能夠減少截面變化鑄件中雀斑的定向凝固方法
【專利摘要】一種能夠減少截面變化鑄件中雀斑的定向凝固方法，通過在截面變化鑄件的模殼頂部添加輻射擋板,提高冷卻速率或凝固速率，達到消除雀斑的目的。本發(fā)明通過輻射擋板將上部加熱體的輻射熱阻擋，減少液相吸收的熱量，使鑄件上的冷卻速率得到提高，從而可使枝晶組織得到細化，熱質(zhì)對流流動阻力增大，而凝固速率提高的結(jié)果，使枝晶生長速率大于枝晶間的流動速率的可能性增大。本發(fā)明提高鑄件凝固過程中的冷卻速率及凝固速率，降低了雀斑的形成傾向。具體應用實施簡單易行，材料來源廣，耗費少，并且無需改變原有的模殼。
【專利說明】
能夠減少截面變化鑄件中雀斑的定向凝固方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于鎳基高溫合金定向凝固領(lǐng)域，具體是一種能夠減少截面變化鑄件中雀 斑的定向凝固方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于燃氣輪機渦輪葉片的尺寸和質(zhì)量遠大于航空發(fā)動機葉片。因此，通常使用的 消除橫向晶界，獲得定向晶或單晶的高速凝固法(HRS法)定向凝固技術(shù)由于冷卻能力不足 等原因，導致雀斑等鑄造缺陷的出現(xiàn)概率增大。雀斑缺陷由縮松，共晶，碎斷的枝晶臂等組 成的一種鏈狀宏觀偏析，通常出現(xiàn)在定向凝固鑄件表面，降低鑄件的高溫抗變形性能。
[0003] 目前，普遍認為雀斑的形成跟熱質(zhì)對流有關(guān)。在豎直向上的Bridgman法定向凝固 中，一次枝晶生長方向與熱流方向相反。像W，Re等這些重元素通常偏析于枝晶干，而像Ti， A1這種輕元素偏析于枝晶間。這樣，就使得下部糊狀區(qū)中液相密度小于上部枝晶尖端前沿 附近的液相密度，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。如果糊狀區(qū)中低密度的液相克服糊狀區(qū)的粘滯阻力，就 會向上流動進入上部過熱液相中，同時上部高密度的液相向下流動，形成環(huán)流。向上的富含 溶質(zhì)的低密度液相流動抑制枝晶生長，甚至通過重熔或蠕變折斷枝晶臂，而向下的流動促 進枝晶生長，這樣就在向上的流動路徑上形成溶質(zhì)通道。如果折斷的枝晶臂未被帶入過熱 液相中，而是留在形成的溶質(zhì)通道中，最后與溶質(zhì)通道中的液相一塊凝固成為雀斑。
[0004] 根據(jù)文獻，增大冷卻速率，能夠減小枝晶臂間距，細化枝晶組織，增大流動阻力，抑 制熱質(zhì)流動，起到抑制雀斑的效果。因此，可通過增大鑄件的冷卻速率來抑制雀斑。另外，根 據(jù)Flemings判據(jù)，當枝晶間液相流動速率大于枝晶生長速率時，雀斑才會形成。因此，也可 通過增大枝晶生長速率(即凝固速率)使其大于液相流動速率來減少雀斑。
[0005] 現(xiàn)有的向下定向凝固技術(shù)（Downward Directional Solidification Process)方 法，通過消除密度反轉(zhuǎn)來消除熱質(zhì)對流達到消除雀斑的效果，但是該方法需要對設備做出 大的改變，成本高。液態(tài)金屬冷卻法(LMC法），通過提高冷卻速率來細化枝晶組織，增大熱質(zhì) 對流流動阻力，從而降低雀斑的形成傾向，但是該方法除了需要對設備進行改造外，使用的 冷卻介質(zhì)可能污染鑄件，增大成本。自發(fā)定向凝固（Autonomous Directional Solidification)技術(shù)，將合金過冷到某一程度，通過增大凝固速率迫使熱質(zhì)對流來不及形 成來達到抑制雀斑的目的，但是該技術(shù)對溫度控制要求高，并且需要在模殼內(nèi)表面加抑制 形核的涂層，操作復雜，難度大。在申請?zhí)枮?01610345111.5的發(fā)明創(chuàng)造中，通過在截面突 變平臺底部添加石墨塊來減小枝晶臂間距，細化枝晶組織，增大熱質(zhì)對流阻力，來達到消除 雀斑的目的，但是使用該方法時需要對模殼進行處理，會降低模殼的整體強度，操作復雜。
[0006] 對于燃氣輪機渦輪葉片這類的鑄件，雀斑更容易出現(xiàn)在在葉片上尺寸厚大的部 位。因此，增大冷卻速率或凝固速率，從而減弱熱質(zhì)對流來減少定向凝固過程中雀斑尤為重 要，并且采取的方法成本還要低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為解決由于現(xiàn)有截面變化鑄件定向凝固過程中冷卻速率及凝固速率過低而導致 雀斑出現(xiàn)的問題，本發(fā)明提出了一種能夠減少截面變化鑄件中雀斑的定向凝固方法。
[0008] 本發(fā)明的體過程是：
[0009] 步驟1，確定截面變化鑄件在定向凝固過程中的冷卻速率及凝固速率分布。
[0010] 步驟2,確定輻射擋板的形狀、尺寸及安放位置。
[0011] 所確定的輻射擋板的形狀、尺寸包括該輻射擋板的形狀、外輪廓尺寸和厚度；
[0012] 所述的輻射擋板的外形與加熱體的內(nèi)腔形狀相同，并且該輻射擋板與加熱體的內(nèi) 壁之間有5mm的間隙;該福射擋板厚度為15mm。所述福射擋板的幾何中心有矩形通孔。
[0013]確定輻射擋板的安放位置。所述輻射擋板安放在模殼頂部。
[0014] 在確定截面變化鑄件在定向凝固過程中的冷卻速率及凝固速率分布時，是利用 ProCAST軟件對添加了輻射擋板的鑄件定向凝固過程進行數(shù)值模擬并進行后處理，得到鑄 件上的冷卻速率及凝固速率分布。
[0015] 步驟3,輻射擋板的制作。根據(jù)步驟2確定的形狀尺寸制作輻射擋板;所述的輻射擋 板材料為莫來石耐火磚；
[0016] 步驟4,模殼的制作。
[0017] 步驟5,輻射擋板的安放。將制作完成的輻射擋板幾何中心的矩形孔套裝在模殼頂 部，并使該輻射擋板在抽拉過程中能夠方便的與模殼分離；
[0018]步驟6，合金液的保溫。定向凝固采用傳統(tǒng)的Bridgman定向凝固爐。先將所述的鎳 基高溫合金放入定向凝固爐加熱熔化并澆入到模殼中，在1550~1700°C下保溫15~25min。 [0019]步驟7,鑄件的定向凝固。合金保溫結(jié)束之后，以20~70wn/s的抽拉速率使盛滿合 金液的模殼及輻射擋板從定向凝固爐的加熱體中向下移動通過隔熱板進入冷卻體，直至合 金液完全凝固，最后獲得鑄件。所述的輻射擋板在向下移動與隔熱板接觸后與模殼分離，停 止移動;所述盛滿合金液的模殼在輻射擋板停止后繼續(xù)移動，直至合金液完全凝固。
[0020]本發(fā)明通過在截面變化鑄件的模殼頂部添加輻射擋板，提高冷卻速率或凝固速 率，達到消除雀斑的目的。圖2a與圖3a為應用本發(fā)明前鑄件上的冷卻速率分布，圖2b與圖3b 為應用本發(fā)明后鑄件上的冷卻速率分布。圖4a與圖5a為應用本發(fā)明前鑄件上的凝固速率分 布，圖4b與圖5b為應用本發(fā)明后鑄件上的凝固速率分布?？梢?，應用本發(fā)明后，輻射擋板將 上部加熱體的輻射熱阻擋，減少液相7吸收的熱量，使鑄件上的冷卻速率得到提高，從而可 使枝晶組織得到細化，熱質(zhì)對流流動阻力增大，而凝固速率提高的結(jié)果，使枝晶生長速率大 于枝晶間的流動速率的可能性增大。因此，雀斑形成傾向就降低。
[0021]將應用本發(fā)明得到的鑄件進行宏觀腐蝕與未應用本發(fā)明得到的鑄件進行對比。圖 6顯示了實施例一條件下，應用本發(fā)明前后鑄件上的雀斑。對應的表1給出了鑄件上的雀斑 統(tǒng)計結(jié)果?？梢姡瑧帽景l(fā)明后，鑄件上的雀斑總數(shù)量由23條減少為18條，總長度由198_減 小為110mm。圖7顯示了實施例二條件下，應用本發(fā)明前后鑄件上的雀斑。對應的表2給出了 鑄件上的雀斑統(tǒng)計結(jié)果?？梢姡瑧帽景l(fā)明后，鑄件上的雀斑總數(shù)量由17條減少為14條，總 長度由12 7.5mm減小為8 5mm。說明應用本發(fā)明的技術(shù)，能夠降低雀斑形成傾向，減少雀斑。 [0022]本發(fā)明的優(yōu)點為:在截面變化鑄件的模殼頂部底部安放輻射擋板，提高鑄件凝固 過程中的冷卻速率及凝固速率，降低了雀斑的形成傾向。具體應用實施簡單易行，材料來源 廣，耗費少，無需改變原有的模殼。
【附圖說明】
[0023] 圖1是定向凝固過程中，福射擋板在Bridgman定向凝固爐中的位置示意圖，其中的 圖la是凝固初期，圖lb是凝固后期；圖中箭頭所示為模殼移動方向；
[0024] 圖2是應用本發(fā)明前后冷卻速率分布對比，其中的圖2a是應用前，圖2b是實施例一 應用本發(fā)明后；圖中淺顏色區(qū)域的冷卻速率大于深顏色的；
[0025]圖3是應用本發(fā)明前后冷卻速率分布對比，其中的圖3a是應用前，圖3b是實施例二 應用本發(fā)明后；圖中淺顏色區(qū)域的冷卻速率大于深顏色的；
[0026]圖4是應用本發(fā)明前后凝固速率分布的對比，其中的圖4a是應用前，圖4b是實施例 一應用本發(fā)明后；圖中淺顏色區(qū)域的凝固速率大于深顏色的；
[0027]圖5是應用本發(fā)明前后凝固速率分布的對比，其中的圖5a是應用前，圖5b是施例二 中應用本發(fā)明后；圖中淺顏色區(qū)域的凝固速率大于深顏色的；
[0028]圖6a是通過現(xiàn)有技術(shù)得到的鑄件，圖6b是本發(fā)明實施例一得到的鑄件；圖中箭頭 所示為雀斑；
[0029]圖7a是通過現(xiàn)有技術(shù)得到的鑄件，圖7b是是本發(fā)明實施例二得到的鑄件；圖中箭 頭所示為雀斑；
[0030]圖8是實施例中所用輻射擋板的三維示意圖；
[0031]圖9是本發(fā)明的流程圖。圖中：
[0032] 1.鑄件;2.輻射擋板;3.加熱體;4.模殼;5.隔熱板;6.冷卻體;7.液相。
【具體實施方式】
[0033] 本發(fā)明通過五個實施例來具體說明本發(fā)明的實施過程。所述五個實施例的區(qū)別在 于所使用的鑄件高度、保溫溫度、保溫時間和抽拉速率不同。
[0034] 實施例一
[0035] 本實施例是一種能夠減少截面變化鑄件中雀斑的定向凝固方法。
[0036] 將本實施例應用于一模擬空心葉片截面變化部位的鑄件1的定向凝固，如圖1所 示;所述截面變化的鑄件小截面的尺寸為4mm X 20mm X 100mm，鑄件大截面的尺寸為40mm X 20mm X 25mm，材料為鎳基高溫合金。具體步驟如下：
[0037] 步驟1，啟動確定截面變化鑄件在定向凝固過程中的冷卻速率及凝固速率分布。
[0038] 通過模擬計算獲得截面變化鑄件在定向凝固過程中的冷卻速率及凝固速率分布。 利用ProCAST軟件對鑄件1定向凝固過程按常規(guī)方法進行數(shù)值模擬，并按常規(guī)方法進行后處 理得到鑄件上的冷卻速率及凝固速率分布，如圖2a與圖3a所示；
[0039] 步驟2,確定輻射擋板的形狀、尺寸及安放位置。
[0040] 確定輻射擋板的形狀及外輪廓尺寸。所述的輻射擋板2的最大輪廓尺寸與加熱體3 的內(nèi)腔形狀尺寸相同，以使輻射擋板能夠阻擋更多的輻射熱，但是為便于實際安裝輻射擋 板2及防止輻射擋板2移動時受到加熱體3的干擾，輻射擋板2與加熱體3的內(nèi)壁之間有5_的 間隙。本實施例中，福射擋板2的最大輪廓尺寸為145mm X 95mm。
[0041 ]確定輻射擋的厚度。根據(jù)傳熱學原理，輻射擋板2的厚度增加，能夠阻擋的輻射熱 量就增多，但當輻射擋板達到一定厚度時，已經(jīng)能夠阻擋大部分的輻射熱，繼續(xù)增加厚度對 輻射熱的阻擋效果不明顯。另外，輻射擋板厚度增加，重量也增加，安放在模殼上時，增加了 模殼的不穩(wěn)定性。因此，本實例中使用的輻射擋板厚度為15mm。
[0042]確定輻射擋板的安放位置。所述輻射擋板安放在模殼頂部，如圖1所示。當凝固界 面到達變截面附近時，由于輻射擋板將上部加熱體的輻射熱阻擋，減少合金吸收的熱量，從 而使合金在凝固時向外排出的熱量減少，就可能使冷卻速率與凝固速率得到提高。用 ProCAST軟件對添加了輻射擋板的定向凝固過程進行模擬，并后處理得到冷卻速率及凝固 速率分布，分別如圖3與圖4所示。與步驟1得到的未添加輻射擋板的對比，可看出添加輻射 擋板后，鑄件上的冷卻速率與凝固速率得到提高。
[0043] 所述的福射擋板中間有矩形的通孔，通孔尺寸為40mm X 20mm，用于合金液向模殼 中澆注。本實施例中使用的輻射擋板形狀如圖8所示。
[0044]步驟3,輻射擋板的制作。根據(jù)步驟2確定的形狀尺寸制作輻射擋板2;所述的輻射 擋板材料為莫來石耐火磚；
[0045] 步驟4,模殼的制作。利用標準的熔模鑄造用模殼制作工藝來制作所需模殼4;
[0046] 步驟5,輻射擋板的安放。將制作完成的輻射擋板幾何中心的矩形孔套裝在模殼頂 部，并使該輻射擋板在抽拉過程中能夠方便的與模殼分離；
[0047]步驟6，合金液的保溫。定向凝固采用傳統(tǒng)的Br idgman定向凝固爐，如圖1所示。先 將所述的鎳基高溫合金放入定向凝固爐加熱熔化并澆入到模殼4中，在1700°C下保溫 15min〇
[0048]步驟7，鑄件的定向凝固。合金保溫結(jié)束之后，以20wn/s的抽拉速率使盛滿合金液 的模殼4及輻射擋板2從定向凝固爐的加熱體3中向下移動通過隔熱板5進入冷卻體6,直至 合金液完全凝固，最后獲得鑄件。所述的輻射擋板2在向下移動與隔熱板5接觸后與模殼4分 離，停止移動；所述盛滿合金液的模殼4在輻射擋板2停止后繼續(xù)移動，直至合金液完全凝 固。
[0049] 將應用本發(fā)明得到的鑄件進行宏觀腐蝕與未應用本發(fā)明得到的鑄件進行對比，如 圖6所示。表1給出了應用本發(fā)明前后，鑄件上的雀斑統(tǒng)計結(jié)果。可見，應用本發(fā)明后，鑄件上 的雀斑總數(shù)量減少，總長度減小。說明應用本發(fā)明的技術(shù)，能夠改善截面變化鑄件上的冷卻 條件，提高跟雀斑形成有關(guān)的冷卻速率或凝固速率，減少雀斑。
[0050] 表1應用本發(fā)明前后結(jié)果對比
[0052] 實施例二
[0053] 將本發(fā)明應用于一模擬空心葉片截面變化部位的鑄件1的定向凝固，如圖1所示； 所述截面變化的鑄件小截面的尺寸為4mm X 20mm X 100mm，鑄件大截面的尺寸為40mm X 20mm X 50mm，材料為鎳基高溫合金;具體步驟如下：
[0054] 步驟1，啟動確定截面變化鑄件在定向凝固過程中的冷卻速率及凝固速率分布。
[0055] 通過模擬計算獲得截面變化鑄件在定向凝固過程中的冷卻速率及凝固速率分布。 利用ProCAST軟件對鑄件1定向凝固過程按常規(guī)方法進行數(shù)值模擬，并進行后處理得到鑄件 上的冷卻速率及凝固速率分布，如圖2a與圖3a所不；
[0056] 步驟2,確定輻射擋板的形狀、尺寸及安放位置。
[0057] 輻射擋的形狀及外輪廓尺寸的確定。要想使輻射擋板阻擋更多的輻射熱，所述的 輻射擋板2的最大輪廓尺寸應該與加熱體3的內(nèi)腔形狀尺寸相同，但是為便于實際安裝輻射 擋板2及防止輻射擋板2移動時受到加熱體3的干擾，輻射擋板2與加熱體3的內(nèi)壁之間的間 距為5mm，福射擋板2的最大輪廓尺寸為145mm X 95mm。
[0058]輻射擋的厚度確定。根據(jù)傳熱學原理，輻射擋板2的厚度增加，能夠阻擋的輻射熱 量就增多，但當輻射擋板達到一定厚度時，已經(jīng)能夠阻擋大部分的輻射熱，繼續(xù)增加厚度對 輻射熱的阻擋效果不明顯。另外，輻射擋板厚度增加，重量也增加，安放在模殼上時，增加了 模殼的不穩(wěn)定性。因此，本實例中使用的輻射擋板厚度為15mm。
[0059]輻射擋板安放在模殼頂部，如圖1所示。當凝固界面到達變截面附近時，由于輻射 擋板將上部加熱體的輻射熱阻擋，減少合金吸收的熱量，從而使合金在凝固中向外排出的 熱量減少，就可能使冷卻速率與凝固速率提高。用ProCAST軟件對添加了輻射擋板的定向凝 固過程進行模擬，并后處理得到冷卻速率及凝固速率分布，分別如圖3與圖4所示。與步驟1 得到的未添加輻射擋板的對比，可看出添加輻射擋板后，鑄件上的冷卻速率與凝固速率得 到提尚。
[0060] 所述的福射擋板中間設有通孔，通孔尺寸為40mm X 20mm，用于合金液向模殼中饒 注。最終，本實施例中使用的輻射擋板形狀如圖8所示。
[0061] 步驟3,輻射擋板的制作。根據(jù)步驟2確定的形狀尺寸制作輻射擋板;所述的輻射擋 板材料為莫來石耐火磚；
[0062] 步驟4,模殼的制作。利用標準的熔模鑄造用模殼制作工藝來制作所需模殼；
[0063] 步驟5,輻射擋板的安放。將制作完成的輻射擋板幾何中心的矩形孔套裝在模殼頂 部，并使該輻射擋板在抽拉過程中能夠方便的與模殼分離；
[0064]步驟6，合金液的保溫。定向凝固采用傳統(tǒng)的Br idgman定向凝固爐，如圖1所示。先 將所述的鎳基高溫合金放入定向凝固爐加熱熔化并澆入到模殼4中在1700°C下保溫15min。 [0065]步驟7，鑄件的定向凝固。合金保溫之后，以30wn/s的抽拉速率使盛滿合金液的模 殼4及輻射擋板2從定向凝固爐的加熱體5中向下移動通過隔熱板6進入冷卻體7,直至合金 液完全凝固，最后獲得鑄件。所述的輻射擋板2在向下移動與隔熱板6接觸后與模殼4分離， 停止移動;所述盛滿合金液的模殼4在輻射擋板2停止后繼續(xù)移動，直至合金液完全凝固。 [0066]將應用本發(fā)明得到的鑄件進行宏觀腐蝕與未應用本發(fā)明得到的鑄件進行對比，如 圖7所示。表2給出了應用本發(fā)明前后，鑄件上的雀斑統(tǒng)計結(jié)果。可見，應用本發(fā)明后，鑄件上 的雀斑總數(shù)量減少，總長度減小。說明應用本發(fā)明的技術(shù)，能夠改善截面變化鑄件上的冷卻 條件，提高跟雀斑形成有關(guān)的冷卻速率或凝固速率，減少雀斑。
[0067]表2應用本發(fā)明前后結(jié)果對比
[0069] 實施例三
[0070]將本發(fā)明應用于一模擬空心葉片截面變化部位的鑄件1的定向凝固，如圖1所示； 所述截面變化的鑄件小截面的尺寸為4mm X 20mm X 100mm，鑄件大截面的尺寸為40mm X 20mm X 50mm，材料為鎳基高溫合金;具體步驟如下：
[0071]步驟1，啟動確定截面變化鑄件在定向凝固過程中的冷卻速率及凝固速率分布。
[0072] 通過模擬計算獲得截面變化鑄件在定向凝固過程中的冷卻速率及凝固速率分布。 利用ProCAST軟件對鑄件1定向凝固過程按常規(guī)方法進行數(shù)值模擬，并進行后處理得到鑄件 上的冷卻速率及凝固速率分布，如圖2a與圖3a所不；
[0073] 步驟2,確定輻射擋板的形狀、尺寸及安放位置。
[0074] 輻射擋的形狀及外輪廓尺寸的確定。要想使輻射擋板阻擋更多的輻射熱，所述的 輻射擋板2的最大輪廓尺寸應該與加熱體3的內(nèi)腔形狀尺寸相同，但是為便于實際安裝輻射 擋板2及防止輻射擋板2移動時受到加熱體3的干擾，輻射擋板2與加熱體3的內(nèi)壁之間的間 距為5mm，福射擋板2的最大輪廓尺寸為145mm X 95mm。
[0075] 輻射擋的厚度確定。根據(jù)傳熱學原理，輻射擋板2的厚度增加，能夠阻擋的輻射熱 量就增多，但當輻射擋板達到一定厚度時，已經(jīng)能夠阻擋大部分的輻射熱，繼續(xù)增加厚度對 輻射熱的阻擋效果不明顯。另外，輻射擋板厚度增加，重量也增加，安放在模殼上時，增加了 模殼的不穩(wěn)定性。因此，本實例中使用的輻射擋板厚度為15mm。
[0076] 輻射擋板安放在模殼頂部，如圖1所示。當凝固界面到達變截面附近時，由于輻射 擋板將上部加熱體的輻射熱阻擋，減少合金吸收的熱量，從而使合金在凝固中向外排出的 熱量減少，就可能使冷卻速率與凝固速率提高。用ProCAST軟件對添加了輻射擋板的定向凝 固過程進行模擬，并后處理得到冷卻速率及凝固速率分布，分別如圖3與圖4所示。與步驟1 得到的未添加輻射擋板的對比，可看出添加輻射擋板后，鑄件上的冷卻速率與凝固速率得 到提尚。
[0077] 所述的福射擋板中間設有通孔，通孔尺寸為40mm X 20mm，用于合金液向模殼中饒 注。最終，本實施例中使用的輻射擋板形狀如圖8所示。
[0078] 步驟3,輻射擋板的制作。根據(jù)步驟2確定的形狀尺寸制作輻射擋板;所述的輻射擋 板材料為莫來石耐火磚；
[0079] 步驟4,模殼的制作。利用標準的熔模鑄造用模殼制作工藝來制作所需模殼；
[0080] 步驟5,輻射擋板的安放。將制作完成的輻射擋板幾何中心的矩形孔套裝在模殼頂 部，并使該輻射擋板在抽拉過程中能夠方便的與模殼分離；
[0081 ]步驟6，合金液的保溫。定向凝固采用傳統(tǒng)的Br idgman定向凝固爐，如圖1所示。先 將所述的鎳基高溫合金放入定向凝固爐加熱恪化并饒入到模殼4中在1600°C下保溫25min。 [0082]步驟7，鑄件的定向凝固。合金保溫之后，以45wn/s的抽拉速率使盛滿合金液的模 殼4及輻射擋板2從定向凝固爐的加熱體5中向下移動通過隔熱板6進入冷卻體7,直至合金 液完全凝固，最后獲得鑄件。所述的輻射擋板2在向下移動與隔熱板6接觸后與模殼4分離， 停止移動;所述盛滿合金液的模殼4在輻射擋板2停止后繼續(xù)移動，直至合金液完全凝固。
[0083]將應用本發(fā)明得到的鑄件進行宏觀腐蝕與未應用本發(fā)明得到的鑄件進行對比。表 3給出了應用本發(fā)明前后，鑄件上的雀斑統(tǒng)計結(jié)果。可見，應用本發(fā)明后，鑄件上的雀斑總數(shù) 量減少，總長度減小。說明應用本發(fā)明的技術(shù)，能夠改善截面變化鑄件上的冷卻條件，提高 跟雀斑形成有關(guān)的冷卻速率或凝固速率，減少雀斑。
[0084]表3應用本發(fā)明前后結(jié)果對比 [0086]~實施例四
[0087] 將本發(fā)明應用于一模擬空心葉片截面變化部位的鑄件1的定向凝固，如圖1所示； 所述截面變化的鑄件小截面的尺寸為4mm X 20mm X 100mm，鑄件大截面的尺寸為40mm X 20mm X 50mm，材料為鎳基高溫合金;具體步驟如下：
[0088] 步驟1，啟動確定截面變化鑄件在定向凝固過程中的冷卻速率及凝固速率分布。
[0089] 通過模擬計算獲得截面變化鑄件在定向凝固過程中的冷卻速率及凝固速率分布。 利用ProCAST軟件對鑄件1定向凝固過程按常規(guī)方法進行數(shù)值模擬，并進行后處理得到鑄件 上的冷卻速率及凝固速率分布，如圖2a與圖3a所不；
[0090] 步驟2,確定輻射擋板的形狀、尺寸及安放位置。
[0091] 輻射擋的形狀及外輪廓尺寸的確定。要想使輻射擋板阻擋更多的輻射熱，所述的 輻射擋板2的最大輪廓尺寸應該與加熱體3的內(nèi)腔形狀尺寸相同，但是為便于實際安裝輻射 擋板2及防止輻射擋板2移動時受到加熱體3的干擾，輻射擋板2與加熱體3的內(nèi)壁之間的間 距為5mm，福射擋板2的最大輪廓尺寸為145mm X 95mm。
[0092] 輻射擋的厚度確定。根據(jù)傳熱學原理，輻射擋板2的厚度增加，能夠阻擋的輻射熱 量就增多，但當輻射擋板達到一定厚度時，已經(jīng)能夠阻擋大部分的輻射熱，繼續(xù)增加厚度對 輻射熱的阻擋效果不明顯。另外，輻射擋板厚度增加，重量也增加，安放在模殼上時，增加了 模殼的不穩(wěn)定性。因此，本實例中使用的輻射擋板厚度為15mm。
[0093] 輻射擋板安放在模殼頂部，如圖1所示。當凝固界面到達變截面附近時，由于輻射 擋板將上部加熱體的輻射熱阻擋，減少合金吸收的熱量，從而使合金在凝固中向外排出的 熱量減少，就可能使冷卻速率與凝固速率提高。用ProCAST軟件對添加了輻射擋板的定向凝 固過程進行模擬，并后處理得到冷卻速率及凝固速率分布，分別如圖3與圖4所示。與步驟1 得到的未添加輻射擋板的對比，可看出添加輻射擋板后，鑄件上的冷卻速率與凝固速率得 到提尚。
[0094] 所述的福射擋板中間設有通孔，通孔尺寸為40mm X 20mm，用于合金液向模殼中饒 注。最終，本實施例中使用的輻射擋板形狀如圖8所示。
[0095] 步驟3,輻射擋板的制作。根據(jù)步驟2確定的形狀尺寸制作輻射擋板;所述的輻射擋 板材料為莫來石耐火磚；
[0096] 步驟4,模殼的制作。利用標準的熔模鑄造用模殼制作工藝來制作所需模殼；
[0097]步驟5,輻射擋板的安放。將制作完成的輻射擋板幾何中心的矩形孔套裝在模殼頂 部，并使該輻射擋板在抽拉過程中能夠方便的與模殼分離；
[0098]步驟6，合金液的保溫。定向凝固采用傳統(tǒng)的Br idgman定向凝固爐，如圖1所示。先 將所述的鎳基高溫合金放入定向凝固爐加熱熔化并澆入到模殼4中在1700°C下保溫20min。 [0099]步驟7，鑄件的定向凝固。合金保溫之后，以55wn/s的抽拉速率使盛滿合金液的模 殼4及輻射擋板2從定向凝固爐的加熱體5中向下移動通過隔熱板6進入冷卻體7,直至合金 液完全凝固，最后獲得鑄件。所述的輻射擋板2在向下移動與隔熱板6接觸后與模殼4分離， 停止移動;所述盛滿合金液的模殼4在輻射擋板2停止后繼續(xù)移動，直至合金液完全凝固。
[0100] 將應用本發(fā)明得到的鑄件進行宏觀腐蝕與未應用本發(fā)明得到的鑄件進行對比。表 4給出了應用本發(fā)明前后，鑄件上的雀斑統(tǒng)計結(jié)果。可見，應用本發(fā)明后，鑄件上的雀斑總數(shù) 量減少，總長度減小。說明應用本發(fā)明的技術(shù)，能夠改善截面變化鑄件上的冷卻條件，提高 跟雀斑形成有關(guān)的冷卻速率或凝固速率，減少雀斑。
[0101] 表4應用本發(fā)明前后結(jié)果對比
[0103] 實施例五
[0104] 將本發(fā)明應用于一模擬空心葉片截面變化部位的鑄件1的定向凝固，如圖1所示； 所述截面變化的鑄件小截面的尺寸為4mm X 20mm X 100mm，鑄件大截面的尺寸為40mm X 20mm X 25mm，材料為鎳基高溫合金;具體步驟如下：
[0105] 步驟1，啟動確定截面變化鑄件在定向凝固過程中的冷卻速率及凝固速率分布。
[0106] 通過模擬計算獲得截面變化鑄件在定向凝固過程中的冷卻速率及凝固速率分布。 利用ProCAST軟件對鑄件1定向凝固過程按常規(guī)方法進行數(shù)值模擬，并進行后處理得到鑄件 上的冷卻速率及凝固速率分布，如圖2a與圖3a所不；
[0107] 步驟2,確定輻射擋板的形狀、尺寸及安放位置。
[0108] 輻射擋的形狀及外輪廓尺寸的確定。要想使輻射擋板阻擋更多的輻射熱，所述的 輻射擋板2的最大輪廓尺寸應該與加熱體3的內(nèi)腔形狀尺寸相同，但是為便于實際安裝輻射 擋板2及防止輻射擋板2移動時受到加熱體3的干擾，輻射擋板2與加熱體3的內(nèi)壁之間的間 距為5mm，福射擋板2的最大輪廓尺寸為145mm X 95mm。
[0109]輻射擋的厚度確定。根據(jù)傳熱學原理，輻射擋板2的厚度增加，能夠阻擋的輻射熱 量就增多，但當輻射擋板達到一定厚度時，已經(jīng)能夠阻擋大部分的輻射熱，繼續(xù)增加厚度對 輻射熱的阻擋效果不明顯。另外，輻射擋板厚度增加，重量也增加，安放在模殼上時，增加了 模殼的不穩(wěn)定性。因此，本實例中使用的輻射擋板厚度為15mm。
[0110]輻射擋板安放在模殼頂部，如圖1所示。當凝固界面到達變截面附近時，由于輻射 擋板將上部加熱體的輻射熱阻擋，減少合金吸收的熱量，從而使合金在凝固中向外排出的 熱量減少，就可能使冷卻速率與凝固速率提高。用ProCAST軟件對添加了輻射擋板的定向凝 固過程進行模擬，并后處理得到冷卻速率及凝固速率分布，分別如圖3與圖4所示。與步驟1 得到的未添加輻射擋板的對比，可看出添加輻射擋板后，鑄件上的冷卻速率與凝固速率得 到提尚。
[0111 ] 所述的福射擋板中間設有通孔，通孔尺寸為40mm X 20mm，用于合金液向模殼中饒 注。最終，本實施例中使用的輻射擋板形狀如圖8所示。
[0112] 步驟3,輻射擋板的制作。根據(jù)步驟2確定的形狀尺寸制作輻射擋板;所述的輻射擋 板材料為莫來石耐火磚；
[0113] 步驟4,模殼的制作。利用標準的熔模鑄造用模殼制作工藝來制作所需模殼；
[0114]步驟5,輻射擋板的安放。將制作完成的輻射擋板幾何中心的矩形孔套裝在模殼頂 部，并使該輻射擋板在抽拉過程中能夠方便的與模殼分離；
[0115]步驟6，合金液的保溫。定向凝固采用傳統(tǒng)的Br idgman定向凝固爐，如圖1所示。先 將所述的鎳基高溫合金放入定向凝固爐加熱恪化并饒入到模殼4中在1550°C下保溫15min。
[0116] 步驟7，鑄件的定向凝固。合金保溫之后，以70wn/s的抽拉速率使盛滿合金液的模 殼4及輻射擋板2從定向凝固爐的加熱體5中向下移動通過隔熱板6進入冷卻體7,直至合金 液完全凝固，最后獲得鑄件。所述的輻射擋板2在向下移動與隔熱板6接觸后與模殼4分離， 停止移動;所述盛滿合金液的模殼4在輻射擋板2停止后繼續(xù)移動，直至合金液完全凝固。
[0117] 將應用本發(fā)明得到的鑄件進行宏觀腐蝕與未應用本發(fā)明得到的鑄件進行對比。表 5給出了應用本發(fā)明前后，鑄件上的雀斑統(tǒng)計結(jié)果?？梢?，應用本發(fā)明后，鑄件上的雀斑總數(shù) 量減少，總長度減小。說明應用本發(fā)明的技術(shù)，能夠改善截面變化鑄件上的冷卻條件，提高 跟雀斑形成有關(guān)的冷卻速率或凝固速率，減少雀斑。
[0118] 表5應用本發(fā)明前后結(jié)果對比
【主權(quán)項】
1. 一種能夠減少截面變化鑄件中雀斑的定向凝固方法，其特征在于，具體過程是： 步驟1，確定截面變化鑄件在定向凝固過程中的冷卻速率及凝固速率分布； 步驟2，確定輻射擋板的形狀、尺寸及安放位置； 所確定的輻射擋板的形狀、尺寸包括該輻射擋板的形狀、外輪廓尺寸和厚度； 確定輻射擋板的安放位置;所述輻射擋板安放在模殼頂部； 步驟3，輻射擋板的制作;根據(jù)步驟2確定的形狀尺寸制作輻射擋板;所述的輻射擋板材 料為莫來石耐火磚； 步驟4,模殼的制作； 步驟5,輻射擋板的安放;將制作完成的輻射擋板幾何中心的矩形孔套裝在模殼頂部， 并使該輻射擋板在抽拉過程中能夠方便的與模殼分離； 步驟6，合金液的保溫;定向凝固采用傳統(tǒng)的Bridgman定向凝固爐；先將所述的鎳基高 溫合金放入定向凝固爐加熱熔化并澆入到模殼中，在1550~1700°C下保溫15~25min; 步驟7,鑄件的定向凝固；合金保溫結(jié)束之后，以20~70ym/s的抽拉速率使盛滿合金液 的模殼及輻射擋板從定向凝固爐的加熱體中向下移動通過隔熱板進入冷卻體，直至合金液 完全凝固，最后獲得鑄件;所述的輻射擋板在向下移動與隔熱板接觸后與模殼分離，停止移 動;所述盛滿合金液的模殼在輻射擋板停止后繼續(xù)移動，直至合金液完全凝固。2. 如權(quán)利要求1所述能夠減少截面變化鑄件中雀斑的定向凝固方法，其特征在于，所述 的輻射擋板的外形與加熱體的內(nèi)腔形狀相同，并且該輻射擋板與加熱體的內(nèi)壁之間有5_ 的間隙;所述福射擋板的幾何中心有矩形通孔;福射擋板的厚度為15mm。3. 如權(quán)利要求1所述能夠減少截面變化鑄件中雀斑的定向凝固方法，其特征在于，步驟 1在確定截面變化鑄件在定向凝固過程中的冷卻速率及凝固速率分布時，用ProCAST軟件對 添加了輻射擋板的鑄件的定向凝固過程進行模擬并后處理，得到鑄件上的冷卻速率及凝固 速率分布。
【文檔編號】B22D27/04GK105880533SQ201610436684
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月17日
【發(fā)明人】李秋東, 沈軍, 秦嶺
【申請人】西北工業(yè)大學