CN101060951A - 铸造方法和铸件 - Google Patents

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Abstract

借助铸造方法制造的厚壁构件在其厚的区域往往有不良的机械性能，因为与薄壁区相比在这些区域内的凝固速度降低并往往造成不良的机械性能。按照本发明的方法规定在熔体(4)中插入控制件(7)，它们就地提高熔体(4)的凝固速度。

Description

铸造方法和铸件
技术领域
本发明涉及一种按权利要求1所述的铸造方法和一种按权利要求23所述的铸造的构件。
背景技术
借助当代用于铸件凝固的仿真和模拟工具，如今已可以良好地掌控复杂的铸造过程。由此可以更好地和有针对性地调整金相组织及性能。对于关键的构件区在铸造过程中可以获得更好的具有高度再现性的机械特性。
对于铸件的厚壁区，例如在燃气轮机或汽轮机机匣的法兰部分中，就铸造技术而言难以实现例如在石墨压制时所要求的均匀的球状组织。这源于热能和凝固能量的不良排出。其结果是导致在这些壁厚增大的高负荷构件区内降低机械性能参数。
US-PS5314000公开了一种在铸造过程中控制晶粒大小的方法。
发明内容
因此本发明所要解决的技术问题是要克服上述问题。
上述技术问题通过一种按权利要求1所述的铸造方法和一种按权利要求20所述的铸造构件得以解决。
在从属权利要求中列举了其他有利的措施，它们可以按有利的方式互相任意组合。
附图说明
图1表示一种铸模和熔体及控制件；
图2表示按照本发明方法的工作原理；
图3表示一个采用按本发明的方法制成的构件；
图4表示透平叶片；
图5表示燃烧室；
图6表示燃气轮机；以及
图7表示汽轮机。
具体实施方式
图1表示由铸模10组成的设备1，包括熔体4和至少一个，在这里例如两个控制件7。
熔体4被置入到铸模10内。在将熔体4置入到铸模10中之前、期间或之后，插入至少一个、多个，在这里例如为两个控制件7。控制件7尤其用与熔体4一致的材料制造。控制件7的材料同样可以与熔体4是同类的，也就是说，控制件7含有熔体4的全部元素和个别元素有尤其+/-20％和尤其+/-10％的偏差(至少同类的含义是同类或一致)。优选地，控制件7含有熔体4的化学合金元素。在上述这些例子中在控制件7的材料内也可以不存在熔体4的重量份额小的(＜5wt，尤其＜1wt％)元素。优选地，控制件7由熔体4的化学合金元素组成。因此控制件7的熔点可低于、等于或高于熔体4材料的熔点。也就是说控制件7可以是金属、陶瓷或由玻璃制成。
可以在控制件7与熔体4产生接触前事先调整好控制件7的温度。这可以根据需要通过加热或冷却实现。同样，可以主动地冷却控制件7，此时冷却剂例如通过控制件7导引，或在一端被置于与至少一个控制件7接触，从而实施强制冷却。控制件7起先尚未熔化。控制件7尤其可以，但非必须，在其与熔体4接触后，在熔体4液相(熔体呈现此状态)期间或在熔体4凝固期间，至少部分或全部熔化。优选地，控制件7最多部分熔化，换句话说，部分控制件7并没有熔化。
控制件7不是用与铸模10相同的材料制成，而是要用于附加地排出来自熔体4的热量。因此控制件7也不是铸芯。它的材料在凝固后形成铸造构件13的总体的组成部分。控制件7尤其是一个固态结晶体而并非如在铸造工艺的铸模中那样由一个个泥芯构成(砂模)，泥芯是例如通过胶合剂互相连接的。控制件7例如是一种由许多颗粒组成的烧结体。
按照本发明的铸造方法也不意味着是一种压铸法，按此方法材料以熔化的或软的材料从外部注入。
控制件7可以有相同或不同的大小。
控制件7有细长的形状，尤其设计为对称的尤其圆柱状。
通过铸造方法制成的构件13可例如是用于飞机或用于发电的汽轮机300、303或燃气轮机100的构件，在这里尤指机匣构件。在这种情况下使用优质钢或镍基、钴基或铁基超级高温合金。
图2a、b示意性表示出按照本发明铸造方法的工作方式。
图2a表示在按照现有技术的铸造方法中构件的例如长方六面体形状的壁部分。单位时间排出的热能dQ/dt在这里用 表示。尤其在有大宽度b的厚壁构件中，直至熔体4冷却，亦即
Figure A20058003974400072
要持续很长的时间。
图2b表示了在按本发明的铸造方法中相应的壁部分，其中，在熔体4内例如存在一个控制件7。由于控制件7就熔点而言具有较低的温度，所以控制件7吸纳热量，或控制件7甚至在熔化时它还从熔体4提取熔化能量。由此提高熔体4的冷却速度，也就是
Figure A20058003974400073
显著增大。从而防止在较厚的区域和厚的构件内产生较缓慢的凝固，这往往会导致石墨退化或多孔性和缩孔。通过在熔体4内插入控制件7，尤其在灰铸铁铸件的情况下达到例如均匀的球状石墨生成。宽度b，亦即熔体4的延展尺寸，可以说被分成了两个较小的宽度b1、b2(b1+b2＝b)，以及在这些薄的宽度内，显示出薄壁(b1、b2)的壁具有期望的冷却特性。
图3表示一种按照本发明铸造的构件13。
构件13由熔体4组成以及有一些被凝固的熔体4围绕的控制件7。在这里控制件7例如置入在构件13的厚壁区16内。这些厚壁区16例如是机匣构件的法兰。在本文中，“厚”的含义是壁厚至少为200mm。优选地，将控制件7插入到在法兰16内以后将加工为孔19的地方，也就是说被切除材料的地方。因此降低因控制件7连接不佳或熔化不充分而在构件内带来缺陷的危险，因为这些区域在以后的构件加工时反正是要切除的。控制件7不是铸模10的一部分以及它们可例如是金属，但也可以是陶瓷或玻璃类的。
图4表示涡轮机的工作叶片120或导向叶片130的透视图，它沿纵轴线121延伸。
涡轮机可以是飞机或发电用的电站的燃气轮机、汽轮机或压缩机。
叶片120、130沿纵轴线121彼此相继地具有固定区400、与之邻接的叶片平台403以及叶身406。作为导向叶片130，叶片130在其叶片顶端415可以有另一个平台(图中没有表示)。
在固定区400内构成叶根183，其例如有厚壁区16，它用于将叶片120、130固定在轴或盘上(图中没有表示)。叶根183例如设计为锤头状。也可以不同地设计为枞树形或燕尾形叶根。叶片120、130具有用于在叶身406上流过的介质的流入边409和流出边412。
在传统的叶片120、130中叶片120、130的所有区域400、403、406例如均使用实心的金属材料，尤其超级高温合金。例如由EP1204776B1、EP1306454、EP1319729A1、WO99/67435或WO00/44949已知这类超级高温合金；这些文献是本本申请公开内容的一部分。在这里，叶片120、130可通过还借助定向凝固的铸造法、通过锻造法、通过铣削法或这些方法组的合制成。
将具有单晶结构或多晶结构的工件用作一些机器的构件，这些机器在运行时遭受高的机械、热和/或化学负荷。这种单晶工件的制造例如通过熔体的定向凝固完成。在这里涉及铸造方法，按此方法液态的金属合金定向凝固为单晶结构，亦即单晶工件。其中树枝状晶体沿热流定向，以及，或构成一种条状晶体结构(柱状的，亦即沿工件的全长延伸的晶粒，以及在这里按一般的习惯用语称为定向凝固的晶粒)，或构成一种单晶结构，亦即整个工件由唯一一种晶体组成。在此方法中必须避免转变为球状(多晶的)凝固，因为通过不定向生长必然构成横向和纵向的晶界，它们使定向凝固或单晶构件的良好特性消失。因此，若笼统地谈论定向凝固组织，则既指没有晶界或最多有小角度晶界的单晶体，也指条状晶体结构，它们虽然有纵向延伸的晶界，但没有横向晶界。对于上述第二种晶体结构人们还称其为定向凝固组织(directionally solidified structures)。这些方法由US-PS6024792和EP0892090A1已知；这些文献是本申请公开内容的一部分。
叶片120、130同样可以有防腐或防氧化的镀层(MCrAlX；其中M是元素组铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)中至少一种元素，X是一种活性元素以及代表钇(Y)和/或硅和/或代表至少一种稀土元素，亦即铪(Hf))。这些合金由EP0486489B1、EP0786017B1、EP0412397B1或EP1306454A1已知，它们应是本申请公开内容的一部分。
在MCrAlX上还可以存在一个隔热层并例如由ZrO2、Y2O3-ZrO2组成，也就是说，由于氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁，它是不稳定、部分稳定或完全稳定的。采用恰当的镀层工艺，例如电子束喷雾(EB-PVD)，在隔热层内生成条状晶粒。
再加工(整修)的意思是，构件120、130在其投入使用后必要时必须除去防护层(例如通过喷砂处理)。然后进行腐蚀和/或氧化层亦即腐蚀和/或氧化产物的去除。必要时也还应修理构件120、130中的裂纹。在这之后进行构件120、130的再加工和重新使用构件120、130。
叶片120、130可以设计为空心或实心的。若叶片120、130应冷却，则它们是空心的以及必要时还有气膜冷却孔418(图中用虚线表示)。
图5表示燃气轮机的燃烧室110。此燃烧室110例如设计为所谓的环形燃烧室，其中多个沿周向绕旋转轴线102排列的燃烧器107汇入一个公共的燃烧室腔内。为此，燃烧室110总体上设计为环形结构，它围绕着旋转轴线102定位。
为了达到比较高的效率，燃烧室110针对工质M的比较高的约1000℃至1600℃温度设计。为了即使在这种对于材料不利的运行参数下仍能有比较长的工作寿命，燃烧室壁153在其面朝工质M那一侧设置一种由热屏元件155构成的内衬。
每个热屏元件155在工质侧设计有一种特别耐热的保护层，或用耐高温的材料制成。这种材料可以是有MCrAlX和/或陶瓷涂层的实心陶瓷片或合金。燃烧室壁及其涂层的材料可以类似于透平叶片。
此外，由于燃烧室110内部的高温，为热屏元件155或为其固定件设有冷却系统。
同样，热屏元件可能有厚壁区16并因而可按本发明的方法制造。
图6以局部纵剖视图举例表示燃气轮机100。燃气轮机100在内部具有一个绕旋转轴线102旋转地支承的转子103，它也称为涡轮转子。沿转子103彼此相继地有进气机匣104、压气机105、具有多个同轴排列的燃烧器107的例如花托状的燃烧室110，尤其环形燃烧室106、透平108和具有例如厚壁区16的排气机匣109。环形燃烧室106与一个例如环形的热燃气通道111连通。在那里例如四个串联的透平级112构成透平108。每个透平级112例如由两个叶片环构成。沿工质113的流向看，在热燃气通道111内在导向叶片环115之后的是一个由工作叶片120组成的叶片环125。
在这里，导向叶片130固定在定子143的一个(具有例如厚壁区16的)内机匣138上，反之，叶片环125的工作叶片120例如借助透平盘133安装在转子103上。在转子103上连接发电机或作功机械(图中未表示)。
在燃气轮机100运行期间，由压气机105通过(具有例如厚壁区16的)进气机匣104吸入空气135并对其压缩。压气机105在透平一侧的端部制备好的压缩空气被供入燃烧器107，并在那里与燃料混合。然后此混合物为了形成工质113在燃烧室110内燃烧。工质113从那里流出，沿热燃气通道111流经导向叶片130和工作叶片120。工质113在工作叶片120处膨胀，传递冲量，因此工作叶片120推动转子103，以及转子驱动与它连接的作功机械。
遭遇热工质113的构件在燃气轮机100运行期间遭受热负荷。除了作为环形燃烧室106衬垫的热屏片外，沿工质113流向看第一透平级112的导向叶片130和工作叶片120遭受的热负荷最大。为了承受住那里存在的温度，它们可借助一种冷却剂冷却。构件的这些底物同样可以有一种定向结构，也就是说，它们是单晶体(SX结构)或只有纵向晶粒(DS结构)。作为用于构件、尤其透平叶片120、130和燃烧室110的构件材料，例如采用铁基、镍基或钴基的超级高温合金。这样的超级高温合金例如由EP1204776B1、EP1306454、EP1319729A1、WO99/67435或WO00/44949已公开；这些文献是本申请公开内容的一部分。
叶片120、130同样可以有防腐蚀的镀层(MCrAlX；其中M是元素组铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)中至少一种元素，X是一种活性元素以及代表钇(Y)和/或硅和/或代表至少一种稀土元素或铪)。这些合金由EP0486489B1、EP0786017B1、EP0412397B1或EP1306454A1是已知的，它们应是本申请公开内容的一部分。
在MCrAlX上还可以存在隔热层并例如由ZrO2、Y2O3-ZrO2组成，也就是说，由于氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁，它是不稳定、部分稳定或完全稳定的。采用恰当的镀层工艺，例如电子束喷雾(EB-PVD)，在隔热层内生成条状晶粒。
导向叶片130具有一个面朝透平108的内机匣138的导向叶片叶根(图中未表示)和一个与导向叶片叶根相对置的导向叶片顶部。导向叶片顶部面朝转子103并固定在定子143的固定环140上。
图7举例表示汽轮机300、303，它包括一根沿旋转轴线306延伸的透平轴309。此汽轮机有一个高压汽轮机段300和一个中压汽轮机段303，它们各有一个(具有例如厚壁区16的)内缸312和一个围绕内缸(具有例如厚壁区16的)的外缸315。高压汽轮机段300例如按罐形结构设计。中压汽轮机段303设计为双流道的。同样可以将中压汽轮机段303设计为单流道的。沿旋转轴线306，在高压汽轮机段300与中压汽轮机段303之间设一个轴承318，透平轴309在轴承318内有一个支承区321。透平轴309支承在另一个位于高压汽轮机段300旁的轴承324上。在轴承324的区域内，高压汽轮机段300具有轴密封装置345。透平轴309通过另外两个轴密封装置345相对于中压汽轮机段303的具有例如厚壁区16的外缸315密封。在高压蒸汽流入区348与蒸汽排出区351之间，在高压汽轮机段300内透平轴309具有高压工作叶片安装装置354、357。这些高压工作叶片安装装置354、357与相关的没有详细表示出的工作叶片构成为第一叶片区360。中压汽轮机段303有一个中央蒸汽流入区333。透平轴309与该蒸汽流入区333对应地配设有一个径向对称的轴屏蔽装置363，即一块盖板，它一方面将蒸汽流分成中压汽轮机段303的两个流道，以及另一方面防止热蒸汽与透平轴309直接接触。透平轴309在中压汽轮机段303中有第二叶片区366，它包括中压工作叶片354、342。流过第二叶片区366的热蒸汽从中压汽轮机段303流出排流接管369，流向按流动技术连接在下游的图中没有表示出的低压汽轮机段。

Claims (25)

1.一种铸造方法，其中，将熔体(4)围绕至少一个未熔化的控制件(7)置入或将至少一个尚未熔化的控制件(7)插入到熔体(4)内，控制件附加地提取熔体(4)冷却时散发的热量(Q)，在此过程中所述至少一个控制件(7)的材料成为通过此铸造方法制成的构件整体的组成部分，其特征在于，所述控制件(7)已插入或被插入在所述熔体(4)的一个相当于用此熔体(4)制造的构件(13)的厚壁区(16)的区域内。
2.一种铸造方法，其中，将熔体(4)围绕至少一个未熔化的控制件(7)置入或将至少一个尚未熔化的控制件(7)插入到熔体(4)内，控制件附加地提取熔体(4)冷却时散发的热量(Q)，在此过程中所述至少一个控制件(7)的材料成为通过此铸造方法制成的构件整体的组成部分，其特征在于，将所述控制件(7)插入到所述熔体(4)中的在该熔体(4)凝固后在对构件(13)后续加工时在用熔体(4)制成的该构件(13)中被切除材料的地方。
3.一种铸造方法，其中，将熔体(4)围绕至少一个未熔化的控制件(7)置入或将至少一个尚未熔化的控制件(7)插入到熔体(4)内，所述控制件附加地提取熔体(4)冷却时散发的热量(Q)，在此过程中所述至少一个控制件(7)的材料成为通过此铸造方法制成的构件整体的组成部分，其特征在于，在所述熔体(4)仍是液态和/或在该熔体(4)凝固期间，所述控制件(7)最多部分熔化。
4.按照权利要求1、2或3所述的铸造方法，其特征在于，在所述熔体(4)仍是液态和/或在该熔体(4)凝固期间，所述控制件(7)至少部分熔化。
5.按照权利要求1或2所述的铸造方法，其特征在于，所述控制件(7)不熔化。
6.按照权利要求1、2或4所述的铸造方法，其特征在于，在所述熔体(4)仍是液态和/或在该熔体(4)凝固期间，所述控制件(7)完全熔化。
7.按照权利要求1或2所述的铸造方法，其特征在于，在所述熔体(4)仍是液态和/或在该熔体(4)凝固期间，所述控制件(7)最多部分熔化。
8.按照权利要求1至7中任一项所述的铸造方法，其特征在于，将所述熔体(4)置入到铸模(10)中；以及，所述控制件(7)的材料与该铸模(10)的材料不同。
9.按照权利要求1至8中任一项中所述的铸造方法，其特征在于，所述控制件(7)是金属。
10.按照权利要求1至9中任一项所述的铸造方法，其特征在于，所述控制件(7)已插入在或被插入在所述熔体(4)的一个相应于用此熔体(4)制造的构件(13)的厚壁区(16)的区域内。
11.按照权利要求1至10中任一项所述的铸造方法，其特征在于，将控制件(7)插入到所述熔体(4)中尤其在该熔体(4)凝固后在对构件(13)后续加工时在用熔体(4)制成的该构件(13)中应切除材料的地方。
12.按照权利要求1至11中任一项所述的铸造方法，其特征在于，所述控制件(7)大小相同。
13.按照权利要求1至12中任一项所述的铸造方法，其特征在于，所述控制件(7)大小不同。
14.按照权利要求1至13中任一项所述的铸造方法，其特征在于，作为熔体采用尤其含球墨的灰铸铁熔体(4)。
15.按照权利要求1至14中任一项所述的铸造方法，其特征在于，在凝固的熔体内达到球状的石墨生成。
16.按照权利要求1至15中任一项所述的铸造方法，其特征在于，作为熔体采用一种镍基、钴基或铁基超级高温合金或一种钢水。
17.按照权利要求1或16所述的铸造方法，其特征在于，通过此铸造方法制造汽轮机或燃气轮机(100)的构件(13)，尤其机匣构件。
18.按照权利要求1至17中任一项所述的铸造方法，其特征在于，主动冷却所述至少一个控制件(7)。
19.按照权利要求1至18中任一项所述的铸造方法，其特征在于，在此铸造方法中不从外部注入材料，亦即不是压铸法。
20.按照权利要求1至19中任一项所述的铸造方法，其特征在于，至少一个控制件(7)是实心体、固体和结晶体。
21.按照权利要求1至20中任一项所述的铸造方法，其特征在于，所述控制件(7)具有尤其为圆柱形结构的细长的形状，尤其细长、对称的形状。
22.按照权利要求1至21中任一项所述的铸造方法，其特征在于，所述控制件(7)的材料与熔体(4)的材料至少是同类的。
23.一种铸造的构件(13)，它由凝固的铸造熔体(4)和至少一个非铸造的控制件(7)组成。
24.按照权利要求23所述的构件，其特征在于，该构件(13)具有厚壁区(16)和尤其还有薄壁区；以及，所述至少一个控制件(7)存在于厚壁区(16)内。
25.按照权利要求23或24所述的构件，其特征在于，所述构件(13)是灰铸铁铸件。
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