[发明专利]定向凝固冷却熔炉及使用这种熔炉的冷却方法

说明书

一种用于金属铸造部件的定向凝固冷却熔炉(20)包括：具有竖直中心轴线(X)的圆柱形内部罩壳(26)以及被布置在内部罩壳(26)中的模具支撑件(28)；内部罩壳(26)包括铸造区域(A)和冷却区域(B)，铸造区域(A)和冷却区域(B)彼此重叠；当模具支撑件被布置在铸造区域(A)中时，铸造区域和冷却区域通过固定的隔热罩(31)并且通过由模具支撑件(28)承载的第二隔热罩(32)彼此热隔离；铸造区域(A)至少包括第一加热装置，并且冷却区域(B)包括第二加热装置(60)，第一和第二加热装置被构造成使得铸造区域(A)的温度高于冷却区域(B)的温度；并且冷却区域包括彼此重叠并且通过第三隔热罩(33)彼此热隔离的上部(B’)和下部(B”)，冷却区域(B)的上部(B’)包括第二加热装置(60)。

技术领域

本发明涉及冷却通过铸造制成的金属部件的领域，并且更具体地涉及一种用于金属铸造部件的定向凝固冷却熔炉，以及也涉及一种通过使用这种熔炉对金属铸造部件定向凝固冷却的方法。

背景技术

所谓的“失蜡”或“熔模”铸造方法特别地适合于生产复杂形状的金属部件。因此，熔模铸造特别地用于生产涡轮发动机叶片。

在熔模铸造中，第一步骤是用相对较低熔融温度的材料，诸如例如蜡或树脂，制成模型，其中模具然后被二次注塑在模型上。在模具已经凝固之后，从模具内侧撤出模型材料。熔融金属然后被铸造到模具内，以填充通过从模具撤出模型所形成的空腔。一旦金属已经完全地冷却和凝固，可打开或破坏该模具，以回收一种具有模型形状的金属部件。

为了能够同时生产多个部件，可以将多个模型结合在单一集群中，每个模型连接到一棵树形物，所述树形物形成用于模具内的熔融金属的铸造通道。

术语“金属”在本上下文中用于既包括纯金属又包括金属合金。

为了能够利用这种金属合金在通过铸造生产的部件中获得有利热机械性能的能力，可能期望使用模具中金属的定向凝固。

术语“定向凝固”在本文中用于包括控制固体晶体的结晶及控制其从液态向固态转变时以给定方向在熔融金属内的生长。这种定向凝固的目的因此是避免晶界在部件中的负面效应。定向凝固可以是柱形的或单晶的。柱形定向凝固包括将所有晶界定向在同一方向中，以减少它们对裂纹扩展的作用。单晶定向凝固包括确保该部件凝固为单晶体，从而消除晶界。

通过定向凝固生产的部件不仅可以获得沿所有力轴线的特别高的机械强度，而且它们还可以具有改进的高温性能，因为不需要使用添加剂来实现结晶颗粒之间的更强结合。因此，以这种方式生产的金属部件可有利地在例如涡轮机的高温部分使用。

在定向凝固铸造方法中，液态金属被铸造到模具中，所述模具包括一种在铸造衬套和底座之间沿主轴延伸的中心圆柱体，以及被布置为围绕所述中心圆柱体的集群的多个成型空腔，每个空腔通过进给通道连接到铸造衬套。在熔融金属经由铸造衬套已经被铸造到模具空腔内之后，熔融金属沿所述主轴从底座朝铸造衬套逐渐地冷却。例如，这可以通过在冷却底座的同时从熔炉或加热腔室沿其主轴向下逐渐地提取模具来实现。

因为熔融金属从底座开始逐渐地冷却，所以金属的凝固可以在底座附近开始，并且可以沿平行于主轴的方向从底座延伸。

然而，在金属的凝固和冷却过程中，在模具的多种部分和金属之间可能存在很大的温度梯度，从而在部件产生变形和热机械应力。为了限制这些应力，使用一种由铜制成并且能够将冷却区域维持在约300℃的温度的冷却器，以减小在定向凝固过程中部件中存在的温度梯度。

然而，由于目前正在生产的部件变得越来越复杂(新合金、中空或实心涡轮叶片和/或越来越精细的壁厚)，所产生的热机械应力可导致在这些叶片的凝固和冷却过程中形成的重新结晶晶粒和裂纹，从而导致最终部件中的脆弱区域。

发明内容

本发明提供一种用于金属铸造部件的定向凝固冷却熔炉，所述熔炉包括：

·具有竖直中心轴线的圆柱形内部罩壳；以及