CN102912413B - 用于定向铸造的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于定向铸造的系统和方法。提供一种用于对伸长装置进行定向铸造的系统(10)和方法(80)。方法(80)包括使模型(14)在炉(12)内定向(82)成使得模型(14)的第一部分(28)朝下。模型(14)的第一部分(28)在模型(14)内限定用来形成装置的第一端的空间。装置的第一端在成形时比装置的第二端具有更大的质量。方法(80)还包括用熔融金属填充(84)模型(14)，并且降低(86)模型(14)，使其离开炉(12)而进入到液体金属浴槽(16)中，以将模型(14)的第一部分(28)浸入液体金属浴槽(16)中。方法(80)包括同时降低(88)模型(14)和液体金属浴槽(16)，以冷却熔融金属。

Description

用于定向铸造的系统和方法

技术领域

本发明涉及用定向铸造的系统和方法。

背景技术

在某些制造过程中，可铸造或浇铸装置或装置的构件。例如，可将诸如熔融金属的熔融材料倒入模型中，并且使其冷却而形成所讨论的装置或构件。在某些铸造系统中，可产生具有基本平行于诸如铸件的轴线而对准的多个单向晶体的伸长柱形结构。用这样的系统而产生的装置的对准晶体结构可具有其中可能出现缺点或破裂的晶粒边界。在其它定向铸造系统中，可制造不包含晶界的单晶装置，从而加强装置的强度。可使用用于冷却铸件的定向凝固的方法来产生这种单晶装置。通过使用定向凝固，典型地在限定装置的、沿竖向设置的模型的基部处产生期望的单晶生长结构。然后随着模型中的熔融金属的凝固，晶体生长结构从基部生长到模型的顶部。

液体金属冷却式定向凝固过程可用于定向凝固系统，以产生这种单晶结构。例如，当模型在炉中时，可用熔融金属来填充模型。炉可包括感应线圈或电阻加热器，以保持炉的热。然后可将模型降低到液体金属浴槽中。由于模型(包括熔融金属)和液体金属浴槽之间的热梯度大的原因，模型中的熔融金属在液体金属浴槽中变得凝固。模型首先在模型的基部处凝固成晶体结构，并且然后晶体随着越来越多的熔融金属的凝固而生长。对凝固的速度的控制取决于将模型从炉移动到液体金属浴槽中有多快。为了产生单晶结构，以特定的受控速率将模型降低到液体金属浴槽中。但是，由于所涉及的温度极限和梯度的原因，在液体金属浴槽中时，模型可能裂开，而且来自液体金属浴槽的金属可接触正在形成的装置，从而导致在装置上形成瑕疵(例如在装置的金属中的凹坑)。这样的制造缺陷可导致成形产品无法使用或不能用于其预计目的。

发明内容

根据一个实施例，提供一种使用模型来对伸长装置进行定向铸造的方法。该方法包括在炉内使模型定向成使得模型的第一部分朝下。模型的第一部分在模型内限定用来形成装置的第一端的空间。装置的第一端在成形时比装置的第二端具有更大的质量。该方法还包括用熔融金属填充模型，并且降低模型，使其离开炉而进入到液体金属浴槽中，以将模型的第一部分浸入液体金属浴槽中。在浸入模型的第一部分之后，该方法包括同时降低模型和液体金属浴槽，以冷却熔融金属。在模型和液体金属浴槽被降低时，模型的第一部分保持在液体金属浴槽内，而模型的其余部分则在液体金属浴槽的外部。

根据另一个实施例，提供一种对伸长装置进行定向铸造的系统。该系统包括用于装置的、构造成被熔融金属填充的模型。该模型具有用来形成装置的第一端的第一部分。装置的第一端在成形时比装置的第二端具有更大的质量。该系统还包括具有用于取出模型的开放式底部端的炉，以及液体金属浴槽，其设置在炉的下方，并且构造成冷却模型内的熔融金属，以及在模型被降低时降低。该系统包括构造成使模型被熔融金属填充的控制器。控制器还构造成使模型降低，使其离开炉而进入到液体金属浴槽中，以将模型的第一部分浸入液体金属浴槽中，并且然后使模型和液体金属浴槽同时降低，以冷却熔融金属。在模型和液体金属浴槽被降低时，控制器构造成使模型的第一部分保持在液体金属浴槽内，以及使模型的其余部分在液体金属浴槽的外部。

根据另一个实施例，提供一种工业制品。该工业制品包括其上编码有供处理器执行的指令的一个或多个有形的机器可读介质。该机器可读介质包括用以用熔融金属填充模型的指令，以及用以降低模型使其离开炉而进入到液体金属浴槽中以将模型的第一部分浸入液体金属浴槽中的指令。模型的第一部分在模型内限定用来形成装置的第一端的空间。装置的第一端在成形时比装置的第二端具有更大的质量。机器可读介质还包括用以在浸入模型的第一部分之后同时降低模型和液体金属浴槽的指令。在模型和液体金属浴槽被降低时，机器可读介质包括用以将模型的第一部分保持在液体金属浴槽内以及使模型的其余部分保持在液体金属浴槽的外部的指令。

附图说明

当参照附图来阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面与优点将变得更好理解，在附图中，相同符号在所有图中表示相同部件，其中：

图1是用于对伸长装置进行定向铸造的系统的实施例的示意图；

图2是图1的系统的实施例的示意图，其示出了模型被降低到液体金属浴槽中；

图3是图2的系统的实施例的示意图，其示出了模型和液体金属浴槽同时被降低；以及

图4描绘了用于对伸长装置进行定向铸造的方法的一个示例的流程图。

部件列表：

10 系统

12 炉

14 模型

16 液体金属浴槽

18 隔离箱

19 开口

20 加热条

22 加热条

24 模型壳

26 模型内部

28 第一部分

30 其余部分

32 模型定位组件

34 促动系统

36 臂

38 臂

40 指状物

42 指状物

44 箭头

46 浴槽容器

48 液体金属

50 液位

52 浴槽定位系统

54 基部

56 控制器

58 电缆

60 电缆

62 无单位的标尺

64 温度传感器

66 温度传感器

70 箭头

80 方法

82 步骤

84 步骤

86 步骤

88 步骤。

具体实施方式

下面将对本公开的一个或多个具体实施例进行描述。为了致力于提供对这些实施例的简明描述，可能不会在说明书中对实际实现的所有特征进行描述。应当理解，当例如在任何工程或设计项目中开发任何这种实际实现时，必须作出许多对实现而言专有的决定来实现开发者的具体目标，例如符合与系统有关及与商业有关的约束，开发人员的具体目标可根据不同的实现彼此有所改变。此外，应当理解，这种开发工作可能是复杂和耗时的，但尽管如此，对受益于本公开的普通技术人员来说，这种开发工作将是设计、生产和制造的例行任务。

当介绍本发明的各实施例的元件时，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”意图表示存在一个或多个该元件。用语“包括”、“包含”和“具有”意图为包括性的，并且表示除了列出的元件之外，可存在另外的元件。

如本文所论述的那样，用于对伸长装置进行定向铸造的系统和方法可用来产生诸如燃气轮机轮叶(即，涡轮叶片)的装置。燃气轮机轮叶包括翼型区段。在翼型区段的一端上可存在“护罩”，以阻止气体在没有对涡轮发动机的那个级提供能量的情况下绕过轮叶。在翼型区段的相对的端部上存在平台和柄部区域。平台将燃气轮机的热气区域与涡轮轮密封开，涡轮轮叶附连到涡轮轮上，并且柄部是轮叶的下部延伸部。在轮叶的相反的侧是附连到涡轮轮上的杉树形或鸠尾榫形区域。如可理解的那样，涡轮叶片的下部区段(例如平台、柄部和鸠尾榫/杉树形部)具有比涡轮叶片的上部区段(例如翼型部)具有更大的横截面和质量。应当注意，液体金属冷却式定向凝固过程在其中热移除较困难的物体(诸如涡轮叶片的下部区段)中可为最有益的。因而，涡轮叶片的上部区段可从液体金属冷却中获得有限的好处。因此，因为在铸件表面接触液体金属时会出现某些表面缺陷，所以本文提出的系统和方法会限制模型的接触液体金属浴槽的部分。

在一个实现中，方法包括定位用来产生装置的模型，使得模型的、用来形成装置的具有最大质量的端部的部分相对于炉和/或冷却浴槽(模型将部分地浸没在其中)朝下。使用熔融金属来填充模型，并且通过将模型移到冷却区中来冷却模型。在一个实施例中，冷却区包括液体金属浴槽或其它冷却浴槽。在一个实现中，模型的仅一部分(例如模型的下部部分)被降低到液体金属浴槽中。然后同时降低模型和液体金属浴槽，以冷却熔融金属。这种方法和系统可减少在模型中出现的开裂的发生，并且因此改进定向铸造的装置的质量。

考虑到前述意见，并且转到图1，此图示意性地示出了用于对伸长装置进行定向铸造的系统10。在示出的实施例中，系统10包括炉12、模型14和液体金属浴槽16。炉12用来加热模型14，以及在将熔融金属倒入到模型14中之后保持熔融金属的受控温度。如所示出的那样，炉12包括在炉12的底部端处具有开口19的隔离箱18。隔离箱18保持炉12内的热，并且开口19允许模型14移出炉18。使用加热条20和22(诸如电阻加热式石墨条)来加热炉18。在某些实施例中，炉18可被其它装置加热。

模型14包括模型壳24、模型内部26、第一部分28和其余部分30。模型壳24限定模型14的形状，并且被用来产生伸长装置。通过用熔融金属填充模型壳24来形成伸长装置。熔融金属填充模型内部26，并且冷却而形成伸长装置。在一个实施例中，控制冷却过程，使得伸长装置具有单晶结构。熔融金属可为镍合金、钴合金、铁基合金，或另一种金属或合金。在某些实施例中，熔融金属可为耐热的，在高温下具有提高的强度和抗氧化性。另外，熔融金属可包含铬、钼、钨、铌、钛或铝作为组分。例如，熔融金属可包含铬，以改进装置的表面稳定性。作为另一个示例，熔融金属可包含钼、钨、铌、钛或铝，以对装置提供较大的强度。

模型14的第一部分28朝下指向炉12中的开口19。另外，模型14的第一部分28限定其中形成装置的第一端的模型14的区域或部分，装置的第一端比装置的形成于模型14的相对的端部处的部分具有更大的质量。因而，模型14的其余部分30包括模型14的、不是第一部分28的一部分的部分，模型14的该部分限定模型14的用来形成装置的第二端的部分，第二端在成形时比装置的第一端具有降低的质量。例如，模型14的第一部分28可用来形成涡轮轮叶的柄部区段，而模型14的其余部分30则可用来形成涡轮轮叶的翼型区段。

模型定位组件32可用来降低或提升模型14。例如，模型定位组件32可将模型14降低到液体金属浴槽16中，或者将模型14提升出液体金属浴槽16。模型定位组件32包括促动系统34、臂36和38和指状物40和42。促动系统34构造成提升和降低臂36和38。另外，促动系统34可使用任何类型的促动器来移动臂36和38。例如，促动系统34可包括液压促动器、气动促动器或电动促动器，以移动臂36和38。臂36和38从促动系统34延伸到炉18中。如可理解的那样，臂36和38从促动系统34延伸，或从促动系统34缩回，以移动模型14。指状物40和42分别附连到臂36和38上，并且在定向铸造过程期间固定模型14。

如示出的那样，模型定位组件32可沿箭头44示出的方向移动模型14。例如，模型定位系统32可移动模型14通过炉12的开口19。虽然没有示出，但是用于对伸长装置进行定向铸造的系统10可包括用于用熔融金属来填充模型14的填充系统。这种填充系统在现有技术中是普遍已知的。

液体金属浴槽16定位在炉12的开口19的下面，使得模型14可降低到液体金属浴槽16中。液体金属浴槽16包括填充有液体金属48的浴槽容器46。浴槽容器46使液体金属48包含在其中，并且包括允许随着模型14降低到液体金属48中而调节液位50的能力。如可理解的那样，浴槽容器46可由金属或一些其它材料制成。液体金属48可包含诸如锂、钠、镁、铝、钾、锌、镓、硒、铷、镉、铟、锡、锑、碲、铯、汞、铊、铅或铋的金属。在某些实施例中，液体金属48可只是铝或锡。在其它实施例中，液体金属48可为铝合金或锡合金。

当模型14降低到液体金属浴槽16中时，浴槽16从模型14中移除热，并且凝固过程从模型14的底部(即，第一部分28)前进到模型14的顶部(即，其余部分30)。液体金属浴槽16安装到浴槽定位系统52上，溶池定位系统52包括基部54。基部54构造成沿竖向方向来上下移动液体金属浴槽16。

在一个实施例中，控制器56通过相应的电缆58和60通信联接到模型32和浴槽定位系统52上。控制器56构造成控制模型定位系统32和浴槽定位系统52的运行。另外，控制器56可构造成控制填充系统来用熔融金属填充模型14。例如，控制器56可构造成使填充系统填充模型14，使模型定位系统32降低模型14以将模型的第一部分28浸入液体金属浴槽16中，以及使模型定位系统32和浴槽定位系统52同时降低模型14和液体金属浴槽16以冷却熔融金属。另外，控制器56可构造成使模型14的第一部分28保持在液体金属浴槽16内，以及使模型14的其余部分30在液体金属浴槽16的外部。另外，模型定位系统32和浴槽定位系统52构造成接收来自控制器56的控制信号而控制它们的移动。

控制器56可包括存储器、处理器和非易失性贮存器。另外，存储器可包括易失性存储器(诸如随机存取存储器(RAM))和/或非易失性存储器，诸如只读存储器(ROM)。存储器可存储处理器可执行的指令(例如固件或软件)，以便控制器56执行本文公开的技术。处理器可执行用以控制控制器56的指令。处理器可包括一个或多个微处理器，诸如一个或多个“通用”微处理器、一个或多个专用微处理器和/或ASICS，或者其一些组合。例如，处理器可包括一个或多个精简指令集(RISC)处理器。目前示出的实施例的控制器56的非易失性贮存器可包括ROM、闪速存储器、硬盘驱动器或任何其它适当的光学、磁或固态非暂时性存储介质，或者其组合。贮存器可存储数据文件(例如定时计划)、指令(例如用以实现控制器56的功能的软件或固件)，以及任何其它适当的数据。例如，存储器或非易失性贮存器可存储用以填充模型14的可执行指令、用以移动模型14的可执行指令，以及用以移动液体金属浴槽16的可执行指令。这样的指令可包括用以根据预先确定的计划(诸如存储在非易失性贮存器中的定时计划)来控制填充的时机、模型14的移动和液体金属浴槽16的移动的指令。

在图1至3中示出了无单位的标尺62，以显示炉12、模型14和液体金属浴槽16在模型14在定向凝固过程中行进时的相对位置。例如，在图1中，炉12定位在标尺62上的大致位置4和标尺62上的大致位置22之间，而模型14则定位在标尺62上的大致位置8和标尺62上的大致位置20之间。另外，液体金属浴槽16定位在标尺62上的大致位置24和标尺62上的大致位置30之间。

在运行期间，在模型14定位在炉12内时，对模型14填充熔融金属，如图1中示出的那样。然后模型14降低到液体金属浴槽16中，如图2中示出的那样。图2中的炉12和液体金属浴槽16保持在图1中显示的同一位置上。但是，模型定位系统32移动臂36和38，以将模型14降低到液体金属浴槽16中。模型14通过炉12中的开口19而降低，使得第一部分28浸入液体金属48中，而其余部分30则保持在液体金属48的外部。因而，液体金属浴槽16使第一部分28内的熔融金属开始冷却和凝固，从而形成随着更多熔融金属凝固而生长的单晶结构。另外，随着熔融金属在第一部分28内冷却和凝固，其余部分30中的熔融金属通过与第一部分28和第一部分28中的金属的传导来冷却，并且其余部分30中的熔融金属借助于通过模型14的辐射从模型14的外部的空气得到冷却。实质上，模型14的第一部分28对于模型14的其余部分30用作散热器。

如示出的那样，模型14可降低，以便定位在标尺62上的大致位置17和标尺62上的大致位置28之间。随着模型14降低到液体金属浴槽16中，液位50移动得靠近浴槽容器46的顶部。例如，在图1中，液位50可在标尺62上的大致位置26处，而在图2中，液位50则可在标尺62上的大致位置25处。虽然图2中示出的模型14同时在炉12和液体金属浴槽16内，但是在某些实施例中，液体金属浴槽16可定位成使得模型14在进入液体金属浴槽16之前完全离开炉12。另外，在一些实施例中，液体金属浴槽16可定位成使其不在降低模型14的同时移动。但是，为了实现明显的热梯度，液体金属浴槽16应定位成接近炉12，并且与模型14同时移动。

控制器56控制模型14降低到液体金属浴槽16中的速率。如可理解的那样，控制器56可基于定时计划来降低模型14(例如控制器56可使用可执行指令来处理定时计划，并且基于经处理的定时计划来控制模型14的降低)。例如，在某些实施例中，模型14可以大约0.5厘米/分钟降低到液体金属浴槽16中。在其它实施例中，系统10可包括对控制器56提供温度测量的温度传感器64和66。控制器56可使用温度传感器64测量的模型14的温度和/或温度传感器66测量的液体金属浴槽16的温度来控制模型14降低到液体金属浴槽16中的速率(例如控制器56可包括用以监测温度传感器64和66和基于所监测到的温度来移动模型14的可执行指令)。

在所描绘的实现中，在模型14的第一部分28浸入液体金属48中之后，模型14和液体金属浴槽16同时降低，以将模型14完全移出炉12。图3示出了模型14如箭头44显示的那样沿向下方向移动，以及液体金属浴槽16如箭头70显示的那样沿向下方向同时移动。模型14和液体金属浴槽16同时移动，以使模型14的第一部分28保持浸入液体金属48中，同时使其余部分30保持在液体金属48之外。模型14和液体金属浴槽16降低，以将模型14完全移出炉12，使得熔融金属将凝固而形成装置。

控制器56控制模型14和液体金属浴槽16在模型14的第一部分28一旦浸入液体金属48中就同时降低的速率。如可理解的那样，控制器56可基于定时计划来同时降低模型14和液体金属浴槽16(例如控制器56可使用可执行指令来处理定时计划，并且基于经处理的定时计划来控制模型14和液体金属浴槽16的降低)。例如，在某些实施例中，模型14和液体金属浴槽16可以大约0.5厘米/分钟同时降低。在其它实施例中，系统10可使用温度传感器64测量的模型14的温度和/或温度传感器66测量的液体金属浴槽16的温度来控制模型14和液体金属浴槽16同时降低的速率(例如控制器56可包括用以监测温度传感器64和66以及用以基于监测到的温度来同时移动模型14和液体金属浴槽16的可执行指令)。如可理解的那样，可使用这种方法来形成具有单晶结构的装置。另外，通过仅将模型14的第一部分28浸没在液体金属浴槽16中，模型14中的破裂的可能性降低。

图4是用于对伸长装置进行定向铸造的方法80，并且概述了图1至3的图示。在步骤82处，模型14定向成使模型14的第一部分28朝向下方向(例如图1中示出)。第一部分28朝下，使得第一部分28将是模型14的浸入液体金属浴槽16中的部分。另外，当装置形成时，装置的第一端是具有最大质量的端部，并且将形成于第一部分28中。装置的待形成的第二端是比第一端具有更低的质量的端部，并且将形成于其余部分30中。例如，如果模型14是涡轮轮叶(即，涡轮叶片)模型，则第一部分28可为模型的柄部部分，而其余部分30则可为模型的翼型部分。接下来，在步骤84处，在模型14定位在炉12内时，对模型14填充熔融金属。然后，在步骤86处，模型14降低到液体金属浴槽16中，以浸入模型14的第一部分28(例如图2中示出)。当模型14离开炉12时，定向凝固过程开始。模型14降低到液体金属浴槽16中所引起的大的温度梯度会使晶体结构开始在模型14的内部形成且生长，从而开始熔融金属的凝固。在步骤88处，模型14与液体金属浴槽16同时降低。在模型14和液体金属浴槽16降低时，模型14的第一部分28保持浸入在液体金属48中，而模型14的其余部分30则保持在液体金属48之外。因而，凝固过程继续，直到形成装置(例如形成单晶结构装置)。

本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及实行任何结合的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例具有不异于权利要求的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构要素，则它们意于处在权利要求的范围之内。

Claims (10)

1.一种使用模型(14)来对伸长装置进行定向铸造的方法(80)，所述方法(80)包括：

在炉(12)内使所述模型(14)定向(82)成使得所述模型(14)的第一部分(28)朝下，其中，所述模型(14)的所述第一部分(28)在所述模型(14)内限定用来形成所述装置的第一端的空间，所述装置的所述第一端在成形时比所述装置的第二端具有更大的质量；

用熔融金属填充(84)所述模型(14)；

降低(86)所述模型(14)，使其离开所述炉(12)而进入液体金属浴槽(16)中，以将所述模型(14)的所述第一部分(28)浸入所述液体金属浴槽(16)中；以及

在所述模型(14)的所述第一部分(28)浸入之后，同时降低(88)所述模型(14)和所述液体金属浴槽(16)，以冷却所述熔融金属，同时保持所述模型相对于所述液体金属浴槽的位置，以使得在所述模型(14)和所述液体金属浴槽(16)同时降低的过程中，所述模型(14)的所述第一部分(28)保持在所述液体金属浴槽(16)内，而所述模型(14)的其余部分(30)保持在所述液体金属浴槽(16)的外部。

2.根据权利要求1所述的方法(80)，其特征在于，所述模型(14)包括用于形成涡轮构件的模型。

3.根据权利要求2所述的方法(80)，其特征在于，所述模型(14)包括柄部模型部分和翼型模型部分。

4.根据权利要求3所述的方法(80)，其特征在于，所述模型(14)的所述第一部分(28)包括所述柄部模型部分，而所述模型(14)的所述其余部分(30)包括所述翼型模型部分。

5.根据权利要求1所述的方法(80)，其特征在于，所述液体金属浴槽(16)包含锂、钠、镁、铝、钾、锌、镓、硒、铷、镉、铟、锡、锑、碲、铯、汞、铊、铅或铋中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的方法(80)，其特征在于，所述模型(14)的所述第一部分(28)由所述液体金属浴槽(16)冷却，并且所述模型(14)的所述其余部分(30)通过传导和辐射而冷却。

7.根据权利要求1所述的方法(80)，其特征在于，所述模型(14)的所述第一部分(28)对所述模型(14)的所述其余部分(30)用作散热器。

8.对伸长装置进行定向铸造的设备，所述设备包括：

用于所述装置的、构造成被熔融金属填充的模型(14)，所述模型(14)包括用来形成所述装置的第一端的第一部分(28)，所述装置的所述第一端在成形时比所述装置的第二端具有更大的质量；

具有用于取出所述模型(14)的开放式底部端(19)的炉(12)；

液体金属浴槽(16)，其设置在所述炉(12)的下方，并且构造成冷却所述模型(14)内的熔融金 属，以及在所述模型(14)被降低时降低；以及

控制器(56)，其构造成：使所述模型(14)被熔融金属填充；降低所述模型(14)，使其离开所述炉(12)而进入所述液体金属浴槽(16)中，以将所述模型(14)的所述第一部分(28)浸入所述液体金属浴槽(16)中；以及在将所述模型(14)的所述第一部分(28)浸入所述液体金属浴槽中之后，使所述模型(14)和所述液体金属浴槽(16)同时降低，以冷却所述熔融金属，同时保持所述模型相对于所述液体金属浴槽的位置，以使得在所述模型(14)和所述液体金属浴槽(16)同时降低的过程时，所述控制器(56)构造成使所述模型(14)的所述第一部分(28)保持在所述液体金属浴槽(16)内，以及使所述模型(14)的其余部分(30)保持在所述液体金属浴槽(16)的外部。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述设备包括模型定位系统(32)，其通信联接到所述控制器(56)上，并且构造成接收来自所述控制器(56)的控制信号而移动所述模型(14)。

10.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述设备包括浴槽定位系统(52)，其通信联接到所述控制器(56)上，并且构造成接收来自所述控制器(56)的控制信号而移动所述液体金属浴槽(16)。