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鑄造型芯的去除方法

文檔序號:3252536閱讀:536來源:國知局
專利名稱:鑄造型芯的去除方法
技術領域
本發(fā)明涉及熔模鑄造領域,特別涉及將金屬鑄造型芯從鑄件中的去除。
背景技術
通常熔模鑄造應用于航空工業(yè)中。各種實例涉及燃氣輪發(fā)動機部件的鑄造。典型的部件包括各種葉片、槳葉、密封件和燃燒室板。許多該類部件借助于冷卻通道鑄造而成。該通道可利用可失模的鑄造型芯形成。
典型的型芯包括陶瓷型芯、難熔金屬型芯(RMC)和其組合。在示例性的組合中,陶瓷型芯可形成進料通道,而RMC可形成延伸自該進料通道穿過相關部件的壁的冷卻通道。
部件鑄造后(比如源自于鎳基或鈷基的超耐熱合金),鑄造框架和型芯均被破壞性地去除。典型的型芯去除主要是機械去除。例如,可通過化學浸析將型芯去除。典型的化學浸析涉及到在反應釜中利用堿性溶液。具體的浸析技術披露于美國專利第4,141,781號,第6,241,000號和第6,739,380號。
尤其涉及長的和/或細的通道時,該浸析會很費時間。浸析所面臨的問題包括將鑄件的負面影響減至最??;當使用金屬和陶瓷型芯組合時,有效地對金屬和陶瓷型芯進行浸析;具有緣自浸析媒介的殘余污染物;潛在的暴露于公害物質;安全/環(huán)境友好地對殘留的浸析媒介和浸析的副產物進行處理。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一個方面包括一種用于破壞性地從鑄件上去除難熔金屬鑄造型芯的熱氧化性工藝。
本發(fā)明一個或者一個以上的實施例的細節(jié)將在隨后的附圖和具體實施例中進行闡明。其它發(fā)明特征、目的和優(yōu)點將基于具體實施例、附圖和權利要求書將會變得明顯。


圖1是熔模鑄造工藝流程圖;
圖2是圖1中的工藝中的除芯過程的示例性的流程圖;圖3是一種可替代的除芯過程的流程圖;圖4-6是表示在不同溫度的空氣中難熔金屬材料的損耗與時間的關系曲線圖;圖7-9是表示在不同溫度下的處于低氧環(huán)境中的難熔金屬材料的損耗與時間的關系曲線圖;圖10是表示在加熱和將溫度保持在900℃過程中,在空氣和低氧環(huán)境中難熔金屬材料的損耗與時間的關系曲線圖;以及圖11是用于Mo-H-O系統(tǒng)的占優(yōu)勢地位的曲線圖。
在各個附圖中相同的附圖標記和標示表示相同的元件。
具體實施例方式
圖1示出了用于形成熔模鑄造鑄型的示例性方法20。其它包括各種現有技術的方法以及尚在開發(fā)的方法也是可行的。在步驟22形成(例如由難熔金屬制成的,如通過沖壓鉬和鈮,或者其它從片狀金屬切割成)和步驟24涂覆一個或以上的金屬型芯元件。適宜的涂覆材料包括硅石、氧化鋁、氧化鋯、氧化鉻(chromia)、富鋁紅柱石和二氧化鉿。優(yōu)選地,難熔金屬和涂層的熱膨脹系數(CTE)相近。涂覆可通過任何適合的視線范圍(line-of sight)或者非視線范圍(non-line-ofsight)的技術(例如化學或者物理氣相沉積方法(CVD,PVD),等離子噴涂方法,電泳,以及溶膠凝膠方法)來進行。典型地,單獨的層厚為0.1-1密耳(mil)。結合用于防止熔融金屬侵蝕和熔解的陶瓷涂層,可將鉑層或者其它貴金屬層,如鉻、硅、鎢和/或鋁,或者其它非金屬材料層施加于金屬型芯元件用以氧化保護。
也可在步驟26形成一個或者以上的陶瓷型芯(比如在成型和烘烤過程中含有硅石或者由硅石制成)。將一個或以上的涂覆的金屬型芯元件(下稱難熔金屬型芯(RMCs))在步驟28組裝成一個或以上陶瓷型芯。接著在步驟30通過例如天然蠟或合成蠟的易失模材料對該型芯組件進行包覆成型(overmold)(例如通過將該組件置于鑄型中并將蠟圍繞該鑄型進行澆注)。在給定的鑄型中,可具有多個這種組件。
該包覆成型的型芯組件(或者組件組)形成鑄造模型,該鑄造模型的外部形狀比對應的待鑄造的部件的外部形狀大。接著可在步驟32將該模型組裝到殼體夾具(例如蠟焊到夾具的端部板之間)。其次,在步驟34使該模型結殼(例如通過一個或者多個的浸漬泥漿法,泥漿噴涂法等階段)。該殼形成之后,在步驟36可使其干燥。干燥使得該殼具有足夠的強度或者其它物理完整性以允許后續(xù)的處理。例如,在步驟38可將包含有熔模型芯組件的殼完全或者部分地從殼體夾具分拆,接著在步驟40將其傳送到脫模機(例如蒸汽反應釜(或硫化罐))。在脫模機中,在步驟42,蒸汽脫蠟過程將蠟的大部分去除,使蠟離開固定在該殼之內的型芯組件。該殼和型芯組件將主要形成最終的鑄型。但是,該脫模過程典型地遺留蠟或者副產物烴在該殼內部以及型芯組件上。
脫臘之后,在步驟44該殼被傳送到一個爐子(例如包含空氣或者其它氧化環(huán)境),在該爐子中,進行步驟46,對其加熱以提高該殼的強度并去除剩余的蠟殘余物(比如通過汽化)和/或將烴殘余物轉化成碳。該環(huán)境中的氧與該碳發(fā)生反應以形成二氧化碳。碳的去除具有降低和消除金屬鑄件中有害的碳化物形成的優(yōu)點。碳的去除還提供以下附加優(yōu)點,即降低在隨后的階段操作中堵塞所使用的真空泵的可能性。
在步驟48可將該鑄型從該具有一定環(huán)境的爐子中移去,進行冷卻和檢測。在步驟50可通過將金屬晶種放置于該鑄型中對鑄型進行種晶,這樣就形成了一種方向性凝固(DS)鑄造或者單晶(SX)鑄造的最終晶狀結構( )。本發(fā)明依然可應用于其它DS和SX鑄造技術(例如其中該殼的幾何構造界定了晶粒選擇器)或者應用于其它包括鎳基和/或鈷基的超耐熱合金的各種合金的微結構的鑄造。在步驟52可將該鑄型傳送到鑄造爐(例如置于爐子中的冷卻板的頂部)??稍诓襟E54將該鑄造爐抽成真空或者充入非氧化氣體(例如惰性氣體)以阻止鑄造合金的氧化。在步驟56加熱鑄造爐,以對該鑄型進行預熱。該預熱具有兩個目的進一步硬化和強化該殼;以及對該殼進行預熱,用于引入熔融的合金,以防止熱沖擊和合金的過早凝固。
預熱之后且仍然在真空條件下,在步驟58將熔融的合金澆注到鑄型中,并在步驟60使該鑄型冷卻,以使合金凝固(例如從爐子的熱區(qū)域中取出之后)。凝固之后,可在步驟62終止真空,并在步驟64將經冷卻的鑄型從鑄造爐中移去??稍诓襟E66的去殼過程中將該殼去除(例如機械地去除該殼)。
在步驟68的除芯過程中將型芯組件去除,以留下鑄造物品(例如最終的構件的金屬前身)。具有創(chuàng)造性的多階段除芯過程將在以下進行說明??稍诓襟E70對該鑄造物品進行機加工,在步驟72進行化學處理和/或熱處理,以及在步驟74進行涂覆,以形成最終的構件。在除芯步驟之前,可進行一些或者全部的機加工,或者化學處理或熱處理步驟。
適宜的除芯步驟68的精密性將依賴于幾個因素。這些因素包括包含任何涂層的特定RMC材料;任何陶瓷型芯的特定材料;特定的鑄造合金;以及型芯的幾何構造。這些材料為化學和氧化去除技術提供了不同的有效性和協(xié)調性。該幾何構造影響可到達性和所需的方位情況。
第一組示例性的創(chuàng)造性步驟包括利用熱氧化機理優(yōu)選地去除RMC。例如,該熱氧化機理可去除大部分RMC而保留陶瓷芯(已被氧化而未揮發(fā))的基本完整性。但是相關過程可使得陶瓷芯更易熔解??墒褂没瘜W浸析機理來將陶瓷芯優(yōu)選地去除。更寬泛地,相比一個或多個其它型芯(例如不同的RMC或陶瓷型芯),該熱氧化機理可去除一個或更多個第一RMC的更多部分,并且可去除該第一RMC的大部分而僅去除其它型芯的少部分??衫迷摶瘜W浸析機理來優(yōu)選地去除其它型芯。
圖2是示出了一種這樣的示例性的除芯過程,其中化學過程100先于熱氧化步驟102。典型的化學過程包括將鑄件放置在反應釜(或硫化罐)中并將鑄件浸入到堿性溶液(例如氫氧化鈉或者氫氧化鉀的水溶液或者氫氧化鈉或者氫氧化鉀的酒精溶液)中。該溶液可置于升高的壓力下(比如1-5MPa)且在適度升高的溫度下(如150-400℃)??墒乖搲毫?或溫度循環(huán),且/或另外地攪動溶液以維持使該堿性溶液暴露于陶瓷并且排出反應產物。
在可選擇的凈洗步驟104之后,示例性的熱氧化步驟102包括在升高的溫度下將其放置于含氧的環(huán)境中。該放置步驟可包含溫度、壓力、和/或環(huán)境成分的循環(huán)。該循環(huán)通過促進氧接近RMC的堿金屬(或基金屬(base metal))或/和排出反應產物可提高凈通過量。
例如,將鉬金屬氧化成鉬氧化物產生了具有較低密度(Mo為10.3g/cm3;MoO2為6.47g/cm3,MoO3為4.69g/cm3)的固體物質。因此,將鉬金屬氧化成鉬氧化物存在有體積上的很大膨脹。如果該膨脹發(fā)生在窄(在絕對條件下和/或相對于長度的小橫截面積)通道內,可能用固體氧化物堵塞這樣的通道,以中止進一步氧化的流通路徑。MoO3為優(yōu)選的氧化物,因為其揮發(fā)性大于(更容易被排出且不能輕易地被堵塞)MoO2或介于MoO2和MoO3之間的氧化物的組合物。相對MoO2,MoO3傾向于在較高的氧局部壓力(或分壓)下形成。正如由例如圖11所示的Mo-H-O系統(tǒng)的已公開的熱化學資料可決定的一樣。圖11還示出了在870℃以上溫度下,抑止例如MoO2.75,MoO2.875和MoO2.889的所不期望的低揮發(fā)性中間氧化物組合物的形成。
通道的橫截面可為圓形、正方形、矩形或者其它形狀。示例性的圓形或者近似正方形的通道橫截面積為0.05-5.0mm2。對于寬的通道,示例性的高度為0.20-2.0mm。示例性的長度為0.20-250mm。
因此,示例性的步驟102包括在惰性氣體環(huán)境中的預熱步驟106,以獲得操作溫度。該預熱步驟可用來將鑄件帶到使氧化物的形成傾向于MoO3的溫度。預熱后放置于氧化器中,如步驟108。相對于處在氧化環(huán)境中的加熱,該惰性預熱/氧化的順序也可限制鑄件進行所不期望的氧化。該順序還可限制通過固體氧化物(尤其是MoO2以及介于MoO2和MoO3之間的氧化物的組合物,如已公開的占優(yōu)勢地位的曲線圖中所示的那樣)對窄通道的堵塞。若具有許多抵達難熔金屬型芯的通路可用(比如借助于較寬的通道,較短的通道和/或源自于多個位置的通路),可提高氧化速率而仍然避免堵塞。
示例性的循環(huán)過程包括在不同條件下重復間隔110以促使氧化物的排出。這些間隔110可包括增減總壓力、升降溫度、增減氧分壓、導入還原劑和/或其它變化的條件。示例性的還原劑為氫、氨和/或甲烷。,如氮氣和氬氣的一般被認為惰性的氣體是用于控制全部氣體成分的示例性稀釋物。
圖3示出另一種這類示例性的除芯過程,其中熱氧化步驟200(例如類似于步驟102)先于化學步驟202(例如類似于步驟100)。這一點在鑄件化學侵蝕被認為最輕的地方得以確保。相對于圖2所示的過程,依賴于型芯的構形可適度增加熱氧化步驟所需的時間(比如兩倍或者稍稍更高)。但是可更加充分地縮短化學過程(例如少于三分之一)。例如,穿過由RMC留下的出口通道的路徑能允許沿陶瓷進料型芯的長度方向的近即時化學侵蝕。
關于鉬的氧化試驗已表明很多用于考慮熱氧化去除過程中適宜參數選擇的相關物理和化學機理。氧化試驗是在0.003英寸(0.08mm)的鉬箔上進行的。在升高的溫度下使該箔放置于氧化性的環(huán)境中。第一系列的試驗包括將空氣作為氧化氣體并且升高的溫度為700℃、800℃和900℃。將該箔在氬氣中加熱,接著引入空氣。圖4-6示出了在開始引入氧氣之后該箔的非揮發(fā)性質量(如占原始質量的百分比的形式)和時間的關系曲線。在900℃下(參見圖4),存在有質量基本未變化的初始階段410。突變階段(或點)412出現在放置于氧氣中約一分鐘后。在突變階段412之后,在下降階段414中,存在有質量的急劇下降。對于放置于兩側的箔的示例性厚度來說,該下降的大部分曲線圖的近似傾斜度為-37.4%/分鐘。
在800℃下(參見圖5),也存在有初始階段420,轉變階段(或點)422和下降階段424。主要的質量下降的開始點被相對延遲。并且該下降更加緩和。該下降機理的一些特征可容易地呈現在曲線圖中。具體地,在轉變階段420之后存在有第一下降階段426。在第一階段422的過程中,質量的下降相對恒定。該階段422接近初始質量的大約一半。該下降階段426的大部分的曲線圖的近似傾斜度為-8.2%/分鐘。圖中還示出了轉變階段(或點)428,其連接著更急劇下降的第二階段430。該下降階段426的大部分的曲線圖的近似傾斜度為-16.7%/分鐘。該轉變階段428可以由一種以上下降機理的相互影響所導致。比如,800℃的觀測性能可能是因為在已降低的氧分壓下(比如在假定的揮發(fā)性MoO3層以下的金屬介面處)降低鉬氧化物的亞穩(wěn)性(metastability)所導致。質量下降速率的增大可以是因為在氧化過程之后的散裂(spallation)或表面積增大效應所致。
在700℃下(參見圖6),在所觀測的一段時間內下降極小。該曲線圖所示特征為具有初始階段440、轉變階段(或點)442和下降階段444(類似于圖5所示的階段426)。在上述三個曲線圖的每一個中,至少在初始階段的在后部分的過程中,質量均具有明顯的增長。這一點被確信為是因為當自該箔的鉬氧化物很少釋放時,初始氧化物的形式所致。
圖7-9示出了類似的試驗,該試驗是通過氧氣在氬氣中的分壓,在僅僅0.1%的氧濃度下于環(huán)境壓力下進行的??傮w上,受氧分壓降低影響大的是緩慢下降階段的其中之一,而基本上不延遲該下降的開始點。在900℃下(參見圖7),存在有質量很少改變的初始階段450。短暫的轉變階段452具有這樣的特征,即大致從上述的初始氧化階段起質量增長。隨后是下降階段454。該下降階段454的大部分的曲線圖的近似傾斜度為-0.090%/分鐘。
在800℃下(參見圖8),存在有質量很少改變的初始階段460。短暫的轉變階段462具有這樣的特征,即大致從上述的初始氧化階段起質量增長。隨后是相當慢的下降階段464,且圖中記錄了不到一半的下降質量,因此不包含如圖5所示的后來增長的下降階段。該下降階段464的大部分的曲線圖的近似傾斜度為-0.032%/分鐘。
在700℃下(參見圖9),存在有在持續(xù)時間上類似于圖8所示的階段460的初始階段470。轉變階段472和下降階段474相對于其在圖8中的對應部分進一步被變慢。該下降階段474的大部分的曲線圖的近似傾斜度為-0.0085%/分鐘。
附加試驗是在最終環(huán)境中進行加熱而不是在惰性氣體環(huán)境中進行加熱。圖10示出了包含有加熱階段480的溫度,該加熱階段480隨后為在900℃的穩(wěn)定階段482。曲線圖490,492分別示出了在21%和0.1%的氧氣環(huán)境下的重量百分比。這些曲線圖的特征是具有相應的初始階段494,496,轉變階段498,500,以及下降階段502,504。該下降階段502是實質上的總下降階段,并且該下降階段502的特征是大部分的下降是在近似斜率-13.4%/分鐘下進行的。僅僅繪出了下降階段504的總下降的小部分,該下降是在近似斜率-0.11%/分鐘下進行的。值得注意的是,階段502包括比階段414下降得慢。相反,階段504比階段454下降得稍微快一些。階段502下降速率的降低可能是由在低溫下形成的具有保護作用的具體氧化物所導致。僅對于相當高的氧含量,該保護作用可以很充分。
盡管已經描述了本發(fā)明的一個或一個以上的實施例,但是應當理解,在不偏離本發(fā)明精神和范圍的情況下可進行各種修改。比如在對存在或者尚在開發(fā)的工藝的修改時,可執(zhí)行該原則,在這種情況下,這些工藝將影響或者支配該執(zhí)行的參數。因此,以下權利要求書的范圍涵蓋了其它實施例。
權利要求
1.一種方法,它包括以下步驟通過在700-1000℃溫度范圍內將鑄造型芯放置于氧中,破壞性地將鑄造型芯從鑄件去除。
2.根據權利要求1所述的方法,其特征在于,其還包括以下步驟在所述鑄造型芯上成型可失模的模型;在所述模型上形成殼;破壞性地將所述模型從所述殼去除而保留所述鑄造型芯;在所述殼中澆注金屬材料;以及破壞性地去除所述殼。
3.根據權利要求1所述的方法,其特征在于,先于所述放置步驟,在基本上無氧的環(huán)境中進行預熱步驟。
4.根據權利要求1所述的方法,其特征在于,先于所述放置步驟,在比所放置的氧分壓中位數低的氧分壓下,大致預熱到所述溫度。
5.根據權利要求1所述的方法,其特征在于,在氧分壓至少為0.015MPa下,以減小總壓力的間隔介入到所述放置步驟中。
6.根據權利要求1所述的方法,其特征在于,在氧分壓至少為0.015MPa下,以低于0.01MPa總壓力的間隔介入到所述放置步驟中。
7.根據權利要求1所述的方法,其特征在于,在氧分壓為0.015-0.025MPa下,以氧分壓至少為0.05MPa的間隔介入到所述放置步驟中。
8.根據權利要求1所述的方法,其特征在于,所述鑄造型芯主要由基于難熔金屬的型芯組成。
9.根據權利要求8所述的方法,其特征在于,所述鑄造型芯為第一鑄造型芯;所述方法包括主要通過堿浸法將第二鑄造型芯從所述鑄件去除的步驟。
10.根據權利要求9所述的方法,其特征在于,所述堿浸法大致是在將所述第一鑄造型芯去除之后進行的。
11.根據權利要求1所述的方法,其特征在于,所述鑄造型芯主要由鉬組成。
12.根據權利要求1所述的方法,其特征在于,所述溫度為700-900℃。
13.根據權利要求1所述的方法,其特征在于,其用于制造燃氣輪發(fā)動機部件。
14.根據權利要求1所述的方法,其特征在于,所述鑄件主要由鎳基的超耐熱合金組成。
15.一種用于將陶瓷第一鑄造型芯和難熔金屬基的第二鑄造型芯從鑄件去除的方法,它包括用于去除所述第一鑄造型芯的大部分的第一步驟;以及不同于所述第一步驟的第二步驟,用于去除所述第二鑄造型芯的大部分。
16.根據權利要求15所述的方法,其特征在于,所述第二步驟包括多個第一間隔,用于促使所述第二型芯氧化。
17.根據權利要求16所述的方法,其特征在于,所述第二步驟包括多個第二間隔,用于排出所述第二型芯的氧化產物。
18.根據權利要求15所述的方法,其特征在于,所述第二步驟包括在700-100℃溫度下將所述第二型芯放置在氧中的步驟。
19.根據權利要求15所述的方法,其特征在于,所述第一步驟包括在低于500℃溫度下將所述第一型芯放置在堿性溶液中的步驟。
20.根據權利要求15所述的方法,其特征在于,其用于制造燃氣輪發(fā)動機部件。
21.根據權利要求15所述的方法,其特征在于,所述鑄件主要由鎳基的超耐熱合金組成。
22.根據權利要求15所述的方法,其特征在于,所述第二型芯主要由鉬或者鈮組成。
23.根據權利要求15所述的方法,其特征在于,所述第一型芯主要由硅基的材料組成。
24.一種將熱氧化步驟應用于將難熔金屬鑄造型芯從鑄件去除步驟的用途。
全文摘要
一種熱氧化步驟,它用于將鑄造型芯從鑄件去除。
文檔編號B22C9/04GK1931477SQ20061015187
公開日2007年3月21日 申請日期2006年9月13日 優(yōu)先權日2005年9月13日
發(fā)明者W·R·施密德特, M·R·雅沃洛夫斯基, J·T·比爾斯, V·C·納多恩 申請人:聯(lián)合工藝公司
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