專利名稱：用于燒制陶瓷和難熔金屬鑄造型芯的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熔模鑄造法。更具體地說，其涉及超合金(superalloy)渦輪發(fā)動機(jī)部件的熔模鑄造法。
背景技術(shù)：
熔模鑄造法是一種通常用于制成幾何形狀復(fù)雜的金屬部件、尤其是中空部件的技術(shù)，并用于制造超合金燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)部件。本發(fā)明就具體超合金鑄件的制造進(jìn)行了描述，但應(yīng)當(dāng)理解到本發(fā)明并不受此限制。
燃?xì)廨啓C(jī)廣泛應(yīng)用于航空器推進(jìn)、發(fā)電和輪船推進(jìn)。在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)應(yīng)用中，效率是主要的目標(biāo)。
燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的效率可以通過操作在更高的溫度下工作來改善，然而現(xiàn)有渦輪部分的工作溫度超過了渦輪部件中所使用的超合金材料的熔點(diǎn)。因此，通常的作法是提供空氣冷卻。通過使來自發(fā)動機(jī)壓縮機(jī)部分的空氣通過待冷卻渦輪部件中的通道流動，從而提供冷卻。這種冷卻使發(fā)動機(jī)效率相應(yīng)地有所降低。因此，非常需要提供一種改善的特殊冷卻，使得由一定量冷卻氣體獲得的冷卻收益達(dá)到最高。這可以通過使用精細(xì)、精確定位的冷卻通道部分來實(shí)現(xiàn)。
陶瓷型芯(core)本身可以通過將陶瓷粉末和粘結(jié)劑材料的混合物注入模具中對該混合物進(jìn)行模制而形成。除去模具后，對濕砂型芯(green core)進(jìn)行后期熱處理以除去粘結(jié)劑，并對其進(jìn)行燒制，將陶瓷粉末燒結(jié)在一起。冷卻部件更精細(xì)的趨勢對型芯制造技術(shù)提出了更高的要求。精細(xì)部件很難制造，而且/或者一旦制成，可能證實(shí)其很易碎。共同轉(zhuǎn)讓的Shah等人的美國專利第6,637,500號和Beals等人的美國專利第6,929,054號(在此將其并入作為參考，如同全文闡述)公開了使用陶瓷和難熔金屬型芯的結(jié)合。

發(fā)明內(nèi)容
在熔模鑄造法中，復(fù)合型芯作為陶瓷鑄造型芯元件和非陶瓷鑄造型芯元件的結(jié)合體(combination)而制成。將該型芯在氧化氣氛中加熱，然后在非氧化氣氛中加熱。
在氧化氣氛中加熱可以有效地實(shí)現(xiàn)將粘結(jié)劑從陶瓷鑄造型芯部件去除。然而，有利地，這種加熱的溫度和時間不足以不利地對非陶瓷鑄造型芯部件造成損害。第二步加熱可以采用能有效燒制陶瓷的溫度和時間。非氧化氣氛可以由此保護(hù)非陶瓷鑄造型芯部件免受氧化氣氛中類似加熱過程中可能發(fā)生的過度氧化。
以下在附圖和說明書中詳細(xì)闡述了本發(fā)明的一個或多個實(shí)施方式。根據(jù)說明書、附圖及權(quán)利要求，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)勢將是顯而易見的。


圖1是形成復(fù)合型芯組件的方法的流程圖。
圖2是使用復(fù)合型芯組件的鑄造法的流程圖。
各附圖中以同樣的編號和標(biāo)識表示同樣的部件。
具體實(shí)施例方式
圖1顯示了形成復(fù)合鑄造型芯的代表性方法20。形成22一個或者多個難熔金屬型芯(RMC)。代表性的形成過程包括以下步驟的結(jié)合從難熔金屬片材(例如鉬或者鈮)上切割(例如激光切割或沖壓(stamping))、成型/整型(例如，所述沖壓或其它彎曲)和用保護(hù)涂層涂覆。合適的涂層材料包括二氧化硅、氧化鋁、氧化鋯、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(shù)(CTE)相近。涂層可以通過任何適當(dāng)?shù)拿闇?zhǔn)線(line-of sight)或非瞄準(zhǔn)線技術(shù)(例如，化學(xué)或物理氣相沉積(CVD、PVD)法、等離子體噴射法、電泳和溶膠凝膠法)涂施。單層厚度一般為0.1-1mil?？梢詫t、其它貴金屬、Cr、Si、W、和/或Al、或其它非金屬材料層施用于金屬型芯部件用于氧化保護(hù)，并結(jié)合陶瓷涂層用于防止熔融金屬腐蝕和溶解。
然后將RMC轉(zhuǎn)移至模具，在此將陶瓷材料(例如，基于二氧化硅、鋯石或者氧化鋁的)在RMC的一部分上注入/模制24，以形成初始的結(jié)合體(型芯組件)。模制用的陶瓷材料可以包括粘結(jié)劑。粘結(jié)劑可以起到使模制陶瓷材料整體保持于未燒制生料狀態(tài)的作用。代表性的粘結(jié)劑是蠟基的粘結(jié)劑。
然后將所述結(jié)合體轉(zhuǎn)移至加熱腔室(例如燒窯或者熔爐)26。在空氣中加熱28，其包括將溫度從室溫升高至第一溫度。加熱28使陶瓷的粘結(jié)劑成分汽化并清除。空氣提供的氧化氣氛有助于粘結(jié)劑的去除過程。然而正如下文所進(jìn)一步討論，在這種氧化氣氛中加熱過度有可能損害RMC，RMC氧化造成的表面不規(guī)則性有可能轉(zhuǎn)移至最終的鑄件。因此，有利地，第一溫度足夠低，以避免過多的RMC降解。典型的第一溫度為1000。更寬地，典型的第一溫度為超過600；更具體地為800-1200或900-1100。除非注明，溫度是指爐或其中氣氛的溫度，而不是型芯溫度。型芯溫度可以有適度滯后(例如，多至約200-300)。
典型的加熱28包括第一上斜(rump-up)加熱30。典型的上斜加熱30可以是從室溫條件(例如，工廠溫度；通常低于120)到第一中間溫度。典型的中間溫度為600。更寬地，典型的第一溫度超過250-950；更具體地為500-800或550-650。第一上斜加熱30可以用相對較高的速率(例如，每分鐘10-50，更具體為每分鐘20-40)。第一上斜加熱30可以有效地使粘結(jié)劑熔化/通過毛細(xì)作用被帶走(wick)或初步分解。
第一上斜加熱30之后，可以有保持/停留加熱32。典型的保持/停留加熱32是起著使殘留粘結(jié)劑組分/材料碳化和去除/排出生成的炭/灰的作用。典型的保持/停留加熱32基本上保持在所述第一中間溫度。
保持/停留加熱32之后，可以有第二上斜加熱34。典型的第二上斜加熱34加熱至所述第一溫度，并可以采用相似的速率。
在主燒制加熱42之前可以進(jìn)行吹掃40。在典型的吹掃40中，腔室內(nèi)空氣用非氧化性氣體(例如，氮?dú)饣蛘邭鍤?吹掃。吹掃氣體應(yīng)當(dāng)以足夠低的速率引入，以避免使型芯組件過度冷卻(例如，不能使腔室內(nèi)氣氛溫度降低超過50或)。當(dāng)吹掃氣體基本上將空氣置換后，主燒制加熱42的剩余過程中這種氣體的流速可以進(jìn)一步降低至穩(wěn)態(tài)速率。
典型的主燒制加熱42是在火焰溫度下進(jìn)行。典型的燒制溫度為2100。更寬地，典型的燒制溫度為超過1600；更具體地為1800-2400或1800-2000。這需要在吹掃結(jié)束時的溫度開始升溫。該升溫的第一上斜加熱部分44可以采用相對較高的速率(例如，每分鐘10-15)。第一部分可以占用主燒制加熱階段的大部分溫度升高。典型的第一部分44延伸直至低于第二溫度(例如，峰值溫度，其亦為所述燒制溫度)200(更寬地，150-300)的轉(zhuǎn)變溫度。典型的上斜期為12小時，更寬地為8-20小時，更具體地為10-15小時。在轉(zhuǎn)變溫度，較慢(例如，每分鐘1-5)的第二上斜加熱部分46基本上延伸至峰值溫度(例如，1800-2400)。
復(fù)合型芯可以在燒制溫度下保持/“保溫(soak)”一長段時間48，以獲得所需的復(fù)合型芯性質(zhì)。保溫使陶瓷結(jié)構(gòu)燒結(jié)，導(dǎo)致收縮和強(qiáng)度增加至目標(biāo)尺寸和強(qiáng)度性質(zhì)。典型的保溫階段為8小時，更寬地為4-12小時，更具體地為8-10小時。
保溫后，可以有冷卻50。冷卻速率應(yīng)當(dāng)加以控制，使得RMC的收縮不會比陶瓷型芯的收縮快的過多，并且使得僅僅陶瓷型芯內(nèi)的應(yīng)力不會導(dǎo)致破碎。后一種機(jī)理在低溫下尤為重要，可以指定更低的速率。典型的冷卻包括3個階段。第一階段為從保溫溫度(例如，2000)到高的中間溫度(例如，1000，更寬地，700-1100)。這采用相對較高的速率(例如，每分鐘30-50或每分鐘40-50)。第二階段為冷卻到低的中間溫度(例如，500，更寬地，400-700)。該第二階段更慢(例如，每分鐘20-30或每分鐘20-25°)。在典型的第三階段的開始，關(guān)閉加熱，使?fàn)t與大氣通氣，使型芯再次暴露于空氣。然而，這兩個過程可以分開，以進(jìn)一步分開第三階段。該階段的下斜(coast down)冷卻還可以更小(例如，每分鐘5-10)，冷卻至200或更低。
圖2顯示了是典型的使用復(fù)合型芯組件的熔模鑄造法120。其它方法也是可能的，包括各種現(xiàn)有技術(shù)的方法和更進(jìn)步的方法。然后將燒制的型芯組件用易損材料例如天然或合成蠟重疊注塑(overmold)130(例如，將組件至于模具中，在周圍模制蠟)。給定的模具中可以包括有多個這樣的組件。
重疊注塑的型芯組件(或者一組組件)形成鑄造模型(pattern)，其外部形狀與待鑄造部件的外部形狀密切符合。然后可以將模型裝配132至加殼夾具(shelling fixture)(例如，通過夾具端板間的蠟焊)。然后可以將模具加殼(shell)134(例如，通過一個或者多個階段的漿料浸漬、漿料噴射等)。殼體建成后，可以進(jìn)行干燥136。干燥為殼體至少提供了充足的強(qiáng)度和其它物理完整性特性，使得可以進(jìn)行后續(xù)處理。例如，包含熔模型芯組件的殼體可以從加殼夾具上完全或部分拆卸138，然后轉(zhuǎn)移140至脫蠟機(jī)(例如，蒸汽高壓釜)。在脫蠟機(jī)中，蒸汽脫蠟處理142去除了大部分蠟，將型芯組件保證留在殼體內(nèi)。殼體和型芯組件主要形成最終的模具。然而，脫蠟處理通常會在殼體內(nèi)部和型芯組件上留下蠟或副產(chǎn)品烴的殘留物。
脫蠟后，將殼體轉(zhuǎn)移144至熔爐(例如，含有空氣或者其它氧化性氣氛)，在其中將其加熱146，以增強(qiáng)殼體并去除其余的蠟殘留物(例如，通過氣化)和/或?qū)N殘留物轉(zhuǎn)化成碳。大氣中的氧與碳反應(yīng)，形成二氧化碳。除去碳對減少或消除金屬鑄造中有害碳化物的形成是有利的。除去碳提供了額外的優(yōu)勢——減少了后續(xù)操作階段中所用的真空泵堵塞的可能性。
可以將模具從大氣爐中取出，冷卻，并檢查148。模具可以通過在模具內(nèi)放置金屬晶種來種晶150，以建立最終的定向固化(DS)鑄件或單晶(SX)鑄件的晶體結(jié)構(gòu)。然而，本發(fā)明的啟示可以應(yīng)用于其它的DS和SX鑄造技術(shù)(例如，其中殼體的幾何形狀形成顆粒選擇器)或其它微結(jié)構(gòu)的鑄造?？梢詫⒛＞咿D(zhuǎn)移152至鑄造爐(例如，在爐頂放置冷板)。鑄造爐可以用泵至真空154或充有非氧化性氣體(例如，惰性氣體)，以防止鑄造合金氧化。加熱鑄造爐156，預(yù)熱模具。預(yù)熱有兩個目的進(jìn)一步硬化并強(qiáng)化殼體；和預(yù)熱殼體用于引入熔融合金，以防止熱沖擊和合金過早固化。
預(yù)熱后，仍然在真空條件下，將熔融合金倒入模具中158，使模具冷卻，以使合金固化160(例如，在從爐的熱區(qū)取出后)。固化后，可以將真空破壞162，從鑄造爐中取出冷的模具164。殼體可以在脫殼過程166中去除(例如，機(jī)械破壞殼體)。
型芯組件在除芯過程168中除去，得到鑄造制品(例如，最終部件的金屬前體)。鑄造制品可以經(jīng)機(jī)械加工170、化學(xué)和/或熱處理172和涂覆174，以形成最終部件。任意機(jī)械加工或化學(xué)或熱處理的部分或全部可以在除芯之前進(jìn)行。
本發(fā)明描述了一個或者多個實(shí)施方式。然而，應(yīng)當(dāng)理解倒可以在不偏離本發(fā)明精神和范圍的情況下進(jìn)行各種變化。例如，作為現(xiàn)有方法的改良應(yīng)用，或者用于制造現(xiàn)有部件，現(xiàn)有方法或部件的詳情可以影響到任何具體實(shí)施的細(xì)節(jié)。因此，其它實(shí)施方式也在以下權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種方法，其包括形成陶瓷鑄造型芯部件和非陶瓷鑄造型芯部件的結(jié)合體；在氧化氣氛中將所述結(jié)合體加熱到至少為600的第一溫度；和在非氧化氣氛中將所述結(jié)合體加熱到至少為1600的第二溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述形成包括在非陶瓷鑄造型芯部件上模制陶瓷鑄造型芯部件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述形成包括從難熔金屬類片材上整型非陶瓷鑄造型芯部件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在氧化氣氛中加熱包括基本上在空氣中加熱；和在非氧化氣氛中加熱包括基本上在氮?dú)夂投栊詺怏w中的至少一種中加熱。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在氧化氣氛中加熱包括初始的上斜加熱，基本加熱至第一保持溫度；基本在所述第一保持溫度下保持一段時間；和第二上斜加熱，基本加熱至所述第一溫度；且在非氧化氣氛中加熱包括上斜加熱，基本加熱至所述第二溫度；和在所述第二溫度下保持一段時間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在非氧化氣氛中加熱包括以每分鐘10-15從所述第一溫度到所述第二溫度的大部分范圍上的第一升溫階段和隨后的以每分鐘1-5至少升高100的第二升溫階段。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在非氧化氣氛中加熱包括以每分鐘10-15至少升高600的第一升溫階段和隨后的以每分鐘1-5至少升高100-300的第二升溫階段。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中第一溫度為900-1100；且第二溫度為1800-2400。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述在氧化氣氛中加熱和在非氧化氣氛中加熱是在其間不取出所述結(jié)合體的情況下在單個腔室內(nèi)進(jìn)行的。
10.權(quán)利要求9的方法，其中進(jìn)一步包括在非氧化氣氛中加熱之前吹掃所述氧化性氣體。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中在吹掃過程中，腔室內(nèi)的氣氛溫度降低不超過50。
12.權(quán)利要求1的方法，其進(jìn)一步包括冷卻步驟。
13.權(quán)利要求1的方法，其進(jìn)一步包括在所述非氧化氣氛中將所述結(jié)合體加熱至所述第二溫度后，冷卻所述結(jié)合體；冷卻后，用蠟重疊注塑所述結(jié)合體，形成模型；對模型加殼，形成殼體；從殼體中去除蠟；在殼體中澆鑄金屬合金；和從合金上破壞性地除去殼體。
14.一種方法，其包括形成陶瓷鑄造型芯部件和非陶瓷鑄造型芯部件的結(jié)合體；從陶瓷鑄造型芯部件中脫去粘結(jié)劑和除去灰和殘余碳的第一步驟；燒制陶瓷鑄造型芯部件的第二步驟。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中所述第一步驟基本上是在空氣中；且所述第二步驟基本上是在非氧化氣氛中。
16.根據(jù)權(quán)利要求14中方法，其中第二步驟的峰值溫度至少比第一步驟的峰值溫度高800。
17.一種方法，其包括形成陶瓷鑄造型芯部件和非陶瓷鑄造型芯部件的結(jié)合體；升溫氧化脫去粘結(jié)劑的步驟；和非氧化燒制步驟。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其進(jìn)一步包括在脫去粘結(jié)劑步驟和燒制步驟之間的吹掃步驟。
全文摘要
在熔模鑄造法中，復(fù)合型芯作為陶瓷鑄造型芯部件和非陶瓷鑄造型芯部件的結(jié)合體而被形成。將該型芯在氧化氣氛中加熱，然后在非氧化氣氛中加熱。
文檔編號B22C7/02GK101053890SQ200710096029
公開日2007年10月17日 申請日期2007年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月10日
發(fā)明者M·P·博基喬, S·J·布利德, L·D·肯納, C·R·維爾納, J·J·小馬欽 申請人:聯(lián)合工藝公司