用于烧制陶瓷和难熔金属铸造型芯的方法

专利名称：用于烧制陶瓷和难熔金属铸造型芯的方法
技术领域：
本发明涉及熔模铸造法。更具体地说，其涉及超合金(superalloy)涡轮发动机部件的熔模铸造法。
背景技术：
熔模铸造法是一种通常用于制成几何形状复杂的金属部件、尤其是中空部件的技术，并用于制造超合金燃气涡轮发动机部件。本发明就具体超合金铸件的制造进行了描述，但应当理解到本发明并不受此限制。
燃气轮机广泛应用于航空器推进、发电和轮船推进。在燃气涡轮发动机应用中，效率是主要的目标。
燃气涡轮发动机的效率可以通过操作在更高的温度下工作来改善，然而现有涡轮部分的工作温度超过了涡轮部件中所使用的超合金材料的熔点。因此，通常的作法是提供空气冷却。通过使来自发动机压缩机部分的空气通过待冷却涡轮部件中的通道流动，从而提供冷却。这种冷却使发动机效率相应地有所降低。因此，非常需要提供一种改善的特殊冷却，使得由一定量冷却气体获得的冷却收益达到最高。这可以通过使用精细、精确定位的冷却通道部分来实现。
陶瓷型芯(core)本身可以通过将陶瓷粉末和粘结剂材料的混合物注入模具中对该混合物进行模制而形成。除去模具后，对湿砂型芯(green core)进行后期热处理以除去粘结剂，并对其进行烧制，将陶瓷粉末烧结在一起。冷却部件更精细的趋势对型芯制造技术提出了更高的要求。精细部件很难制造，而且/或者一旦制成，可能证实其很易碎。共同转让的Shah等人的美国专利第6,637,500号和Beals等人的美国专利第6,929,054号(在此将其并入作为参考，如同全文阐述)公开了使用陶瓷和难熔金属型芯的结合。

发明内容
在熔模铸造法中，复合型芯作为陶瓷铸造型芯元件和非陶瓷铸造型芯元件的结合体(combination)而制成。将该型芯在氧化气氛中加热，然后在非氧化气氛中加热。
在氧化气氛中加热可以有效地实现将粘结剂从陶瓷铸造型芯部件去除。然而，有利地，这种加热的温度和时间不足以不利地对非陶瓷铸造型芯部件造成损害。第二步加热可以采用能有效烧制陶瓷的温度和时间。非氧化气氛可以由此保护非陶瓷铸造型芯部件免受氧化气氛中类似加热过程中可能发生的过度氧化。
以下在附图和说明书中详细阐述了本发明的一个或多个实施方式。根据说明书、附图及权利要求，本发明的其它特征、目的和优势将是显而易见的。


图1是形成复合型芯组件的方法的流程图。
图2是使用复合型芯组件的铸造法的流程图。
各附图中以同样的编号和标识表示同样的部件。
具体实施例方式
图1显示了形成复合铸造型芯的代表性方法20。形成22一个或者多个难熔金属型芯(RMC)。代表性的形成过程包括以下步骤的结合从难熔金属片材(例如钼或者铌)上切割(例如激光切割或冲压(stamping))、成型/整型(例如，所述冲压或其它弯曲)和用保护涂层涂覆。合适的涂层材料包括二氧化硅、氧化铝、氧化锆、chromia、富铝红柱石和二氧化铪。优选地，难熔金属和涂层的热膨胀系数(CTE)相近。涂层可以通过任何适当的瞄准线(line-of sight)或非瞄准线技术(例如，化学或物理气相沉积(CVD、PVD)法、等离子体喷射法、电泳和溶胶凝胶法)涂施。单层厚度一般为0.1-1mil。可以将Pt、其它贵金属、Cr、Si、W、和/或Al、或其它非金属材料层施用于金属型芯部件用于氧化保护，并结合陶瓷涂层用于防止熔融金属腐蚀和溶解。
然后将RMC转移至模具，在此将陶瓷材料(例如，基于二氧化硅、锆石或者氧化铝的)在RMC的一部分上注入/模制24，以形成初始的结合体(型芯组件)。模制用的陶瓷材料可以包括粘结剂。粘结剂可以起到使模制陶瓷材料整体保持于未烧制生料状态的作用。代表性的粘结剂是蜡基的粘结剂。
然后将所述结合体转移至加热腔室(例如烧窑或者熔炉)26。在空气中加热28，其包括将温度从室温升高至第一温度。加热28使陶瓷的粘结剂成分汽化并清除。空气提供的氧化气氛有助于粘结剂的去除过程。然而正如下文所进一步讨论，在这种氧化气氛中加热过度有可能损害RMC，RMC氧化造成的表面不规则性有可能转移至最终的铸件。因此，有利地，第一温度足够低，以避免过多的RMC降解。典型的第一温度为1000。更宽地，典型的第一温度为超过600；更具体地为800-1200或900-1100。除非注明，温度是指炉或其中气氛的温度，而不是型芯温度。型芯温度可以有适度滞后(例如，多至约200-300)。
典型的加热28包括第一上斜(rump-up)加热30。典型的上斜加热30可以是从室温条件(例如，工厂温度；通常低于120)到第一中间温度。典型的中间温度为600。更宽地，典型的第一温度超过250-950；更具体地为500-800或550-650。第一上斜加热30可以用相对较高的速率(例如，每分钟10-50，更具体为每分钟20-40)。第一上斜加热30可以有效地使粘结剂熔化/通过毛细作用被带走(wick)或初步分解。
第一上斜加热30之后，可以有保持/停留加热32。典型的保持/停留加热32是起着使残留粘结剂组分/材料碳化和去除/排出生成的炭/灰的作用。典型的保持/停留加热32基本上保持在所述第一中间温度。
保持/停留加热32之后，可以有第二上斜加热34。典型的第二上斜加热34加热至所述第一温度，并可以采用相似的速率。
在主烧制加热42之前可以进行吹扫40。在典型的吹扫40中，腔室内空气用非氧化性气体(例如，氮气或者氩气)吹扫。吹扫气体应当以足够低的速率引入，以避免使型芯组件过度冷却(例如，不能使腔室内气氛温度降低超过50或)。当吹扫气体基本上将空气置换后，主烧制加热42的剩余过程中这种气体的流速可以进一步降低至稳态速率。
典型的主烧制加热42是在火焰温度下进行。典型的烧制温度为2100。更宽地，典型的烧制温度为超过1600；更具体地为1800-2400或1800-2000。这需要在吹扫结束时的温度开始升温。该升温的第一上斜加热部分44可以采用相对较高的速率(例如，每分钟10-15)。第一部分可以占用主烧制加热阶段的大部分温度升高。典型的第一部分44延伸直至低于第二温度(例如，峰值温度，其亦为所述烧制温度)200(更宽地，150-300)的转变温度。典型的上斜期为12小时，更宽地为8-20小时，更具体地为10-15小时。在转变温度，较慢(例如，每分钟1-5)的第二上斜加热部分46基本上延伸至峰值温度(例如，1800-2400)。
复合型芯可以在烧制温度下保持/“保温(soak)”一长段时间48，以获得所需的复合型芯性质。保温使陶瓷结构烧结，导致收缩和强度增加至目标尺寸和强度性质。典型的保温阶段为8小时，更宽地为4-12小时，更具体地为8-10小时。
保温后，可以有冷却50。冷却速率应当加以控制，使得RMC的收缩不会比陶瓷型芯的收缩快的过多，并且使得仅仅陶瓷型芯内的应力不会导致破碎。后一种机理在低温下尤为重要，可以指定更低的速率。典型的冷却包括3个阶段。第一阶段为从保温温度(例如，2000)到高的中间温度(例如，1000，更宽地，700-1100)。这采用相对较高的速率(例如，每分钟30-50或每分钟40-50)。第二阶段为冷却到低的中间温度(例如，500，更宽地，400-700)。该第二阶段更慢(例如，每分钟20-30或每分钟20-25°)。在典型的第三阶段的开始，关闭加热，使炉与大气通气，使型芯再次暴露于空气。然而，这两个过程可以分开，以进一步分开第三阶段。该阶段的下斜(coast down)冷却还可以更小(例如，每分钟5-10)，冷却至200或更低。
图2显示了是典型的使用复合型芯组件的熔模铸造法120。其它方法也是可能的，包括各种现有技术的方法和更进步的方法。然后将烧制的型芯组件用易损材料例如天然或合成蜡重叠注塑(overmold)130(例如，将组件至于模具中，在周围模制蜡)。给定的模具中可以包括有多个这样的组件。
重叠注塑的型芯组件(或者一组组件)形成铸造模型(pattern)，其外部形状与待铸造部件的外部形状密切符合。然后可以将模型装配132至加壳夹具(shelling fixture)(例如，通过夹具端板间的蜡焊)。然后可以将模具加壳(shell)134(例如，通过一个或者多个阶段的浆料浸渍、浆料喷射等)。壳体建成后，可以进行干燥136。干燥为壳体至少提供了充足的强度和其它物理完整性特性，使得可以进行后续处理。例如，包含熔模型芯组件的壳体可以从加壳夹具上完全或部分拆卸138，然后转移140至脱蜡机(例如，蒸汽高压釜)。在脱蜡机中，蒸汽脱蜡处理142去除了大部分蜡，将型芯组件保证留在壳体内。壳体和型芯组件主要形成最终的模具。然而，脱蜡处理通常会在壳体内部和型芯组件上留下蜡或副产品烃的残留物。
脱蜡后，将壳体转移144至熔炉(例如，含有空气或者其它氧化性气氛)，在其中将其加热146，以增强壳体并去除其余的蜡残留物(例如，通过气化)和/或将烃残留物转化成碳。大气中的氧与碳反应，形成二氧化碳。除去碳对减少或消除金属铸造中有害碳化物的形成是有利的。除去碳提供了额外的优势——减少了后续操作阶段中所用的真空泵堵塞的可能性。
可以将模具从大气炉中取出，冷却，并检查148。模具可以通过在模具内放置金属晶种来种晶150，以建立最终的定向固化(DS)铸件或单晶(SX)铸件的晶体结构。然而，本发明的启示可以应用于其它的DS和SX铸造技术(例如，其中壳体的几何形状形成颗粒选择器)或其它微结构的铸造。可以将模具转移152至铸造炉(例如，在炉顶放置冷板)。铸造炉可以用泵至真空154或充有非氧化性气体(例如，惰性气体)，以防止铸造合金氧化。加热铸造炉156，预热模具。预热有两个目的进一步硬化并强化壳体；和预热壳体用于引入熔融合金，以防止热冲击和合金过早固化。
预热后，仍然在真空条件下，将熔融合金倒入模具中158，使模具冷却，以使合金固化160(例如，在从炉的热区取出后)。固化后，可以将真空破坏162，从铸造炉中取出冷的模具164。壳体可以在脱壳过程166中去除(例如，机械破坏壳体)。
型芯组件在除芯过程168中除去，得到铸造制品(例如，最终部件的金属前体)。铸造制品可以经机械加工170、化学和/或热处理172和涂覆174，以形成最终部件。任意机械加工或化学或热处理的部分或全部可以在除芯之前进行。
本发明描述了一个或者多个实施方式。然而，应当理解倒可以在不偏离本发明精神和范围的情况下进行各种变化。例如，作为现有方法的改良应用，或者用于制造现有部件，现有方法或部件的详情可以影响到任何具体实施的细节。因此，其它实施方式也在以下权利要求的范围之内。
权利要求
1.一种方法，其包括形成陶瓷铸造型芯部件和非陶瓷铸造型芯部件的结合体；在氧化气氛中将所述结合体加热到至少为600的第一温度；和在非氧化气氛中将所述结合体加热到至少为1600的第二温度。
2.根据权利要求1的方法，其中所述形成包括在非陶瓷铸造型芯部件上模制陶瓷铸造型芯部件。
3.根据权利要求1的方法，其中所述形成包括从难熔金属类片材上整型非陶瓷铸造型芯部件。
4.根据权利要求1的方法，其中在氧化气氛中加热包括基本上在空气中加热；和在非氧化气氛中加热包括基本上在氮气和惰性气体中的至少一种中加热。
5.根据权利要求1的方法，其中在氧化气氛中加热包括初始的上斜加热，基本加热至第一保持温度；基本在所述第一保持温度下保持一段时间；和第二上斜加热，基本加热至所述第一温度；且在非氧化气氛中加热包括上斜加热，基本加热至所述第二温度；和在所述第二温度下保持一段时间。
6.根据权利要求1的方法，其中在非氧化气氛中加热包括以每分钟10-15从所述第一温度到所述第二温度的大部分范围上的第一升温阶段和随后的以每分钟1-5至少升高100的第二升温阶段。
7.根据权利要求1的方法，其中在非氧化气氛中加热包括以每分钟10-15至少升高600的第一升温阶段和随后的以每分钟1-5至少升高100-300的第二升温阶段。
8.根据权利要求1的方法，其中第一温度为900-1100；且第二温度为1800-2400。
9.根据权利要求1的方法，其中所述在氧化气氛中加热和在非氧化气氛中加热是在其间不取出所述结合体的情况下在单个腔室内进行的。
10.权利要求9的方法，其中进一步包括在非氧化气氛中加热之前吹扫所述氧化性气体。
11.根据权利要求10的方法，其中在吹扫过程中，腔室内的气氛温度降低不超过50。
12.权利要求1的方法，其进一步包括冷却步骤。
13.权利要求1的方法，其进一步包括在所述非氧化气氛中将所述结合体加热至所述第二温度后，冷却所述结合体；冷却后，用蜡重叠注塑所述结合体，形成模型；对模型加壳，形成壳体；从壳体中去除蜡；在壳体中浇铸金属合金；和从合金上破坏性地除去壳体。
14.一种方法，其包括形成陶瓷铸造型芯部件和非陶瓷铸造型芯部件的结合体；从陶瓷铸造型芯部件中脱去粘结剂和除去灰和残余碳的第一步骤；烧制陶瓷铸造型芯部件的第二步骤。
15.根据权利要求14的方法，其中所述第一步骤基本上是在空气中；且所述第二步骤基本上是在非氧化气氛中。
16.根据权利要求14中方法，其中第二步骤的峰值温度至少比第一步骤的峰值温度高800。
17.一种方法，其包括形成陶瓷铸造型芯部件和非陶瓷铸造型芯部件的结合体；升温氧化脱去粘结剂的步骤；和非氧化烧制步骤。
18.根据权利要求17的方法，其进一步包括在脱去粘结剂步骤和烧制步骤之间的吹扫步骤。
全文摘要
在熔模铸造法中，复合型芯作为陶瓷铸造型芯部件和非陶瓷铸造型芯部件的结合体而被形成。将该型芯在氧化气氛中加热，然后在非氧化气氛中加热。
文档编号B22C7/02GK101053890SQ200710096029
公开日2007年10月17日 申请日期2007年4月10日 优先权日2006年4月10日
发明者M·P·博基乔, S·J·布利德, L·D·肯纳, C·R·维尔纳, J·J·小马钦 申请人:联合工艺公司