坩堝及表面涂層成分和用于熔煉鈦及鋁化鈦合金的方法
【專利說明】坩堝及表面涂層成分和用于熔煉鈦及鋁化鈦合金的方法
[0001]背景
現代化的燃氣或燃燒渦輪機必須滿足關于可靠性，重量，功率，經濟性和工作壽命的最高要求。在這種渦輪機的發(fā)展中，除其他事項外，材料選擇，尋找新的合適的材料，以及尋找新的生產方法，在滿足標準和滿足需求方面起到重要的作用。
[0002]用于燃氣渦輪機的材料可以包括鈦合金，鎳合金(也稱超級合金)和高強度鋼。對于飛機發(fā)動機而言，鈦合金一般用于壓縮機部件，鎳合金適用于航空發(fā)動機的熱部分，高強度鋼例如用于壓縮機殼體和渦輪機殼體。在高負荷或高應力的燃氣輪機部件，例如，用于壓縮機的構件，通常是鍛造件。在另一方面，用于渦輪機的構件，典型地體現為熔模鑄造鑄件。
[0003]雖然熔模鑄造不是一個新的工藝，但是，熔模鑄造市場持續(xù)增長，因為對于更錯綜復雜的零部件的需求增加。由于對高品質，精密鑄造的需求量很大，因此仍有持續(xù)需要來開發(fā)新的方法來更快速，有效，廉價和更高質量地做出熔模鑄造鑄件。
[0004]常規(guī)坩禍不適合用于鑄造活性合金，如鈦合金。一個原因是因為有熔融鈦和坩禍之間的反應。熔融合金和坩禍之間的任何反應將惡化最終鑄件的屬性。惡化可以很簡單，如由于氣體氣泡引起的表面光潔度差，或在更嚴重的情況下，鑄件的化學特性，微結構和性能可能會受到損壞。
[0005]面臨的挑戰(zhàn)是生產不顯著與鈦和鋁化鈦合金反應的坩禍。在這方面，少量的(如果有的話)現有的傾注的陶瓷熔模鑄造合物存在，以滿足對結構鈦和鋁化鈦合金的要求。因此，需要一種陶瓷坩禍，它不會顯著地與鈦和鋁化鈦合金反應。之前已經采用陶瓷殼坩鍋來用于熔煉鈦合金。在現有的實例中，為了減少傳統熔模鑄造坩禍化合物的局限性，已經開發(fā)了若干附加坩禍或模具材料。例如，氧化膨脹類型的模具的熔模鑄造化合物被開發(fā)，其中氧化鎂或氧化鋯用作主要成分，而金屬鋯加入到該主要成分中以補償由于鑄造金屬凝固引起的收縮。因此還需要簡單而可靠的熔煉和熔模鑄造方法，其允許金屬或金屬合金在不顯著與金屬或金屬合金反應的熔模鑄造坩禍內易熔煉。
[0006]感應熔煉通常包括在由非導電難熔合金氧化物制成的坩禍內加熱金屬，直到坩禍內的金屬填充物熔化為液態(tài)形式。當熔煉高活性的金屬如鈦或鈦合金時，使用冷壁或石墨坩禍的真空感應熔煉通常優(yōu)先于氧化物基陶瓷坩禍而被采用。
[0007]在熔煉高反應性(活性)合金，例如鈦合金時，由于在所需的熔煉溫度下該合金中的元素的反應性，可能會出現困難。雖然大多數感應熔煉系統使用難熔合金氧化物用在感應爐內的坩禍上，例如鋁化鈦(TiAl)的合金具有如此之高的反應性，使得它們可以侵蝕坩禍并污染鈦合金。例如，陶瓷坩鍋，如氧化鋁-坩鍋，氧化鎂-坩鍋，以及含有二氧化硅的坩禍，都是通常被避免使用的，這是因為高活性合金能夠與坩禍發(fā)生反應而利用氧來污染鈦合金。同樣，如果使用石墨坩禍，則鈦和鋁化鈦基合金能從坩禍溶解大量的碳而進入鈦合金，從而導致污染。這種污染會導致鈦合金的機械性能的損失。
[0008]冷坩鍋熔煉提供冶金優(yōu)點，用于加工先前所描述的高反應性的合金，冷坩鍋熔煉也具有許多技術和經濟方面的限制，包括低的過熱，由于結殼導致的產量損失，高的功率要求，以及有限的熔體容量。這些限制可以限制其商業(yè)可行性。
[0009]因此，仍然需要一種在熔煉高活性合金不那么容易受到污染，并導致比目前的應用場合更少的技術和經濟限制的陶瓷坩鍋。

【發(fā)明內容】

[0010]本系統的各方面提供了坩禍成分，熔融方法，鑄造方法，并且公開了克服現有技術的局限性的制品。雖然本說明書的某些方面可能涉及航空工業(yè)構件的制造，例如，發(fā)動機的渦輪葉片，但是，本系統的各方面可用在任何行業(yè)的任何構件的制造中，特別是那些含有鈦和/或鈦合金的構件。
[0011]一個實施例是用于恪煉鈦和鈦合金的樹禍，包括:本體，其包括鋁酸媽水泥，所述鋁酸鈣水泥含單鋁酸鈣；和用于在其中熔煉鈦和鈦合金的腔。在另一個實施例中，坩禍可以進一步包括被布置在所述本體與腔之間的約10微米至約450微米的本征表面涂層，其中所述本征表面涂層包括鋁酸鈣水泥，其含單鋁酸鈣。在另一個實施例中，鋁酸鈣水泥還可以包含二鋁酸鈣，鈣鋁石，或者二鋁酸鈣和鈣鋁石兩者。
[0012]一個實施例是用于熔煉鈦和鈦合金的坩禍，包括:含單鋁酸鈣、二鋁酸鈣和鈣鋁石的鋁酸鈣水泥，其中，所述坩禍在坩禍的本體和坩禍的腔之間具有約10微米到約450微米的本征表面涂層。在另一個實施例中，表面涂層是連續(xù)的本征表面涂層。表面涂層被定義為鄰近坩禍內的表面或坩禍腔的區(qū)域。為了更有效，表面涂層是連續(xù)的。在表面涂層后面并且進一步遠離坩禍腔的區(qū)域被稱為坩禍的本體。在進一步的實施例中，所稱的坩禍包括二氧化硅，例如膠態(tài)二氧化硅。
[0013]在一個實例中，坩禍包括坩禍的本體和本征表面涂層，其中坩禍的本體和本征表面涂層具有不同的成分，并且本征表面涂層具有小于大約50微米粒度的鋁酸鈣。在另一個實施例中，坩禍包含坩禍的本體和其本征表面涂層，其中所述坩禍的本體和本征表面涂層具有不同的成分，并且其中坩禍的本體包括大于約50微米的氧化鋁顆粒。在另一實例中，坩禍包括坩禍的本體和本征表面涂層，其中坩禍的本體包括大于約50微米的氧化鋁顆粒，并且本征表面涂層包含比在尺寸上小于約50微米的鋁酸鈣顆粒。
[0014]在某些實施例中，本征表面涂層具有比坩禍本體要少按重量計至少20 %的單鋁酸鈣。在一個實施例中，本征表面涂層具有與該坩禍的本體相比要少按重量計至少20%的氧化鋁。在另一個實施例中，本征表面涂層具有與該坩禍的本體相比要多按重量計比值為至少20%以上的鋁酸鈣，具有與該坩禍的本體相比要少至少20%的氧化鋁，并且具有與該坩禍的本體相比要少至少50%的鈣鋁石。
[0015]在一個例子中，在本征表面涂層中單鋁酸鈣的重量比值大于0.60，并且鈣鋁石的重量比值小于0.10。在一個實施例中，在坩禍的本體中單鋁酸鈣具有約0.05到0.95的重量比值，并且在本征表面涂層中單鋁酸鈣具有約0.10至0.90的重量比值。在另一個實施例中，在坩禍的本體中二鋁酸鈣構成約0.05至約0.80的重量比值，并在本征表面涂層中二鋁酸鈣的重量比值為約0.05至0.90。在又一個實施例中，在坩禍的本體成分中鈣鋁石構成約0.01至約0.30的重量比值，并在本征表面涂層中鈣鋁石的重量比值為約0.001至0.05。在一個具體的實施例中，在坩禍的本體中單鋁酸鈣構成約0.05到0.95的重量比值，并且在本征表面涂層中單鋁酸鈣的重量比值是約0.1至0.90 ;在坩禍的本體中二鋁酸鈣構成約0.05至約0.80的重量比值，并在本征表面涂層中二鋁酸鈣的重量比值為約0.05至0.90 ;且其中在所述坩禍的本體的成分中鈣鋁石構成約0.0l至約0.30的重量比值，并在本征表面涂層中鈣鋁石的重量比值為約0.001至0.05。
[0016]在一個實例中，坩禍還包括在坩禍的本體中的小于大約500微米的外部尺寸的氧化鋁顆粒。在一個實例中，氧化鋁顆粒構成用于制造該坩禍的成分的約40% (重量)至約68% (重量)。這些氧化鋁顆?？梢允侵锌盏?。在另一個實施例中，鋁酸鈣水泥構成用于制造該坩禍的成分的多于30% (重量)。在一個實施例中，坩禍中的氧化鈣還構成坩禍成分的大于約10% (重量)且少于約50% (重量)。
[0017]在一個實例中，該坩禍還包含氧化鋁顆粒，氧化鎂顆粒，氧化鈣顆粒，氧化鋯顆粒，二氧化鈦顆粒，氧化硅顆粒，或它們的組合。
[0018]在一個實例中，在用于制造坩禍的初始鋁酸鈣-液態(tài)水泥混合物中的固體的百分比是從約60至約80%。在另一實例中，在用于制造坩禍的、帶有大尺寸氧化鋁的最終鋁酸鈣-液態(tài)水泥混合物中的固體的百分比是從約65%至約90%。固體的百分比被定義為混合物中的總固體除以該混合物中的液體和固體的總質量，其被描述為百分比的形式。
[0019]本系統的一個方面是由在坩禍中熔煉的鈦或鈦合金形成的含鈦制品。在一個實例中，制品包括含鋁化鈦的渦輪葉片。在一個方面，本制品在本文中被稱為坩禍，其中該坩禍被用于熔煉形成含鈦制品的鈦或鈦合金。在一個相關的實施例中，含鈦制品包括含鋁化鈦的渦輪葉片。
[0020]一個方面是用于在鑄造含鈦制品中熔煉鈦合金的坩禍的表面涂層成分，該表面涂層成分包括:單鋁酸鈣，二鋁酸鈣和鈣鋁石，其中，所述表面涂層成分是一種本征表面涂層，為約10微米至約450微米厚，并且位于坩禍的本體與通往坩禍腔的坩禍表面之間。在一個實例中，該本征表面涂層包括具有小于約50微米的粒度的鋁酸鈣。在一個實施例中，該本征表面涂層成分進一步包括二氧化硅，例如膠態(tài)二氧化硅。
[0021 ] 在一個例子中，該本征表面涂層具有比該坩禍的本體按重量計比值多至少20 %的鋁酸鈣，具有比該坩禍的本體按重量計比值少至少20%的氧化鋁，具有比該坩禍的本體按重量計比值少至少50%的鈣鋁石。在一個例子中，單鋁酸鈣在該本征表面涂層中的重量比值是大于0.60，而鈣鋁石的重量比值為小于0.10。在一個實施例中，在本征表面涂層中的單鋁酸鈣構成0.10至0.90的重量比值；在本征表面涂層中的二鋁酸鈣構成0.05至0.90的重量比值；并且在本征表面涂層中的鈣鋁石構成0.001至0.05的重量比值。
[0022]本技術的一個方面是一種用于形成熔煉坩禍而用于熔煉用來鑄造含鈦制品的鈦和鈦合金方法，該方法包括:將鋁酸鈣與液體組合以產生鋁酸鈣的漿料，其中在最初的鋁酸鈣/液體混合物中的固體的百分比為約60%至約80%，并且漿料的粘度為約10至約250厘泊；加入氧化物顆粒到漿料中，使得帶有大尺寸(大于50微米)氧化物顆粒的最終的鋁酸鈣/液體混合物中的固體為約65%至約90% ;將漿料引入到包含易失性模型(fugitivepattern)的坩禍模具型腔中；使該漿料在坩禍模具型腔內固化，而形成用于熔煉用來制備含鈦制品的鈦和鈦合金的坩禍。
[0023]再一個方面是一種用于鈦和鈦合金的熔煉方法，包括:獲得含有鋁酸鈣和氧化鋁的熔煉坩禍成分，其中，鋁酸鈣與液體結合以產生鋁酸鈣的漿料，并且其中，帶有大尺寸氧化鋁的最終的鋁酸鈣/液體混合物中的固體是約65%至約90%，且其中所得到的坩禍具有本征表面涂層；將熔煉坩禍成分澆注到含有易失性模型的容器中；固化所述熔煉坩禍成分；從容器中取出易失性模型而得到坩禍；預加熱坩禍；和在加熱的坩禍中熔煉鈦或鈦合金，以產生熔融的鈦或熔融的鈦合金。
[0024]另一個例子是用于鈦和鈦合金的鑄造方法，包括:獲得含有鋁酸鈣和氧化鋁的熔煉坩禍成分，其中，鋁酸鈣與液體結合以產生鋁酸鈣的漿料，并且其中帶有大尺寸氧化鋁的最終的鋁酸鈣/液體混合物中的固體是約65%至約90%，且其中所得到的坩禍具有本征表面涂層；將熔煉坩禍成分澆注到含有易失性模型的容器中；固化所述熔煉坩禍成分；從容器中取出易失性模型，而得到坩禍；預加熱坩禍；在加熱的坩禍中熔煉鈦或鈦合金，以產生熔融的鈦或熔融的鈦合金；澆注熔融的鈦或熔融的鈦合金到模具中；和凝固該熔融的鈦或鈦合金而形成固化的鈦或鈦合金鑄件。然后可從模具中取出固化的鈦或鈦合金鑄造。在一個實施例中，該方法可涉及，在從坩禍輸送熔融鈦或鈦合金進入鑄模之前，焙燒該模具。在一個實施例中，提供鈦或鈦合金制品，其由如本文所教導的熔煉和鑄造方法制成。
[0025]本系統的一個方面是用于熔煉鈦或鈦合金的坩禍成分，包括:含單鋁酸鈣、二鋁酸鈣和鈣鋁石的鋁酸鈣水泥。在一個實施例中，坩禍成分進一步包括氧化鋁的空心顆粒。另一個方面是一種熔煉含鈦制品的坩禍成分，包括鋁酸鈣。例如，本系統的一個方面可以特別適合于提供將用在用于熔煉鈦或鈦合金的坩禍中的坩禍成分，所述鈦或鈦合金用于鑄造含鈦和/或鈦合金的制品或部件，例如，含鈦的渦輪葉片。
[0026]另一個方面是一種坩禍固化裝置，包括:包括用于保持坩禍模具在其中的腔室的基體；操縱臂，用于插入和移除可移除坩禍腔模型進入和離開所述腔室，所述操縱臂包括用于可移除地聯接所述坩禍腔模型至操縱臂末端的適配器部；以及用于將所述操縱臂支承和定位在所述腔室上方的期望位置的一支撐，其中，所述坩禍固化裝置可被用于產生一個坩禍，該坩禍提供所需的耐熱沖擊性，用于生產用來形成含鈦制品的熔融鈦或鈦合金。在一個實施例中，鈦或鈦合金的熔煉可以在高于1500 °C的溫度下進行，并且在高達1700 °C下達到至少I秒鐘，以及達到5分鐘的時間，并在一特定實施例中達到約5-30秒的時間。
[0027]如本文所用，術語“可移除坩禍腔模型”，是指用于形成固化的坩禍的腔的任何模型。術語“可移除坩禍腔模型”在本文中與術語“易失性模型”，“蠟模型”等可互換使用。
[0028]熔煉坩禍的一個重要性質是它在坩禍的加熱過程中承受熱梯度以及在熔煉循環(huán)中承受坩禍內的合金填充物的能力；該屬性可被稱為耐熱沖擊性。在軸向和徑向方向上穿過坩禍壁的熱梯度，以及在這些熱梯度在熔煉循環(huán)中隨時間發(fā)生的變化，在坩禍的壁中產生應力，可導致坩禍出現裂紋。當在坩禍壁中產生裂紋時，熔體可漏出坩禍，并且這可能導致鑄造故障。
[0029]在一個實施例中，坩禍的壁厚被構造為使得它的改變不超過30%，因為壁厚影響坩禍的熱性能。具體地說，坩禍壁的壁厚和性能，如彈性模量，強度，導熱性和熱膨脹系數，控制該坩禍的耐熱沖擊性。如果坩禍的壁厚在坩禍的整個所有壁不均勻，那么坩禍壁將不會升溫均勻，這可能導致不希望的熱應力出現在坩禍的壁中，并且這些應力可導致在澆注前的熔煉時出現坩禍的開裂，并且導致熔體從坩禍泄漏。
[0030]如果坩禍的壁厚在整個坩禍的所有壁也不均勻，那么坩禍的壁的分裂剛度和斷裂應力也將變化，并且坩禍壁對熔煉時坩禍經受的熱循環(huán)的機械響應將各不相同，這可能導致在坩禍的壁中出現不希望的熱應力，這些應力可導致在澆注前的熔煉時出現坩禍的開裂，并且導致熔體從坩禍泄漏。
[0031]正如所指出的，在一個實施例中，坩禍的