铸模以驱动所述铸模在所述保温位置和所述冷却位置之间往复移动。定向凝固装置还包括搅拌组件，所述搅拌组件包括搅拌辊，所述搅拌辊位于所述容器内并能够通过旋转搅动所述固态冷却颗粒。

根据本发明实施例提出的定向凝固装置采用高导热的固态冷却颗粒作为冷却介质，当铸模从保温位置向冷却位置移动的过程中，铸模的下端逐渐浸没在固态冷却颗粒中并与其接触发生热交换而被冷却，铸模中形成了单一方向上的稳定的温度梯度，从而有利于获得性能优良的定向凝固晶体。此外，固态冷却颗粒还可以隔绝保温炉中的热量对铸模中已凝固的晶体部分辐射加热，从而可以进一步提高温度梯度。搅拌组件对固态冷却颗粒的搅动能够加速铸模的冷却，提高冷却强度和温度梯度，进而有利于定向凝固。

另外，根据本发明的定向凝固装置还具有如下附加技术特征：

在一些实施方式中，定向凝固装置还包括冷却托盘，所述冷却托盘位于所述铸模下方并承载所述铸模，所述升降组件与所述冷却托盘相连以便通过所述冷却托盘带动所述铸模运动。

在一些实施方式中，所述冷却托盘内部设有冷却水流道，所述定向凝固装置还包括与所述冷却托盘相连的进水管和出水管，所述冷却水流道与所述进水管和所述出水管中的每一者连通。

在一些实施方式中，所述升降组件包括支撑杆、桁架和驱动控制系统，所述桁架位于所述冷却托盘下方，所述支撑杆连接所述桁架和所述冷却托盘，所述驱动控制系统驱动并控制所述桁架的上升和下降以便最终带动所述铸模运动。