CN101439401A - 液体金属定向铸造设备和方法 - Google Patents
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Abstract
披露了一种用于定向铸造液体金属以便形成制品的方法。所述方法包括对介于铸模激冷板(12)与铸模组件中间的密封构件(40)进行压缩，其中所述密封构件限定了所述铸模组件中的壳模(18)的边界；将熔融金属充注在所述铸模组件(10)中的所述壳模(18)内；从所述铸模组件的底部部分向着所述铸模组件的顶部部分将所述铸模组件(10)浸没在液体金属冷却槽(36)内；并且将热量从所述铸模组件(10)传送至所述液体金属冷却槽(36)从而使所述熔融金属从所述铸模组件的底部部分向着所述铸模组件的顶部部分进行凝固。还提供了一种用于定向铸造液体金属以便形成制品的设备。
Description
技术领域
本发明的披露内容主要涉及一种用于铸造制品的设备和方法，且特别是，本发明涉及一种用于定向铸造制品的设备和方法。
背景技术
某些部件，如用于燃气轮机引擎的涡轮轮叶和定子叶片，通常是采用定向凝固铸造方法制造出来的。在该方法中，要构造用于被铸造的特定部件，例如涡轮机轮叶或叶片，的专用壳模。
定向凝固铸造可借助于获得单晶部件而增强这些部件的强度。这里，铸模组件通常包括壳模(型腔)和激冷板，其中所述激冷板位于铸模组件的最低位置处。整个铸模组件随后被升高而进入加热室内，在所述加热室中对所述铸模组件进行预热，且随后将处于过热液体熔融物状态下的所需超合金充注在所述铸模组件内。其后，优先对铸模组件的底部进行冷却、将所述底部浸没在液体金属冷却槽(cooling bath)，如熔融锡或铝内，以便在铸件中形成较大的温度梯度并且起动为了实现所需晶体成形而需要进行的非定向凝固过程，所述所需晶体成形以向上推进而穿过铸模组件的方式进行。换句话说，在铸模中充注有熔融金属之后，该铸模以受控速率被降低而进入到液体金属冷却槽内，从而转变部件上的热梯度，因此导致产生定向凝固。在结束壳模内部熔融物的凝固之后，铸模组件从该冷却槽、炉和壳体中被去除。
为了实现垂直向上的非定向晶体生长，沿轴向(垂直)方向构建出均匀的高热梯度，从而使得在壳模内存在水平的液体-固体界面，且该界面随着金属的冷却而垂直向上移动。该冷却沿垂直(轴向)方向以非定向方式发生。沿径向方向(即沿径向向着铸模组件外面的方向)产生的任何热量损失或热梯度可导致出现不受控的晶体生长。当壳模的外部部分在壳模的内部部分冷却之前产生冷却时会出现这种不受控的晶体生长并且这会导致产生非平面的液体-固体界面。
如上面所述，典型的铸模组件具有位于其底部处的激冷板，所述激冷板适于通过将热量从壳模传导至液体金属槽而实现壳模的冷却。然而，当前设计中存在的一个问题是激冷板与壳模之间的密封有效性。当前设计易于产生泄漏，即使得液体金属流入铸模组件内且使得铸造金属从铸模组件中流出而进入冷却槽内。如果没有有效的密封，则铸造金属通常会经受来自熔融物的液体金属的表面侵蚀，例如氧化、热腐蚀和热疲劳。此外，该熔融金属还将受到溢出的铸造金属的污染。因此，如果没有有效的密封，则会损害铸造工艺的可靠性。
发明内容
本文披露了用于使用熔融金属定向铸造制品且用于对铸模组件中的壳模进行密封的方法。在一个实施例中，用于定向铸造制品的方法包括对介于铸模激冷板与铸模组件中间的密封构件进行压缩，其中所述密封构件限定了所述铸模组件中的壳模的边界；将熔融金属充注在所述铸模组件中的所述壳模内；以受控速率从所述铸模组件的第一位置向着所述铸模组件的第二位置将所述铸模组件浸没在液体金属冷却槽内；并且随着从所述铸模组件的所述第一位置向着所述铸模组件的所述第二位置浸没所述熔融金属组件，将热量从所述铸模组件传送至所述液体金属冷却槽从而使所述熔融金属定向凝固。
在另一实施例中，用于对铸模组件中的壳模进行密封的方法包括在所述铸模组件的底表面中形成通道，其中所述通道限定了所述壳模的边界；将第一环置于所述通道中；并且将所述铸模组件紧固到铸模激冷板上并将所述第一环压缩靠在所述铸模激冷板和所述铸模组件上。
在又一实施例中，用于定向铸造制品的方法包括将铸模组件紧固到激冷板上，其中所述铸模组件包括用于接收熔融金属的开口、与所述开口流体连通的至少一个壳模和从至少一个壳模上沿侧向延伸出的裙缘，其中所述裙缘包括通道，所述通道被设置在底表面中并被构造用以围绕所述至少一个壳模，所述通道进一步包括被设置在其中的由可压缩材料制成的环，其中所述激冷板包括凸部，所述凸部具有与所述铸模组件的所述通道互补的形状；加热所述铸模组件；将熔融金属充注在所述铸模组件中的至少一个壳模中；以受控速率从所述铸模组件的第一位置向着所述铸模组件的第二位置降低所述激冷板和所述铸模组件而使其进入液体金属冷却槽内；并且随着所述铸模组件从所述第一位置向着所述第二位置转移，将热量从所述铸模组件传送至所述液体金属冷却槽从而使所述熔融金属凝固。
在又一实施例中，一种用于定向铸造制品的设备包括铸模组件，所述铸模组件包括用于接收熔融金属的开口、与所述开口流体连通的至少一个壳模和从所述至少一个壳模上沿侧向延伸出的裙缘，其中所述裙缘包括被设置在底表面中的通道和凸部中选定的其中之一，所述选定的其中之一被构造用以围绕所述至少一个壳模；和激冷板，所述激冷板包括所述通道和所述凸部中选定的另一者，所述选定的另一者具有互补形状从而使所述凸部位于所述通道内，用以当所述铸模组件被附接到所述激冷板上时限定出围绕所述至少一个壳模的密封件。
下面的附图和详细描述示例性地示出了上述特征和其它特征。
附图说明
下面参见附图，图中示出了本发明的典型实施例且在附图中使用类似的附图标记表示相似的元件：
图1是群模组件(cluster mold assembly)设备的剖视图；
图2是示出了根据一个实施例的群模组件设备的部分剖面透视图；
图3是示出了根据另一实施例的群模组件设备的部分剖面透视图；
图4是示出了根据又一实施例的群模组件设备的部分剖面透视图；
图5是示出了根据又一实施例的群模组件设备的部分剖面透视图；
图6是示出了根据另一实施例的群模组件设备的部分剖面透视图；和
图7示出了沿线7-7截取的图1所示设备的剖视图，图中示出了围绕每个铸模开口的单个密封件构型。
具体实施方式
本申请披露了一种用于对铸造模型组件中的壳模与激冷板之间的界面进行有效密封的设备和方法。图1示出了位于激冷板12上的铸模组件10的剖切透视图。铸模组件10大体上包括开口14，所述开口例如呈漏斗形且与浇道16流体连通，所述浇道与一个或多个壳模18流体连通。壳模，即型腔，限定出要铸造出的部件的形状。具有一个以上壳模的铸模组件通常被称作群模组件。裙缘20沿侧向延伸穿过该铸模组件的最底部部分。沟槽(即通道)22被形成于裙缘的底表面中，从而使得壳模18被包含在由该沟槽限定出的周界内，即该通道限定了壳模的边界。
在一个实施例中，激冷板12包括大体上呈平面的表面24和凸部26，所述凸部围绕表面24的周界限定了径向的边界。凸部26具有与沟槽22互补的形状，从而使得所述凸部在进行机械紧固之前被置于该通道内，所述机械紧固例如是通过机械连接器来实现的，所述机械连接器例如是，但不限于，系杆、绳索、夹持件或可以机械方式实现所需夹持功能同时保持了炉和熔融物的高温的任何其它固定装置。凸部26或通道22的形状并不旨在受到限制且通常被构造用以围绕该壳模18或者对于群模组件而言围绕一个或多个壳模。表面24还用来封住该壳模的面向激冷板，即位于铸模组件的底表面处(图7更清晰地示出了这一点)，的开口。支承轴28被联接至激冷板12以便实现降低铸模组件10而使其进入液体金属冷却槽内的目的。
可选地，在该实施例以及本文披露的其它实施例中，可进行相反的布置。示例性地，可在该激冷板的顶表面中形成沟槽且在铸模组件的底表面中形成凸部，其中该沟槽和凸部具有互补的形状，从而使得当铸模组件和激冷板被紧固在一起时该凸部可位于该沟槽内。更进一步地，可形成具有相对关系的多个沟槽和凸部，例如迷宫型密封件。
尽管铸模组件可被用来铸造多种不同的制品，但应该相信，其特别适宜于铸造涡轮机引擎轮叶，例如翼面，或者铸造由镍基、铁基和/或钴基超合金制成的叶片。然而，应该理解：该方法和设备不限于铸造任何特定制品或金属。例如，可在铸造由钛和/或其它金属制成的具有任何所需构型的制品的过程中使用该设备和方法。在群模组件中，例如图示的一个群模组件中，可使用多个壳模同时铸造多个部件如轮叶或叶片。该部件可以是相同或不同的。在使用之前，铸模组件10以机械方式被紧固到激冷板12上。
炉30包封住铸模组件10且具有常规设计。该炉并不旨在限于任何特定形状且图中示出的炉是典型性的。例如，该炉可包括线圈32，可接通所述线圈以便在炉的抽真空空间中提供热量，该铸模组件位于所述空间内。一旦铸模组件10已被加热至所需温度，则通过漏斗形件14将熔融金属浇注进入该铸模内以便充注该模型腔体18。图中示出的炉可包括与该漏斗形件14共轴对齐的附加的漏斗形件34或开口。通常对围绕该附加的漏斗形件或开口的空间进行抽真空处理以便防止熔融金属在被浇注进入铸模组件10时受到污染。
液体金属冷却槽36被设置在铸模组件10和激冷板12下方。该液体金属冷却槽被保持在低于铸模中金属的固相线温度的温度下。因而，当铸模组件10移动进入该液体金属冷却槽内时，铸模中的金属从该铸模的下端部分向着该铸模的上端部分产生定向凝固。激冷板12确保了铸件在冷却时产生定向凝固。当需要铸造出具有柱状晶粒的金属制品或者需要将金属制品铸造为单晶体时，铸模中熔融金属的定向凝固是特别适宜的。铸造材料还可在浇道16中进行凝固。在一些实例中，凝固的浇道铸件旨在作为最终铸造部件的一部分；在其它情况下，凝固的浇道铸件被丢弃或进行再循环。
在一个实施例中，铸模组件10和激冷板12进一步包括由陶瓷或金属材料制成的环40，即密封构件。在这些实施例中，通道22将具有可有效地容纳该凸部和环的长度和高度尺寸。该环可被构造用以具有比该凸部更小的直径从而接靠在该凸部的内表面上。另一种可选方式是，该环可具有比凸部更大的直径从而接靠在凸部的外表面上。更进一步地，可使用相对于该凸部处于内部的环和处于外部的环。图2-图4示出了环40的各种布置。尽管特定地描述了环的使用，但应该理解：所述形状可产生变化且并不旨在受到限制。适合的形状包括圆形、椭圆形和/或任何多边形形状。
图5示出了用于在铸模组件10与激冷板12之间提供密封件的另一可选实施例。在该实施例中，激冷板12包括环形通道42，环40被设置在所述环形通道内。在该实施例中，该环40可被制成一定尺寸以便从激冷板的呈平面的表面伸出并在将铸模组件10附接到激冷板12上时延伸进入该裙缘20的通道22内。即，环40具有大于铸模组件中的环形通道的高度尺寸的剖面直径。可选地，可根据一些应用场合的需要对该通道进行倒角处理。
在图6所示的另一实施例中，激冷板12的呈平面的表面24没有上述凸部或通道。环40被设置在铸模组件10的裙缘20中的环形通道22内，从而使得在将铸模组件10附接到激冷板12上时，环40压缩靠在该呈平面的表面上从而提供有效密封。因而，环的直径被制成尺寸略大以便在铸模组件和激冷板进行机械紧固时提供靠在该呈平面的表面上的压缩力。可选地，在本实施例或其它任何实施例中，在适用的情况下，可在该环上涂覆用来有效地防止出现相对较小泄漏的材料。例如，该环上可涂覆有基于陶瓷的糊剂。
如前面所述，该环可由陶瓷、金属和类似物制成。适合的材料包括，但不限于，碳化硅、碳、石墨、氧化铝、铝、铜和类似材料。该环可由多股丝制成，所述多股丝可被卷绕在一起以便形成单个单元或可在保持独立状态的情况下被置于捆束中。该环可被构造以具有实心剖面或可被构造以具有中空剖面结构。示例性地，该绳可由陶瓷-纤维丝制成，例如在高达2200华氏度(1204摄氏度)的温度下仍具有高强度和低收缩性的氧化铝-氧化硼-硅石纤维。这些纤维以Nextel 312、Nextel 440和类似商标在商业上有售，以上都是3M Ceramic Materials Department，3M Center，St.Paul，Minnesota，55144，United States的商标。在绳端之间，该绳可被交叠或扭绞在一起以便形成无缝连接从而确保实现连续密封。
此外，可使用由陶瓷纤维制成的布。该布所使用的一些特定材料为氧化铝、氧化铝-硅石纤维或氧化铝-氧化硼-硅石纤维。该布尤其可被制成层状、被轧制或产生扭绞。同样由3M出售的陶瓷布的特定实例是商标名称为“Nextel”的布。
另一种可选方式是，该环可由韧性金属如铝、铜或类似物制成，所述韧性金属可根据一些应用场合的需要被压缩从而使得当在铸模与激冷板之间压缩该韧性金属时提供保形性。在一个实施例中，所选择的金属具有高于在液体金属铸造工艺过程中所经受温度的熔点。
尽管结合单个环形通道、凸部和/或环来限定出密封件的实施方式进行了描述，该密封件限定了铸模的边界，但在其它实施例中，则是为每个单独的壳模18都构造出密封组件，例如，在用来同时铸造多个部件的群模组件工艺中，这可能是有利的。图7示出了包括四个壳模18的典型的群模组件的剖视图。图1-图6所示实施例中描述的密封件被设置在由壳模18提供的铸模开口中的每个开口周围。通过这种方式，将对每个单独的铸模进行密封并防止铸模内的金属流出或者防止液体金属冷却槽中的金属流入。另一种可选方式是，可通过这种方式对由群模组件设备中的单独的壳模18提供的铸模开口中选定的铸模开口进行密封。例如，可使用其中一个密封件对四个群模组件设备中的其中两个壳模进行密封且可对其余壳模进行单独密封或共同密封。密封布置的各种组合并不旨在受到限制。密封布置是通过以机械方式压缩该环，如果存在该环的话，或者通过将激冷板中的凸部与如前所述的铸模组件的相应的成型环形通道对齐来实现的。
当要在铸模组件10中铸造制品时，包括壳模18的铸模组件被置于激冷板12上并移动进入炉30内。典型的炉包括线圈32，可接通所述线圈以便对铸模组件10进行加热。熔融金属随后通过开口34且通过漏斗形件14以已公知的方式被浇注进入经过预热的铸模组件内。炉将熔融金属保持在高于金属的固相线温度的温度下。铸模组件随后以受控速率被降低而进入液体金属冷却槽36内。为了从炉中降低铸模，被联接至激冷板12的支承轴28向下移动。这导致激冷板移动进入液体金属冷却槽内。随着铸模组件的下端被冷却，熔融金属从铸模组件的下端部分向着铸模组件的上端部分向上凝固。
有利地，本文所述的密封件构型防止了在铸造金属凝固之前熔融金属流出壳模或者液体金属冷却剂流入壳模内部。典型的实施例可在壳模及其支承激冷板之间提供紧密密封。这种紧密密封对于防止熔融金属完全凝固之前泄漏出铸模而言或者对于相反地防止冷却介质流入铸模内并与铸件反应而言是必要的。这种密封的该实施例具有多个方面，这包括处于壳体和激冷板中的表面特征、垫圈、以及围绕铸模开口设置的密封件构型。
更进一步地，有利地提高了通过液体金属冷却的定向凝固工艺的产率。更好的密封减轻了不希望的金属流入壳模18内以及流出液体金属冷却槽的几率从而使得泄漏更少并使得受损铸件的数量更少。因而，借助于使壳模溢流最小化并且借助于产生在最小程度上受到冷却介质的表面侵蚀的铸件而使得通过液体金属冷却的铸造工艺的铸造产量将得到提高且更为高效。由上述实施例提供的增加的产量将使得液体金属铸造成本与常规铸造工艺相比更具成本竞争力，这在液体金属铸造工艺的商业化进程中是很关键的步骤。此外，由于单独的密封件构型和可能的冗余而使得每个壳模开口将具有增强的保护。
正如本文所使用地，术语“包括(comprising)”意味着各种组分、化合物、部件、层、步骤和类似物可相结合地用于本发明中。因此，术语“包括(comprising)”包括了更具限制性的术语“基本上由......构成”和“由......构成”。
除非以其它方式限定，否则本文所使用的技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员通常理解的意义相同的意义。术语“a”和“an”并不意味着限制了数量，而是表示存在所述项目。
在整个说明书中所提到的“一个实施例(one embodiment)”、“另一实施例(another embodiment)”、“实施例(an embodiment)”等意味着在本文所述的至少一个实施例中包括有结合该实施例所述的特定元件(例如特征、结构和/或特性)，且该特定元件可能存在于或者可能并不存在于其它实施例中。此外，应该理解：在各个实施例中，所述元件可以任何方式进行组合。
上述说明使用了实例来描述包括最佳模式的本发明且还使得能够实施本发明，这包括制造和使用任何装置或系统以及实施任何所包括的方法。本发明的可专利范围由所附权利要求书限定，且可包括其它实例。对于这种其它实例而言，如果它们具有并非不同于该权利要求书的字面意义的结构元件，或它们包括与该权利要求书的字面意义并无明显不同的等效结构元件，则它们旨在处于该权利要求书的范围内。
零件表
10 铸模组件
12 激冷板
14 开口
16 浇道
18 壳模
20 裙缘
22 通道
24 呈平面的表面
26 凸部
28 支承轴
30 炉
32 线圈
34 漏斗形件
36 液体金属槽
40 环
42 通道
50 密封件。
Claims (10)
1、一种用于定向铸造制品的方法，所述方法包括：
对介于铸模激冷板(12)与铸模组件(10)中间的密封构件(40)进行压缩，其中所述密封构件(40)限定了所述铸模组件(10)中的壳模(18)的边界；
将熔融金属充注在所述铸模组件(10)中的所述壳模(18)内；
以受控速率从所述铸模组件(10)的第一位置向着所述铸模组件(10)的第二位置将所述铸模组件(10)浸没在液体金属冷却槽(36)内；并且
随着从所述铸模组件的所述第一位置向着所述铸模组件的所述第二位置浸没所述熔融金属组件，将热量从所述铸模组件(10)传送至所述液体金属冷却槽(36)从而使所述熔融金属定向凝固。
2、根据权利要求1所述的方法，其中所述铸模组件(10)是包括多个所述壳模(18)的群模组件，且其中所述密封构件(40)被设置在所述群模组件中的所述壳模(18)中的每个壳模周围。
3、根据权利要求1所述的方法，其中所述密封构件(40)被选择以具有比所述密封构件(40)所经受的运行温度更高的熔化温度。
4、根据权利要求1所述的方法，其中所述密封构件(40)具有一定形状，所述形状包括大体上呈圆形的形状、大体上呈椭圆形的形状或大体上呈多边形的形状。
5、根据权利要求1所述的方法，其中压缩所述密封构件(40)的步骤包括将所述密封构件(40)置于在所述铸模组件(10)的底表面上形成的通道(22)中，其中所述密封构件(40)具有大于所述通道(22)的高度尺寸的直径。
6、一种用于定向铸造制品的设备，所述设备包括：
铸模组件(10)，所述铸模组件包括用于接收熔融金属的开口(14)、与所述开口(14)流体连通的至少一个壳模(18)和从所述至少一个壳模(18)上沿侧向延伸出的裙缘(20)，其中所述裙缘(20)包括被设置在底表面中的通道(22)和凸部(24)中选定的其中之一，所述选定的其中之一被构造用以围绕所述至少一个壳模；和
激冷板(12)，所述激冷板包括所述通道(22)和所述凸部(24)中选定的另一者，所述选定的另一者具有互补形状从而使所述凸部(24)位于所述通道(22)内，从而使得当所述铸模组件被附接到所述激冷板上时限定出围绕所述至少一个壳模的密封件。
7、根据权利要求6所述的设备，进一步包括当所述激冷板(12)与所述铸模组件(10)被紧固在一起时接靠在所述凸部(26)的内侧上且位于所述通道(22)内的环。
8、根据权利要求6所述的设备，进一步包括当所述激冷板(12)与所述铸模组件(10)被紧固在一起时接靠在所述凸部(26)的外侧上且位于所述通道内的环。
9、根据权利要求6所述的设备，进一步包括当所述激冷板(12)与所述铸模组件(10)被紧固在一起时接靠在所述凸部(26)的每个侧壁上且位于所述通道内的两个环。
10、根据权利要求7所述的设备，其中所述环被制成一定尺寸从而使得在紧固所述铸模组件(10)与所述激冷板(12)时，所述环产生压缩。
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
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