液態(tài)金屬噴淋冷卻定向凝固設(shè)備的研制

諶國(guó)軍 李傳軍 齊永順 李豐文 玄偉東 任忠鳴

（1.上海大學(xué)省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200444；2.上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200444；3.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444）

高溫合金被用于制作航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪葉片和導(dǎo)向葉片等。定向凝固技術(shù)則用于制備定向或單晶葉片，可消除垂直于主應(yīng)力軸的橫向晶界。在定向凝固過(guò)程中，溫度梯度及抽拉速率是控制凝固組織的重要參數(shù)。研究表明：高溫度梯度定向凝固不僅可細(xì)化枝晶組織，減少偏析，還可減少雀斑、雜晶等凝固缺陷，提升單晶葉片質(zhì)量［1-4］。因此，如何實(shí)現(xiàn)單晶葉片高溫度梯度定向凝固仍是一個(gè)亟須解決的問(wèn)題。

1970 年，Versnyder等［5］在Bridgeman 方法的基礎(chǔ)上發(fā)展了高速凝固技術(shù)。高速凝固技術(shù)在冷區(qū)采用水冷銅板和水冷環(huán)散熱，溫度場(chǎng)比較穩(wěn)定，設(shè)備簡(jiǎn)單，因此被廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)。隨著對(duì)大尺寸燃?xì)廨啓C(jī)單晶葉片需求量的增加，高速凝固技術(shù)用于燃?xì)廨啓C(jī)葉片生產(chǎn)逐漸暴露出許多問(wèn)題，如模殼破裂、模殼／合金界面反應(yīng)、凝固缺陷增多等。為解決上述問(wèn)題，研究者提出了多種定向凝固技術(shù)。1976年，Giamei等［6］提出了液態(tài)金屬冷卻技術(shù)，用攪拌的金屬液作冷卻劑，浮動(dòng)的氧化鋁球作輻射擋板，有效提高了冷卻區(qū)的冷卻效率和兩區(qū)之間的隔熱性能，從而提高了固-液界面的溫度梯度，目前這一方法已用于單晶葉片的工業(yè)化生產(chǎn)。但使用金屬液作冷卻劑也存在一些問(wèn)題，如設(shè)備復(fù)雜、成本高、相較于高速凝固技術(shù)橫向生長(zhǎng)傾向大［7］。1980 年，Nakagawa 等［8］提出了流化床液淬技術(shù)，以懸浮在惰性氣體（通常為Ar）中的穩(wěn)定非金屬粉末或顆粒作冷卻介質(zhì)，定向凝固時(shí)將鑄件下拉浸入冷卻介質(zhì)冷卻。相較于高速凝固技術(shù)，流化床液淬技術(shù)提高了冷卻效率，但定向凝固過(guò)程中難以避免流化床固相顆粒對(duì)模殼和設(shè)備的影響。2000年，Konter等［9］提出了氣體冷卻鑄造技術(shù)，將氣體冷卻系統(tǒng)置于輻射擋板下沿，利用冷卻氣體提高定向凝固爐冷區(qū)的冷卻效率。然而由于冷卻氣流影響范圍難以控制，易影響保溫室溫度和降低固-液界面溫度梯度。2012年，Ma等［10］提出了薄模殼定向凝固技術(shù)，將薄模殼插入高溫合金液向上抽拉，并在高溫合金熔池上部放置柔性擋板和惰性氣體冷卻系統(tǒng)，凝固過(guò)程中晶體向下生長(zhǎng)，生長(zhǎng)方向的改變減小了模殼的受力，可采用更薄的模殼，減小了模殼的熱阻，有效提高了冷卻效率。然而，由于模具浸沒(méi)在熔融金屬中，需要模具的外表面與內(nèi)表面一樣光潔，因此模殼的制造比較復(fù)雜。此外，由于輻射散熱，復(fù)雜鑄件的凝固條件也不均勻。2016年，Lian等［11］提出了靜態(tài)固體冷卻技術(shù)，利用高熱導(dǎo)率的固體材料緊密包裹鑄件和模殼，并在固體材料外間隔放置豎直方向尺寸很小的加熱和冷卻裝置，通過(guò)電控系統(tǒng)控制凝固過(guò)程，理論上可達(dá)到130 K／cm的溫度梯度。然而由于設(shè)備和工藝復(fù)雜，并未在生產(chǎn)中應(yīng)用。

本文基于液態(tài)金屬噴淋冷卻定向凝固技術(shù)，設(shè)計(jì)并建造了用于生產(chǎn)單晶渦輪葉片的定向凝固設(shè)備。液態(tài)金屬噴淋冷卻定向凝固設(shè)備是將溫度較低的液態(tài)金屬（如錫液）噴淋在模殼上，一方面可在加熱區(qū)與冷卻區(qū)之間形成隔熱屏障，另一方面能強(qiáng)化模殼冷卻，提高定向凝固過(guò)程中固-液界面的溫度梯度。

1 液態(tài)金屬噴淋冷卻設(shè)備的結(jié)構(gòu)

液態(tài)金屬噴淋冷卻定向凝固設(shè)備由爐體、加熱系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和液態(tài)金屬噴淋系統(tǒng)組成，其工作原理和結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 液態(tài)金屬噴淋冷卻設(shè)備的工作原理（a）和主要構(gòu)件（b）Fig.1 Operating principle （a）and principal components（b）of the liquid metal spraying cooling equipment

1.1 爐體

爐體采用三室兩體立式結(jié)構(gòu)：從上到下依次為測(cè)溫加料室、熔煉保溫室和冷卻室。測(cè)溫、加料結(jié)構(gòu)分別安裝在轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)兩個(gè)獨(dú)立的腔室內(nèi)。測(cè)溫或加料時(shí)，轉(zhuǎn)塔將測(cè)溫或加料腔室對(duì)準(zhǔn)插板閥并固定。抽真空至腔室內(nèi)壓強(qiáng)與爐體內(nèi)壓強(qiáng)相等，打開插板閥和隔熱擋塵板完成熔煉測(cè)溫和多次加料操作。

上爐體采用U型立式結(jié)構(gòu)，爐體和爐門皆為雙層結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)循環(huán)水冷通道，為防止金屬銹蝕吸氣，選用不銹鋼材料。爐體頂部設(shè)置一個(gè)充氣開關(guān)、一個(gè)放氣閥、兩個(gè)觀察窗。充氣開關(guān)用于通入保護(hù)氣體，放氣閥用于試驗(yàn)結(jié)束后消除真空狀態(tài)，觀察窗用于試驗(yàn)中觀察熔煉保溫區(qū)。爐體外側(cè)壁平面部分焊接加強(qiáng)環(huán)或肋板以提高爐體強(qiáng)度。感應(yīng)熔煉爐和進(jìn)電翻轉(zhuǎn)軸通過(guò)螺栓和焊接的方式固定在后爐門，進(jìn)電翻轉(zhuǎn)軸采用多組骨架膠圈和O型圈進(jìn)行動(dòng)密封。保溫室分上、下兩區(qū)加熱，采用兩個(gè)獨(dú)立電源對(duì)上、下石墨加熱體供電。進(jìn)電電極固定在上爐體側(cè)壁法蘭上。上爐體主要包括感應(yīng)熔煉爐、翻轉(zhuǎn)澆鑄系統(tǒng)、保溫爐和保溫爐固定支架，用于實(shí)現(xiàn)定向凝固過(guò)程中的合金熔煉、澆鑄和鑄型保溫。

下?tīng)t體采用倒U型立式結(jié)構(gòu)，爐體為單層不銹鋼結(jié)構(gòu)，爐門采用雙層不銹鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)通循環(huán)冷卻水。爐體外壁設(shè)置方格形加強(qiáng)筋以增加爐體強(qiáng)度。爐體背部有3個(gè)圓孔，用于布置熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線和電源線，側(cè)壁通過(guò)管道與真空系統(tǒng)相連。下?tīng)t體主要包括液態(tài)金屬噴淋系統(tǒng)、定向凝固抽拉系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)鑄件定向凝固過(guò)程中鑄型冷卻和移動(dòng)。

1.2 加熱系統(tǒng)

加熱系統(tǒng)主要包括熔煉高溫合金的感應(yīng)爐和用于鑄型保溫的電阻加熱保溫爐。感應(yīng)熔煉爐和保溫爐的溫度均可達(dá)1 600℃。感應(yīng)熔煉爐由感應(yīng)熔煉電源、進(jìn)電電極、水冷銅線圈、坩堝和坩堝支架組成。鑄型保溫爐采用電阻加熱，可避免固-液界面產(chǎn)生電磁力破壞界面生長(zhǎng)穩(wěn)定性。保溫爐采用上、下分區(qū)設(shè)計(jì)（圖2），上、下柵型石墨加熱體由兩個(gè)直流電源獨(dú)立控制，采用水冷銅電纜提供穩(wěn)定電流。加熱體中間用石墨擋板隔開。上加熱體保持較低溫度以減少高溫合金液中元素的揮發(fā)，下加熱體保持更高溫度以提高固-液界面的溫度梯度。保溫爐側(cè)壁、蓋板和底部出口處采用3層碳?xì)直?，以減小熱量散失維持溫度場(chǎng)穩(wěn)定。

圖2 保溫爐示意圖Fig.2 Schematic diagram of the holding furnace

1.3 真空系統(tǒng)

真空系統(tǒng)用于試驗(yàn)過(guò)程中使?fàn)t體內(nèi)保持高真空狀態(tài)，防止石墨加熱器和高溫合金被高溫氧化。真空系統(tǒng)由主、副兩套真空泵組構(gòu)成。主真空泵組由一臺(tái)滑閥機(jī)械泵作前級(jí)泵、一臺(tái)羅茨泵作增壓泵、一臺(tái)旋片機(jī)械泵作維持泵、一臺(tái)油擴(kuò)散泵作高真空泵。機(jī)械泵極限壓力為0.5 Pa，抽氣速率為150 L／s。羅茨泵極限壓力為0.05 Pa，抽氣速率為1 200 L／s。油擴(kuò)散泵極限壓力為6.7×10-5Pa，抽氣速率為17 000 L／s。副真空泵組由一臺(tái)機(jī)械泵和一臺(tái)羅茨泵構(gòu)成，運(yùn)行參數(shù)與主真空泵相同。真空系統(tǒng)能保證爐體冷態(tài)極限真空度達(dá)到6 ×10-3Pa。

1.4 定向凝固抽拉系統(tǒng)

抽拉系統(tǒng)用于試驗(yàn)中鑄型移動(dòng)，因此要求抽拉系統(tǒng)抽拉過(guò)程中運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，抽拉速率能在較大范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，且低速抽拉時(shí)無(wú)蠕動(dòng)現(xiàn)象。為滿足上述要求，抽拉系統(tǒng)采用西門子伺服電機(jī)和減速器作為動(dòng)力輸出。鑄型兩側(cè)的滾珠絲桿通過(guò)齒輪和皮帶與減速器相連，絲桿兩側(cè)設(shè)置兩根滑軌用于導(dǎo)向。水冷銅盤固定裝置利用插銷的方式固定在兩側(cè)絲桿的滑塊上。抽拉速率為1～313 mm／min。水冷銅盤下面安裝錫液收集裝置。

圖3 定向凝固抽拉系統(tǒng)的示意圖Fig.3 Schematic diagram of the directional solidification withdrawal system

1.5 液態(tài)金屬噴淋系統(tǒng)

液態(tài)金屬噴淋系統(tǒng)由高溫熔鹽泵、噴淋環(huán)、熔錫爐和錫液管道組成，用于將錫液噴淋到模殼表面以產(chǎn)生穩(wěn)定的溫度梯度，要求錫液流速及溫度可控，氣密性好，使用安全、穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)。因此選用耐高溫且耐腐蝕的熔鹽泵作液態(tài)金屬噴淋系統(tǒng)的動(dòng)力裝置。高溫熔鹽泵由三相電機(jī)、液下泵殼、葉輪、加熱棒和錫液保溫罐等組成。三相電機(jī)帶動(dòng)浸入錫液的葉輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)，泵殼內(nèi)錫液隨葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)。在離心力的作用下，錫液獲得動(dòng)能進(jìn)入與泵殼連接的錫液管道。同時(shí)由于葉輪中錫液排出形成一定的真空，錫液保溫罐內(nèi)的錫液被吸入葉輪。葉輪持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)可將錫液不斷從保溫罐吸入葉輪排至錫液管道，再通過(guò)管道進(jìn)入噴淋環(huán)噴淋至模殼。錫液噴淋速率可在0.58～1.31 L／s范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。基于高溫熔鹽泵設(shè)計(jì)的液態(tài)金屬噴淋系統(tǒng)具有流速可控、管道氣密性好、泵體使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。熔錫爐采用120 kW電阻加熱器快速熔錫，錫液溫度可在250～400℃范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。管道外部纏繞柔性加熱帶加熱，加熱帶內(nèi)布置熱電偶用于監(jiān)控管道內(nèi)錫液溫度。

2 熱流分析

對(duì)液態(tài)金屬噴淋冷卻定向凝固過(guò)程進(jìn)行熱流分析，以對(duì)比高速凝固技術(shù)和液態(tài)金屬噴淋冷卻定向凝固技術(shù)的傳熱過(guò)程。鑄件定向凝固過(guò)程中，熱量通過(guò)以下過(guò)程向外傳遞［9］。

圖4 液態(tài)金屬噴淋系統(tǒng)的示意圖Fig.4 Schematic diagram of the liquid metal spraying system

（1）通過(guò)熱傳導(dǎo)從固-液界面前沿傳遞到已凝固金屬，換熱系數(shù)為hcm。

（2）通過(guò)熱輻射從凝固合金外壁傳遞到模殼內(nèi)壁，換熱系數(shù)為hgap。

（3）通過(guò)熱傳導(dǎo)從模殼內(nèi)壁傳遞到模殼外壁，換熱系數(shù)為hcmd。

（4）高速凝固技術(shù)通過(guò)熱輻射從模殼外壁傳遞到環(huán)境中，換熱系數(shù)為hs1。

（5）液態(tài)金屬噴淋冷卻定向凝固技術(shù)通過(guò)對(duì)流換熱從模殼外壁傳遞到環(huán)境中，換熱系數(shù)為hs2。

多級(jí)冷卻過(guò)程中的熱流密度可用牛頓傳熱定律中的復(fù)合傳熱系數(shù)h描述：

式中：Q是熱流密度；h是總換熱系數(shù)；T和T0分別為鑄件溫度和環(huán)境溫度。

定向凝固過(guò)程的總換熱系數(shù)h為：

對(duì)于1個(gè)鑄件，hcm和hcmd［11］可表示為：

式中：λm和λd分別為合金的熱導(dǎo)率（25 W／（m2·K））和模殼的熱導(dǎo)率（1.5 W／（m2·K））［8］；δm和δd分別為金屬部分厚度（25 mm）和模殼厚度（10 mm）。

式中：σ是斯忒藩-玻耳茲曼常數(shù)；ε1、T是金屬表面的輻射率和溫度；ε2、ε3、T1是模殼內(nèi)外表面的輻射率和溫度；ε4、T0是環(huán)境的吸收率和溫度。ε1＝0.4，ε2＝0.5，ε3＝ ε4＝0.45，T ＝1 580 K，T1＝1 500 K，T0＝400 K［9］。計(jì)算得出hgap＝230 W／（m2·K），hs1＝120 W／（m2·K）。將高速凝固技術(shù)各部分換熱系數(shù)hcm、hcmd、hgap、hs1代入式（2），計(jì)算出高速凝固技術(shù)的總換熱系數(shù)hHRS＝50 W／（m2·K）。

利用特征數(shù)方程［13］估算液態(tài)金屬與模殼之間的對(duì)流換熱系數(shù)：

式中：ρ、cp、λ、μ分別為錫液密度、定壓比熱熔、熱導(dǎo)率、動(dòng)力黏度；v為流體速度；L為特征長(zhǎng)度。具體數(shù)值如下：ρ＝6 980 kg／m3，cp＝222 J／（kg·K），λ ＝63.6 W／（m·K）［1］，μ ＝0.002 Pa·s［14］，v ＝ 5 m／s，L＝0.2 m。計(jì)算得出hs2＝11 500 W／（m2·K）。

將液態(tài)金屬噴淋冷卻定向凝固技術(shù)各部分換熱系數(shù)hcm、hcmd、hgap、hs2代入式（2），則液態(tài)金屬噴淋冷卻定向凝固技術(shù)的總換熱系數(shù)hLMSC＝83 W／（m2·K）。

根據(jù)熱流方程對(duì)比高速凝固技術(shù)和液態(tài)金屬噴淋冷卻定向凝固技術(shù)的熱流密度。固-液界面前沿金屬、冷卻區(qū)爐壁和噴淋錫液的溫度分別為1 700、400和550 K，則液態(tài)金屬噴淋冷卻定向凝固技術(shù)的熱流密度QLMSC＝96 kW／m2，比高速凝固技術(shù)的熱流密度QHRS＝65 kW／m2提高了47%。

通過(guò)熱流分析可知，液態(tài)金屬噴淋冷卻定向凝固技術(shù)利用噴淋錫液冷卻模殼的方式代替高速凝固技術(shù)中模殼輻射散熱的冷卻方式，明顯減小了模殼散熱過(guò)程的熱阻。

3 液態(tài)金屬噴淋冷卻定向凝固設(shè)備初步試驗(yàn)

液態(tài)金屬噴淋冷卻定向凝固設(shè)備建造后，對(duì)其進(jìn)行了調(diào)試。圖5為電機(jī)轉(zhuǎn)速不同時(shí)錫液在噴淋環(huán)出口的流動(dòng)狀態(tài)。電機(jī)是液態(tài)金屬噴淋系統(tǒng)的動(dòng)力，其轉(zhuǎn)速越快，管道內(nèi)流體的流速越大，噴淋環(huán)出口處流速越大。由圖5可知，低轉(zhuǎn)速時(shí)，錫液噴射距離未達(dá)到噴淋環(huán)中心，隨著轉(zhuǎn)速增大，錫液能達(dá)到噴淋環(huán)中心甚至超越中心。這表明電機(jī)轉(zhuǎn)速越大，錫液噴淋速率越大，從模殼表面帶走的熱量越多，冷卻效果越好。

圖5 電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)噴淋環(huán)出口處錫液流動(dòng)狀態(tài)的影響Fig.5 Flow states of liquid tin at outlet of the spraying ring produced at different motor speeds

定向凝固試驗(yàn)用合金為DZ22高溫合金，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 DZ22高溫合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical composition of the DZ22 superalloy（mass fraction） %

試樣直徑為15 mm，定向凝固抽拉速率為6 mm／min。試樣的凝固組織如圖6所示，為典型的“十”字枝晶，且二次枝晶臂的三次枝晶發(fā)達(dá)，這是高溫度梯度定向凝固的重要特征［15-16］。

圖6 液態(tài)金屬噴淋冷卻定向凝固的DZ22合金試樣橫截面微觀組織Fig.6 Cross-section microstructure of the DZ22 alloy specimen directionally solidified under the condition of the use of liquid metal spray cooling

測(cè)定的平均一次枝晶間距λ1＝287 μm。根據(jù)以前的研究結(jié)果，通過(guò)DZ22合金中一次枝晶間距、溫度梯度GL及固-液界面移動(dòng)速率R之間的關(guān)系可計(jì)算出溫度梯度［17］：

抽拉速率較小時(shí)，固-液界面移動(dòng)速率與抽拉速率（6 mm／min）［18］近似，計(jì)算的溫度梯度GL＝70 K／cm，遠(yuǎn)大于高速凝固技術(shù)的溫度梯度～30 K／cm。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)并建造的可工業(yè)應(yīng)用的液態(tài)金屬噴淋冷卻定向凝固設(shè)備，能實(shí)現(xiàn)噴淋錫液，以改善模殼冷卻效果，提高固-液界面前沿的溫度梯度。與傳統(tǒng)高速凝固技術(shù)相比，液態(tài)金屬噴淋冷卻定向凝固技術(shù)熱流密度提高了47%。液態(tài)金屬噴淋冷卻定向凝固的φ15 mm DZ22高溫合金試樣，其平均一次枝晶間距為287 μm，計(jì)算的液態(tài)金屬噴淋冷卻定向凝固時(shí)固-液界面的溫度梯度為70 K／cm。