定向凝固熔融液的方法和装置用于由熔融液生产具柱状晶体或单晶体
组织的铸件。在由镍基或钴基合金，尤其是超合金的熔融液制造燃气轮机的
涡轮叶片时，此方法和装置尤其有用。
柱状晶体组织总是指一种多晶体组织。这种组织由沿着一定轴向取向的
长条形柱形晶体组成。在上述轴线方向，这种组织的承载能力特别强。单晶
组织实际上是指一个单晶体的组织，归根结底是一个基本上为唯一晶体的工
件。有关资料可从EP0092496B1中获得。
由熔融液制造单晶体的技术也见于半导体技术领域。不过，迄今为止在
该领域所应用的方法和装置均与先前描述的不同。但是，近来人们已在致力
于开展相关的研究工作，将用于金属材料的类似方法和装置用于半导体材料
领域。在熔融液的定向凝固方面，人们已经知道有若干途经可以获得单晶组
织。根据EP0092496B1，优选采取的方法是将熔融液在一个下端有一螺旋形
颈缩的铸模中凝固。在此情形下，在颈缩处以下首先形成一个柱状晶体组织，
由此只有一个唯一的柱状晶体长过颈缩处，继而成为熔融液在颈缩以上区域
结晶的出发点。一种替代方法是在铸模中置入一个所谓的“种晶”，也就是一
个小单晶。这样，熔融液就可以沿着种晶的定向结晶。在应用此方法时，当
然需要采取预防措施，防止种晶被将其覆盖的熔融液完全熔化掉。
在DE2815818A1中，有本文开始时所讲的那类方法和装置各一种。无
论如何都要将铸模浸入起冷却作用的熔液，该熔液最好是由液态的锡所形
成，其作用是在铸模和熔融液中产生一个沿垂直方向有剧烈的温度梯度的区
域。随着铸模不断浸入熔液中，这个区域将在熔融液中沿着与铸模浸入运动
相反的方向移动。之所以希望有一个尽可能急剧的温度梯度是因为它促使形
成一种有利的组织。急剧的温度梯度随着将装有熔融液的铸模浸入熔液时的
高冷却速率而产生。在这里“有利”组织是指一个在很大程度上没有非均匀
性，没有偏析，没有低熔点非平衡相和气孔，因而具有良好机械性能的组织。
急剧温度梯度的另一优点是，它可以提高生产过程的效率和经济性。不过，
由于加热区的温度通常高达1600℃左右，来自加热区的强烈的热幅射有碍于
高温度梯度的形成。这一热幅射能将熔液强烈加热，从而明显地降低可以获
得的温度梯度，并有可能导致金属熔液蒸发，尤其是若按通常的做法，熔融
液的定向凝固在真空下进行时更是如此。为了排除这些不利影响以及阻止来
自加热室的热幅射加热熔液，在加热室的底部有一指向铸模的辐射屏蔽罩，
这种屏蔽罩一般称为“遮护板”，其作用是遮住熔液，使其免受来自加热区的
热幅射。除此以外，在冷却熔融液上面还漂浮着一块由绝热材料组成的隔离
板。隔离板上有一开口，以便将铸模浸入冷却熔融液中。不过，由这种设计
所能达到的绝热效果并不理想，特别是当要生产的铸件具有变截面，因而铸
模的截面也相应地变化很大时，更是如此。在这种情况下，屏蔽罩和隔离板
必须与铸模的最大的横截面相适应。当铸模的横截面明显收缩的一个部位要
穿过屏蔽罩和隔离板而浸入熔液时，就会形成间隙，热幅射就可以透过此间
隙而辐射到熔液上，进而对可以获得的温度梯度产生不利影响。
在DE-AS1953716中，已有一带有熔液的容器，用于冷却铸模中的熔
融液。熔液的表面用一绝热覆盖层覆盖。熔液由液态铅形成。绝热层的作用
是阻止熔液的氧化和过度冷却。冷却熔融液不与任何加热装置有直接的关
系。使用时先将空的铸模浸入池中，然后将要凝固的熔融液充入铸模中。熔
融液的定向凝固并不是目的。同样，在熔融液或其由生产出的铸件中获得某
一特殊的温度分布也不在考虑之列。
在DE2242111B2中介绍的一种同类方法和一种同类装置是使熔液的表
面与加热室足够紧密，从而使得位于铸模下端的冷却板在铸模本身尚未浸入
冷却池时至少已经部分地浸没于冷却池中。这样，当铸模还处于加热区，而
且有可能还没有注入熔融液时，冷却板也保持在一个与熔液的温度相适应的
温度上。其结果是强化了位于铸模下端的熔融液的冷却，此外，对熔液还可
以达到增加一定程度的热屏蔽作用的效果，挡住来自加热区的热幅射。作为
进一步的补充，在加热室的下端有一特殊的热屏蔽。为了使熔液中的温度均
匀，设计有一搅拌装置，用它可以使熔液转动。
就所有已知的用于熔融液定向凝固的方法和装置而言，它们大概只能有
限地适用于生产尺寸明显大于10cm的铸件。其原因主要是因为迄今所能达
到的温度梯度不足以保证较多的熔融液可靠地定向凝固。对截面变化较大的
铸件而言，还有加热区的热幅射加热熔液所引起的问题。在使用已知的方法
和装置时，问题也存在于要同时生产一串用一共同的横浇口连接起来的多个
工件时，因为在这样一种情形下，由于热屏蔽更加困难，在铸件中所能达到
的温度梯度还将进一步减小。
因此，本发明的基本问题是，将本文初始所述的那类方法和装置进行改
进，使得与现有技术水平相比，熔液的热屏蔽有实质性改善；在将装有熔融
液的铸模浸入熔液时，获得比现有技术水平所能实现的要高得多的温度梯
度。最好是应当获得更为有利的凝固熔融液的组织和较短的生产时间。另外，
也应该能够在保证定向凝固和避免熔液过热和/或蒸发的前提下，生产较大的
铸件。
就方法而言，本发明的目的是这样实现的，即给出了一种用于一种第一
种金属在一个铸模中定向凝固的方法，包括在铸模中预备好温度高于其熔点
的第一种金属的熔融液和随后将装有熔融液的铸模浸入一个由一种液态的第
二种金属所形成的熔液中，以冷却铸模中的熔融液。第二种熔融液的温度低
于第一种金属的熔点。熔液由一飘浮着的、可以流动的覆盖层所覆盖。覆盖
层由一种绝热的松散材料所组成。装有熔融液的铸模穿透覆盖层而浸入熔液
中。
即使是在铸模进入熔液的过程中，本发明所采用的覆盖层也能完全屏蔽
熔液，这是因为可流动的松散材料总是将铸模团团围住，即使是在穿透覆盖
层时，铸模的横截面积发生改变，也即使是设置铸模用于同时容纳多个相互
之间有一定间距的金属熔融液，就像在最新的现有技术中间或所描述以及上
面已经解释的那样。
本发明首次在很大程度上完全阻止了进入熔液的主要热传送，而熔融液
则定向凝固。本发明使得有可能大大地提高熔融液凝固同时的有效温度梯
度。由于可以达到迅速冷却，本发明还可获得更好的性能以及成批生产时的
高生产率。基于此，本发明也可以经济、成批地生产比迄今为止尺寸要大得
多和/或者更大一串的铸件，从而开拓了将定向凝固用于额定功率为200MW
的固定燃气轮机的部件，特别是涡轮叶片的应用前景。
覆盖层可以比较容易而又廉价地由可以流动又具有绝热性能的固体材
料获得，特别是陶瓷空心体，最好是空心球。空心体最好是用氧化铝-二氧
化硅陶瓷，特别是莫来石，做成其直径在0.5mm至3mm之间，最好是1mm
左右。
对组成覆盖层材料的要求是低热导率和在熔液上的良好的漂浮性能，以
及为了保证覆盖层的流动性，在覆盖层所处的温度下不易于互相粘结或烧
结。同样重要的是，组成覆盖层的材料不大会被第二种金属所润湿，因为这
样就保证了第二种金属不会渗入覆盖层并被输运到暴露于加热区表面，从而
防止了覆盖层的蒸发及其绝热性和流动性的损害。
一种满足上述要求的材料是已经提到过的莫来石，最好是以空心球的形
式使用。在此情形下，组成覆盖层的松散材料最好是外径一致的球，而且，
若使用外径1mm的球，预期可以获得特别好的结果。若使用外径明显大得多
的空心球或使用不同直径的球，都认为是不太有利的。
除了陶瓷空心体外，在熔液表面能够漂浮良好以及导热率低的陶瓷实心
体同样适用。这些实心体最好做成实心球。可用作这些实心体的材料有陶瓷
氧化物，例如所提到的莫来石，以及氧化铝、镁、锆。这些实心体的直径最
好是在0.5mm至3mm之间，优选1mm左右。采用实心球的突出特点是实心
球之间没有什么空腔，因而空间利用率特别高，可以获得良好的热绝缘。
可以作为莫来石空心球替代物的有氧化铝、镁或锆的粉末粒子，其直径
在0.06mm的下限和0.4mm的上限之间。市场上常见的相应的陶瓷材料的粉
末即可用来作此用途。
另一种选择是使用熔融盐来作为覆盖层。
本方法的一个优选改进是将装有熔融液的铸模先在加热区保温至第一
温度，然后将铸模由加热区浸入熔液中。其中，覆盖层至少在铸模浸入覆盖
层时，直接与加热区接触。加热区与熔液的距离必须尽可能小，以便在有待
凝固的熔融液中获得尽可能大的温度梯度。如果设计合理，还可保证铸模可
以有一个特别有利的初始位置。在这一初始位置，一块位于铸模下面的冷却
板已经浸入冷却池，而还有待于灌注的铸模大约与加热区的下端平齐。这样，
在将铸模浸入时就可以获得一个特别高的初始凝固速度。这种措施可以有几
种方式可以实现。比如，可以将装有熔液的坩埚做得足够大，使它能够得到
加热区，而在熔液上，则用组成覆盖层的松散材料填充，直到加热区为止。
另一种选择是，将坩埚和内有加热区的加热室设计成可以相对运动，在将铸
模浸入熔液时，使它们相应地相互接近。
通常覆盖层的厚度最好在30mm至50mm之间。这一厚度至少应在将铸
模浸入熔液的过程中得到保证。一般覆盖层得受到强烈的热辐射照射。上述
厚度就特别能满足要抵挡强烈热幅射而所必需的绝热要求。
本发明的实施尽量在隔离氧气，最好是在真空条件下进行。以避免在熔
液表面产生氧化性熔渣。这一点之所以重要，是为了防止熔渣使覆盖层中的
松散材料容易粘结。特别是当用锡作为第二种金属时，覆盖层应尽量处于剩
余压力最高为10-3mbar，最好是10-4mbar的真空下。当第二种金属是锡或
含有锡时，这样一个真空不仅能避免产生新的第二种金属的氧化物，而且还
能分解可能已经存在的氧化锡，从而达到清洁熔液和覆盖层的效果。这种效
应是基于氧化锡在熔液通常所处的温度下的化学非稳定性和相应地趋于分解
的特性。如果能够保证将分解时所产生的氧通过制备好一个足够好的真空而
引走，就可以将有可能已经存在的氧化锡完全清除掉。
本方法的各种形式主要用于镍基或钴基合金，特别是超合金的定向凝
固。通常，生产燃气轮机的涡轮叶片时就考虑采用这种方法。
构成熔液的第二种金属最好是铝或锡，而尤以锡为佳。在选用锡时，熔
液的温度可以保持在500℃以下，最好在300℃左右。这样，就可以在第一
种金属的熔点和熔液的温度之间有一特别大的温差。另外，尽可能低的熔液
的第二温度降低了第二种金属过量蒸发的危险。
本方法的各种形式，尤其适用于通过定向凝固来生产燃气轮机的部件，
特别是涡轮机叶片。
本发明中装置方面的目的是这样实现的，即提供一种供一种第一种金属
在一个铸模中定向凝固的装置。该装置包括一个加热室，加热室中有一加热
区，用于将熔融液和铸模保温在高于第一种金属熔点的某一第一温度上；一
个置于加热室下面的坩埚，坩埚中有一第二种液态金属形成的熔液，熔液的
温度处于一个低于第一种金属熔点的第二温度上，此外，该装置还包括一个
用于将铸模从加热区送进熔液的升降装置，而熔液则被一漂浮着的、可以流
动的，并且可被铸所穿透的覆盖层所覆盖。覆盖层的材料是绝热的颗粒材料。
有关本发明中的装置的优点，与相应的方法所提供的一样，这些优点在
前面已有叙述，在此不再赘述。
如前所述，加热室与坩埚最好是可以相对运动，以便当熔融液在铸模中
定向凝固时，加热室中的加热区和坩埚中的覆盖层能达到期望的紧密的空间
关系。
同样尽量用一漂浮于熔液上的环将覆盖层环绕起来。在浮力的作用下，
该环被挤压下加热室而起到密封作用。通过前面所描述的那种加热室和坩埚
可以相对运动的设计，就可以使此环贴在加热室的底部而起到密封作用。在
将覆盖层相对于加热区和熔液的表面固定时，此环起了实质性的作用。这样，
可以可靠地阻止加热室的热幅射进入熔液，也保证了覆盖层直接置于加热区
的高温下，使得在覆盖层内获得一个特别高的温度梯度。视情况而定，与此
环一起，在坩埚上还可以有一设置合适的溢流口。当铸模被浸入熔液时，第
二种金属就可以通过溢流口溢出。至于溢流口是否有必要的问题，自然应考
虑所有的具体条件，尤其是熔液的几何形状和每每被铸模所排开的体积而
定。
覆盖层由不能被第二种金属所润湿的固体颗粒，尤其是莫来石等等陶瓷
空心体或氧化铝、氧化镁、或氧化锆的粉末状预制品所组成。空心体或粉末
粒子都是有一定的尺寸。关于此方面的有关细节，请见上面对本发明所给出
的方法的叙述。
覆盖层最好是设计和安置得使加热区和熔液表面之间的距离尽可能
小，以便获得一个尽可能大的温度梯度。
覆盖层的厚度最好是在30mm至50mm之间，以便保证有足够的热绝缘
效果。
本装置最好是置于一可以抽成真空的和/或可用一保护气充填的保护容
器中。这样，有害气体，比如说氧气，对第一种或第二种金属的作用就可得
到阻止，或者通过在保护容器中建立真空，就能阻止对流引起的热传递。这
里所指的真空是指剩余压力不超过10-3mbar，最好是低于10-4mbar的大气
压，保护容器中的温度可达300℃，这尤其保证了有机沉积物借助于保持真
空所需要的抽吸过程而除掉，使得它们既不能损害生产装置又不能损害其中
的液态金属。
图示为本发明的几个实施例。为了更清楚地说明具体的细节，所示图形
并非按比例绘制，因而有可能有少许失真。附图中：
图1示出一种第一种金属的熔融液1在一个铸模2中。3是一个第二种
液态金属所形成的熔液，它的温度(为方便起见称为第二温度)大大地低于所
要凝固的熔融液1的温度(为方便起见，称为第一温度)。为了进行冷却，要
将铸模2浸入熔液3中。用作第二种金属最好是选锡，在此情形下，第二温
度要调节在300℃以下，当然要在锡的熔点254℃以上。熔液3为一覆盖层
4所覆盖。覆盖层由可以流动的绝热松散材料5、6组成(请参看图2和图书)。
装有熔融液1的铸模2先停留在加热区7，加热区7处于一个很高的第一温
度下，特别是1600℃左右。覆盖层4的作用是防止热量由加热区7传入熔液
3，以便在覆盖层4的内部形成一与一个很大的温度梯度相对应的尽可能大
的温差。熔融液1和铸模2在加热区7中吸热，在熔液3中放热，其结果是
导致在熔融液1穿越覆盖层4的那一部位同样形成一个很大的温度梯度。这
一温度梯度便使熔融液1定向凝固为一个或多个具有柱状晶体或单晶体组织
的工件，尤其是涡轮叶片8(请参看图4)，加热区7位于一个加热室9内，加
热室9置于一个坩埚10之上，坩埚10之中有熔液3、一个升降装置11伸入
加热室9的内部。托架11就代表该升降装置11。用此升降装置11可以将铸
模2移动，特别是将它从加热区7浸入熔液3。熔液3的密封，以及与此有
关将熔液3和覆盖层4相对于加热区7定位到所需位置是用一个环12来实现
的，该环12漂浮在熔液上，并将覆盖层4围住。整个装置置于一个示意性地
勾画出来的保护容器13内，其目的尤其是为了将有可能氧化熔液3或熔融液
1的氧与该装置隔绝。为此，可将保护容器13抽真空和/或用一种合适的保护
气体，比如说氩气，充填。
熔融液1的定向凝固是通过将铸模2缓慢浸入熔液3来实现的。铸模2
静置于一块冷却板14之上。即使铸模2本身还未浸入熔液3，冷却板14也
应部分地浸入其中，其目的是视情况必要时在将熔融液1注入以前即将铸模
2的下端部位冷却，以便保证为熔融液1的定向凝固提供一个合适的初始温
度分布。条件合适可以省去冷却板14。在加热区7，在垂直方向上的不同部
位装有多个加热元件15，比如说电阻加热元件，电磁感应加热元件、等等。
加热室9用绝缘材料16里衬。加热室9用一顶盖17盖住，顶盖17上有开口
让托架11穿过。在加热元件15之间，安放有绝缘环18。视铸模2的大小和
形状而定，这些绝缘环可以使从上面开始的一个或多个加热元件不工作或者
调节它们所产生的功率，以获得一所希望的温度分布。
图2和图3所示为熔液3的覆盖层4的实施例。最好采用图2所示的覆
盖层4，它由陶瓷空心球5组成。如前所述，这样的空心球因为具有良好的
漂浮性能而特别适合于此目的。一种特别适合于制作此类空心球的材料是二
氧化硅-氧化铝陶瓷莫来石。这种陶瓷材料不会被锡和铝这样一些金属所润
湿，因而能为通常温度最高为500℃，最好是最高温度为300℃的熔液3提
供特别良好的热屏蔽，以挡住来自加热区7的热幅射。不用说，覆盖层4必
须厚得足以在很大程度上完全屏蔽这一热幅射，换句话说，相对于热幅射来
说，它必须是“光学密闭”的。
图3所示的覆盖层4由粉末状的松散物粉末粒子6组成。可用作此类松
散物的材料有氧化铝、氧化镁和氧化锆。在此情形下有可能可以使用市场上
常见的这些氧化物的预制物，有关合适的尺寸大小请参看前面相应的实施形
式。
图4所示为一涡轮叶片8，它由熔融液1通过定向凝固而成，如图1所
示。柱状晶体组织19由相应的曲线所表示。通常，这一组织在涡轮机叶片8
的表面清晰可见。如果它的方向与叶片8的主要受载方向一致，与用常规方
法浇铸的叶片相比，这种组织可以大大提高涡轮叶片8的承载能力。方向20
是叶片的纵轴。在运行载荷下，离心力以及主要的热膨胀均沿此方向。涡轮
叶片8的常见结构如图粗略所示：它有一叶瓣部分21(仅可以部分看见)，它
是叶片的主要功能部分；以及一叶根部分22，用以固定叶片用。