CN101839642B - 能够应对热应力并且适于熔炼高活性合金的耐火坩埚 - Google Patents

Abstract

一种能够应对热应力并且适用于熔炼高活性合金的耐火坩埚(8)，其具有表面涂覆部分(16)、背衬(22)、以及至少一个绕坩埚(8)的背衬(22)的至少一部分应用的护环(30)，护环(30)包括从由导电材料、非导电材料、以及其组合组成的组中选择的成分。

Description

能够应对热应力并且适于熔炼高活性合金的耐火坩埚

技术领域

这里说明的实施例大体上涉及能够应对热应力的坩埚。更加具体地，这里的实施例大体上说明具有至少一个用于应对热应力的护环的耐火坩埚，此坩埚适合熔炼高活性钛合金，例如钛铝合金等。

发明背景

涡轮发动机设计师不断地寻找用于减少发动机重量并且获得更高的发动机运转温度的性能提高的新材料。钛合金，以及特别地，铝化钛(TiAl)基合金，具有有前途的例如室温塑性和韧性等的低温机械性能以及高中温强度和抗蠕变力的组合。由于这些原因，TiAl基合金具有取代目前用于制造大量涡轮发动机部件的镍基超合金的潜力。

真空感应熔炼是一个经常用于制造例如翼型件(airfoil)等涡轮发动机部件的方法，并且一般涉及在由非导电的耐火合金氧化物制成的坩埚中加热金属直到坩埚中的金属炉料熔炼为液态形式。当熔炼例如钛或钛合金等高活性金属时，典型地使用采用冷壁或石墨坩埚的真空感应熔炼。这是因为从陶瓷坩埚熔炼和铸造能够在坩埚上引入明显的热应力，其能够导致坩埚开裂。这种开裂能够减少坩埚的寿命并且在铸造的部件内引入夹杂物。

此外，由于在熔炼发生需要的温度合金中元素的反应性，当熔炼例如TiAl等高活性合金时可能出现困难。如前所述，尽管大多数真空感应熔炼系统使用耐火合金氧化物用于感应熔炉中的坩埚，例如TiAl等的合金具有如此高的反应性以至于它们能够侵蚀坩埚中存在的耐火合金并且污染钛合金。例如，典型地避开陶瓷坩埚因为高活性TiAl合金能够损坏坩埚并且钛合金既受到氧也受到来自氧化物的耐火合金污染。类似地，如果使用石墨坩埚，钛铝化物能够从坩埚溶解大量的碳进入钛合金，因此导致污染。这种污染导致钛合金机械性能的丧失。

另外，尽管冷坩埚熔炼能够提供用于前述的高活性合金加工的冶金优点，它也具有许多技术和经济局限性，包括低过热、由于凝壳(skull)的形成以及高功率要求的产量损失。此外，不希望有的热应力可在熔炼和铸造过程中在坩埚内积累，其能够损伤坩埚，导致开裂。更加具体地，坩埚不同的区域在熔炼和铸造过程中能够经受不同的热应力。

例如，由于感应耦合坩埚的外侧典型地比坩埚的内侧热得更快，并且在浇注后也比坩埚的内侧冷却得快。这个温度差异能够将最大应力点域从坩埚的内侧转移到坩埚壁，并且促使穿过那里开裂。如另一个例子，在熔炼过程中，典型地绕坩埚顶部没有很大的热应力，因为在这个区域没有熔融的材料。然而，在浇注过程中，熔融金属将接触到坩埚的顶部，因而增加在坩埚的这个区域存在的热应力。如前所述，这种热应力，以及热应力的变化，能够导致坩埚开裂，其能够缩短坩埚寿命并且负影响坩埚的性能。

因此，仍然存在对能够应对在铸造高活性钛合金的过程中产生的热应力的耐火坩埚的需求。

发明内容

这里的实施例一般涉及能够应对热应力并且适合用于熔炼高活性合金的耐火坩埚，其包括表面涂覆部分、背衬、以及至少一个绕坩埚的背衬的至少一部分而应用的护环(retaining ring)，护环包括从由导电材料、非导电材料、以及其组合组成的组中选择的成分。

这里的实施例一般也涉及能够应对热应力并且适合用于熔炼高活性合金的耐火坩埚，其包括表面涂覆部分、背衬、以及多个绕坩埚的背衬而应用的护环，每个护环具有包括从大约1mm到大约50mm的厚度以及从大约1mm到大约200mm的宽度的几何结构。

这里的实施例一般也涉及能够应对热应力并且适合用于熔炼高活性合金的耐火坩埚，其包括基底区、过渡区、下部区、上部区、以及浇注唇边区中的任何区域，以及多个应用于坩埚的至少两个区域以应对在坩埚不同区域存在的特定的热应力的护环。

这些和其他特征、方面以及优点从下列说明中对于那些本领域技术人员将变得明显可见。

附图说明

尽管说明书以权利要求结束其特别地指出并且清楚地要求本发明的权利，认为从下列与附图结合的说明将更好地理解这里阐述的实施例，其中相同的参考号标识相同的单元。

图1是根据这里的说明的坩埚的一个实施例的示意远视图；

图2是根据这里的说明的模型(form)的一个实施例的示意远视图；

图3是根据这里的说明的坩埚铸模(mold)的一个实施例的横截面示意图；

图4是图3的坩埚铸模的实施例的横截面的一部分的示意近视图；

图5是根据这里的说明的在去除结构并且应用表涂层后的坩埚铸模的一个实施例的横截面示意图；

图6是根据这里的说明的具有护环的坩埚的一个实施例的示意远视图；

图7是根据这里的说明的具有一个以上护环的坩埚的一个实施例的横截面示意图，每个环具有不同的几何结构。

具体实施方式

这里说明的实施例大体上涉及能够应对在铸造高活性钛合金的过程中产生的热应力的耐火坩埚。更加具体地，这里说明的实施例一般涉及能够应对热应力并且适合用于熔炼高活性合金的耐火坩埚，其包括表面涂覆部分、背衬、以及至少一个绕坩埚的背衬的至少一部分而应用的护环，护环包括从由导电材料、非导电材料、以及其组合组成的组中选择的成分(composition)。

尽管这里的实施例一般关注于适合用于熔炼用于制造接近纯粹形状的翼型的TiAl的坩埚，本说明不应该限制于此。那些本领域内技术人员将理解本实施例可适合用于熔炼任何用于制造任何其中热应力是个问题的近终形燃气涡轮机部件的钛合金。

参考图1，这里的实施例涉及适合用于熔炼高活性合金并且特别是钛合金的耐火坩埚8。坩埚8可以具有内部9并且可以根据下文的说明制造。为了开始，可以制造坩埚铸模。作为这里使用的“铸模”涉及未烧制的部件其当在适合的条件下烧制后形成图1的坩埚8。为了制造坩埚铸模，可以如图2所示提供结构10。尽管结构10可以包括任何能够从坩埚铸模去除的材料，在一个实施例中，结构10可以包括蜡、塑料或木材，并且可是空心的或实心的。此外，结构10可以采用任何形状并且具有任何制造坩埚期望的内部所需要的尺寸，并且可包括手柄12，或其他为了便于操作的类似的机械装置。

如图3和4所示，包括至少一层表面涂层18，以及可选地至少一层灰泥层20的表面涂覆部分16可以应用于模型10。如这里自始至终所用的，“至少一个(种)”意思是可有一个(种)或一个(种)以上并且具体的层将这里自始至终称作“第一表面涂层”，“第二表面涂层”，以及类似的。由于表面涂层18可以在熔炼过程中与TiAl接触，表面涂层18应该对易反应的TiAl是惰性的以便不会在熔炼中降低合金的品质并且污染合金。因此，在一个实施例中，表面涂层18可包括氧化物。如这里自始至终所用的，“氧化物”指从由氧化钪、氧化钇、氧化铪、镧系元素氧化物、以及其组合组成的组中选择的成分。此外，镧系元素氧化物(也被称作“稀土”成分)可包括从由氧化镧、氧化铈、氧化镨、氧化钕、氧化钷、氧化钐、氧化铕、氧化钆、氧化铽、氧化镝、氧化钬、氧化铒、氧化镱、氧化镥、以及其组合组成的组中选择的氧化物。

表面涂层18可包括由氧化物粉末混入胶状悬浮液内制成的表面涂料浆料(facecoat slurry)。在一个实施例中，氧化物粉末可是小颗粒粉末具有小于大约70微米的尺寸，并且在另一个实施例中，从大约0.001微米到大约50微米，并且在更另一个实施例中从大约1微米到50微米。胶体可以是任何以控制的方式胶化的胶体并且对例如TiAl等是惰性的，例如，胶状二氧化硅、胶状氧化钇、胶状氧化铝、胶状氧化钙、胶状氧化镁、胶状二氧化锆、胶状镧系元素氧化物、以及其混合物。尽管任何前面列出的氧化物可以用于制造表面涂层18的表面涂料浆料，在一个实施例中，表面涂料浆料可包括在胶状二氧化硅悬浮液中的氧化钇颗粒，而在另一个实施例中，表面涂料浆料可包括在胶状氧化钇悬浮液中的氧化钇颗粒。表面涂料浆料的成分可以变化，然而，一般而言，表面涂料浆料可包括按重量计算从大约40％到大约100％的氧化物以及从大约0％到大约60％胶体。

一旦表面涂层18的表面涂料浆料使用常规方法制备，模型10使用从由浸蘸、喷涂、以及其组合组成的组中选择的方法可与表面涂料浆料接触。一般地，一旦应用，表面涂层18可以具有厚度从大约50微米到大约500微米，并且在一个实施例中从大约150微米到大约300微米，并且在更另一个实施例中，大约200微米。

尽管仍然是湿的，表面涂层18可选地涂有灰泥层20，如图3和4所示。如这里使用的，“灰泥(stucco)”指粗陶瓷颗粒一般具有大于大约100微米的尺寸，并且在一个实施例中从大约100微米到大约5000微米。灰泥20可以应用于每个表面涂层以帮助增加坩埚壁的厚度并且提供额外的强度。多种材料可适合用作灰泥层20，然而，在一个实施例中，灰泥可包括耐火材料，例如但不限制于氧化铝或铝硅酸盐等，与如这里定义的氧化物结合。灰泥层20中耐火材料与氧化物的比例可以变化，然而，在一个实施例中，灰泥层20可以包括按重量计算从大约0％到大约60％的耐火材料以及从大约40％到大约100％的氧化物。灰泥层20可以任何可接受的方式应用于表面涂层18，例如举例的喷撒(dusting)。一般地，灰泥层20可以具有厚度从大约100微米到大约2000微米，并且在一个实施例中从大约150微米到大约300微米，并且在更另一个实施例中大约200微米。

表面涂层18，以及可选的灰泥层20可以被风干并且如果期望附加的表面涂层和灰泥层可以前述方式应用以完成表面涂覆部分16。在图3和4示出的实施例中，存在第一和第二表面涂层18，以及间隔灰泥层20，但是那些本领域内技术人员将理解表面涂覆部分16可包括任何数量的表面涂层和灰泥层。尽管每个表面涂层18可包括不同氧化物/胶体混合物，在一个实施例，每个表面涂层18包括相同的氧化物/胶体混合物。一旦应用了期望数量的表面涂层18和灰泥层20，那么可应用背衬22。

背衬22可以帮助向完成的坩埚8提供额外的强度和耐久性。如此，背衬22可由至少一层背衬层24组成，其在图4中示出可以包括包含在胶状二氧化硅悬浮液中的从由氧化铝、硅酸镐、二氧化硅、以及其组合组成的组中选择的耐火材料的背衬浆料。具体的层可在这里自始至终称作“第一背衬层”、“第二背衬层”、以及类似的。例如，在一个实施例中，背衬层24可包括由在胶状二氧化硅悬浮液中的氧化铝颗粒制成的背衬浆料。背衬浆料的成分可以变化，然而，一般而言，背衬浆料可包括都按重量计算从大约10％到大约40％的耐火材料以及从大约60％到大约90％的胶体。与表面涂层类似，每层背衬层24可选择地包括与其粘着的灰泥层20，如图4所示，其可与之前用于制造表面涂覆部分的灰泥相同或不同。包括灰泥的每层背衬层24可以具有从大约150微米到大约4000微米的厚度，并且在一个实施例中从大约150微米到大约1500微米，并且在更另一个实施例中大约700微米。

与表面涂层类似，每层背衬层24可使用从由浸蘸、喷涂、以及其组合组成的组中选择的方法应用。尽管可以应用任何数量的背衬层，在一个实施例中，可有从2到40层背衬层。每层背衬层24可包括相同成分的耐火材料和胶体，每层可不同，或它们可包括介于之间的某些组合。在应用期望数量的背衬层以及可选择的灰泥层后，获得的坩埚铸模26可以进一步加工。

应该注意到在某些情况下通过改变如它们应用的颗粒尺寸、层厚度和/或成分使灰泥层渐变。如这里使用的，术语“渐变”以及其所有形式指通过例如增加灰泥材料的颗粒尺寸、增加灰泥层的厚度和/或使用越来越坚固的耐火材料/胶体成分作为灰泥层来逐渐增加随后应用的灰泥层的强度。这样的渐变可以允许灰泥层调整以克服它们应用到的不同表面涂层以及背衬层的热膨胀和化学性质的差异。更加具体地，渐变灰泥层提供不同的孔隙度并且可以调节坩埚的模量，其一起采用可以帮助克服如前所述热膨胀的差异。

接着坩埚铸模26可使用常规的方法弄干并且可去除模型10。可使用多种方法从坩埚铸模26去除模型10。如前所述，模型10可包括蜡并且因此可通过将坩埚铸模置于熔炉、蒸汽压热器(autoclave)、微波、或其他类似的设备中去除，并且熔化模型10在坩埚铸模26中留下空的内部9，如图5所示。从坩埚26熔化模型10要求的温度一般可以是低的并且在一个实施例中，可以在大约40℃到大约120℃的范围。

可选地，接着坩埚铸模26的内部9可用胶状浆料洗涤以形成表涂层(topcoat)28，如图5所示。在烧制坩埚之前，洗涤一般可以包含使用任何那些本领域内技术人员已知的方法应用涂层于坩埚的内部，例如喷涂等。表涂层28可以具有任何期望的厚度，然而，在一个实施例中，表涂层具有多达大约500微米的厚度，并且在另一个实施例中从大约20微米到大约400微米。表涂层28可以包括从由在胶状氧化钇悬浮液中的氧化钇，在胶状二氧化硅悬浮液中的氧化钇，以及其的组合组成的组中选择的胶状浆料。这个表涂层可以帮助进一步确保坩埚在熔炼过程保持对钛合金的惰性。

接着空心坩埚铸模26可以烧制到更高的温度。烧制坩埚铸模26可以帮助向完成的坩埚提供额外的强度因为在这个加热处理过程中，组成表面涂层、灰泥、以及背衬层的材料可以互相扩散并且烧结到一起。开始，坩埚铸模可以烧制到从大约800℃到大约1400℃的温度，并且在一个实施例中从大约900℃到大约1100℃，并且在一个实施例中大约1000℃。这个初步烧制可以持续进行用以帮助烧掉任何剩余的模型材料所需要的任何时间长度，同时也在坩埚的陶瓷成分(constituent)之间提供有限程度的互相扩散，其在一个实施例中可是从大约0.5小时到大约50小时，在另一个实施例中从大约1小时到大约30小时，并且在更另一个实施例中大约2小时。接着，坩埚铸模可以烧制到从大约1400℃到大约1800℃的温度，并且在一个实施例中从大约1500℃到大约1800℃，并且在更另一个实施例中从大约1600℃到大约1700℃。这个二次烧制可以持续进行用以大致上完成陶瓷成分的互相扩散所需要的任何时间长度，也引起在表面涂料(facecoat)氧化物中存在的胶体的反应，其在一个实施例中可是从大约0.5小时到大约50小时，在另一个实施例中从大约1小时到大约30小时，并且在更另一个实施例中大约2小时。例如，胶状二氧化硅可以形成硅酸盐，而胶状氧化钇可以与在表面涂料的浆料中存在的氧化钇颗粒烧结。

尽管坩埚8具体的特性可以根据期望的用途改变或改进，在一个实施例中，坩埚8可以具有至少大约3mm的总体壁厚，其包括所有表面涂层、灰泥层以及背衬层，并且在另一个实施例中至少大约6mm，并且在更另一个实施例中从大约6.5mm到大约40mm。大于大约40mm的壁厚可以导致不可取的长的高加热次数。类似地，背衬与表面涂覆部分的厚度比率在一个实施例中可以是从大约6.5∶1到大约20∶1。同上，厚度比率大于大约20∶1由于氧化铝背衬层的厚度能够导致不可取的长的高加热次数。

接着坩埚8可以装配至少一个护环30，并且在一个实施例中，多个护环，如图6和7分别所示。环30可以向坩埚8的一个区域或一个以上区域施加压应力其可以帮助坩埚8耐受在铸造过程中的加热、熔炼、浇注以及冷却阶段期间的热应力。可以调整环的数量、位置、成分、以及几何结构以应对在坩埚的不同区域存在的特定热应力，例如基底区32、过渡区34(即连接基底区32与下部区36的部分)、下部区36(即在铸造过程中容纳钛熔融物侧)、上部区38(即在铸造过程中钛熔融物上侧)，以及浇注唇边区40。

更加具体地，在某些情况下，使用一个以上环30可是有利的，如图7所示，以克服在坩埚不同区域存在的应力。例如，在上部区38的环向应力可得益于环的存在。如果使用一个以上环30，那些本领域内技术人员将理解每个环30可具有不同的成分、位置以及几何结构，如下文说明的。

此外，环30的成分可包括多种导电材料，非导电材料，以及其组合，其可以基于期望的性质选择。在一个实施例中，环30可包括从由石墨、碳化硅、陶瓷氧化物、氮化物(例如氮化铪以及氮化钛)、以及其组合组成的组中选择的耐火成分，因为这种成分具有使环30如预期起作用所需要的正确的热膨胀系数。

另外，环30可具有变化的几何结构，如图7所示，其可以调整以提供期望程度的压应力。如这里使用的，“几何结构”指护环30的厚度和宽度。一般来说，随着环30的厚度和宽度增加，通过环30施加的压应力的程度也增加。尽管环30可包括任何期望的厚度T和宽度W，在一个实施例中，环30可以具有从大约1mm到大约50mm的厚度T，并且在一个实施例中从大约1mm到大约20mm，并且在更另一个实施例中从大约5mm到大约20mm，并且厚度W从大约1mm到大约200mm，并且在一个实施例中从大约1mm到大约100mm，在更另一个实施例中从大约2mm到大约50mm，并且在更另一个实施例中从大约3mm到大约15mm。通过具体地调整环30的数量、位置、成分以及几何结构到坩埚的特定区域，可以优化热应力抗力以帮助确保坩埚在加热、熔炼、浇注、以及冷却阶段期间保持它的完整性。

不管护环30的数量、位置、成分或几何结构，其的应用一般遵循相同的步骤。环30可以被加热以使内径扩大并且使环30能够在期望区域绕坩埚配合。尽管环30加热到的确切温度可以根据成分和几何结构变化，一般而言，环可加热到从大约23℃(73°F)到大约1400℃(2550°F)的温度，在一个实施例中从大约100℃(212°F)到大约1400℃。加热可使用任何那些本领域内技术人员已知的适合的方法或设备完成，例如，但不限于，熔炉、煤气燃烧器、感应系统、以及类似的。一旦加热，环可绕坩埚的期望区域来应用。随着加热的环冷却到室温，它绕坩埚收缩配合，从而绕坩埚的所选择的区域施加压应力状态。如果使用一个以上的环，可以使用相同的步骤应用每个环于坩埚。此外，如果使用一个以上的环，那些本领域内技术人员将理解所有的护环可是相同的(即具有相同的成分和几何结构)，每个护环可是不同的(即每个护环可具有不同的成分和几何结构)，或其组合(即护环可具有相同的成分但不同的几何结构，或相同的几何结构但不同的成分)。

带有在适当位置的一个环或一个以上环，坩埚可用于熔炼钛合金，并且特别地，TiAl，使用那些本领域内技术人员已知的常规熔炼和铸造技术。这里的坩埚可以快速加热而不会在铸造过程的熔炼、浇注、铸造以及冷却阶段中的任何过程开裂。

这个改进的坩埚性能的可以归功于绕坩埚的抵抗环(resistancering)或环的应用。如前所述，环在坩埚上施加残余压应力的状态其可以减少能够导致坩埚开裂的热应力的积累。因此，可以改善坩埚的性能，以及坩埚的寿命。此外，由于在坩埚中能够有更少的裂缝，当与在常规石墨或陶瓷坩埚中熔炼的TiAl相比在熔炼过程中TiAl的污染的可能性降低了。合金减少的污染能够导致由本合金制造的部件较由使用目前方法的TiAl制造的那些部件显示出更少的开裂以及更少的缺陷。

这个书面说明使用例子公开本发明，包括最佳模式，以及也使任何本领域内技术人员能够做出并且使用本发明。本发明可取得专利的范围通过权利要求定义，并且可包括其他那些本领域内技术人员想起的例子。这种其他的例子规定为在本权利要求的范围内如果它们具有与本权利要求的字面语言没有不同的结构单元，或如果它们包括与本权利要求的字面语言无实质不同的等效的结构单元。

部件列表

8坩埚

9内部(坩埚的)

10模型

12柄

14

16表面涂覆部分

18表面涂层

20灰泥层

22背衬

24背衬层

26坩埚铸模

28表涂层

30护环

32基底区

34过渡区

36下部区

38上部区

40浇注唇边区域

T厚度

W宽度

Claims (10)

1.一种能够应对热应力并且适用于熔炼高活性合金的耐火坩埚(8)，其包括：

表面涂覆部分(16)；

背衬(22)；以及

至少一个绕所述坩埚(8)的所述背衬(22)的至少一部分而应用的护环(30)，所述护环(30)包括从由导电材料、非导电材料、以及其组合组成的组中选择的成分，其中，所述护环冷却到室温时绕坩埚收缩配合。

2.一种能够应对热应力并且适用于熔炼高活性合金的耐火坩埚(8)，其包括：

基底区(32)、过渡区(34)、下部区(36)、上部区(38)、以及浇注唇边区(40)中的任何区域；以及

多个绕所述坩埚(8)的至少两个区域(32、34、36、38、40)而应用的护环，用以应对在所述坩埚(8)的不同区域存在的特定的热应力，其中，所述护环冷却到室温时绕坩埚收缩配合。

3.如权利要求1或2中任一项所述的坩埚(8)，其中每个护环(30)包括从由石墨、碳化硅、陶瓷氧化物、氮化物、以及其组合组成的组中选择的成分。

4.如权利要求1或2中任一项所述的坩埚(8)，其中，每个护环(30)包括具有从1mm到50mm的厚度(T)的几何结构。

5.如权利要求3所述的坩埚(8)，其中，每个护环(30)包括具有从1mm到50mm的厚度(T)的几何结构。

6.如权利要求4所述的坩埚(8)，其中所述几何结构还包括从1mm到200mm的宽度(W)。

7.如权利要求5所述的坩埚(8)，其中所述几何结构还包括从1mm到200mm的宽度(W)。

8.如权利要求1所述的坩埚(8)，其中绕所述坩埚(8)应用多个护环(30)。

9.如权利要求8所述的坩埚(8)，其中应用所述护环(30)以用于应对在所述坩埚的不同区域中存在的特定热应力。

10.如权利要求2、8或9中任一项所述的坩埚(8)，其中所有的所述护环(30)包括相同的成分和几何结构。