用于定向凝固工艺中的铸造模具及其制造方法

专利名称：用于定向凝固工艺中的铸造模具及其制造方法
技术领域：
本公开大体涉及用于定向凝固铸造工艺中的铸造模具及其制造方法。更具体地， 该铸造模具包括构造成以便在定向凝固工艺期间防止或延迟液体金属冷却剂与铸造金属 表面发生反应的梯度(graded)表面涂层结构。
背景技术：
定向凝固工艺是通常用来生产诸如具有柱状和单晶体生长结构的涡轮机叶片和 轮叶的部件的方法。众所周知的是，单晶体超合金的高温机械属性优于具有多晶结构的铸 件。通常，在限定零件的、竖直地设置的模具的基部处建立期望的单晶体生长结构。然后， 在移动的热梯度的影响下，单晶体凝固前沿传播穿过该结构。存在用于进行定向凝固的各种工艺。在一种工艺中，可通过使包含熔融金属的模 具缓慢地降低离开经加热的炉子，且将该模具降到液体冷却槽中来实现定向凝固，液体冷 却槽充当熔融材料的冷却介质。冷却槽可包括被加热到在熔融材料的熔点以下且在液体冷 却剂的熔点以上的温度的金属。当模具下降到冷却槽中，熔融材料的凝固可从模具的底部 发展到顶部。这样，随着热从模具内的熔融材料传递到液体冷却槽，固液界面可以向上发 展。用液体冷却模具的问题之一是液体冷却剂会污染铸造材料，从而造成不合需要的表面 点蚀的倾向。如果没有恰当地密封模具，或者如果模具在铸造运行完成之前过早地破裂，则 可发生液体冷却剂与铸造金属的反应。有时使用表面涂层在熔融的铸造金属和壳模的表面之间形成保护性阻隔。例如， 美国专利No. 6，676，381 (Subramanian等人)描述了基于氧化钇或者至少一种稀土金属和 其它无机组分(例如氧化物、硅化物、硅酸盐和硫化物)的表面涂层。表面涂层合成物最常 为浆料的形式，其大体包括粘合剂材料以及耐熔材料，例如氧化钇组分。当将熔融的反应 性铸造金属输送到壳模中时，表面涂层防止铸造金属和模具的壁(即在表面涂层的下面的 壁)之间的不合需要的反应。出于相同的目的，有时可以使用表面涂层来保护通常会与铸 造金属发生接触的芯体的部分(在壳模内)。当前的表面涂层容易失效(例如当模具主体 在铸造工艺期间破裂时)。因此，期望的是具有适用于采用液体冷却槽的定向凝固工艺的铸造模具，其中，该 模具构造成以便在定向凝固工艺期间防止或延迟液体金属冷却剂与铸造金属的表面进行 反应。

发明内容
本文所公开的是用于定向凝固工艺及其步骤的模具。在一个实施例中，用于定向 凝固工艺的模具包括梯度表面涂层结构，梯度表面涂层结构包括用于在定向凝固工艺期间 接触熔融金属的最内层和与模具主体接触的剥离层，其中，剥离层构造成以便在铸造金属 定向凝固后破裂。在另一个实施例中，模具包括梯度表面涂层结构，该梯度表面涂层结构包括最内 层、烧结层和包括孔的剥离层；和模具主体，其中最内层和烧结层构造成以便在铸造金属冷 却和定向凝固后，粘附到铸造金属上或者保持紧密接近铸造金属，并且，其中，模具主体在 剥离层附近处与最内层和烧结层分开。定向凝固铸造工艺包括在模具中浇铸熔融金属，其中模具包括形成于模具主体上的梯度表面涂层结构，该梯度表面涂层结构包括用于接触熔融金属的最内层和剥离层； 将模具降到包括被加热到在熔融材料的熔点以下且在液体冷却剂的熔点以上的温度的液 体冷却剂的液体冷却槽中；以及将热从模具传递到液体冷却槽，且在熔融金属降到液体冷 却槽中时使熔融金属定向地凝固；其中，在熔融金属冷却时，剥离层破裂，以使最内层与模 具主体分开。通过参照对本公开和包括在其中的实例的各种特征的以下详细描述，可更容易地 理解本公开。


现在参看附图，其中相同元件以相同的方式编号图1示出了根据本公开的铸造模具的局部截面图。图2描绘了可用来通过定向凝固工艺来铸造熔融材料的炉子的一个示例性实施 例。部件列表10模具12表面涂层结构14最内层16烧结层18剥离层20主体50炉 子52导热条54炉箱56陶瓷模具58孔口 60冷却槽62坩埚64模具定位器具体实施方 式本文公开的是用于在定向熔模铸造工艺中所采用的模具的表面涂层结构。该表面 涂层结构大体包括梯度合成物，梯度合成物包括将会接触铸造金属的最内层；邻近最内层 的烧结层；以及在模具的主体附近或紧靠主体的外剥离层。最内层和烧结层构造成以便在 凝固工艺期间在剥离层处脱离模具，其中当金属凝固且收缩而离开模具主体时，最内层和 烧结层保持结合到铸造金属表面上。这样，分开的层，即最内层和烧结层，在铸造金属冷却 时将保持紧密接近和/或接触铸造金属表面，且保护铸造金属表面不与在定向凝固工艺期 间透入模具中的任何液体金属冷却剂发生直接接触和反应。图1示出了模具10的局部截面图。如图所示和以上所述，模具包括表面涂层结构 12，表面涂层结构12包括最内层14、烧结层16和剥离层18。模具主体20形成于剥离层上， 且通常包括多个陶瓷层，直到获得期望的厚度为止。最内层12设置成以便在沉积到模腔中 时直接接触铸造金属。表面涂层最内层14大体由相对于铸造金属比较惰性的陶瓷材料制造。另外，如将 在下面更加详细地论述的，最内层构造成以便即使发生收缩也保持与铸造金属接触。附连 到铸造金属的表面上的这个剩余的表面涂层材料起以物理的方式分开铸造金属，使之不受 液体冷却介质造成的冲击的作用。最内层可由以下材料的浆料形成，该材料包括粘合剂和 耐熔金属或金属氧化物，例如但不限于氧化铝、氧化钙、氧化硅、氧化锆、锆石、氧化钇、氧化 钛、氧化钇洗过的氧化铝和它们的物理混合物，以及它们的化学混合物(即这些材料的反 应产物)。粘合剂通常为硅基材料。对于此目的，硅胶是很普遍的，且广泛地用于熔模-铸 造模具。可商购获得的这种类型的硅胶等级通常具有大约10%-15%的氧化硅含量。可通 过使耐熔金属/金属氧化物和粘合剂与诸如水的液体混合，来形成用于这一层以及形成模 具的其它层的浆料。可通过浸涂或喷涂将最里面的表面涂层浆料施用到模具蜡模的表面 上。还可通过在制造好模具之后用浆料“冲洗”模具的内表面来施用额外的最里面的表面 涂层浆料。最里面的表面涂层材料的选择很大程度上取决于被铸造的金属。因为大部分金属 是高反应性的(特别是在熔模铸造工艺期间使用的升高的温度下)，由此可见用以产生最 内层的材料基本不会与熔融金属或在铸造工艺的条件下被铸造的合金反应。对于由钛和钛
4合金铸造物品来说，氧化钇目前是优选的表面涂层材料，主要是因为与大多数其它模具形 成材料相比，氧化钇较不会与熔融的钛和钛合金反应。另一方面，与铸造金属表面有某种程 度的反应是合乎需要的，以便当铸造金属在凝固之后收缩离开模具的剩余部分时，使最里 面的表面涂层材料附连到金属表面上。因此对最里面的表面涂层化学性质的选择必须考虑 要产生足够程度的表面涂层_金属反应，其不会太剧烈而产生无法接收地反应过的金属表 面，但足以使表面涂层材料附连到铸件表面上。就此而言，例如，氧化钇趋向于与镍基超合 金适度地反应，且是用于制造用于熔模铸造超合金的最里面的表面涂层的优选的成分。对于选择最里面的表面涂层浆料的化学性质的另一个考虑，是要包括可与如上所 述的第一成分进行反应的第二氧化物成分。表面涂层内的反应是合乎需要的，以将表面涂 层最内层内的颗粒结合在一起，从而使得最里面的表面涂层材料的整个层都可附连到铸造 金属表面上，而不是只有单独的表面涂层颗粒与金属表面直接接触。就此而言，氧化铝或氧 化硅颗粒或者它们的组合对于用于最里面的表面涂层浆料的该第二成分来说是优选的候 选物。应当以相对少的量(足以产生合乎需要的粒间结合，但又不足以妨碍铸造金属和第 一成分之间的反应)来添加这个第二成分。可形成为单层或多层的表面涂层最内层14的总厚度为约5微米至约500微米，或 者更优选地，约10微米至约150微米。表面涂层最内层应当具有约1微米至约100微米的、 或者更优选地从2微米到约50微米的相对精细的粒度。烧结层16是连续和致密的，其中在模具预热和凝固工艺期间，粒间裂隙通过烧结 机制来填充。烧结层用来对液体冷却剂的进入提供紧密的阻隔，且防止液体冷却剂与铸造 金属直接接触。烧结层可由类似于上述的那些的粘合剂和耐熔金属和/或金属氧化物形 成。例如，合成物可包括氧化钇、氧化铝和氧化硅。但是，烧结层优选由具有与表面涂层最 内层14的成分不同的成分的不同混合物的浆料制成。大体上，烧结层浆料应当包含浓度高 于最里面的表面涂层浆料的浓度的第二成分。较高的第二种成分含量将会产生较高程度的 粒间反应，且从而产生较致密的层的表面涂层结构，该表面涂层结构可对冷却介质的冲击 铸造金属的任何另外进入提供紧密的密封。在烧结层中增加的优选的第二成分是氧化硅， 已知氧化硅能够与氧化钇和氧化铝反应，以形成可在铸造工艺期间填充表面涂层颗粒的空 隙的低熔产物。应当注意，烧结层16的功能类似于表面涂层最内层14的功能，因为它们两者都提 供物理阻隔来保护铸造金属不与冷却金属介质的任何进入接触和反应。通过形成致密的表 面涂层烧结层结构，除了大体上有较多孔的表面涂层最内层之外，表面涂层烧结层结构提 供了对铸造金属的更加有保证的保护。在表面涂层最内层相对较厚的情况下，不一定需要 连续地均勻且致密的烧结层来实现对铸造金属的合乎需要的保护。在这种意义上，单独的 表面涂层烧结层是可选的，并非像本发明所教导的那样在梯度表面涂层结构中是关键的。可形成为单层或多层的烧结层的总厚度为约0微米至约200微米，或者更优选地 约10微米至50微米。耐熔材料具有约1微米至约100微米的平均直径，或者更优选地为 约2微米至约50微米。剥离层18由粘合剂和耐熔材料形成。在一个实施例中，剥离层是多孔的；剥离层 的量对于在铸造金属冷却(即收缩)后从模具的主体上脱离有影响。由浆料层之间的灰泥 颗粒形成的层大体具有高的孔隙率百分比。因此表面涂层剥离可发生在表面涂层灰泥层内或附近。如果可以产生较多孔的区，也可在表面涂层区内诱生剥离层。取决于一侧上的金 属_表面涂层反应和另一侧上的表面涂层_灰泥反应的性质，具有表面涂层化学性质的粘 合元素可能会在表面涂层的层的内部被损耗。金属、表面涂层和灰泥之间的这种复杂的相 互作用可导致在表面涂层区内形成多孔层。在表面涂层区内的、反应诱生的多孔层大体是 由在表面涂层反应期间氧化硅的局部损耗引起的。重要的是要注意到，取决于形成机制，剥离层18可形成于表面涂层最内层14和烧 结层16之间，或者形成于烧结层的外部，如图1所示。不管剥离层18的具体位置，如果是 根据本教导形成的，则最内层14和烧结层16两者均能够为铸造金属提供保护。但是，大体 上，优选的是剥离层18位于烧结层16的外部，从而使得表面涂层最内层14和表面涂层烧 结层16可从模具的剩余部分上分开，以在收缩期间与铸造金属分离。孔在一个实施例中为层提供10%至40%的孔隙率，在另外的实施例中提供30% 至60%的孔隙率。耐熔材料的粒度在一个实例中为约1微米至约100微米，在另一个实例 中为约10微米至约150微米。示例性剥离层合成物包括锆石、氧化硅、氧化钇和氧化铝颗 粒。可形成为单层或多层的剥离层的总厚度在一个实例中为约1微米至约100微米，在另 外的实例中为约10微米至500微米。模具主体20可由多个层形成，且不意图限于任何特定的一种或多种材料。对于 超合金的定向凝固，模具材料通常选自粘合剂和包括石英、熔融氧化硅、氧化钙、锆石、氧化 锆、氧化铝、铝矽酸盐和用氧化钇洗过的氧化铝、钨、氧化钇、氧化钛以及它们的组合的耐熔 材料。通常，用于形成具有如上所述的梯度表面涂层结构的模具的工艺包括将蜡模(也 可使用由其它聚合物制成的模子)浸入将会限定特定的层合成物的浆料合成物或喷涂(环 境)中，以便用浆料层涂覆模子。首先形成用于接触待铸造的熔融金属或合金的最内层，且 然后在最内层湿的时候用相对粗糙的陶瓷粒子(灰泥)对其涂以灰泥。可使用流化床由喷 涂或者雨淋式涂覆来施用灰泥层。合适的雨淋式涂覆装置可从Pacific Kiln&Insulations 公司商购获得。然后可通过使将模子浸入期望的浆料合成物中、排出多余的浆料以及涂灰 泥的序列重复对应于期望的层的数量的必要数量的次数，来顺序地形成烧结层和剥离层。 在一个实施例中，各个浆料/灰泥层在执行下一个涂覆和涂灰泥操作之前被干燥。在其它 实施例中，允许在施用下一个浆料涂层之前在没有涂灰泥的情况下使浆料涂层变干。消除 某些涂灰泥步骤可能是建立如本发明所教导的合乎需要的梯度表面涂层结构的有效方式。可用作灰泥材料的材料与目前认为可用作模具形成材料的那些材料(即氧化铝、 氧化钙、氧化硅、氧化锆、锆石、氧化钇、它们的物理混合物，以及它们的化学混合物)基本 相同。模具形成材料和灰泥之间的主要差别是粒度，即灰泥大体比其它模具形成材料(例 如形成浆料的耐熔金属/金属氧化物)具有更大的粒度。表面涂层灰泥材料的粒度范围大 体为从约10微米至约200微米。构成模具的外主体的备用层大体包括具有从约20微米至 约250微米的粒度的灰泥。灰泥以及其它的模具耐熔材料可与用于实践本发明的其它灰泥 材料一起形成为紧密混合物。一旦表面涂层结构在模子的周围凝固，就将额外的层，例如从约2个至约25个的 额外的层，典型的是从约5个至约20个额外的层，更典型的是从约10个至约15个额外的 层施用于模子上，以形成模具主体20。在彻底干燥之后，从壳模中除去蜡模模型，然后焙烧模具。有时，在壳从该高温加热冷却之前，壳是装有熔融金属的。或者，使模具冷却到室温， 且存储该模具以备后用。将对模具的随后的再热进行控制，以便不引起破裂。已经使用了 各种方法来将熔融金属引入壳中，包括重力、压力、真空和离心方法。当铸造模具中的熔融 金属已经凝固且充分地冷却之后，可从壳中移除铸件。图2描绘了可用于通过定向凝固工艺来铸造熔融材料的炉子50的一个示例性实 施例。如图所示，炉子50可包括设置在隔热炉箱54内以使箱54预热的耐热导热条52 (例 如石墨条)。在一个备选实施例中，导热条可由感应线圈代替。模具定位器64可将具有涂 有金属氧化物浆料的内表面的陶瓷模具56保持在炉箱54内。模具56的内部可装有熔融 材料，该熔融材料通过以高于其熔点的温度加热炉箱54而保持处在熔融状态。可通过穿过 炉箱54中的孔口 58将包含熔融材料的模具56降低离开经加热的炉箱54 (即热区)，进入 液体冷却槽60(即冷区)中，来实现定向凝固。冷却槽60可充当熔融材料的冷却介质。冷 却槽60可包含在金属(例如被加热到在熔融材料的熔点以下且在液体冷却介质的熔点以 上的温度的耐熔金属)的坩埚62中。随着将模具56降到冷却槽60中，熔融材料的凝固可 在模具56中从底部发展到顶部。特别地，随着热从模具56内的熔融材料传递到液体冷却 槽60，固液界面可向上增长。用于定向凝固炉子的冷却槽的令人满意的液体冷却剂应当具有大大低于铸造金 属合金的熔点的熔点和高的导热性。冷却剂应当是化学惰性的且具有低的蒸气压力。合适 的金属包括具有小于700°C的熔点的金属。具有小于700°C的熔点的金属包括(不进行限 制)锂(1860C )、钠(980C )、镁(6500C )、铝(660°C )、钾(63°C )、锌(419°C )、镓(30°C ) 硒(220°C )、铷(39°C )、镉(320°C )、铟(156°C )、锡(232°C )、锑(630°C )、碲(450°C )、铯 (28 0C )、汞(-39 0C )、铊(300 0C )、铅(327 °C )、铋(276 V )，以有它们的各种组合。如果任何液体冷却剂(例如液体金属)在凝固工艺期间渗透通过主模具主体20， 则梯度陶瓷表面涂层可阻止液体冷却介质接触模具内的熔融材料的表面。作为实例，如果 模具没有适当地密封，或者如果模具在凝固工艺完成之前过早地破裂，则可能会出现液体 冷却介质的这种渗透。在熔融材料的表面的附近存在梯度表面涂层可以防止或延迟液体冷 却介质和熔融材料的组分之间的交叉扩散，以及这两种材料之间的任何表面反应。因此，熔 融材料的合成物合乎需要地保持基本相同，且在凝固工艺期间不会受到污染。在运行中，将炉箱54预热到足够高的温度，以确保壳模56中的合金被熔化。然后 借助于模具定位器64，以规定的速度将模具56降到液体金属致冷剂60中。当热从壳模56 内的合金传导且被冷却金属带走时，固液界面向上增长。在通过浸入冷却槽60中而使合金 充分地冷却之后，就完全形成了具有柱状和单晶体生长结构的铸造部件。然后可容易地从 壳模56中移除该部件。可如以上所描述的那样铸造的材料的实例包括但不限于金属、金属合金、超合金， 以及包括前述材料中的至少一种的组合。如本文所用，术语“超合金”指的是在高温下具 有优良的强度和抗氧化性的镍(Ni)、钴(Co)或铁(Fe)基耐热合金。超合金还可包括用以 对表面赋予稳定性的金属，例如铬(Cr)，以及一种或多种次要成份，例如钼(Mo)、钨(W)、铌 (Nb)、钛(Ti)和/或用于加强目的的铝(Al)。超合金的物理属性使它们对于燃气轮机构件 的制造特别有用。如本文所用，用语“一个”和“一种”不表示对数量的限制，而是表示存在所指项目
7中的至少一个。另外，涉及相同组分或属性的所有范围的端点均包括该端点，且可独立地结 合(例如“约5%重量至约20%重量”包括端点和“约5%重量至约20%重量”的范围的所 有中间值)。整个说明书中对“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等的参照，表示结 合该实施例所述的特定元素(例如特征、结构和/或特点)包括在本文所述的至少一个实 施例中，且可存在或可不存在于其它实施例中。另外，将理解的是，可在各种实施例中以任 何适当的方式组合所描述的元件。而且将理解的是，本公开不受本文所述的任何理论的限 制。除非以别的方式限定，本文所用的技术和科学术语具有与本发明所属的领域的技术人 员普遍所理解的相同的意思。 本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，而且还使本领域技术人员能 够制造和使用本发明。本发明的可授予专利的范围由权利要求书限定，且可包括本领域技 术人员想到的其它实例。如果这样的其它实例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元 素，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言具有非实质性差异的等效结构元素，则这 样的其它实例意图处于权利要求书的范围之内。
权利要求
一种用于定向凝固工艺的模具(10)，所述模具(10)包括包括用于在所述定向凝固工艺期间接触熔融金属的最内层(14)和与模具主体(20)接触的剥离层(18)的梯度表面涂层结构(12)，其中，所述剥离层(18)构造成在铸造金属定向凝固后破裂。
2.根据权利要求1所述的模具(10)，其特征在于，所述模具(10)进一步包括在所述最 内层(14)和所述剥离层(18)中间的烧结层(16)。
3.根据权利要求1所述的模具(10)，其特征在于，所述剥离层(18)的厚度为1微米至 100微米，具有10%至40%的孔隙率。
4.根据权利要求1所述的模具(10)，其特征在于，所述剥离层(18)的厚度为10微米 至500微米，具有30%至60%的孔隙率。
5.根据权利要求2所述的模具(10)，其特征在于，所述最内层(14)具有5微米至500 微米的厚度，所述剥离层(18)具有1微米至500微米的厚度，且所述烧结层(16)具有0微 米至200微米的厚度。
6.根据权利要求1所述的模具(10)，其特征在于，所述最内层(14)构造成以便在发生 收缩时保持与所述熔融金属接触。
7.根据权利要求1所述的模具(10)，其特征在于，所述最内层(14)和剥离层(18)包 括粘合剂和耐熔金属或金属氧化物。
8.一种定向凝固铸造工艺，包括在模具(10，56)中浇铸熔融金属，其中，所述模具包括形成于模具主体(20)上的梯 度表面涂层结构(12)，所述梯度表面涂层结构(12)包括用于接触所述熔融金属的最内层 (14)与剥离层(18)；将所述模具(10，56)降到包括液体冷却剂的液体冷却槽(60)中，所述液体冷却剂被加 热到在所述熔融材料的熔点以下且在所述液体冷却剂的熔点以上的温度；以及将热从所述模具(10，56)传递到所述液体冷却槽(60)，且在所述熔融金属被降到所述 液体冷却槽(60)中时，使所述熔融金属定向地凝固；其中，在所述熔融金属冷却时，所述剥 离层(18)破裂，以使所述最内层(14)与所述模具主体(20)分开。
9.根据权利要求8所述的定向凝固工艺，其特征在于，所述剥离层(18)的厚度为1微 米至100微米，具有10%至40%的孔隙率。
10.根据权利要求8所述的定向凝固工艺，其特征在于，所述定向凝固工艺进一步包括 在所述最内层(14)和所述剥离层(18)中间形成烧结层(16)，其中，所述烧结层(16)是在 所述凝固工艺期间烧结的。
全文摘要
本发明涉及用于定向凝固工艺中的铸造模具及其制造方法。一种适用于使用液体冷却槽(60)的定向凝固工艺的铸造模具(10，56)包括模具主体(20)上的梯度表面涂层结构(12)。梯度表面涂层结构(12)包括最内层(14)和剥离层(18)，其中剥离层(18)在熔融金属冷却后破裂，以便使模具主体(20)与最内层(14)分开，最内层(14)保持与被铸造的金属接触或紧邻。还公开了定向固定凝固工艺。
文档编号B22D27/04GK101885037SQ201010003820
公开日2010年11月17日 申请日期2010年1月6日 优先权日2009年1月6日
发明者A·J·埃利奥特, M·F·X·小吉格利奥蒂, R·J·彼得森, S·-C·黄, S·F·鲁特科夫斯基 申请人:通用电气公司