CN102441658A - 单向凝固工艺和用于其的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及单向凝固工艺和用于其的设备。具体而言，提供了用于使用单向铸造技术铸造合金的设备(50)和方法。该设备(50)包括铸模(52)、第一加热区域(60)、冷却区域(64)和隔热区域(62)，铸模(52)适于容纳一定量的熔化合金(56)，第一加热区域(60)适于将铸模(52)和其中的熔化合金加热至高于合金的液相线温度的温度，冷却区域(64)适于将铸模(52)和其中的熔化合金冷却至低于合金的固相线温度的温度并从而产生单向凝固铸件，并且隔热区域(62)位于第一加热区域(60)与冷却区域(64)之间。该设备(50)还具有第二加热区域(66)，其通过第一加热区域(60)而与隔热区域(62)分开。第二加热区域(66)将铸模(52)和其中的熔化合金保持在低于合金的液相线温度的温度。第一和第二加热区域(60，66)中的温度被单独设定和控制。

Description

单向凝固工艺和用于其的设备

技术领域

本发明大体上涉及用于生产定向凝固铸件的材料和工艺，并且尤其涉及能够减少合金中的缺陷的工艺和设备，该合金铸造为长单晶(SX)和定向凝固(DS)的物件，包括但不限于燃气涡轮和其它高温应用的构件。

背景技术

燃气涡轮的构件，例如叶片(动叶)、静叶(喷嘴)和燃烧器构件通常由镍、钴或铁基超级合金形成，其特征是在涡轮操作温度下具有所需的机械特性。因为燃气涡轮的效率取决于其操作温度，所以目前一直在努力开发能够承受更高温度的构件，并且尤其是涡轮动叶、喷嘴和燃烧器构件。随着用于燃气涡轮构件的材料需求增加，已经使用各种加工方法和合金成分来增强由超级合金形成的构件的机械、物理和环境特性。例如，在苛刻应用中所采用的动叶、喷嘴和其它构件通常通过单向铸造技术铸成，以便具有定向凝固(DS)或单晶(SX)微观结构，其特征是沿着晶体生长方向的优化的晶体定向，从而产生柱状多晶物件或单晶物件。

如本领域中已知的那样，用于生产SX和DS铸件的定向铸造技术通常需要将所需的合金熔液倾倒至熔模中，该熔模被保持在高于合金的液相线温度的温度。一种这样的工艺在图1和图2中被展示为设备10，其采用布里奇曼型的熔炉来创建包围壳体铸模12的加热区域26以及位于铸模12下方的冷却区域42。区域26和42可分别被称为“热”区域和“冷”区域，其在这里被用来相对于正在凝固的合金的熔化温度指示它们的温度。铸模12具有与被描绘为涡轮动叶的铸件32(图2)的预期形状相对应的内部空腔14。因此，图1将空腔14描绘为具有区域14a、14b和14c，它们设置为用以分别形成铸件32的翼型部分34、柄部36和燕尾榫38(图2)。空腔14还可包含芯部(未显示)，以用于在铸件32中形成冷却通道的目的。铸模12被显示为被固定至冷板24，并放置在加热区域26(布里奇曼熔炉)中。加热区域26将铸模12加热至高于合金的液相线温度的温度。冷却区域42正好位于加热区域26下方，并操作用以通过传导、对流和/或辐射技术冷却铸模12和其中熔化的合金16。例如，冷却区域42可以是包括液体冷却池46(例如熔化金属)的箱(tank)，或者是辐射冷却箱，其可被抽空或包括处于周围温度或冷却温度的气体。冷却区域42还可采用气体冲击冷却或流化床(fluidized bed)。

由隔板、热屏蔽或其它合适手段限定的隔热区域44位于加热区域26和冷却区域42之间并将其分隔开。隔热区域44用作对加热区域26所发射的热辐射的屏障，从而促进铸模12和冷却池46之间的急剧的轴向热梯度。隔热区域44具有可变大小的开口48，如图1中所示，其在铸模12从加热区域26抽出、穿过隔热区域44并进入液体冷却池46中时，可使隔热区域44紧密地配合在铸模12的形状周围。

图1和图2中所示类型的铸造工艺通常是在真空或惰性气氛中进行的。在铸模12被预热至被铸造的合金的液相线温度以上的温度之后，熔化的合金16被倾倒至铸模12中，并且通过将铸模12的基部和冷板24以固定的抽出速度向下抽回到冷却区域42中而开始单向凝固工艺，直至铸模12完全处于冷却区域42中，如图2中所示的那样。隔热区域44需要在凝固前沿保持较高的热梯度，以便防止定向凝固工艺期间新晶粒的成核。冷板24的温度优选地被保持于冷却区域42的温度或其附近，使得枝晶生长开始于铸模12的下端，并且凝固前沿向上行进穿过铸模12。铸件32从位于铸模12的底部的小块28外延地生长。块28可以是例如圆柱形的激冷试块或锥形的种子件(seedpiece)，单晶体从选晶器30(例如猪尾状结构)由该种子件形成。柱状单晶体在空腔14的扩大部分中变得更大。桥40连接铸件32的突出部分以及铸件32的下面部分，使得单向的柱状单晶体基本贯穿铸件32形成。如果铸件32不具有高角晶界(例如大于大约二十度)，那么铸件32通常被视为基本柱状的单晶体。

DS和SX物件的机械特性部分地取决于避免可能由于定向凝固工艺而发生的高角晶界、等轴晶粒以及其它潜在缺陷。作为一个示例，通常需要较小的枝晶臂间距以避免铸件缺陷(例如杂散晶粒、裂片和斑点)，并且改善增强相的均匀性以及改善物件的操作温度下的机械特性。在定向凝固期间，通过急剧的热梯度可在生长界面处有效地获得小的枝晶间距。在传统的布里奇曼设备中，加热区域26的温度通常被保持在比合金的液相线温度高大约300°F至大约400°F(大约160℃至大约220℃)的温度，从而获得足够高的热梯度。然而，如果壳体铸模12在加热区域26中在延长的时段内保持过高温度，那么可能不可避免地发生有害作用。这种尺寸缺陷可由于用于铸造工艺的铸模12和任何芯部的蠕变运动和变形而引起，并且表面光洁度缺陷由于熔化合金16和铸模12以及芯部之间的相互作用而引起。如果合金包括高温下有反应性的元素(“反应性元素”)，例如钇、锆和铪，并且在较小程度上包括其它元素，例如钽、钨、铼和钛(其也常常被称为是反应性的)，那么这种相互作用尤其是可能的。因为超级合金通常包括反应性元素，所以一般惯例是保护铸模12的表面，其通常由耐火材料(例如氧化铝或二氧化硅)形成，带有表面涂层，该表面涂层的非限制性示例包含氧化钇(Y₂O₃)。虽然在减少与许多合金成分的反应方面有效，但是保护性表面涂层未解决可在凝固工艺过程期间出现的其它缺陷，包括由于在过高温度下延长停留而引起的尺寸缺陷。

发明内容

本发明提供了一种用于铸造合金的设备和方法，其使用单向铸造技术来生产具有定向凝固(DS)或单晶(SX)微观结构的铸件。

根据本发明的第一方面，该设备包括一种铸模，其具有模腔，该模腔适于在合金凝固期间容纳一定量的熔化合金，以产生由模腔限定的单向凝固铸件。该设备还包括第一加热区域、冷却区域和隔热区域，第一加热区域适于将铸模和其中的该一定量的熔化合金加热至高于合金液相线温度的第一加热温度，冷却区域适于将铸模和其中的该一定量的熔化合金冷却至低于合金固相线温度的冷却温度并从而产生单向凝固铸件，并且隔热区域位于第一加热区域与冷却区域之间。隔热区域适于在其中限定热梯度，以便促进该一定量的熔化合金的单向凝固。该设备还具有第二加热区域，其通过第一加热区域与隔热区域分开。第二加热区域适于在铸模中获得第二加热温度，第二加热温度低于第一加热区域的第一加热温度，但仍充分接近合金的液相线温度，使得该一定量的熔化合金在第二加热温度下会包括固相和液相。最后，该设备包括这样的装置，该装置用于在该设备的第一方向上引起铸模与第一加热区域、冷却区域和隔热区域之间的相对运动，从而使铸模和其中的熔化合金顺序地经历第一加热区域、隔热区域以及随后冷却区域，该设备还包括温度控制装置，其用于单独地设定和控制第一和第二加热区域中的第一和第二加热温度，并且将第二加热温度保持在低于第一加热温度的水平。

根据本发明的第二方面，提供了一种利用上述设备来铸造合金的铸造方法。

根据本发明的另一方面，一种铸造合金的特定方法包括：当铸模的至少一部分位于设备的第二加热区域中时，将一定量的熔化合金倾倒至铸模的空腔中。第二加热区域造成位于第二加热区域中的该一定量的熔化合金处于第二加热温度，第二加热温度低于合金的液相线温度，但仍充分接近合金的液相线温度，使得该一定量的熔化合金在处于第二加热区域中时会包括固相和液相。铸模和该设备之间的相对运动于是造成铸模从第二加热区域平移穿过该设备的第一加热区域。第一加热区域将位于第一加热区域中的该一定量的熔化合金加热至高于合金液相线温度的第一加热温度，使该一定量的熔化合金中的固相熔化，并造成位于第一加热区域中的该一定量的熔化合金只包括液相。铸模与该设备之间的进一步的相对运动造成铸模从第一加热区域平移穿过该设备的隔热区域到该设备的冷却区域中。隔热区域在位于隔热区域中的该一定量的熔化合金中产生热梯度，从而造成进入冷却区域的该一定量的熔化合金的单向凝固。然后冷却铸模，产生单向凝固的铸件和其中的柱状晶体结构。

根据本发明的优选方面，可采用本发明的设备和方法来提升铸件(并且尤其是DS和SX铸件)的机械特性，其部分地取决于避免单向凝固工艺过程期间由于加热区域中的过高温度而可能出现的潜在缺陷。这种设备和方法还能够提高铸件的尺寸和冶金方面的质量，并减少凝固工艺的功率消耗。可受益于本发明的铸件的非限制性示例包括燃气涡轮的构件，例如护罩、动叶、叶片和喷嘴。

本发明的其它方面和优点从下述详细描述中将更好理解。

附图说明

图1和图2描绘了显示单向铸造(凝固)工艺的两个步骤的截面图，其用以根据现有技术生产单晶涡轮叶片。

图3示意性地描绘了(a)截面图，该截面图显示了根据本发明的一个实施例的能够执行单向凝固工艺的设备，并且还包括(b)指示该设备内的相对温度的图。

项目清单

10  设备

12  铸模

14  空腔

14a 区域

14b 区域

14c 区域

14d 区域

16  合金

24  板

26  区域

28  块

30  选晶器

32  铸件

34  部分

36  柄部

38  燕尾榫

40  桥

42  区域

44  区域

46  池

48  开口

50  设备

52  铸模

54  空腔

56  合金

58  冒口

60  区域

62  区域

64  区域

66  区域

68  元件

70  元件

72  板

具体实施方式

本发明可被用来从多种广泛的合金(包括但不限于镍基、钴基和铁基超级合金)生产各种铸件。本发明的某些能力特别适于生产具有严格的尺寸质量要求的伸长的物件，和/或包含高于可能另外地存在的附加量或痕量的反应性元素水平的合金。最显著的是，一种合金可包括一定水平的钇、锆和/或铪，该水平使得在该合金处于熔化状态时对于氧和/或铸模或芯部的表面为反应性的。其它潜在的相关元素包括钽、钨、铼和钛。在用于生产铸造物件的合金中通常会找到这些元素，铸造物件适于诸如燃气涡轮的热气体通路构件的应用，包括但不限于陆基燃气涡轮的动叶和喷嘴、飞行器燃气涡轮的叶片和静叶、以及在这两种类型的燃气涡轮中存在的护罩。为了提高其高温特性，这些构件常常是单向铸造的，以便具有柱状单晶(SX)或柱状多晶定向凝固(DS)的微观结构。虽然将参照燃气涡轮的构件描述本发明的优点，但是本发明的教导通常可适用于其它可受益于单向铸造的构件。

DS或SX铸件由所需合金的熔液(例如通过已知的真空感应熔化技术制备)生产。如本领域中已知的那样，铸件凝固期间的传热条件是受控的，使得凝固前沿单向并稳定地行进，以便产生初生柱状晶体/晶粒，并避免二次晶粒从熔液中成核和成形而与初生柱状单晶体竞争。本发明提出额外的步骤来提升铸件的机械、尺寸和冶金方面的特性，使其超过通常利用传统单向铸造技术获得的特性。

图3(a)示意性地显示了根据本发明的一个实施例的适于实现单向铸造技术的设备50。设备50被描绘为包括一种适于生产DS或SX铸件的壳体铸模52。如本领域中已知的那样，铸模52可由例如氧化铝或二氧化硅这样的材料形成，并且具有与铸件(未显示)的预期形状相对应的内部空腔54，铸件将在空腔54中由熔化的合金56形成。应当理解，复杂的芯部可定位在模腔54中，以便在铸件中形成内部通道/特征。铸模52被描绘为包括冒口58，通过该冒口58将所需合金的熔液引入铸模52中。如本领域中已知的那样，液态金属还可通过浇铸系统(未显示)引入模腔54中，在这种情况下，冒口58可简单地用于进给铸件的凝固收缩。铸模52被固定至与图1和图2中所示相似的冷板72。因为图3(a)的设备50以及图1与图2中所示的传统设备10之间额外的相似性，对图3(a)的下述论述将主要聚焦在设备50与图1和图2的设备10的某些明显或显著不同的方面。没有进行任何详细论述的图3(a)的设备50的其它方面在结构、功能、材料等方面可基本上如对于图1和图2的设备10所述的那样。

如图1和图2中所示的设备10和工艺那样，利用图3(a)的设备50执行的铸造工艺优选地在真空或惰性气氛中进行。在通过冒口58(或单独的浇铸系统)引入所需合金的熔液之前，优选地预加热铸模52。铸模52然后穿过加热区域60，铸模52在那里被加热至与合金的熔化温度相等或其以上的温度，并且更具体地说高于合金的液相线温度，在此之后通过将冷板72和铸模52的基部以固定的速率向下抽出穿过隔热区域62而开始单向凝固，凝固在隔热区域62那里开始，并且然后进入冷却区域64，凝固在冷却区域64那里完成。因为加热区域60和冷却区域64之间的温度梯度，所以在合金中将存在一个温度范围，如图3(a)中通过用于表示空腔54中的合金56的不同的剖面线示意性描绘的那样。冷却区域64可包括液态金属冷却池，或者用于辐射冷却的真空或周围空气或冷却空气。取决于特定情况，基本上贯穿整个铸件形成单向柱状晶体(DS)或单个单向柱状晶体(SX)。例如，基于铸模52的基部处的小块单晶种子材料(未显示)的晶体结构和定向可造成铸模52中的SX铸件外延地生长(例如关于<100>定向)，单晶体从选晶器(未显示)由该种子材料形成。可以相似的方式来生产DS铸件，但对铸模52而言带有更改，使得铸模52的基部处的生长区域对于冷板72而言是打开的，并且省略选晶器。

如从图3(a)中显而易见的那样，设备50不同于图1和图2的设备10，部分地在于引入了定位在加热区域60的入口处的第二加热区域66，出于方便起见，加热区域60现在将被称为设备50的第一加热区域60。设备50设置为用以保持传统布里奇曼熔炉中的加热区域(例如图1和图2的设备10的加热区域26)的主要功能，同时最大限度地减小和潜在地消除传统布里奇曼熔炉的加热区域中可能发生的某些有害影响。具体地说，同图1和图2的单个连续的加热区域26相比，第一加热区域60和第二加热区域66在设备50中提供了两个分离的热区域。第一加热区域60和第二加热区域66之间的重要区别是这些区域60和66中的温度是不同的并且被单独控制。第一加热区域60中的温度被优选地选定并被控制在对于图1和图2的传统布里奇曼设备10而言常规的水平，即，高于被铸造的合金的液相线温度并且优选地比其高得多的温度(例如高大约160℃至大约220℃)。第一加热区域60中的温度确定穿过隔热区域62的轴向热梯度，凝固在隔热区域62那里开始，如上文所述的那样。

相反，第二加热区域66中的温度被有意选择并被控制得低于第一加热区域60的温度，但仍高于合金的固相线温度。更优选地，第二加热区域66中的熔化合金56的温度低于但接近合金的液相线温度。例如，基于合金的液相线温度和固相线温度(T_液相和T_固相)之间的温差(ΔT)进行计算，第二加热区域66中的温度(T_SHZ)可在液相线温度的大约10％或更小的范围内((T_液相-0.1ΔT)≤T_SHZ＜T_液相)，并且更优选地在液相线温度的少许摄氏度内，例如在液相线温度的10℃或可能5℃内。因此，第二加热区域66中的温度被控制为用以将合金56保持在合金的固相线温度和液相线温度之间(被称为“糊状区域”)，并且因此第二加热区域66中的熔化合金56特征是包含极少量固相的液相。固相和液相的相应量将取决于该温度多么接近液相线温度。

对于特定大小的单向凝固铸件，第一加热区域60和第二加热区域66可占用与图1和图2的单个加热区域26所占用的体积或轴向长度相同的设备50的体积或轴向长度。换言之，图3(a)的加热区域60和66的组合大小不一定大于图1和图2的加热区域26。明显地，图3(a)中所示的第一加热区域60在设备50的轴向方向上比第二加热区域66短得多。设备50的这个方面是为了显著减少热的液态合金56与铸模52(和任何芯部)之间的接触时间，并因而最大限度地减少会由于表面反应和壳/芯部蠕变引起的有害影响。

图3(b)包括与设备50的表现相关联的图，以便指示用于第一加热区域60和第二加热区域66以及冷却区域64的温度设定(虚线)。由于加热区域60和66、隔热区域62和冷却区域64中的对流和/或扩散性传热，合金熔液和得到的铸件中的实际温度分布将更加平缓，如图3(b)中由连续实线所示的那样。缩写T_SHZ、T_PHZ和T_CZ在图3(b)中分别用于表示对于第二加热区域66、第一加热区域60和冷却区域64的设定温度，并且缩写T_固相和T_液相在图3(b)中分别用于表示合金的固相线温度和液相线温度。在熔化合金56以及图3(a)与图3(b)的图中还描绘了凝固前沿或界面的位置和温度。从图3(a)和图3(b)中应当理解，第一加热温度、第二加热温度和冷却温度可被认为分别存在于第一加热区域60、第二加热区域66和冷却区域64中，但这些温度不一定指特定或一致的温度，而是可指彼此不同的温度范围，例如，当处于第二加热区域66中时熔化的合金56中可能存在的温度范围、当处于第一加热区域60中时熔化的合金56中可能存在的较高的温度范围，以及在冷却区域64中的合金凝固期间和之后得到的铸件中可能存在的较低的温度范围。

从图中显而易见的是，虽然第二加热区域66中的熔化合金的设定温度(T_SHZ)和实际温度略低于T_液相，但是第一加热区域60中的熔化合金56的设定温度(T_PHZ)和实际温度明显高于T_液相，从而可在隔热区域62中实现急剧的热梯度。具体地说，第一加热区域60和冷却区域64中的实际温度之间的温差以及隔板或隔热罩(在其之间限定了隔热区域62)的厚度确定隔热区域62中的凝固界面处的温度梯度。因此，对于给定的单向凝固工艺而言，如果冷却区域64的温度以及隔热区域62的厚度保持不变，那么隔热区域62中的轴向热梯度将只由加热区域60确定，并且第二加热区域66的引入将不会改变轴向热梯度。本发明的这个方面允许第二加热区域66的长度显著长于第一加热区域60(如图3(a)中所示)，从而对于在不降低或另外地改变隔热区域62中的固体/液体界面处的热梯度的情况下操作设备50而言潜在地提供显著的能量节省。

取决于在利用设备50执行的工艺中所使用的气氛的相应温度范围和类型，第一加热区域60和第二加热区域66可分别采用相同或不同类型的加热元件68和70。例如，Ni-Cr导线、SiC杆/管、Pt-Rh导线和MoSi₂加热元件可分别用于在空气中达到高达大约1000℃、大约1400℃、大约1500℃和大约1700℃的温度。或者，Mo和/或W导线可用于在惰性气氛中达到高达大约3000℃的温度，并且可采用感应加热或石墨电阻加热以在惰性气氛中达到高达大约3500℃的温度。为了在第一加热区域60和第二加热区域66中达到不同的温度，应当理解，必须单独地设定和控制加热元件68和70，其可通过使用本领域中已知的任何合适类型的温度控制器(未显示)来实现。本发明的这个方面还提供适应不同结构/合金的铸件的能力，同时不需要对设备50进行任何变化，其结果是，设备50可比传统的布里奇曼熔炉显著更加通用。

从上文应当理解，利用设备50执行的单向凝固工艺的总体顺序可类似于图1和图2的顺序，并且对于这方面，其类似于利用其它传统布里奇曼熔炉所执行的单向凝固工艺。陶瓷铸模52优选地被预加热，并且在所需的温度(过热)下将主炉批(master heat)倾倒至模腔54中，主炉批可首先在安瓿管中重熔。在这方面，优选地使得模腔54内的熔液的温度稳定。这个稳定周期的长度和充分性可通过使用热电偶的直接测量或通过计算机模拟进行确定。一旦被充分稳定，操作任何合适设计的平移系统(未显示)，以便使铸模52以合适的速率从第二加热区域66平移穿过第一加热区域60和隔热区域62，然后到冷却区域64中，该速率将影响铸件的预期柱状晶体生长。这种平移运动可为铸模52的向下运动、设备50的向上运动或两者的组合的结果。

因为第二加热区域66内的熔化合金包括固相和液相，所以重要的是要注意，第一加热区域60用于使固体重熔，使得进入隔热区域62中的材料完全是液态(熔融)相。此外，第二加热区域66中的温度选择将确定固相和液相的相对量。考虑到合金的糊状区域中的凝固收缩和进给需求，从冒口58至隔热区域62的进给路径必须保持打开，证明第二加热区域66中的温度不能太接近于固相线温度。另一方面，被传送以便进给糊状区域收缩的液体应具有与主炉批相同的成分，其指示第二加热区域66中的温度应接近于液相线温度。在图3(b)中描绘了这种情形，其中在第二加热区域66中的温度略低于合金的液相线温度，其结果是，位于第二加热区域66中的熔化合金中存在少量固态结晶。固相的实际量将取决于合金的相图的细节以及第二加热区域66的设定温度(T_SHZ)。在任何情况下，因为固态结晶在第一加热区域60中重熔，所以不存在从固态结晶中生长出新晶粒的问题。

鉴于上文所述，应当理解，本发明的优选方面是设备50的能力以及利用设备50进行定向凝固工艺，以便在紧邻隔热区域62的熔化合金56中提供适当高的温度，用以在设备50的第一加热区域60与冷却区域64之间获得足够高的热梯度，从而为铸件产生所需的小的枝晶臂间距。同时，第二加热区域66被第一加热区域60所限定并与隔热区域62和冷却区域64间隔开，使得第二加热区域66中的熔化合金56的温度比第一加热区域60中更低。这样，与传统的布里奇曼熔炉相比，可显著地减轻由于熔化合金56与铸模52(和铸模52中的任何芯部)之间的延长的接触引起的有害作用。具体地说，可显著减少熔化合金56与铸模52(和可选的芯部)之间的表面反应，因为在熔化合金56中的反应性元素以及铸模52(和可选的芯部)的材料之间发生的反应的动力成指数地取决于温度。此外，由于蠕变引起的铸模52与任何芯部的相对运动和变形也得以减少，因为蠕变也成指数地取决于温度。此外，铸模52(和任何芯部)的强度在第二加热区域66中的较低温度下更大，从而进一步阻碍由于变形引起的铸模52与任何芯部的相对运动。因此，本发明能够提高铸件的质量(在通过减少芯部移位和铸模蠕变的倾向而改善其尺寸质量方面，在通过最大限度地减少熔化合金56与铸模52(和任何芯部)之间的反应而改善表面质量方面，以及在通过减少初级臂间距而改善内部冶金质量方面)，其抑制晶粒缺陷，并有助于获得增强相(例如镍基超级合金中的伽马析出物(γ′))的均匀分布。

其它潜在的好处源自第二加热区域66中的较低温度，其导致第二加热区域66中的熔化合金56的更高的密度，并且还可改善熔化合金56的进给能力以及得到的铸件的内部完整性。最后应该注意的是，第二加热区域66的引入不会降低第一加热区域60与冷却区域64之间的隔热区域62中获得的热梯度，并且可利用比图1和图2的现有技术的设备10所需的功率消耗可能更少的功率消耗获得所需的热梯度。

虽然已经根据特定的实施例描述了本发明，但显而易见的是，本领域中的技术人员可采用其它形式。例如，设备50的物理构造以及由其形成的铸件可不同于所显示的那样。因此，本发明的范围仅由所附权利要求限制。

Claims (10)

1.一种用于单向铸造合金的设备(50)，所述设备(50)包括铸模(52)、第一加热区域(60)、冷却区域(64)和隔热区域(62)，所述铸模(52)具有模腔(54)，所述模腔(54)适于在合金的凝固期间容纳一定量的熔化合金(56)，以便产生由所述模腔(54)限定的单向凝固铸件，所述第一加热区域(60)适于将所述铸模(52)和其中的所述一定量的熔化合金(56)加热至高于所述合金的液相线温度的第一加热温度，所述冷却区域(64)适于将所述铸模(52)和其中的所述一定量的熔化合金(56)冷却至低于所述合金的固相线温度的冷却温度并从而产生所述单向凝固铸件，并且所述隔热区域(62)位于所述第一加热区域(60)与所述冷却区域(64)之间，所述隔热区域(62)适于在其中限定热梯度，以便促进所述一定量的熔化合金(56)的单向凝固，其特征在于；

第二加热区域(66)通过所述第一加热区域(60)与所述隔热区域(62)分开，所述第二加热区域(66)适于在所述铸模(52)中达到第二加热温度，所述第二加热温度低于所述第一加热区域(60)的第一加热温度，并且低于但仍充分接近所述合金的液相线温度，使得所述一定量的熔化合金在处于所述第二加热温度时包括液相和少量固相；

用于在所述设备(50)的第一方向上引起所述铸模(52)与所述第二加热区域、第一加热区域、冷却区域和隔热区域(66，60，64，62)之间的相对运动的装置，从而使所述铸模(52)和其中的熔化合金顺序地经历所述第二加热区域(66)、所述第一加热区域(60)、所述隔热区域(62)以及然后所述冷却区域(64)；以及

温度控制装置(68，70)，所述温度控制装置(68，70)用于单独地设定和控制所述第一和第二加热区域(60，66)中的所述第一和第二加热温度，并保持所述第二加热温度处于低于所述第一加热温度的水平。

2.根据权利要求1所述的设备(50)，其特征在于，所述温度控制装置(68，70)包括至少一个第一加热元件(68)以及至少一个第二加热元件，所述至少一个第一加热元件(68)与所述第一加热区域(60)相关联，并适于产生热量以便在所述第一加热区域(60)中实现所述第一加热温度，并且所述至少一个第二加热元件与所述第二加热区域(66)相关联，并且适于产生热量以便在所述第二加热区域(66)中实现所述第二加热温度，其特征在于，所述温度控制装置(68，70)适于单独地设定和控制所述第一和第二加热元件(68，70)。

3.根据权利要求1或2所述的设备(50)，其特征在于，所述温度控制装置(68，70)适于设定和控制所述第二加热温度，使得所述第二加热温度低于所述合金的液相线温度但在少许摄氏度之内。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备(50)，其特征在于，所述第二加热区域(66)在所述设备(50)的第一方向上比所述第一加热区域(60)具有更长的长度。

5.一种铸造合金的方法，所述方法包括：

提供铸模(52)，所述铸模(52)在所述铸模(52)的空腔(54)中具有一定量的熔化合金(56)，所述铸模(52)的至少一部分位于设备(50)的第二加热区域(66)中，所述第二加热区域(66)造成位于所述第二加热区域(66)中的所述一定量的熔化合金(56)处于第二加热温度，所述第二加热温度低于但仍充分接近所述合金的液相线温度，使得位于所述第二加热区域(66)中的所述一定量的熔化合金(56)包括液相和少量固相；

在所述铸模(52)和所述设备(50)之间引起相对运动，使得所述铸模(52)从所述第二加热区域(66)平移穿过所述设备(50)的第一加热区域(60)，所述第一加热区域(60)将位于所述第一加热区域(60)中的所述一定量的熔化合金(56)加热至高于所述合金的液相线温度的第一加热温度，使所述一定量的熔化合金(56)中的固相熔化，并从而造成位于所述第一加热区域(60)中的所述一定量的熔化合金(56)只包括液相；

在所述铸模(52)和所述设备(50)之间引起相对运动，使得所述铸模(52)从所述第一加热区域(60)平移穿过所述设备(50)的隔热区域(62)并进入所述设备(50)的冷却区域(64)，所述隔热区域(62)在位于所述隔热区域(62)中的所述一定量的熔化合金(56)中产生热梯度，从而造成进入所述冷却区域(64)的所述一定量的熔化合金(56)的单向凝固；并且然后

冷却所述铸模(52)，以用于产生单向凝固的铸件以及其中的柱状晶体结构。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述设备(50)包括至少一个第一加热元件(68)以及至少一个第二加热元件(70)，所述至少一个第一加热元件(68)与所述第一加热区域(60)相关联并适于加热所述第一加热区域(60)，并且所述至少一个第二加热元件(70)与所述第二加热区域(66)相关联并适于加热所述第二加热区域(66)，所述方法还包括单独地控制所述第一和第二加热元件(68，70)。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，当处于所述第二加热区域(66)中的第二加热温度时，所述模腔(54)中的所述一定量的熔化合金(56)包括所述合金的固相和液相。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一和第二加热元件(68，70)被控制为使得所述第二加热温度低于所述合金的液相线温度但在少许摄氏度以内。

9.根据权利要求5至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述合金包括选自由钇、锆、铪、钽、钨、铼和钛组成的组中的至少一种元素。

10.根据权利要求5至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述合金是镍基、钴基或铁基超级合金，并且所述单向凝固铸件是燃气涡轮的构件。

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