CN101011721A - 利于进行薄壁铸造的涂镀金属的型芯 - Google Patents

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Abstract

一种用于熔模铸造工艺的型芯包括：包含一种或更多种陶瓷材料的型芯；和一层在熔模铸造工艺条件下不容易受到氧化的金属材料外层。一种用于铸造具有内部通道的涡轮发动机零件的方法，包括以下步骤：形成一个或更多个铸型部分，每一个所述铸型部分都具有内表面和用于形成具有至少一条内部通道的一个或更多个涡轮发动机零件的前述型芯中的至少一个；组装所述一个或更多个铸型部分；将熔融合金引入到已组装好的所述一个或更多个铸型部分中；以及在所述工艺过程中消耗掉所述至少一个型芯上的金属。

Description

利于进行薄壁铸造的涂镀金属的型芯
技术领域
本发明涉及熔模铸造，且更具体而言，涉及薄壁铸造。
背景技术
熔模铸造对于成形具有复杂几何形状的金属零件尤其是中空零件而言是一种通常使用的技术，并且熔模铸造被用于制造超耐热合金燃气轮发动机零件例如叶片和轮叶及其中空翼面。
先进的翼面设计具有非常薄的金属壁和复杂的冷却通道。根据待进行铸造的功能部件的尺寸，使用陶瓷小型芯和/或难熔金属型芯形成这些冷却通道。组合功能部件使得成功地铸造该冷却通道极为困难，这是因为在该薄壁区域内陶瓷相对于金属量的表面积较大。陶瓷与熔融金属的接触具有与这种接触相关的较大的表面张力。陶瓷不会“漫湿”，从而容易导致产生填模不足的缺陷。
因此，熔模铸造工艺仍然存在改进的空间。
发明内容
根据本发明，一种用于熔模铸造工艺的型芯大致包括：包含一种或更多种陶瓷材料的型芯、一种或更多种难熔金属的型芯、或者所述陶瓷材料和所述难熔金属两者均含的型芯；和一层与浇注材料相容的金属外层。
根据本发明的另一方面，一种用于铸造具有内部通道的涡轮发动机零件的方法，包括以下步骤：形成一个或更多个铸型部分，每一个所述铸型部分都具有内表面和包含与浇注材料相容的金属层的至少一个型芯，以便形成一个或更多个具有至少一条内部通道的涡轮发动机零件；组装所述一个或更多个铸型部分；将熔融合金引入到已组装好的所述一个或更多个铸型部分中；以及消耗掉所述至少一个型芯的金属层。
在附图和下面的说明书中对本发明的一个或更多个实施例进行了详细描述。通过阅读所述说明书、附图和权利要求书，会使得本发明的其它特征、目的和优点更加明显。
附图说明
图1是本发明的涂镀金属的型芯的视图；和
图2是使用如图1所示的涂镀金属的型芯进行的熔模铸造工艺的说明图。
各图中使用相似的附图标号和标注表示相似的元件。
具体实施方式
在此描述的本发明的制品和方法旨在有利于铸造结构复杂的功能部件，同时减少与由于陶瓷与熔融金属接触之间的表面张力而无法“浸湿”相关的部件缺陷。本方法包括在进行熔模铸造工艺中的蜡注射作业之前用一种含金属的材料涂覆陶瓷型芯和难熔金属型芯。该金属涂层防止在所述工艺过程中陶瓷与熔融金属产生接触，取而代之的是提供金属与金属的接触，与此相关的是产生比陶瓷-熔融金属接触低得多的表面张力。所述更低的表面张力有利于对薄壁功能部件例如复杂的冷却通道进行充注，并且减少了部件差异和缺陷。
下面参见图1，图中示出了在熔模铸造工艺中所使用的型芯10。型芯10通常具有大体上圆筒的形状，所述型芯中包含本领域的技术人员已公知的一种或更多种陶瓷材料、本领域的技术人员已公知的一种或更多种难熔金属芯(“RMC”)材料，和陶瓷材料与RmC材料的组合。例如，该陶瓷材料中可包含，但不限于，包含至少一种前述陶瓷材料的基于二氧化硅的、基于氧化铝的混合物等。RMC材料中可包含，但不限于，钼、铌、钽、钨等。如本领域的技术人员已公知的，这些RMC材料可包括一层保护涂层例如二氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化铬、莫来石和氧化铪用以防止被熔融金属氧化和腐蚀。
可在型芯10外表面周围设置一层含有金属材料的外层12。所述金属材料通常包括在熔模铸造作业条件下不易于产生氧化的金属。例如，外层12中的金属材料可包括贵金属，例如，但不局限于，金、铂和包括至少一种前述贵金属的组合物。优选是，被选定的金属与正在浇注成该模制部件的熔融金属相容。
如本领域的技术人员已公知的，外层12通常具有一定的厚度，所述厚度足以提供所需的金属-金属接触。可采用本领域的技术人员已公知的多种沉积技术中的任何一种施加外层12中的金属。例如，可使用本领域的技术人员已公知的任何溅射技术将所述金属溅射到型芯10上从而形成外层12。或者，在另一实例中，可使用本领域的技术人员已公知的任何镀覆技术将所述金属镀覆在型芯10上从而形成外层12。如本领域的技术人员已公知的，溅射技术产生非常薄的镀层，例如其厚度为千分之十英寸到千分之百英寸。而且，镀覆技术也能够产生具有可比厚度的镀层。如所描述的那样，与浇注材料相容的金属可包括一种贵金属和/或一种从元素周期表的VIII副族、VIIIA副族和IB副族中选出来的金属，所述元素周期表请参见“化学物理手册(Handbook ofChemistry and Physics)”，CRC出版社，第71版，P.1-10(1990-91)。还预期：在向型芯10上施加外层12时若使用惰性气氛例如一种稀有气体时，也可以使用其它金属。
如上面所述，该金属材料的外层12在熔模铸造工艺过程中防止产生陶瓷-熔融金属接触，且取而代之的是提供与低得多的表面张力相关的金属-金属接触。所述更低的表面张力有利于对薄壁功能部件例如复杂的冷却通道进行充注，并且减少了部件差异和缺陷。
在本领域的技术人员已公知的任何熔模铸造工艺中可以使用涂镀金属的型芯10。更具体地说，涂镀金属的型芯10无论什么时候均可用来铸造具有中空内部的部件。为了进行说明而非限制性地，图2示出了在熔模铸造工艺过程中使用在此所述的涂镀金属的型芯10的一种示范性的工序步骤。在步骤20中将底板定位在下半模中，所述下半模具有一个或更多个设置在其内部的涂镀金属的型芯10以便形成中空内部，并且在步骤22中将该下半模和一个上半模组装在一起。在步骤24中注射蜡或类似材料以便形成一层。在步骤26中使蜡冷却。在步骤28中分开所述半模，且在步骤30中将该底板和该附着层一起移除。
在准备底板的同时，在步骤32中可准备顶板和多根杆。所述准备工作可包括将浇注锥形漏斗紧固在该顶板上，并且将一薄层蜡或其它脱模剂施加到所述顶板和杆的剩余表面部分上以便最终有利于自所述涂镀层进行脱模。所述杆可被预组装在该顶板上或者这种情况可发生在随后的夹具组装步骤34中，在所述步骤中，所述杆被紧固在底板上。如果不预模制成为该层的一部分，在步骤36中可将多个蜡隔离件或其它模型定位功能部件例如通过蜡焊法而紧固在所述层上。然后，在步骤38中，可对多个模型进行定位和紧固(例如，与多个冒口和任何附加蜡部件一起通过蜡焊法进行定位和紧固)。可在包括湿法或干法浸渍和湿法或干法喷涂的组合的一个或更多的步骤40中施加该涂镀层。在涂镀过程中，清除器保持所述顶板和底板周边表面清洁。这有利于所述顶板和底板后续与型壳之间脱开接合。在多个涂镀步骤之间可具有干燥步骤。
在最终干燥之后，在步骤42中该顶板可被移除。例如在蒸汽高压釜中可通过脱蜡工艺44除去蜡。在进行完脱蜡工艺之后，在步骤46中底板和杆可作为一个整体而被移除，然后可从底板上拆下所述杆以便两者得到重复使用。接着在步骤48中可修整所述型壳(例如除去包括已盖住所述杆的多个部分的底板周边部分，以及修整浇注锥形漏斗周围的上部部分)。如果在所述型壳内存在较小的缺陷，那么在步骤50中可对这些缺陷进行修补。在步骤52中可对该型壳下侧面进行砂磨。在步骤54中可焙烧所述型壳使之得到强化，并且如果需要形成预先确定的结晶取向，那么在步骤56中可向该型壳中加入晶种。然后，在步骤58中可将该型壳装入铸造用炉，而在步骤60中引入熔融金属。所述熔融金属消耗掉涂镀金属的型芯10的金属材料外层12，因而同时有利于形成所需的金属-金属接触和所需的减小的表面张力。在步骤62中该金属冷却之后，在步骤64中一个或更多个金属零件可被脱去型壳。机加工步骤66可使多个部件相互分离，除去其它多余的材料，并且提供所需的外部和内部零件剖面。后机加工处理步骤68可包括热处理或化学处理、涂覆或类似工艺。
所述涂镀金属的型芯以及使用在此所述的型芯的方法相对于涂镀非金属的型芯及其现有技术使用方法而言具有明显的优点。在此描述的金属涂镀在熔模铸造工艺过程中防止产生陶瓷-熔融金属接触，取而代之的是提供低得多的表面张力相关的金属-金属接触。所述更低的表面张力有利于对薄壁功能部件例如复杂的冷却通道进行充注，并且减少了部件差异和缺陷。借助于在熔模铸造工艺过程中使用涂镀金属的型芯，能够以这种可复制效果始终如一地铸造出具有复杂功能部件的薄壁中空部件。
应理解，本发明不受在此描述和示出的实施例的限制，所述图解说明仅被视为实施本发明的最佳模式的示例，并且易于对部件的形状、尺寸、布置和作业细节作出改变。本发明旨在包括落入由下面的权利要求书所限定的本发明的精神和范围内的所有这些变型。

Claims (12)

1.一种用于熔模铸造工艺的型芯，包括：
包含一种或更多种陶瓷材料的型芯、一种或更多种难熔金属的型芯、或者所述陶瓷材料和所述难熔金属两者均含的型芯；和
一层与浇注材料相容的金属外层。
2.根据权利要求1所述的型芯，其特征在于，所述一种或更多种陶瓷材料从包括基于二氧化硅的陶瓷材料、基于氧化铝的陶瓷材料及其组合物的组中进行选择。
3.根据权利要求1所述的型芯，其特征在于，所述一种或更多种难熔金属的型芯从包括钼、铌、钽和钨的组中进行选择。
4.根据权利要求1所述的型芯，其特征在于，所述一种或更多种难熔金属的型芯包括一层保护涂层，所述保护涂层中包含从包括二氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化铬、莫来石和氧化铪的组中选出的一种材料。
5.根据权利要求1所述的型芯，其特征在于，所述金属包括贵金属。
6.根据权利要求1所述的型芯，其特征在于，所述金属包括从包括VIII副族、VIIIA副族和IB副族组成的组中选出的一种金属。
7.根据权利要求1所述的型芯，其特征在于，所述金属的所述外层是一层溅射金属材料层。
8.根据权利要求1所述的型芯，其特征在于，所述金属的所述层是一层镀覆金属材料层。
9.一种用于铸造具有内部通道的涡轮发动机零件的方法，所述方法包括以下步骤：
形成一个或更多个铸型部分，每一个所述铸型部分都具有内表面和包含与浇注材料相容的金属层的至少一个型芯，以便形成一个或更多个具有至少一条内部通道的涡轮发动机零件；
组装所述一个或更多个铸型部分；
将熔融合金引入到已组装好的所述一个或更多个铸型部分中；以及
消耗掉所述至少一个型芯的所述金属层。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，引入所述熔融合金包括同时将所述熔融合金引入已组装好的所述一个或更多个铸型部分。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述组装包括用一根分配歧管将所述一个或更多个铸型部分组装在一起。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述形成步骤包括：
将一个牺牲涡轮发动机零件模型组装在板的顶上；
向所述组装好的牺牲涡轮发动机零件模型施加型壳；以及
加热所述型壳从而熔化每个所述牺牲涡轮发动机零件模型的至少一部分。
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