铸造合金中的受控晶粒微观结构的制作方法

优先信息

本申请要求2018年10月5日提交的美国临时专利申请序列号62/741,794和在2019年3月14日提交的美国临时专利申请序列号62/818,247的优先权，这些公开内容以引用的方式并入到本文中。

本公开总体上涉及金属部件以及用于制造这些部件的方法。在一些具体实施例中，本公开涉及铸造金属制品，通常由镍基或钴基超合金形成；以及相关的专门铸造方法。

背景技术：

就强度、抗氧化性和/或耐高温性而言，许多金属和金属合金被采用于要求苛刻的应用中。示例包括钛、钒、钼和基于镍、钴或铁的超合金。这种超合金特别适合于高温应用，诸如例如飞机发动机和发电设备的燃气涡轮发动机部件。很通常地，这些部件是通过铸造过程例如熔模铸造制造的。虽然金属铸造已经实践了几千年，但在现代技术已经变得相当复杂，部分原因是铸造零件(诸如喷气发动机叶片)需要高水平的完整性。

金属部件的完整性和整体品质部分由其晶体结构，例如，部件中晶粒的晶粒尺寸和取向决定。期望的晶粒结构继而通常取决于零件的计划操作温度。例如，在燃气涡轮部件由各种超合金形成的情况下，涡轮部段中的涡轮叶片可暴露于极热的温度，并且可具有定向凝固(ds)的柱状晶粒结构或单晶结构，以抵抗高温蠕变失效和其他退化效应。

相反，经受较低操作温度的发动机部件通常受益于非常不同的晶粒结构。例如，燃气涡轮叶轮和盘虽然有自己的一套性能要求，但通常在比热气路径中遇到的温度低得多的温度下操作。在许多情况下，非常希望这些部件具有细等轴晶粒结构。

虽然细等轴晶粒结构通常在小铸件中获得，但是它们在大型复杂零件诸如燃气涡轮翼型件和结构部件中相对难以生产。熔模铸造技术通常生产具有柱状和等轴晶粒混合物的铸造部件。对于具有厚部段(例如，厚度超过约10mm的部段)的大部件常常是这种情况。如果部件具有复杂的几何形状，且部段厚度变化很大，则获得期望需的细晶粒结构会特别困难。

不均匀的晶粒形态和晶粒尺寸会导致铸造部件的品质和性能出现问题。在许多情况下(尽管不是全部)，在给定的操作温度下，大的晶粒尺寸会导致低的强度。此外，柱状晶粒结构虽然对于在特定温度状况下操作的部件是理想的，但是对于上面提及低温部件可能是有害的。柱状晶粒形态的特征是连续的粒间边界，沿此边界有时会出现裂纹和“热撕裂”。此外，当在使用过程中横向于应力方向定向时，柱状晶粒边界会变弱，这继而会导致部件过早失效。

备选地，某些部件可以以在使用中将铸造部件的不同部段暴露于不同使用环境的方式使用。在这种部件中，可能希望部件的不同部段具有不同的晶粒性质。目前难以在单个过程中生产具有多种材料结构的部件。在许多情况下，具有不同结构的单独零件被联结在一起以产生结构。

考虑到这些一般因素，铸造高性能合金的新方法将在本领域受到欢迎。该技术应该特别适合于制造需要受控微观结构的部件，诸如在部件的不同部段中的细等轴晶粒结构或多类型晶粒结构。此外，新的发展也应该适合于铸造具有复杂几何形状的相对较大的部件。此外，该技术不应要求对当前的铸造操作进行会导致制造成本显著增加的显著改变。

技术实现要素：

方面和优点将在下面的描述中部分阐述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过本发明的实践来了解。

大体上提供用于由具有固相线温度和液相线温度金属材料创建铸造合金部件的方法。在一个实施例中，该方法包括：将模具的至少第一部分埋在陶瓷材料粉末中；加热陶瓷材料粉末内的模具；此后，在第一部分埋在陶瓷材料粉末中的同时，将熔融金属材料浇注到模具中；并且此后，在第一部分埋在陶瓷材料粉末内的同时，允许熔融金属材料在模具内形成铸造合金部件。

通常还提供铸造合金，包括由其形成的部件。在特定实施例中，铸造合金部件可以具有不同的部段，这些部段具有不同的晶粒微观结构(例如，叶盘)。

参考以下描述和所附权利要求，这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解。并入本说明书并构成其一部分的附图示出了本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的某些原理。

附图说明

参考附图，在说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的完整且能够实现的公开，包括其最佳方式，在附图中：

图1示出了具有从中心通道延伸的多个部件铸造部分的示例性模具；

图2示出了埋在陶瓷材料粉末内的图1的示例性模具；和

图3示出了可与图2的埋置模具一起使用的示例性真空感应熔化器；

图4示出了示例性燃气涡轮发动机的示意性剖视图，该燃气涡轮发动机可使用根据本文所述实施例铸造的部件；

图5示出了根据下面讨论的示例的铸造方法中不同位置处的温度图表；

图6示出了根据下面讨论的示例使用的陶瓷材料粉末的示例性温度梯度；

图7示出了用于创建铸造部件的示例性铸造系统；

图8示出了经由利用图7的铸造系统的方法形成的铸造部件；以及

图9示出了根据本文所描述方法形成的示例性叶盘的剖视图。

在本说明书和附图中附图标记的重复使用旨在表示本发明的相同或相似的特征或元件。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中示出。每个示例是通过解释本发明的方式提供的，而不是对本发明的限制。事实上，对于本领域的技术人员来说将显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用，以产生又一个实施例。因此，本发明旨在涵盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的这种修改和变化。

如这里所使用的，术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用，以将一个部件与另一个部件区分开来，并且不旨在表示个别部件的位置或重要性。

如前文所提及，可以根据本发明的实施例铸造许多金属和金属合金。示例包括“超合金”、旨在包含铁基、钴基或镍基合金的术语。超合金通常包括一种或多种附加元素，以提高其高温性能。附加元素的非限制性示例包括钴、铬、铝、钨、钼、铼、钌、锆、碳、钛、钽、铌、铪、硼、硅、钇和稀土金属。(基础合金中每一个可包含一种或多种列为基础合金的其它元素中的一个或多个，例如，含钴和/或铁的镍基合金)。可根据本文所描述方法铸造的其他金属包括钛或钛合金，或不锈钢合金。

本文大体上提供由金属材料创建铸造部件的方法，以及所得的铸造部件。在特定实施例中，该方法包括形成其中具有受控晶粒结构的铸造部件。

i.细晶粒结构的生长

在一个实施例中，提供用于由金属材料创建铸造合金部件的方法。大体上，该方法涉及将模具埋在陶瓷材料粉末中，将模具预热至初始模具温度，且然后当模具埋在粉末中时，将熔融金属材料浇注到模具中。然后，当模具埋在陶瓷材料粉末中时，可允许熔融金属材料冷却以形成铸造合金部件。

通过这种方法，得到的铸造合金部件具有晶粒结构，该晶粒结构主要是横跨薄和厚部段的细晶粒，几乎没有柱状晶粒生长。这种更细的晶粒结构导致用于特定应用诸如压缩机叶片的优异性质(例如，疲劳寿命增加)。例如，铸造合金部件可以具有平均晶粒尺寸为约250微米(μm)或更小，诸如约10μm至约250μm(例如，约25μm至约200μm，或约25μm至约100μm)的晶粒结构。

不希望被任何特定的理论所束缚，据信该方法通过在最终凝固期间降低金属材料内的热梯度来帮助在铸造合金部件上实现十分细的晶粒结构。不希望被任何特定的理论所束缚，据信陶瓷床提供一种介质，在该介质中，在模具外部形成热梯度，以允许模具内更统一的冷却。也就是说，在将熔融金属材料浇注到模具内之后，可以在陶瓷材料粉末中形成热梯度，使得热梯度基本上从模具内的金属材料转移到模具外的陶瓷粉末中。这样，铸造合金部件内的最终晶粒结构横跨薄和厚的部段具有基本均匀的晶粒结构，几乎没有柱状晶粒生长。

在一个特定实施例中，粉末的陶瓷材料是绝缘陶瓷材料(例如，绝缘陶瓷氧化物)。例如，在一个实施例中，粉末的陶瓷材料可以包括氧化铝(例如，片状氧化铝)，其具有绝缘陶瓷材料的相对高的热导率。这种特征可以提供在整个粉末中传导热量的路径，从而最小化模具上的任何热梯度，在冷却过程中保持金属材料和陶瓷材料处于基本相同的温度。适合用作粉末的陶瓷材料的其它绝缘陶瓷氧化物包括但不限于氧化锆、氧化铪、二氧化钛、二氧化硅、铝酸钴、锆石、二氧化硅、氧化镁、稀土氧化物(例如，氧化钇)或其混合物。

粉末的陶瓷材料通常包含多个陶瓷颗粒(即，陶瓷颗粒的粉末)。在某些实施例中，粉末具有相对小尺寸的颗粒(例如，平均颗粒尺寸为约10mm或更小，优选约1mm或更小)，使得可以与模具的外表面进行最大程度的接触。在特定实施例中，颗粒可具有约0.25mm至约0.85mm的平均颗粒尺寸。

另外，据信可以通过调整初始模具温度、熔融材料的材料温度和/或在将金属材料浇注到其中之后达到的升高的模具温度来控制晶粒尺寸。在一个特定实施例中，模具可被埋入到陶瓷材料粉末中，然后模具可被加热至初始模具温度。在加热到初始模具温度之后，热源可以脱离，并且熔融金属材料可以在初始模具温度下浇注到模具中。

在一个实施例中，初始模具温度小于待浇注在其中的金属材料的固相线温度的一半。如本文所用，术语“固相线温度”是指金属材料(例如，合金)是完全固态的最高温度。在一个实施例中，模具温度可以是金属材料的固相线温度的50%或更低(例如，室温(例如，20ºc至金属材料的固相线温度的50%))。例如，模具温度可以是金属材料的固相线温度的5%至50%(例如，金属材料的固相线温度的7%至小于30%)，诸如金属材料的固相线温度的10%至25%。当模具温度低于金属材料的固相线温度的一半时，据信熔融材料在被浇注到模具时会从液相快速冷却。因此，据信熔融材料在其填充模具时可能开始结晶，使得熔融金属材料在浇注时开始形成其晶粒结构。不希望被任何特定的理论所束缚，据信这些晶粒可以用作以期望尺寸形成晶粒的种址（seedsite）。这种实施例对于具有要用熔融金属材料填充的大腔的部件特别有用。

当熔融金属被浇注到较冷的模具中时，不希望被任何特定的理论所束缚，据信热能从金属材料传递到模具，然后从模具传递到陶瓷材料粉末中。也就是说，在模具加热的同时，金属材料冷却，这继而导致模具周围的陶瓷材料加热。据信，陶瓷材料粉末具有足够的热质量来吸收来自金属材料(通过模具)的热量，从而用作散热器，同时为模具提供绝缘以控制冷却速率。

大体上，允许发生这种受控的凝固过程，直到金属材料在模具内完全凝固。如下所讨论，在金属材料完全凝固后，模具可被快速冷却，以抑制铸造金属部件内的晶粒生长。在受控凝固过程期间，熔融材料从其初始模具温度(即，当熔融材料被浇注在其中时模具的温度)加热到升高的模具温度，在该温度下熔融材料在模具内完全凝固。升高的模具温度可取决于多种因素，诸如初始模具温度、浇注时熔融材料的体积和/或温度、存在的陶瓷材料的数量和/或类型、模具的尺寸和/或厚度等。例如，在某些实施例中，升高的模具温度可以大于金属材料的固相线温度的50%(例如，大于固相线温度的50%至85%)。例如，升高的模具温度可以是金属材料的固相线温度的55%至80%(例如，固相线温度的60%至75%)。

模具可以由陶瓷材料制成，该陶瓷材料独立地选自粉末的陶瓷材料。例如，模具可以由氧化铝、氧化锆、氧化铪、二氧化钛、二氧化硅、铝酸钴、锆石、二氧化硅、氧化镁、稀土氧化物或其混合物形成。

在某些实施例中，熔融金属材料在其液相线温度附近被浇注到模具中。如本文所用，术语“液相线温度”是指金属材料(例如，合金)是完全液态的最低温度。例如，浇注熔融金属材料的浇注温度可以是金属材料的液相线温度的约80%至105%，例如液相线温度的约85%至105%。当浇注温度等于或高于金属材料的液相线温度时(例如，100%至约105%)，据信当模具被填充时，熔融材料可完全停留在液相，使得熔融金属材料以基本均匀的方式完全填充模具。这种实施例对于具有熔融金属材料通过其而进行填充的小结构的部件尤其有用。备选地，当浇注温度低于金属材料的液相线温度时(例如，约80%至小于100%，诸如约90%至小于100%或约95%至小于100%)，据信熔融材料可在其填充模具时开始结晶，使得熔融金属材料在浇注时开始形成其晶粒结构。也就是说，当浇注温度低于液相线温度时，在熔融金属材料中可能形成晶体，使得较小的晶粒在材料的其余部分结晶之前已经开始。不希望被任何特定的理论所束缚，据信这些晶粒可以用作形成期望尺寸晶粒的种址。这种实施例对于具有要用熔融金属材料填充的大腔的部件特别有用。

在一个实施例中，金属材料可以包括但不限于纯金属、镍合金、铬合金、钛、钛合金、镁、镁合金、铝、铝合金、镍基超合金、钴基超合金或其混合物。

参考图1，模具100大体上显示为具有用于接收熔融金属材料的入口102。漏斗部分104连接到中心通道106，中心通道106指引熔融金属材料流入模具。多个部件铸造部分108从中心通道106延伸，以便在单个铸造周期中形成多个部件。

图2示出了放置到载体110中并被粉末112包围的模具100。如图所示，模具100的所有部件铸造部分108完全埋在陶瓷材料的粉末112中。然而，在其他实施例中，只有部件铸造部分108的一部分埋在陶瓷材料的粉末112内。在这种方法中，在模具内形成的铸造合金部件的晶粒尺寸在埋入粉末内的部件部分中具有较小的晶粒尺寸，而在模具内形成的铸造合金部件在粉末上方的部件部分中具有较大的晶粒尺寸。

在某些实施例中，就热质量而言，载体110中存在的粉末112量大于浇注到模具100中的金属材料的量。例如，热质量比可以由模具内陶瓷材料的体积与金属材料的体积来定义。在该定义中，热质量比可以大于1，这表明粉末112的热质量大于浇注的金属材料。在特定实施例中，热质量比可以是大约2或更大(例如，大约5或更大，诸如大约10或更大)。

图3示出了特别适合于形成铸造部件的示例性真空感应熔化器130。在所示的实施例中，腔室132限定由内壁138彼此分开的装载区134和浇注区136。在装载区134中，模具100可以被放置在升降机142上，然后被提升，同时保持埋在粉末112内，通过装载区134与浇注区136之间的孔139进入浇注区136。如图所示，阀臂141可以关闭孔139，以便将装载区134与浇注区136分开。例如，阀臂141可以枢转以关闭孔139。在其他实施例中，阀臂141可以被配置成滑动到位以关闭孔139。

模具加热器137可以将埋在陶瓷材料内的模具预热到初始模具温度，如上所讨论。另外，金属加热器143可以将金属材料140加热到浇注区136内的浇注温度(例如，液相线温度的约90%的直到液相线温度的约120%，如上文所讨论)。然后，在模具保持埋在陶瓷材料的粉末112中时，熔融金属材料140可以被浇注到模具100中。

在一个实施例中，在浇注熔融金属材料140期间，腔室132可以没有氧气，以便防止金属材料氧化。在某些实施例中，可以在腔室132内形成真空，以用于浇注熔融金属材料140。例如，腔室132可以具有小于760托的压力(例如，大约300托或更低)。在特定实施例中，腔室可以具有大约1托或更小的压力(例如，约0.1毫托至约25毫托)。在具有大于1托的压力的条件下，优选在抽真空之前用惰性气体(例如，氩气)净化该腔室，以确保气氛中基本上没有氧气。

在浇注熔融金属材料140之后，在模具被埋在陶瓷材料粉末112内时，通过热能从金属材料到模具，随后到陶瓷材料的热传递，熔融金属材料140在模具100内被冷却。在某些实施例中，冷却可以在模具100被填充以熔融金属材料140后不久开始。例如，一完成浇注，模具100就可以降低回到装载区134，而不使用任何加热元件(即，任何加热源都脱离)。例如，阀臂141可以关闭孔139，使得装载区与浇注区136中的加热元件137和143隔离。这样，在模具保持埋在陶瓷材料的粉末112内时，可以允许金属材料140在模具100内冷却。一旦金属材料140在模具100内完全凝固(例如，在升高的模具温度下)，模具100可以快速冷却以抑制铸造金属部件内的晶粒生长。例如，在一个特定实施例中，在陶瓷材料粉末112已完全凝固后，可将模具100从陶瓷材料粉末112移除，以允许金属材料140和模具100自行冷却。

在一个实施例中，熔融材料可以经受过压(例如，压力炉)或旋转铸造，以提供将熔融金属材料推入模具的力。这种过压在熔融金属材料在低于液相线温度的温度下浇注的实施例中特别有用。在使用过压的实施例中，可以在腔室132内形成大于760托至约3000托的压力(例如，1000托至约2500托)。这种压力可以用惰性气体(例如，氩气、氮气等)实现以便防止铸造部件的氧化。

ii.多晶粒微观结构的可控生长

在特定实施例中，该方法包括形成其中具有受控晶粒结构的铸造部件。例如，铸造部件可以具有多个部段，每个部段具有其自身的平均晶粒结构，这是由于铸造过程使用模具的不同环境部分而产生的。例如，在一个实施例中，该方法可用于在单个铸造过程中创建具有细等轴晶粒结构的第一部段和具有细长晶粒结构的第二部段的铸造部件。

通常，创建这种铸造部件的方法包括控制模具各个区的温度，使得当在其中浇注熔融金属材料时模具的不同部分可以具有不同的热条件(例如，不同的初始温度)。例如，粉末中模具的第一部分的初始温度可以不同于模具的第二部分的初始温度，模具的第二部分的初始温度可以不同于模具的第三部分的初始温度，等等。

在一个实施例中，用于创建这种铸造部件的方法涉及在陶瓷材料粉末中包围模具的第一部分，同时使模具的第二部分暴露。根据需要，模具内可以包括附加部分。然后可以加热模具和陶瓷材料粉末(即，预热模具)，使得陶瓷材料粉末内的第一部分具有不同于由暴露模具限定的第二部分的初始第二温度的初始第一部分温度。加热后，熔融金属材料可被浇注到模具中，使得熔融金属材料填充第一部分(同时与粉末接触)和第二部分。然后，可以允许熔融金属材料冷却以形成铸造部件。例如，当模具的第一部分埋在陶瓷材料粉末内时，可以允许模具冷却。

通过这种方法，所得铸造部件在对应于模具的第一部分的铸造部件的第一部段内具有主要是细晶粒的晶粒结构(例如，其中几乎没有柱状晶粒生长)。相反，对应于模具的第二部分的铸造部件的第二部段中具有相对较大的晶粒(例如，其中主要是柱状晶粒)。也就是说，铸造部件的第一部段可以具有小于铸造部件的第二部段内的第二平均晶粒尺寸的第一平均晶粒尺寸。因此，一体式铸造部件可以形成为在其中不同区域具有不同的性质(例如，晶粒尺寸)。

参考图7，大体上示出用于使用在创建铸造部件的方法中的铸造系统10的横截面。铸造系统10包括模具12，模具12限定腔13，腔13具有第一部分14(即，粉末包围的部分或“埋置的”部分)和第二部分16(即，暴露部分)和根据需要可选的附加部分。模具12的第一部分14被陶瓷材料粉末18包围，并且模具12的第二部分暴露出来(即，不与陶瓷材料18的粉末接触)。腔13还可以包括跨越其中的连杆，这引起在所得铸造部件内形成通道(例如，翼型件内的流动通道)。

在一个特定实施例中，粉末的陶瓷材料是绝缘陶瓷材料(例如，绝缘陶瓷氧化物)。例如，在一个实施例中，粉末的陶瓷材料可以包括氧化铝(例如，片状氧化铝)，其作为绝缘陶瓷材料具有相对高的热导率。这样，当熔融金属材料被浇注到模具12中时，绝缘陶瓷材料可以将模具12的第一部分14保持在比暴露的第二部分16更低的温度下。此外，绝缘陶瓷材料可以提供在整个粉末中传导热量的路径，以便最小化模具12的第一部分14上的任何热梯度。适合用作粉末的陶瓷材料的其它绝缘陶瓷氧化物包括但不限于氧化锆、氧化铪、二氧化钛、二氧化硅、铝酸钴、锆石、二氧化硅、氧化镁、稀土氧化物(例如，氧化钇)或其混合物。

粉末的陶瓷材料通常包含多个陶瓷颗粒(即，陶瓷颗粒粉末)。在某些实施例中，粉末具有相对小尺寸的颗粒(例如，平均颗粒尺寸为约10mm或更小，优选约1mm或更小)，使得可以与模具12的外表面进行最大程度的接触。在特定实施例中，颗粒可具有约0.25mm至约0.85mm的平均颗粒尺寸。

与第一部分14相反，模具12的第二部分16暴露于模具12周围的气氛中。也就是说，第二部分16不与陶瓷粉末接触。这样，与模具12的第一部分14相比，模具12的第二部分16可以更快地被加热和冷却。

不希望被任何特定的理论所束缚，据信可通过调整陶瓷粉末18的位置来定制和控制铸造部件30的晶粒尺寸。此外，据信铸造部件30的晶粒尺寸可以通过调整初始模具温度、熔融金属材料的材料温度和/或在其中浇注金属材料后达到的升高的模具温度来进一步定制和控制。在一个特定实施例中，模具12可以被加热到第一部分14的初始第一模具温度和第二部分16的初始第二模具温度。在加热到初始第一模具温度和第二模具温度之后，热源可以脱离，并且熔融金属材料可以在初始第一模具温度和初始第二模具温度下时浇注到模具12中。

在一个实施例中，初始第一模具温度是待浇注在其中的金属材料的固相线温度的一半或更低。如本文所用，术语“固相线温度”是指在平衡条件下冷却时材料完全为固体时的通常约定温度。在一个实施例中，初始第一模具温度可以是金属材料的固相线温度的75%或更低(例如，室温，约20ºc至金属材料的固相线温度的75%)。例如，初始第一模具温度可以是金属材料的固相线温度的5%至固相线温度的75%(例如，金属材料的固相线温度的7%至小于50%)，诸如金属材料的固相线温度的10%至25%。当初始第一模具温度是金属材料的固相线温度的一半或更低时，据信熔融金属材料在被浇注到模具12中时从其液相快速冷却。这样，据信熔融金属材料在期填充模具时可能开始结晶，使得熔融金属材料在浇注时开始形成其晶粒结构。不希望被任何特定的理论所束缚，据信这些晶粒可以用作形成期望尺寸晶粒的种址。这种实施例对于具有要用熔融金属材料填充的大腔的部件特别有用。

当熔融金属被浇注到较冷的模具中时，不希望被任何特定的理论所束缚，据信热能从金属材料传递到模具。在第一部分，热能传递到陶瓷材料的粉末。也就是说，金属材料冷却，而模具的第一部分加热，这继而导致模具周围的陶瓷材料加热。据信，陶瓷材料粉末具有足够的热质量来吸收来自金属材料(通过模具)的热量，从而用作散热器，同时为模具提供绝缘以控制冷却速率。另一方面，热能传递到模具的第二部分内的周围气氛中。

通常，允许发生这种受控的凝固过程，直到金属材料在模具内完全凝固。如下文所讨论，在金属材料完全凝固后，模具可被快速冷却，以抑制对应于模具第一部分的铸造金属部件的第一部分内的晶粒生长。在受控凝固过程期间，熔融金属材料将模具的第一部分从其初始第一模具温度(即，当熔融金属材料被浇注到模具中时，模具的第一部分的温度)加热到升高的第一模具温度，在该温度下熔融金属材料在模具内完全凝固。升高的第一模具温度可取决于多种因素，诸如初始第一模具温度、浇注时熔融金属材料的体积和/或温度、存在的陶瓷材料的数量和/或类型、模具的尺寸和/或厚度等。例如，在某些实施例中，升高的第一模具温度可以大于金属材料的固相线温度的25%(例如，大于固相线温度的25%至110%)。例如，升高的第一模具温度可以是金属材料的固相线温度的50%至85%(例如，固相线温度的60%至75%)。

在某些实施例中，就热质量而言，围绕第一部分14的腔中存在的陶瓷粉末18的量大于浇注到第一部分14中的金属材料的量。例如，热质量比可以由模具12的第一部分14内陶瓷材料的体积与金属材料的体积来定义。在该定义中，热质量比可以大于1，这表明在第一部分14中粉末的热质量大于浇注的金属材料。在特定实施例中，热质量比可以是大约2或更大(例如，大约5或更大，例如大约10或更大)。

相反，在受控凝固过程期间，熔融金属材料将模具的第二部分从其初始第二模具温度(即，当熔融金属材料被浇注到模具中时，模具的第二部分的温度)加热到升高的第二模具温度，在该温度下熔融金属材料在模具中完全凝固。升高的第二模具温度可取决于多种因素，诸如初始第二模具温度、浇注时熔融金属材料的体积和/或温度、存在的陶瓷材料的数量和/或类型、模具的尺寸和/或厚度等。例如，在某些实施例中，升高的第二模具温度可以大于金属材料的固相线温度的25%(例如，大于固相线温度的25%至110%)。例如，升高的第二模具温度可以是金属材料的固相线温度的50%至85%(例如，固相线温度的60%至75%)。

在特定实施例中，模具12具有围绕腔13的壁24，熔融金属材料流入腔13中。模具壁24可以具有均匀或不均匀的厚度。例如，模具壁24可以具有1mm至50mm范围内的厚度(例如，2mm至10mm)。

模具12可以由陶瓷材料制成，该陶瓷材料独立地选自粉末的陶瓷材料。例如，模具12可以由氧化铝、氧化锆、氧化铪、二氧化钛、二氧化硅、铝酸钴、锆石、二氧化硅、氧化镁、稀土氧化物或其混合物形成。

在某些实施例中，熔融金属材料在其液相线温度附近被浇注到模具中。如本文所用，术语“液相线温度”是指金属材料(例如，合金)是完全液态的最低温度。例如，熔融金属材料在浇注温度下浇注，该浇注温度可以是金属材料的液相线温度的约80%至105%，例如液相线温度的约85%至105%。当浇注温度等于或高于金属材料的液相线温度时(例如，100%至约105%)，据信当模具被填充时，熔融金属材料可完全停留在液相，使得熔融金属材料以基本均匀的方式完全填充模具。这种实施例对于具有熔融金属材料通过其而进行填充的小结构的部件尤其有用。备选地，当浇注温度低于金属材料的液相线温度时(例如，约80%至小于100%，例如约90%至小于100%或约95%至小于100%)，据信熔融金属材料可在其填充模具时开始结晶，使得熔融金属材料在浇注时开始形成其晶粒结构。也就是说，当浇注温度低于液相线温度时，在熔融金属材料中可能形成晶体，使得在材料的其余部分结晶之前已经开始形成更小的晶粒。不希望被任何特定的理论所束缚，据信这些晶粒可以用作形成期望尺寸晶粒的种址。这种实施例对于具有要用熔融金属材料填充的大腔的部件特别有用。

在一个实施例中，金属材料可以包括但不限于纯金属、镍合金、铬合金、铁合金、钛、钛合金、镁、镁合金、铝、铝合金、镍基超合金、钴基超合金、铁基超合金或其混合物。

再次参考图7，供应管线20流体连接到模具12的腔13，以向腔13供应熔融金属材料。如图所示，供应管线20可以形成为模具12的一部分，并且可以在多个入口22处连接到腔13。这样，熔融金属材料可以在不同的多个位置同时供应到腔13中。

模具12在冷却时形成铸造部件30，诸如图2中所示。通常，模具12的第一部分14通常对应于铸造部件30的第一部段32(例如，如图所示的内部段)，模具12的第二部分16通常对应于铸造部件30的第二部段34(例如，如图所示的外部段)。

不希望被任何特定的理论所束缚，据信本文所描述的方法可以通过在最终凝固期间降低金属材料内的热梯度来帮助在对应于模具的第一部分的铸造部件的第一部段内实现十分细的晶粒结构。不希望被任何特定的理论所束缚，据信陶瓷床提供了一种介质，热梯度围绕第一部分在模具外部被形成到该介质中，以允许在模具的第一部分内更统一的冷却。也就是说，在将熔融金属材料浇注到模具中之后，可以在第一部分周围的陶瓷材料粉末中形成热梯度，使得热梯度基本上从模具的第一部分内的金属材料转移并且到模具外部的陶瓷粉末中。这样，在铸造部件的第一部分内得到的晶粒结构横跨薄的和厚的部段具有基本均匀的晶粒结构，几乎没有柱状晶粒生长。

相反，第二部分可以包括尺寸大于第一部分中的晶粒尺寸的晶粒尺寸。在一个特定实施例中，第二部分内的晶粒尺寸可以具有与第一部分中的晶粒纵横比相比相对较大的纵横比(即，晶粒的最长测量值除以晶粒的最小测量值)。也就是说，第二部分中的晶粒可以是天然柱状的。在特定实施例中，第二部分内的晶粒可以具有2或更大的纵横比(例如，3或更大，诸如3到25)。在一个实施例中，第一部分可以包括从第一部分内的腔13内的起始种晶生长的单晶。

在一个实施例中，第二部分的至少一个边缘可以在凝固过程期间被冷却。不希望被任何特定的理论所束缚，据信可在模具的第二部分内形成温度梯度以创建在朝向冷却源(例如，冷却器)的方向上延伸的柱状晶粒。参考图7，冷却器26可以位于第二部分16的外边缘28上，以便在铸造部件30的该特定实施例中径向定向柱状晶粒。

在特定实施例中，冷却器26可将边缘28的温度降低至低于模具12的第二部分16的初始第二模具温度的温度。例如，冷却器26可以是液冷板(例如，水冷铜板)。冷却器26的温度可以针对由铸造过程创建的部件进行控制。然而，在大多数实施例中，冷却器26的冷却器温度低于粉末18的温度，低于模具12的第一部分14的初始第一模具温度，和/或低于模具12的第二部分16的初始第二模具温度。在特定实施例中，冷却器26的冷却器温度比模具12的第二部分16的初始第二模具温度低至少10%，例如比模具12的第二部分16的初始第二模具温度低至少20%。

冷却器26可以在浇注熔融金属材料之前、浇注熔融金属材料期间和/或浇注熔融金属材料之后接合。在特定实施例中，冷却器26在熔融金属材料的浇注开始时接合(即，基本上与将熔融金属材料引入模具12同时)并且在模具12内熔融金属材料凝固期间保持接合。

例如，铸造部件30可以在第一部分14内具有平均晶粒尺寸为约250微米(μm)或更小诸如约10μm至约250μm(例如，约25µm至约200µm，或约25µm至约100µm)的晶粒结构。此外，第一部分14内的晶粒可以具有相对低的纵横比诸如2或更小(例如，0.5到2)的平均晶粒尺寸和形状。备选地，铸造部件30可在第二部分16内具有平均晶粒尺寸大于第一部分14内的平均晶粒尺寸的晶粒结构。如上文所讨论，第二部分16内的晶粒也可以具有2或更大的纵横比，使得第二部分内的晶粒具有比第一部分14内的晶粒更接近柱状的形状。

在另外的实施例中，模具12的第三部分17(即，中间部分或过渡部分)可以在铸造部件内形成过渡部段35，该过渡部段35具有比在第一部分14内形成的第一部段32的晶粒更大的晶粒，但是比在第二部分16内形成的第二部段34内的晶粒更不接近柱状。也就是说，第一部段32的晶粒的平均纵横比小于第二部段34的晶粒的平均纵横比。

参考图3，铸造系统10显示在如上所描述的示例性真空熔化器130内。晶体结构和晶粒尺寸在铸造循环期间也可能受到浇口、脱壳、其它模具绝缘(例如，kaowool（高岭棉）、fiberfrax（铝硅陶瓷纤维）、石墨挡板)、振动、致冷、加热器设计或冷却气体(例如，空气、氩气、氦气、氮气)的各种组合的影响从而也影响最终的晶体结构。

对铸造部件的晶粒结构的这种控制允许设计者根据部件的位置(部分)来定制部件的性质。例如，第一部段内更细的晶粒结构可以允许提高强度和循环能力。相反，第二部段内更接近柱状的晶粒结构可允许改进的时间相关的机械性质(例如，蠕变变形)。这种类型的控制特别适用于例如涡轮发动机中使用的旋转部件。

虽然目前公开的方法适用于各种应用，但是这些方法特别适用于形成高温环境中的铸造部件，例如燃气涡轮发动机中存在的铸造部件，例如燃烧器部件、涡轮叶片、护罩、喷嘴、隔屏蔽件和导叶。如上所叙述，本文所述的方法特别适用于形成旋转机械例如涡轮发动机所用的铸造部件。例如，叶盘可以形成有对应于内盘区域的第一部段，和对应于从盘径向向外延伸的翼型件的第二部段。

iii.铸造部件的示例性应用

虽然目前公开的方法适用于各种应用，但是这些方法特别适用于形成高温环境中存在的铸造部件，例如燃气涡轮发动机中存在的那些铸造部件，例如燃烧器部件、涡轮叶片、护罩、喷嘴、热屏蔽件和导叶。图4是根据本公开的示例性实施例的燃气涡轮发动机的示意性剖视图。更具体地，对于图4的实施例，燃气涡轮发动机是高旁通涡轮风扇喷气发动机410，本文中称为“涡轮风扇发动机410”。如图4中所示，涡轮风扇发动机410限定轴向方向a(平行于供参考的纵向中心线412延伸)和径向方向r。大体上，涡轮风扇410包括风扇部段414和设置在风扇部段414下游的核心涡轮发动机416。尽管下面参照涡轮风扇发动机410进行了描述，但是本公开总体上适用于涡轮机械，包括涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴燃气涡轮发动机，包括工业和船用燃气涡轮发动机以及辅助动力单元。

所描绘的示例性核心涡轮发动机16大体上包括限定环形入口20的大致管状外壳18。外壳18以串联流动关系包住：压缩机部段，该压缩机部段包括增压或低压(lp)压缩机22和高压(hp)压缩机24；燃烧部段26；涡轮部段，其包括高压(hp)涡轮28和低压(lp)涡轮30；和喷射排气喷嘴部段32。高压(hp)轴或转轴34驱动地将hp涡轮28连接到hp压缩机24。低压(lp)轴或转轴36驱动地将lp涡轮30连接到lp压缩机22。

对于所描绘的实施例，风扇部段14包括可变桨距风扇38，其具有以间隔开的方式联接到盘42的多个风扇叶片40。如图所描绘，风扇叶片40通常沿着径向方向从盘42向外延伸。由于风扇叶片40操作性地联接到合适的致动构件44，每个风扇叶片40可相对于盘42绕变桨轴线p旋转，该致动构件44被配置成共同一致地改变风扇叶片40的桨距。风扇叶片40、盘42和致动构件44通过lp轴36横跨可选的动力齿轮箱46一起绕纵向轴线12旋转。动力齿轮箱46包括多个齿轮，用于将lp轴36的转速阶梯下降到更高效的风扇转速。

仍然参考图4的示例性实施例，盘42被可旋转的前机舱48覆盖，前机舱48的空气动力学轮廓促进气流通过多个风扇叶片40。此外，示例性风扇部段14包括环形风扇壳或外部机舱50，其在周向包围风扇38和/或核心涡轮发动机16的至少一部分。应当理解，机舱50可配置成由多个周向间隔开的出口导向导叶52相对于核心涡轮发动机16支撑。此外，机舱50的下游部段54可在核心涡轮发动机16的外部部分上延伸，以便在其间限定旁通气流通路56。

在涡轮风扇发动机10的操作期间，一定体积的空气58通过机舱50和/或风扇部段14的相关联入口60进入涡轮风扇发动机10。当一定体积的空气58经过风扇叶片40时，如箭头62所示的空气58的第一部分被指引或引导进入旁通气流通路56，而如箭头64所示的空气58的第二部分被指引或引导进入lp压缩机22。空气62的第一部分与空气64的第二部分之间的比率通常称为旁通比。空气64的第二部分的压力然后随着其通过高压(hp)压缩机24并且到燃烧部段26中而增加，在燃烧部段26处空气与燃料混合并燃烧以提供燃烧气体66。

燃烧气体66被引导通过hp涡轮28，在hp涡轮28处来自燃烧气体66的热能和/或动能的一部分经由联接到外壳18的hp涡轮定子导叶68和联接到hp轴或转轴34的hp涡轮转子叶片70的顺序级被提取，从而导致hp轴或转轴34旋转，从而支持hp压缩机24的操作。燃烧气体66然后被引导通过lp涡轮30，在lp涡轮30中，热能和动能的第二部分经由联接到外壳18的lp涡轮定子导叶72和联接到lp轴或转轴36的lp涡轮转子叶片74的顺序级从燃烧气体66中提取，因此导致lp轴或转轴36旋转，从而支持lp压缩机22的操作和/或风扇38的旋转。

燃烧气体66随后被引导通过核心涡轮发动机16的喷射排气喷嘴部段32，以提供推进推力。同时，当空气62的第一部分在其从涡轮风扇10的风扇喷嘴排气部段76排出之前通过旁路气流通路56时，空气62的第一部分的压力显著增加，也提供推进推力。hp涡轮28、lp涡轮30和喷射排气喷嘴部段32至少部分地限定热气路径78，用于引导燃烧气体66通过核心涡轮发动机16。

本发明的其他方面由以下条款的主题提供：

1.一种由具有固相线温度和液相线温度的金属材料创建铸造合金部件的方法，包括：将模具埋在陶瓷材料粉末中；将陶瓷材料粉末内的模具加热至初始模具温度，初始模具温度为金属材料的固相线温度的50%或更低；当模具处于初始模具温度时，将熔融金属材料浇注到埋在陶瓷材料粉末中的模具内；并且此后，允许熔融金属材料在埋在陶瓷材料粉末内的模具内形成铸造合金部件。

2.根据任何前述条款所述的方法，其中铸造合金部件具有250微米或更小的晶粒尺寸，并且其中陶瓷材料的粉末包括氧化铝、氧化锆、氧化铪、二氧化钛、二氧化硅、铝酸钴、锆石、二氧化硅、氧化镁、稀土氧化物或其混合物。

3.根据任何前述条款所述的方法，其中陶瓷材料粉末的热质量使得由模具内陶瓷材料的体积与金属材料的体积所定义的热质量比大于1。

4.根据任何前述条款所述的方法，其中热质量比为5或更大。

5.根据任何前述条款所述的方法，其中当金属被浇注到模具中时，初始模具温度为20ºc至金属材料的固相线温度的50%。

6.根据任何前述条款所述的方法，其中当金属被浇注到模具中时，初始模具温度为金属材料的固相线温度的5%至金属材料的固相线温度的50%。

7.根据任何前述条款所述的方法，其中当金属被浇注到模具中时，初始模具温度为金属材料的固相线温度的7%至金属材料的固相线温度的30%。

8.根据任何前述条款所述的方法，其中当金属被浇注到模具中时，初始模具温度为金属材料的固相线温度的10%至金属材料的固相线温度的25%。

9.根据任何前述条款所述的方法，还包括：在加热模具之后和将熔融金属材料浇注到模具中之前，使任何热源与模具和陶瓷材料粉末脱离，使得熔融金属材料形成铸造合金部件，而无需从热源施加任何热量。

10.根据任何前述条款所述的方法，其中允许熔融金属材料形成铸造合金部包含允许熔融金属材料冷却直到凝固，同时通过从熔融金属材料到模具的热传递将模具加热到升高的模具温度。

11.根据任何前述条款所述的方法，其中当在真空感应熔化器内限定的腔室中时，熔融金属材料被浇注到模具中，其中真空感应熔化器的腔室具有压力小于1atm的气氛。

12.根据任何前述条款所述的方法，其中冷却熔融金属材料包括：在熔融金属材料被浇注到真空感应熔化器中之后，从真空感应熔化器中移除埋在陶瓷材料粉末内的模具；在模具埋在陶瓷材料粉末内时，允许熔融金属材料加热模具，直到熔融金属材料在模具内完全凝固；此后，从陶瓷材料粉末中移除模具，并允许模具冷却。

13.根据任何前述条款所述的方法，其中允许模具冷却是在使模具经受过压的同时进行的。

14.根据任何前述条款所述的方法，其中使用压力大于760托至约3000托的冷却气氛形成过压，并且其中冷却气氛包括惰性气体。

15.根据任何前述条款所述的方法，其中使用旋转铸造机形成过压，以提供将熔融金属材料驱动到模具中的力。

16.根据任何前述条款所述的方法，其中粉末包括平均颗粒尺寸为约1cm或更小的陶瓷颗粒。

17.根据任何前述条款所述的方法，其中金属材料是合金或超合金。

18.根据任何前述条款所述的方法，其中模具由陶瓷材料构成。

19.根据任何前述条款所述的方法，其中模具的陶瓷材料具有与粉末的陶瓷材料不同的组成。

20.根据任何前述条款所述的方法，其中模具的陶瓷材料包括绝缘陶瓷氧化物。

21.一种创建铸造部件的方法，该方法包括：在受控条件下加热模具，使得模具的第一部分具有第一热条件，并且模具的第二部分具有不同于第一热条件的第二热条件；在模具被加热之后，将熔融金属材料浇注到模具中，使得熔融金属材料填充模具的第一部分和第二部分；并且此后，允许熔融金属材料形成铸造部件。

22.一种创建铸造部件的方法，该方法包括：在陶瓷材料粉末中包围模具的第一部分，同时使模具的第二部分暴露；加热模具和陶瓷材料粉末；在模具被加热之后，将熔融金属材料浇注到模具中，使得熔融金属材料填充模具的第一部分和第二部分；并且此后，允许熔融金属材料形成铸造部件。

23.根据任何前述条款所述的方法，其中模具被加热，使得第一部分具有初始第一部分温度，并且使得第二部分具有不同于初始第一部分温度的初始第二温度。

24.根据任何前述条款所述的方法，其中初始第二温度高于初始第一部分温度。

25.根据任何前述条款所述的方法，其中所述铸造部件具有第一部段，第一部段对应于模具的第一部分并且其中具有第一平均晶粒尺寸，并且其中铸造部件具有第二部段，第二部段对应于模具的第二部分并且其中具有第二平均晶粒尺寸；其中第一平均晶粒尺寸小于第二平均晶粒尺寸。

26.根据任何前述条款所述的方法，还包括：冷却模具的第二部分的边缘。

27.根据任何前述条款所述的方法，其中模具的第二部分的边缘被冷却，使得在模具的第二部分内存在温度梯度。

28.根据任何前述条款所述的方法，其中所述铸造部件具有第一部段，第一部段对应于模具的第一部分并且其中具有第一平均晶粒尺寸，并且其中铸造部件具有第二部段，第二部段对应于模具的第二部分并且其中具有第二平均晶粒尺寸；其中第二平均晶粒尺寸具有比第一平均晶粒尺寸更高的平均纵横比。

29.根据任何前述条款所述的方法，其中第二平均晶粒尺寸比第一平均晶粒尺寸更接近柱状。

30.根据任何前述条款所述的方法，其中第一平均晶粒尺寸为250微米或更小。

31.根据任何前述条款所述的方法，还包括：在加热模具之后和将熔融金属材料浇注到模具中之前，使任何热源与模具脱离，使得熔融金属材料形成铸造部件，而无需从热源施加任何热量。

32.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在真空熔化器内限定的腔室中时，熔融金属材料被浇注到模具中，其中真空熔化器的腔室具有压力小于1atm的气氛。

33.根据任何前述条款所述的方法，其中陶瓷材料的粉末包括氧化铝、氧化锆、氧化铪、二氧化钛、二氧化硅、铝酸钴、锆石、二氧化硅、氧化镁、稀土氧化物或其混合物。

34.根据任何前述条款所述的方法，其中陶瓷材料粉末的热质量使得由模具内陶瓷材料的体积与金属材料的体积所定义的热质量比大于1。

35.根据任何前述条款所述的方法，其中冷却熔融金属材料包括：在熔融金属材料被浇注到真空熔化器中之后，从真空熔化器中从陶瓷材料粉末移除模具；在第一部分埋在陶瓷材料粉末内时，允许熔融金属材料加热模具，直到熔融金属材料在模具中完全凝固；并且此后，从陶瓷材料粉末中移除模具，并允许模具冷却。

36.根据任何前述条款所述的方法，其中允许模具冷却是在使模具经受过压的同时进行的。

37.根据任何前述条款所述的方法，其中使用具有大于760托至约3000托的压力的冷却气氛形成过压，并且其中冷却气氛包括惰性气体。

38.根据任何前述条款所述的方法，其中使用旋转铸造机形成过压，以提供将熔融金属材料驱动到模具中的力。

39.根据任何前述条款所述的方法，其中粉末包括平均颗粒尺寸为约1cm或更小的陶瓷颗粒。

40.根据任何前述条款所述的方法，其中金属材料是合金或超合金。

41.根据任何前述条款所述的方法，其中所述金属材料具有固相线温度和液相线温度，并且其中模具被加热，使得第一部分被加热到金属材料的固相线温度的75%或更低的初始第一部分温度。

42.根据任何前述条款所述的方法，其中模具由陶瓷材料构成。

43.根据任何前述条款所述的方法，其中模具由陶瓷材料构成，并且其中模具的陶瓷材料具有与粉末的陶瓷材料不同的组成。

44.根据任何前述条款所述的方法，其中模具的陶瓷材料包括绝缘陶瓷氧化物。

45.一种包括金属合金的铸造部件，其中铸造部件限定第一部段和第二部段，第一部段具有带有第一平均晶粒尺寸的第一晶粒，第二部段具有带有第二平均晶粒尺寸的第二晶粒，其中第一平均晶粒尺寸小于第二平均晶粒尺寸。

46.根据任何前述条款所述的铸造部件，其中第二晶粒的平均第二纵横比大于第一晶粒的平均第一纵横比。

47.根据任何前述条款所述的铸造部件，其中第二平均晶粒尺寸具有2或更大的纵横比。

48.根据任何前述条款所述的铸造部件，其中第二平均晶粒尺寸具有3或更大的纵横比。

49.根据任何前述条款所述的铸造部件，其中第一平均晶粒尺寸具有2或更小的纵横比。

50.一种包括金属合金的铸造部件，其中铸造部件限定第一部段和第二部段，第一部段具有带有第一平均晶粒尺寸的第一晶粒，第二部段具有单晶，其中第一平均晶粒尺寸为250微米或更小。

51.根据任何前述条款所述的铸造部件，还限定第三部段，第三部段具有带有第三平均晶粒尺寸的第三晶粒，其中第三平均晶粒尺寸大于第一平均晶粒尺寸。

52.根据任何前述条款所述的铸造部件，其中第三平均晶粒尺寸小于第二平均晶粒尺寸。

53.一种叶盘，包括内盘，所述内盘具有从其径向向外延伸的多个翼型件，其中叶盘包括铸造金属合金，该合金具有在内盘内的多个第一晶粒和在多个翼型件内的多个第二晶粒，第一晶粒具有第一平均晶粒尺寸，第二晶粒具有第二平均晶粒尺寸，其中第一平均晶粒尺寸小于第二平均晶粒尺寸。

54.根据任何前述条款所述的叶盘，其中铸造金属合金还在内盘与所述多个翼型件之间的过渡部段中具有多个第三晶粒，第三晶粒具有第三平均晶粒尺寸，其中所述第三平均晶粒尺寸大于所述第一平均晶粒尺寸。

示例

陶瓷模具被完全埋入到陶瓷材料粉末中。陶瓷模具由氧化铝制成，并且陶瓷材料粉末由氧化铝组成。陶瓷材料粉末被包围在容器内，该容器在真空中在2395ºf(1312.8ºc)的炉中加热30分钟。

温度传感器放置在粉末内离模具不同的距离处，并且在加热过程和铸造过程中跟踪温度。图5示出了加热和铸造过程期间不同位置处的温度。

图6示出了在初始温度下陶瓷粉末内温度梯度的外推(即，在金属被浇注到模具中的时候)。

该书面描述使用示例性实施例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何并入的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的其它示例包括与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质差异的等同结构元件，则这些其它示例旨在处于权利要求的范围内。