消融铸造方法与流程

常规铸造方法

在传统的铸造方法中，熔融金属被浇注至模具内并因对模具失热而固化或凝结。对于相对绝热的集料模具(例如由硅砂制成的那些)，该过程缓慢，从而显著降低了铸件的机械性能。虽然可以通过在模具中放置局部金属冷却块来提高速率，但是这在许多模制生产线上是昂贵且不方便的。由于这个原因，铝(al-)和镁(mg)基合金的铸造通常在对性能具有显著益处的永久性金属模具中进行。然而，在集料模具或永久性模具中，不容易控制凝结的方向，使得收缩孔隙率仍然是这两种类型的铸件的常见缺陷(虽然一种类型的铸件的孔隙率低于另一种类型的铸件)。

此外，所有这些模具的热量提取速率受到所谓的“气隙”的存在的限制。该气隙是铸件冷却并收缩与模具加热并膨胀之间所打开的空间。来自铸件的热量的传递速率受到该绝热空气层的强力限制。无论如何，这些常规铸造方法通过组件的表面冷却来提取或去除热量，其中组件通过模具或通过工具而固化。

当熔融金属失去足够的热量，使得其已经凝结并充分冷却以获得足够的强度以使熔融金属能够支撑其自身重量时，可以从模具中取出所得产品，即铸件。铸件与模具的分离可能有些剧烈，通常涉及落在网格上和/或翻滚以从湿砂模具中取出铸件。对于化学结合的硬砂，去除模具通常需要在振动网格上进行抖落。该过程是热的，多尘且嘈杂，涉及为操作者提供清洁和凉爽的空气、强力的除尘系统和噪声控制。对于坚硬且坚固的钢铁铸件，这种分离技术通常不会损坏铸件，但铝基和镁基合金相对较软且很容易被这种粗暴的机械技术损坏。这些机械技术也会导致变形。

在该初始分离、最终清洁和可能的型芯去除之后，仍然需要额外的剧烈过程(例如喷砂处理)，或甚至以热处理形式的显著能量来烧掉型芯残余物。

最近，已经开发出一种解决大多数上述问题的新方法。该方法被称为消融固化方法，并在美国专利no.7,216,691中有所描述，该专利的全部公开内容通过引用而并入本文中。

本申请中使用的术语“消融”指的是通过侵蚀法去除集料模具，其中施加消融介质(例如流体)导致集料分解成颗粒尺寸并且颗粒在流体的流动中被冲走。以这种方式，可以显露固化金属组件的表面，使消融介质与固化铸件的金属直接接触而不形成任何气隙。直接接触使来自金属的热量流最大化，从而大大提高了金属的固化和冷却速率。施加介质的时机可以在模具中的金属完全凝结之前，以使固化金属的机械性能最大化，或者可以延迟以使性能最小化。消融的一个重要的具体实例包括使用与可溶性粘合剂结合的集料模具和使用溶解物(例如含有水的溶解物)作为消融和冷却介质。

虽然消融方法是对已知或常规铸造方法的显著改进，但是希望增强消融方法以便为诸如锻件、焊件和铸件之类的金属制品提供更高的生产率并且增强这些产品的性能。

特别希望开发一种这样的方法，该方法允许由熔融金属(或者甚至可能是另一种类型的材料，例如塑料)形成的单一整体消融组件或产品在部件的各个部分中具有不同的机械性能。当组件中的部件的一部分比相同部件的另一部分具有更好的机械性能或冶金性能时，组件在包括运输、建筑、制造等各种领域中具有优势。

技术实现要素：

根据本公开的一个实施方案，制造金属制品的方法包括以下步骤：提供包括第一部分的模具，该模具包含集料和粘合剂；将熔融金属输送到所述模具中；以及用流体去除所述模具的第一部分。使熔融金属的至少一个目标部分固化。随后，去除模具的第二部分，并使熔融金属的剩余部分固化以形成金属制品。与所述金属制品的剩余部分的机械性能相比，所述金属制品的所述至少一个目标部分具有更好的机械性能，其包括更高的屈服强度、更高的极限拉伸强度和增强的断裂伸长率中的至少一者。

根据本公开的另一个实施方案，用于增强金属制品的机械性能的方法包括：提供模具，所述模具包含集料和粘合剂，向所述模具供应熔融金属，以及用流体分解所述模具的第一部分。将模具中的熔融金属的第一部分冷却并固化，以形成金属制品的第一部分。使流向所述模具的第二部分的流体流停止一段预定的时间。随后，用流体分解所述模具的第二部分。然后，将熔融金属的第二部分冷却并固化以形成金属制品的第二部分，其中相对于所述金属制品的第二部分的机械性能，所述金属制品的第一部分具有增强的机械性能。

根据本公开的又一个实施方案，提供了一种用于控制金属制品的机械性能的方法。该方法包括提供模具，向模具供应熔融金属，熔融金属在固化时形成金属制品。用流体去除模具的所选定的部分，以及冷却并固化熔融金属的第一组件。使所述熔融金属中的第二组件的固化中止一段预定的时间。随后，使熔融金属中的第二组件固化。将熔融金属的剩余部分冷却并固化，并形成金属制品。

根据本公开的又另一个实施方案，提供一种具有均匀α相值的整体单件式铝合金组件。该组件包括主体，该主体包括具有第一组机械性能的第一部分、以及具有第二组机械性能的第二部分，其中所述机械性能包括补偿屈服强度、拉伸强度和伸长率中的至少一者，并且其中第一组机械性能与第二组机械性能不同。

根据本公开的又另一个实施方案，用于制造金属制品的方法包括以下步骤：提供包含集料和粘合剂的模具，其中所述模具包括相对薄的部分和相对厚的部分。将熔融金属输送到模具中。在持续通过所述模具的相对薄的部分将熔融金属输送到所述模具的相对厚的部分的同时，在所述模具的相对厚的部分中固化熔融金属。

附图说明

本公开可以在某些部件和部件的布置或某些方法步骤中采取一定的物理形式，其中将在本说明书中详细描述若干实施方案并在形成本公开的一部分的附图中示出，其中：

图1是与本公开的一个实施方案相关联的步骤的流程图；

图2是用于本公开的一个实施方案的装置的布局的示意性侧视图；

图3是用于本公开的另一个实施方案的装置的布局的示意性侧视图；

图4是根据现有技术的方法处理的金属部件的示意性侧视图；

图5是根据美国专利no.7,216,691中公开的方法处理的金属部件的侧视图。

图6是根据本公开的一个实施方案的方法处理的金属部件的侧视图；

图7是根据本公开的方法处理的测试样品的侧视图；

图8是图7的测试样品的冷却曲线的图示，其示出了样品如何随时间冷却；

图9是根据本公开制造的摩托车的摆臂的侧视图。

图10是摆臂的俯视图；

图11是根据本公开制造的船舷外马达的横梁支架的俯视图。

图12是横梁支架的侧视图；

图13是与根据本公开的方法的另一个实施方案相关联的步骤的流程图；

图14是与根据本公开的方法的又另一个实施方案相关联的步骤的流程图；

图15是根据本公开的一个实施方案的方法处理的车轮的透视图；

图16是根据本公开的方法处理的另一测试样品的侧视图；和

图17是图16的测试样品的冷却曲线的图示，其示出了样品如何随时间冷却。

具体实施方式

消融方法

在填充至少部分由集料材料制成的模具之后或在此期间，使熔融金属经受一些初始冷却，该初始冷却可以通过来自模具中的自然热量提取来引发，或者可以通过冷却(内置于模具中的金属冷却件，或者诸如通过添加金属喷丸颗粒(metallicshotparticles)来与集料混合)或通过冷却肋片而在局部有所增强。

随后，可通过施加消融冷却材料来补充这种自然的热量提取速率，从而通过冷却剂/溶剂的喷雾或通过浸入冷却剂/溶剂中实现快速冷却和固化。

在消融固化中，模具仅限定最终产品的形状，但不旨在用作主要的散热器。固化过程不再依赖于模具来提取热量。组件的热量提取和随后的固化处于单独且独立的控制之下。

粘合剂的溶解将集料减小到颗粒尺寸，从而促进集料在溶剂(如水)的流动中被去除，将松散和分离的颗粒从金属部件或组件中扫除并将它们从消融站转移。模具去除过程是温和的，不会对金属部件(例如铸件)造成机械变形或冲击损坏。集料的浆料可以进行湿回收循环。湿法处理具有抑制所有烟、烟雾和灰尘的优点(其中烟、烟雾和灰尘是常规铸造方法的主要缺点，因为昂贵的大型粉尘和烟雾提取系统通常是大多数铸造设施的主要特征)。去除模具后，所生产的金属部件具有光亮的表面，没有燃烧的污渍，干净且经过清洗，并且处于便于处理的冷却温度。

模具和型芯制造

模具可以由用粘合剂结合的矿物或陶瓷集料制成。可以使用多于一种的集料。而且，可以使用多于一种的粘合剂。此外，将集料和粘合剂混合并用于制造模具或填充型芯盒。优选地，混合物在与工具(模型或型芯盒)接触时固化，使得该混合物的形状尽可能精确。然后组装模具的部件以及必要时的内部型芯，以制造完整的模具。由于可以获得的精度，这有时被称为精密型芯方法。

可以设想这样一种替代的粘合剂固化方法，其中模具或型芯在工具中部分固化，从而获得足够的强度以被喷射和处理。随后通过微波处理或通过常规固化方法(用气体和/或气体和热处理吹扫或其组合)以使模具或型芯完全固化。当然，该处理也可以在超过固化要求的情况下进行，以实现集料(例如砂)的完全干燥，或者甚至在铸造之前预热砂以减少冷却并改善填充模具时的流动性。

或者，对于熔模铸造方法，集料与通常覆盖蜡模的陶瓷或耐火浆料结合。构建浆料层和集料层以形成所需厚度的壳。将蜡熔化并然后烧制壳以获得用于铸造的足够的强度和稳定性。

再次，可以通过微波加热或通过固化方法(例如通过用气体和/或气体和热处理吹扫或其组合)有效地固化、干燥和预热熔模模具。

粘合剂

在一个实施方案中，粘合剂是无机材料，其将向液态金属输送零或接近零的氢吸收。因此，粘合剂不含或含有很少的水或烃。不存在烃将确保在经受铸造的热量时不会放出燃烧和热解产物，因此将使熔体中因除气而产生的气泡最小化，并且主要避免了有害烟雾。如果需要，可以通过在高温(远高于水的沸点，并且可能与液态金属的铸造温度一样高)下干燥来减少或消除任何游离水或结合水。这种材料的特征还在于铸造时的低气体放出，这将降低对型芯的显著渗透性的需要，因此能够使用更精细的集料以使铸件的表面光洁度最大化。对模具的一部分或整个模具使用高模具温度将进一步有助于填充广泛的薄壁产品。

这种粘合剂可以是基于磷酸盐玻璃的无机粘合剂。一种这样的粘合剂可从j.b.devenneinc.,1060westbagleyroad,berea,ohio44017以产品号g411-25-25商购获得。其他供应商也是已知的，包括hainternationalllc,630oakmontlane,westmont，illinois60559。这种粘合剂仅在最近几年被开发并引入铸造工业。磷酸盐玻璃是无定形的水溶性材料，其包含作为主要成分的磷氧化物p2o5和其他化合物，如氧化铝和氧化镁或氧化钠和氧化钙。其他示例性无机粘合剂包括硅酸盐，例如硅酸钠、硫酸镁和其他盐和硼酸盐。

同样基于硅酸钠但可通过微波的作用或其它处理方法而固化的其他水溶性粘合剂体系是消融方法的有吸引力的候选材料。这些水溶性粘合剂体系可以在几秒钟内形成初始强度，以允许型芯或模具从型芯盒或模型中取出。在微波炉中进行最后的固化和干燥。这种型芯的高干燥性使其作为内部型芯具有几乎零排气潜力的价值，因此这种型芯适用于内部型芯不能被排出，从而因形成通过熔体的排气气泡而对铸件的完整性构成威胁的情况。

与其它有机粘合剂体系相比，使用基于硅酸钠的无机粘合剂体系具有成本相对较低的巨大益处，并且没有已知的毒性或环境威胁，从而具有最小的处理或再循环问题。

最方便的是，内部型芯与模具使用相同或类似的水溶性粘合剂结合。因此，在消融期间，可通过水喷雾除去部分内部型芯。然而，在消融完成并且铸件完全固化后，预计大部分内部型芯材料将保留。然后，在另外的洗涤站处将型芯简单地洗掉。这是一个快速而彻底的方法(不同于树脂粘合剂的热除芯，其中型芯材料中不能接受充足的氧气的凹处将不会被烧掉，并且在使用中仍然会威胁到铸件的性能。对于如气缸盖和缸体之类的铸件，这是一个特别关注的问题，因为在这些铸件中，残留的砂可能会损坏泵、轴承和密封件)。

在待消融的组件的制造中使用型芯是有价值的。该型芯用于有价值的目的：确保保持组件的精度，从而减少但不能防止有时在组件的不同部件的不均匀冷却速率下发生的变形。

集料

在一个实施方案中，集料是矿物质，例如二氧化硅砂。二氧化硅集料可优选由圆形晶粒组成，其中该圆形晶粒赋予铸件良好的表面光洁度并使工具和装置磨损最小化。晶粒尺寸应该是微细尺寸，以赋予铸件良好的表面光洁度。然而，特别是对于型芯，如果在填充模具和固化期间要求型芯具有渗透性以排出气体，则可能必须增加晶粒尺寸。二氧化硅砂具有许多作为集料的理想特性，包括良好的易获得性、低成本和良好的热性能(直至其α/β石英转变温度)。通过消融方法中所涉及的湿式处理，实际上消除了二氧化硅砂的可吸入粉尘的危险这一显著缺点(可吸入粉尘通常是大多数铸造厂中的显著问题)。

诸如橄榄石、铬铁矿或锆石之类的其他矿物也特别因为它们的冷却性能而被广泛使用，并且可以用于消融组件，但是快速冷却导致熔融合金的流动性在这种模具中很差，并且在组件的某些凝结之前更难以应用消融。对流动性的限制尤其将填充物几何形状限制为较小的粗块部分。

或者，集料可以有利地具有低的热扩散率，从而几乎不会从熔融金属中提取热量，因此在通过凝结而使熔融金属中止之前允许长的流动距离，或者允许足够的时间来施加消融冷却，使得本文描述的方法能够以最大效果运行。因此，使用这种模具材料可以获得大的“带状”组件(‘rangy’components)。来自燃料发电站的烟道气产品是特别有用的。集料采用微小的中空陶瓷球的形式，该中空陶瓷球具有低密度、低热容量、低导热率和低的热扩散率。这种集料具有许多商品名称，例如“cenospheres”。类似的具有低的热扩散率的“绝热”材料包括“珍珠岩”，其是各种脱落(膨胀)粘土。在2007年1月23日的美国专利no.7,165,600中发现了对这种“绝热”材料的更完整的描述，该专利的全部内容通过引用而并入本文中。

中间冷却电源的具有潜在吸引力的模制材料以“greendiamond”的名称销售。这种铬生产的副产品是一种绿色的圆形晶粒的细小集料，包括机械坚硬而稳定的氧化物(如氧化铬等)的混合物。该集料不含游离二氧化硅，因此不会对健康造成危害。该集料的熔点高于1200℃。其他人造集料具有潜在吸引力，其包括许多基于各种类型的氧化铝或铝硅酸盐的团聚集料。这些集料由坚硬的球形晶粒组成，该球形晶粒流动和模塑性良好，从而形成具有高渗透性的极其坚硬的、均匀填充的模具，其中高渗透性有助于模具生产的生产率。

当然可以单独填充和消融模具，但是显然同时消融多个模具和/或具有多个印模的模具可以提高生产率。而且，可以(例如)在水平传送带上顺序地填充和消融模具。通过机器人或其他方式使这种生产线自动化是众所周知的。

通过熔模铸造(失蜡)方法提供了相当不同类型的集料模具，其中将陶瓷集料与陶瓷浆料结合并烧制至高温。模具不是特别溶于水，使得使用消融喷雾在去除熔模的壳体模具方面不是特别有效。尽管如此，由于可以使模具具有一定程度的渗透性，因此消融流体或溶剂可以穿透壳体，因此可以有效地冷却和固化液态金属组件，从而允许对部件的凝结进行有效的高度控制。

最近，在用于mg和al合金的水可降解的熔模壳体中已经有了发展，该熔模壳体甚至可能适用于更高熔点的合金，例如铜(cu)基合金和铸铁。这些水可降解的壳体特别具有吸引力，结合了熔模铸造(由于在相对绝热的壳体中缓慢冷却，通常以无差别或普通的性能为特征)的优点，其中这些水可降解的壳体由于增强的固化速率而具有增强的性能，并且在消融方法可以提供的高温梯度的作用下，由于朝向进料器的逐渐凝结而增强了坚固性。

图1示出了根据本公开的一个实施方案的方法的步骤。如方框10中所示，该方法的第一步是形成模具。模具包含集料12和粘合剂14。在形成模具后，将其放置在适当的位置，以便可以在步骤16中用熔融金属填充模具。然后在步骤18将熔融金属输送到模具中。可以这样设计模具，使得能够根据以下描述的方法中的任一者输送熔融金属。然后，例如在20中，使模具经受流体溶剂的作用或与流体溶剂接触。随后，如在22中，使模具的至少所选定的部分分解，以及如在23中，使组件的所选定的部分冷却。当然，如果需要，可以使整个模具立即分解，使其成为由美国专利no.7,216,691中所教导的已知的消融方法形成的组件，该专利的全部内容通过引用的方式并入本文。

然而，希望的是，根据本公开的一个实施方案，仅模具的选定部分或若干间隔开的选定部分首先与流体或溶剂接触，以分解模具的这些选定部分。这样做的目的是增强模具内所形成的整体组件或金属部件的这些部分与组件中其他部分相比的机械性能。对于所形成的金属部件的不同部分具有不同机械性能的单个整体金属部件或组件，在许多不同的环境中可能是特别有利的。例如，这种金属部件可有利地用于建筑物或桥梁的结构组件或用于机械的各种结构组件。在一个特定实例中，具有不同机械性能的金属组件可用于交通工具中，使得与组件的其他部分相比，组件的所需部分将变形更快。这对于诸如摩托车、飞机、卡车、船只或汽车之类的交通工具的挤压区域尤其有用。

当模具的一部分被分解，使得流体或溶剂与下面的熔融金属接触，以冷却熔融金属并使该熔融金属与将在模具中形成的组件的其余部分具有不同的机械或冶金性能时，包含在模具中的熔融金属的其它部分可以以一种或多种不同的速率冷却，从而使最终在模具中形成的组件的其余部分具有不同的性能。

还应该理解，不是整个模具都需要由集料和粘合剂制成。换句话说，模具的一些部分可以由金属或其他永久性材料制成，使得与模具接触熔融金属的那些部分可以以与位于模具的集料部分附近的熔融金属不同的速率冷却。

随后，在24中形成整个组件。然后在25中，去除模具的任何剩余部分。如上所述，模具的剩余部分可能不是全部由与流体或溶剂接触的模具部分相同的集料和粘合剂组合制成。然后可以完成回收步骤26，以回收模具的集料28(其可以是集料12的至少一部分)和溶剂(如果流体包含溶剂30的话)中的至少一者。

现在转到图2，在该实施方案中，已经使用坩埚或钢包32将熔融金属33倒入模腔34中，该模腔34由上述集料和粘合剂组合物构成的模具36限定。立管38设计得足够大以确保立管是最后凝结的部分。喷射喷嘴40在模具36处引导溶剂的射流a，其可以是流体或溶解物，例如水。根据特定应用，射流a能够以从窄流到宽扇形中的任何合适的形态输送，并且可以是稳定流或脉冲流。

现在参考图3，溶剂的应用并不限于单一方向或来自单一喷嘴。例如，可以存在两个以上的喷嘴42、44、46、48和50，从而从多个方向去除模具36。每个喷嘴可以在模具36处喷射相应的流体b、c、d、e和f的射流。以这种方式，可以根据需要将模具36分解，例如，以快速和均匀的方式将模具36分解，或者根据要形成的特定组件可能的需要，间隔地在分段部分中将模具36分解。例如，可以在模具的底部通过射流c、e和f中的一者或多种进行溶剂的输送。或者，可以在模具的中间通过一个或多个射流b和d开始溶剂的输送。也可以采用任何其他替代方式。

模具填充(铸造)

在形成模具后，可以将模具暂时储存，或立即用熔融金属填充。可以通过多种方式完成模具的填充：

1.可以将熔融金属倒入模具中；一种称为“重力倾倒”的常用技术。

2.可以通过逐渐改变模具的倾斜角度来更温和地填充模具，广义地称为“倾斜铸造”。

3.可通过美国专利no.6,103,182和美国专利no.6,841,120中所公开的“反重力”输送系统将熔融金属转移到模具中，这些专利的全文以引用的方式并入本文中。

在将熔融金属或熔体输送到模具中之后，如下所述，使模具经受流体的作用或与流体接触。

消融液

如果集料粘合剂是水溶性的，则侵蚀或分解介质或溶剂可以是水。这可能是最有吸引力的消融介质。水作为冷却介质的环境友好性质、低成本、易获得性和有效性是有力的资产。

水是特别合适的，因为水既充当粘合剂溶剂又充当冷却介质。水具有高热容量和蒸发潜热，因此固化和冷却组件以达到最大效果。

可以设想其他侵蚀介质。例如，根据粘合剂的溶解机理，水可能更便于呈酸性或碱性，或为一些其它含水化学组合物。或者，一些粘合剂，特别是基于树脂的粘合剂，可能需要有机溶剂。或者，可以设想其他流体和混合物：液氮或从液氮中放出的冷却的气态氮可能是有价值的，其能够使粘合剂凝结并脆化，从而移走和带走集料晶粒，同时在消融或其他模具去除之后为组件提供所需的冷却。类似地，可以将干冰(固体二氧化碳)的颗粒喷射到模具上，以通过机械冲击和颗粒在恢复为气体时的微小爆炸性爆裂来实现模具去除。该介质对于在模具去除后提供优异的直接冷却也是有利的。喷射到模具上的含有夹带的固体颗粒的其他流体混合物可能是有用的；夹带在流体中的固体颗粒原则上可以是任何种类的颗粒状固体，例如塑料或玻璃珠，氧化铝砂或核桃壳等。然而，最方便的是，夹带的颗粒可以与模具的集料具有相同的材料，以避免任何后续的分离方法或再循环模具材料的污染问题。

可以通过喷射喷嘴输送消融和冷却流体。还考虑了粘合剂溶剂和冷却介质的替代输送机制，例如借助于叶轮、瀑布式等。对于某些几何形状和尺寸的组件，简单地将模具逐渐降低放到水池(例如，具有内部喷射射流)或另一种消融流体中可能是足够的或期望的。但是，这种替代的输送机制也可以是爆炸性的，使得基于喷射溶剂的系统更适合于消融方法。

对于基于从喷嘴中流出的水射流的那些输送系统，调节水的输送速率以确保水首先通过模具渗透到达铸件表面，从而在主射流到达之前到达铸件。以这种方式，熔融金属能够在射流的主力到达之前形成足够坚固的表皮。或者，通过对溶剂/冷却剂的输送时机和输送速率进行合理的编程，可以通过降低温度来避免损坏组件的表面，从而在施加所施加的冷却剂的全部力之前获得足够的强度。因此，需要控制由射流输送的溶剂的时机和力以便不对组件造成损坏，但同时将在正确的时间输送足够的压力以克服蒸汽覆盖层的形成，其中蒸汽覆盖层会降低热的传递速率。

可以在模具的底部开始溶剂的输送(例如通过喷射喷嘴)。可以降低模具以允许喷嘴以渐进的方式将溶剂输送到模具的完好部分，使得模具完全分解。在替代方案中，模具可以保持静止并且可以使喷嘴移动来逐渐递送溶剂的射流，从而分解模具的至少一部分。在旋转对称模具的情况下，模具的整个圆周需要与射流接触以快速分解。可以旋转模具，或者可以围绕模具以近似圆形的轨道移动喷射喷嘴。或者，对于某些组件，可以在模具的中间开始，或者在一些其他期望的位置开始喷射。

射流的输送速率和输送压力设置为足够高以分解模具，但又设置为足够低以允许溶剂渗透通过模具，使得渗透的溶剂在射流全力之前到达熔融金属。例如，对于重量范围为1kg至50kg的al合金铸件，在0.03巴至70巴(0.5磅/平方英寸至约1,000磅/平方英寸，psi)的压力下，在约0.5升/秒至50升/秒，lps(10加仑/分钟至100加仑/分钟，gpm)的范围内的高流量、低压力输送可能是有利的。以这种方式，在熔融金属与射流的力接触之前，渗透的溶剂在组件上形成相对坚固的表皮，从而防止组件变形或由于溶剂与熔融金属的过度直接接触而爆炸。

通过向消融流体或粘合剂制剂中添加本领域已知的表面活性剂，可以增强溶剂渗透通过模具。另外，模具吸收自熔融金属的至少一些热量可以稳定模具以控制模具的去除。如上所述，溶剂或冷却流体(例如蒸汽)的相变使得能够从组件及其部分中快速去除热量。

对流体的输送速率和输送压力的另一个考虑是：在模具分解之后与填充的金属组件的接触。流体的速率和压力必须足够低以防止损坏金属组件，但流体的速率和压力必须足够高以克服蒸汽覆盖层的形成。通过蒸发已经渗透通过模具的溶剂形成蒸汽覆盖层，以接触半液体或液体金属，从而在组件上形成固化的表皮。蒸汽覆盖层使得由金属组件向外传递的热量减少，并且对于获得上述所需性能和效果所必需的快速冷却是有害的。因此，调节输送条件以克服蒸汽覆盖是有利的。

可以通过至少两种方式进行对消融流体的控制。可以设置输送速率和输送压力以获得所有上述参数，或者可以使用两个单独的设置。如果使用两个单独的设置，则可以建立一个设置用于模具的分解，并且在流体射流即将接触金属组件时，可以对单独的设置进行定时以替换分解设置。当然，流体的输送方式，即窄流、宽扇形、稳定流动、间歇脉冲等可能相应地影响速率和压力设置。

重要的是要注意，消融流体的施加并不限于基底到顶部的喷射方向。根据应用，可能希望从模具的顶部喷射到底部，从中点喷射到一端、或以一些其他模式喷射。

溶剂的施加并不限于单一方向或喷嘴。例如，可以存在两个以上的喷嘴，从而从多个方向消融模具和组件。以这种方式，如果在特定应用中需要，可以更快速且均匀地分解模具。例如，可以通过模具和组件的底部处的一个或多个射流进行溶剂的输送。或者，可以通过一个或多个射流在模具的中间开始溶剂的输送。替代配置可包括以任何其他期望的组合使用射流。可以存在任何数量的喷嘴，因为大量的喷嘴对于大型或复杂的模具可能是有利的，或者一些喷嘴可以为其他模具提供最佳的覆盖。可以旋转和/或垂直移动模具以能够完全覆盖模具，或者可以在模具和铸件保持静止的同时移动喷嘴。可以对机器人进行编程以引导喷射喷嘴阵列，或以受控方式移动模具和组件通过喷射喷嘴阵列。

另外，当使用多个喷嘴时，将喷嘴的功能定时以彼此互补可能是有利的。例如，可以对围绕模具的固定喷嘴阵列进行配合，定时打开和关闭以使喷射在模具表面上移动，以产生模具和组件的逐渐消融并提供固化组件的所需特性。可以通过调节器控制通过泵在压力下供应的消融流体，进而可以对调节器进行编程，以按所需顺序和所需时间激活喷嘴。

当然，根据需要，溶剂输送速率可以是恒定的，或者可以是变化的。例如，对于某些金属和某些模具，改变溶剂输送速率可能是有利的，而对于其他类型的金属或模具，恒定的输送速率将是有益的。类似地，溶剂输送的压力可以变化或可以保持恒定。可以使用常规泵，其可以被适当地调节以实现期望的流体输送速率和输送压力，无论输送速率和输送压力是变化的还是恒定的。

当然，可以通过冷却流体提取热量，该冷却流体在另一个实施方案中可以是液氮、空气流中的干冰颗粒等。换句话说，可以在消融方法中使用两种不同类型的流体，使得首先使用第一流体，例如水，然后使用不同的流体，以进一步冷却固化的金属部件。

虽然施加溶剂的一种方式是通过来自喷嘴的加压射流或喷雾，但其他装置也是可以想到的。

固化控制

对于一些组件和一些合金，通常根据金属部件的部分厚度和由合金产生的凝结前沿(freezingfront)的性质，可能希望在施加消融之前使组件稍微固化。对于其他金属部件，特别是薄壁部件，更常见的是尽可能快速地进行消融，因为模具中的自然冷却正在迅速发生。当然，如果组件在施加消融之前已经凝结，则对组件性能的益处将会丧失，从而形成常规铸件。即便如此，其他重要的加工益处仍然存在，例如温和且完全的脱模，没有烟雾和灰尘等。

此外，以诸如喷射之类的方式输送流体(例如溶剂)可能对熔融金属具有强的区域冷却效果，从而促使组件的一个所需部分或多个所需部分固化，而所形成的组件的其余部分可以保留至少一些液态金属。根据特定应用，射流可以以任何合适的形态(从窄流到宽扇形)输送，并且可以是稳定流或脉冲流。在组件的相邻部分固化的同时，液态合金金属储存池的存在有利于熔融金属进入固化金属，从而确保组件的坚固性。

假设在铸件完全固化之前对模具进行消融，则存在许多不同的加工策略。

美国专利no.7,216,691中公开的单向固化方面受到当时共同思想中的许多因素的影响。例如，该方法类似于其他渐进固化技术，例如通过采用单向性来进行固化和冷却的bridgman型方法进行单晶的生长。因此，单向性是常态，并且是当时冶金学家和方法工程师的思想的基础。在常规铸件中，液态合金变为固态的所有反应都从铸件表面去除了潜热。另一方面，本发明的一个方面是：通过所制造的组件的横截面去除潜热从而发生用于至少一个固化反应的潜热。

存在一些可能不适合单向消融方法的组件。这些组件包括具有不易给料的孤立重型部分的组件。另外，某些组件可能需要局部地增强凝结方法以获得对铸件的高应力部分来说更好的机械性能。此外，对于设计为在某个位置失效的铸件，可能需要减少或避免消融以降低该局部的性能。

通过消融可以实现的凝结速率超过通过所有其他集料模制方法可实现的速率，并且可以超过在永久性模塑铸造，甚至挤压铸造中实现的冷却速率。这种优异的速率是消除气隙的自然结果，其中气隙是热流的主要限制因素，并且影响所有其他成型铸造方法(包括挤压铸造的许多部件，因为甚至在施加最大压力期间，也并不是铸件的所有部件都会触及模具)。因此，对于集料模塑铸件，在固化合金中形成的结构可以是独特精细的，从而赋予高强度和高延展性的独特有吸引力的性质。

将水射流布置成指向模具，从而以足以溶解粘合剂并分解模具的压力输送水。美国专利no.7,216,691描述了模具和水射流的渐进的单向相对运动，从而以单向方式使得铸件中的凝结前沿稳定地行进，最终完成铸件的凝结。

所产生的在组件表面上前进的冷却剂作用以及冷却剂的行进会在组件中沿着其横截面产生陡峭的温度梯度。以这种方式，糊状区域(合金的液相线温度和固相线温度之间的区域)的深度减小，从而有助于枝晶间进料液体的流动，使得该组分实现最大的共晶流动。

现在已经发现需要扩展这种方法。在某些情况下，从多个方向朝向单个进料器驱动固化，或在多个方向上朝向多个进料器驱动固化是有益的。这种进料器甚至可以位于模具的底部，其中将熔融金属克服重力向上推。该技术被称为靶向消融。

对于解决不容易进料的孤立重型部分的问题，靶向消融是特别有用和有力的。通过对靶这些区域，确保这些区域在组件的其余部分固化之前快速固化，凝结前沿随后可以行进到其他问题较少的区域(该区域可以较薄)。因此，重型凸台通常可以合理地凝结而不需要额外的进料器或冷却器的费用和不便，因为相对较厚的凸台可以通过组件的相对薄的部分供给。或者，可以增强任何厚度的部分的凝结，从而局部地提高机械性能或其他材料性能。再或者，如果组件被设计成在某个特定位置失效，则可以在该位置减少或避免消融，以改变各种合金反应步骤的冷却速率并局部降低性能。出于安全原因，存在许多设计成在限定位置失效的金属组件，例如特别是在机动车辆中。靶向消融允许生产具有限定失效区域的金属部件。

靶向消融还提供了大大提高生产率的可能性。当然，通过从两端同时消融并在中央进料器处完成消融，可以将从一端到位于远端处的进料器的单向消融的组件的凝结时间减半。显然，可以非常快速地实现从多个位置沿多个方向朝向多个进料器同时消融更复杂的铸件。

靶向消融方法具有重要的优点，即：在达到消融冷却之前减少在模具中发生的固化的自然量(由于模具的自然热量提取导致的固化)，从而实现冷却速率的提高。而且，当然，可以处理较大的铸件而不会导致由模具预先冷却而造成的致使消融优点损失的不利后果。在另一个实施方案中，整个模具或模具的一部分可以由包含耐火颗粒材料和可溶性粘合剂的集料制成，以便为模具提供介于模具和熔融金属之间的最小热传递。这降低了模具的冷却效果，从而减少了保持在模具中的熔体的冷却，并且还减少了通常快速凝结的非常薄的部分的冷却。在美国专利no.7,165,600中讨论了这种模具材料，该专利的主题通过引用以其整体并入本文中。

在低于约13％的百分比下，添加到铝中的任何硅都会溶解到溶液中。当合金含有的硅的百分比小于饱和百分比时，该合金被称为亚共晶，即亚共晶合金。大多数铝合金组合物是亚共晶的。在大约13％的百分比时，铝合金被硅饱和。被硅饱和的铝合金被称为共晶。一旦超过该饱和点，在饱和点之后添加的任何硅将不会溶解到最终的铝合金中。这种合金被称为过共晶合金。

关于al合金，该方法适用于al铸造合金，例如al-7si-0.4mg(a356)合金和各种亚共晶合金。该方法还可以应用于含有高达17重量％以上的si的高硅合金(过共晶铝合金)。该方法也适用于高强度al-4.5cu基合金，如a206和a201合金。

用于增强金属组件(例如铝合金组件)的目标部分的材料机械性能的方法是有益的，因为在模具和正在冷却的熔融金属(因此，其收缩并稍微远离模具)之间没有气隙的情况下提供了局部冷却。这种气隙是有害的，因为空气起到了绝缘体的作用，所以这种气隙降低了冷却速率。在没有气隙的情况下进行局部冷却大大加快了冷却过程。因此，通过靶向消融可以在单个组件的相对厚的部分和相对薄的部分中实现均匀的微结构，而铸造难以实现这种均匀的微结构。在一个实施方案中，这种微结构可以具有约40微米至50微米的二次das或10微米至110微米的晶胞尺寸。

因此，靶向消融是保持了消融优点的新方法，但具有(i)处理更大或更复杂的铸件的能力；(ii)提高生产率；以及(iii)通过从模具中提取热量来减少固化，并且通过消融冷却将其替换为优选的热提取，从而对组件的合金结构产生质量益处，和/或处理不能由传统的铸造方法或锻造方法制备的更广泛的组件。

金属和合金

到目前为止，已经证明消融方法适合于镁基合金和铝基合金的液体熔体的转化，但是预期消融方法同样适合于任何金属或金属合金的液体熔体向固体的转化，包括基于铜的有色金属合金，以及铁合金和高温合金(如镍基合金和类似合金)。

另外，虽然诸如6000和7000系列的锻造合金通常被认为不能成功地倾倒为成型铸件(因为锻造合金的过短且过长的凝结范围会产生进料问题，从而导致缩孔和热裂)，但是消融铸造已被证明可以获得良好的产品。

冶金特征

在铸件完全固化之后，可以对铸件进行常规热处理，包括这样的处理：(i)仅进行时效处理，以对铸件中已经在高温下获得固溶处理的益处的那些部分进行加强，同时额外地对铸件中将不会获得固溶处理的益处的其他部件进行一些加强，但会在溶液中保留少量溶解物；(ii)固溶处理、淬火和时效处理，在这种情况下，铸件中已经接受固溶处理的那些部分将额外地受益于额外的处理，并且未经过此前的固溶处理的那些部分将通常受益于固溶处理、淬火和失效处理这些常规全部热处理。

自然，适用于由间歇冷却和固化产生的相对无应力铸件的任何淬火处理将受益于不再引入显著应力的淬火，例如空气淬火或聚合物淬火而不是水淬火。

通过极快地提取热量使铸件的机械性能最大化。由于微结构的间距更细，合金的热处理响应将得到增强，从而由于所涉及的扩散距离的显著缩短而实现更快速的均质化。

在某些情况下，性能得到充分提高，可以简化热处理，使得可以简单地用低温时效处理代替长且昂贵的高温固溶处理、淬火和低温老化。避免固溶处理和水淬火是特别有利的：不仅时间、能量和成本大大降低，而且水淬火为铸件引入了应力和/或变形的危险。避免水淬火以避免残余内应力并保持铸件的精度是一个主要优点，特别地使得可以避免单独的矫直操作并且可以减少或消除加工操作。

此外，在一些有利的情况下，甚至可能不需要时效处理。

如上所述，由于靶向消融而在组件中产生的增强的机械性能是由于从预定区域去除模具所致，使得组件中位于模具的去除区域下方的部分可以与流体接触，以固化形成组件的熔融金属的那部分。这种增强的机械性能可包括更大的极限强度、更高的屈服强度和提高的伸长率。增强的机械性能还可以是组件的第一部分包括具有这样的枝晶臂间距(das)的枝晶，该枝晶臂间距小于组件的其余部分的枝晶臂间距。枝晶臂间距可以是二次枝晶臂间距。二次枝晶臂间距是金属合金组件的凝结速率的直接量度，并且通常被推荐用于此目的。虽然一次das的使用可能会受到一些批评，理由是一次das不是固化速率的最佳量度，但是避免在一次das和二次das之间的选择的实用量度是使用晶胞间距，其中任何树突状片段，无论是一次臂或二次臂还是晶粒都算作“晶胞”。鉴于在一些al合金中区分一次枝晶臂和二次枝晶臂的困难，其中树枝状生长采用相当不规则的形状，晶胞间距的测量是实用且有价值的，并且已被证明是铝亚共晶合金中第一反应凝结速率的良好量度。增强的机械性能是加速的凝结时间(即熔融金属的固化时间)的结果。随着固化时间的减少，产生更精细的枝晶臂间距(或二次枝晶臂间距)。结构的改进是由大大提高的冷却速率引起的。如上所述，组件的第一部分中的屈服强度更高或者可以更高，组件的第一部分中的极限拉伸强度更高或者可以更高，并且组件的第一部分中的伸长率更高或者可以更高。

尽管消融的机械和材料性质益处通常归因于das或晶胞尺寸的减小，但是通过模具的作用和消融的应用而凝结后的das或晶胞尺寸可能是由于氧化物双层膜(其类似于裂缝)在其紧凑的回旋状态下的凝结的结果。在竞争过程中由于较慢的常规冷却而遭受的性能损失是由于双层膜的展开而产生的，从而展开成为与紧凑的双层膜形式相比尺寸增加10倍以上的更严重的工程裂缝。所有那些受益于起始缺陷尺寸减小的机械性能因此受益于更快的凝结。这些性质包括延展性和极限拉伸强度(uts)。值得注意的是，强度和延展性(伸长率和韧性)的同时提高是特别受欢迎的益处，因为努力提高强度通常导致延展性的同时降低。双层膜理论可以完全解释快速凝结的这种双重益处。相比之下，das(或晶胞间距)的减少通常只能对强度产生很小的益处，但可能对延展性没有贡献，这与hallpetch方程的预测一致。

虽然最常应用消融来提高整个组件的性能，但是存在这样的情况，其中铸件的目标区域需要表现出降低的性能。这可以在消融期间通过确保模具的相应部分未被除去而实现，因为目标区域没有接触溶剂流体。至于模具的这一部分，它将具有降低的机械性能，即较低的屈服强度、较低的极限拉伸强度和较小的伸长百分率。该组件的剩余部分将具有降低的机械性能。具有降低的机械性能的组件的所选择的区域可以被设计成失效组件的第一部分。

在汽车领域中变得普遍的是确保在残骸冲击期间组件在特定位置以特定几何模式失效以降低减速、吸收能量并保持汽车乘员的安全(例如确保悬挂和转向部件的坍塌，以确保方向盘不会影响驾驶员)。显而易见的是，可以考虑任何其他原因，以便为整体单件式金属制品、构件或组件的特定部分提供降低的机械性能或增强的机械性能。因此，可以为根据本发明的组件的一个或多个部分提供降低的机械性能或增强的机械性能。

消融和固溶热处理的联合

可以在停留期间中断快速冷却和固化的方法，从而允许组件的那些固化部分再加热，从组件中保持液态的那些区域获得热量，以便为部件中固化的那些部分提供高温固溶处理，因此，使得组件中保持液态的那些部分伴随热量损失进一步固化，但是整个组件同时具有更慢地和更均匀的冷却的益处，从而大大减少固化组件中的内应力和变形。

可以在合适的停留时间之后重新施加冷却方法。现在冷却速率可以优选足够高，以在合金的溶液中保持有用比例的溶解物，同时冷却速率足够低，以避免在组件中产生高的残余应力。

微结构

来自通过消融方法固化的集料模具的产品的微结构是独特的。

常规铸造的al-si合金通常表现出一次al枝晶和al-si共晶相的混合微结构。在消融的组件中，通常在浇注后的最初几秒或几分钟内通过从模具中提取热量来形成一些一次枝晶。它们具有二次枝晶臂间距(das)，这是常规固化产品的典型特征，因为该固化阶段是由模具的适度热量提取速率控制的。在施加消融之后，导致一些模具去除并且冷却剂直接冲击到组件的表面上，热量的提取速率增加了100到1000倍。由于das与冷却速率之间为大约三分之一的幂关系，因此das相应地减少了大约最高10倍。如果任何枝晶仍在生长，则现在这些枝晶的das突然减少该较大的倍数。这通常可以清楚地看到。消融微结构的另一个特征是共晶相的极端细度，其通常为1微米间距的量级，因此在光学显微镜中在1000x放大率下难以分辨，该相看起来是均匀的灰色而不是通常未修饰的粗的且尖刺形式的硅颗粒。因此，现在基本上修改了该结构，尽管不需要额外的化学修饰元素来实现这种转化，但是少量20ppm的sr或na可能是有帮助的。

消融铸件的微结构的又一特征是与组件表面相邻的结构的相对粗糙度，但是在中心处具有精细结构。这种特征结构与常规铝合金铸件的预期相反，其中常规铝合金铸件在模具表面附近表现出最快的冷却，并且由于常规铸造方法都是从铸件表面提取固化潜热，因此冷却逐渐朝铸件的中心减慢。

如果已经相当晚地施加消融，则正常的粗结构可能有时间在整个铸造部分中发展，使得消融现在仅对那些剩余的液体凹处起作用，从而产生双重结构，通常是粗糙的但具有非常精细结构的凹处。这同样是al和mg基合金消融的独特之处。

再循环和回收

可以回收和再循环集料。此外，也可以再循环水。可以通过粘合剂去除和/或回收系统连续地减少水溶液中粘合剂的积聚。

实施例i

图4示出了现有技术的常规铸造技术，其中设置在较薄板110上的三个重型凸台a，b和c分别需要单独的进料器(立管)112、114和116以确保它们的坚固性。不幸的是，进料器的加入甚至进一步减慢了这些重型部分的凝结速率，结果是凸台的性能相对较差。

图5公开了一种铸件，其设计为通过根据现有技术的常规单向消融冷却而固化。通过水喷雾的消融冷却从凸台a处开始，花费时间以固化凸台a，然后继续使喷雾以箭头106的方向沿着板移动。在到达中央凸台b时，消融的进行速率再次减慢，同时从b中提取热量以确保以箭头106的方向再次沿着板行进之前完成固化。行进将再次在c处减速。在始终从进料器(立管)102接收进料金属的同时，在d处的剩余铸造板最终将固化，当然，进料器(立管)102是要凝结的铸件/进料器组件的最后部分。沿着铸造板的整个长度行进所花费的时间加上凝结重型凸台所需的额外时间有时会产生问题，因为在该延长的时间段期间对模具的自然热量损失会导致所有远离起点的标的(例如c和d和进料器)都至少部分地凝结而没有获得消融冷却的益处。在某些情况下，进料器的完全过早凝结将阻止获得坚固的铸件。

现在参考图6，示出了根据本公开的方法。现在，消融的目标是确保凸台a和c获得优异性能，以及确保凸台b获得中等性能。所有凸台都需要良好的坚固性，但出于美观的原因，不允许将进料器安装在板120上。因此，消融针对重型部分130和132。消融冷却的进行由箭头126和128表示，在末端a和d处同时开始。固化前沿会聚在中心凸台b上，其中在凸台b上安装有进料器124。现在，铸件的固化时间是图5所示现有技术的铸件的固化时间的一半。由于这种缩短的时间，进料器124是特别小的且有效的，因为所发生的热量的自然损失并未达到使得在进料器中发生任何显著固化的程度。因此，进料器中的所有液体都可用于铸件的进料。因此，与现有技术的进料器102相比，进料器124可以显著更小并且更经济(即使如此，当然，124和102都是对图4中所示的铸件所需的总计三个进料器的显著改进。)。应该清楚的是，可以预期各种各样的其他铸件形状或几何设计。对于其中许多铸件形状或几何设计，为了获得铸件的所需特性、生产率和冶金性能，优选靶向消融。

应该清楚的是，可以预期各种各样的铸件形状或几何设计。可以存在任何数量的金属或金属合金铸件的重型部分，并且根据金属铸件或部件的几何形状，有时可能需要多于一个的进料器。对于这些铸造形状、组件或部件中的许多铸造形状、组件或部件，靶向消融是优选的，以便实现铸造的所需特性、生产率和冶金性能。

由于靶向消融而在铸件中产生的增强的机械性能的原因在于：从预定区域去除模具，使得铸件中位于模具去除区域下方的部分可以与溶剂或流体接触，以使形成铸件的熔融金属的这一部分固化。这种增强的机械性能可包括更大的极限强度、更高的屈服强度、或在撕裂或压裂之前的更大的伸长百分率等。增强的机械性能还可以是铸件的第一部分包括这样的枝晶，该枝晶的枝晶臂间距小于铸件的其余部分的枝晶臂间距。增强的机械性能是加速的凝结时间(即熔融金属的固化时间)的结果。随着固化时间的减少，通过大大提高冷却速率引起结构的细化而发生更精细的枝晶臂间距。如上所述，通过靶向消融，可以在铸件的第一部分中获得更高的屈服强度、更高的极限拉伸强度或更大的伸长百分率。

可以想到，大部分模具与流体接触，以便去除模具的该部分并允许流体或溶剂接触已去除模具的所有部分中的固化铸件。然而，模具的至少一部分没有被去除，因为该部分没有与流体接触，或者因为流体或溶剂不能用于溶解模具的这一部分(例如金属模具部分)。至于模具的这一部分，铸件将具有降低的机械性能，即较低的屈服强度、较低的极限拉伸强度或较小的伸长百分率。正是铸件的该剩余部分将具有降低的机械性能。铸件中具有降低的机械性能的选定区域可以被设计成铸件中失效的第一部分。

然而，应该理解的是，铸件中最后消融或固化的部分不需要具有比首先消融或固化的部分更低的机械性能。这在很大程度上取决于铸件的形状。发生这种情况是因为铸件的性能取决于凝结速率。因此，如果铸件中稍后固化的部件具有非常薄的部分或者被金属冷材冷却，则它们很可能具有很好的(如果不是优异的)机械性能。然而，情况是，与通过常规固化的铸件(即，通过在常规模具中传导到模具的热量损失)所产生的性能相比，根据本发明加工的铸件的一个或多个消融部分或部分将始终具有优异的性能。

在相同部件中具有不同机械或冶金特性的铸造部件可用于各种情况中。这些部件可包括(例如)车轮、用于诸如飞机或卡车或汽车之类的交通工具的结构组件，以及(例如)机器组件或部件，以及用于各种桥梁、建筑物、拖车和各种各样的大型承重结构的结构部件。对于这样的部件，可能希望设计铸造部件，以便以如下方式使部件的一部分比部件的另一部分更坚固，从而如果部件失效，则在部件的特定部分中开始失效，即使该部件在设计成首先失效的部件的部分中具有与在部件的另一部分中相同的截面积，其中该部件的另一部分中被设计成耐受失效比部件的第一部分更长。可以使用上面讨论的靶向消融方法形成具有不同机械或冶金性能的铸造部件或组件。

各种铝合金可用于本文讨论的铸造部件。这些铝合金包括100-900系列的铝合金，以及1000-8000系列的铝合金。如上所述，合金可以是a356合金。该合金也可以是合金6061。

在铸造方法完成之后，还可以对铸造部件施加各种热处理。例如，对于a356铝铸件，可以进行t5和t6热处理。在t5热处理方法中，使铸件自然冷却，然后在低温烘箱中在升高的温度下使该铸件人工老化。t6热处理方法包括两个步骤。首先使铸件自然冷却，然后在高温烘箱中在升高的温度下加热该铸件。经过一段时间后，使铸件迅速淬火。随后，将铸件移至低温烘箱中以进行t6热处理方法的第二步骤。

无需赘言，对于其他类型的铝合金，其他热处理方法在本领域中是已知的。

实施例ii

作为本公开的一个实例，描述了用a356al合金(标称al-7si-0.4mg，重量％)制造4缸汽车气缸盖铸件。模具由与如上所述的水溶性粘合剂结合的二氧化硅砂集料制成。

以受火面向下的方式铸造气缸盖，使得受火面由模具的下型部形成。

该下型部的面层材料包括不锈钢喷丸或其他优选的耐腐蚀颗粒，例如青铜或纯铝喷丸或sic颗粒。这些冷却诱导材料用水溶性粘合剂结合。优选的替代材料是如上所述的金属喷丸或sic(下文中方便地简称为“喷丸”)，但与二氧化硅砂或其他粒状模塑集料混合以有效地稀释和控制添加剂的冷却能力，但所有材料如前所述用水溶性粘合剂结合。

在一个实施方案中，喷丸(优选与砂或其它模塑集料混合)仅由模具表面上5毫米厚至10毫米厚之间的层组成，以冷却气缸盖铸件的受火面。以这种方式，在铸件的重要工作面上快速形成固化合金的固体表皮。在15秒至30秒内，该表皮已经强化到足以提供这样的表面，其中可以直接向该表面安全地施加消融水。使用表面冷却层具有进一步的附带益处，因为许多气缸盖的客户在每缸四气门内燃机(特别是高应力柴油发动机)的排气口之间指定精细的枝晶臂间距。

虽然可以制造具有均匀分散的钢喷丸或其他合适的冷却诱导材料的下型模，但这通常没有什么帮助。大量的这种冷却材料将产生如此大的冷却效果，以至于此后不能容易地逆转，以便获得实现固溶热处理所需的再加热阶段的益处。

将al合金(a356)倒入模具中并使其停留一段时间(根据浇注温度，在30至60秒的范围内)，同时通过从金属喷丸中提取热量使受火面开始固化。

随后，将水喷雾施加到模具的基底约40秒以消融掉下型模(包括含有金属喷丸的层)，从而允许直接冷却铸件的受火面。这种与下型接触的部分固化合金的其余部分的加速凝结在该区域中产生了特别精细的铸件所需的微结构。

随后，使通过水喷雾的这种快速冷却中断约75秒至150秒，以通过从铸件的尚未固化的那些部分获取热量使固化的材料再加热。受火面的温度再次上升至约550℃，在此温度下迅速发生固溶，特别是如果微结构是微细结构的话。由于微结构的极端细度，固溶处理非常快，仅需数秒或数分钟即可进行有效的固溶处理。

通过(i)面向下型的模具材料的冷铸成分的量，(ii)消融条件，和(iii)消融中断期(虽然必须记住，只有再加热期的后半部分，温度达到有效进行固溶处理的水平)来控制铸件再加热的精确温度。当然，必须小心以避免可能导致受火面重新熔化的过度再加热，因此受火面在冷却中断期结束后易受水喷雾后续作用的损害。

然后对铸件的下型部分和上型部分重新施加冷却喷雾以冷却和固化整个铸件，并通过溶解掉集料的水溶性粘合剂来去除模具。

随后在175℃下对铸件仅进行老化热处理30分钟，其中受火面的强度和硬度大大增加，并且铸件的其余部分也充分增加以满足客户的规格。

当首先评价所需的最佳性能条件时，评估下型的饰面材料中的冷却材料的百分比，消融条件和中断时间，最有帮助的是使用一系列牺牲铸件，在该牺牲铸件的模具孔中钻孔，以便进行精细热电偶的策略性定位(strategicpositioning)从而监控冷却和再加热阶段，并测试方法对关键变量变化的敏感性。

图7是铸造样品150的侧视图，其中铸造样品150可以由6061铝合金制成。铸造样品150包括立管152，其中热电偶放置在点m处。样品的中上部分154具有放置在点n处的热电偶，而中下部分156具有放置在点o处的热电偶。最后，底部部分158具有放置在点p处的热电偶。通过在电加热坩埚中将铝合金加热至约1350°f(732℃)的温度来形成样品150。将合金倒入重力进料模具中，其中该模具被预热至约150°f(65℃)并由平均粒度为约250μm的二氧化硅砂集料和磷酸盐玻璃粘合剂组成。在坩埚除热的10秒钟内倒出样品150的熔融金属。模具的填充时间约为2秒。该样品的中间部分的直径为约20mm，试样的长度约为120mm。在浇注过程中，将模具保持在约86°f(30℃)的温度下。在浇注熔融金属之后，即在用熔融金属充满模具后的两秒内，立即将溶剂引导到模具的基底158，以便开始移除或烧损模具。

图8示出了由样品150中的点m、n、o和p处的热电偶产生的冷却曲线。将立管152中的点m处的冷却曲线表示为mcc，而将样品150的中上部分154中的点n处的曲线表示为ncc，中下部分156中的点o处的曲线表示为occ，以及样品的底部158中的点b处的曲线表示为pcc。温度曲线表明区域pcc首先冷却，并且在达到线t以下的点，即约1100°f(600℃)的温度后冷却中止。然后，通过occ处的熔融金属的相邻区域将区域pcc再加热。对于曲线occ，示出了冷却时间和冷却温度的延迟，因为该区域最初冷却较慢。然而，在pcc位置和occ位置之间，晶胞或枝晶臂间距的尺寸不会明显改变。可能只有大约5μm的差异。区域pcc快速回升到温度水平t，因此，在区域pcc中发生短暂的固溶。

在两条曲线之间的给定延迟之后，通过靶向消融进行的冷却再次在位置occ处发生。区域ncc由于具有更高的固体部分含量(由通过水平t的延迟和下降比其他区域更快而形成)，因此区域ncc的冷却下降幅度最大。在再次下降超过温度t时，位置ncc处的冷却中止。然而，位置ncc和位置occ在温度t以下重叠，因为相邻区域ncc被来自区域mcc的较高热容量加热，超过区域occ的温度并达到稍高的温度。

最后，在大约1.3分钟时，再次发生靶向消融，这次在区域ncc和区域occ之间快速降低冷却。此时，区域mcc通过区域ncc的相邻交叉区域冷却，直到最终在1.8分钟通过流体使区域mcc冷却。立管仅在此时间点之前由被消融流体冷却的相邻区域ncc冷却。

可以看出，由于样品的相邻区域中仍存在熔融部分，所以阻止消融流体向测试样品150的一部分的流动将导致该部分再加热。因此，在去除仍然含有相当高温度的熔融金属的模具的相邻部分的步骤之前，将组件的至少一部分再加热。

从图8中可以明显看出，不仅底部区域158被再加热，而且中下区域156和中上区域154也被再加热。然而，在该实施方案中，上部区域152没有在靶向消融方法的该实施方案中被加热。

重要的是要注意，将图8中的线t设定为特定数字。在这种情况下，该数字是1067°f，其是通用6061铝合金的熔融温度。因此，使已固化的金属加热但不熔融。可以看出，测试样品250的图7中的部分pcc、occ和ncc中的正在固化的金属被加热但不达到这样的点，其中在该点处，温度将超过金属的熔融温度t。使各个部分pcc、occ和ncc中的金属的冷却中止一段预定的时间。该时间段可以是大约15秒以上。对于部分pcc，在约30秒时使冷却中止。在此时间段期间，将这些部分中的金属加热。此后，通过模具与流体的接触再次施加冷却。以这种方式，组件的目标区域以预定的速率冷却，并且允许被加热至低于组件的金属的熔融温度，但不超过该温度。换句话说，因为部分pcc从部分occ中取出热量，部分pcc再次加热，所以部分occ发生间接冷却。同样，因为部分occ间接地从部分ncc取出热量，所以部分occ再次加热。

线t表示发生所有溶解物反应的温度，并且对于给定的金属或金属合金，线t表示溶解物元素被凝结的温度。在本领域中应理解，线t表示在合金中发生初始熔融之前，合金在热处理时可以达到的最高温度，这可能会导致机械性能降低。应避免这种性能降低。还应注意，对于正在被固化的给定金属，由线t表示的温度不是固定的或精确的温度，因为线t表示这样的温度，该温度为金属合金的熔点并且取决于固化金属的区域内的微观结构、合金浓度和溶解物元素。还应当理解，当固化的金属接近温度t并在该温度附近保持给定的时间时，大多数金属开始热处理。

图8的温度图通过流体喷嘴的配置实现，该流体喷嘴包括一个指向部分ncc并在约0.1分钟(6秒)时开启的喷嘴。最初，打开指向部分pcc的喷嘴。随后关闭pcc处的喷嘴，并且在约0.5分钟(即30秒)时使部分pcc的冷却中止。当打开ncc处的喷嘴时，可以看到部分ncc和部分occ的温度开始下降，并且这些部分的温度与已在此期间已经加热的部分pcc的温度相交。然后，关闭ncc处的喷嘴，随后加热部分ncc和部分occ。然而，在该时间段期间，再次打开部分pcc处的喷嘴并且可以看出，部分pcc中的温度再次开始降低并且因此与部分ncc和部分occ的温度线相交。如果需要，可以再次打开ncc处的喷嘴。

现在参考图9和10，示出了摩托车摆臂200，其包括从主体部分206沿第一方向轴向延伸的第一支腿202和第二支腿204以及从主体部分沿第二方向轴向延伸的第三支腿208和第四支腿210。应该理解的是，至少支腿202和204是中空的。事实上，整个摆臂可以是空心的，以减轻重量。空心摆臂的壁厚为2.5mm至3mm。从主体部分206向上突出的是实心凸台220。可以看出，在摆臂的中间放置了相对较厚的凸台。在一个实施方案中，凸台没有自己的进料器来供给熔融金属。然而，凸台区域中的厚部分首先被固化或凝结。这是通过将熔融金属从摆臂的相对较薄的部分供给到相对较厚的凸台来完成的。靶向消融使得这种组件能够由熔融金属制造。在该实施方案中，凸台设计成具有最高的材料性能。更具体地，由6061铝合金制造的摆臂在凸台区域内具有约50ksi的极限拉伸强度、约45ksi的0.2％补偿屈服强度和约15％的伸长率。摆臂的其余部分具有较低的性能，例如，对于摆臂的其余部分，伸长率减少约3％至4％，即约11％的伸长率，以及约42ksi的0.2％补偿屈服强度。

关于摆臂，其不能通过常规消融来制造或生产。其原因在于空心摆臂中的壁厚仅为2.5mm至3mm，并且通过薄的部分向凸台供给熔融金属。在常规消融中，熔融金属不会及时到达位于摆臂中间的凸台。凸台不得不在小于16秒的时间内固化，或者相邻的薄壁区域无法给凸台供料。因此，不能使用'691专利的方法制造摆臂。

现在参考图11，公开了一种用于船等的舷外马达的横梁支架250。横梁支架由6061铝合金制成，并包括基底部分252，在大致垂直于基底的纵向方向的方向上延伸的臂254和连接部分或颈部256。连接部分或颈部较厚，厚度为约3英寸。颈部是90度弯曲区域256，该区域的厚度超过75mm或3英寸。非常期望的是，横梁支架在该区域中不会失效。对于通过现有技术利用a356合金铸造的颈缩区域，伸长率不大于2％，并且在低压永久性模具中的固化需要10分钟。对于现有技术，0.2％补偿屈服强度为约25ksi，并且极限拉伸强度为约34ksi。

另一方面，使用靶向消融来制造该组件使得在横梁支架的颈部区域中具有这样的机械性能，其包括约10％的伸长率，36ksi的0.2％补偿屈服强度以及44ksi的极限拉伸强度。沿着壳体的基底252的其他区域被设计成可以具有更低的材料性能，以至于使得如果发生失效，则该组件将沿着后花键258显示出裂缝。然而，期望在该产品中不发生失效。与横梁支架250的其他区域相比，较厚区域256具有较高的极限屈服强度，因为较厚区域256被设计为最后的失效区域。横梁支架可以由6061铝合金或a356铝合金制造，并且当通过靶向消融进行生产时，两种合金都提供类似的极性屈服强度和极限拉伸强度，以及伸长百分率。

在常规消融中，薄的部分具有更好的材料性能，因为薄的部分是从模具中容纳的熔融金属的较厚区域进给的，这是因为进料的固体部分需要更长的时间才能达到临界的非进料点。较厚区域中剩余的液体α相流向较薄的区域。特别是对于横梁支架，颈部区域的厚度为75毫米或3英寸，并且不会通过其他铸造方法去除表面区域的能量。在消融中，截面区域消除铸造方法(其通常从表面去除能量)不能获得冷却速率以克服该厚区域的能量，尽管所有尝试都通过金属冷却、水冷却工具、压铸零件以及其他这样的已知铸造方法来实现该目的。只能通过锻造组件在颈部区域实现这些材料性能。

'691专利中教导的常规消融不能用于制造这种横梁支架。换句话说，必须开发如本文所公开的靶向消融，使得可以在较薄区域之前形成颈部256的厚区域。应当理解，颈部256没有直接连接到其上的进料器或立管。相反，当后花键258逐渐变细到与90度颈部区域相对的缩小部分时，在后花键258上放置进料器或立管。

现在参考图13，该图示出了根据本公开另一实施方案的方法的步骤。该方法的第一步是形成模具，如方框310所示。模具包括一种或多种集料312和一种或多种粘合剂314。在形成模具之后，便将其放入适当的位置，如步骤316，使得该模具可以用熔融金属填充。然后，在步骤318中，将熔融金属输送到模具中。可以将模具设计成能够使熔融金属根据本文所述的任何方法输送。然后，在320中，使模具受到流体或溶剂的作用或与之接触。在该方法中，使模具的一个或多个所选择的部分分解(在322中)，以及使熔融金属的一个或多个所选择的部分冷却(在324中)。当模具的一部分或所选择的部分正在被分解，使得流体或溶剂与下面的熔融金属接触以冷却并固化该熔融金属，从而使该熔融金属与待在模具中形成的熔融金属的其余部分具有不同的机械或冶金性能，包含在模具中的熔融金属的其它部分可以以不同的速率冷却或者根本不冷却(即可以使冷却中止)，从而赋予最终在该模具中形成的组件的其余部分不同的性能。

在该实施方案中，在326中，使流体向模具的另一部分的流动停止一段时间。如上所述，然后可以实际上再次加热模具的所选择的一个或多个部分。随后，或者在稍后的时间点，使模具的另一部分或多个部分再次与流体接触，然后在330中，使模具的一个或多个其他部分分解。然后，在332中，使熔融金属的其他部分冷却。然后，在334中形成整个组件，随后在336中，从模具的任何剩余部分中去除组件。

现在参考图14，本公开的又一实施方案包括用于形成模具的方法，其中在方框410中形成模具，其中模具包括一种或多种类型的集料(方框412中)和一种或多种类型的粘合剂(方框414中)。在方框416中，将模具放在适当的位置，并且在方框418中，将熔融金属输送到模具中。此后，在方框420中将熔融金属中的第一组件固化。然而，在方框422中，使熔融金属中的第二组件的固化中止。随后，即，此后在某个预定时间段内，在424中使熔融金属中的第二组件固化。此后，在426中形成金属制品或组件。

在又一个实施方案中，组件可以形成为(例如)由铝合金形成的金属车轮。参考图15，车轮500具有内轮毂502，外轮缘504和一个或多个轮辐506，其中该轮辐506将轮毂502和轮缘504彼此连接。轮缘504可包括一对间隔开的胎圈座508和510，其中该胎圈座508和510适于或配置成与轮胎配合，以便于轮胎的有效气密密封。靶向消融对于制造这种车轮是有用的。在一个实施方案中，轮辐506是中空的，并且已证明靶向消融在这种中空辐条轮的制造中是特别有用的。

现在参考图16，其是铸造样品550的侧视图，其中该铸造样品550可以由6061铝合金制成。铸造样品550包括在点m处放置热电偶的立管558，在点n处放置热电偶的中上部分560和在点o处放置热电偶的中下部分562。最后，底部部分564具有放置在点p处的热电偶。如图17所示，在该实施方案中，冷却在部分pcc处开始并且使该部分固化。随后，在约30秒时使部分pcc的冷却中止。部分occ受到相邻部分pcc的作用，其中部分pcc用作固体冷材，并且具有与在砂型铸造型芯模具中常规使用的金属冷材相同的热容量。然而，由部分pcc或部分occ施加的冷却是连续的，该冷却是没有气隙的固体冷却，这是因为在冶金学上，其在固-液界面处是原子键合的。冷却速率沿着样品550的长度而变化，这是因为冷却部分pcc加热(注意部分pcc的温度升高)并且施加冷却作用，其中温度梯度延伸到部分occ、部分ncc甚至部分mcc中。可以将温度梯度看作是离开共晶的部分，并且各个连续的位置具有较慢的冷却速率，因为该部分的距离从部分pcc开始增加。在约1.2分钟时，在部分pcc处再次施加冷却。然后，用温度梯度冷却部分occ、部分ncc和部分mcc处的位置，该温度梯度恰好在所有部分固化后开始。该冷却可以称为热处理中的淬火。根据合金，可以进行各种后热处理并且淬火由虚线表示。

本文所述的靶向消融方法适用于许多合金系统的制造，但特别地，期望尤其适用于基于镁、铝和铜的非铁合金。然而，很明显，该方法也适用于铁合金和其他高温合金，如镍基合金体系和类似的合金体系。本公开描述了铝合金的特定应用。然而，应该理解，根据本公开可以使用各种金属。这些包括多种金属和合金，例如上述金属和合金。

消融技术是一种有吸引力的且成本相对较低的方法，该方法用于制造具有独特坚固性和高性能的成型铸件，这种方法是环境友好的，既不会产生烟雾也不会产生气味，并且其中可以良性地处理所有生产材料(集料、粘合剂以及溶剂，例如水)或者可以在内部使所有生产材料再循环。

已经参考若干优选实施方案描述了本公开。显然，在阅读和理解前面的详细描述后，将可以进行修改和变更而变为其他实施方案。本公开旨在被解释为包括所有这些修改和变更，只要这些修改和变更落入所附权利要求或其等同物的范围内。