一种单晶高温合金定向凝固模组及方法

本发明属于单晶高温合金冶炼，特别涉及一种单晶高温合金定向凝固模组及方法。

背景技术：

1、目前，单晶高温合金铸造凝固过程中，常采用自然凝固，具体将单晶高温合金溶液倒入45#材质的钢筒中。由于自然散热，凝固过程是由外到内的，外部先结晶，内部芯轴附近后结晶。因此导致，芯轴部位晶粒细化不够、晶粒粗大、单晶高温合金改性的稀土元素偏析严重、单晶高温合金结晶筏化现象严重，进而，影响单晶高温合金蠕变疲劳寿命。另外，现有的单晶高温合金铸造凝固模具外壳采用45#钢材，脱模阻力大，影响产品质量。后续还需要固溶处理，生产周期长，生产成本高。

2、现有单晶高温合金籽晶法和螺旋选晶法真空冶炼，多采用铸造，在单晶高温铸造陶瓷模具上内置螺旋通道，一次性使用且成品率低，其制造工艺复杂，严重影响高温合金轴的质量。因此，设计一种单晶高温合金定向凝固模组及方法是很有必要，以效解决现有技术中的不足。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的在于提供一种单晶高温合金定向凝固模组及方法，以解决现有单晶高温合金铸造方式成品率低、工艺复杂及产品质量差的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明一方面提供一种单晶高温合金定向凝固模组，包括温控板、单晶高温合金定型模具、超声波传导杆、顶部保温固定板、驱动装置及超声波发生器，其中温控板上放置至少一个单晶高温合金定型模具，单晶高温合金定型模具的底部放置单晶高温合金片，温控板用于控制单晶高温合金定型模具内液态单晶高温合金的凝固方向和速度，顶部保温固定板设置于单晶高温合金定型模具的顶部，驱动装置和超声波发生器均设置于顶部保温固定板上，超声波发生器用于产生超声振动；超声波传导杆包括圆柱杆及连接在圆柱杆下端且外圆周设有单晶选晶空间螺旋通道的圆柱头，圆柱头置于单晶高温合金定型模具内，圆柱杆的上端贯穿顶部保温固定板后与驱动装置连接，驱动装置用于驱动超声波传导杆升降及旋转，超声波传导杆用于将超声波发生器产生的超声振动传导至单晶高温合金内且通过单晶选晶空间螺旋通道进行螺旋选晶，使单晶高温合金凝固过程中晶粒细化。

4、在一种可能实现的方式中，所述单晶高温合金片为籽晶片，单晶高温合金片用于控制凝固的单晶合金晶粒生长取向为<0,0,1>，且防止单晶高温合金与所述温控板粘连。

5、在一种可能实现的方式中，所述驱动装置包括圆柱形外壳及设置于圆柱形外壳内的中空伺服液压旋转驱动机构和液压升降驱动结构；所述圆柱杆贯穿中空伺服液压旋转驱动机构和液压升降驱动结构，且所述圆柱杆通过键与中空伺服液压旋转驱动机构连接，所述圆柱杆的外圆周上沿轴向设有与键滑动配合的滑键槽；

6、中空伺服液压旋转驱动机构和液压升降驱动结构分别用于驱动所述超声波传导杆旋转和升降。

7、在一种可能实现的方式中，所述圆柱杆上设有与所述圆柱形外壳内壁滑动配合的活塞；所述圆柱形外壳内壁与所述圆柱杆之间设有位于活塞两侧的圆柱密封副ⅰ和圆柱密封副ⅱ，在活塞的两侧形成液压腔ⅰ和液压腔ⅱ，通过液压腔ⅰ和液压腔ⅱ之间的液压差驱动活塞升降，从而形成所述液压升降驱动结构。

8、在一种可能实现的方式中，所述顶部保温固定板包括模组固定板及设置于模组固定板底部的顶部保温装置，顶部保温装置设置于所述单晶高温合金定型模具的上端开口处，用于保温并防止液体因超声波产生飞溅。

9、在一种可能实现的方式中，所述顶部保温装置包括保温壳体及设置于保温壳体内的加热线圈，保温壳体上设有用于所述超声波传导杆穿过的中心孔。

10、在一种可能实现的方式中，所述圆柱杆为中空结构，所述圆柱头内设有与所述圆柱杆内腔连通的水冷腔，水冷腔内设有闭环温度在线检测传感器，闭环温度在线检测传感器用于温度闭环在线监测。

11、在一种可能实现的方式中，所述单晶高温合金定型模具的外侧套装有环形的侧壁保温装置，侧壁保温装置通过支撑杆与所述顶部保温固定板连接；

12、所述侧壁保温装置包括环形侧壁保温壳体及设置于环形侧壁保温壳体内的侧壁加热线圈。

13、本发明另一方面提供一种单晶高温合金定向凝固方法，利用如上所述的单晶高温合金定向凝固模组实现，该方法包括以下步骤：

14、步骤s1：在温控板上放置至少一个单晶高温合金定型模具，单晶高温合金定型模具的内侧底部放置单晶高温合金片；

15、步骤s2：建立真空环境，温控板设定恒定温度；

16、步骤s3：向单晶高温合金定型模具内注入液态的单晶高温合金；

17、步骤s4：超声波发生器通过隔振装置与机械手连接；驱动装置驱动超声波传导杆为伸出状态，机械手驱动，使超声波传导杆插入单晶高温合金定型模具内，且靠近底部，同时顶部保温装置的侧壁与单晶高温合金定型模具内壁之间含有间隙，同时顶部保温装置的下面与液态的单晶高温合金上液面贴合，侧壁保温装置套装在单晶高温合金定型模具的外侧；

18、步骤s5：侧壁保温装置、顶部保温装置与温控板共同控制单晶高温合金的定向凝固速度，构建梯度温度场，使单晶高温合金由下至上形成固相区、凝固区和液相区；

19、侧壁保温装置通过电磁感应加热圆柱头侧面的液相区的单晶高温合金溶液一段时间后，达到圆柱头与液相区等温后，便停止工作；

20、步骤s6：启动超声波发生器产生超声振动，超声波传导杆将超声振动传导至单晶高温合金内，使单晶高温合金凝固过程中晶粒细化；

21、步骤s7：单晶高温合金从下至上逐渐定向凝固，同步，驱动装置驱动超声波传导杆旋转及上升，圆柱头内的水冷腔保证单晶选晶空间螺旋通道内具有内稳态梯度温度场，达到选晶为单晶合金晶粒生长取向为<0,0,1>的目的；

22、步骤s8：驱动装置驱动超声波传导杆收缩至初始位置，单晶高温合金完全凝固；此刻，凝固区和液相区消失，只剩下固相区，单晶选晶空间螺旋通道内的单晶高温合金也凝固成螺旋状；

23、步骤s9：破坏真空环境，建立空气环境；机械手提起顶部保温固定板和单晶高温合金定型模具一同上升，且脱离温控板；人工向下拆卸单晶高温合金定型模具及螺旋向下拆卸固相区。

24、在一种可能实现的方式中，所述圆柱头的外圆柱面与所述单晶高温合金定型模具的内壁之间具有0.43mm的间隙；在单晶高温合金的定向凝固过程中，所述驱动装置控制所述圆柱头的底面始终位于凝固区上方。

25、本发明的优点及有益效果是：本发明提供的一种单晶高温合金定向凝固模组，将单晶选晶空间螺旋通道设置在超声波传导杆的圆柱头外侧，而不是在陶瓷模具内侧，因此更容易获得更高的表面质量和更低的加工成本，可以为单晶高温合金轴零件的热疲劳、高温力学性能的提升提供一种策略。

26、本发明在单晶高温合金铸造凝固过程中，晶粒细化，没有结晶中间疏松，外侧紧密的现象，也没有凝固收缩缺陷、缩松等现象，提高了结晶产品的高温蠕变疲劳寿命。本发明避免了单晶高温合金元素偏析和单晶高温合金结晶筏化现象，提高了单晶高温合金蠕变疲劳寿命。

27、本发明适合高通量和模块化，不用固溶处理，没有二次加温费用和设备，降低生产成本。

28、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

29、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。