专利名称：熔模铸造壳型的制造方法
技术领域：
本发明涉及熔模铸造。更具体地说，本发明涉及使用了具有可氧化型芯的模具的熔模铸造。
背景技术：
对于要形成具有复杂几何结构的金属部件尤其是空心部件来说，熔模铸造是一项常用技术，其也在超耐热合金燃气涡轮发动机部件的制造中使用。
燃气涡轮发动机所广泛应用的领域包括飞行器推进装置、发电机、船舶推进装置以及泵。在燃气涡轮发动机的应用中，效率是首要目标。
通过在高温下操作可获得增强的燃气涡轮发动机效率，然而，涡轮段处的当前操作温度超出了用在涡轮部件中的超耐热合金材料的熔点。因此，通常的方法是提供空气冷却。通常通过使相对较冷的空气从发动机的压缩机部分流过待冷却涡轮组件中的通道来提供冷却。这种冷却伴随有发动机效率的损失。因此，特别希望能提供增强的专用冷却方法，以提高从一定量的冷却空气中可以得到的冷却效果。这可以通过使用精密且精确定位的冷却通道部分来得到。
关于内部冷却的涡轮发动机零件如叶片和桨叶的熔模铸造的领域已经发展得很成熟了。在一种示例性工艺中，制备具有一个或多个模腔的模具，各模腔具有与待铸零件大致对应的形状。制备模具的示例性工艺包括使用零件的一个或多个蜡模。通过在与零件内冷却通道的正像基本上相对应的陶瓷型芯上模制蜡来形成蜡模。在结壳工序中，在一个或多个这种蜡模的周围以众所周知的方式来形成陶瓷壳型。例如可通过在高压釜内熔融的方法将蜡除去。可焙烧该壳型以使其强化。这就留下了包括具有一个或多个由零件形成的隔腔的壳型的模具，而隔腔又包括限定了冷却通道的陶瓷型芯。然后向模具中引入熔融合金以铸造出零件。在合金冷却和凝固后，就可将壳型和型芯机械地和/或化学式地从模制件上除去。然后可在一个或多个阶段中机加工和/或处理这些模制件。
可通过将陶瓷粉末和粘合料的混合物注入硬化的金属模子中并模制该混合物来形成陶瓷型芯本身。在将湿型芯从模子中移出之后对其进行后热处理，以除去粘合剂并进行焙烧，从而将陶瓷粉末烧结在一起。向更精密冷却特征发展的趋势给型芯制造技术带来了压力。要制出这种精密特征是比较困难的，和/或一旦制造出来结果也会是容易损坏的。Shah等人的共同转让且共同未决的美国专利No.6637500公开了陶瓷和耐火金属型芯组合的各种实例。然而，各种耐火金属在用于焙烧壳型的温度附近的高温下容易氧化。因此，对壳型的焙烧会使耐火金属型芯的性能下降，从而产生出潜在的令人不满意的零件内部特征。因此，在这种型芯及其制造技术方面仍有可进一步改善的空间。
发明内容
本发明的一方面涉及一种用于形成熔模铸造模具的方法。在包括有烃基主体且带有至少部分地嵌入在该主体中的耐火金属基型芯的模型上形成壳型。然后从该壳型中完全除去该主体。通过在第一组合物的第一气氛中进行加热以强化该壳型。通过在真空中或在与第一组合物不同的第二组合物的第二气氛中进行加热以进一步强化该壳型。
在各种实施方式中，进一步强化步骤中的加热可以是在向模具中引入熔融金属之前的预加热。第一组合物可比第二组合物更具氧化特性。该方法可用于制造燃气涡轮发动机的翼型零件，例如叶片和桨叶。第一组合物可主要(例如在体积上)由空气组成。第二组合物可主要由一种或多种惰性气体组成。第一组合物可具有至少15千帕的氧气分压。第二组合物可具有不超过10千帕的氧气分压。该强化可有效地向壳型提供为最大断裂模数(MOR)强度的65-80％的第一MOR强度。该进一步强化可有效地向壳型提供为所述最大MOR强度的至少85％的第二MOR强度。在完全除去主体之后，壳型可具有不超过所述最大MOR强度的50％的初步MOR强度。
本发明的另一方面涉及一种用于熔模铸造的方法。形成这种铸造模具。向该模具中引入熔融金属。使该熔融金属凝固。破坏性地移开该模具。在各种实施方式中，在进一步强化和引入熔融金属之间，壳型的温度不会降到阈值(如华氏1200度)以下。
本发明的另一方面涉及一种用于形成熔模铸造模具的方法。将一个或多个涂层涂覆到具有蜡质的第一部分和包括耐火金属的第二部分的牺牲模型上。可进行蒸气脱蜡以除去该模型第一部分的主要部分，并使第二部分保留在由该涂层形成的壳型内。可通过壳型的第一次加热来使壳型硬化，并且除去蜡的残余物或副产品。该第一次加热可有效地向壳型提供为不超过最大断裂模数(MOR)强度的85％的第一MOR强度。对壳型的第二次加热可以将壳型强化至第二MOR强度。
在各种实施方式中，第一次加热可在氧化气氛中进行，而第二次加热可在真空或惰性气体气氛中进行。第二次加热可以是在引入熔融金属之前的预加热。第一MOR强度可为最大MOR强度的65-80％。第二次加热可有效地使第二MOR强度为最大MOR强度的至少85％。第一次加热可具有处于华氏800度到华氏1100度之间的峰值温度。第二次加热可具有超过华氏1500度的峰值温度。第一次加热可具有在华氏800度到华氏1100度之间保持至少2.0小时的温度。第二次加热可具有在超过华氏1500度保持至少1.0小时的温度。第二部分可包括耐火金属型芯、位于该耐火金属型芯之上的涂层，以及在涂覆前固定于该耐火金属型芯上的陶瓷型芯。
本发明的另一方面涉及一种用于形成熔模铸造模具的方法。将一个或多个涂层涂覆到具有用于形成模具空隙(mold void)的第一部分和用于形成模具的一部分的第二部分的牺牲模型上。在第一步骤中，除去模型第一部分的主要部分，并使第二部分保留在由涂层形成的壳型内。在第二步骤中对壳型进行初始硬化，以便有效地向壳型提供不超过最大断裂模数(MOR)强度的85％的第一MOR强度。在第三步骤中，在不会使模型第二部分的性能显著下降的情况下使壳型进一步硬化。
在各种实施方式中，该方法可用于制造燃气涡轮发动机的部件。第二步骤基本上可在至少20千帕的氧气分压下进行。第三步骤基本上可在不超过5千帕的氧气分压下进行。
本发明的另一方面涉及一种用于形成熔模铸造模具的系统。设置有用于在模型上形成壳型的机构。该模型包括有烃基主体，并且带有至少部分地嵌入在该主体中的耐火金属基型芯。设置有用于从壳型中完全除去该主体的机构。设置有用于通过在第一组合物的第一气氛中进行加热以强化该壳型的机构。设置有用于通过在真空中或在与第一组合物不同的第二组合物的第二气氛中进行加热以进一步强化该壳型的机构。
在附图和下文的描述中阐明了本发明的一个或多个实施例的细节。从描述、附图以及从权利要求中可以清楚本发明其它的特点、目的和优点。
图1是根据本发明原理的第一模具制造工艺的流程图。
图2是根据本发明原理的第二模具制造工艺的流程图。
在各幅图中采用类似的标号和标记来表示类似的元件。
具体实施例方式
图1显示了形成熔模铸造模具的典型方法20。形成22一个或多个金属型芯件(例如由耐火金属如钼和铌并通过冲压或切割金属片)，并且进行涂覆24。合适的涂料包括二氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化铬、富铝红柱石和氧化铪。优选的是，耐火金属和涂料的热膨胀系数(CTE)相似。可以用任何适当的技术(例如CVD、PVD、电泳和溶胶凝胶技术)来涂覆涂料。各个层通常可以是0.1到1密尔厚。可以将铂、其它贵金属、铬和铝的金属层涂覆到金属型芯件上以用于防氧化，并与陶瓷涂层一起用于防止熔融金属的腐蚀和固溶。
还形成26一个或多个陶瓷型芯(例如由氧化铝在模制和焙烧工艺中形成)。将一个或多个涂层金属型芯件(下称耐火金属型芯(RMC))装配到28一个或多个陶瓷型芯上。然后用易牺牲材料如天然蜡或合成蜡来对该型芯组件进行层叠模制30(例如通过将组件放入模具中并围绕其来模制蜡)。在一个给定模具中可包括多个这样的组件。
层叠模制的型芯组件(或一组组件)形成了具有与待铸造零件的外部形状大致对应的外部形状的铸造模型。然后将该模型组装32到结壳夹具上(例如通过夹具端板之间的蜡熔接)。然后使模型结壳34(例如通过泥浆浸渍、泥浆喷涂等中的一个或多个步骤)。在壳型构造好之后使其干燥36。干燥会给壳型带来至少充分的强度或其它物理上的完整性，以便允许进行后续加工。例如，包含有熔模型芯组件的壳型可以完全地或部分地从结壳夹具上拆卸下来38，并随后转移40到脱蜡机(例如蒸气高压釜)上。在脱蜡机中，蒸气脱蜡工序42可除去蜡的主要部分，留下固定于壳型内的型芯组件。壳型和型芯组件大体上形成了最终的模具。然而，脱蜡工序通常会在壳型内部和型芯组件上留下蜡或副产品烃的残余物。
在脱蜡之后，将壳型转移44到大气炉(例如含有空气或其它氧化气氛)中，在其中，将壳型加热46到第一峰值温度并保持第一持续时间以便有效地预强化该壳型。加热46还可除去任何剩余的蜡残余物(例如通过汽化)和/或将烃残余物转化为碳。大气中的氧气与碳反应形成二氧化碳。碳的去除有利于避免碳堵塞住在后续操作阶段使用的真空泵。这种碳的燃除通常与同壳型的有利预强化相关的壳型氧化同时发生。示例性的预强化为壳型提供了其极限(例如最大的充分焙烧的)断裂模数(MOR)强度的一部分(例如50-90％，更精确地说为60-85％或65-80％)。对于典型的壳型材料来说，有工业实践中通常结合有在至少华氏1500度的温度下焙烧至少一个小时的持续时间来基本上充分地焙烧壳型以基本实现最大MOR强度。在习惯做法中，壳型至少在这一期间内至少大致地维持恒温。这可表示从紧接于脱蜡之后的相对生坯状态下的大大低于50％极限MOR强度中的提高。考虑到大气炉中大气的氧化性质，预硬化温度优选足够低，以避免金属型芯件的显著氧化。尽管有防护涂层的存在，由于涂层中存在微裂缝和孔隙，因此氧化仍然是一个严重的潜在问题。氧化会在金属型芯上产生涂层脱层或其它损伤以及表面不平。涂层损伤会使金属型芯件在后续的铸造高温下汽化，和/或在铸造合金和金属型芯件之间发生反应。氧化所带来的表面不平又会在铸件的有关内表面上形成缺陷，这是会形成细微特征的具体问题。对于2-4小时的预硬化时间来说，示例性的峰值预硬化温度低于华氏1150度(例如华氏800-1100度)。示例性的预硬化温度和时间是在约华氏1000度下保持约3.5个小时。
在预硬化之后，可将模具从大气炉中取出，进行冷却并检测48。通过在模具中放置金属晶种来对模具施晶种50，以便形成定向凝固(DS)铸造或单晶(SX)铸造的最终晶体结构。然而，这里所述的内容可以应用到其它DS和SX铸造技术(例如在其中壳型的几何形状形成了粒度选择器)中，或者应用到其它微结构的铸造中。或者，可以将模具转移52到铸造炉中(例如放置在炉中的激冷板之上)。可将铸造炉抽成真空54，或填充非氧化气体(如惰性气体)以防止铸造合金氧化。加热56铸造炉以预热模具。该预热具有两个目的即进一步硬化和强化壳型(例如使极限MOR强度至少多5％)；以及为了熔融合金的引入来预热壳型，以便防止热冲击和合金的过早凝固。因此，预热温度和持续时间优选足以使壳型在其预状态之上充分地进一步硬化。这会涉及陶瓷颗粒在壳型内的烧结。有利的MOR是比极限MOR的85％更大，更具体地是比极限MOR的90或95％更大。可以用至少华氏1200度、更具体地说至少华氏1400度的预热温度来实现这一目的，其中一个示例性的预热温度为约华氏1600度。示例性的预热时间为约一个小时(例如0.25-4.0小时，更精确地说为0.75-2.0小时)。
在预热后还在真空状态下时，将熔融合金浇注58到模具中，并使模具冷却以凝固60该合金(例如在从炉内高温区中取出之后)。在凝固后破坏62该真空，并将冷却的模具从铸造炉中取出64。可在去壳工序66中将壳型除去(例如机械式地破坏壳型)，在去芯工序68(例如化学工序)中除去型芯组件，留下铸造制品(例如最终零件的金属前身)。对该铸造制品进行机加工70，化学和/或热处理72，并进行涂覆74以形成最终的零件。
图2显示了该示例性工艺的一个备选方案100，其中采用类似的标号来表示类似的步骤。然而，该备选工艺将焙烧从预热中分离出来。这样，在检测48之后，将预硬化的模具转移102到与铸造随后会在其中进行的铸造炉分开的非大气性炉中。在转移后，可将该非大气性炉抽成真空104(和/或充入如惰性气体如稀有气体或其混合气)。在抽空之后，通过与预热56类似的温度和持续时间来焙烧106模具。在焙烧之后，破坏108该真空(或排出惰性气体)并取出110模具。在取出后进行检测112、临时存储和额外的加工等。之后，对模具施晶种114，并转移116到铸造炉中。抽空118可与抽空54类似。预热120可与预热56类似或更急剧一些，这是因为焙烧功能已经至少基本上进行。
在上文中已经对本发明的一个或多个实施例进行了描述。然而可以理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可以进行多种修改。例如，可以将该原理作为现存的或已开发工艺的变型来实施，在这些情况下，那些工艺会影响或支配该实施的参数。因此，其它的实施例也属于所附权利要求的范围之内。
权利要求
1.一种用于形成熔模铸造模具的方法，包括在包括有烃基主体且带有至少部分地嵌入在所述主体中的耐火金属基型芯的模型上形成壳型；从所述壳型中完全除去所述主体；通过在第一组合物的第一气氛中进行加热以强化所述壳型；和通过在真空中或在与所述第一组合物不同的第二组合物的第二气氛中进行加热以进一步强化所述壳型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述强化中的加热基本上在华氏800-1100度下进行；和所述进一步强化中的加热基本上在华氏1400-1600度下进行。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述进一步强化中的加热是在向所述模具中引入熔融金属之前的预加热。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述第一组合物比所述第二组合物更具氧化特性。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法可用于制造燃气涡轮发动机的翼型部件。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述第一组合物主要由空气组成。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述第二组合物主要由一种或多种惰性气体组成。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述第一组合物具有至少15千帕的氧气分压。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于所述第二组合物具有不超过10千帕的氧气分压。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法还包括将所述耐火金属基型芯完全地嵌入到所述烃基主体中。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述强化可有效地向所述壳型提供为最大断裂模数(MOR)强度的65-80％的第一MOR强度；和所述进一步强化可有效地向所述壳型提供为所述最大MOR强度的至少85％的第二MOR强度。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于在所述完全除去之后，所述壳型具有不超过所述最大MOR强度的50％的初步MOR强度。
13.一种用于熔模铸造的方法，包括形成根据权利要求1所述的熔模铸造模具；向所述模具中引入熔融金属；使所述熔融金属凝固；和破坏性地移开所述模具。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于在所述进一步强化和引入之间，所述壳型的温度不会降到华氏1200度之下。
15.一种用于形成熔模铸造模具的方法，包括将一个或多个涂层涂覆到具有蜡质的第一部分和包括耐火金属型芯的第二部分的牺牲模型上；对所述涂覆模型进行蒸气脱蜡，以便将所述模型第一部分的主要部分除去，并使所述第二部分留在由所述涂层形成的壳型内；第一次加热所述壳型，以便使所述壳型硬化和除去蜡的残余物或副产品，所述第一次加热可有效地向所述壳型提供为不超过最大断裂模数(MOR)强度的85％的第一MOR强度；和第二次加热所述壳型，以便将所述壳型强化至第二MOR强度。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于所述第一次加热在氧化气氛中进行；和所述第二次加热在真空或惰性气体气氛中进行；
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于所述第二次加热是在引入熔融金属之前的预加热。
18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于所述第一MOR强度为所述最大MOR强度的65-80％；和所述第二次加热可有效地使所述第二MOR强度为所述最大MOR强度的至少85％。
19.根据权利要求15所述的方法，其特征在于所述第一次加热具有处于华氏800度到华氏1100度之间的峰值温度；和所述第二次加热具有超过华氏1500度的峰值温度。
20.根据权利要求15所述的方法，其特征在于所述第一次加热具有在华氏800度到华氏1100度之间保持至少2.0小时的温度；和所述第二次加热具有在超过华氏1500度保持至少1.0小时的温度。
21.根据权利要求15所述的方法，其特征在于所述第二部分包括所述耐火金属型芯；位于所述耐火金属型芯上的涂层；和在涂覆之前固定于所述耐火金属型芯上的陶瓷型芯。
22.一种用于形成熔模铸造模具的方法，包括将一个或多个涂层涂覆到具有用于形成模具空隙的第一部分和用于形成模具的一部分的第二部分的牺牲模型上；用于除去所述模型第一部分的主要部分并使所述第二部分留在由所述涂层形成的壳型内的第一步骤；用于初始硬化所述壳型以便有效地向所述壳型提供不超过最大断裂模数(MOR)强度的85％的第一MOR强度的第二步骤；和用于在不会使所述模型第二部分的性能显著下降的情况下进一步硬化所述壳型的第三步骤。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于所述方法可用于制造燃气涡轮发动机的部件。
24.根据权利要求22所述的方法，其特征在于所述第二步骤基本上在至少20千帕的氧气分压下进行；所述第三步骤基本上在不超过5千帕的氧气分压下进行。
25.一种用于熔模铸造的方法，包括形成根据权利要求22所述的熔模铸造模具；向所述模具中引入熔融金属；使所述熔融金属凝固；和破坏性地移开所述熔模铸造模具。
26.一种用于形成熔模铸造模具的系统，所述系统包括用于在包括有烃基主体且带有至少部分地嵌入在所述主体中的耐火金属基型芯的模型上形成壳型的机构；用于从所述壳型中完全除去所述主体的机构；用于通过在第一组合物的第一气氛中进行加热以强化所述壳型的机构；和用于通过在真空中或在与第一组合物不同的第二组合物的第二气氛中进行加热以进一步强化所述壳型的机构。
全文摘要
使用包括至少两个步骤的加热工艺来强化包括有耐火金属型芯的熔模铸造模具的壳型。第一个阶段可在氧化状态中在足够低的温下进行，以避免型芯显著氧化。第二个阶段在基本上非氧化的状态中在更高温度下发生。
文档编号B22C13/08GK1683098SQ200510067418
公开日2005年10月19日 申请日期2005年4月15日 优先权日2004年4月15日
发明者J·A·斯奈德, J·T·比尔斯, J·E·佩尔斯基, C·R·韦尔纳, L·D·肯纳德, D·D·曼迪奇, S·D·墨累 申请人:联合工艺公司