CN101172301A - 促进带有罩的转叶中的晶粒结构的熔模铸造过程和设备 - Google Patents

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CN101172301A CNA2007101849877A CN200710184987A CN101172301A CN 101172301 A CN101172301 A CN 101172301A CN A2007101849877 A CNA2007101849877 A CN A2007101849877A CN 200710184987 A CN200710184987 A CN 200710184987A CN 101172301 A CN101172301 A CN 101172301A
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S·D·格雷厄姆
R·A·布里廷厄姆
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    • B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
    • B22D27/04—Influencing the temperature of the metal, e.g. by heating or cooling the mould
    • B22D27/045—Directionally solidified castings

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

本发明提出一种促进带有罩的DS涡轮机转叶中的晶粒结构的熔模铸造过程和设备。该熔模铸造过程能使定向凝固的具有尖端罩的涡轮叶片或转叶具有贯穿尖端罩(220)延伸的连续晶粒结构，同时还能增加部件的根部(214)中的晶粒数量。

Description

促进带有罩的转叶中的晶粒结构的熔模铸造过程和设备
技术领域
本发明涉及一种促进带有罩的DS涡轮机转叶中的晶粒结构的熔模铸造过程和设备，具体地涉及一种用于形成定向凝固的叶片的熔模铸造过程以及一种用于模制定向凝固的叶片的熔模铸造组件。
背景技术
燃气轮机通常包括一个产生压缩空气的压缩机段(或压缩机部分)，燃料与一部分压缩空气混和并在一个或多个燃烧室中燃烧，从而产生热压缩气体，热压缩气体在涡轮段(或涡轮部分)中膨胀以产生使轴旋转的功率。涡轮段通常包括多排交替布置的静叶片(喷嘴)和转动叶片(转叶bucket)，每个转动叶片都具有一个翼型部和一个根部，转动叶片通过根部固定到转子上。
在许多转动翼型上，在叶片的径向外端上使用成整体的尖端罩，以形成热气体必须经过的通道的外表面。让罩成为翼型的一部分导致发动机性能的增加，就这一点而论，希望整个外表面都由尖端罩所覆盖。然而，由于通过旋转速度所施加的机械力，转动翼型上的成整体的罩是受很高应力的部件。与高应力关联的高温环境使得设计一个在叶片的其余部分的整个使用寿命期间都有效地工作的罩成为一个挑战。罩的一个薄弱区域是翼型和尖端罩之间的圆角。解决该挑战的一个可能是减小施加到尖端罩圆角上的应力，一种常见的方法是使伸出的罩的一部分成扇形或将其去掉，从而减小所施加的负荷。然而，物理地去掉尖端罩覆盖导致发动机性能的损失。
发明内容
本发明涉及一种用于涡轮机例如飞机发动机、燃气轮机、蒸汽轮机等等的叶片，更具体地说，本发明涉及一种熔模铸造过程，该过程能使定向凝固的具有尖端罩的涡轮叶片或转叶具有一个贯穿尖端罩的连续晶粒结构，同时还能增加部件的根部中的晶粒的数量。本发明可以容易地应用于以地面为基础的涡轮机转叶或飞机发动机涡轮叶片。
因而，本发明可以一种用于形成定向凝固的叶片的熔模铸造过程来实施，该过程包括：提供一叶片模具，将所述模具定向以使得其用于形成所述叶片的一底部的一部分模腔位于其底部，而使得用于形成叶片的一尖端的一部分模腔位于其垂直上端；提供一在所述模具下面延伸的除热结构；使熔融金属流入所述模具的所述模腔中；和允许所述叶片从所述底部向上凝固。
本发明还可以一种用于模制定向凝固的叶片的熔模铸造组件来实施，该熔模铸造组件包括：叶片模具，所述模具被定向(或确定取向)以使得其用于形成所述叶片的底部的其一部分模腔位于其底部，而使得用于形成所述叶片的一尖端的一部分模腔位于其垂直上端；设置成在所述模具下面延伸的除热结构；和用于使熔融金属流入所述模具的所述模腔中的管道系统，由此所模制的叶片将从所述底部向上凝固。
附图说明
通过下面结合附图仔细研究本发明的目前优选的示例性实施例的更详细的说明，将会更完整地了解和理解本发明的这些和其他目的和优点，其中：
图1是带有尖端罩的涡轮叶片的示意性透视图；
图2是传统尖端罩的示意性平面图，其示出了罩的扇形形状；
图3是典型的涡轮叶片铸造布置的示意图；和
图4是根据本发明示例性实施例的过程的涡轮叶片铸造布置的示意图。
具体实施方式
在图1中示意性地示出了带有冷却通道的典型叶片，冷却通道在叶片尖端具有出口以溢出(flow over)尖端罩。如这里示意性地示出的，每个涡轮叶片10包括一翼型部12和一根部14，翼型部具有一前缘和一后缘，一大体上凹入的压力面和一大体上凸出的负压面在翼型的相对两侧上在前缘和后缘之间延伸。在图示的示例中，叶片根部14包括柄部16和鸠尾榫18，鸠尾榫18与转子上的相对应鸠尾槽接合，以将叶片固定到转子上。
如图1和2中所示，一罩20形成于翼型12的尖端并从翼型向外伸出，这样，罩具径向面向内和径向面向外的表面，且暴露于流过涡轮段的热压缩气体。每个罩都具有支承面22、24，在支承面22、24上面，罩与一相邻叶片的罩接触，从而抑制叶片振动。此外，一个或多个挡板26通常从罩径向向外伸出，以防止在相应的叶片排周围的热气体的泄露。在一些传统的转叶(bucket)叶片结构中，多个冷却空气通道径向向外贯穿叶片进入叶片尖端中。在其他传统的转叶叶片结构中，在翼型中限定有蜿蜒的通道。如图2中所示，径向的冷却空气通道按常规终止于空气排出孔28，空气排出孔28允许冷却空气在罩的径向向外表面处排出。
由于定向凝固(或定向固化(DS))的晶粒结构与等轴晶粒(或结晶)构造相比所展现的优良机械性质，在一些应用中想要定向凝固(DS)的涡轮叶片/转叶(图1)。典型地，DS晶粒沿垂直于激冷板且平行于退出方向的所希望的方向生长，但仅仅生长到一个点为止。DS晶粒不会环绕90度角或拐角生长。超过90度角，例如，穿过平台或尖端罩与翼型相连的半径，在或多或少垂直于翼型的那些表面中的晶粒结构和晶粒生长方向通常各方等大地或大约各方等大地结束，因而，涡轮叶片/转叶区域中例如尖端罩的多个部分中的晶粒结构没有所希望的或所需要的机械性质。本发明提供了一种过程，籍此能获得一个从翼型通过某些叶片/转叶的尖端罩的DS晶粒结构，同时还能增加部件的根部中的晶粒的数量。
在DS和单晶(SC)铸造技术变得适合成批生产之前，熔模铸造涡轮叶片和转叶被铸造为具有等轴结晶构造。由于这些部件的几何形状；即在根部和柄部端部(或末端)的横截面较大(或较粗)，其朝着在尖端的较小(或较细)横截面逐渐变细，所以允许熔融金属进入并充填置于较大的端部上模具的浇口上。通常以尖端以向下的姿态部分地铸造这些部件以在必需的填充和供料过程中利用重力，从而产生无疵铸件。在金属在形成浇口的端部处最长时间地保持熔融状态且可以用来供应铸件的场合，当金属受冷体积收缩时，尖端向下的姿态允许自然的填充和供料发生。这些结构在不同的结晶方向上具有不同的机械性质。
Bridgeman过程使得熔模铸件产生一种具有受控结晶取向，从而能利用特定结晶取向的优良性质。在DS过程中，晶粒在激冷板上成核并且它们的生长受排热方向和方法的控制。晶粒垂直于激冷板生长，它们能以一个角度生长，但一般它们不会环绕拐角生长，即，当它们变得平行于激冷板(或垂直于退出方向)时，它们通常会停止生长。如果/当晶粒的生长被与生长方向交叉的模具的表面(例如尖端罩或平台)打断时，晶粒也将停止沿所希望的方向的生长。
由于在尖端向下的姿态中生产传统的DS铸件，所以晶粒生长开始于转叶的尖端罩的最外表面处。当晶粒朝翼型生长时，从(铸件的外部)激冷板进入尖端罩的那些晶粒遇到部件(模具材料)的翼型气路表面并被阻止进一步生长，这些晶粒是被截断的DS晶粒，并且当部件被腐蚀时具有等轴晶粒的外观。它们不是真正地由等轴晶粒组成的，而是DS晶粒的短的部分，且这些区域中的性质很可能比得上DS晶粒结构的横向性质。
整个结构中的晶粒数量受允许晶粒生长穿过的最小横截面的限制。参考图3，在涡轮机转叶或飞机发动机叶片的典型铸造过程中，当晶粒生长从尖端罩120，一较小的横截面前进通过翼型112的不断增大的横截面，然后通过平台和总体上以附图标记114表示的柄部与鸠尾榫的仍然较大的横截面时，通过小的尖端罩120生长的晶粒数量没有增加，且实际上由于生长得较大、较快的晶粒吸收和推开了生长得较小的晶粒，生长通过小的尖端罩120的晶粒数量可能减少了。这样，需要现存的有限数量的晶粒填充部件的增大的横截面和体积，因而鸠尾榫具有的晶粒将比尖端罩少。在整个翼型中将会有许多晶粒，它们没有延伸到或穿过鸠尾榫，这些晶粒仅仅由将它们结合到相邻晶粒的力量(或强度)保持在一起。希望让尽可能多的晶粒保持在鸠尾榫，以使得部件的强度是结晶的晶粒的强度，而不是晶界强度。
因而，在利用Bridgeman过程的现有技术中，如图3中所示，部件与安装到除热结构(或构造或者特征)130(其例如可以是激冷板)的部件的尖端罩端120对齐。更具体地说，将熔融金属132倒入一浇注杯134，然后熔融金属通过一合适的管道系统，该管道系统将熔融金属最终给送到部件110中。除热结构，例如激冷板130设置成在模具下面水平地延伸并设为晶粒成核启动器。在图示的示例中，管道系统包括垂直取向的浇铸道136和从浇铸道136延伸到模具的给料管138，浇铸道136仅仅是一中空管。
如图3中所示，部件模具构形成使得尖端罩120设置在除热结构附近，翼型112从尖端罩垂直地延伸到柄部/鸠尾榫模具部分114，并且晶粒生长是在朝向柄部/鸠尾榫的方向上。在真空中铸造这些部件；即，没有空气存在并且不需要排气孔。
本发明的目的是提供一种转叶尖端罩中的晶粒结构，其比现有技术的结果更令人满意。例如，本发明将允许转叶晶粒环绕尖端罩圆角生长，在部件的这个受很大应力的区域中产生优良的机械性能。有了本发明提供的优良性能，能将涡轮机转叶设计成在较高的温度工作或工作更长的时间。在尖端罩圆角的示例中，本发明可以消除使尖端罩成扇形的需要，导致优良的发动机性能。本发明的另一个目的是增加鸠尾榫中的晶粒数量(在部件固定到涡轮机叶轮的场合)。在现有技术的过程中，从尖端罩120到鸠尾榫114贯穿部件的晶粒数量受到能通过翼型112和该翼型的脚印部的晶粒数量的限制，翼型112在脚印部与平台/柄部相连。这个小的脚印部，或窗口，限制将进入鸠尾榫的所希望的取向和性质的晶粒的数量。
本发明将部件210的模具定向以使得根部214向下，所以与现有技术相比，凝固和晶粒发生与生长开始于部件的相反端，并且凝固从鸠尾榫214向前移向尖端罩220；与现有技术的凝固和晶粒生长图案(或模式)相反大约180度。因而，参考图4中所示的示例性实施例，如传统的模制过程中那样，熔融金属232在通过管道系统流入部件210之前被倒入一浇注杯234。除热结构，例如激冷板，230设置成作为晶粒成核启动器在模具下面水平地延伸。在图示的示例性实施例中，管道系统包括垂直取向的浇铸道236和从浇铸道236延伸到模具的给料管238，浇铸道236仅仅是一中空管。作为选择，可以通过非垂直的浇铸道将合金引入到部件空腔中，并可以将给料管设置在另一个位置，位于除热结构230附近或沿着部件模具更高的位置。
与参考图3的上述传统过程大不相同，根据本发明的实施例，模具构形成使得柄部/鸠尾榫模具部分214设置在除热结构230附近，翼型212从柄部/鸠尾榫垂直向上延伸到尖端罩220，且晶粒生长是在朝向尖端罩220的方向上。
根据本发明的过程，与除热结构230接触的较大面积引发了较大量的被适当取向的晶粒，然后所述晶粒从大的横截面生长通过部件进入逐渐缩小的横截面。在受很大应力的鸠尾榫区域214中具有其性质优良的被更正确对齐的DS晶粒是所希望的，将被引发和被保持在鸠尾榫中的相同晶粒将贯穿翼型212的长度延伸，贯穿翼型的晶粒的数量的增加将导致部件中承受应力能力的增加。
尽管已经结合目前认为最实用和优选的实施例描述了本发明，但应该懂得，本发明不局限于公开的实施例，而是相反，本发明用来覆盖包含在所附权利要求书的精神和范围内的各种变型和等价方案。
部件编号
涡轮叶片             10
翼型部               12
根部                 14
柄部                 16
鸠尾榫               18
罩                   20
支承面               22，24
挡板                 26
空气排出孔           28
部件                 110
翼型                 112
柄部和鸠尾榫         114
尖端罩               120
激冷板               130
熔融金属             132
浇注杯               134
浇铸道               136
给料管               138
部件                 210
翼型                 212
柄部/鸠尾榫模具部分  214
尖端罩               220
激冷板               230
熔融金属             232
浇注杯               234
浇铸道               236
给料管               238
激冷板               230

Claims (10)

1.一种用于形成定向凝固的叶片的熔模铸造过程，它包括：
提供叶片模具(210)，将所述模具定向以使得其用于形成所述叶片的底部的模腔的部分(214)位于其底部和使得用于形成叶片的尖端的模腔的部分(220)位于其垂直上端；
提供在所述模具下面延伸的除热结构(230)；
使熔融金属(232)流入所述模具的所述模腔中；和
允许所述叶片从底部向上凝固。
2.如权利要求1所述的熔模铸造过程，其特征在于，将所述熔融金属给送到所述模腔的底部(214)。
3.如权利要求1所述的熔模铸造过程，其特征在于，其还包括提供与所述叶片模具(210)相邻的浇铸道(236)和提供用于使熔融金属从所述浇铸道流到所述模腔的给料管(238)。
4.如权利要求3所述的熔模铸造过程，其特征在于，所述浇铸道(236)是基本上垂直取向的，与所述叶片模具(210)相邻且平行于所述叶片模具(210)。
5.如权利要求1所述的熔模铸造过程，其特征在于，所述模具构形成用于形成涡轮转叶，所述模腔的底部构形成形成涡轮转叶的鸠尾榫/柄部(214)，且所述模腔的垂直上端构形成形成涡轮转叶的尖端罩(220)。
6.一种用于模制定向凝固的叶片的熔模铸造组件，它包括：
叶片模具(210)，所述模具被定向以使得其用于形成所述叶片的底部的模腔的部分(214)位于其底部和使得用于形成叶片的尖端的模腔的部分(220)位于其垂直上端；
设置成在所述模具下面延伸的除热结构(230)；和
用于使熔融金属(232)流入所述模具的所述模腔中的管道系统(236、238)；以及
由此模制的叶片将从底部向上凝固。
7.如权利要求6所述的熔模铸造组件，其特征在于，所述管道系统包括与所述叶片模具相邻的浇铸道(236)和用于使熔融金属从所述浇铸道流到所述模腔的给料管(238)。
8.如权利要求7所述的熔模铸造组件，其特征在于，所述给料管从所述浇铸道延伸到所述叶片模具的底部(214)。
9.如权利要求7所述的熔模铸造组件，其特征在于，其还包括位于浇铸道的垂直上端用于接纳熔融金属(232)的浇注杯(234)。
10.如权利要求6所述的熔模铸造组件，其特征在于，所述模具构形成用于形成涡轮转叶，所述模腔的底部构形成形成涡轮转叶的鸠尾榫/柄部(214)，且所述模腔的垂直上端构形成形成涡轮转叶的尖端罩(220)。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
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C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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