液態金屬噴淋冷卻定向凝固設備的研制

諶國軍 李傳軍 齊永順 李豐文 玄偉東 任忠鳴

（1.上海大學省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室，上海 200444；2.上海市鋼鐵冶金新技術開發應用重點實驗室，上海 200444；3.上海大學材料科學與工程學院，上海 200444）

高溫合金被用于制作航空發動機和燃氣輪機的渦輪葉片和導向葉片等。定向凝固技術則用于制備定向或單晶葉片，可消除垂直于主應力軸的橫向晶界。在定向凝固過程中，溫度梯度及抽拉速率是控制凝固組織的重要參數。研究表明：高溫度梯度定向凝固不僅可細化枝晶組織，減少偏析，還可減少雀斑、雜晶等凝固缺陷，提升單晶葉片質量［1-4］。因此，如何實現單晶葉片高溫度梯度定向凝固仍是一個亟須解決的問題。

1970 年，Versnyder等［5］在Bridgeman 方法的基礎上發展了高速凝固技術。高速凝固技術在冷區采用水冷銅板和水冷環散熱，溫度場比較穩定，設備簡單，因此被廣泛用于工業生產。隨著對大尺寸燃氣輪機單晶葉片需求量的增加，高速凝固技術用于燃氣輪機葉片生產逐漸暴露出許多問題，如模殼破裂、模殼／合金界面反應、凝固缺陷增多等。為解決上述問題，研究者提出了多種定向凝固技術。1976年，Giamei等［6］提出了液態金屬冷卻技術，用攪拌的金屬液作冷卻劑，浮動的氧化鋁球作輻射擋板，有效提高了冷卻區的冷卻效率和兩區之間的隔熱性能，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化生產。但使用金屬液作冷卻劑也存在一些問題，如設備復雜、成本高、相較于高速凝固技術橫向生長傾向大［7］。1980 年，Nakagawa 等［8］提出了流化床液淬技術，以懸浮在惰性氣體（通常為Ar）中的穩定非金屬粉末或顆粒作冷卻介質，定向凝固時將鑄件下拉浸入冷卻介質冷卻。相較于高速凝固技術，流化床液淬技術提高了冷卻效率，但定向凝固過程中難以避免流化床固相顆粒對模殼和設備的影響。2000年，Konter等［9］提出了氣體冷卻鑄造技術，將氣體冷卻系統置于輻射擋板下沿，利用冷卻氣體提高定向凝固爐冷區的冷卻效率。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，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，凝固過程中晶體向下生長，生長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，由于模具浸沒在熔融金屬中，需要模具的外表面與內表面一樣光潔，因此模殼的制造比較復雜。此外，由于輻射散熱，復雜鑄件的凝固條件也不均勻。2016年，Lian等［11］提出了靜態固體冷卻技術，利用高熱導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，通過電控系統控制凝固過程，理論上可達到130 K／cm的溫度梯度。然而由于設備和工藝復雜，并未在生產中應用。

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

1 液態金屬噴淋冷卻設備的結構

液態金屬噴淋冷卻定向凝固設備由爐體、加熱系統、真空系統和液態金屬噴淋系統組成，其工作原理和結構如圖1所示。

圖1 液態金屬噴淋冷卻設備的工作原理（a）和主要構件（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構：從上到下依次為測溫加料室、熔煉保溫室和冷卻室。測溫、加料結構分別安裝在轉塔結構兩個獨立的腔室內。測溫或加料時，轉塔將測溫或加料腔室對準插板閥并固定。抽真空至腔室內壓強與爐體內壓強相等，打開插板閥和隔熱擋塵板完成熔煉測溫和多次加料操作。

上爐體采用U型立式結構，爐體和爐門皆為雙層結構內設循環水冷通道，為防止金屬銹蝕吸氣，選用不銹鋼材料。爐體頂部設置一個充氣開關、一個放氣閥、兩個觀察窗。充氣開關用于通入保護氣體，放氣閥用于試驗結束后消除真空狀態，觀察窗用于試驗中觀察熔煉保溫區。爐體外側壁平面部分焊接加強環或肋板以提高爐體強度。感應熔煉爐和進電翻轉軸通過螺栓和焊接的方式固定在后爐門，進電翻轉軸采用多組骨架膠圈和O型圈進行動密封。保溫室分上、下兩區加熱，采用兩個獨立電源對上、下石墨加熱體供電。進電電極固定在上爐體側壁法蘭上。上爐體主要包括感應熔煉爐、翻轉澆鑄系統、保溫爐和保溫爐固定支架，用于實現定向凝固過程中的合金熔煉、澆鑄和鑄型保溫。

下爐體采用倒U型立式結構，爐體為單層不銹鋼結構，爐門采用雙層不銹鋼結構內通循環冷卻水。爐體外壁設置方格形加強筋以增加爐體強度。爐體背部有3個圓孔，用于布置熱電偶補償導線和電源線，側壁通過管道與真空系統相連。下爐體主要包括液態金屬噴淋系統、定向凝固抽拉系統，用于實現鑄件定向凝固過程中鑄型冷卻和移動。

1.2 加熱系統

加熱系統主要包括熔煉高溫合金的感應爐和用于鑄型保溫的電阻加熱保溫爐。感應熔煉爐和保溫爐的溫度均可達1 600℃。感應熔煉爐由感應熔煉電源、進電電極、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-液界面產生電磁力破壞界面生長穩定性。保溫爐采用上、下分區設計（圖2），上、下柵型石墨加熱體由兩個直流電源獨立控制，采用水冷銅電纜提供穩定電流。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，下加熱體保持更高溫度以提高固-液界面的溫度梯度。保溫爐側壁、蓋板和底部出口處采用3層碳氈保溫，以減小熱量散失維持溫度場穩定。

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

1.3 真空系統

真空系統用于試驗過程中使爐體內保持高真空狀態，防止石墨加熱器和高溫合金被高溫氧化。真空系統由主、副兩套真空泵組構成。主真空泵組由一臺滑閥機械泵作前級泵、一臺羅茨泵作增壓泵、一臺旋片機械泵作維持泵、一臺油擴散泵作高真空泵。機械泵極限壓力為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。副真空泵組由一臺機械泵和一臺羅茨泵構成，運行參數與主真空泵相同。真空系統能保證爐體冷態極限真空度達到6 ×10-3Pa。

1.4 定向凝固抽拉系統

抽拉系統用于試驗中鑄型移動，因此要求抽拉系統抽拉過程中運動平穩，抽拉速率能在較大范圍內連續調節，且低速抽拉時無蠕動現象。為滿足上述要求，抽拉系統采用西門子伺服電機和減速器作為動力輸出。鑄型兩側的滾珠絲桿通過齒輪和皮帶與減速器相連，絲桿兩側設置兩根滑軌用于導向。水冷銅盤固定裝置利用插銷的方式固定在兩側絲桿的滑塊上。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 定向凝固抽拉系統的示意圖Fig.3 Schematic diagram of the directional solidification withdrawal system

1.5 液態金屬噴淋系統

液態金屬噴淋系統由高溫熔鹽泵、噴淋環、熔錫爐和錫液管道組成，用于將錫液噴淋到模殼表面以產生穩定的溫度梯度，要求錫液流速及溫度可控，氣密性好，使用安全、穩定，壽命長。因此選用耐高溫且耐腐蝕的熔鹽泵作液態金屬噴淋系統的動力裝置。高溫熔鹽泵由三相電機、液下泵殼、葉輪、加熱棒和錫液保溫罐等組成。三相電機帶動浸入錫液的葉輪高速轉動，泵殼內錫液隨葉輪轉動。在離心力的作用下，錫液獲得動能進入與泵殼連接的錫液管道。同時由于葉輪中錫液排出形成一定的真空，錫液保溫罐內的錫液被吸入葉輪。葉輪持續轉動可將錫液不斷從保溫罐吸入葉輪排至錫液管道，再通過管道進入噴淋環噴淋至模殼。錫液噴淋速率可在0.58～1.31 L／s范圍內調節。基于高溫熔鹽泵設計的液態金屬噴淋系統具有流速可控、管道氣密性好、泵體使用壽命長等優點。熔錫爐采用120 kW電阻加熱器快速熔錫，錫液溫度可在250～400℃范圍內調節。管道外部纏繞柔性加熱帶加熱，加熱帶內布置熱電偶用于監控管道內錫液溫度。

2 熱流分析

對液態金屬噴淋冷卻定向凝固過程進行熱流分析，以對比高速凝固技術和液態金屬噴淋冷卻定向凝固技術的傳熱過程。鑄件定向凝固過程中，熱量通過以下過程向外傳遞［9］。

圖4 液態金屬噴淋系統的示意圖Fig.4 Schematic diagram of the liquid metal spraying system

（1）通過熱傳導從固-液界面前沿傳遞到已凝固金屬，換熱系數為hcm。

（2）通過熱輻射從凝固合金外壁傳遞到模殼內壁，換熱系數為hgap。

（3）通過熱傳導從模殼內壁傳遞到模殼外壁，換熱系數為hcmd。

（4）高速凝固技術通過熱輻射從模殼外壁傳遞到環境中，換熱系數為hs1。

（5）液態金屬噴淋冷卻定向凝固技術通過對流換熱從模殼外壁傳遞到環境中，換熱系數為hs2。

多級冷卻過程中的熱流密度可用牛頓傳熱定律中的復合傳熱系數h描述：

式中：Q是熱流密度；h是總換熱系數；T和T0分別為鑄件溫度和環境溫度。

定向凝固過程的總換熱系數h為：

對于1個鑄件，hcm和hcmd［11］可表示為：

式中：λm和λd分別為合金的熱導率（25 W／（m2·K））和模殼的熱導率（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；ε1、T是金屬表面的輻射率和溫度；ε2、ε3、T1是模殼內外表面的輻射率和溫度；ε4、T0是環境的吸收率和溫度。ε1＝0.4，ε2＝0.5，ε3＝ ε4＝0.45，T ＝1 580 K，T1＝1 500 K，T0＝400 K［9］。計算得出hgap＝230 W／（m2·K），hs1＝120 W／（m2·K）。將高速凝固技術各部分換熱系數hcm、hcmd、hgap、hs1代入式（2），計算出高速凝固技術的總換熱系數hHRS＝50 W／（m2·K）。

利用特征數方程［13］估算液態金屬與模殼之間的對流換熱系數：

式中：ρ、cp、λ、μ分別為錫液密度、定壓比熱熔、熱導率、動力黏度；v為流體速度；L為特征長度。具體數值如下：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。計算得出hs2＝11 500 W／（m2·K）。

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

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

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

3 液態金屬噴淋冷卻定向凝固設備初步試驗

液態金屬噴淋冷卻定向凝固設備建造后，對其進行了調試。圖5為電機轉速不同時錫液在噴淋環出口的流動狀態。電機是液態金屬噴淋系統的動力，其轉速越快，管道內流體的流速越大，噴淋環出口處流速越大。由圖5可知，低轉速時，錫液噴射距離未達到噴淋環中心，隨著轉速增大，錫液能達到噴淋環中心甚至超越中心。這表明電機轉速越大，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 電機轉速對噴淋環出口處錫液流動狀態的影響Fig.5 Flow states of liquid tin at outlet of the spraying ring produced at different motor speeds

定向凝固試驗用合金為DZ22高溫合金，其化學成分如表1所示。

表1 DZ22高溫合金的化學成分（質量分數）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達，這是高溫度梯度定向凝固的重要特征［15-16］。

圖6 液態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

測定的平均一次枝晶間距λ1＝287 μm。根據以前的研究結果，通過DZ22合金中一次枝晶間距、溫度梯度GL及固-液界面移動速率R之間的關系可計算出溫度梯度［17］：

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

4 結論

設計并建造的可工業應用的液態金屬噴淋冷卻定向凝固設備，能實現噴淋錫液，以改善模殼冷卻效果，提高固-液界面前沿的溫度梯度。與傳統高速凝固技術相比，液態金屬噴淋冷卻定向凝固技術熱流密度提高了47%。液態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，計算的液態金屬噴淋冷卻定向凝固時固-液界面的溫度梯度為70 K／cm。