CN105188988A - 具有角半径以减少再结晶的铸造部件 - Google Patents

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Abstract

一种包括铸造体的铸造部件，所述铸造体具有单晶微结构和限定内腔的内角。所述单晶微结构定义相对于使用耐熔金属芯的所述铸造体的熔模铸造的临界内部残余应力，超过所述临界内部残余应力，所述单晶微结构在预定的条件下再结晶。所述内角具有大于临界角半径的角半径，低于所述临界角半径，所述单晶微结构中的内部残余应力的量超出所述临界内部残余应力。所述内腔包括在所述角半径附近的小于大约20密耳的截面。

Description

具有角半径以减少再结晶的铸造部件
背景
本公开涉及铸造部件中的再结晶。
机器部件，如燃气涡轮发动机翼片，可由高温合金材料铸造而成。例如，在熔模铸造中，陶瓷或耐熔金属芯被布置在模具中并且用蜡料涂敷，其提供所需的形状。蜡料随后被硬化成壳的陶瓷浆料涂敷。蜡从壳中熔出并且剩余的空腔随后装满金属以提供所述部件。芯随后被移除，留下部件内的内部通道。
概述
一种根据本公开的实例的铸造部件包括具有单晶微结构和限定内腔的内角的铸造体。单晶微结构定义相对于使用耐熔金属芯的铸造体的熔模铸造的临界内部残余应力，超过所述临界内部残余应力，单晶微结构在预定条件下再结晶。内角定义大于临界角半径的角半径(R)，低于所述临界角半径，单晶微结构中的内部残余应力的量超出临界内部残余应力。内腔包括在角半径附近的小于大约20密耳的截面。
在前述实施方案中的任何一个的另一个实施方案中，内腔是具有小于大约15密耳的截面的微通道。
在前述实施方案中的任何一个的另一个实施方案中，微通道被嵌入铸造体的外壁内。
在前述实施方案中的任何一个的另一个实施方案中，铸造体是翼片，并且外壁是翼片的吸力侧壁或压力侧壁。
在前述实施方案中的任何一个的另一个实施方案中，微通道具有垂直于铸造体的纵向而截取的截面，所述截面具有最大尺寸宽度W，使得最大宽度D与角半径R之比不大于10∶1(十比一)。
在前述实施方案中的任何一个的另一个实施方案中，内腔具有垂直于铸造体的纵向而截取的截面，所述截面具有最大尺寸宽度W，使得角半径(R)与最大宽度D之比至少是1∶10(一比十)。
在前述实施方案中的任何一个的另一个实施方案中，内角在铸造体的肋与外壁之间。
在前述实施方案中的任何一个的另一个实施方案中，铸造体是镍基合金。
一种根据本公开的实例的涡轮发动机任选地包括：风扇、压缩机部分、与压缩机部分流体连通的燃烧室和与燃烧室流体连通的涡轮部分。涡轮部分包括具有铸造体的翼片铸造部件，所述铸造体具有单晶微结构和限定内腔的内角。单晶微结构定义相对于使用耐熔金属芯的铸造体的熔模铸造的临界内部残余应力，超过所述临界内部残余应力单晶微结构在预定条件下再结晶。内角定义大于临界角半径的角半径(R)，低于所述临界角半径，单晶微结构中的内部残余应力的量超出临界内部残余应力。内部通道具有小于大约20密耳的截面。
一种根据本公开的实例的控制铸造部件中的再结晶的方法包括：通过在铸造体中建立限定内腔的内角以具有大于相对于使用耐熔金属芯的铸造体的熔模铸造的临界角半径的角半径(R)来限制具有单晶微结构的铸造体中的再结晶，低于所述临界角半径，单晶微结构中的内部残余应力的量超出来自铸造的临界内部残余应力，超过所述临界内部残余应力，所述单晶微结构在预定条件下再结晶。
在前述实施方案中的任何一个的另一个实施方案中，内腔是微通道。
在前述实施方案中的任何一个的另一个实施方案中，铸造体是翼片，并且微通道被嵌入铸造体的外壁内。
前述实施方案中的任何一个的另一个实施方案包括使用耐熔金属芯形成内腔。
在前述实施方案中的任何一个的另一个实施方案中，耐熔金属芯包括具有在角半径附近的小于大约15密耳的截面的部分。
附图简述
根据以下详细描述本公开的各种特征和优点将对本领域技术人员显而易见。详细描述的附图可简述如下。
图1示出示例性的燃气涡轮发动机。
图2示出在图1的燃气涡轮发动机中使用的示例性翼片。
图3示意性示出在肋与壁之间的角。
详述
图1示意性示出燃气涡轮发动机20。燃气涡轮发动机20在本文中公开为两线轴涡轮风扇，其大体上包括：风扇部分22、压缩机部分24、燃烧室部分26和涡轮部分28。除了其他系统或特征，替代发动机可包括增压器部分(未示出)。风扇部分22沿旁通流路径驱动空气而压缩机部分24沿核心流路径驱动空气，以便空气压缩并传送进入燃烧室部分26随后通过涡轮机部分28膨胀。尽管在所公开的非限制性实施方案中被描绘为涡轮风扇燃气涡轮发动机，但应当理解，本文所描述的概念并不限制于用在涡轮风扇中，因为教导可应用于包括三线轴架构的其他类型的涡轮机发动机中。
发动机20大体上包括第一线轴30和第二线轴32，所述第一线轴30和第二线轴32安装用于通过几个轴承系统38相对于发动机静态结构36绕着发动机中心轴线A旋转。应当理解，可替代地或另外地在各种位置处提供各种轴承系统38。
第一线轴30大体上包括将风扇42、第一压缩机44和第一涡轮46互连的第一轴40。第一轴40通过以比第一线轴30低的速度驱动风扇42的风扇齿轮驱动系统48的齿轮组件被连接到风扇42。第二线轴32包括将第二压缩机52和第二涡轮54互连的第二轴50。第一线轴30在比第二线轴32相对较低的压力下运行。要理解，如本文所使用的“低压”和“高压”或其变型为指示高压大于低压的相对术语。环形燃烧室56被布置在第二压缩机52与第二涡轮54之间。第一轴40和第二轴50是同轴的并且通过轴承系统38绕着与它们的纵向轴线共线的发动机中心轴线A旋转。
核心气流由第一压缩机44压缩随后由第二压缩机52压缩，与环形燃烧室56中的燃料混合并燃烧，随后通过第二涡轮54和第一涡轮46膨胀。第一涡轮46和第二涡轮54响应于膨胀分别旋转地驱动第一线轴30和第二线轴32。
发动机20是高旁通齿轮式航空发动机，其具有大于大约六(6)的旁通比，其中示例性实施方案大于十(10)，风扇驱动齿轮系统48的齿轮组件为具有大于大约2.3∶1的齿轮减速比的周转齿轮系，如行星齿轮系统或其他齿轮系统，并且第一涡轮46具有大于大约五(5)的压力比。第一涡轮46压力比为在第一涡轮46的入口之前测得的压力相对于在排气喷嘴之前的第一涡轮46的出口处的压力。第一涡轮46具有最大转子直径并且风扇42具有风扇直径，使得最大转子直径除以风扇直径的比小于0.6。然而，应当理解，以上参数只是示例性的。
由于高旁通比旁通流B提供了显著量的推力。发动机20的风扇部分22被设计用于特定飞行条件-通常以大约0.8马赫和大约35,000英尺巡航。在发动机处于其最佳燃料消耗-也称为“稳定巡航推力燃料消耗率(‘TSFC’)”情况下的0.8马赫和35,000英尺的飞行条件是lbm燃烧的燃料除以发动机在那个最小点输出的lbf推力的工业标准参数。“低风扇压力比”是在没有风扇出口导叶(“FEGV”)系统的情况下仅跨过风扇叶片的压力比。如本文所公开的根据一个非限制性实施方案的低风扇压力比小于大约1.45。“低校正风扇叶尖速度”是以ft/sec的实际风扇叶尖速度除以[(Tram°R)/(518.7°R)]0.5的工业标准温度校正。如本文所公开的根据一个非限制实施方案的“低校正风扇叶尖速度”小于大约1150ft/秒。
发动机20的涡轮部分28包括多个铸造部件60，如可旋转叶片或静态轮叶。铸造部件60由高温合金(如镍基合金或钴基合金)制成。铸造部件60以熔模铸造工艺铸造而成以便提供单晶微结构并形成具有内部冷却通道的相对复杂的形状。在熔模铸造工艺的冷却时，可产生内部残余应力或应变。具体而言，当使用耐熔金属芯以形成部件60中的内部通道时可产生相对高的残余应变。作为实例，陶瓷芯被设计成具有内部孔隙，以便在冷却期间生成的应变之下为“可压碎的”并因此在陶瓷芯压碎时用以减轻铸造部件上的应变。然而，耐熔金属芯为非可压碎的并因此可在铸造部件中生成相对高的残余应变。耐熔金属可包括钼、钽、铌、钨及其合金，耐熔金属的另外实例可见于以引用方式并入本文的Shah等人的美国专利号6,637,500。将在本文中使用术语“内部残余应力”，但应当理解“内部残余应变”同等适用。
来自利用耐熔金属芯的铸造的内部残余应力的位置可充当为用于在随后的热循环期间高温合金材料的再结晶的成核部位。定向错误的再结晶颗粒破坏机械性能并可充当为裂纹发生部位。减少再结晶的可能的解决方案是对部件进行热处理以消除残余应力。热处理虽然有益于减少再结晶，但是会影响部件(如翼片)的强度和其他性能，以及增加成本。如将在下文中进一步详细解释的，本文所公开的铸造部件60包括用于减少利用耐熔金属芯的熔模铸造工艺中的铸态内部残余应力的特征，使得再结晶被消除或减少并且使得去应力热处理不再必要。
图2示出铸造部件60中的一个。在所述实例中，铸造部件60是可旋转的燃气涡轮发动机涡轮叶片，但是所述公开不限于叶片并且可被应用于轮叶或用于机械的其他铸造部件。铸造部件60包括翼片部分62、根部分64和平台部分66。至少翼片部分62构成铸造体68。在所述实例中，翼片部分62、根部分64和平台部分66被铸造为单一主体。
铸造部件60大体上沿纵轴线L延伸，纵轴线L当被布置在发动机20中时与中心发动机轴线A垂直。翼片部分62大体上在前缘LE与后缘TE之间延伸、在平台部分66的基部62a与尖端62b之间延伸。
如上所述，可使用熔模铸造制造铸造部件60以提供相对复杂的几何结构。就此而言，铸造部件60包括邻近翼片部分62内的一个或多个肋72大体延伸的一个或多个内部冷却通道70(由图2中的剖视图示出)。在所述实例中，肋72在内角76处与邻近壁74相接。在熔模铸造工艺中使用如上所述的耐熔金属芯形成内部冷却通道70。
同样参考图3，其示出穿过几个肋72和邻近壁74连同角76的截面图，铸造体68的单晶微结构定义相对于使用耐熔金属芯的铸造体68的熔模铸造的临界内部残余应力，超过所述临界内部残余应力，单晶微结构在预定条件下再结晶。例如，预定条件大于局部处于内角76的5％的应变。
在所述实例中，内角76具有大于临界角半径的角半径R(曲率的)，低于所述临界角半径，单晶微结构中的残余应力的量超出临界内部残余应力。因此，内角76具有足够大的角半径R，使得内部残余应力不超出临界内部残余应力水平并因此减少或消除再结晶。通过这种内角76的设计而不是使用铸造后的后续热处理来减少或消除再结晶，可从制造工艺中消除热处理，从而减少成本。另外，不同于可影响翼片的其他性能的热处理，设计一个或多个大于临界角半径的角半径的方法几乎不影响或不影响铸造部件60的其他性能。
作为另一个实例，肋72和壁74与邻近肋72和壁80和82结合。肋72和壁80/82限定通道84。在所述实例中，壁80带有铸造部件的外表面S，如吸力侧表面或压力侧表面。在另一个实例中，通道84是微通道，例如具有小于大约20密耳面的截面。在又一个实例中，通道84是具有小于大约15密耳面的截面的微通道。
在熔模铸造工艺中使用耐熔金属芯允许形成更小且更复杂的结构(如微通道)。然而，更小且更复杂的结构大体上具有更小的角半径并且与可使用耐熔金属芯生成的相对高的应变联接，可有助于导致再结晶的高的内部残余应力。通道84的角76具有大于临界角半径的角半径R，低于所述临界角半径，单晶微结构中的残余应力的量超出临界内部残余应力。因此，尽管微通道相对较小，角半径设计成大于临界角半径以避免或减少内部残余应力并因此减少或消除再结晶。
在一个实例中，对应于通道84的截面的最大宽度W选择角半径R。例如，通道84的最大宽度W与角半径R之比不大于10∶1(十比一)。换句话说，角半径R与通道84的最大宽度W之比至少是1∶10(一比十)。
要理解，临界角半径和来自使用耐熔金属芯的铸造的临界内部残余应力可根据使用的高温合金材料的设计和成分稍有变化。本文的实例充当为选择指南，并且给出这些实例，本领域的一个技术人员将能够确定临界内部残余应力、临界角半径并因此确定角半径R，当熔模铸造使用耐熔金属芯时角半径R应被用在其具体设计中。例如，临界内部残余应力可由铸造样品部件或甚至非部件确定，使样品服从于预定条件并随后使用显微镜进行微结构评估。
尽管在所示出的实例中示出特征的组合，并不是所有都需要被组合以实现本公开的各种实施方案的益处。换句话说，根据本公开的实施方案设计的系统将不必包括在任何一个图中所示出的所有特征或在图中示意性示出的所有部分。此外，一个示例性实施方案所选择的特征可以与其他示例性实施方案所选择的特征组合。
前述描述本质上是示例性的而不是限制性的。在不脱离本公开实质的前提下，对所公开的实例做出变化和修改对于本领域的技术人员来说是显而易见的。本公开给出的法律保护的范围仅可通过研究以下权利要求来确定。

Claims (14)

1.一种铸造部件，其包括：
铸造体，其具有单晶微结构和限定内腔的内角，所述单晶微结构定义相对于使用耐磨金属芯的所述铸造体的熔模铸造的临界内部残余应力，超过所述临界内部残余应力，所述单晶微结构在预定条件下再结晶，所述内角定义大于临界角半径的角半径(R)，低于所述临界角半径，所述单晶微结构中的内部残余应力的量超出所述临界内部残余应力，并且其中所述内腔包括在所述角半径附近的小于大约20密耳的截面。
2.如权利要求1所述的铸造部件，其中所述内腔是具有小于大约15密耳的截面的微通道。
3.如权利要求2所述的铸造部件，其中所述微通道被嵌入所述铸造体的外壁内。
4.如权利要求3所述的铸造部件，其中所述铸造体是翼片，并且所述外壁是所述翼片的吸力侧壁或压力侧壁。
5.如权利要求2所述的铸造部件，其中所述微通道具有垂直于所述铸造体的纵向而截取的截面，所述截面具有最大尺寸宽度W，使得所述最大宽度D与所述角半径R之比不大于10∶1(十比一)。
6.如权利要求2所述的铸造部件，其中所述微通道具有垂直于所述铸造体的纵向而截取的截面，所述截面具有最大尺寸宽度W，使得所述角半径(R)与所述最大宽度D之比至少是1∶10(一比十)。
7.如权利要求1所述的铸造部件，其中所述内角在所述铸造体的肋与外壁之间。
8.如权利要求1所述的铸造部件，其中所述铸造体是镍基合金。
9.一种涡轮发动机，其包括：
任选地，风扇；
压缩机部分；
燃烧室，其与所述压缩机部分流体连通；以及
涡轮部分，其与所述燃烧室流体连通，所述涡轮部分包括具有铸造体的翼片铸造部件，所述铸造体具有单晶微结构和限定内腔的内角，所述单晶微结构定义相对于使用耐磨金属芯的所述铸造体的熔模铸造的临界内部残余应力，超过所述临界内部残余应力，所述单晶微结构在预定条件下再结晶，所述内角定义大于临界角半径的角半径(R)，低于所述临界角半径，所述单晶微结构中的内部残余应力的量超出所述临界内部残余应力，并且其中所述内部通道具有小于大约20密耳的截面。
10.一种控制铸造部件中再结晶的方法，所述方法包括：
通过在所述铸造体中建立限定内腔的内角以具有大于相对于使用耐熔金属芯的所述铸造体的熔模铸造的临界角半径的角半径(R)来限制具有单晶微结构的铸造体中的再结晶，低于所述临界角半径，所述单晶微结构中的内部残余应力的量超出来自铸造的临界内部残余应力，超过所述临界内部残余应力，所述单晶微结构在预定条件下再结晶。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述内腔是微通道。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述铸造体是翼片，并且所述微通道被嵌入所述翼片的外壁内。
13.如权利要求10所述的方法，其包括使用耐熔金属芯形成所述内腔。
14.如权利要求10所述的方法，其中所述耐熔金属芯包括具有在所述角半径附近的小于大约15密耳的截面的部分。
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