CN104801694B - 铸造方法和铸造制品 - Google Patents
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Abstract
提供了一种铸造方法和铸造制品。该铸造方法包括提供铸造炉，该铸造炉包括处于下端的拉坯区域，将模具定位在铸造炉内，将熔融材料定位在模具中，将模具经过铸造炉中的拉坯区域部分地拉出拉坯距离，该拉坯距离提供局部拉出部分，随后将局部拉出部分的至少一部分经过拉坯区域再插入到铸造炉中，并且随后将模具从铸造炉中完全拉出。该再插入使局部拉出部分内的凝固部分部分地再熔化以利用熔融材料填充形成在凝固部分中的孔。该铸造制品包括对应于通过下列过程形成的微观结构和孔隙，该过程包括从铸造炉部分拉出、再插入、和完全拉出模具以形成铸造制品。
Description
技术领域
本发明涉及一种铸造方法和铸造制品。更具体地，本发明涉及一种用于降低孔隙度的铸造方法以及由该方法形成的铸造制品。
背景技术
诸如用于燃气涡轮发动机的涡轮机叶片之类的多种部件通常通过定向凝固(DS)/单晶(SC)铸造技术形成。更具体地，许多部件通常通过铸造“拉坯(withdrawal)”技术形成，在该“拉坯”技术中，将熔融物填充的熔模模具从铸造炉中拉出。将熔融物填充的熔模模具从铸造炉中拉出允许模具中的熔融金属或合金冷却并凝固，从而在该模具内形成该部件。
随着熔融金属或合金冷却，它会收缩，从而导致在诸如涡轮机叶片尖端护罩之类的部件的多个部分内形成孔隙。一种对形成在部件中的孔隙进行填充的方法包括热等静压(hipping)过程。该hipping过程是昂贵的。
在本领域中，在该过程和/或所形成的部件的特性方面具有改进的铸造方法和铸造制品会是合乎需要的。
发明内容
在一个示例性实施例中，一种铸造方法包括提供铸造炉，该铸造炉包括处于下端的拉坯区域，将模具定位在铸造炉内，将熔融材料定位在模具中，将该模具经过铸造炉中的拉坯区域部分地拉出拉坯距离，该拉坯距离提供局部拉出部分，随后将该局部拉出部分的至少一部分经过该拉坯区域再插入到铸造炉中，并且随后将模具从铸造炉中经过该拉坯区域完全拉出以产生铸造制品。该再插入使该局部拉出部分内的凝固部分部分地再熔化以利用熔融材料对形成在该凝固部分中的孔进行填充。
在另一示例性实施例中，一种铸造方法包括提供铸造炉，该铸造炉包括处于下端的拉坯区域，将模具定位在铸造炉内，将熔融材料定位在模具中，将该模具经过铸造炉中的拉坯区域部分地拉出持续拉坯时间以提供局部拉出部分，将该局部拉出部分的至少一部分经过该拉坯区域再插入到铸造炉中，并且随后将模具从铸造炉中经过该拉坯区域完全拉出以产生铸造制品。该再插入使模具的局部拉出部分中的凝固部分部分地再熔化以利用熔融材料填充形成在凝固部分中的孔。
在另一示例性实施例中，一种铸造制品包括对应于通过下列过程形成的微观结构和孔隙度，该过程包括从铸造炉部分拉出、再插入、和完全拉出模具以形成铸造制品。
本发明的其它特征和优点将通过下面结合附图对优选实施例进行的更为详细的说明而变得明白，附图作为示例示出了本发明的原理。
附图说明
图1是根据本公开的一种实施例的铸造方法的流程图。
图2示出了根据本公开的一种实施例的铸造方法的过程视图。
图3示出了根据本公开的一种实施例的铸造方法的增强视图。
图4示出了根据本公开的一种实施例的包括多次再插入在内的铸造方法的增强视图。
在任何可能的位置处，相同的附图标记将贯穿视图用于表示相同的元件。
具体实施方式
所提供的是一种铸造方法和一种铸造制品。与并不利用本文中所公开的特征中的一个或多个的铸造方法和铸造制品相比，本公开的实施例减少了铸造制品中的孔隙，提高了铸造制品的效率，降低了铸造成本，降低了铸造制品中的再结晶，在不利用热等静压(hipping)的情况下形成铸造制品，或其组合。
参照图1-3，铸造方法100包括提供铸造炉200(步骤110)，将模具210定位在铸造炉200内(步骤120)，以及将熔融材料220定位在模具210中(步骤130)。接着，将包括熔融材料220在内的模具210经过例如根据一个实施例处于铸造炉200的下端201中的拉坯区域205部分地拉出(步骤140)拉坯距离217，提供了局部拉出部分213。在该局部拉出部分213中的熔融材料220至少部分地结晶以形成凝固部分215。
在部分拉出(步骤140)之后，在一个实施例中，铸造方法100包括将模具210保持于拉坯距离217处持续部分拉坯保持时间，随后将该局部拉出部分213的至少一部分经过该拉坯区域205再插入(步骤150)到铸造炉200中以形成再插入部分。该部分拉坯保持时间包括任何适当的持续时间，例如但不限于不高于约5分钟、处于约15秒至约5分钟之间，处于约30秒至约5分钟之间，或其任何组合、子组合、范围、或子范围。该再插入(步骤150)使凝固部分215部分地再熔化以填充例如在部分拉出(步骤140)期间形成在该凝固部分215中的孔214(参见图3)。在再插入(步骤150)之后，将再插入部分保持在铸造炉200内持续再插入保持时间，随后将模具210从铸造炉200中完全拉出(步骤160)以使熔融材料220结晶并形成铸造制品300。该再插入保持时间包括任何适当的持续时间，例如但不限于不高于约5分钟，处于约15秒至约5分钟之间，处于约30秒至约5分钟之间，或其任何组合、子组合、范围、或子范围。该部分拉坯保持时间与再插入保持时间是相似的，大致相似的，或不同的。
参照图2-3，铸造炉200包括用于接收模具210(参见图2)并将熔融材料220(参见图3)的温度维持于熔融材料结晶温度或高于该熔融材料结晶温度的任何适当的铸造炉。一种适当的铸造炉包括但不限于定向凝固铸造炉。在一个实施例中，在将熔融材料220定位在模具210(步骤130)中之前，铸造炉200接收和/或预热该模具210。在另一实施例中，铸造炉200接收和/或预热多个模具210。在再一实施例中，在铸造炉200内的多个模具210之间形成间隙。为了便于增强对于多个模具210内的温度进行的控制，模具210的定位包括但不限于竖向指向(vertical indexing)、计算引导(calculated guiding)、半热绝缘该间隙、或其组合。熔融材料220随后被经过铸造炉200中的孔206引入到模具210中。孔206包括任何适当的孔，例如但不限于炉200的上端202中的孔、管道、浇口、或其组合。
该模具210包括用于接收熔融材料220并形成铸造制品300的任何适当的模具。例如，在一个实施例中，模具210包括陶瓷熔模壳型铸模(ceramic investment shell mold)，该陶瓷熔模壳型铸模具有与对应于铸造制品300的形状的一个或多个型腔连通的浇口杯。熔融材料220包括适用于铸造的任何材料，并且被基于待形成的铸造制品300进行选择。例如，用于形成涡轮机叶片的熔融材料220包括能够定向凝固和/或单晶成型的任何材料。适用的材料包括但不限于金属、超级合金(例如，镍、钴、或铁基超级合金)、或其组合。在另一示例中，熔融材料220具有下述组成：按重量计算约9.8％的铬、约7.5％的钴、约1.5％的钼、约6％的钨、约4.8％的钽、约0.5％的铌、约4.2％的铝、约3.6％的钛、约0.08％的碳、约0.01％的硼、约0.1％的铪，并且余量为镍。
参照图3，将模具210部分拉出(步骤140)该拉坯距离217使该局部拉出部分213中的熔融材料220暴露于铸造炉200外侧以降低温度。铸造炉200外侧的降低温度使局部拉出部分213内的熔融材料220冷却。冷却该熔融材料220使熔融材料220至少部分地结晶以便在局部拉出部分213内形成凝固部分215。该结晶使熔融材料220收缩，从而增大了结晶材料的密度并在凝固部分215内形成孔214。随着结晶继续，结晶材料的增多可以降低或消除了进入孔214中的熔融材料220流。诸如但不限于模具210的尺寸和/或形状之类的多个特征促进了凝固部分215的孔隙度的增大或减小。
在一个实施例中，拉坯距离217被选择成与铸造制品300的包括增加的成孔特性的至少一个区域相符，该区域例如但不限于初始拉出区段、包括增大厚度的区段、连续区段、或其组合。例如，在另一实施例中，拉坯距离217对应于涡轮机叶片的叶片尖端护罩。拉坯距离217包括但不限于处于约0.250英寸(约0.635cm)至约6英寸(约15.24cm)之间，处于约0.250英寸(约0.635cm)至约3英寸(约7.62cm)之间，处于约0.250英寸(约0.635cm)至约1英寸(约2.54cm)之间，处于约0.250英寸(约0.635cm)至约0.750英寸(约1.910cm)之间，处于约0.250英寸(约0.635cm)至约0.500英寸(约1.270cm)之间，或其任何组合、子组合、范围、或子范围。在达到拉坯距离217之后，将该局部拉出部分213再插入(步骤150)到铸造炉200中。
该局部拉出部分213的再插入(步骤150)使形成在凝固部分215中的结晶材料部分地再熔化以便利用熔融材料220填充全部的或基本上全部的孔214。孔214内的熔融材料220在模具210的完全拉出(步骤160)期间凝固以降低铸造制品300的孔隙度。通过在部分拉出(步骤140)和再插入(步骤150)期间降低孔隙度，铸造方法100在不进行诸如但不限于热等静压之类的铸造后孔隙度处理的情况下降低铸造制品300的孔隙度。此外，在不进行与热等静压相关的再结晶的情况下，部分拉出(步骤140)和再插入(步骤150)降低了铸造制品300的孔隙度。
在部分拉出(步骤140)期间，将模具210以部分拉坯坯速率从铸造炉200中拉出。适用的部分拉坯速率包括但不限于处于约1英寸/小时(约2.54cm/小时)至约30英寸/小时(约76.2cm/小时)之间，处于约1英寸/小时(约2.54cm/小时)至约15英寸/小时(约38.1cm/小时)之间，处于约1英寸/小时(约2.54cm/小时)至约10英寸/小时(约25.4cm/小时)之间，处于约1英寸/小时(约2.54cm/小时)至约7英寸/小时(约17.8cm/小时)之间，或其任何组合、子组合、范围、或子范围。在另一实施例中，该部分拉坯速率促进了(facilitate)形成在凝固部分215中的结晶的类型和/或数量。例如，在模具210的部分拉出(步骤140)期间，降低该部分拉坯速率延长了该局部拉出部分213暴露于铸造炉200外侧的降低温度的持续时间。延长的暴露增大了在凝固部分215中形成的结晶的数量。
在完全拉出(步骤160)期间，将模具210以完全拉坯速率从铸造炉200中拉出。适当的完全拉坯速率包括但不限于处于约1英寸/小时(约2.54cm/小时)至约30英寸/小时(约76.2cm/小时)之间，处于约1英寸/小时(约2.54cm/小时)至约15英寸/小时(约38.1cm/小时)之间，处于约1英寸/小时(约2.54cm/小时)至约10英寸/小时(约25.4cm/小时)之间，处于约1英寸/小时(约2.54cm/小时)至约7英寸/小时(约17.8cm/小时)之间，或其任何组合、子组合、范围、或子范围。该完全拉坯速率促进了铸造制品300中的结晶的类型和/或速率。例如，在模具210的完全拉出(步骤160)期间，该完全拉坯速率促进了增大量的定向或连续凝固。
在再插入(步骤150)期间，该局部拉出部分213的至少一部分被以沿与该部分拉出(步骤140)的方向相反或基本上相反的方向行进的再插入速率再插入到铸造炉200中。在一个实施例中，该再插入速率相当于本文中公开的适当的部分或完全拉坯速率中的任一个。在另一实施例中，该再插入速率大于本文中公开的适当的部分或完全拉坯速率。例如，适当的插入速率包括但不限于处于约1英寸/小时(约2.54cm/小时)至约30英寸/小时(约76.2cm/小时)之间，处于约1英寸/小时(约2.54cm/小时)至约15英寸/小时(约38.1cm/小时)之间，处于约1英寸/小时(约2.54cm/小时)至约10英寸/小时(约25.4cm/小时)之间，处于约1英寸/小时(约2.54cm/小时)至约7英寸/小时(约17.8cm/小时)之间，或其任何组合、子组合、范围、或子范围。
此外，在一个实施例中，在整个铸造方法100中通过任何适当的技术使部分拉坯速率、完全拉坯速率、和/或再插入速率自动化。适当的自动化技术包括但不限于在部分拉出(步骤140)、再插入(步骤150)、和/或完全拉出(步骤160)之间提供转换；自动反转该部分拉出(步骤140)以提供该再插入(步骤150)；自动反转该再插入(步骤150)以提供该完全拉出(步骤160)；改变部分拉坯速率、再插入速率、和/或完全拉坯速率；针对铸造炉200内的温度的变化进行调整；针对铸造制品300的包括增加的成孔特性的区域进行调整；或其组合。
在一个实施例中，部分拉坯速率、再插入速率、和/或完全拉坯速率被在整个每一个步骤期间予以维持(除了加速以开始每一个步骤以及减速以终止每一个步骤之外)。例如，部分拉坯速率、再插入速率、和完全拉坯速率为约5英寸/小时(约12.7cm/小时)。在另一实施例中，在整个铸造方法100期间改变部分拉坯速率、再插入速率、和完全拉坯速率中的至少一个。在整个铸造方法100期间的改变对应于铸造制品300的包括增加的成孔特性的区域，包括但不限于处于多个步骤之间(例如，处于部分拉出(步骤140)、再插入(步骤150)、和/或完全拉出(步骤160)之间)，至少一个步骤期间，或其组合。例如，在一个实施例中，部分拉坯速率和完全拉坯速率为约3英寸/小时(约7.6cm/小时)，而再插入速率为约10英寸/小时(约25.4cm/小时)。
参照图4，在另一实施例中，铸造方法100包括重复(步骤155)模具210的部分拉出(步骤140)和/或再插入(步骤150)。在一个实施例中，在该重复(步骤155)期间，该部分拉出(步骤140)使先前未暴露部分413暴露，并且该再插入(步骤150)使先前未暴露部分413的再插入节段内的凝固部分215至少部分再熔化。该再插入节段包括但不限于全部的或基本上全部的先前未暴露部分413、少于整个的先前未暴露部分413、铸造制品300的包括增加的成孔特性的区域、或其组合。例如，在另一实施例中，在重复(步骤155)期间，该部分拉出(步骤140)使约1英寸(约2.54cm)的先前未暴露部分413暴露，该先前未暴露部分413包括对应于厚度增大的区域的约0.5英寸(约1.27cm)的再插入节段。该再插入节段内的凝固部分215的再熔化允许熔融材料220对形成在其中的全部的或基本上全部的孔214进行填充。
在另一示例中，该部分拉出(步骤140)暴露出约0.5英寸(约1.27cm)的局部拉出部分213，并且该再插入(步骤150)使该局部拉出部分213内的凝固部分215部分再熔化。接着，该部分拉出(步骤140)的重复(步骤155)使包括已经被部分再熔化的凝固部分215的约0.5英寸(约1.27cm)的该局部拉出部分213以及约0.5英寸(约1.27cm)的先前未暴露部分413暴露。该再插入(步骤150)的重复(步骤155)随后在不使已被部分再熔化的该局部拉出部分213内的凝固部分215再熔化的情况下使形成在先前未暴露部分413内的凝固部分215再熔化。
在一个实施例中，铸造方法100包括将带有熔融材料220的模具210部分拉出(步骤140)持续拉坯时间。该拉坯时间包括对应于形成凝固部分215的任何适当的时间量。适当的时间量包括但不限于高达约2小时、高达约1.5小时、高达约1小时、处于约1小时至约2小时之间、高达约0.5小时、或其任何组合、子组合、范围、或子范围。拉坯时间期间的部分拉坯速率包括本文中公开的任何适当的部分拉坯速率。在再一实施例中，拉坯时间期间的部分拉坯速率包括但不限于恒定速率、拉坯速率的预定变化、递增速率、或其组合。
尽管已经参照优选实施例描述了本发明，但本领域技术人员将会明白的是，在不背离本发明的范围的情况下，可作出多种改变并可用等效物对本发明的元件进行替代。此外，在不背离本发明的基本范围的情况下，可作出许多改变以使具体情况或材料适合于本发明的教导。因此，意图是，本发明并不受限于被认为用于执行本发明的最佳模式而公开的具体实施例，而是本发明将包括落在所附权利要求的范围内的所有实施例。
Claims (17)
1.一种铸造炉中的铸造方法，所述铸造炉包括处于下端的拉坯区域，所述方法包括：
将模具定位在所述铸造炉内；
将熔融材料定位在所述模具中；
将所述模具经过所述铸造炉中的所述拉坯区域部分地拉出拉坯距离，所述拉坯距离提供局部拉出部分；随后
将所述局部拉出部分的至少一部分经过所述拉坯区域再插入到所述铸造炉中；并且随后
将所述模具从所述铸造炉中经过所述拉坯区域完全拉出以生产铸造制品；
其中，所述再插入使所述局部拉出部分内的凝固部分部分地再熔化以利用所述熔融材料填充形成在所述凝固部分中的孔。
2.根据权利要求1所述的铸造方法，其特征在于，所述铸造方法包括在所述模具的所述部分地拉出期间改变部分拉坯速率，所述改变对应于所述模具的包括增加的成孔特性的部分。
3.根据权利要求1所述的铸造方法，其特征在于，所述铸造方法包括在所述模具的所述完全拉出期间改变完全拉坯速率，所述改变对应于所述模具的包括增加的成孔特性的部分。
4.根据权利要求1所述的铸造方法，其特征在于，所述铸造方法包括对应于所述模具的包括增大厚度的一部分而降低完全拉坯速率和部分拉坯速率中的至少一个。
5.根据权利要求1所述的铸造方法，其特征在于，所述模具的所述部分地拉出包括处于1英寸/小时至10英寸/小时之间的部分拉坯速率，所述模具的所述完全拉出包括处于1英寸/小时至10英寸/小时之间的完全拉坯速率，并且所述再插入包括处于1英寸/小时至20英寸/小时之间的再插入速率。
6.根据权利要求5所述的铸造方法，其特征在于，所述部分拉坯速率不同于所述完全拉坯速率。
7.根据权利要求5所述的铸造方法，其特征在于，所述再插入速率大于所述部分拉坯速率和所述完全拉坯速率。
8.根据权利要求5所述的铸造方法，其特征在于，所述再插入速率、所述部分拉坯速率、和所述完全拉坯速率是相当的。
9.根据权利要求1所述的铸造方法，其特征在于，所述铸造方法还包括在所述再插入之前的部分拉坯保持时间和在所述完全拉出之前的再插入保持时间。
10.根据权利要求1所述的铸造方法，其特征在于，所述铸造方法还包括将一个或多个附加模具定位在所述铸造炉内。
11.根据权利要求10所述的铸造方法，其特征在于，所述一个或多个附加模具的定位选自由竖向指向、计算引导、所述一个或多个附加模具之间形成的半热绝缘间隙及其组合构成的组。
12.根据权利要求1所述的铸造方法，其特征在于，所述拉坯距离处于0.250英寸至6.0英寸之间。
13.根据权利要求1所述的铸造方法，其特征在于，所述铸造方法还包括在所述完全拉出之前，重复所述模具的所述部分地拉出和所述再插入。
14.根据权利要求13所述的铸造方法，其特征在于，所述部分地拉出的重复使所述模具的先前未暴露部分暴露，并且所述再插入的重复使所述模具的所述先前未暴露部分中的所述凝固部分部分地再熔化。
15.根据权利要求1所述的铸造方法，其特征在于，所述模具的所述部分地拉出和所述再插入降低了所述铸造制品的孔隙度。
16.根据权利要求1所述的铸造方法，其特征在于，所述局部拉出部分包括涡轮机叶片尖端护罩，并且所述铸造制品包括涡轮机叶片。
17.一种铸造炉中的铸造方法，所述铸造炉包括处于下端的拉坯区域，所述方法包括：
将模具定位在所述铸造炉内；
将熔融材料定位在所述模具中；
将所述模具经过所述铸造炉中的所述拉坯区域部分地拉出持续拉坯时间以提供局部拉出部分；
将所述局部拉出部分的至少一部分经过所述拉坯区域再插入到所述铸造炉中；并且随后
将所述模具从所述铸造炉中经过所述拉坯区域完全拉出以生产铸造制品；
其中，所述再插入使所述模具的所述局部拉出部分中的凝固部分部分地再熔化以利用所述熔融材料填充形成在所述凝固部分中的孔。
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