专利名称：制品中夹杂物和α相成像的方法
技术领域：
本发明实施方案涉及制造铸模，特别是至少在其铸模表面涂层中含有成像剂的熔模铸造铸模的方法，和采用该铸模制造的制品，特别是金属或金属合金制品中的夹杂物和/或α相(alpha case)成像的方法。
许多工业，尤其是航天工业，对允许的夹杂物含量和/或大小有严格的标准。夹杂物在铸件中很难定位，并且在本发明之前，在某些情况下是无法检测的，有些夹杂物如果能被检测到，就可以从制品中将其去除，从而使制品得到修复而不牺牲其结构完整性。
钛在熔模铸造工业中主要用于铸造截面相对铰小的铸件。可是，现在正考虑采用熔模铸造来制造截面比以前铸件大很多的航空器结构零件。较薄制品中的某些夹杂物可利用X-射线分析检测。例如，氧化钍和钨已用作熔模铸造铸模表面涂层的耐火材料。在钛铸件中可以通过X-射线分析检测到一些氧化钍和钨的夹杂物，这是因为氧化钍和钨的密度与钛的密度差别很大从而使得氧化钍或钨的衍生夹杂物能够成像。采用含有氧化钇表面涂层的铸模铸造截面较小的制品也证明了这点。氧化钇和钛之间的密度差别足够检测相对较薄的部件(如发动机零件)。但是，当熔模铸造制品的厚度增大以致超过一定的临界值时，X射线就不能使钛或钛合金制品中的氧化钇夹杂物成像。其中，上述临界厚度由多种因素决定，主要是铸造部件的厚度、铸造金属或合金的类型、夹杂物的大小和形成铸模的材料。如果表面涂层材料和被铸金属的密度差别不够大或者夹杂物尺寸很小时，也不能用X射线来检测夹杂物。
在本发明之前，铸造工业已使用热中子放射线照相(N-射线)成像剂。例如，在ASTM(美国测试与材料学会)出版物No.E748-95的第五页(大约从第46行开始)中公开了“熔模铸造涡轮叶片中陶瓷残余物的物质可用造影剂进行成像”。该引证是指采用N-射线检测制品中的陶瓷残余物。其中的制品是在陶瓷芯周围凝固而成的具有内腔的东西。将陶瓷芯去除后形成了内腔，然后将硝酸钇溶液放入，保持足够长时间以使溶液渗入到制品表面的多孔陶瓷芯残余物中。然后用N-射线使残余物成像。然而，这种方法不适合夹杂物成像。
本方法的一个实施方案首先涉及提供一种采用含成像剂的铸模制造的铸造金属或金属合金制品，所述成像剂的含量足以使该制品中的夹杂物和/或α相成像；然后利用N-射线分析确定制品是否含有夹杂物和/或α相。提供铸造金属或金属合金制品的步骤可包括提供含有N-射线成像剂的铸模，以及使用该铸模铸造金属或金属合金制品。典型的情况是铸模表面涂层和可能的一层或多层加固层中基本上均匀分布有其量足以使夹杂物和/或α相成像的成像剂，然后利用N-射线成像对该制品进行分析。本方法也可包括利用X-射线成像来分析金属或金属合金的步骤。本方法尤其适合检测较厚的制品(如钛或钛合金制品)中的夹杂物，尤其是检测钛铸件的表面涂层夹杂物，其中至少制品的一部分厚度大于2英寸。“夹杂物”可以指铸件中不希望存在的物质，如来自铸模表面涂层的夹杂物。另外，“夹杂物”也可以指铸件中应有的物质，如增强纤维，在该铸件中纤维上可涂覆成像剂，或制成纤维与成像剂的均质混合物使用。检测到的有害夹杂物和和/或α相可用常规方法去除。成像前，α相可能被完全去除也可能去除一部分。也可选择在铸件外部任何部分被切掉(如采用物理或化学研磨)之前，对夹杂物和α相进行成像。
可以使用包括一种或多种成像剂和铸模形成材料的简单二元混合物。本发明的方法优选形成各种材料的均质混合物(如耐火材料的均质混合物、成像剂的均质混合物，和/或一种或多种成像剂与耐火材料的均质混合物)以实施本发明。均质混合物可以用多种方式制造，但目前优选的方法是煅烧或熔化铸模形成材料(如氧化钇)和成像剂(如氧化钆)。
另外，可选择在铸造金属制件之前，将成像剂的溶液渗入到铸模中(与铸造相反)。例如，包含成像剂硝酸盐、卤化物、硫酸盐和高氯酸盐的溶液都可以形成包含此类物质的溶液，然后用这些溶液渗透熔模铸造铸模。可将铸模放置在一个抽真空(至少是部分抽真空)的容器中以加强渗透过程。这样可以促进成像剂溶液渗入铸模的孔中。
制品的线性衰减系数与成像剂的衰减系数之间的差别应该足够大，以整个制品中的夹杂物用N-射线成像。成像剂典型情况下包括诸如金属一类的物质，这些金属选自锂、硼(如TiB2)、钕、钐、铕、钆、镝、钬、铒、镱、镥、铱、硼以及它们的物理混合物和化学混合物。适合的成像剂的实例包括这些金属，如金属氧化物、金属盐、金属互化物和硼化物。目前用于钛或钛合金制品中夹杂物成像的成像剂优选氧化钆。
用于制造表面涂层浆料的耐火材料典型情况下包含约0.5重量％至约100重量％的成像剂，更典型情况下包含约1重量％至约100重量％的成像剂，进一步更加典型情况下包含约1重量％至约重量65％的成像剂，最典型情况下包含约2重量％至25重量％的成像剂。
图1B是具有三种模拟表面涂层夹杂物的含夹杂物测试棒的N-射线图像；其中“ba”指氧化钇和13.11重量％氧化钐的混合物，“bb”指氧化钇和5.14重量％氧化钆的混合物，“3”是100重量％氧化钇的标准参照物。
图1C是具有三种模拟表面涂层夹杂物的含夹杂物测试棒的N-射线图像；其中“ca”指氧化钇和56.03重量％氧化钐的混合物，“cb”指氧化钇和30.8重量％氧化钐的混合物，“3”是100重量％氧化钇的标准参照物。
图1D是具有一种模拟表面涂层夹杂物的含夹杂物测试棒的N-射线图像；其中该模拟表面涂层夹杂物包括共同煅烧的氧化钇和45重量％的氧化镝。
图1E是具有一种模拟表面涂层夹杂物的含夹杂物测试棒的N-射线图像；其中该模拟表面涂层夹杂物包括共同煅烧的氧化钇和62重量％的氧化镝。
图1F是具有一种模拟表面涂层夹杂物的含夹杂物测试棒的N-射线图像；其中该模拟表面涂层夹杂物包括共同煅烧的氧化钇和1重量％的氧化镝。
图2G是具有一种模拟表面涂层夹杂物的含夹杂物测试棒的N-射线图像；其中该模拟表面涂层夹杂物包括共同煅烧的氧化钇和14重量％的氧化钆。
图2H是具有一种模拟表面涂层夹杂物的含夹杂物测试棒的N-射线图像；其中该模拟表面涂层夹杂物包括共同煅烧的氧化钇和60重量％的氧化钆。
图2I是具有一种模拟表面涂层夹杂物的含夹杂物测试棒的N-射线图像；其中该模拟铸模夹杂物包括共同煅烧的氧化钇和14重量％的氧化钐。
图2J是具有一种模拟表面涂层夹杂物的含夹杂物测试棒的N-射线图像；其中该模拟铸模夹杂物包括共同煅烧的氧化钇和27重量％的氧化钐。
图2K是具有一种模拟表面涂层夹杂物的含夹杂物测试棒的N-射线图像；其中该模拟铸模夹杂物包括共同煅烧的氧化钇和27重量％的氧化钆。
图2L是具有一种模拟表面涂层夹杂物的含夹杂物测试棒的N-射线图像；其中该模拟铸模夹杂物包括共同煅烧的氧化钇和39重量％的氧化钆。
图3是使用表面涂层含有氧化钇和14重量％的氧化钆的铸模制造的实验铸件的N-射线图像。
图4是横截面厚度为1.5英寸的产品部分中α相(厚度用英寸)相对于氧化钆重量百分数的图。
图5是横截面厚度为1.0英寸的产品部分中α相(厚度用英寸)相对于氧化钆重量百分数的图。
图6是与实时N-射线分析测定夹杂物尺寸以及N-射线和Y-射线分析膜成像相对于钛铸件横截面厚度上可检测到的夹杂物作图。
发明详述本发明涉及利用N-射线分析或利用N-射线分析结合X-射线分析来检测制品，如熔模铸件中的夹杂物和/或α相。本方法可用于检测所有金属或金属合金中的夹杂物和/或α相，尤其是钛金属和合金、钢、镍和镍合金、钴和钴合金(如钴-铬合金)、含纤维的金属基复合材料，以及这些材料的混合物。“成像剂”最好均匀地分布在铸模，至少均匀分布在铸模的表面涂层中，从而可检测所有的夹杂物或α相。表面涂层(也许还有加固层)的铸模形成材料可作为成像剂使用。但是，大多数适于用作成像剂的材料太昂贵而不能在商业上得到运用。结果，成像剂常和单独的铸模形成材料一起形成浆料而用于制造熔模铸造铸模。
下面讨论有关熔模铸造工艺的内容，制作含有足以使夹杂物和/或α相成像的大体均匀分布在至少整个表面涂层的成像剂的铸模方法，以及检测用这些铸模制造的熔模铸件中的夹杂物和/或α相的方法。I 熔模铸造工艺如上所述，熔模铸造工艺的第一步是提供所需制品形状的蜡模(也可用其它聚合物模型)。将模型依次浸入含有铸模形成材料如耐火材料的含水性或非水悬浮液中。铸模的每一层可以含有相同的铸模形成材料，也可以用不同的铸模形成材料来形成铸模的各层，或用两种或更多的铸模形成材料来形成铸模的一层或整个铸造。
由于表面涂层材料在铸造过程中和熔融状态的金属或合金接触，所以表面涂层也许是最重要的铸模层，因为大多数金属具有很高的反应活性，特别是在熔模铸造工艺的高温条件下，因此，在铸造条件下，制造铸模的材料必须基本上不与铸造的熔融金属或合金反应。
可用于形成熔模铸造铸模表面涂层的部分材料包括三氧化二铝、氧化钙、二氧化硅、二氧化锆、锆石、氧化钇、二氧化钛、钨、这些材料的物理混合物以及化学混合物(即这些材料的反应产物)。表面涂层材料的选择很大程度上依赖于要铸造的金属。氧化钇是目前制造钛和钛合金铸件最优选的表面涂层材料，主要因为同大多数其它铸模材料相比，它与熔融钛和钛合金的反应活性较低。
一旦表面涂层在模型周围凝固后，将另外的多个涂层，如约2至约25层，优选约5至约20层，更优选约10至约18个附加层涂到模型上以形成铸模。这些层在此称为“加固层”。一般而言，夹杂物来源于表面涂层材料，但也可能来源于加固层。
湿铸模层一般也加入“撒沙”料来帮助形成粘性铸模结构。可用作撒沙料的材料基本上与目前认为可用的铸模形成材料相同，即三氧化二铝、氧化钙、二氧化硅、二氧化锆、锆石、氧化钇、这些材料的物理混合物以及化学混合物。铸模形成材料和撒沙料的不同主要在于粒度，即撒沙料的粒度通常比其它铸模形成材料大。目前认为适合用于形成含有铸模形成材料的熔模铸造浆料(不是撒沙料)的平均粒度范围是约1至约30微米，目前优选的平均粒度范围是约10至约20微米。表面涂层撒沙料的粒度范围一般是约70至约120目。中间加固层即从约第二层到第五层，通常包括的撒沙料粒度为约30至约60目，最后加固层通常包括的撒沙料粒度为约12至约46目。为了实施本发明，撒沙料和铸模耐火材料可以同其它撒沙料和/或成像剂形成均质混合物。II用于夹杂物和α相成像的成像剂对于具体应用而言，使用何种成像剂依赖于采用X-射线分析还是N-射线分析，或同时采用上述两种方法。成像剂对铸件质量的影响也是重要因素，比如在铸造过程中用成像剂时产生α相的量。对于X-射线检测，主要考虑包括(1)所铸材料密度与夹杂物密度的差别，(2)夹杂物的尺寸、厚度、形状和取向，以及(3)要检测横截面的厚度。如果所铸材料密度与夹杂物密度间的差别较小(如用氧化钇表面涂层制造的钛或钛合金铸件中这种密度差别小于0.5g/cc，并且所述铸件的横截面厚度约为2英寸；见图6)，那么对于用X-射线检测的合适夹杂物而言，所得的图像对比度就不够大。
随着制品厚度的增加，为成功成像，这种密度差别必须增加。例如，钛的密度约为4.5g/cc，Ti-6Al-4V的密度为4.43g/cc；而氧化钇的密度约为5g/cc。这种密度差别仅在一定的钛制品中足够通过X-射线分析夹杂物成像，这依赖于制品的厚度和夹杂物的厚度及表面积。一般而言，经验证，X-射线分析在制品部位的最大厚度仅为约2英寸或更小时才能有效检测钛或钛合金制品中的夹杂物。
本发明解决了在相对较厚的制品中检测夹杂物时单独使用X-射线分析不足以解决的问题。N-射线成像剂通过使用材料混合物或材料溶液使其基本上均匀分布于表面涂层中，和可能的一层或多层加固层中，以及用于形成表面涂层和/或一层或多层加固层的撒沙料中，这样含有成像剂的夹杂物能被检测。如果不能实现成像剂在要求的铸模层中或撒沙料中均匀分布，那么就可能夹杂物只含有铸模形成材料或撒沙料。结果，表面涂层材料的夹杂物就不能被检测到，铸件就会含有有损于所希望物理性能的夹杂物。
而且，本发明可以用于检测非有害夹杂物物质的存在。例如，一种或多种成像剂可以与含有纤维颗粒等的金属纤维基复合料偶合或形成均质混合物来使纤维成像和确定它在其它材料中的位置和方向。
表面涂层材料和成像剂的简单物理混合物一般就能实施本发明，但最优方案不是物理混合物，而是铸模形成材料和对比试剂形成的“均质混合物”是优选的。这里使用的“均质混合物”在美国专利No.5643844中有定义，在此将该专利引入作为参考。专利‘844给出了为降低表面涂层形成材料在含水熔融铸造浆料中的水解速度，形成由一定搀杂剂和表面涂层形成材料的均质混合物的方法。
“均质混合物“不同于简单地将两种成分物理组合而成的物理二元混合物。典型情况下，均质混合物意味着成像剂以原子形态分散在铸模形成材料中，如固溶体或作为细小沉淀分散在固体铸模形成材料的晶体基质中。另外，”均质混合物“可以指熔融的混合物。熔融材料可这样合成，首先将成像剂如钆的氧化物(氧化钆)原料和铸模形成材料，尤其是表面涂层材料，如钇的氧化物(氧化钇)原料形成所需重量的混合物。将混合物加热到熔融，再冷却以生产熔融材料。再将这一熔融材料破碎成特定粒度以形成上述熔模铸造浆料。“均质混合物”也可以指在铸模形成材料外表面上的成像剂涂层。
因此，形成均质混合物的方法包括但不限于(1)熔融(加热耐火材料和成像剂到高于混合物熔点的温度)；(2)固态烧结，这里指煅烧(其中将固态材料加热到其熔点以下温度而产生化学均匀化状态)；(3)在煅烧之后，将耐火材料和成像剂共沉淀；以及(4)可以用任何表面涂覆或沉淀方法将成像剂涂覆或沉积到耐火材料的外表面区域，或者相反。
目前认为利用X-射线成像对熔模铸件中的夹杂物进行检测最有用的成像剂包括含有金属的材料，这些金属选自铒(如Er2O3)、镝(如Dy2O3)、钇、镥、锕和钆(如Gd2O3)，尤其是这些化合物的氧化物即氧化铒、氧化镝、氧化钇、氧化镥、氧化锕和氧化钆。也可以用这些金属天然存在的同位素。可作为成像剂的材料也可以是盐、氢氧化物、氧化物、卤化物、硫化物以及它们的组合。也可以使用这些化合物进一步处理(如加热)后的材料。其它用于X-射线成像的成像剂可以这样确定，即将要铸造的金属或合金与潜在成像剂(特别是金属氧化物)的密度进行对比，然后选择一种密度比要铸造的金属或合金的密度大到足以使铸件整个横截面上含成像剂的夹杂物成像的成像剂。
选择X-射线成像的成像剂也要考虑其它因素如产生的α相的量，α相是指表面涂层材料被铸造的金属或合金还原而在钛和钛合金铸件表面形成的易脆、富氧表表面层。α相厚度可根据铸模/模型烧制温度和/或铸造温度而变化。如果一个特定铸件的α相非常密集，那么铸件就可能不能用于预期目的。对于钛和钛合金，目前利用X-射线成像检测夹杂物最优选的成像剂是氧化钆，因为它也会用于N-射线成像，并且氧化钆的密度是约7.4g/cc，而钛的密度是约4.5g/cc。
通常，一般用于熔模铸造的其它金属和/或合金如不锈钢和镍基高温合金的密度与用于铸造这类材料的铸模形成材料的密度有足够大的差别，这样利用X-射线使夹杂物成像就不存在问题。尽管这样，上述的成像剂也可以用于这些合金。
N-射线采用中子作为穿透性辐射进行夹杂物成像。中子(例如快速的、超热的、热的和冷的中子)的所有能量都可以用于N-射线成像。在ASTM E748-95中讨论了热中子N-射线成像，题目为“Standard Practices for Thermal Neutron Radiography of Material”(材料的热中子成像操作标准)，在此将上述内容引入作为参考。N-射线成像术是这样的过程，它用目标物体来调制穿透射线强度以使目标物体某些可见细节成像。N-射线成像需要的基本组件包括快中子源、减速器、伽马(gamma)过滤器、准直仪、转换显示屏、底片成像记录仪和其它成像系统、暗盒，以及合适的生物屏蔽和互锁系统(见ASTME748-95)。热中子束可有很多来源，包括核反应堆、次临界反应堆、放射中子源、或加速器。所有来源产生的中子最初都具有很高的能量，为了进行成像，必须将这些能量降低。降低能量的方法(在此称为降能过程)可以通过采用轻质材料(如水、油、塑料、石蜡、铍或石墨)环绕中子源来完成。降能后的中子是适合N-射线成像的。
N-射线产生的照片可进行数字记录或者记录在底片上，如采用X-射线。成像过程通常按下述方法完成将要成像的部分放在中子束中，然后在需要的成像的各个角度上把照片记录在底片上。然而，为特定部分拍摄的照片数量也可能有变化，本方法的实施方案拍摄了10～40张照片，这就需要专门的工作人员来对夹杂物进行分析。每拍一张照片，就必须将未曝光底片放在部件附近以进行拍摄。照片的拍摄必须在一个专门的保护间进行。每次照片拍摄完毕，工作人员必须进入保护间，将一个新胶片放在部件附近，旋转部件，并为部件其它部位拍摄作准备。每个底片的记录过程约15～20分钟。
N-射线照片也可进行实时拍摄。将要分析的制品部分放置在与图像记录仪靠近的旋转转盘上。制品部分位于记录仪前方的中子束中。在每一方位上拍摄一定数量的图像，然后将这些图像进行数字化整合以产生组合图像。图像的数量可以改变。本方法中的工作实施例中在每一方位拍摄了多达1024帧图像以形成图像，这相当于一张胶片产生的图像，尽管信息的转变并不需要这么多图像。在制品部分拍摄1024帧图像一般仅花费约30秒。这些图像可保存到标准介质(如光盘)上。与照片成像不同，实时成像不需要操作者在每次拍摄完后都进入保护间。而是将制品部分旋转到另一个位置以使中子束穿过部件的一个新部位。用这种方法产生的图像可以用记录仪(如发光荧光屏和数字成像装置，如数码相机)显示。与底片成像记录仪相比，实时成像节约了大量的物力财力。
尽管适合X-射线检测用成像剂的选择依赖于成像剂和用于铸件的金属或合金的密度差，但适合夹杂物成像的N-射线成像剂的选择则由用作成像剂的材料相对于被铸造金属或合金的线性衰减系数或热中子截面确定。成像剂与铸件所用金属和合金之间的线性衰减系数和热中子横截面差别要足够大以使制品整个截面上的所有夹杂物都能够成像。
与X-射线检测类似，N-射线检测可以通过简单地将成像剂与铸模形成材料或用于形成铸模的材料一起形成物理混合物来实现。然而，正如X-射线检测一样，优选的方法是将一种或多种N-射线成像剂与铸模形成材料或选择用于形成表面涂层和/或加固层的材料一起形成均质混合物。
目前认为采用N-射线在熔模铸件中进行夹杂物检测的最有用材料包括选自锂、硼(如TiB2)、钕、钐、铕、钆、镝、钬、铒、镱、镥、锕及其混合物构成的一组物质。尽管其它材料如金属盐也可以实施本发明的成像方法，但目前优选的N-射线成像材料是这些金属的氧化物。钆的氧化物(氧化钆)是目前利用N-射线对钛或钛合金铸件中夹杂物成像的优选成像剂。钆是具有最高线性衰减系数(即大约1483.88cm-1)的元素之一，而钛的线性衰减系数约为0.68cm-1。也可采用这些元素的同位数。作为N-射线成像剂的天然同位数是钆157，它的热中子横截面为254,000靶恩。钛或钛合金与钆线性衰减系数的差别，使得氧化钆非常适合用于N-射线成像。其它用于N-射线成像夹杂物的成像剂可以从线性衰减系数相对较大的的一组材料中选择。对于非钛的金属和/或合金，氧化钆可能是一种优选的成像剂，这也主要是因为钆具有较大的线性衰减系数。
表1给出了目前认为对铸件中N-射线和X-射线夹杂物成像特别有用的材料的数据。为了进行对比，也给出了钛的数据。
表1运用平均散射和热吸收截面测定的天然存在元素的密度和热中子线性衰减系数A
AASTM E748-95的目前最新的数据，主要来自Neutron CrossSectionNeutron Resonance Paramenters and Thermal CrossSection，S.F.Mughabghab，Academic Press，Inc.，San Diego，Ca，1981.
a最可能的截面值。
c用名义元素原子质量和密度计算出来的线性衰减系数。III.制作含有成像剂的铸模制备通过依次将铸模涂料和撒沙料涂到模型上来形成熔模铸造铸模的浆料是本领域普通技术人员公知的。本方法不同于这些方法之处在于所形成的铸模层中含有一种或多种成像剂。这样，可以使用成像剂与铸模形成材料的简单物理混合物或均质混合物来形成浆料悬浮液，通常为含水悬浮液，但也可以形成有机液体基悬浮液。将模型依次浸入熔模铸造浆料或含有一种或多种铸模形成材料和一种或多种成像剂的熔模铸造浆料中。
下述的实施例用于说明本发明的一些特征，包括如何制作熔模铸造浆料并利用它制作铸模来实施本发明，本发明并不限于这些示例性的特定特征。
在这个具体的例子中，表面涂层耐火材料和成像剂采用相同的材料即氧化镝。由于氧化镝的密度约为8.2g/cc，所以它是利用X-射线成像夹杂物的较好选择。
首先混合2.25重量％的去离子水与0.68重量％的氢氧化四乙铵，形成混合物。然后在连续搅拌条件下，将1.37重量％的胶乳(Dow 460NA)、0.15重量％的表面活性剂(NOPCOWET C-50)和5.5重量％的胶体态二氧化硅如LUDOXSM(LUDOXSM包括含水二氧化硅胶体，其中二氧化硅具有大约7nm的平均颗粒直径)等加入到混合物中。将90.05重量％的氧化镝耐火材料/成像剂添加到含水混合物中形成表面涂层浆料。在实施例1和实施例2-3中，在浆料形成后向其中加入痕量的DOW1410消泡剂。而且，除非另有说明，按照对应实施例的表格中说明的材料顺序进行混合来形成上述混合物。
首先将具有测试棒形状的蜡模浸入表面涂层浆液组合物中来形成含有氧化镝的表面涂层。使用70目的熔融三氧化二铝作为表面涂层撒砂料。在表面涂层上涂两层含有硅酸乙脂粘接剂的三氧化二铝浆料层来形成中间层。用于第二和第三中间层的撒砂料是46目的熔融三氧化二铝。然后，使用含有胶体硅胶粘接剂的锆石细粉依次涂抹形成第4到10层的铸模层。用于第4到第10的铸模层的撒砂料是46目的熔融三氧化二铝。在硬化完10层涂层后，在蒸汽除蜡罐中除掉模型，产生适合容纳熔融钛合金从而铸造测试棒的铸模。
将熔融的Ti 6-4合金浇注在测试棒铸模中并使其凝固，然后从铸件周围除掉铸模得到直径约1英寸的测试棒。然后对测试棒测试α相的存在情况，见下文的详细讨论。
测试棒也用X-射线成像来确定夹杂物的存在情况。因为夹杂物不是在每次制造铸件时都产生，又因为夹杂物的位置难以预测(尽管现在正开发这种预测的软件)，所以开发了一个系统来模拟按照本实施例铸造的样品中夹杂物的存在情况。在一个1英寸厚的测试棒的顶部放上少量表面涂层薄片(对于本实施例，就是含有氧化镝的表面涂层材料)。将第二个1英寸厚的测试棒置于表面涂层薄片之上。将两个试验棒焊接在一起形成一个含夹杂物的二英寸厚试验棒。在1650°F和15000psi条件下对该测试棒进行热等静压(HIP)处理，产生具有用非破坏检测方法无法检测界面的测试棒。
对于使用表面涂层浆料制造的薄片，对按照上述方法制作的测试棒用X-射线测量。氧化镝夹杂物清晰可见。氧化镝夹杂物清晰可见的事实表明氧化镝是在钛和钛合金铸件中利用X-射线照相技术来成像夹杂物的良好成像剂。
表2
如实施例1那样，用Ti 6-4合金在表面涂层含有表2所述组合物的铸模制造测试棒。本测试棒也用来测试α相，并在表5给出相关的数据。
使用含有氧化钇和氧化镝物理混合物的薄片制造含有夹杂物的测试棒，然后对按照这种方法制造的测试棒进行X-射线成像，以确定是否能检测到夹杂物。X-射线图像清楚地表明在含有夹杂物的测试棒中心存在与表面涂层相似的夹杂物。
表3
正如实施例1所述，在有用表3所列组分制取的表面涂层的铸模中制造直径大约1英寸的Ti 6-4测试棒。测定按照实施例3制造的测试棒中的α相的量，数据提供在下面的表5中。
使用含有氧化铒作为耐火材料和成像剂的薄片制造含有夹杂物的测试棒，然后对按照这种方法制造的测试棒进行X-射线成像，以确定是否能检测到夹杂物。X-射线图像清楚地表明在含有夹杂物的测试棒的中心存在与表面涂层相似的夹杂物。
表4
使用含有氧化钇和氧化铒的物理混合物的薄片制造含有夹杂物的测试棒，然后对按照这种方法制造的测试棒进行X-射线成像，以确定是否能检测到夹杂物。X-射线图像清楚地表明在含有夹杂物的测试棒的中心存在与表面涂层相似的夹杂物。
按照上述实施例1-4制造的测试棒中的α相的量在下述的表5中给出。由于发现氧化钇可以使钛和钛合金铸件中α相数量最少，因此氧化钇作为对照物，用来比较其它被认为是有效的成像剂材料的α相结果。
表5
表5表明，如所预料，按照本发明制造的铸件会比只用氧化钇作为耐火材料的铸件具有稍多的α相。具有大约0.020英寸或更少的连续α相，优选大约0.015英寸或更低，以及具有大约0.035英寸或更低的总体α相，优选大约0.025英寸或更低的铸件，仍被认为是有用的铸件。表5结果表明，与用具有含氧化钇而不含成像剂的表面涂层的铸模制造的铸件相比，尽管按照本发明制造的制品具有稍多的α像，但仍是可以接受的。
然而，如果使用按照本发明制造的铸模进行正常的铸造工序导致α相太多，那么其它工艺可以结合本发明的工艺而使α相减少。例如铸模可以从正常铸造温度1800°F左右冷却到低温如大约700°F。见下面提供的实施例11-17和19-20的α相结果。
另外，还可以使用延迟浇注技术。这种方法包括延迟浇注熔化的金属或合金，特别是活泼金属或合金，从坩埚浇入熔模铸造的铸模中要延迟1-120秒。随着浇注材料数量的增加延迟周期也要加长。延迟周期用电极清除坩埚，倾斜坩埚，开始向倾斜的坩埚中注入熔化的金属或合金，然后浇注到熔模铸造铸模中的时间度量。与不用延迟浇注相比，用这种方法制造的铸件能有效的减少表面涂层的污染物和α相。而且铸件污染物的变化性可以通过延迟时间来降低。
表6
在具有表6所述的组分制造的表面涂层的铸模中，由Ti 6-4合金铸造级楔式测试铸件(1.5英寸、1英寸、0.5英寸、0.25英寸和0.125英寸)。级楔式铸件的α相测试数据提供在下面表7中。C表示连续α相，而T表示α相总量。
表7
图1A是2英寸厚的含夹杂物测试棒的N-射线图像，该测试棒具有在两个1英寸厚的盘之间夹着三个模拟表面涂层夹杂物，本N-射线图像包括由氧化钇构成的、作为对照物(此处无夹杂物)的夹杂物(该夹杂物在图1A中表示为“3”)；以及表示为“aa”的、包括氧化钇和2.25重量％(浆料态)/2.58重量％(干燥态)氧化钆物理混合物的夹杂物。含有氧化钇-氧化钆成像组合物的夹杂物在图1A中清晰可见。图1A表明可以按照本发明方法用N-射线成像检测铸件的夹杂物，其中所述铸件是使用含有与其它耐火材料物理混合的成像剂的铸模制造的。
表8
图1A是上述实施例5中讨论过的N-射线图像，其中标明“ab”的样品是含有氧化钇和21.30重量％(浆料态)/25.97重量％(干燥态)氧化钆物理混合物的夹杂物，是使用表8所列的表面涂层浆料组合物得到的。由25.97重量％氧化钆构成的夹杂物是在图1A最清晰可见的夹杂物。因此，图1A不但表明可以按照本发明方法的N-射线成像和氧化钆成像剂很容易检测钛合金铸件内部的表面涂层夹杂物，而且还证明可以通过所用成像剂的数量来调节N-射线像的清晰度。这表明通过增加所用成像剂的数量，可以在具有大于2英寸截面的铸件中检测夹杂物。一种用于确定用于成型铸件的特定成像剂的最大数量的可能方法，是确定通常获得具有大约0.020英寸或更低的连续α相以及具有大约0.035英寸或更低的总体α相的铸件所用的成像剂的数量。
表9
图1B是具有三种类表面涂层夹杂物的含夹杂物测试棒的N-射线图像，在图1B中标记为“ba”的夹杂物含有氧化钇和11.45重量％(浆料态)/13.11重量％(干燥态)的氧化钐构成的物理混合物，其中该夹杂物使用表9的浆料组分制造，而标记为“3”的氧化钇夹杂物作为对照物。含有13.11重量％的氧化钐的夹杂物在图1B中清晰可见，这表明氧化钐可以用作按照本发明方法的、利用N-射线成像夹杂物的成像剂。
表10
图1B是实施例7中讨论过的N-射线图像，在图1B中标记为“bb”的夹杂物含有氧化钇和4.49重量％(浆料态)/5.14重量％(干燥态)的氧化钆构成的物理混合物，其中该夹杂物使用表10所列的表面涂层浆料组分制造。含有5.14重量％的氧化钆的夹杂物“bb”在图1B中清晰可见，而且与图1B中的含有11.95重量％氧化钐的夹杂物“ba”一样可以识别。
表11
图1C是具有三种模拟表面涂层夹杂物的含夹杂物测试棒的N-射线图像，在图1C中标记为“ca”的夹杂物含有氧化钇和49.86重量％(浆料态)/56.03重量％(干燥态)的氧化钐构成的物理混合物，其中该夹杂物使用表11的浆料组分制造，图1C中标记为“3”的氧化钇夹杂物作为对照物。含有56.03重量％的氧化钐的夹杂物清晰可见，在图1C中标记为“ca”。
表13
图1C是实施例9中讨论过的N-射线图像，在图1C中标记为“cd”的夹杂物含有氧化钇和27.11重量％(浆料状态)/30.80重量％(干燥状态)的氧化钐构成的物理混合物，其中该夹杂物使用表12所列的表面涂层浆料组分制造。含有30.80重量％的氧化钐的夹杂物“cd”在图1C中清晰可见。
表13
对于使用具有实施例11所讨论的组分的铸模并在700°F和1800°F铸造的测试棒，其α相数据列举在下面的表14中。
表14实施例11-1800°F
实施例11-700°F
表14中的α相数据表明使用实施例11所述的铸模铸造的零件具有可接受的α相，即少于大约0.020英寸的连续α相和大约0.035英寸总体α相。α相数据也表明，如所预料的那样，降低铸造温度也能减少α相的数量。通过对比在两个不同温度下铸造特定厚度的铸件的总体α相，可得到最好的说明。例如，1英寸的测试棒在1800°F铸造所得的总体α相为0.016英寸，而在700°F为0.013英寸。
表15
对于使用具有实施例11所讨论的组分的铸模并在700°F和1800°F铸造的测试棒，其α相数据列举在下面的表16中。
表16实施例12-1800°F
实施例12-700°F
表16的信息表明使用实施例12所述的铸模铸造的零件具有可接受的α相，也表明降低铸造温度通常能减少α相的数量。
表17
图1D是使用具有上面所列表面涂层组分的铸模制造的测试棒的N-射线图像。图1D表明夹杂物的存在。
对于使用具有实施例13所讨论的组分的铸模并在700°F和1800°F铸造的测试棒，其α相数据列举在下面的表18中。
表18实施例13-1800°F
实施例13-700°F
实施例14本实施例涉及包含由铸模形成材料和成像剂构成的均质混合物的表面涂层浆料、具有该表面涂层的铸模以及使用该铸模铸造的Ti 6-4测试棒的制造，其中的测试棒用来确定使用表面涂层材料来成像夹杂物的有效性以及确定铸造这种测试棒产生的α相的量。本实施例14涉及包含经煅烧的氧化镝/氧化钇的表面涂层浆料。另外，表面涂层浆料和铸模按照和实施例1中大体上相同的方式制造。用于制造表面涂层浆料的材料提供在下面的表19中。
表19
图1E是使用具有上面所列表面涂层组分的铸模制造的测试棒的N-射线图像。图1E表明夹杂物的存在。
对于使用具有实施例14所讨论的组分的铸模并在700°F和1800°F铸造的测试棒，其α相数据列举在下面的表20中。
表20实施例14-1800°F
实施例14-700°F
实施例15本实施例涉及包含由铸模形成材料和成像剂构成的均质混合物的表面涂层浆料、具有该表面涂层的铸模以及使用该铸模铸造的Ti 6-4测试棒的制造，其中的测试棒用来确定使用表面涂层材料来成像夹杂物的有效性以及确定铸造这种测试棒产生的α相的量。本实施例15涉及包含经煅烧的氧化钆/氧化钇的表面涂层浆料。另外，表面涂层浆料和铸模按照和实施例1中大体上相同的方式制造。用于制造表面涂层浆料的材料提供在下面的表21中。
表21
图1F是使用具有上面所列表面涂层组分的铸模制造的测试棒的N-射线图像。图1F表明夹杂物的存在。
使用具有实施例15所讨论的组分的铸模铸造的测试棒的α相数据列举在下面的表22中。
表22实施例15-1800
实施例15-700
实施例16本实施例涉及包含由铸模形成材料和成像剂构成的均质混合物的表面涂层浆料、具有该表面涂层的铸模以及使用该铸模铸造的Ti 6-4测试棒的制造，其中的测试棒用来确定使用表面涂层材料来成像夹杂物的有效性以及确定铸造这种测试棒产生的α相的量。本实施例16涉及包含经煅烧的氧化钆/氧化钇的表面涂层浆料。另外，表面涂层浆料和铸模按照和实施例1中大体上相同的方式制造。用于制造表面涂层浆料的材料提供在下面的表23中。
表23
图2G是使用具有上面所列表面涂层组分的铸模制造的测试棒的N-射线图像。图2G表明夹杂物的存在。
实施例16所讨论的测试棒的α相数据列举在下面的表24中。
表24实施例16-1800°F
实施例16-700°F
实施例17本实施例涉及包含由铸模形成材料和成像剂构成的均质混合物的表面涂层浆料、具有该表面涂层的铸模以及使用该铸模铸造的Ti 6-4测试棒的制造，其中的测试棒用来确定使用表面涂层材料来成像夹杂物的有效性以及确定铸造这种测试棒产生的α相的量。本实施例17涉及包含经煅烧的氧化钆/氧化钇的表面涂层浆料。另外，表面涂层浆料和铸模按照和实施例1中大体上相同的方式制造。用于制造表面涂层浆料的材料提供在下面的表25中。
表25
图2H是使用具有上面所列表面涂层组分的铸模制造的测试棒的N-射线图像。图2H表明夹杂物的存在。
实施例17所讨论的测试棒的α相数据列举在下面的表26中。
表26实施例17-1800
实施例17-700
实施例18本实施例涉及包含由氧化钆作为铸模形成材料和成像剂的表面涂层浆料和具有该表面涂层的铸模的制造。表面涂层浆料和铸模按照和实施例1中大体上系相同的方式制造。用于制造表面涂层浆料的材料提供在下面的表27中。
表27
按照实施例18制造的铸模被认为不适于用来制造铸件，显然是由于增加了氧化钆相对于氧化钇的水相溶解度。然而，本实施例18遇到的问题能通过考虑与其它成像材料以及铸模形成材料和成像剂的混合物相比增加纯氧化钆的水相溶解度来解决。
表28
图2I是使用具有上面所列表面涂层组分的铸模制造的测试棒的N-射线图像。图2I表明夹杂物的存在。
对于使用具有实施例19所讨论的组分的铸模并在700°F和1800°F铸造的测试棒，其α相数据列举在下面的表29中。
表29实施例19-1800°F
实施例19-700°F
实施例20本实施例涉及包含由铸模形成材料和成像剂构成的均质混合物的表面涂层浆料、具有该表面涂层的铸模以及使用该铸模铸造的Ti 6-4测试棒的制造，其中的测试棒用来确定使用表面涂层材料来成像夹杂物的有效性以及确定铸造这种测试棒产生的α相的量。本实施例20涉及包含经煅烧的氧化钐/氧化钇的表面涂层浆料。另外，表面涂层浆料和铸模按照和实施例1中大体上相同的方式制造。用于制造表面涂层浆料的材料提供在下面的表30中。
表30
图2J是使用具有上面所列表面涂层组分的铸模制造的测试棒的N-射线图像。图2J表明夹杂物的存在。
实施例20所讨论的测试棒的α相数据列举在下面表31中。
表31实施例20-1800°F
实施例20-700°F
实施例21本实施例涉及包含由铸模形成材料和成像剂构成的均质混合物的表面涂层浆料、具有该表面涂层的铸模以及使用该铸模铸造的Ti 6-4测试棒的制造，其中的测试棒用来确定使用表面涂层材料来成像夹杂物的有效性以及确定铸造这种测试棒产生的α相的量。本实施例21涉及包含经煅烧的氧化钆/氧化钇的表面涂层浆料。另外，表面涂层浆料和铸模按照和实施例1中大体上相同的方式制造。用于制造表面涂层浆料的材料提供在下面的表32中。
表32
图2K是使用具有上面所列表面涂层组分的铸模制造的测试棒的N-射线图像。图2K表明夹杂物的存在。
表33
图2L是使用具有上面所列表面涂层组分的铸模制造的测试棒的N-射线图像。图2L表明夹杂物的存在。
表34
用N-射线分析方法进行非破坏性的检测，可以观测到在厚度大约1英寸范围内的两种夹杂物的存在，两夹杂物的长度是大约0.025英寸和0.050英寸。用通常所采用的X-射线和超声波进行检测无法发现这些夹杂物。因此，这个实施例说明(1)用在表面涂层中加入氧化钆的技术制造的铸件提供可接受的α相水平；(2)用N-射线分析方法有助于检测夹杂物，而使用本发明以前所采用的传统工艺却不能检测到。
表35
图2G是使用具有上面所列表面涂层组分的铸模制造的测试棒的N-射线图像。图2G表明夹杂物的存在。
使用具有实施例16所讨论的组分的铸模铸造的测试棒的α相的量列举在下面的表36中。
表36实施例24-1800°F
实施例25本实施例涉及包含由铸模成型材料和成像剂构成的均质混合物的表面涂层浆料、具有该表面涂层的铸模以及使用该铸模铸造的改进的Ti 6-4部件测试棒的制造，其中的测试棒用来确定使用表面涂层材料来成像夹杂物的有效性以及确定铸造这种零件产生的α相的量。本实施例25涉及包含经煅烧的氧化钆/氧化钇的表面涂层浆料。另外，表面涂层浆料和铸模按照和实施例1种完全相同的方式制造。用于制造表面涂层浆料的材料提供在表37中。铸模在浇铸前被加热到1800°F。
表37
表38只含有氧化钇表面涂层的产品部件与含有氧化钇和14％氧化钆表面涂层产品部件中α相的比较
表38比较了使用含有氧化钆成像剂的铸模铸造的产品部件和使用氧化钇铸模铸造的相同产品部件的α相的量，氧化钇是一种已知的、尤其适用于熔模铸造钛和钛合金部件的表面涂层材料。熔模铸造领域的专业人员认为加入氧化钇成像剂的表面涂层会增加α相的数量。但出人意料地是，用成像剂取代已知表面涂层材料和所显示出的产品部件质量几乎没有有损效果的记载。
图4和5是产品零件铸件α相以英寸为单位的厚度曲线，其中横截面厚度分别为1.5和1.0英寸。出人意料地是，图4显示了随着氧化钆百分比含量从最初的约1％增加到约20％至40％α相下降。如上所述，这与本领域熟练技术人员预料到的成像剂的含量增加可能会导致α相数量增加是不同的。图5中的数据也证实了这一结论，即至少部件横截面的厚度在1英寸或更大时，替代成像剂不会增加α相的量。对于横截面的厚度在1英寸或更大的部件来说，氧化钆重量百分比含量增加到高达约40％都比仅含有氧化钇作为表面涂层的铸模制造的部件对于减少α相的量具有正面的效果。
图6为胶片和实时分析横截面积的厚度为小于1英寸的部件，可检出的最小夹杂物是厚为0.007英寸，长为0.003英寸的薄片。对于厚度为1.25英寸的钛来说，N-射线胶片中最小厚度依然是长0.003英寸，厚0.007英寸的薄片。对实时N-射线成像，夹杂物尺寸增加到长度为0.016英寸，厚度为0.007英寸。因此，对于厚度为1.25英寸的钛部件，在实时检测时可见的最小夹杂物尺寸相对于具有更小横截面的部件厚度而增加，但也只是从0.003英寸增加到0.016英寸。这也适用于横截面厚达为约2.5英寸的部件。对于横截面厚度为2.75英寸的部件来说，N-射线照片仍然能检测到厚度为0.007英寸，长为0.003的薄片，然而实时分析却能检测到厚度为0.007英寸，长为0.038的夹杂物。图6给出了实时N-射线分析能够充分成像而用胶片记录检测不到的夹杂物。另外，图6也表明实时检测和胶片记录N-射线两者检测钛铸件中的夹杂物比X-射线技术灵敏。
表39
这些结果证明了冷中子对铸件中的夹杂物成像优于热中子。
一种渗透铸模的方法是用传统的方法制成铸模以使其具有所需制品形状的内腔。然后将一种成像剂溶液，通常是水溶液，但不一定是水溶液，放在内腔中，渗透足够长的时间以使其均匀地渗透到铸模的所需部分。例如，将一种钆盐溶液，如硝酸盐、硫酸盐和卤化物的溶液注入空腔中。
第二种渗透铸模的方法是将含有至少一个表面涂层的铸模浸入到含有成像剂的水溶液或非水溶液中，使成像剂至少渗透到表面涂层中。模型可以在铸模的表面涂层涂好后，表面涂层和至少一层加固层涂好后，表面涂层和后续的多层加固层涂好后，或将模型的每一层或各层均涂好后浸入成像剂溶液中。渗透过程在真空室中进行是有利的，至少使铸模的孔腔中真空，从而使成像剂溶液进入到孔腔中。美国专利5,927,379中对渗透铸模有更详细的叙述，在此引入作为参考。
“渗透(infiltration)”应该提供合适的结果。然而，目前认为它是形成至少在表面涂层中含有一种或多种铸模形成材料和一种或多种成像剂材料的均质混合物的铸模的优选方案。
本发明叙述了优选实施例。然而，本发明并不限于所述的特点。相反，发明的范围应由以下权利要求书确定。
权利要求
1.一种生产制品的方法，该方法包括提供一种含有N-射线成像剂的铸模，其中成像剂包含选自锂、硼、钕、钐、铕、钆、镝、钬、镱、镥、铱、它们的物理混合物和化学混合物的物质；以及使用该铸模铸造制品。
2.如权利要求1所述的方法，其中的N-射线成像剂包含选自钐、钆、镝、它们的物理混合物和化学混合物的物质；
3.如权利要求1所述的方法，其中所述的制品为金属或金属合金制品。
4.如权利要求3所述的方法，其中的制品采用熔模铸造铸模制成。
5.如权利要求4所述的方法，其中的N-射线成像剂包含钆。
6.如权利要求5所述的方法，其中的N-射线成像剂是氧化钆。
7.如权利要求4所述的方法，，其中的铸模包含表面涂层，该涂层具有选自氧化钇、锆石、氧化铝、氧化钙、硅石、氧化锆、氧化钛、钨、它们的物理混合物或化学混合物的耐火材料。
8.一种确定制品中是否含有夹杂物的方法，该方法包括提供一种制品，其中含有足以使夹杂物成像的成像剂；和采用图像记录器通过N-射线分析制品中是否含有夹杂物。
9.如权利要求8所述的方法，其中的制品为金属或金属合金制品。
10.如权利要求9所述的方法，其中的制品采用熔模铸造铸模制成。
11.如权利要求8所述的方法，其中的图像记录器为数字图像记录器。
12.如权利要求11所述的方法，其中的图像记录器为数码相机。
13.如权利要求8所述的方法，其中的图像记录器是胶片影像记录器。
14.如权利要求8所述的方法，其中的图像记录器为发光荧光屏。
15.如权利要求8所述的方法，其中通过N-射线分析制品中是否含有夹杂物，包括采用选自快速中子、超热中子、热中子和冷中子以及其组合的中子。
16.如权利要求15所述的方法，其中的中子为冷中子。
17.如权利要求15所述的方法，其中的中子为超热中子。
18.如权利要求15所述的方法，其中的中子为热中子。
19.如权利要求8所述的方法，其中的成像剂选自锂、硼、钕、铒、钐、铕、钆、镝、钬、镱、镥、铱、它们的物理混合物和化学混合物。
20.如权利要求10所述的方法，其中熔模铸造所用的铸模包含选自氧化钇、锆石、氧化铝、氧化钙、硅石、氧化锆、氧化钛、钨、它们的物理混合物和化学混合物组成的表面涂层耐火材料。
21.一种实时检测制品中夹杂物的方法，该方法包括提供采用含有足以使夹杂物成像的成像剂的铸模制成的制品；和通过实时N-射线分析确定制品是否含有夹杂物。
22.如权利要求21所述的方法，其中的制品为金属或金属合金制品。
23.如权利要求21所述的方法，其中的制品采用熔模铸造铸模制成。
24.如权利要求21所述的方法，其中确定步骤包括用图像显示仪分析实时产生的N-射线图像。
25.如权利要求24所述的方法，其中的图像显示仪为发光荧光屏。
26.如权利要求24所述的方法，其中的图像显示仪为数字图像记录器。
27.如权利要求26所述的方法，其中的数字图像记录器为数码相机。
28.一种实时检测金属或金属合金制品中夹杂物的方法，该方法包括使用铸模铸造金属或金属合金制品，其中的铸模含有分布均匀并足以使夹杂物成像的成像剂的表面涂层。
29.如权利要求28所述的方法，其中的铸模是熔模铸造铸模，并且成像剂至少在表面涂层中大体均匀分布。
30.如权利要求28所述的方法，其中的分析步骤还包括X-射线分析。
31.如权利要求28所述的方法，其中成像剂包括选自锂、硼、钕、钐、铕、钆、镝、钬、铒、镱、镥、铱、它们的物理混合物和化学混合物的物质；
32.如权利要求31所述的方法，其中的成像剂为金属盐、金属氧化物、金属互化物、硼化物或它们的混合物。
33.如权利要求28所述的方法，其中的制品包括钛或钛合金，表面涂层包括氧化钇或氧化锆，且成像剂为氧化钆。
34.一种用于实时检测金属或金属合金制品中夹杂物的方法，该方法包括形成含有夹杂物成像剂的含水或非水表面涂层浆料；将表面涂层浆料用于模型，以形成含有分布均匀且足以使夹杂物成像的成像剂的铸模表面涂层；顺序将多个加固层施用于模型，以形成熔模铸造的铸模；用上述铸模铸造金属或金属合金制品；和用实时N-射线分析法分析制品中的夹杂物。
35.如权利要求34所述的方法，其中的分析还包括X-射线分析。
36.如权利要求34所述的方法，其中成像剂包括选自锂、硼、钕、钐、铕、钆、镝、钬、铒、镱、镥、铱、它们的物理混合物和化学混合物的物质。
37.如权利要求36所述的方法，其中的制品包括钛或钛合金，表面涂层还包括选自氧化钇、锆石、氧化铝、氧化钙、硅石、氧化锆、氧化钛、钨、它们的物理混合物或化学混合物的耐火材料。
38.如权利要求34所述的方法，其中至少部分金属和金属合金的厚度大于约2英寸。
39.如权利要求34所述的方法，其中至少部分金属和金属合金制品的厚度大于约1英寸，成像剂为氧化钆，制品中的α相小于或等于表面涂层为氧化钇时的量。
40.一种实时检测熔模铸造制成的钛或钛合金制品中夹杂物的方法，该方法包括形成一个含水或非水熔模铸造表面涂层浆料，它包含铸模形成材料与其量足以使制品中的夹杂物成像的成像剂的均质混合物，所述铸模形成材料选自氧化钇、锆石、氧化铝、氧化钙、硅石、氧化锆、氧化钛、钨、它们的物理混合物或化学混合物所述成像剂选自锂、硼、钕、钐、铕、钆、镝、钬、铒、镱、镥、铱、它们的物理混合物和化学混合物；将浆料用于模型，以形成含有铸模形成材料与成像剂的均质混合物的表面涂层，所述成像剂的量足以能使夹杂物成像，且基本上均匀分布，其中制品的线性衰减系数和成像剂的线性衰减系数的差别足够大，以通过实时N-射线分析整个制品内的夹杂物成像；依次在模型中施用至少一层加固层；用铸模铸造钛和钛合金制品；和用实时N-射线分析制品中的铸模夹杂物。
41.如权利要求40所述的方法，其中的分析步骤还包括X-射线分析。
42.如权利要求40所述的方法，其中至少一个加固层中含有成像剂。
43.如权利要求40所述的方法，其中的铸模形成材料为氧化钇，成像剂为氧化钆。
44.如权利要求40所述的方法，其中的表面涂层包含与氧化钆一起煅烧的氧化钇。
45.如权利要求40所述的方法，其中涂层包含耐火材料和多种成像剂。
46.一种检测熔模铸件中夹杂物的方法，该方法包括将至少一种成像剂的溶液放入熔模铸造铸模的空腔中；使溶液在空腔中停留足够长的时间以至少渗透到铸模的表面涂层；将溶液从空腔中除去；用该铸模铸造金属和金属合金制品；和利用N-射线成像来分析制品中的铸模夹杂物。
47.如权利要求46所述的方法，其中成像剂选自锂、硼、钕、钐、铕、钆、镝、钬、铒、镱、镥、铱、它们的物理混合物和化学混合物。
48.如权利要求46所述的方法，其中的成像剂包括钆，金属和金属合金是钛或钛合金，且表面涂层是含有氧化钇。
49.如权利要求46所述的方法，还包括用X-射线成像法分析制品中的夹杂物。
50.如权利要求46所述的方法，其中的溶液包含多种成像剂。
51.如权利要求46所述的方法，还包括将铸模放在一个容器中，降低容器中的压力促使溶液渗透到铸模中。
52.一种检测熔模铸件中夹杂物的方法，该方法包括形成一个与模型类似的熔模铸造铸模表面涂层；用含有一种选自锂、硼、钕、钐、铕、钆、镝、钬、铒、镱、镥、铱、它们的物理混合物和化学混合物的至少一种成像剂的含水或非水溶液渗透到至少一部分表面涂层中；用含有表面涂层的熔模铸造铸模铸造金属或金属合金制品；和用N-射线成像法分析制品中的夹杂物。
53.如权利要求52所述的方法，还包括形成与模型类似的的多层铸模加固层；在多层铸模加固层中至少一层渗透成像剂溶液。
54.如权利要求52所述的方法，其中的渗透步骤还包括将含有表面涂层的模型至少一部分浸入含有成像剂的含水或非水溶液一定的时间，在该时间内足以使成像剂渗透到表面涂层中。
55.如权利要求52所述的方法，其中的分析步骤包括用中速中子分析制品。
56.如权利要求52所述的方法，其中的分析步骤包括实时分析。
57.一种实时探测金属或金属合金是否含有夹杂物的方法，该方法包括提供用铸模制成的金属或金属合金铸造制品，它含有其数量足以使夹杂物成像的N-射线成像剂；用选自快速中子、超热中子、热中子和冷中子的中子采用实时N-射线成像法探测制品中是否含有夹杂物。
58.如权利要求57所述的方法，其中的成像剂包含耐火材料和成像剂的均质混合物。
59.如权利要求57所述的方法，其中的铸模用成像剂溶液进行渗透。
60.如权利要求57所述的方法，其中铸模含有选自氧化钇、锆石、氧化铝、氧化钙、硅石、氧化锆、氧化钛、钨、它们的物理混合物或化学混合物的铸模形成材料，和选自锂、硼、钕、钐、铕、钆、镝、钬、铒、镱、镥、铱、它们的物理混合物和化学混合物的成像剂。
61.一种探测金属或金属合金中是否由夹杂物的方法，该方法包括提供以镱作为N-射线成像剂，且其量足以使夹杂物成像的用铸模制成的铸造金属或金属合金制品；通过N-射线成像检测制品是否含有夹杂物。
62.如权利要求61所述的方法，其中的N-射线成像剂是氧化镱。
63.一种探测金属或金属合金中是否含有α相的方法，该方法包括提供以镱作为N-射线成像剂，且其量足以使夹杂物成像的铸模制成的铸造金属或金属合金制品；通过N-射线成像检测制品是否含有α相。
64.如权利要求63所述的方法，还包括去除α相。
65.如权利要求63所述的方法，其中在成像前去除制品中的部分α相。
66.如权利要求63所述的方法，还包括将制品进行X-射线分析。
67.如权利要求63所述的方法，其中的成像剂选自锂、硼、钕、钐、铕、钆、镝、钬、铒、镱、镥、铱、它们的物理混合物和化学混合物。
全文摘要
一种探测金属或金属合金制品中夹杂物的方法。该方法的一个实施方案涉及用熔模铸模铸造金属或金属合金制品，其中的铸模表面涂层和可能有一个或多个加固层含有总量足以使夹杂物成像，并在其内均匀分布的成像剂。表面涂层优选含有耐火材料和成像剂的均质混合物。均质混合物可由多种方法制成，但目前优选的方法是将耐火材料，如氧化钇和成像剂，如氧化钆一起煅烧。表面涂层也可含有多种铸模形成材料和/或多种成像剂。制品的线性衰减系数与成像剂的衰减系数之间的差别应该足够大，以使整个制品中的夹杂物都可以成像。然后用N－射线分析法对金属或金属合金制品中的夹杂物进行分析。该方法还可以包括用X－射线分析法分析金属或金属合金的步骤。所述成像剂，一般为金属氧化物或盐，包括选自硼、钕、钐、铕、钆、镝、钬、铒、镱、镥、铱、它们的物理混合物和化学混合物的物质。
文档编号B22CGK1438925SQ01811814
公开日2003年8月27日 申请日期2001年6月26日 优先权日2000年6月26日
发明者马克·E·斯皮林哥特, 詹姆士·R·巴雷特, 大卫·H·斯特吉斯, 道格拉斯·G·尼古拉斯, 迈赫达德·雅瑟比 申请人:Pcc结构公司