一种定向/单晶真空炉用气液双介质冷却结晶环的制作方法

本实用新型属单晶/定向真空精密铸造领域，主要应用于航空航天发动机和燃气轮机单晶/定向叶片生产；具体是一种定向/单晶真空炉用气液双介质冷却结晶环。

背景技术：

涡轮叶片是航空发动机和燃气轮机的重要热部件，承受的温度负载和应力负载非常巨大。早期用精密铸造工艺制成的高温合金叶片为等轴晶组织，组织基体被杂乱无序的晶界切割。这些晶界在高温受力条件下为薄弱部位，使叶片性能被严重减弱。单晶定向凝固铸造技术的开发成功是提高涡轮叶片热强性的重要突破。第一，单晶叶片消除了所有晶界，在承受高温蠕变和热疲劳应力作用时就没有最容易损坏的区域；第二，单晶有最佳结晶取向，它与轴向和方位角应力矢量是匹配的。目前，单晶叶片已广泛应用于航空发动机和燃气轮机上。

定向/单晶凝固时将过热合金熔体浇注入模壳，靠近水冷盘表面的那一层合金熔体迅速冷至结晶温度以下而开始结晶，此时形成的晶粒，其位向是混乱的。在随后的凝固进行过程中，由于热流是通过已结晶的固体金属单向向下散热，且结晶前沿是正向温度梯度，合金在结晶过程中晶体<001>是择优取向，生长速度最快，因此那些具有<001>方向的晶粒择优长大，将其它方向的晶粒淘汰掉。只要上述定向凝固条件保持不变，取向为<001>的柱状晶就可以保持生长，直到整个叶片，形成柱状晶组织。

在实施定向结晶时，定向凝固的结晶组织与温度梯度g和凝固速率r有密切关系。温度梯度是指凝固界面前沿的温度随距离的变化，低温度梯度工艺可形成粗大的树枝状组织，局部偏析严重；高温度梯度结晶可使合金铸件的补缩愈好，疏松愈少，组织愈致密。从而提高使用性能。

采用水冷铜板结晶时，模壳的散热主要靠水冷环和水冷结晶盘；水冷环实现模壳径向散热，水冷结晶盘实现模壳轴向散热。散热方式为辐射散热和传导散热。在高真空状态下，辐射散热系数和传导散热系数均很低，导致在实施定向结晶采用水冷铜板结晶的温度梯度只有约20℃/cm。目前欧美和国内普遍采用的是低温度梯度的水冷铜板结晶,在合金定向凝固过程中，特别是制备大尺寸合金零件时，存在温度梯度偏低、合金零件各部分受热不均匀等情况，从而导致采用定向凝固工艺制备合金时杂晶等单晶凝固缺陷的产生，严重影响合金质量。

技术实现要素：

本实用新型旨在克服现有低温度梯度结晶技术不足之处，提高大尺寸定向合金或单晶合金零件生长时固/液界面的温度梯度和铸件冷却速率而提供定向/单晶真空炉用气、液双介质冷却结晶环。该装置在定向凝固炉产生辐射散热和传导散热的同时，将气体对流散热和水冷引入到定向凝固设备中，以提高铸件的温度梯度和冷却速率，能够有效地减少制备合金时杂晶等缺陷的产生，提高定向/单晶叶片的质量和性能。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种定向/单晶真空炉用气液双介质冷却结晶环，其特征在于，

所述结晶环包括水冷环和气冷环；

气冷环设置在水冷环上方；

所述水冷环包括水冷环体和水冷管路，所述水冷环通过水冷管路与真空炉水冷系统相连；

气冷环包括气冷环体、环体上设置的气冷喷环及气冷管路，

气冷环通过气冷管路与惰性气体发生装置相连，惰性气体经喷环喷至模壳上。

对上述技术方案的改进，

气冷喷环沿气冷环体内侧周向分布，气冷喷环喷射气体的方向流量、压力均可调。

对上述技术方案的改进，

水冷环和气冷环采用相同的材质，均为紫铜或不锈钢材料制成，安装于模壳加热器的下方。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型通过在定向/单晶真空炉的模壳加热器底部设置气、水双介质冷却装置，可以增强定向凝固及单晶生产过程中的整体冷却强度，提高温度梯度，增大冷却速率，提高单晶叶片的质量和性能。实现快速高效定向凝固及单晶生长。

附图说明

图1为本实用新型装置在定向/单晶真空炉上的位置示意图。

图2是本实用新型定向/单晶真空炉用气、液双介质冷却结晶环结构示意图。

其中：1、水冷环体；2、气冷环体；3、喷环；4、水冷管路；5、气冷管路；6、水冷结晶盘；7、上模壳加热器；8、下模壳加热器；9、隔热挡板；10、叶片液相部分；11、叶片固相部分。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示：请参阅图1-2，为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种定向/单晶真空炉用气液双介质冷却结晶环，其特征在于，

所述结晶环包括水冷环和气冷环；

气冷环设置在水冷环上方；

所述水冷环包括水冷环体1和水冷管路4，所述水冷环通过水冷管路4与真空炉水冷系统相连；对模壳和模壳内的合金进行冷却。

气冷环包括气冷环体2、环体上设置的气冷喷环3及气冷管路5，

气冷环通过气冷管路5与惰性气体发生装置相连，惰性气体经喷环3喷至模壳上。

对上述技术方案的改进，

气冷喷环3沿气冷环体2内侧周向分布，气冷喷环3喷射气体的方向流量、压力均可调。

对上述技术方案的改进，

水冷环和气冷环采用相同的材质，均为紫铜或不锈钢材料制成，安装于模壳加热器的下方。

采用本实用新型装置进行单晶叶片的制备，该装置固定在定向/单晶真空炉模壳加热器下方。先对喷环喷射气体的方向根据需要进行调节。当进行单晶/定向高温合金叶片精密浇铸时，模壳升至模壳感应加热器内，模壳感应加热器按照设定的升温曲线对模壳进行加热，达到最终设定温度（其温度超过合金熔点），保温。将单晶母合金加至感应熔炼坩埚进行二次重熔，完成后将坩埚内的合金液浇入模壳中，模壳按设定的抽拉速率向下抽拉单晶/定向高温合金叶片。定向/单晶真空炉模壳加热器分为上模壳加热器7和下模壳加热器8，模壳加热器和气、水冷却结晶环之间通过隔热挡板9隔开，模壳放置在水冷结晶盘6上。模壳向下抽拉时，经过模壳加热器时模壳内为合金液(叶片液相部分10)，经过气、水冷却结晶环时，模壳散热，合金凝固(叶片固相部分11)。

本实用新型装置内通入惰性气体及冷却水对模壳进行冷却，以增强单晶生长的冷却强度，提高温度梯度，增大冷却速率，从而可以有效地减少杂晶等单晶铸造缺陷的产生，提高单晶叶片的质量和性能。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照实例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。