CN104619441B - 铸造模型 - Google Patents

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Abstract

本发明属于铸造领域，并且更特别地涉及一种用于失模铸造的模型(12)，其具有涡轮发动机叶片的形状，该涡轮发动机叶片具有底座(15)和主体(14)，底座(15)和主体(14)由基本垂直于叶片的主轴线的平台(20)分隔。叶片主体(14)具有下表面(17)、上表面(16)、前缘(18)和后缘(19)。该模型(12)进一步包括与后缘(19)相邻的热膨胀杆(21)，以及耐火芯(23)，该耐火芯嵌入到模型(12)中但在下表面(17)侧和上表面(16)侧上均具有在后缘(19)和热膨胀杆(21)之间齐平的涂釉表面(31)。连接板(24)在平台(20)和所述热膨胀杆(21)之间延伸，并在二者之间具有自由边缘(25)。本发明还涉及一种用于由所述模型(12)制作壳模的方法，以及涉及一种使用所述壳模的铸造方法。

Description

铸造模型
背景技术
本发明涉及铸造领域，并且更特别地涉及一种失模铸造的模型，以及也涉及制造壳模的方法，以及涉及使用这种模型的铸造方法。
所谓的“失蜡”或“失模”铸造方法自古以来就是众所周知的。它们特别地适合于生产形状复杂的金属部件。因此，失模铸造特别地用于生产涡轮发动机叶片。
在失模铸造中，第一步骤通常包括用具有相对较低的熔化温度的材料制造模型，例如用蜡或树脂制造模型，然后将模具二次成型到该模型上。在从模具内侧移除该模型材料后，由此这种方法的命名，熔融金属被铸造到模具内，以填补空腔，该模型已经在从此被移除的模具内侧形成该空腔。一旦金属已经冷却和凝固，模具可被打开或破坏以回收具有该模型形状的金属部件。在本文的上下文中，术语“金属”应该理解为不仅包括纯金属，而且首先包括金属合金。
为了能够同时制作多个部件，可以在单个组件中联合多个模型，其中它们通过树状物连接在一起形式，所述树状物在熔融金属的模具中形成铸造通道。
在可用于失模铸造中的各种类型的模具中，已知通过将该模型或模型组件浸渍到粉浆中，然后将耐火砂撒到被粉浆包覆的模型或模型组件上从而形成围绕模型或组件的壳体，然后烘烤该壳体以使粉浆凝固从而使粉浆和砂土固定，形成了所谓的“壳体”模具(壳模)。可以设想浸渍和撒布的几个连续操作以在对其烘烤之前获得足够厚度的壳体。在本文的上下文中使用的术语“耐火砂”是指任何颗粒材料，其颗粒尺寸足够小以满足所需的生产公差，并且其在处于固态时能够承受熔融金属的温度，以及其在壳体的烘烤过程中通过粉浆能够被固结成单个固体块。
为了在通过铸造生产的部件中获得特别有利的热机械性能，可能需要确保金属在模具中进行定向凝固。术语“定向凝固”在本文上下文中用于意指随着其从液态变为固态，控制在熔融金属中晶核形成和固态晶体的增长。这种定向凝固的目的是为了避免在该部件内晶界的负面效应。因此，定向凝固可以是柱状或单晶体的。柱状的定向凝固包括将所有的晶界定向为同一方向，使得它们不能导致裂缝传播。单晶体的方向凝固包括确保该部件凝固为单晶体，以消除所有的晶界。
当生产受到高水平热机械应力的部件时，如涡轮发动机叶片，定向凝固是特别需要的。然而，这种叶片的复杂形状可以干扰定向凝固，引起不必要的颗粒，特别地在叶片中的尖角附近。特别地，在平台的两侧上带有根部和主体的涡轮发动机叶片中，所述平台与叶片的主轴线基本垂直地延伸，所述主体存在压力侧、抽力侧、前缘和后缘，在叶片主体和平台之间的突然过渡能够导致形成不必要的颗粒，特别地在后缘的附近。
为了减少涡轮发动机叶片的重量，并且首先为了使它们冷却，通常在非永久模型中嵌入耐火芯。在模型的材料已被移除后，以及在金属已经铸造并冷却后，这种耐火芯保留在壳模内侧，从而在金属部件中形成中空体积。特别地，为了提供后缘的良好冷却，考虑到其小厚度对高温特别脆弱，对于这种芯通常在后缘与模型的表面齐平，以形成后缘的冷却槽。然而，在该位置内芯的小厚度很脆弱。此外，为了在金属的铸造和冷却过程中将芯保持在壳模内侧的正确位置，需要引导热膨胀。为此，该模型可包括与后缘相邻的引导条带，该引导条带使耐火芯的浸渍过的表面与在后缘和伸缩条带之间的模型的每一侧齐平。在这些表面上的可从壳模上与模型材料一起被移除的粉泥确保了在耐火芯和壳模之间存在少量间隙(百分之几毫米数量级)，以引导芯在这个位置以垂直于其厚度的方向膨胀。在伸缩条带内侧，芯可以具有更大厚度，从而使其更坚固。
然而，在后缘或伸缩条带与叶片平台的交叉口处的模具腔的形状的复杂性极大地增加了颗粒产生的风险。
发明目的和内容
本发明特别地寻求弥补这些缺点。特别地，本发明寻求提供一种可以避免形成不必要颗粒的模型，所述不必要颗粒在后缘或伸缩条带与涡轮发动机叶片的平台的连接处附近形成，所述涡轮发动机叶片的平台以失模铸造方法中从模型中生产。
在本发明的至少一个实施方式中，通过以下事实实现了该目的，该模型还包括在平台和所述伸缩条带之间延伸并在它们之间存在自由边缘的连接板。术语“连接板”在本文的上下文中用于指定非常精细的壁，即具有基本低于其他尺寸的厚度。然而连接板的厚度不必小于伸缩条带的厚度。
通过这些规定，可以确保在后缘和平台之间的过渡更平缓，避免了可能引发不必要颗粒的尖角。由于通过使用这种模型的铸造方法所导致的粗铸件在任何情况下随后必须加工以消除伸缩条带，该连接板可在相同的加工步骤中消除，而不引起附加的操作步骤。
有利地，连接板的自由边缘可从平台的一个边缘延伸到该伸缩条带，以避免不必要颗粒不仅在平台和后缘之间，而且在平台的边缘成核。
为了更好地避免形成不必要颗粒，该模型在伸缩条带的自由边缘和连接板的自由边缘之间具有平缓的过渡。此外，连接板的厚度可小于或等于伸缩条带的厚度，以及连接板的自由边缘在横平面上可以是圆形。
该模型也可包括一个从远离叶片根部的端部延伸该主体的部件外(out-of-part)部分，特别地以提供在选择器通道和叶片主体之间的平稳过渡。在这种情况下，连接板的高度可以不大于主体与部件外部分的高度的一半。
为了限制可能会产生不必要颗粒的角的数量，在连接板与平台之间的连接处可以从压力侧与平台之间的连接处延伸。
为了促进定向凝固，该铸造模型也可具有被连接到与叶片根部相对的叶片主体端部的选择器通道模型。在使用一种在该铸造模型周围形成的模具的铸造方法中，通过起动器空腔(starter cavity)逐步冷却在模具内侧的熔融金属，以确保在起动器空腔中已经成核的仅一个颗粒传递到叶片成形空腔内，所述起动器空腔经由选择器通道，如挡板形通道，被连接到叶片形空腔。
本发明还提供了一种组件，所述组件包括通过树状物连接在一起的多个所述铸造模型，以能够同时生产多个叶片。
本发明还提供了一种制造壳模的方法，所述方法包括以下步骤：将至少一个这种铸造模型浸渍到粉浆中，向至少一个浸渍有粉浆的模型用耐火砂涂粉以在至少一个模型周围形成壳体，移除所述至少一个模型，以及烘烤所述壳体。此外，本发明还提供了一种铸造方法，其中这样制造的壳模随后是将熔融金属铸造到壳模内，用定向凝固冷却该金属，敲除以回收粗金属铸件，以及精加工该粗铸件。该精加工步骤特别地可包括从该粗铸件加工去除所述部件外元件。
附图说明
在阅读通过非限制示例给出的实施方式的以下详细描述后，可以很好地理解本发明以及其优点更好地显而易见。本说明书参考以下附图，其中：
·图1是示出定向凝固铸造方法的实施方式的图；
·图2是示出一种铸造模型的组件的图；
·图3是在一个实施方式中铸造模型的侧视图；
·图4是图3模型的相对侧面的视图；
·图5是在图3和图4的模型的线V-V上的剖面图；
·图6是在图3到5的模型的线VI-VI上的剖面图；以及
·图7是在图3到6所示模型部分的线VII-VII上的纵向剖面图。
具体实施方式
图1示出了为了获得定向凝固，在铸造方法中通常如何实施熔融金属的逐步冷却。
在该方法中使用的壳模1包括沿主轴线X在浇铸杯5和板状底座6之间延伸的中心下降部4。在从加热腔室3提取壳模1时，底座6与底板2直接接触。壳模1也具有在中心下降部4周围被布置为组件的多个成型腔7。每个成型腔7通过进料槽8连接到浇铸杯5，熔融金属在被浇铸时通过该进料槽进入。每个成型腔7在底部也经由挡板选择器通道9连接到由与底座6相邻的较小空腔形成的起动器10。
壳模1可通过所谓“失蜡”或“失模”方法产生。这种方法的第一步骤是形成非永久组件11，该非永久组件包括通过树状物13连接在一起的多个模型12，如图2所示。模型12和树状物13用于在壳模1中形成中空体积，所以它们由具有低熔点温度的材料制成，如模型树脂或蜡。当旨在生产大量部件时，特别地可以通过喷射模型树脂或蜡到永久模具内生产这些元件。
在该实施方式中，为了从非永久组件11生产壳模1，组件11浸渍到粉泥中，然后撒布耐火砂粉末。这些浸渍和撒粉步骤可重复几次，直到具有所需厚度的浸渍粉浆的砂子壳体已经在组件11周围形成。
由该壳体覆盖的组件11然后可被加热，以熔融组件11的低熔点材料并将其从壳体内侧移除。此后，在更高的温度烘烤步骤中，粉浆被凝固，以固化耐火砂并形成壳模1。
在该铸造方法中使用的金属或金属合金在经由浇铸杯5熔融进入壳模1内时被铸造，并且它经由进料槽8填充模腔。在该铸造过程中，壳模1被保存在加热腔室3中，如图1所示。之后，为了使熔融金属逐步地冷却，由冷却和活动支撑件2支撑的壳模1从加热腔室3沿主轴线X向下提取。由于壳模1经由其底座6通过支撑件2冷却，熔融金属的凝固在起动器10中引发，并且它在壳模1从加热腔室3的逐步向下提取过程中向上传播。然而，由每个选择器9形成的收缩以及其挡板形状仍然用于确保在每个起动器10中最初成核的仅一个颗粒能够继续以延伸到相应模具型腔7。
在适用于这种方法的金属合金中，特别地找到诸如特别地斯奈克玛(Snecma)的AM1和AM3等的单晶镍合金，以及其他合金，如C-M组的 通用电气的N5和N6，罗尔斯-罗伊斯(Rolls-Royce)的RR2000和SRR99，普惠公司(Pratt&Whitney)的PWA 1480、1484和1487，除其他外。表1总结了这些合金的成分：
表1：重量百分比的单晶镍合金
合金 Cr Co Mo W Al Ti Ta Nb Re Hf C B Ni
CMSX-2 8.0 5.0 0.6 8.0 5.6 1.0 6.0 - - - - - 平衡到100％
CMSX-4 6.5 9.6 0.6 6.4 5.6 1.0 6.5 - 3.0 0.1 - - 平衡到100％
CMSX-6 10.0 5.0 3.0 - 4.8 4.7 6.0 - - 0.1 - - 平衡到100％
CMSX-10 2.0 3.0 0.4 5.0 5.7 0.2 8.0 - 6.0 0.03 - - 平衡到100％
RenéN5 7.0 8.0 2.0 5.0 6.2 - 7.0 - 3.0 0.2 - - 平衡到100％
RenéN6 4.2 12.5 1.4 6.0 5.75 - 7.2 - 5.4 0.15 0.05 0.004 平衡到100％
RR2000 10.0 15.0 3.0 - 5.5 4.0 - - - - - - 平衡到100％
SRR99 8.0 5.0 - 10.0 5.5 2.2 12.0 - - - - - 平衡到100％
PWA1480 10.0 5.0 - 4.0 5.0 1.5 12.0 - - - 0.07 - 平衡到100％
PWA1484 5.0 10.0 2.0 6.0 5.6 - 9.0 - 3.0 0.1 - - 平衡到100％
PWA1487 5.0 10.0 1.9 5.9 5.6 - 8.4 - 3.0 0.25 - - 平衡到100％
AM1 7.0 8.0 2.0 5.0 5.0 1.8 8.0 1.0 - - - - 平衡到100％
AM3 8.0 5.5 2.25 5.0 6.0 2.0 3.5 - - - - - 平衡到100％
金属在壳模中冷却和固化后，模具可被敲除以释放金属部件，其然后可通过加工和/或表面处理方法进行精加工。
当成型的部件具有复杂形状时，它们还能够使金属在每个模具型腔7中的定向凝固更加复杂。特别地空腔7中的尖角可能导致削弱该部件的不必要颗粒。为了避免这种不必要颗粒形成，在该实施方式中的模型12接收被添加的元件，所述元件使在模腔7中的某些尖角平滑。在图3和4中示出了用于生产涡轮发动机叶片的这种铸造模型12。因此该铸造模型12的形状为带有叶片主体14和叶片根部15的涡轮发动机叶片的形状，所述叶片根部15用于将叶片紧固到涡轮发动机转子。叶片主体14具吸力侧16和压力侧17，吸力侧16和压力侧17沿前缘18和后缘19相遇。平台20位于叶片主体14和叶片根部15之间。模型12还具有部件外元件，特别地与后缘19相邻的伸缩条带21以及在与叶片根部15相对的端部延伸叶片主体14的部件外部分22。该部件外部分22用于连接到选择通道9，以及叶片根部15用于连接到进料槽8，使得在壳模1中由模型12形成的模腔7中，在铸造过程中熔融金属从叶片根部15朝叶片主体14流动，随后在其定向凝固过程中以相对方向凝固。
模型12也具有耐火固体芯23，用于在涡轮发动机叶片中形成空腔的目的。在模型12的每一侧上，芯23的浸渍表面31与模型12的表面在后缘19和条带21之间齐平，如图5和图6所示。在对模型12浸渍和撒粉的过程中，浸渍有粉泥的砂壳形成在模型12的暴露表面上，包括在芯23的浸渍表面31上。在模型的移除和/或壳体的烘烤过程中，也消除了覆盖这些表面31的粉泥，从而在芯的这些表面31和在壳模1的相应表面内侧之间留下少量间隙，通常位于百分之2到3毫米范围内。在该位置，该小间隙允许芯23相对于壳模1垂直其厚度移动，从而在金属的铸造和冷却过程中引导芯23的热膨胀。而且，该间隙的小体积防止熔融金属在这个位置在芯23和壳模1之间运行。因此，在粗铸件中，后缘和条带由间隙分隔，该间隙在精加工粗铸件同时促进了条带的后续加工。
用于形成不必要颗粒的特别临界位置在后缘19和平台20之间的交界处附近。多个尖角可在该位置相遇，从而增加不必要颗粒形成的危险。为了避免该危险，在所示实施方式中，模型12在条带21和平台20之间也具有精细连接板24。该连接板24具有在条带21和平台20的边缘26的自由端26a之间延伸的自由边缘25。连接板24的厚度e1等于或小于相邻条带21的厚度e2。连接板24的高度h1为包括部件外部分22的叶片主体14的未加工高度h2的大致一半。只要连接板24的自由边缘25和条带21的外部边缘27是圆形的，如图5和图6所示，它们之间的过渡部分28是很平缓的。条带21和连接板24都遵循后缘19的曲率，如果有的话。在连接板24和平台20之间的过渡部分29在纵向平面中是圆形的，如图7所示，并从吸力侧17和平台20之间的过渡线30延伸。
在用于从这种模型生产至少一个涡轮发动机叶片的铸造方法中，粗铸件中的连接板和条带可同时通过加工很容易地消除，同时精加工该粗铸件。这可能获得清洁部件，而不需要实施比对于没有连接板24的模型所需要的更多的加工操作。
尽管参考特定实施方式描述了本发明，但是很明显的是，可另外进行各种修改和变化，而不超越由权利要求所限定的本发明的通常范围。此外，在额外实施方式中，所提到的各种实施方式的单个特征可以结合。因此，该说明书和附图应被认为是说明性的而不是限制性的。

Claims (11)

1.一种失模铸造的模型(12)，所述模型的形状为在平台(20)的两侧上具有根部(15)和主体(14)的涡轮发动机叶片的形状，所述平台(20)基本垂直于所述叶片的主轴线，所述叶片主体(14)具有压力侧(17)、吸力侧(16)、前缘(18)和后缘(19)，所述模型(12)还包括与所述后缘(19)相邻的伸缩条带(21)，以及耐火芯(23)，所述耐火芯(23)嵌入在所述模型(12)中但在所述后缘(19)和所述伸缩条带(21)之间在所述压力侧(17)和所述吸力侧(16)上均具有各自齐平的浸渍表面(31)，该浸渍表面暴露于该模型的后缘和伸缩条带之间的外侧，所述模型(12)的特征在于，它还包括在所述平台(20)和所述伸缩条带(21)之间延伸并在它们之间存在自由边缘(25)的连接板(24)。
2.根据权利要求1所述的模型(12)，其中，所述连接板(24)的自由边缘(25)从所述平台(20)的一个边缘(26)延伸到所述伸缩条带(21)。
3.根据权利要求1所述的模型(12)，该模型(12)在所述伸缩条带(21)的自由边缘(27)和所述连接板(24)的自由边缘(25)之间存在逐步过渡部(28)。
4.根据权利要求1所述的模型(12)，其中，所述连接板(24)的厚度小于或等于所述伸缩条带(21)的厚度。
5.根据权利要求1所述的模型(12)，其中，所述连接板(24)的自由边缘(25)在横平面内是圆形。
6.根据权利要求1所述的模型(12)，该模型还包括在与所述叶片的根部(15)相对的端部延伸所述主体(14)的部件外部分(22)，并且其中，所述连接板(24)的高度不大于包括所述部件外部分(22)的所述主体(14)的高度的一半。
7.根据权利要求1所述的模型(12)，其中，在连接板(24)和平台(20)之间的连接处(29)从所述吸力侧和所述平台(20)之间的连接处延伸(30)。
8.根据权利要求1所述的模型(12)，所述模型(12)具有选择器通道模型(9)，该选择器通道模型(9)被连接到与所述叶片根部(15)相对的叶片主体(14)端部。
9.一种组件(11)，其包括根据前述任一权利要求所述的多个模型(12)，所述组件通过树状物(13)连接在一起。
10.一种制造壳模(1)的方法，所述方法包括以下步骤：
将根据权利要求1到8任一所述的至少一个铸造模型(12)浸渍到粉浆中；
向所述至少一个覆盖有粉浆的模型(12)散布耐火砂粉以在至少一个模型(12)周围形成壳体；
移除所述至少一个模型(12)；以及
烘烤所述壳体。
11.一种包括至少以下步骤的铸造方法：
制造一种根据权利要求10所述的壳模(1)；
浇注熔融金属到所述壳模(1)内；
用其定向凝固冷却所述金属；
敲除所述壳模(1)以回收粗金属铸件；以及
精加工所述粗铸件。
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