CN105121064B - 单晶熔炼模具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及单晶熔炼的领域，并且特别地涉及单晶熔炼模具(1)，该模具包括至少一个模腔(7)；起始腔(10)，其具有至少一个第一倒置漏斗形状的空间(10a)；以及分开的第二底座形状的空间(10b)，该第二空间位于第一空间的底部和在至少一个水平方向上相对于所述第一空间明显地突出；和选择通道(9)，其连接所述起始腔(10)和所述模腔(7)；它还包括支撑杆(20)，该支撑杆(20)相对于所述选择通道侧向地偏移以及连接起始腔(10)的第二空间(10b)与模腔(7)。本发明也涉及使用这种模具(1)的熔炼方法。

Description

单晶熔炼模具
技术领域
本发明涉及铸造领域，并且更特别地涉及用于铸造的模具，也涉及制造壳模的方法，以及涉及使用这种模具的铸造方法。
背景技术
在下面的描述中，术语“高”、“低”、“水平的”和“垂直的”由金属正被铸造成模具时，这种模具的正常定向所定义。
自从古代就已经知道所谓的“失蜡”或“失模型”铸造方法。它们特别地适于生产复杂形状的金属部件。因此，使用失模型铸造特别地用于生产涡轮发动机叶片。
在失模型铸造中，第一步骤正常地包括由具有相对低的熔化温度的材料诸如，例如由蜡或树脂制造模型。用耐火材料涂覆模型本身，以形成模具，并且特别地壳模类型的模具。从模具内部移除或排除模型的材料后，这是为什么这种方法称为失模型铸造方法，将熔化金属铸造到模具中，以用材料填充被从其移除或排除的模型已经在模具内部形成的模腔。一旦金属已经冷却和固化，可以打开或毁掉模具，以回收具有模型形状的金属部件。在本发明的上下文中，术语“金属”应该理解为不仅包括纯金属，还包括尤其是金属合金。
为了能够同时制造多个部件，可以将多个模型联合在单个组件中，在单个组件中通过树形将多个模型连接在一起，该树形在模具中形成用于熔化金属的铸造通道。
在失模型铸造中可以使用的各种类型模具中，所谓的“壳”模是已知的，通过将模型或模型组件浸在崩料中，然后将耐火砂喷粉到涂覆有崩料的模型或模型组件上，以在模型或组件周围形成壳，然后，烘烤壳以烧结它和由此固结崩料和砂。可以设想浸入和喷粉的几次连续操作以在烘烤壳之前获得足够厚度的壳。术语“耐火砂”用在本发明上下文中指任何颗粒材料，该颗粒材料的粒径足够小以满足期望的生产公差，该颗粒材料当在固体状态时能够经受熔化金属的温度，并且在壳的烘烤期间能够固结为单件。
为了在通过铸造所生产的部件中获得特别地有利的热机械特性，可以期望确保金属在模具中经历定向固化。术语“定向固化”用在本发明的上下文中意指当熔化金属从液体通过到固态时，对熔化金属中固态晶体的成核和生长施加控制。这种定向固化的目的是为了避免部件内颗粒边界的不利影响。因此，定向固化可以是柱状的或单晶的。柱状定向固化包括在相同方向上定向所有颗粒边界，以致于它们不能促进传播裂缝。单晶定向固化包括确保部件固化为单晶，以排除所有颗粒边界。
为了获得这种单晶定向固化，模具通常具有在模腔下方通过选择通道连接模腔的起始腔，如法国专利FR2 734 189和US专利4 548 255中通过实施例所公开的。当金属正在模具中固化时，模具从起始腔开始逐渐地冷却，以引起其中晶体成核。选择通道的作用首先是有利于单个颗粒，其次是能够使单个颗粒从在起始腔中成核的该颗粒的结晶前面朝向模腔前进。
然而，特别地当模具具有所谓的“壳模”类型时，该“壳模”由将要接收熔化金属的腔和通道周围的相对薄的壁组成，这种构造的缺点是确保模具具有机械强度，因为模腔占据了正常地更小的起始腔之上的高位置。为此目的，如专利US 4 940 073中所示，通常的实践是在模具中包括支撑杆。
然而，穿入到起始腔和模腔中的这种支撑杆可以干扰颗粒成核和扩展。
发明内容
因此，本发明通过提出带有模腔、支撑杆、形状能够使得颗粒成核的起始腔的用于单晶铸造的模具，以及提供适于支撑杆的支撑件，以及连接起始腔顶部用于扩展单个颗粒到模腔的选择通道，寻求修正这些缺点。
在至少一个实施方式中，通过下列事实而达到该目的：起始腔包括倒置漏斗形式的至少第一体积和形成底座的不同的第二体积，该第二体积位于第一体积的底部和在至少一个水平方向上相对于所述第一体积明显地突出，其中支撑杆相对于选择通道侧向地偏移以及连接起始腔的第二体积和模腔。术语“倒置漏斗形式”用于意指具有会聚轮廓的形状，以致于第一体积的最大截面位于邻接第二体积，并且第一体积的最小截面位于位于远离第二体积。该形状不一定是锥形，也不一定是轴对称的。术语“明显地突出”用于意指第一体积的底部边缘和第二体积的顶部边缘之间的水平差异容易被常规测量装置检测到。因此，尽管支撑杆被侧向地偏移，第二体积的该水平突出可以给支撑杆提供稳定基座，因此可以避免干涉经由漏斗形第一体积在起始腔和选择通道之间过渡中所选择的颗粒。
特别地，第二体积可以在所述第一体积的整个周边的周围水平地突出，因此在第一体积和第二体积之间产生不连续性，该不连续性促进选择颗粒。
此外，所述第一体积可以关于垂直轴线是轴对称的，因此方便朝向圆形部分的选择通道的过渡，因此降低了干涉颗粒成核的风险，并且也降低了模具壁中弱点的风险。
而且，所述第二体积可以是关于垂直轴线非轴对称的，特别地，当组装用于制造模具的模型组件时，以方便定位用于起始腔的可熔化的模型。然而，第二体积特别地可以相对于垂直平面是对称的，因此方便使用喷射模塑生产可熔化的模型，通过使得模型更易被脱膜，该可熔化的模型将被用于形成该腔。
为了获得在所述第一体积和在选择通道中特别地均匀的温度条件，支撑杆相对于选择通道的侧向偏移可以使得支撑杆和第一体积之间的最小距离大于支撑杆周围模具的厚度加上第一体积周围模具的厚度之和。模具特别地可以是通过“失蜡”或“失模型”方法产生的“壳”模类型的模具，因此可以获得具有相对薄壁的模具。
特别地，所述选择通道可以是折流板形成的选择通道，特别地用于可靠地确保选择单晶颗粒的目的。此外，所述选择通道可以具有圆形横截面，特别地用于确保选择通道周围的模具壁的完整性，并且也为了避免干涉选择通道的锐角转角中颗粒成核。
本发明也提供了铸造方法，其包括例如，通过“失蜡”或“失模型”方法，至少制造这种模具，铸造熔化金属到模具中，冷却金属，同时从起始腔开始金属的定向固化，以及拆除模具，以回收原金属铸件。举例说明，该方法也包括精加工原金属铸件的另外的步骤。
附图说明
通过阅读下面以非限制性实施例方式所给出的实施方式的详细描述，可以更好地理解本发明，并且更好地呈现其优点。
图1是表示定向固化铸造方法实施的示意图。
图2是表示铸造模型组件的示意图。
图3是本发明实施方式中起始腔的侧视图，具有相应的选择通道，以及一部分相应的模腔和陶瓷支撑杆；以及
图4是用于图3的起始腔的可熔化的模型的平面图。
具体实施方式
图1表示通过铸造方法通常进行的熔化金属如何逐渐冷却以获得定向固化。
该方法中使用的壳模1包括沿着主轴线X在铸造杯5和板形基座6之间延伸的中心下降器4。壳模1正从加热室3抽出时，基座6直接地接触底板2。壳模1也有作为组件布置在中心下降器周围的多个模腔7。每个模腔7通过供料通道8连接铸造杯5，经由该供料通道8，当铸造熔化金属时，插入熔化金属。每个模腔7也在底部经由折流板选择通道9连接到邻接基座6的更小的起始腔10。
通过所谓的“失蜡”或“失模型”方法可以生产壳模1。这种方法的第一步是产生非永久的组件11，该组件11包括通过树形13连接在一起的多个模型12，如图2中所示。模型12和树形13用于形成壳模1中中空体积。使用具有低熔化温度的材料，诸如适合的树脂或蜡获得它们。当它意图生产大量部件时，特别地可以通过将树脂和蜡注射到永久模具中生产这些元件。为了支撑每个模型12，由耐火材料，例如陶瓷制成的支撑杆20将每个模型12连接到组件11的基底。
在这个实施中，为了从非永久性组件11生产壳模1，将组件11浸在崩料中，然后用耐火砂喷粉。可以重复几次这些浸入和喷粉的步骤，直到已经在组件11周围形成期望厚度的崩料浸渍的砂的壳。
然后，加热这种壳中所覆盖的组件11，以熔化组件11的低熔材料和从壳内部移除该低熔材料。此后，在更高稳定的烘烤步骤中，烧结壳以固结耐火砂和形成壳模1。
当熔化金属经由铸造杯5进入壳模时，铸造该铸造方法中所使用的金属或金属合金，并且经由供料通道8，它填充模腔7。在该铸造期间，如图1中所示，将壳模1保持在加热室3中。此后，为了引起熔化金属逐渐地冷却，通过冷却和可移动的支撑件2所支撑的壳模1沿着主轴线X向下从加热室3抽出。因为壳模1经由其基座6被支撑件2冷却，因此，在起始器10中触发熔化金属的固化，并且在壳模1沿着图1中所示箭头从加热室3逐渐向下抽出期间，该固化向上扩展。通过每个选择器9形成的限制以及其折流板形状，然而用于确保只有在起始腔10的每个腔中最初成核的颗粒之一能够继续，以延伸到相应模腔7。
在该方法中适于使用的金属合金中，特别地发现的有单晶镍合金，诸如特别地来自于SNECMA的AM1和AM3，以及其它合金，其中，诸如来自于C-M集团的和来自General Electric的和N6，来自于Rolls-Royce的RR2000和SRR99，以及来自于Pratt&Whitney的PWA 1480、1484和1487。表1概述了这些合金的组分：
表1：以重量百分比计的单晶镍合金
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
CMSX-4 6.5 9.6 0.6 6.4 5.6 1.0 6.5 - 3.0 0.1 - - 平衡
CMSX-6 10.0 5.0 3.0 - 4.8 4.7 6.0 - - 0.1 - - 平衡
CMSX-10 2.0 3.0 0.4 5.0 5.7 0.2 8.0 - 6.0 0.03 - - 平衡
RenéN5 7.0 8.0 2.0 5.0 6.2 - 7.0 - 3.0 0.2 - - 平衡
RenéN6 4.2 12.5 1.4 6.0 5.75 - 7.2 - 5.4 0.15 0.05 0.004 平衡
RR2000 10.0 15.0 3.0 - 5.5 4.0 - - - - - - 平衡
SRR99 8.0 5.0 - 10.0 5.5 2.2 12.0 - - - - - 平衡
PWA1480 10.0 5.0 - 4.0 5.0 1.5 12.0 - - - 0.07 - 平衡
PWA1484 5.0 10.0 2.0 6.0 5.6 - 9.0 - 3.0 0.1 - - 平衡
PWA1487 5.0 10.0 1.9 5.9 5.6 - 8.4 - 3.0 0.25 - - 平衡
AM1 7.0 8.0 2.0 5.0 5.0 1.8 8.0 1.0 - - - - 平衡
AM3 8.0 5.5 2.25 5.0 6.0 2.0 3.5 - - - - - 平衡
在金属已经在壳模中冷却和固化后，可以拆除模具以释放金属部件，然后，可以通过机械加工和/或表面处理方法精加工该金属部件。
图3表示更具体地起始腔10之一的形状，具有相应地选择通道9以及经由选择通道9连接起始腔10的一部分模腔7。由此，可以看到如何起始腔10包括第一体积10a，该第一体积10a的类型包括向上会聚轮廓，即，倒置漏斗形式，和在第一体积10a底部具有不同的第二体积10b。第一体积的向上会聚以致于第一体积的最大横截面位于邻接第二体积，并且第一体积的最小横截面位于远离第二体积。换而言之，在图3的定向中，第一体积10a的最大横截面在低于其最小横截面的位置。有利地，该第二体积10b具有水平地布置的基本上恒定的横截面，相对于第一体积10a在第一体积10a的整个周围侧向地突出，但是在主方向上达到最大程度。杆20的底部被接收在第二体积10b的该侧向突出中。
在所示的实施方式中，第二体积10b具有至少5毫米(mm)的高度hb，以对杆20提供足够的锚定。第二体积10b的顶部边缘是圆形的，以避免在壳模1中该位置处的应力集中和由此地裂缝。这种裂缝将导致壳模1壁中所包含金属的细微泄露，这将构成用于成核干涉颗粒的位点。该圆形部分的半径可以在例如，约0.5mm。
因为相同的原因，第一体积10a和第二体积10b之间，以及第一体积10a和选择器9之间的过渡同样是圆形的。例如，在假定是垂直的平面中相对于第一体积10a的一个或多个壁的水平方向的倾斜角α可以位于40°到70°。该倾斜角能够进行第一颗粒选择操作和避免在固化结束时缩痕，该缩痕可以产生用于成核干涉颗粒的位点。然而，根据第一体积10a的形状，可以设想其它的倾斜角。
尽管在所示的实施方式中，该第一体积10a是锥形的，同样地可以设想向上地减少的水平截面的其它形状，并且更特别地，但不是唯一地，轴对称的形状。例如，还可以设想半球形状，它的凸侧向上指向。独立于其形状，第一体积10a的高度ha可以位于例如，2mm到20mm的范围。
选择通道9是折流板的形式，其具有至少5mm，并且优选地位于例如，6mm到8mm范围的直径dc的基本上恒定圆形截面的5个连续元件9a到9e。该范围的直径可以获得单个颗粒选择，同时避免对于选择通道9太小的直径，该太小的直径会导致裂缝形成在壳模1壁中，这将促进干涉颗粒的成型。为了相同的原因，连续段9a到9e之间的连接是圆形的，例如，具有约7mm的半径。这5个连续的段9a到9e包括基本上垂直的第一和第五段9a和9e，也是基本上垂直的第三段9c，但是其相对于第一和第五段9a和9e侧向地偏移，以及倾斜的第二和第四段9b和9d，它们将第三段9c的末端分别地连接到所述第一和第五段9a和9e。所述第二和第四段9b和9d相对于水平方向的倾斜角β可以位于例如，5°到45°的范围。整个起始腔10加上选择器9的总高度h可以位于例如，30mm到40mm的范围。
在图3中也可以看到模腔7的底部。为了提供选择通道9和模腔7之间的过渡，以避免在模具1的该至关重要位置处产生干涉颗粒，模腔7的底部边缘是倾斜和圆形的。这些边缘相对于水平方向的倾斜角γ同样可以位于例如，5°到45°的范围。标准曲线连接这些圆形边缘和选择通道9。由圆形部分组成这个标准曲线，该圆形部件的半径接近边缘的半径，以避免将会促进成核干涉颗粒的形状的改变。
杆20通过模腔7的圆形底部边缘之一穿入到模腔7中。为了避免形成可能构成用于成核干涉金属颗粒的位点的间隙，杆20和模腔7之间的连接21具有最小可能的角度半径或者没有角度半径，同时这适应于所有杆20的周围。支持杆20可以由耐火材料，诸如陶瓷，特别地氧化铝制造，并且它可以具有例如，3mm直径dt的横截面。
图4是用于形成起始腔10的金属可熔化的模型10’的平面图。该可熔化的模型10’的第一和第二体积10’a和10’b的形状对应于起始腔10的第一和第二体积10a和10b的形状。如附图中可以看到的，该可熔化的模型10’的第二体积10’b具有通过两个不同半径的圆弧所形成的对称水平截面，这两个圆弧的端部通过直线连接在一起。这种形状特别地用于确保当组装组件11时，正确地定向模型10’。半径R的所述圆弧之一居中于可熔化的模型10’的第一体积10’a的中心轴线上，而半径r的另一个圆弧明显地小于半径R，居中于杆20的中心轴线上。杆20和起始腔10的第一体积10a之间的最小距离S大于分别地在所述杆20周围和所述第一体积10a的周围的模具1的壁的厚度et和ea的总和，以避免这些壁重叠，因为这将对起始腔10的所述第一体积10a内温度均一性有害。
尽管参考了特定的实施方式描述了本发明，清楚地可以对其进行各种修改和改变而不超过权利要求所限定的本发明的总范围。此外，在另外的实施方式中可以组合所提到的各个实施方式的单独特征。因此，应该在示例性意义上，而不是在限制性意义上考虑说明书和附图。

Claims (9)

1.用于单晶铸造的模具(1)，该模具包括至少：
模腔(7)；
起始腔(10)，其具有至少：
倒置漏斗形式的第一体积(10a)；以及
形成底座的不同的第二体积(10b)，该第二体积位于第一体积的底部和在至少一个水平方向上相对于所述第一体积明显地突出以形成侧向突出；和
选择通道(9)，其连接所述起始腔(10)和所述模腔(7)；和
模具的特征在于：它还包括支撑杆(20)，该支撑杆(20)相对于所述选择通道侧向地偏移以及连接起始腔(10)的第二体积(10b)与模腔(7)。
2.根据权利要求1所述的模具(1)，其中支撑杆(20)的底部被接收在第二体积(10b)的所述侧向突出中。
3.根据权利要求2所述的模具(1)，其中支撑杆(20)和第一体积(10a)之间的最小距离大于支撑杆(20)周围模具(1)的厚度加上第一体积(10a)周围模具(1)的厚度的总和。
4.根据权利要求1所述的模具(1)，其中第二体积(10b)在所述第一体积的整个周边的周围水平地突出。
5.根据权利要求1所述的模具(1)，其中所述第一体积(10a)关于垂直轴线是轴对称的。
6.根据权利要求1所述的模具(1)，其中所述第二体积(10b)关于垂直轴线不是轴对称的。
7.根据权利要求1所述的模具(1)，其中所述选择通道(9)是折流板形状的选择通道。
8.根据权利要求1所述的模具(1)，其中所述选择通道(9)具有圆形横截面。
9.一种铸造方法，包括至少下列步骤：
根据权利要求1制造模具(1)；
将熔化金属铸造到模具(1)中；
冷却金属，具有从起始腔(10)开始的金属的定向固化；
拆除模具(1)，以回收原金属铸件。
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