CN104918731A - 使用定向冷却的失蜡铸造法制造部件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用失蜡铸造法制造金属部件的方法，该金属部件由镍合金制成、具有柱状结构或单晶结构并具有至少一个细长形空腔，所述方法包括以下步骤：部件的蜡模型(20)，所述蜡模型具有与空腔相对应的陶瓷芯体(10)，陶瓷芯体包括用于保持在一纵向端的第一边缘部(14)和用于保持在相反端的第二边缘部(16)；围绕模型制作壳模，模具包括基部并且芯体的第一边缘部与基部处于相同端；将模具以基部设立于炉的炉床上的方式放置在炉中；将熔融合金倒入壳模中；通过从炉床开始沿传播方向逐渐冷却实现被倒入金属的定向凝固。本发明的特征在于，芯体(10)通过在芯体的第一边缘部(14)与模具的壁之间提供锚固的锚定构件(40)固定至壳模，芯体的第二边缘部(16)通过在模具的壁上滑动的保持构件(17)保持在模具中。

Description

使用定向冷却的失蜡铸造法制造部件的方法

技术领域

本发明涉及金属部件领域，所述金属部件为比如通过在壳模中铸造金属获得的涡轮机叶片，并且涉及一种通过柱状或单晶式定向凝固制造这些部件的方法。

背景技术

通过失蜡铸造制造金属部件的方法包括以下相继步骤。首先，用蜡或另一种临时性材料生产待被制造的部件的模型。在适用的情况下，模型围绕同样由蜡制成的中央圆筒连接为一簇。由陶瓷材料制成的壳随后通过连续浸泡在适合组分的粉桨(包括悬浮在液体中的陶瓷材料颗料)中、替代性地通过喷洒耐火砂形成在这样组装的模型上。随后蜡模型在通过对由此形成的壳模进行加热来固结时被去除。接下来的步骤包括将熔融金属合金(特别是镍基高温合金)倒入壳模中，并且随后对获得的部件进行冷却以根据期望的单晶结构使部件定向凝固。在凝固后，通过敲击去除壳以便从壳中取出部件。最后，实施精加工步骤以便去除多余材料。

冷却和凝固步骤因此得到控制。金属合金的凝固为从液相改变至固相，定向凝固包括沿给定方向发展熔融金属池中的“核”的生长，从而通过控制热梯度和凝固速度避免了新核的出现。定向凝固可以为柱状式或单晶体式。柱状定向凝固包括沿同一方向定向所有的晶粒接点，从而晶粒接点不会促成裂缝的传播。单晶定向凝固包括完全消除晶粒接点。

定向柱状或单晶凝固以下述众所周知的方式实施：通过将壳模(在其底部敞开)放置在冷却的炉床上，随后，将组件引入能够将陶瓷模具保持在高于待铸造合金的液相线的温度下的加热设备中。一旦实施铸造，位于设置在壳模的底部处的开口中的金属几乎在与冷却炉床接触的瞬时凝固并且凝固大约一厘米的有限高度，在该有限高度内金属具有等轴粒状结构，即，金属在该有限高度内的凝固在无任何优选方向下自然地发生。在有限高度以上，由于所施加的外部热量，金属保持在液体状态。炉床在控制速度下向下移动以便从加热装置中取出陶瓷模具，从而导致金属的逐渐冷却，金属从模具的底部到模具的顶部继续凝固。

柱状定向凝固通过在炉床移动的操作期间在液固相变化区域中在质量和方向方面维持适当温度梯度来获得。这使得能够防止在凝固前沿的前方产生新核的过熔。因此，唯一允许晶粒成长的核为等轴区域中预先存在的、与冷却炉床接触而凝固的那些核。由此获得的柱状结构由一系列狭长晶粒组成。

单晶定向凝固还包括在待铸造部件与冷却炉床之间插置挡板或者晶粒选择器或者单晶核；控制热梯度和凝固速度使得在凝固前沿的前方不会产生新核。在冷却后成为单晶铸造部件。

当希望对铸造部件提供特别的机械和物理特性时，通常使用柱状或单晶定向凝固技术制造铸造部件，特别是涡轮机叶片。当铸造部件为涡轮机叶片时情况尤其如此。

附加地，如本身已知的，当使用具有或不具有定向凝固的失蜡铸造方法时，使用反馈器以便去除待制造部件的端部区域中的气孔缺陷。实际上，当生产蜡模型时会设置多余的容积，设置这些多余容积用以克服凝固后部件的易于具有气孔缺陷的区域。当制造壳时，多余的容积导致壳内的额外容积，多余容积在铸造期间以与壳的其他部分相同的方式填充熔融金属。反馈器为填充壳内多余容积的凝固金属的储存器。当出现气孔缺陷时，气孔缺陷随后移入至反馈器中，并不再位于制造的部件本身中。随后，一旦金属凝固并冷却，反馈器在例如通过机械加工、切削或研磨的部件精加工操作期间去除。

如以申请人名义在专利FR2724857中描述的，还已知一种用于制造单晶叶片(比如涡轮喷嘴)的方法，所述单晶叶片包括相对于叶身的母线横向的两个平台之间的至少一个叶片。根据该方法的方式，模具在其顶部供给熔融金属。执行定向凝固(定向凝固的前沿从底部到顶部竖直行进)，并且通过放置在模具的底部处的选择装置选择单个单晶晶粒，并且在出口处存在预定取向并且与竖直方向一致的单个晶粒。

本发明涉及制造具有至少一个空腔的部件，并且该部件的蜡模型围绕陶瓷芯体铸造。当熔融金属倒入时，芯体在部件内保留与所需空腔对应的容积。对涡轮机叶片，以此方式生产冷却流体流经的空腔。

根据已知的制造方法，用于涡轮机叶片的陶瓷芯体包括各自位于每个纵向端处的两个保持跨部或凸耳。模型制备成使得在芯体的位于模具的顶部中的基部区域中限定陶瓷芯体的嵌入或锚定。根据该技术，之所以如此是因为芯体和蜡模型以基部位于顶部处且顶部位于底部处的方式安装。因此，在陶瓷铸造操作后，形成的陶瓷壳将芯体锁定在该区域中。在铸造期间，熔融金属填充由预先已去除的蜡释放的空腔。熔融金属占据芯体和壳的壁之间的空间。随后，通过向下拉动炉的放置了壳的炉床来实行凝固，凝固从若干金属晶粒凝固的开始部扩展并随后继而扩展到叶片的顶部，叶身和根部。在凝固中，金属在凝固开始部分中的端跨部处产生芯体的第二锚定。随后，芯体保持在两个端部处并在压缩下产生应力。因此，芯体通过挠曲发生变形。芯体不再遵从其理论位置，并且在部件上可能出现缺陷：金属壁厚可能不再符合规定，或者芯体在两端处的两个嵌入应力的作用下通过挠曲击穿叶片的金属壁。在这两个情况下，必须废弃部件。

此外，在凝固开始时定位嵌入具有扰乱凝固前沿的缺陷，并伴随出现产生寄生晶粒或定向障碍的风险。此外，在单晶的情况下，还存在在嵌入区域的任意一侧上重新附着增长边缘的缺陷。

发明内容

因此，本发明的主题是克服了以上陈述的问题的制造部件的方法。

根据本发明的使用失蜡铸造法制造金属部件的方法，所述金属部件由镍合金制成、具有柱状或单晶结构并具有至少一个细长形空腔，所述制造方法包括以下步骤：生产部件的蜡模型，所述蜡模型具有与所述空腔相对应的陶瓷芯体，陶瓷芯体包括位于纵向端处的第一保持跨部和位于相反端处的第二保持跨部；

围绕模型制造壳模，模具包括基部并且芯体的第一跨部与基部位于同一侧上；

将模具以基部放置在炉床上的方式放置在炉中；

将熔融合金倒入壳模中；

通过从炉床开始沿传播方向逐渐冷却定向凝固倒入的金属；

其特征在于，芯体通过芯体的第一跨部与模具的壁之间的锚定构件固定至壳模，芯体的第二跨部通过在模具的壁上滑动的保持构件保持在模具中。

由于芯体没有通过在其两端锚定被保持，因此本发明的方案避免了芯体在定向凝固的传播期间的变形。因此，芯体不会受模具与芯体之间的膨胀系数差可能导致的力被压缩。此外，不存在产生寄生晶粒的风险或主晶粒的重新附着的缺陷。

本发明的方案还保证芯体在部件的从部件的蜡模型到铸造及凝固的整个加工阶段期间的位置。

有利地，锚定构件包括杆，更具体地，杆由耐火陶瓷例如氧化铝制成，杆穿过第一跨部和模具的壁。优选地，陶瓷杆具有大约1毫米的较小直径。杆穿过蜡模型和芯体，蜡模型和芯体预先加工有直径比杆的直径稍大的穿孔以便避免在该位置引起的应力。

根据另一个特征，滑动保持构件由形成在跨部与模具的壁之间的空间形成，该空间通过在生产模型时沉积在跨部的表面上的膨胀清漆膜获得。清漆随后在模具脱蜡操作期间被去除。例如，清漆为指甲油式的材料，从而使每层能够获得百分之几毫米的厚度。适用于该应用的清漆包括溶剂、树脂、硝化纤维、增塑剂。例如，本发明的方法中可以使用诸如商品名“All formulae Peggy Sage nailpolish”下出售的“触变基”的清漆。

膜更准确地置于第二跨部与模具的壁之间。膜在壳模形成之前涂覆于第二跨部的平行于冷却传播方向(即，在可移动炉床的情况下，平行于可移动炉床的推动方向)的表面。优选地，清漆膜非常薄，大约为百分之3至5毫米。其目的是首先防止在脱蜡后模具的壁在此区域粘附至芯体，其次在脱蜡后产生薄的自由空间以允许第二跨部相对于模具的纵向引导并防止模具对芯体施加压力。

第二跨部的不平行于凝固传播方向的轴线(即，推动轴线)的表面在一开始被蜡的沉积物覆盖使得在脱蜡后在第二跨部的表面与模具的壁之间提供空间。该空间在倒入熔融金属期间防止壳的壁与芯体的第二跨部之间的接触，并防止此区域中的芯体在凝固期间的受压。通常，对于具有100至200mm长度的部件，蜡的沉积物的厚度为大约1mm，即，部件长度的大约1％。

本方法允许同时制造多个部件。用于所述部件的模型在该情况中在壳模内一起聚集为一簇。

本方法适用于制造至少一个具有柱状结构的金属部件，用于萌发晶体结构的构件设置在模具与炉炉床之间。

本方法适用于制造至少一个具有单晶结构的部件，晶粒选择器设置在成核元件与模具之间。

本发明特别适用于制造涡轮机叶片，第一跨部位于叶片的叶射的顶部的延伸部中，第二跨部位于叶片的根部的延伸部中。

有利地，本方法使用炉，炉的炉床能够在使金属熔融的热区域与使金属凝固并且炉床自身被冷却的冷却区域之间竖直移动。

附图说明

参照附图，根据本发明的以下以非限定性示例给出的实施方式的描述，其他特征和优点将变得更加明显。其中，

图1描绘了可以根据本发明的方法获得的涡轮机叶片；

图2示意性地描绘了涡轮机叶片的陶瓷芯体；

图3描绘了从侧面看到的图2的芯体；

图4示意性描绘了具有图2的芯体的蜡模型；

图5描绘了在穿过芯体的纵向截面看到的壳模；

图6描绘了允许壳模中的熔融金属的定向凝固的炉的示例；

图7为在图5中示出的壳模的顶端的放大图。

具体实施方式

本发明涉及一种用于制造金属部件的方法，所述金属部件由镍基合金制成以通过适合的定向凝固获得柱状或单晶晶体结构。

本发明更具体地涉及制造与图1中示出的涡轮机叶片类似的涡轮机叶片；叶片1包括叶身2、用于将叶片1附接至涡轮盘的根部5、以及在适用情况下具有坡脚的顶部7。由于涡轮机的操作温度，叶片设置有冷却流体(一般为空气)流通穿过的内部冷却回路。根部与叶身之间的平台6构成气流的径向内壁的一部分。此处描绘的部件为可动叶片，但本发明也适用于分配器或适用于具有芯部的任何其他部件。

由于部件内的冷却回路的复杂性，有利的是，使用形成冷却回路的空腔的陶瓷芯体通过失蜡铸造来生产该部件。

图2和图3示意性描绘了具有简化形式的芯体，芯体由陶瓷制成并用于形成涡轮机叶片的内部空腔。细长形的芯体10包括一个分支或由空间12隔开的多个分支11，以便在倒入金属后形成空腔之间的隔壁；在描述的示例中，芯体包括由空间12隔开的两个分支11。在一端处，芯体延伸出跨部或凸耳14，跨部或凸耳14的作用为在部件的制造期间保持芯体，但在部件制造完成之后跨部或凸耳14未必对应于部件的一部分。在相反端，芯体包括同样用于在制造阶段期间保持芯体的第二跨部16。可以在图3中看到的是，所描绘的芯体的厚度与其长度相比相对较薄。要理解的是，芯体相对于其长度越薄，其对于挠曲越敏感。

芯体放置在用于制造蜡模型的模具中。模具的空腔为待获得部件的形状。通过将蜡注入至模具中，获得部件的模型。跨部14和16用于将芯体保持在蜡模型中。图4示意性描绘了蜡模型20，其中芯体10以虚线描绘出。模型在第一端24处在叶身的延伸部分中延伸以便覆盖跨部14，并在相反端26处模型在根部延伸。要注意的是，跨部16的部分16A未用蜡覆盖。部分16A包括与芯体的轴线平行的表面并涂覆有清漆，清漆的功能在下文中说明。

通常，若干模型组装为一簇以便同时制造若干部件。模型例如围绕竖直中央圆柱体并列地布置在圆筒中并通过端部保持。底部安装在用于提供晶体结构的成核作用的元件上。接下来的步骤包括围绕模型形成壳模。为此，已知的是，组件被浸入到粉桨中以便逐层沉积耐火陶瓷颗粒。最后，模具通过加热固结并且通过脱蜡操作去除蜡。

图5示意性示出本发明的关于单个模型20情况下的芯体10与壳30之间的布置的纵向截面图。

第一跨部14通过耐火陶瓷杆40保持在模具30中，耐火陶瓷杆40穿过第一跨部14并延伸至模具30的壁中，从而嵌入在模具30中。杆40在生产壳模之前并在模型在跨部14处穿孔之后装配。穿孔具有比杆的直径稍大的直径使得在杆与跨部之间不产生应力，并使得杆提供芯体在模型中的正确定位。

与第一跨部相反的第二跨部16在芯体的未覆盖有蜡的部分16A上在一开始涂覆有清漆层17，并在壳模形成之后，清漆层与模具的内壁直接接触。如可以在图5中看到，在使模具脱蜡之后，消失的层在芯体的跨部16与壳模的壁之间留下自由空间。标记17指代由清漆层留下的自由空间。空间17是薄的，即，为百分之3至5毫米。空间17形成用于将第二跨部16可滑动地保持在壳30的壁上的构件。

此外，与凝固发展的轴线不平行的表面——此处水平表面16B——在一开始时被蜡的沉积物18覆盖。在脱蜡后，蜡的沉积物留下具有相同附图标记18的自由空间，自由空间防止在芯体膨胀时芯体的跨部16与壳的壁接触。因此自由空间防止芯体的应力。通常，对于具有100至200mm长度的部件，蜡的沉积物的厚度为大约1毫米，即，部件长度的大约1％。

通过不产生应力，芯体不易于挠曲，并且模具的壁与芯体之间的部件的初始壁厚得到保存。

图5在沿部件的横截面中示出壳模30以及模具内的具有分支11和跨部14及16的芯体10。芯体的截面沿图4的线VV截取。容积30'对应于模型的蜡，或者在壳凝固后对应于模具的壁与芯体之间的将被金属填充的空间。杆40穿过第一跨部14，杆40足够长而被锚定在壳模30的壁中。以此方式，芯体10定位在壳模30内部。

在脱蜡和固结后，模具放置在为定向凝固配备的炉的炉床上。该炉100在图6中示出。可以在其中看到腔室101，腔室101设置有加热元件102。供应熔融金属的孔口103与容纳熔融金属负载的坩埚104连通，坩埚104通过倾置来填充布置在炉的炉床105上的壳模30。炉床能够竖直移动(参见箭头)并通过炉床的板内的回路106中的水的流通被冷却。模具通过基部支承在冷却炉床上。模具的底部通过过成核构件通向炉床。

如在申请的前序中说明的，制造方法包括：将熔融金属从坩埚104直接倒入模具30中，模具30通过用于对腔室101进行加热的装置102维持在足够温度以使金属保持熔融，并且在这种情况下熔融金属填充芯体10与模具30的壁之间的空隙30'。由于模具的基部通过成核元件与炉床热接触，金属凝固，从而形成向上传播的晶体结构。炉床105继续冷却并逐渐降低离开加热的腔室。在单晶结构的情况下，如本身已知的，在成核元件与凝固物之间插置晶粒选择器。

高温差在模具的具有金属的各个区域之间产生应力。通过本发明的结构和杆40，芯体通过仅在下部初始凝固区域中锚定第一跨部40被保持。如可以在图7中看到的，由于在第一跨部的相反端处，第二跨部16通过清漆层(在模具脱蜡期间去除)留下的自由空间17沿模具的壁被引导，因此芯体能够相对于壳30沿芯体的长度方向自由不均匀膨胀。

附加地，第二跨部16的不平行于凝固发展的轴线的表面——此处水平表面16B——由于通过蜡的沉积物形成的自由空间18而不与壳的壁接触。以此方式，避免了芯体的应力。通常，对于具有100至200mm长度的部件，与蜡的沉积物对应的空间的厚度为大约1mm，即，部件长度的大约1％。通过不产生应力，芯体不易于挠曲，并且模具的壁与芯体之间的部件的初始壁厚得到保存。

一旦金属冷却，即将模具破坏，并且将部件取出并运送至精加工车间。

Claims (10)

1.一种使用失蜡铸造法制造金属部件的方法，所述金属部件由镍合金制成、具有柱状结构或单晶结构并具有至少一个细长形空腔，所述方法包括以下步骤：

生产所述部件的蜡模型(20)，所述蜡模型(20)具有与所述空腔相对应的陶瓷芯体(10)，所述陶瓷芯体包括位于纵向端处的第一保持跨部(14)和位于相反端处的第二保持跨部(16)；

围绕所述模型生产壳模(30)，所述壳模包括基部并且所述芯体的第一跨部(14)与所述基部位于同一侧上；

将所述壳模以所述基部放置在炉床(105)上的方式放置在炉(100)中；

将熔融合金倒入所述壳模中；

通过从所述炉床开始沿传播方向逐渐冷却定向凝固倒入的金属；

其特征在于，所述芯体(10)通过所述芯体的第一跨部(14)与所述壳模(30)的壁之间的锚定构件(40)固定至所述壳模，所述芯体的第二跨部(16)通过在所述壳模的壁上滑动的保持构件(17)保持在所述壳模中。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述锚定构件(40)包括穿过所述第一跨部(14)并嵌入到所述壳模的壁中的杆。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述杆由陶瓷制成。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述滑动保持构件(17)包括由清漆膜留下的自由空间，所述清漆膜置于所述芯体的第二跨部(16)的平行于凝固的发展方向的部分(16A)与所述壳模的壁之间。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在所述芯体的跨部(16)的不平行于凝固的发展方向的表面(16B)之间形成空间。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述部件的模型在壳模内一起聚集为一簇以用于制造多个部件。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在所述壳模与所述炉的炉床(105)之间设置有晶体结构的成核元件以用于制造至少一个具有柱状结构的金属部件。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，包括所述成核元件与所述壳模之间的晶粒选择器以用于制造至少一个具有单晶结构的部件。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述部件为涡轮机叶片，所述第一跨部位于所述叶片的叶身的顶部的延伸部中，所述第二跨部位于所述叶片的根部的延伸部中。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述炉床能够在使金属熔融的热区域与使金属凝固并且所述炉床自身被冷却的冷区域之间竖直移动。