CN105745040B - 含碳化硅的模具和表面涂层组合物，以及铸造钛和铝化钛合金的方法 - Google Patents

Abstract

本公开总体上涉及模具组合物和模制方法，以及如此模制的制品。更具体地，本公开涉及含碳化硅的模具组合物、含碳化硅的固有表面涂层组合物和用于铸造含钛制品的方法，以及如此模制的含钛制品。将含碳化硅和铝酸钙的浆料引入含有暂时模板的模腔。使浆料在模具中固化，烧结，并用于铸造钛涡轮叶片。

Description

含碳化硅的模具和表面涂层组合物，以及铸造钛和铝化钛合 金的方法

背景

现代燃气或燃烧涡轮必须满足在可靠性、重量、功率、经济和操作使用寿命方面的最高需求。在这些涡轮的开发中，材料选择、寻找新的适合的材料以及寻找新的生产方法在符合标准和满足需求方面尤其起重要作用。

用于燃气涡轮的材料可包括钛合金、镍合金(也称为超合金)和高强度钢。对于航空发动机，通常使用钛合金用于压缩机部件，镍合金适于航空发动机的热部件，而高强度钢例如用于压缩机壳体和涡轮壳体。高负荷或应力的燃气涡轮组件，例如用于压缩机的组件，通常例如为锻造部件。另一方面，用于涡轮的组件通常体现为熔模铸造部件。

虽然熔模铸造不是新方法，但随着对更困难和复杂的部件的需求增加，熔模铸造市场持续增长。由于对高品质精密铸件的巨大需求，持续需要开发新方法以使熔模铸造更快速、有效、便宜且更高品质。

常规熔模模具化合物由熔凝二氧化硅、方石英、石膏等组成，其用于铸造珠宝和假牙工业，通常不宜用于铸造反应性合金例如钛合金。一个原因是因为模具钛和熔模模具之间有反应。熔融合金和模具之间的任何反应将极大地使最终铸件的性质劣化。劣化可简单为由于气泡造成的差的表面精整，或在更严重的情况下，可损害铸件的化学组成、微观结构和性质。

需要不与钛和铝化钛合金显著反应的简单熔模铸造模具。先前已经采取对钛合金铸件使用陶瓷壳模具的方法。在现有实例中，为了减少常规熔模模具化合物的限制，已经开发出数种另外的模具材料。例如，开发了氧化膨胀类型的熔模铸造化合物，其中氧化镁或氧化锆用作主要组分，且将金属锆添加到主要成分中，以补偿由于铸造金属固化造成的收缩。此外，在另一个实例中，添加其中氧化镁和氧化铝用作主要成分的熔模铸造化合物，其为细的金属钛粉末，以便减少模具的收缩量和补偿由铸造金属在固化时收缩所引起的尺寸误差。

然而，以上的现有技术熔模铸造化合物具有显著限制。例如，由于数个原因，旨在通过金属锆的氧化膨胀补偿由于铸造金属固化导致的收缩的熔模铸造模具化合物难以实施。首先，用新的熔模铸造化合物与锆在其表面上涂布蜡模，然后将涂布的蜡模嵌入常规的熔模铸造化合物，以图使所需的锆量尽可能小；将蜡连同锆涂布非常困难，且并不高度可重复。第二，不能以足够均匀的方式涂布形状复杂组件的蜡。此外，当熔模铸造模具混合物放置在涂布层和模板外部周围时，涂布层可从蜡脱落，结果是钛与外部放置的熔模铸造模具混合物反应。

因此需要简单和可靠的熔模铸造方法，其使得容易从熔模铸造模具取出近终形金属或金属合金，所述熔模铸造模具不与金属或金属合金显著反应。

概述

本公开的各方面提供克服常规技术限制的铸模组合物、铸造方法和铸造制品。虽然本公开的一些方面可涉及制造组件例如发动机涡轮叶片，然而本公开的各方面可用于制造许多工业中的组件，特别是含有钛和/或钛合金的那些组件。

本公开的一个方面为用于铸造含钛制品的模具，其包含：铝酸钙水泥，包括单铝酸钙、二铝酸钙和钙铝石，其中所述模具在模具本体和模腔之间具有约10微米至约500微米之间的含碳化硅的固有表面涂层。在一个实施方案中，固有表面涂层为连续的固有表面涂层。在一个实施方案中，碳化硅以约15%至约45重量%存在。在一个实施方案中，含碳化硅的固有表面涂层包含碳化硅，其以约15%至约45重量%存在。在一个实施方案中，模具还包含碳化硅，其中含碳化硅的固有表面涂层按重量分数计具有比模具本体多至少10%的碳化硅。在另一个实施方案中，模具还包含比氧化钙，模具组合物的大于约10重量%和小于约50重量%为氧化钙。在一个实施方案中，所述模具还包含小于2%的二氧化硅，例如胶态二氧化硅。

在一个实例中，模具包含模具本体和固有表面涂层，其中模具本体和固有表面涂层具有不同组成，且含碳化硅的固有表面涂层包含颗粒尺寸小于约50微米的铝酸钙。在另一个实施方案中，模具包含模具本体和含碳化硅的固有表面涂层，其中模具本体和含碳化硅的固有表面涂层具有不同组成，且其中模具本体包含大于约50微米的氧化铝颗粒。在另一个实例中，模具包含模具本体和含碳化硅的固有表面涂层，其中模具本体包含大于约50微米的氧化铝颗粒，而含碳化硅的固有表面涂层包含小于约50微米尺寸的铝酸钙颗粒。在一个实例中，模具包含模具本体和含碳化硅的固有表面涂层，其中模具本体和含碳化硅的固有表面涂层具有不同组成，且其中含碳化硅的固有表面涂层包含颗粒尺寸小于约50微米的铝酸钙。

在某些实施方案中，含碳化硅的固有表面涂层按重量分数计具有比模具本体多至少20%的单铝酸钙。在一个实施方案中，按重量分数计，含碳化硅的固有表面涂层具有比模具本体少至少20%的氧化铝。在另一个实施方案中，按重量分数计，含碳化硅的固有表面涂层具有比模具本体多至少20%的铝酸钙，少至少20%的氧化铝和少至少50%的钙铝石。在一个实施方案中，含碳化硅的固有表面涂层还包含氧化铝，且氧化铝含量按重量分数计比存在于模具本体的少至少20%。在另一个实施方案中，含碳化硅的固有表面涂层还包含氧化铝，且氧化铝含量按重量分数计比存在于模具本体的少至少20%，且其中含碳化硅的固有表面涂层具有比模具本体多至少20%的铝酸钙和少至少50%的钙铝石。

在一个实例中，含碳化硅的固有表面涂层中单铝酸钙的重量分数大于0.45，而钙铝石的重量分数小于0.10。在一个实施方案中，模具本体中的单铝酸钙占约0.05至0.95的重量分数，而含碳化硅的固有表面涂层中的单铝酸钙为约0.10至0.90。在另一个实施方案中，模具本体中的二铝酸钙占约0.05至约0.80的重量分数，而含碳化硅的固有表面涂层中的二铝酸钙为约0.05至0.90。在又一个实施方案中，模具组合物本体中的钙铝石占约0.01至约0.30的重量分数，而含碳化硅的固有表面涂层中的钙铝石为约0.001至0.05。在一个具体实施方案中，模具本体中的单铝酸钙占约0.05至0.95的重量分数，而含碳化硅的固有表面涂层中的单铝酸钙为约0.1至0.90；模具本体中的二铝酸钙占约0.05至约0.80的重量分数，而含碳化硅的固有表面涂层中的二铝酸钙为约0.05至0.90；且其中模具组合物本体中的钙铝石占约0.01至约0.30的重量分数，而含碳化硅的固有表面涂层中的钙铝石为约0.001至0.05。

在一个实例中，模具还在模具本体中包含外尺寸小于约500微米氧化铝颗粒。在一个实例中，氧化铝颗粒占用于制造模具的组合物的约30重量%至约68重量%。在一个实施方案中，模具还包含空心氧化物颗粒，例如空心氧化铝颗粒。在另一个实施方案中，铝酸钙占泥浆的大于20重量%(即，大于用于制造模具的组合物的20重量%)。在一个实施方案中，模具还包含氧化钙，模具组合物的大于约10重量%和小于约50重量%为氧化钙。在一个实例中，模具还包含氧化铝颗粒、氧化镁颗粒、氧化钙颗粒、氧化锆颗粒、氧化钛颗粒、氧化硅颗粒或它们的组合物。

在一个实例中，用于制造模具的初始铝酸钙-液体水泥混合物中的固体百分比为约60%至约78%。在另一个实例中，用于制造模具的最终铝酸钙-液体水泥混合物(即，具有大尺寸氧化铝)中的固体百分比为约70%至约95%。

本公开的一个方面为本文公开的模具中形成的含钛制品。在一个实例中，制品包括含有铝化钛的涡轮叶片。

本公开的一个方面为用于铸造含钛制品的模具的表面涂层组合物，其包含单铝酸钙、二铝酸钙、碳化硅和钙铝石，其中表面涂层组合物为含碳化硅的固有表面涂层，为约10微米至约500微米厚，且位于模具本体和对模腔开放的模具表面之间。在一个实例中，富碳化硅的表面涂层包含颗粒尺寸小于约50微米的铝酸钙。在一个实施方案中，碳化硅以组合物的约15重量%至约45重量%存在。在一个实施方案中，表面涂层组合物还包含小于2%二氧化硅，例如胶态二氧化硅。

在一个实施方案中，按重量分数计，含碳化硅的固有表面涂层具有比模具本体多至少20%的铝酸钙，少至少20%的氧化铝，和少至少50%的钙铝石。在相关的实例中，按重量分数计，含碳化硅的固有表面涂层具有比模具本体多至少10%的碳化硅。在一个实例中，固有表面涂层中的单铝酸钙的重量分数大于0.45且钙铝石重量分数小于0.10。在一个实施方案中，固有表面涂层中的单铝酸钙占0.10至0.90的重量分数；固有表面涂层中的二铝酸钙占0.05至0.90的重量分数；且固有表面涂层中的钙铝石占0.001至0.05的重量分数。在一个实施方案中，表面涂层组合物还包含碳化硅，其中碳化硅以表面涂层组合物的约15%至约45重量%存在。

在一个方面，本公开为形成用于铸造含钛制品的模具的方法，所述方法包含：将铝酸钙和碳化硅与液体混合以产生浆料，其中初始铝酸钙/液体混合物中固体的百分比为浆料的约60%至约80重量%，且浆料粘度为约30至约1500厘泊；将浆料引入含有暂时模板的模腔内；和使浆料在模腔中固化，以形成含钛制品的模具。在一个实施方案中，初始铝酸钙液体混合物为没有氧化铝的浆料，或在另一个实例中，没有空心氧化物颗粒，此外在另一个实例中，没有大尺寸空心氧化物颗粒例如空心氧化铝。在一个实施方案中，引入浆料到模腔内之前，将大尺寸空心氧化物颗粒添加到浆料以形成最终的铝酸钙-液体水泥混合物，使得浆料中的固体为浆料的约70%至约95重量%。在一个实施方案中，最终铝酸钙液体混合物为包括氧化铝的浆料，或在另一个实例中，包括空心氧化物颗粒，或在又一个实例中，包括大尺寸(外尺寸大于50微米)空心氧化物颗粒例如空心氧化铝。

在一个实施方案中，在制造浆料之前或期间将碳化硅添加到铝酸钙。在一个实施方案中，碳化硅颗粒为约10微米至约50微米外尺寸。在一个实施方案中，碳化硅颗粒为约1微米至约1000微米外尺寸。在另一个实施方案中，铝酸钙的颗粒尺寸小于约50微米外尺寸。在一个实施方案中，铝酸钙占浆料(用于制造模具的组合物)的大于20重量%。

在一个实施方案中，在将浆料引入模腔之前，将氧化物颗粒添加到浆料中。即，在一个实施方案中，浆料还包含氧化物颗粒。在一个实施方案中，这些氧化物颗粒可为空心的。在一个实施方案中，氧化物颗粒选自氧化铝颗粒、氧化镁颗粒、氧化钙颗粒、氧化锆颗粒、氧化钛颗粒、氧化硅颗粒和它们的组合物。氧化物颗粒可为氧化铝(aluminum oxide)(也称为氧化铝(alumina))。氧化铝颗粒可在一定尺寸范围内，且可大于约50微米。在特定情况下，可使用的所添加的氧化铝颗粒小于约1500微米外尺寸。在一个实施方案中，氧化铝颗粒为约50微米至约1500微米外尺寸。在一个实施方案中，氧化铝颗粒占浆料(用于制造模具的组合物)的约30重量%至约68重量%。

在一个实施方案中，在浆料引入到模腔中之前将氧化钙添加到浆料中。在一个实施方案中，添加氧化钙，使得模具组合物的大于约10重量%和小于约50重量%为氧化钙。在另一个实施方案中，初始铝酸钙-液体水泥混合物中固体的百分比为约60至约78%。在一个实施方案中，具有大尺寸氧化铝最终铝酸钙-液体水泥混合物中固体的百分比为浆料的约70%至约95重量%。在一个实施方案中，初始和最终铝酸钙液体水泥混合物之间的差异在于，初始混合物不具有空心氧化物颗粒，而最终混合物具有空心氧化物颗粒，例如大尺寸空心氧化铝颗粒。在本方法的一个实施方案中，将小于2%二氧化硅添加到浆料。在一个方面，本公开涉及根据本发明公开的方法制造的模具。在一个实施方案中，本公开涉及使用由本发明公开的方法制造的模具制造的含有铝化钛的涡轮叶片。

在一个方面，本公开为铸造钛和钛合金的方法，所述方法包含：获得包含铝酸钙和大尺寸氧化铝的熔模铸造模具组合物，其中将铝酸钙与液体和碳化硅组合，以产生浆料，且其中具有大尺寸氧化铝的最终铝酸钙/液体混合物中的固体为浆料的约70重量%至约95重量%；将所述熔模铸造模具组合物灌注到含有暂时模板的容器中；固化所述熔模铸造模具组合物；从模具去除所述暂时模板；烧灼模具；将模具预热至模铸温度；将熔融的钛或钛合金灌注到加热的模具内；将熔融的钛或钛合金固化；形成固化的钛或钛合金铸件；和从模具去除固化的钛或钛合金铸件。在该方法的一个实施方案中，浆料中固体的百分比为约60%至约78%。

在一个实施方案中，用于本发明教导方法的氧化铝颗粒为约50微米至约1500微米外尺寸。在一个实施方案中，碳化硅颗粒为约10微米至约100微米外尺寸。在另一个实施方案中，与不存在碳化硅进行铸造的情况相比，碳化硅在铸造期间增加热导率。在一个实施方案中，碳化硅以15%至45重量%存在，并与不使用碳化硅进行铸造相比在铸造期间提供增加至少25%的热导率。

在一个实施方案中，碳化硅颗粒为约10微米至约50微米外尺寸。在一个实施方案中，铝酸钙颗粒包含外尺寸小于约50微米的颗粒。在一个实施方案中，氧化铝颗粒为约50微米至约1500微米外尺寸，或在另一个实例中，约50微米至约500微米外尺寸。在一个实施方案中，碳化硅颗粒为约10微米至约50微米外尺寸。在一个实施方案中，碳化硅颗粒为约1微米至约1000微米外尺寸。在一个实施方案中，氧化铝颗粒占用于制造模具的熔模铸造模具组合物的约30重量%至约68重量%。在一个实施方案中，铝酸钙占铸模组合物(用于制造模具的熔模铸造模具组合物)的大于20重量%。本公开的一个方面为如本发明公开的方法所述通过铸造方法制造的钛或钛合金制品。

本公开的一个方面为用于铸造含钛制品的模具组合物，所述模具组合物包含：包含单铝酸钙、二铝酸钙、碳化硅和钙铝石的铝酸钙水泥。在一个实施方案中，模具组合物还包含空心氧化铝颗粒。本公开的另一个方面为包含铝酸钙和碳化硅的含钛制品铸模组合物。例如，本公开的一个方面可特别适于提供用于铸造含钛和/或含钛合金制品或组件(例如含钛涡轮叶片)所用模具的模具组合物。

在一个方面，本公开为通过以下方法生产的涡轮叶片，所述方法包含：提供熔模铸造模具，所述模具包含铝酸钙、碳化硅和氧化铝；将熔融的钛或钛合金灌注到模具中；使熔融的钛或钛合金固化；形成固化的钛或钛合金铸件；和从模具去除固化的钛或钛合金铸件以生产涡轮叶片，其中涡轮叶片在其至少一部分表面区域上具有小于20的平均粗糙度Ra。与使用极少碳化硅(小于15重量%)或无碳化硅存在进行铸造的情况对比，在本文所认为的范围使用碳化硅在铸造期间提供增加的热导率。在一个实施方案中，碳化硅以约10微米至约100微米外尺寸的颗粒提供。

本公开的一个方面是制造涡轮组件的方法，所述方法包含：从包含铝酸钙、二铝酸钙、碳化硅、钙铝石和水的混合物制造模具，其中碳化硅以约15%至约45重量%存在；烧灼模具；将熔融的钛或钛合金灌注到模具中；使熔融的钛或钛合金固化，以形成固化的铸件；和从模具去除铸件。在一个实施方案中，所述方法还包含大于约50微米的空心氧化铝颗粒(大尺寸氧化铝)。在一个实施方案中，大尺寸颗粒包含大于50微米外尺寸的颗粒，而小尺寸颗粒包含小于50微米外尺寸的颗粒。在一个实施方案中，涡轮组件为涡轮叶片。

本公开的这些和其它方面、特征和优点将由本公开的各个方面的以下详述结合附图变得显而易见。

附图简述

在本说明书结尾处的权利要求中特别指出和清楚地要求保护认为是本发明的主题。本公开的上述及其它特征、方面和优点将由本发明的方面的以下详述结合附图而容易理解，其中：

图1显示具有含碳化硅的表面涂层的模具的示意图。

图2显示碳化硅尺寸和重量分数对固化期间温度增加的影响。

图3显示图示说明根据本公开方面形成用于铸造含钛制品的模具的方法的流程图。

图4显示图示说明根据本公开方面用于铸造钛和钛合金的方法的流程图。

图5显示图示说明根据本公开方面通过所示方法生产的涡轮叶片的流程图。

图6显示图示说明根据本公开方面用于制造涡轮组件的方法的流程图。

详述

本公开通常涉及模具组合物和模制方法，以及由所述模具铸造的制品，更具体地，涉及模具组合物和铸造含钛制品的方法，以及如此模制的含钛制品。

从铸件应铸造为“近终形”的观点来看，通过在熔模壳模具中熔模铸造钛及其合金制造基于钛的组件造成问题。即，组件可铸造至基本为组件的最终期望尺寸，且需要极少或没有最终处理或机械加工。例如，一些常规铸件可能需要仅化学研磨操作来去除铸件上存在的任何α壳层(alpha case)。然而，位于铸件中α壳层下方的任何表面下陶瓷内含物通常不被化学研磨操作去除，并且可由于模具表面涂层和模具中任何反应性金属(例如反应性铝化钛)之间的反应而形成。

本公开提供铸造近终形钛和铝化钛组件的新方法，例如涡轮机叶片或翼面。本公开的实施方案提供用于熔模铸造模具的物质的组合物和提供例如用于航空航天、工业和航运业的改进的钛和钛合金组件的铸造方法。在一些方面，模具组合物提供含有在模制期间提供改进的模具强度的相的模具，和/或在铸造期间对于与铸造金属反应增加的抗性。根据本公开的方面的模具可以能够以高压铸造，这是近终形铸造方法所期望的。已确定，例如含有铝酸钙水泥和氧化铝颗粒和优选组成相的模具组合物提供具有改进性质的铸件。

在一个方面，模具的组成相包含单铝酸钙(CaAl₂O₄)。本发明人发现，由于至少两个原因，单铝酸钙水泥合乎需要。第一，本发明人了解到，单铝酸钙促进在模制初始阶段期间水泥颗粒之间形成的水硬粘合，且认为这种水硬粘合在模具构造期间提供模具强度。第二，本发明人了解到，单铝酸钙经历非常低的与钛和基于铝化钛的合金的反应速率。在某个实施方案中，将单铝酸钙以铝酸钙水泥形式提供至本公开的模具组合物，例如熔模铸造模具。在一个方面，模具组合物包含铝酸钙水泥和氧化铝的混合物。

在本公开的一个方面，模具组合物提供在铸造期间与合金最小的反应，且模具为铸件提供所需的组件性质。在一个具体实施方案中，模具的表面涂层提供在铸造期间与合金最小的反应，且模具为铸件提供所需的组件性质。铸造的外部性质包括例如形状、几何结构和表面精整的特征。铸造的内部性质包括机械性质、微观结构、低于指定大小和在容许限度内的缺陷(例如孔和内含物)。

在一个实施方案中，模具含有包含碳化硅的连续固有表面涂层；该含碳化硅的固有表面涂层位于模具本体和模腔之间。在一个相关实施方案中，含碳化硅的固有表面涂层为约10微米至约500微米。在某些情况下，含碳化硅的固有表面涂层包含颗粒尺寸小于约50微米的铝酸钙。模具组合物可使得模具本体包含氧化铝和大于约50微米的颗粒。在某个实施方案中，含碳化硅的表面涂层具有比模具本体更少的氧化铝，且含碳化硅的表面涂层具有比模具本体更多的铝酸钙。

初始铝酸钙-液体水泥混合物中的固体和最终铝酸钙-液体水泥混合物中的固体的百分比为本公开的特征。在一个实施方案中，本公开将例如铝酸钙、氧化铝和碳化硅的颗粒称为固体。初始铝酸钙-液体水泥混合物包含与水混合形成浆料的单铝酸钙、二铝酸钙、钙铝石、氧化物颗粒和碳化硅。最终铝酸钙-液体模具制剂包含大尺寸氧化物颗粒。在一个实例中，初始铝酸钙水泥混合物包含细尺寸(例如小于50微米，在一个实例中小于10微米)氧化铝，其与水混合提供均匀和均质的浆料。在另一个实例中，通过添加大尺寸(在一个实例中大于50微米，和在另一个实例中大于100微米)氧化铝至初始浆料和混合2-15分钟以获得均匀混合物，形成最终铝酸钙水泥混合物。

在一个实例中，初始铝酸钙-液体水泥混合物中固体的百分比为约60至约78%。在一个实例中，初始铝酸钙-液体水泥混合物中固体的百分比为约70至约80%。在另一个实例中，具有大尺寸氧化铝(>100微米)氧化铝颗粒的最终铝酸钙-液体水泥混合物中的固体为约70%至约95%。

本公开的一个方面的模具组合物提供铝化钛(TiAl)涡轮叶片例如TiAl低压涡轮叶片的低成本铸造。比起使用常规壳模具和重力铸造制造的部件，所述模具组合物可提供铸造需要较少机械加工和/或处理的近终形部件的能力。如本文所用，表述“近终形”是指制品的初始生产接近制品的最终(净)形状，减少对进一步处理的需求，例如大量机械加工和表面精整。如本文所用，术语“涡轮叶片”是指蒸汽涡轮叶片和燃气涡轮叶片两者。

因此，本公开解决生产不与钛和铝化钛合金显著反应的模具(例如熔模铸造模具)的问题。此外，根据本公开的一些方面，模具的强度和稳定性允许高压铸造方法，例如离心铸造。本公开的技术优势之一在于，在一个方面，本公开可改进可例如由铝酸钙水泥和氧化铝熔模铸造模具产生的终形铸件的结构完整性。更高的强度，例如更高的疲劳强度，允许制造较轻的组件。此外，具有更高疲劳强度的组件可持续更久，因此具有较低的寿命周期成本。

表面粗糙度是表示铸件和机械加工部件的表面完整性的指标之一。表面粗糙度通过在指定区域中由光学轮廓测定法测量的中线平均粗糙度值“Ra”以及平均峰-谷距离“Rz”表征。可在剖面上或表面上计算粗糙度值。剖面粗糙度参数(Ra、Rq……)是更常见的。使用描述表面的公式计算每一个粗糙度参数。有许多不同的粗糙度参数在使用，而目前Ra最常见。如本领域已知，表面粗糙度与工具磨损有关。通常，通过研磨和珩磨的表面精整方法产生具有0.1mm至1.6mm的Ra的表面。最终涂层的表面粗糙度Ra值取决于涂层或涂布制品的期望功能。

以高度单位表示平均粗糙度Ra。在英制中，1 Ra通常以“百万分之一”英寸表示。这也称为“微英寸”。本文表示的Ra值指微英寸。70的Ra值对应约2微米；而35的Ra值对应约1微米。通常需要高性能制品的表面具有约20或更少的Ra，所述高性能制品例如涡轮叶片、涡轮叶片/喷嘴、涡轮增压器、往复式发动机阀、活塞等。本公开的一个方面为包含钛或钛合金且在其至少一部分表面区域上具有小于20的平均粗糙度Ra的涡轮叶片。

随着熔融金属加热越来越高，它们倾向于变得越来越有反应性(例如，经受与模具表面不期望的反应)。这些反应导致形成污染金属部件的杂质，这导致各种有害结果。杂质的存在使金属组成变化，使得其可能不符合期望的标准，从而不允许使用铸件用于预期应用。此外，杂质的存在可有害影响金属材料的机械性质(例如，降低材料强度)。

此外，这些反应可导致表面结构化，这在铸件表面上产生大量不期望的粗糙度。例如，使用本领域已知用于表征表面粗糙度的表面粗糙度值Ra，利用不锈钢合金和/或钛合金的铸件通常在良好工作条件下显示约100-200的Ra值。这些有害影响驱使技术人员使用较低温度用于填充模具。然而，如果熔融金属温度未足够加热，则铸造材料可快速冷却，导致铸造模具不完全充填。

铸模组合物

本公开的方面提供一种用于熔模铸造模具的组合物，所述模具可提供改进的钛和钛合金组件。在本公开的一个方面，可按铝酸钙水泥形式提供单铝酸钙。铝酸钙水泥可称为“水泥”或“粘合剂”。

在某些实施方案中，铝酸钙水泥与碳化硅和氧化铝颗粒混合以提供可铸的熔模铸造模具混合物。铝酸钙水泥可在可铸模具混合物中大于约20重量%。在某些实施方案中，铝酸钙水泥在可铸模具混合物为约30%-约60重量%。在可铸模具混合物(铸模组合物)中使用大于20重量%铝酸钙水泥是本公开的特征。选择适当的铝酸钙水泥化学组成，碳化硅和氧化铝制剂为模具性能的影响因素。在一个方面，可在模具组合物中提供足够量的氧化钙，以使与钛合金的反应最小化。

在一个方面，模具组合物例如熔模铸造模具组合物可包含铝酸钙水泥、碳化硅和氧化铝颗粒的多相混合物。铝酸钙水泥可起粘合剂作用，例如，铝酸钙水泥粘合剂可提供模具结构的主要骨架结构。在一个实例中，铝酸钙水泥包含模具中的连续相，并在固化和铸造期间提供强度。在另一个实例中，模具组合物由铝酸钙水泥、碳化硅和氧化铝组成，即，铝酸钙水泥、碳化硅和氧化铝可基本构成模具组合物的仅有组分。

在一个实施方案中，本公开包含含钛制品铸造模具组合物，其包含铝酸钙。在另一个实施方案中，铸造模具组合物还包含氧化物颗粒，例如空心氧化物颗粒。根据本公开的方面，氧化物颗粒可为氧化铝颗粒、氧化镁颗粒、氧化钙颗粒、氧化锆颗粒、氧化钛颗粒、氧化硅颗粒、它们的组合或它们的组合物。在一个实施方案中，氧化物颗粒可为一种或多种不同氧化物颗粒的组合。

铸模组合物可进一步包括例如空心颗粒形式的氧化铝，即，具有被氧化物基本包围的中空核心或基本中空的核心的颗粒。这些空心氧化铝颗粒可包含约99%氧化铝和具有约10毫米[mm]或更少的外尺寸，例如直径。在一个实施方案中，空心氧化铝颗粒具有约1毫米[mm]或更少的外尺寸，例如直径。在另一个实施方案中，氧化铝包含可具有约10微米[µm]至约10,000微米外尺寸的颗粒。在某些实施方案中，空心氧化物颗粒可包含空心氧化铝球(通常大于约100微米外尺寸或直径)。空心氧化铝球可加入铸模组合物，且空心球可具有一定范围的几何形状，例如球形颗粒或不规则聚集体。在某些实施方案中，氧化铝可包括球形颗粒和空心球两者。在一个方面，发现这些几何形状增加熔模铸造模具混合物的流动性。本发明人设想使用氧化铝，尤其因为氧化铝比用于某些现有技术应用的二氧化硅或硅酸盐更稳定。空心氧化铝颗粒提供的增强的流动性改进由模具生产的最终铸件的表面精整和表面特征的重现精度或精确度。

氧化铝包含外尺寸为约10微米至约10,000微米的颗粒。在某些实施方案中，包含外尺寸(例如直径)小于约500微米的颗粒的氧化铝。氧化铝可占铸模组合物的约0.5重量%至约80重量%。备选地，氧化铝占铸模组合物的约40重量%至约60重量%。备选地，氧化铝占铸模组合物的约30重量%至约68重量%。

在一个实施方案中，铸模组合物进一步包含氧化钙。氧化钙可为铸模组合物的大于约10重量%且小于约50重量%。在一个实例中，最终模具具有小于2克/立方厘米的密度和大于500磅/平方英寸[psi]的强度。在一个实施方案中，氧化钙为铸模组合物的大于约30重量%和小于约50重量%。备选地，氧化钙为含碳化硅的铸模组合物的大于约25重量%且小于约35重量%。

本公开的一个方面为一种用于铸造含钛制品的模具，所述模具包含：含有单铝酸钙、二铝酸钙和钙铝石的铝酸钙水泥，其中模具在模具本体和模腔之间具有约10微米至约500微米的含碳化硅的固有表面涂层。在一个实施方案中，表面涂层为连续的含碳化硅的固有表面涂层。

在一个具体实施方案中，本公开的铸模组合物包含铝酸钙水泥。铝酸钙水泥包括含有钙和铝的至少三个相或组分：单铝酸钙(CaAl₂O₄)、二铝酸钙(CaAl₄O₇)和钙铝石(Ca₁₂Al₁₄O₃₃)。

在水泥窑中烧灼之后，初始水泥制剂通常不处于热力学平衡。然而，模制和高温烧灼之后，含碳化硅的模具组合物向热力学稳定的结构移动，且该稳定性对于随后的铸造过程重要。含碳化硅的固有表面涂层中单铝酸钙的重量分数可大于0.45且该表面涂层中钙铝石的重量分数可小于0.10。模具本体中单铝酸钙的重量分数可大于0.5，且模具本体中钙铝石的重量分数可小于0.15。添加碳化硅允许模具在铸造期间对反应更有抗性，并因此可在更高铸造温度下操作。

模具本体中的单铝酸钙可占约0.05至0.95的重量分数，而含碳化硅的固有表面涂层中的单铝酸钙为约0.1至0.90。模具本体中的二铝酸钙可占约0.05至约0.80的重量分数，而含碳化硅的固有表面涂层中的二铝酸钙为约0.05至0.90。模具组合物本体中的钙铝石可占约0.01至约0.30的重量分数，而含碳化硅的固有表面涂层中的钙铝石为约0.001至0.05。

碳化硅可按不同的量存在于模具本体和表面涂层两者中。例如，表面涂层可包含比模具本体更高的碳化硅颗粒浓度(每单位体积表面涂层)，例如多10%。在一个特定实施方案中，模具本体和固有表面涂层具有基本类似的碳化硅颗粒浓度(每单位体积)。本发明人发现，使用碳化硅允许模具在铸造期间对反应更有抗性，并因此可在更高铸造温度下操作。在一个实施方案中，碳化硅以15%至45重量%存在，并与不使用碳化硅进行铸造相比在铸造期间提供增加至少25%的热导率。本申请的发明人发现，通过添加例如25%碳化硅，热导率增加大于50%。在一个实施方案中，存在15%碳化硅，热导率增加大于约25%。在一个特定实例中，存在25重量%碳化硅导致热导率增加约50%、约60%、约70%或约80%。

模具本体和含碳化硅的固有表面涂层的精确组成可不同。例如，模具本体中的单铝酸钙占约0.05至0.95的重量分数，而含碳化硅的固有表面涂层中的单铝酸钙为约0.1至0.90；模具本体中的二铝酸钙占约0.05至约0.80的重量分数，而含碳化硅的固有表面涂层中的二铝酸钙为约0.05至0.90；且其中模具组合物本体中的钙铝石占约0.01至约0.30的重量分数，而含碳化硅的固有表面涂层中的钙铝石为约0.001至0.05。

铝酸钙水泥中单铝酸钙的重量分数可大于约0.5，且铝酸钙水泥中钙铝石的重量分数可小于约0.15。在另一个实施方案中，铝酸钙水泥为铸模组合物的大于20重量%。铝酸钙水泥可具有约50微米或更少外尺寸的颗粒尺寸。

适于在模具本体水泥中的这些相的重量分数可为0.05至0.95单铝酸钙，0.05至0.80二铝酸钙，和0.01至0.30钙铝石。相反，模具表面涂层中这些相的重量分数可为0.1至0.90单铝酸钙，0.05至0.90二铝酸钙，和0.001至0.05钙铝石。表面涂层中单铝酸钙的重量分数可大于约0.6，且钙铝石的重量分数小于约0.1。在一个实例中，模具本体水泥中单铝酸钙的重量分数大于约0.5，且钙铝石的重量分数小于约0.15。

单铝酸钙为存在于钙氧化铝水泥中的重要水硬矿物质。其水化作用有助于熔模铸造模具的高早期强度。在水泥中期望钙铝石，因为其在模具固化早期期间由于快速形成水硬粘合而提供强度；然而，在铸造前热处理模具时去除钙铝石。

铝酸钙水泥可具有约50微米或更少外尺寸的颗粒尺寸。由于至少三个原因，使用小于50微米的颗粒尺寸：第一，认为细颗粒尺寸在模具混合和固化期间促进水硬粘合的形成；第二，了解到细颗粒尺寸在烧灼期间促进颗粒间烧结，且这可增加模具强度；和第三，认为细颗粒尺寸改进模具中生产的铸件制品的表面精整。

铝酸钙水泥可按粉末提供，且可按其固有粉末形式或按附聚形式使用，例如作为喷雾干燥的附聚物。铝酸钙水泥还可以与细尺寸(实例小于10微米尺寸)氧化铝预共混。由于在高温烧灼期间烧结，认为细尺寸氧化铝提供强度的增加。在某些情况下，较大尺寸的氧化铝(例如具有大于50微米外尺寸的氧化铝)还可连同或不连同细尺寸氧化铝(例如具有小于50微米外尺寸的氧化铝)一起添加。

初始铝酸钙(液体颗粒混合物)中固体和最终铝酸钙中固体的百分比为本公开的特征。在一个实例中，初始铝酸钙-液体颗粒混合物中固体的百分比为约60至约80%。在一个实例中，初始铝酸钙-液体颗粒混合物中固体的百分比为约70至约80%。在另一个实例中，最终铝酸钙-液体颗粒混合物中的固体为约70%至约95%，所述固体为外尺寸小于约50微米的铝酸钙颗粒以及外尺寸大于约70微米的大尺寸氧化铝颗粒，和外尺寸为约5微米至约100微米的碳化硅颗粒。在一个实例中，按外尺寸计，初始铝酸钙颗粒为细尺寸的，约5微米至约50微米，氧化铝颗粒大于约70微米，且碳化硅最多约100微米，将它们与水混合，提供均匀和均质的浆料。在一些情况下，通过逐渐添加较大尺寸的氧化铝颗粒(例如，首先70微米，然后150微米)至初始浆料并混合2-15分钟以获得均匀混合物，形成最终混合物。

在一个实施方案中，大尺寸颗粒为颗粒内具有空间或空气穴的空心颗粒，使得颗粒不是完全致密堆积的颗粒。该空间/空气的程度变化，且空心颗粒包括其中颗粒体积的至少20%为空气的颗粒。在一个实例中，空心颗粒为其中颗粒体积的约5%至约75%由真空或空气组成的颗粒。在另一个实例中，空心颗粒为其中颗粒体积的约10%至约80%由真空或空气组成的颗粒。在又一个实例中，空心颗粒为其中颗粒体积的约20%至约70%由真空或空气组成的颗粒。在另一个实例中，空心颗粒为其中颗粒体积的约30%至约60%由真空或空气组成的颗粒。在另一个实例中，空心颗粒为其中颗粒体积的约40%至约50%由真空或空气组成的颗粒。

在另一个实例中，空心颗粒为其中颗粒体积的约10%由真空或空气组成的颗粒。在一个实例中，空心颗粒为其中颗粒体积的约20%由真空或空气组成的颗粒。在一个实例中，空心颗粒为其中颗粒体积的约30%由真空或空气组成的颗粒。在一个实例中，空心颗粒为其中颗粒体积的约40%由真空或空气组成的颗粒。在一个实例中，空心颗粒为其中颗粒体积的约50%由真空或空气组成的颗粒。在一个实例中，空心颗粒为其中颗粒体积的约60%由真空或空气组成的颗粒。在一个实例中，空心颗粒为其中颗粒体积的约70%由真空或空气组成的颗粒。在一个实例中，空心颗粒为其中颗粒体积的约80%由真空或空气组成的颗粒。在一个实例中，空心颗粒为其中颗粒体积的约90%由真空或空气组成的颗粒。

空心颗粒，例如空心氧化铝颗粒，有至少两个功能：[1]它们在最小强度降低的情况下降低核心的密度和重量；获得约500psi和以上的强度水平，具有约2g/cc和更小的密度；和[2]它们降低模具的弹性模量并在铸造之后模具和组件的冷却期间帮助提供顺应性。模具增加的顺应性和可压性可降低组件上的拉伸应力。

含碳化硅的铝酸钙水泥

本公开尤其涉及可提供改进的钛和钛合金组件的用于熔模铸造模具的组合物。模具在模具本体和模腔之间含有包含碳化硅的连续固有表面涂层。小于约50微米外尺寸的碳化硅粉末尺寸用于模制方法。本申请的发明人发现，使用该尺寸的碳化硅粉末促进模制期间颗粒与表面涂层的分离。因此，模具表面涂层中存在碳化硅提供有利的性质。模具本体还可包含碳化硅。

用于本公开方面的铝酸钙水泥通常包含钙和铝的三个相或组分：单铝酸钙(CaAl₂O₄)、二铝酸钙(CaAl₄O₇)和钙铝石(Ca₁₂Al₁₄O₃₃)。单铝酸钙为存在于钙氧化铝水泥中的水硬矿物质。单铝酸钙的水化作用有助于熔模铸造模具的高早期强度。在水泥中期望钙铝石，因为其在模具固化早期期间由于快速形成水硬粘合而提供强度。然而，通常在铸造前热处理模具期间去除钙铝石。

在一个方面，初始铝酸钙水泥制剂在水泥制造窑中烧灼之后通常不处于热力学平衡。然而，模制和高温烧灼之后，模具组合物向热力学稳定的结构移动，且该稳定性对于随后的铸造过程有利。在一个实施方案中，水泥中单铝酸钙的重量分数大于0.5，且钙铝石的重量分数小于0.15。钙铝石在模具中加入模具本体和表面涂层两者，因为它是快速固化铝酸钙，且认为其在固化早期期间为模具本体和表面涂层提供强度。可在低温，例如15℃-40℃的温度进行固化，因为暂时蜡模为热敏性，且在热暴露于高于约35℃时失去其形状和性质。在一个实例中，模具在低于30℃的温度固化。

可通常通过将水泥与高纯度氧化铝、碳化硅和高纯度氧化钙或碳酸钙混合来生产铝酸钙水泥；化合物的混合物通常在炉或窑中加热到高温，例如1000-1500℃的温度，并使其反应。

在窑中生产的所的产物(本领域称为水泥“渣”)然后经压碎、研磨和过筛以生产优选颗粒尺寸的铝酸钙水泥。进一步，设计和处理铝酸钙水泥，以具有最小量的杂质，例如最小量的二氧化硅，钠和其它碱金属，以及氧化铁。在一个方面，铝酸钙水泥的目标含量为Na₂O、SiO₂、Fe₂O₃和TiO₂之和小于约2重量%。在一个实施方案中，Na₂O、SiO₂、Fe₂O₃和TiO₂之和小于约0.05重量%。此外，设计和处理最终模具，以具有最小量的杂质，例如最小量的二氧化硅，钠和其它碱金属，以及氧化铁。在一个方面，最终模具的目标含量为Na₂O、SiO₂、Fe₂O₃和TiO₂之和小于约2重量%。在一个实施方案中,Na₂O、SiO₂、Fe₂O₃和TiO₂之和小于约0.05重量%。

在本公开的一个方面，提供具有以氧化铝(Al₂O₃)计超过35%重量的本体氧化铝浓度和小于65%重量的氧化钙的铝酸钙水泥。在相关实施方案中，该氧化钙重量小于50%。在一个实例中，水泥的最大氧化铝浓度可为约88%(例如约12%CaO)。在一个实施方案中，铝酸钙水泥具有高纯度且含有最多70%氧化铝。铸造之前，烧灼的模具中单铝酸钙的重量分数可最大化。可需要最低量的氧化钙以使铸造合金和模具之间的反应最小化。如果水泥中有大于50%氧化钙，本发明人发现，这可得到例如钙铝石和铝酸三钙的相，且这些在铸造期间表现不如单铝酸钙。在一个实例中，氧化钙的范围小于约50重量%和大于约10重量%。

如以上所述，模具中的铝酸钙水泥/粘合剂中的三个相为单铝酸钙(CaAl₂O₄)、二铝酸钙(CaAl₄O₇)和钙铝石(Ca₁₂Al₁₄O₃₃)。产生表面涂层的水泥中的单铝酸钙比其它铝酸钙相具有三个优点：1)在模具中加入单铝酸钙，因为其具有快速固化响应(尽管不如钙铝石快)，且认为其在固化早期期间向模具提供强度。模具强度的快速产生提供铸模的尺寸稳定性，且该特征改进最终铸件组件的尺寸一致性。2)单铝酸钙对于铸造的钛和铝化钛合金是化学稳定的。相对于二铝酸钙和具有较高氧化铝活性的其它铝酸钙相，使用单铝酸钙；这些相与铸造的钛和铝化钛合金更有反应性。3)单铝酸钙和为低膨胀相，且认识到其防止在固化、脱蜡和随后铸造期间在模具中形成高水平的应力。单铝酸钙的热膨胀行为与氧化铝更接近匹配。

含碳化硅的表面涂层

在某些实施方案中，模具在模具本体和模腔之间含有连续的含碳化硅的固有表面涂层。模具设计成包含在模制期间提供改进的模具强度的相，且连续表面涂层设计成提供增加的热导率和对铸造期间反应增加的抗性。模具能够在高压下铸造，这对于终形铸造方法是期望的。已经确定对铸件提供改进性质的铸模组合物、表面涂层组合物以及表面涂层与模具本体的优选组成相。

表面涂层定义为与模具中的内表面或模腔邻接的模具区域。固有表面涂层是仅含有从制剂的初始组分提供到模具的物类的涂层。因此，固有表面涂层不包含并非来自初始灌注的陶瓷制剂的任何物类。相反，非固有表面涂层是单独涂敷并含有可能不属于初始制剂的组分的物类(例如在单独操作中产生)的表面涂层。在一个实例中，可认为固有表面涂层是约100微米厚的区域。含碳化硅的固有表面涂层可为约10微米至约500微米厚。含碳化硅的固有表面涂层可为约10微米至约300微米厚。含碳化硅的固有表面涂层可为约10微米至约100微米厚。含碳化硅的固有表面涂层可为约30微米至约200微米厚。在一个特定实例中，含碳化硅的表面涂层为约50微米，约100微米，约150微米，约200微米，约250微米，约300微米，约350微米，约400微米，约450微米，或约500微米厚。表面涂层可为连续的。连续的表面涂层使其更有效。在表面涂层后面和远离模腔的区域称为模具本体。

本公开的一个方面为用于铸造含钛制品的模具的含碳化硅表面涂层组合物，其包含单铝酸钙、二铝酸钙、碳化硅和钙铝石，其中表面涂层组合物为含碳化硅的固有表面涂层，为约10微米至约500微米厚，且位于模具本体和对模腔开放的模具表面之间。在一个实例中，表面涂层包含颗粒尺寸小于约50微米外尺寸的铝酸钙。模具本体中，铝酸钙的颗粒尺寸可大于50微米外尺寸。

表面涂层由至少以下四个相组成：单铝酸钙(CaAl₂O₄)、二铝酸钙(CaAl₄O₇)和钙铝石(Ca₁₂Al₁₄O₃₃)；除碳化硅以外的所有这些相可以在初始的铝酸钙水泥中。表面涂层还可以包含细尺寸的氧化铝颗粒。表面涂层后的模具本体由单铝酸钙(CaAl₂O₄)、二铝酸钙(CaAl₄O₇)、钙铝石(Ca₁₂Al₁₄O₃₃)、碳化硅和氧化铝组成。氧化铝可作为氧化铝颗粒或氧化铝空心球加入。颗粒可具有一定范围的几何形状，例如球形颗粒或不规则聚集体。氧化铝颗粒尺寸可小至10微米，且大至10毫米。氧化铝可由球形颗粒和空心球两者组成，因为这些几何形状增加熔模铸造模具混合物的流动性。这些颗粒可为空心的。通常，模具本体内的氧化铝颗粒尺寸大于50微米。流动性影响在灌注和熔模铸造模具混合物在暂时模板周围固化期间，水泥分配到暂时模板(例如蜡)的方式。流动性影响由模具生产的最终铸件的表面精整和表面特征重现精度。在一个实施方案中，表面涂层中的颗粒尺寸小于50微米，而模具本体中颗粒的尺寸大于50微米。

本公开还提供用于熔模铸造模具的含碳化硅固有表面涂层组合物和本体模具组合物，其可共同提供改进的钛和钛合金铸件组件。模具可包含铝酸钙水泥和氧化铝颗粒。在一个实例中，铝酸钙水泥发挥两个功能。第一，水泥在通过去除暂时模板产生的模具空腔中产生原位表面涂层，第二，其用作表面涂层后面的模具本体中氧化铝颗粒之间的粘合剂。在一个实例中，表面涂层含碳化硅。在一个实例中，模具本体组合物含有10-50重量%氧化钙。在一个实例中，表面涂层中的CaO组合物为模具的20-40重量%。最终模具可具有小于2克/立方厘米的密度和大于500psi的强度。模具设计成包含在模制期间提供改进的模具强度的相，且含碳化硅的连续表面涂层设计成在铸造期间提供增加的热导率和对反应增加的抗性。碳化硅设计成在铸造期间提供增加的热导率。

在一个实例中，碳化硅颗粒为约1微米至约100微米外尺寸。在另一个实例中，碳化硅颗粒为约1至约50微米外尺寸。在一个特定实例中，碳化硅颗粒为约10微米至约30微米外尺寸。备选地，碳化硅颗粒可为约20微米至约30微米外尺寸。在一个特定实例中，碳化硅颗粒为约25微米外尺寸。在另一个实例中，碳化硅颗粒外尺寸为约10微米、约15微米、约20微米、约25微米、约30微米、约35微米、约40微米、约45微米、约50微米、约60微米、约70微米、约80微米、约90微米或约100微米。

模具可包含模具本体和含碳化硅的固有表面涂层，其中模具本体和含碳化硅的固有表面涂层具有不同组成，且含碳化硅的固有表面涂层包含颗粒尺寸小于约50微米的铝酸钙。模具可包含模具本体和含碳化硅的固有表面涂层，其中模具本体和固有表面涂层具有不同组成，且其中模具本体包含大于约50微米的氧化铝颗粒。在一个实例中，模具包含模具本体和含碳化硅的固有表面涂层，其中模具本体包含大于约50微米的氧化铝颗粒且固有表面涂层包含小于约50微米尺寸的铝酸钙颗粒。

本公开中提供的终形铸造方法允许部件可用非破坏性方法检查，例如X射线、超声波、涡流电流，具有更多细节和更低成本。减少与在过大厚区中检查辐射的衰减和散射有关的困难。可有潜力解决较小的缺陷，而这可为部件提供改进的机械性能。

本公开提供可提供改进的钛和钛合金组件的铸模组合物和铸造方法。在一个实施方案中，使用铝酸钙水泥或粘合剂与氧化铝颗粒构造模具。在一个实施方案中，模具在模具本体和模腔之间含有含碳化硅的固有表面涂层。表面涂层中的颗粒尺寸通常小于50微米。模具本体中的颗粒尺寸可大于50微米。模具本体中的颗粒尺寸可大于1毫米。在一个实施方案中，表面涂层中的颗粒尺寸可小于50微米，而模具本体中颗粒的尺寸可大于50微米。通常，表面涂层为连续的含碳化硅的固有表面涂层，使得其更有效。

按重量分数计，含碳化硅的固有表面涂层可具有比模具本体多至少20%的铝酸钙，少至少20%的氧化铝，和少至少50%的钙铝石。含碳化硅的固有表面涂层中单铝酸钙的重量分数可大于0.45且钙铝石的重量分数可小于0.10。在一个实例中，含碳化硅的固有表面涂层中的单铝酸钙占0.1至0.9的重量分数；含碳化硅的固有表面涂层中的二铝酸钙占0.05至0.90的重量分数；且含碳化硅的固有表面涂层中的钙铝石占0.001至0.05的重量分数。含碳化硅的固有表面涂层中增加的单铝酸钙重量分数降低熔融合金与模具在铸造期间的反应速率。

按重量分数计，含碳化硅的固有表面涂层可具有比模具本体多至少20%的单铝酸钙。按重量分数计，含碳化硅的固有表面涂层可具有比模具本体少至少20%的氧化铝。在一个实例中，按重量分数计，含碳化硅的固有表面涂层可具有比模具本体多至少20%的铝酸钙，少至少20%的氧化铝，和少至少50%的钙铝石。

在某些实施方案中，表面涂层的组成相以及模具本体的组成相对于铸件性质是重要的。如本文公开，模具的表面涂层提供在铸造期间与合金的最小反应，因此，模具提供具有所需组件性质的铸件。铸造的外部性质包括例如形状、几何结构和表面精整的特征。铸件的内部性质包括机械性质、微观结构和低于临界尺寸的缺陷(例如孔和内含物)。

对于模具表面涂层和模具本体的组成相，由于至少两个原因，单铝酸钙(CaAl₂O₄)是合乎需要的。第一，单铝酸钙促进在模制初始阶段期间水泥颗粒之间形成水硬粘合，且这种水硬粘合在模具构造期间提供模具强度。第二，单铝酸钙经历非常低的与钛和基于铝化钛的合金的反应速率。

在一个实施方案中，表面涂层包含单铝酸钙(CaAl₂O₄)、二铝酸钙(CaAl₄O₇)、钙铝石(Ca₁₂Al₁₄O₃₃)、碳化硅和氧化铝。在一个实施方案中，表面涂层中的颗粒尺寸小于50微米外尺寸。在表面涂层中，单铝酸钙(CaAl₂O₄)、二铝酸钙(CaAl₄O₇)的组合大于50重量%，而氧化铝浓度小于50重量%。表面涂层中可能有大于20重量%单铝酸钙(CaAl₂O₄)。在表面涂层后面和远离模腔的区域称为模具本体。在一个实施方案中，在该模具本体部分中，单铝酸钙(CaAl₂O₄)、二铝酸钙(CaAl₄O₇)的组合小于50重量%，且模具本体中氧化铝浓度大于50重量%。

表面涂层中碳化硅的量可变化。例如，碳化硅的量可从15重量%至45重量%变化。本公开的发明人发现，碳化硅不仅能为模具和表面涂层在高温稳定性和铸造钛合金的适用性方面提供优异性质，而且发现本体和表面涂层中一定含量的碳化硅是最优的。例如，提供的表面涂层中35重量%可提供良好结果。如果有太多碳化硅，即碳化硅在表面涂层中的含量处于或高于45重量%，则有可能在铸造期间有碳吸收和在最终部件中不可接受的碳含量。另一方面，如果没有碳化硅或有极小量(例如小于约20重量%)，则碳化硅不会使模具热导率增加超过没有碳化硅的模具的热导率水平。

使用含碳化硅的固有表面涂层相对于使用非固有表面涂层具有显著优点。用于铸造钛合金的非固有表面涂层通常为基于氧化钇的表面涂层，或基于氧化锆的表面涂层。具体地，用于铸造的模具中的非固有表面涂层可在模具处理(例如去除暂时模板和烧灼)和铸造期间劣化、开裂并剥落。当模具用熔融金属填充时，变得从非固有表面涂层分离的表面涂层碎片可变得夹带在铸件中，且陶瓷表面涂层变成最终部件中的内含物。内含物降低从铸造生产的组件的机械性能。

用于铸造珠宝和假牙的由熔凝二氧化硅、方石英、石膏等组成的常规熔模铸造模具化合物不适用于铸造反应性合金，例如钛合金，因为钛和熔模铸造模具之间有反应。熔融合金和模具之间的任何反应将使最终铸件的性质劣化。劣化可简单为由于气泡造成差的表面精整，或在更严重的情况下，可损害铸件的化学组成、微观结构和性质。

难题是生产不与钛和铝化钛合金显著反应的熔模铸造模具。在这方面，存在很少(如果有的话)现有的灌注熔模铸造化合物符合结构钛和铝化钛合金的要求。需要不与钛和铝化钛合金显著反应的熔模铸造模具。在现有方法中，为了减少常规熔模铸造模具化合物的限制，开发了数种另外的模具材料。例如，开发了氧化-膨胀类型的熔模铸造涂料，其中氧化镁或氧化锆用作主要组分并将金属锆添加到主要成分以补偿由于铸造金属固化造成的收缩。然而，现有技术熔模铸造化合物具有限制，如上文详述。

本公开的铝酸钙水泥称为水泥或粘合剂，且在一个实施方案中，其与碳化硅颗粒和氧化铝颗粒混合，以制造可铸的熔模铸造模具混合物。铝酸钙水泥在可铸的熔模铸造模具混合物中通常>30重量%；使用该比例的铝酸钙水泥是本公开的特征，因为其有利于形成含碳化硅的固有表面涂层。申请人发现，选择正确的铝酸钙水泥化学组成和氧化铝制剂在测定模具性能方面是重要的。在一个实例中，关于铝酸钙水泥，申请人发现其还必须具有特定量的氧化钙(CaO)，以使与钛合金的反应最小化。如果不存在碳化硅，热导率仍然与模具相同。类似地，如果碳化硅太低(例如小于15重量%)，则热导率也与模具相同。与存在足够碳化硅(15-45重量%)时相比，这较不合乎需要。如果有太多碳化硅(例如大于45重量%)，则模具中的碳活性太高，且出现高于容许限度(例如500ppm重量)的铸件碳污染。

表面涂层可包含颗粒尺寸小于约50微米的铝酸钙水泥。在另一个实例中，铝酸钙水泥的颗粒尺寸可小于约10微米。在一个实例中，模具本体具有大于50微米尺寸的颗粒且可包含氧化铝。

表面涂层比模具本体具有更少氧化铝和更多铝酸钙水泥。按重量分数计，含碳化硅的固有表面涂层可具有比模具本体多至少20%的铝酸钙，少至少20%的氧化铝，和少至少50%的钙铝石。在一个实例中，含碳化硅的固有表面涂层中的单铝酸钙占0.1至0.9的重量分数；含碳化硅的固有表面涂层中的二铝酸钙占0.05至0.90的重量分数；且含碳化硅的固有表面涂层中的钙铝石占0.001至0.05的重量分数。含碳化硅的固有表面涂层中增加的单铝酸钙和二铝酸钙重量分数降低熔融合金与模具在铸造期间的反应速率。

将初始水泥浆混合，以具有30-1500厘泊的粘度。在一个实施方案中，粘度范围为50-500厘泊。如果粘度过低，则浆料不会使所有固体保持悬浮，且将发生较重颗粒的沉降，并在固化期间导致偏析，且不会形成含碳化硅的固有表面涂层。即，如果最终浆料混合物粘度太低，则会在固化期间发生较重颗粒的沉降，且模具不会在整个模具本体中具有所需的均匀组成。如果粘度太高，则铝酸钙颗粒不能分配至暂时模板，且不会形成固有表面涂层。即，如果最终浆料/混合物粘度过高，则最终浆料混合物不会围绕暂时模板流动，且模具的内腔不适于铸造最终所需的部件。将具有铝酸钙水泥和氧化铝颗粒的最终浆料混合，以具有约2000-8000厘泊的粘度。最终水泥浆粘度可为3000-6000厘泊。

熔模铸造模具可由细尺寸(<50微米)铝酸钙水泥颗粒、细尺寸(<50微米)氧化铝颗粒、细尺寸(<50微米)碳化硅和较大尺寸的(>100微米)氧化铝颗粒的多相混合物组成。在一个实例中，固有表面涂层不包含任何大于50微米的氧化铝颗粒。形成含碳化硅的固有表面涂层，因为水基熔模铸造混合物中悬浮的细尺寸水泥颗粒在模制期间优先分配至暂时模板/蜡模，并形成富集细尺寸颗粒(<50微米)的固有表面涂层，包括单铝酸钙、二铝酸钙、碳化硅和氧化铝颗粒。在一个实施方案中，表面涂层中不存在大尺寸氧化铝颗粒(>50微米)。水泥浆粘度和固体载量为形成含碳化硅的固有表面涂层的影响因素。固有表面涂层中不存在大尺寸(>100微米)颗粒改进模具和所得铸件的表面精整。固有表面涂层中增加的单铝酸钙和二铝酸钙重量分数降低熔融合金与模具在铸造期间的反应速率。

碳化硅通常作为尺寸小于100微米的颗粒加入。用于本公开描述的一些实例的碳化硅粉末具有最多约45微米的颗粒尺寸，和在所描述的其它实例中小于约20微米。氧化铝可作为氧化铝颗粒或空心氧化铝颗粒加入。颗粒可具有一定范围的几何形状，例如球形颗粒或不规则聚集体。氧化铝颗粒尺寸可小至10微米，且大至10毫米。在一个实例中，氧化铝由球形颗粒与空心球或空心颗粒两者组成，因为这些几何形状增加熔模铸造模具混合物的流动性。

流动性改进从模具生产的最终铸件的表面精整和表面特征重现精度。铝酸钙水泥颗粒通常具有小于50微米的颗粒尺寸。由于三个原因，使用小于50微米的颗粒尺寸：第一，细颗粒尺寸在模具混合和固化期间促进形成水硬粘合，第二，细颗粒尺寸可在烧灼期间促进颗粒间烧结，且这可增加模具强度，和第三，细颗粒尺寸改进模腔的表面精整。

铝酸钙水泥粉末可按其固有形式或按附聚形式使用，例如喷雾干燥附聚物。铝酸钙水泥还可以与细尺寸(例如<10微米)氧化铝预共混，然后与较大尺寸的氧化铝混合；由于在高温烧灼期间烧结，细尺寸氧化铝可提供强度增加。类似地，碳化硅颗粒通常具有小于100微米的颗粒尺寸，且优选小于50微米；在该尺寸下，其可与铝酸钙水泥颗粒密切混合，且其可有助于表面涂层性能。尺寸小于100微米的碳化硅颗粒可改进模具和随后的铸件组件的表面精整。如果对于给定的添加碳化硅重量分数，碳化硅颗粒太大(大于100微米)，则颗粒不产生期望的热导率改进(即增加)。

在模具本体中，铝酸钙水泥为粘合剂，且认为粘合剂为表面涂层后面的模具结构的主要骨架。在固化和铸造期间，它是模具中的连续相并提供强度。在一个实施方案中，模具本体组合物包含细尺寸(<50微米)铝酸钙水泥颗粒，和较大尺寸的(例如>100微米)氧化铝颗粒。在另一个实施方案中，表面涂层组合物包含铝酸钙水泥和碳化硅。

构成表面涂层的铝酸钙水泥包含至少三个相：单铝酸钙(CaAl₂O₄)、二铝酸钙(CaAl₄O₇)和钙铝石(Ca₁₂Al₁₄O₃₃)。在一个实施方案中，表面涂层还可包含细尺寸氧化铝颗粒。在另一个实施方案中，表面涂层后的模具本体包含单铝酸钙(CaAl₂O₄)、二铝酸钙(CaAl₄O₇)、钙铝石(Ca₁₂Al₁₄O₃₃)、碳化硅和氧化铝。氧化铝可作为氧化铝颗粒例如空心氧化铝颗粒加入。碳化硅和氧化铝颗粒可具有一定范围的几何形状，例如球形颗粒或不规则聚集体；此外，这些颗粒可为空心的。氧化铝颗粒尺寸可小至10微米，并大至10毫米。

在一个实施方案中，氧化铝由球形颗粒与空心颗粒两者组成，因为这些几何形状增加熔模铸造模具混合物的流动性。通常，模具本体内的氧化铝颗粒尺寸大于50微米。流动性影响在灌注和熔模铸造模具混合物在暂时模板周围固化期间，水泥分配到暂时模板(例如蜡)的方式。流动性影响由模具生产的最终铸件的表面精整和表面特征重现精度。

产生表面涂层的铝酸钙水泥颗粒通常具有小于50微米的颗粒尺寸。小于50微米的颗粒尺寸具有数个优点，包括：第一，细颗粒尺寸在模具混合和固化期间促进形成水硬粘合，第二，细颗粒尺寸可在烧灼期间促进颗粒间烧结，且这可增加模具强度，和第三，细颗粒尺寸改进模腔的表面精整。铝酸钙水泥粉末可按其固有形式或按附聚形式使用，例如喷雾干燥附聚物。铝酸钙水泥还可以与细尺寸(例如<10微米)氧化铝预共混，然后与较大尺寸的氧化铝混合；由于在高温烧灼期间烧结，细尺寸氧化铝可提供强度增加。然而，如果氧化铝颗粒分配至表面涂层，则可降低铸件性能。

例如，如果氧化铝颗粒分配至表面涂层，使得含碳化硅的固有表面涂层比模具本体具有更多氧化铝，则熔融合金将与氧化铝以不期望的方式反应，并产生气泡，气泡造成表面缺陷和铸造本身内部的缺陷。降低得到的铸件的性质，例如强度和疲劳强度。本发明公开的方法允许形成在含碳化硅的固有表面涂层中具有比模具本体显著更少的氧化铝的表面涂层。

从室温至最终烧灼温度处理表面涂层和模具也可以是重要的，具体为热史和湿度曲线。至烧灼温度的加热速率和烧灼后的冷却速率为本公开的特征。如果将表面涂层和模具过快加热，则它们可在内部或外部开裂，或既在内部也在外部开裂；表面涂层和模具在铸造之前开裂是高度不期望的，这将至少产生差的表面精整。此外，如果将模具和表面涂层过快加热，则模具的表面涂层可开裂和剥落；这在最坏条件下可导致最终铸件中不期望的内含物，即使没有内含物，也可导致差的表面精整。如果表面涂层和模具在达到最大模具烧灼温度后过快冷却，则模具的表面涂层或本体也可在内部或外部开裂，或既在内部也在外部开裂。

初始水泥混合物的固体载量和最终模具混合物的固体载量对模具结构和在模具内形成含碳化硅的固有表面涂层具有重要影响。固体载量的百分比定义为混合物中的总固体除以混合物中液体和固体的总质量，其按百分数描述。在一个实施方案中，初始铝酸钙-液体水泥混合物中固体的百分比为约60%至约78%。

如果初始水泥浆料中的固体载量小于约70%，则水泥颗粒不会保持悬浮，且在模具固化期间，水泥颗粒将与水分离，且组合物不会在整个模具中均匀。相反，如果水泥中的固体载量过高(例如大于约78%)，则具有大尺寸氧化铝的最终混合物的粘度将会过高(例如大于约85%，取决于添加的大尺寸氧化铝颗粒的量、尺寸和形貌)，且混合物中的水泥颗粒不能分配至模具内的暂时模板，且不会形成含碳化硅的固有表面涂层。

具有大尺寸(例如大于约50微米，和在另一个实例中大于约100微米)氧化铝颗粒的最终铝酸钙-液体水泥混合物中的固体百分比可为约75%至约90%。具有大尺寸氧化铝颗粒的最终铝酸钙-液体水泥混合物中固体的百分比可为约78%至约88%。在另一个实例中，具有大尺寸氧化铝颗粒的最终铝酸钙-液体水泥混合物中固体的百分比为约78%至约84%。这些氧化铝颗粒可为空心的。在一个特定实施方案中，具有大尺寸氧化铝颗粒的最终铝酸钙-液体水泥混合物中固体的百分比为约80%。

模具和铸造方法

通过配制陶瓷组分的熔模铸造混合物，并将混合物灌注到含有暂时模板的容器中。使在模板上形成的熔模铸造模具彻底固化，以形成所谓的“坯模”。在模板上形成含碳化硅的固有表面涂层和熔模铸造模具，并使它们彻底固化以形成该坯模。通常，坯模的固化进行1小时至48小时的时间。随后，通过熔化、溶解、灼烧或其它已知的模板去除技术将暂时模板选择性地从坯模去除。蜡模去除的典型方法包括烘箱脱蜡(小于150℃)、炉脱蜡(大于150℃)、蒸汽热压脱蜡和微波脱蜡。

为了铸件钛合金和铝化钛及其合金，然后将坯模在600℃以上的温度下烧灼，例如600至1400℃，经过超过1小时的时间段，优选2至10小时，以发展用于铸造的模具强度和去除模具中任何不期望的残留杂质，例如金属物类(Fe、Ni、Cr)和含碳物类。在一个实例中，烧灼温度至少为950℃。烧灼模具的气氛通常为环境空气，但可使用惰性气体或还原性气氛。

烧灼方法还从模具去除水，并将钙铝石转化为铝酸钙。模具烧灼程序的另一个目的为在铸造前将保留在表面涂层和模具中的任何游离二氧化硅最小化。其它目的为去除水、增加高温强度和增加单铝酸钙和二铝酸钙的量。

将模具从室温加热到最终烧灼温度，特别是控制热史。通常调节或控制至烧灼温度的加热速率和燃烧后的冷却速率。如果过快加热模具，其可在内部或外部开裂，或既在内部也在外部开裂；模具在铸造之前开裂是高度不期望的。此外，如果过快加热模具，模具的内表面可开裂和剥落。这可导致最终铸件中不期望的内含物，即使没有内含物，也可导致差的表面精整。类似地，如果在达到最高温度后过快冷却模具，模具也可在内部或外部开裂，或既在内部也在外部开裂。

本公开中描述的模具组合物特别适用于钛和铝化钛合金。烧灼之后和铸造之前的表面涂层和模具本体组成可影响模具性质，特别是关于组成相。在一个实施方案中，出于铸造目的，使用模具中高的单铝酸钙重量分数，为0.15至0.8的重量分数。此外，出于铸造目的，期望使模具本体和含碳化硅的固有表面涂层中钙铝石的重量分数最小化，例如，使用0.01至0.2重量分数，因为钙铝石为水敏的，且其可在铸造期间造成水释放和产气的问题。烧灼之后，模具还可包含小重量分数的铝硅酸盐和铝硅酸钙。铝硅酸盐和铝硅酸钙的重量分数总和可通常保持在模具本体中小于5%，和在表面涂层中小于0.5%，以使模具与铸件的反应最小化。

本公开的一个方面是形成用于铸造含钛制品的铸模的方法。所述方法包含将铝酸钙和碳化硅与液体组合以产生铝酸钙浆料，其中初始铝酸钙/液体混合物中固体的百分比为浆料的约60重量%至约80重量%，且浆料粘度为约30至约1500厘泊。所述方法还包括以下步骤：将浆料引入含有暂时模板的模腔，且使得浆料在模腔中固化以形成含钛制品的模具。在将浆料添加入模腔之前，可添加氧化物颗粒，在一个实例中，可添加空心氧化铝颗粒。可在制造浆料之前或期间将碳化硅添加到铝酸钙。碳化硅颗粒可为约1微米至约1000微米外尺寸。在某些情况下，碳化硅颗粒可为约5微米至约100微米外尺寸。在一个特定实例中，碳化硅颗粒为约10至约50微米外尺寸。在一个实例中，铝酸钙的颗粒尺寸小于约50微米外尺寸。铝酸钙水泥可占用于制造模具的组合物的大于20重量%。

外尺寸是指颗粒上两个点之间最长的距离。如果颗粒为圆，外尺寸是指直径。如果颗粒为椭圆形，则外尺寸是指在椭圆颗粒圆周上彼此离得最远的两个点之间最长的距离。此外，如果颗粒为不规则形状，外尺寸是指在不规则形状的颗粒上彼此离得最远的两个点之间的距离。

在某些实施方案中，本公开的铸模组合物包含熔模铸造模具组合物。熔模铸造模具组合物包含近终形含钛金属熔模铸造模具组合物。在一个实施方案中，熔模铸造模具组合物包含用于铸造近终形铝化钛制品的熔模铸造模具组合物。近终形铝化钛制品包含例如近终形铝化钛涡轮叶片。

选择正确的铝酸钙水泥化学组成和氧化铝制剂是模具在铸造期间的性能的影响因素。关于铝酸钙水泥，可能必须将游离氧化钙的量最小化，使得与钛合金的反应最小化。如果水泥中的氧化钙浓度小于约10重量%，则合金与模具反应，因为氧化铝浓度过高，且反应在铸件中产生不期望的氧浓度水平、气泡和铸造组件中差的表面精整。在模具材料中较不期望游离氧化铝，因为其可与钛和铝化钛合金活泼反应。

所述方法可进一步包含将氧化物颗粒添加到浆料中。氧化物颗粒选自氧化铝颗粒、氧化镁颗粒、氧化钙颗粒、氧化锆颗粒、氧化钛颗粒、氧化硅颗粒和它们的组合物。氧化物颗粒可为氧化铝(aluminum oxide)(也称为氧化铝(alumina))。氧化铝颗粒可在一定尺寸范围内，且可大于约50微米。在特定情况下，可使用的所添加的氧化铝颗粒小于约500微米外尺寸。氧化铝颗粒可占用于制造模具的组合物的约30重量%至约68重量%。这些氧化物颗粒可为空心的。

如果水泥中的氧化钙浓度大于50重量%，则模具可对从环境吸收水和二氧化碳敏感。因而，熔模铸造模具中的氧化钙浓度可通常保持在50%以下。在一个实施方案中，熔模铸造模具本体中的氧化钙浓度为10重量%-50重量%。在一个实施方案中，熔模铸造模具本体中的氧化钙浓度为10重量%-40重量%。备选地，熔模铸造模具本体中的氧化钙浓度可为25重量%-35重量%。在一个实施方案中，表面涂层中的CaO组成为20-40重量%。在另一个实例中，模具表面涂层中的氧化钙浓度为15重量%-30重量%。

二氧化碳可导致在处理期间和铸造之前在模具中形成碳酸钙，且碳酸钙在铸造操作期间不稳定。因此，模具中的水和二氧化碳可导致差的铸件品质。如果吸附水水平过高，例如大于0.05重量%，则当熔融金属在铸造期间进入模具时，水被释放且其可与合金反应。这导致差的表面精整、铸件中的气泡、高氧浓度和差的机械性能。此外，水的量可导致模具不完全填充。类似地，如果二氧化碳水平过高，则可在模具中形成碳酸钙，且当熔融金属在铸造期间进入模具时，碳酸钙可分解产生二氧化碳，二氧化碳可与合金反应；如果释放大量二氧化碳，则气体可导致模具不完全填充。模具中得到的碳酸钙小于1重量%。

铸造熔融金属或合金之前，通常将熔模铸造模具预热至模铸温度，模铸温度取决于特定组件几何形状或要铸造的合金。例如，典型的模具预热温度为600℃。通常，模具温度范围为450℃至1200℃；在一个实例中，温度范围为450℃至750℃，且在某些情况下其为500℃至650℃。

根据一个方面，使用常规技术将熔融金属或合金灌注到模具中，所述常规技术可包括重力、反重力、压力、离心和本领域技术人员已知的其它铸造技术。此外，也可使用真空或惰性气氛。对于复杂形状的薄壁几何形状，优选使用高压的技术。在固化的铝化钛或合金铸件通常冷却到小于650℃例如室温之后，将其从模具去除并使用常规方法精整，例如喷砂、水射流和磨光。

在一个方面，本公开为铸造钛和钛合金的方法，所述方法包含：获得包含铝酸钙和大尺寸氧化铝的熔模铸造模具组合物，其中将铝酸钙和氧化铝与液体和碳化硅组合，以产生最终铝酸钙/液体混合物浆料，且其中最终混合物中的固体为浆料的约70%至约95重量%；将所述熔模铸造模具组合物灌注到含有暂时模板的容器中；固化所述熔模铸造模具组合物；从模具去除所述暂时模板；烧灼模具；将模具预热至模铸温度；将熔融的钛或钛合金倒入加热的模具内；将熔融的钛或钛合金固化；形成固化的钛或钛合金铸件；和从模具去除固化的钛或钛合金铸件。在一个实例中，所用的碳化硅颗粒为约10微米至约50微米外尺寸。在另一个实例中，它们为10微米至约100微米外尺寸。发现与不存在碳化硅进行铸造的情况相比，碳化硅在铸造期间增加热导率。

在一个方面，本公开为钛和钛合金的铸造方法，其包含获得含有铝酸钙和氧化铝的熔模铸造模具组合物，其中将铝酸钙与液体和碳化硅组合以产生浆料，且其中最终铝酸钙/液体混合物中的固体为约75%至约95%。所述方法可进一步包含将所述熔模铸造模具组合物灌注到包含暂时模板的容器中；使所述熔模铸造模具组合物固化；从模具去除所述暂时模板；和烧灼模具。烧灼模具之后，所述方法可进一步包含将模具预热至模铸温度；将熔融的钛或钛合金灌注到加热的模具中；使熔融的钛或钛合金固化并形成固化的钛或钛合金铸件；和从模具去除固化的钛或钛合金铸件。

碳化硅颗粒可为约10微米至约50微米外尺寸。铝酸钙颗粒可包含外尺寸小于约50微米的颗粒。氧化铝颗粒可为约50微米至约1500微米外尺寸。氧化铝颗粒可占用于制造模具的熔模铸造模具组合物的约30重量%至约68重量%。铝酸钙水泥可占用于制造模具的熔模铸造模具组合物的大于20重量%。氧化铝颗粒可为空心的。可添加氧化钙使得大于约10重量%和小于约50重量%的熔模铸造模具组合物为氧化钙。用于制造模具的初始铝酸钙-液体水泥混合物中固体的百分比可为约60%至约78%。本公开的一个方面为如本发明公开的方法所述通过铸造方法制造的钛或钛合金制品。

本公开的另一个方面为钛和钛合金的铸造方法，所述方法包含：获得包含铝酸钙的熔模铸造模具组合物，其中将铝酸钙与碳化硅颗粒和氧化铝颗粒在液体中组合以产生浆料，使得最终铝酸钙/液体混合物中的固体为约75%至约95%，且其中得到的模具具有含碳化硅的固有表面涂层。在一个实施方案中，请求保护通过本文教导的铸造方法制造的钛或钛合金制品。

在从模具去除暂时模板和将模具预热至模铸温度之间，首先将模具加热或烧灼至约600℃至约1400℃的温度，例如约950℃或更高，然后冷却至室温。在一个实施方案中，在低于约30℃的温度下实施固化步骤1小时-48小时。暂时模板的去除包括以下步骤：熔化、溶解、灼烧、烘箱脱蜡、熔炉脱蜡、蒸汽热压脱蜡或微波脱蜡。在一个实施方案中，从模具去除钛或钛合金之后，可用喷砂或抛光精整铸件。在一个实施方案中，从模具去除固化的铸件之后，通过X射线或中子射线照相术检查。

固化的铸件在铸造和精整之后经受表面检查和X射线照相术，以检测在铸件内任何位置的表面下内含物颗粒。X射线照相术用于发现不可通过目测检查铸件外表面检测到的内含物。铝化钛铸件经受使用常规X射线设备的X射线照相术(膜或数字)，以提供X射线照片，然后对其检查或分析以确定铝化钛铸件内是否存在表面下内含物。

作为X射线照相术的备选或补充，可使固化铸件经受其它非破坏性试验，例如常规中子射线照相术。描述的模具组合物提供少量具有高中子吸收横截面的材料。在一个方面，为铸造制品准备中子射线照相。因为钛合金铸造制品可对中子基本透明，所以模具材料通常在得到的中子射线照相中清楚地显示。在一个方面，认为中子照射导致射线照片密集的元素的“中子活化”。中子活化包括中子辐射与铸件中射线照片密集的元素的相互作用，以影响模具组合物中射线照片密集的元素形成放射性同位素。然后可通过常规放射性探测装置检测放射性同位素，以计算存在于铸造制品的任何射线照片密集的元素的同位素。

本公开的另一个方面是形成用于铸造含钛制品的铸模的方法。所述方法包括：将铝酸钙与液体例如水组合，以产生液体中的铝酸钙浆料；将浆料引入含有暂时模板的容器中；并使浆料在模腔中固化以形成含钛制品模具。在一个实施方案中，所述方法进一步包含，在浆料引入模腔之前，将氧化物颗粒例如空心氧化物颗粒引入浆料。此外，在一个实例中，在浆料引入模腔之前，添加约10微米至约100微米的空心氧化铝颗粒以及碳化硅颗粒。

形成的模具可为坯模，且所述方法可进一步包含烧灼坯模。在一个实施方案中，铸模包含熔模铸造模具，例如用于铸造含钛制品。在一个实例中，含钛制品包括铝化钛制品。在一个实施方案中，熔模铸造模具组合物包含用于铸造近终形铝化钛制品的熔模铸造模具组合物。近终形铝化钛制品可包含近终形铝化钛涡轮叶片。在一个实施方案中，本公开涉及从含钛制品铸造模具组合物形成的模具，如本文教导。本公开的另一方面涉及在上述模具中形成的制品。

本公开的又一个方面为通过铸造方法制造的钛或钛合金铸件，所述方法包含：获得包含铝酸钙、碳化硅和氧化铝的熔模铸造模具组合物；将所述熔模铸造模具组合物灌注到含有暂时模板的容器中；固化所述熔模铸造模具组合物；从模具去除所述暂时模板；烧灼模具；将模具预热至模铸温度；将熔融的钛或钛合金倒入加热的模具内；将熔融的钛或钛合金固化以形成铸件；和从模具去除固化的钛或钛合金铸件。在一个实施方案中，本公开涉及通过本申请中教导的铸造方法制造的钛或钛合金制品。

在一个方面，本公开为一种制造涡轮组件的方法。所述方法包含通过将铝酸钙、二铝酸钙、碳化硅、钙铝石和氧化铝与水一起混合以形成浆料制造模具。在一个实例中，碳化硅以约15重量%至约45重量%存在。然后烧灼模具，并将熔融的钛或钛合金灌注到模具中。在熔融的钛或钛合金冷却和固化之后，从模具去除铸件。在一个实例中，含碳化硅的固有表面涂层包含以约15重量%至约45重量%存在的碳化硅。

表面粗糙度是表示铸件和机械加工部件的表面完整性的重要指标之一。表面粗糙度通过在指定区域中由光学轮廓测定法测量的中线平均粗糙度值“Ra”以及平均峰-谷距离“Rz”表征。可在剖面上或表面上计算粗糙度值。剖面粗糙度参数(Ra、Rq……)是更通用的。使用描述表面的公式计算每一个粗糙度参数。有许多不同的粗糙度参数在使用，而目前Ra最常见。如本领域已知，表面粗糙度与工具磨损有关。通常，通过研磨和珩磨的表面修饰方法产生具有0.1mm至1.6mm的Ra的表面。最终涂层的表面粗糙度Ra值取决于涂层或涂布制品的期望功能。

以高度单位表示平均粗糙度Ra。在英制中，1 Ra通常以“百万分之一”英寸表示。这也称为“微英寸”。本文表示的Ra值指微英寸。70的Ra值对应约2微米；而35的Ra值对应约1微米。通常需要高性能制品的表面具有约20或更少的Ra，所述高性能制品例如涡轮叶片、涡轮叶片/喷嘴、涡轮增压器、往复式发动机阀、活塞等。本公开的一个方面为包含钛或钛合金且在其至少一部分表面区域上具有小于20的平均粗糙度Ra的涡轮叶片。

随着熔融金属加热越来越高，它们倾向于变得越来越有反应性(例如，经受与模具表面不期望的反应)。这些反应导致形成污染金属部件的杂质，这导致各种有害结果。杂质的存在使金属组成变化，使得其可能不符合期望的标准，从而不允许使用铸件片用于预期应用。此外，杂质的存在可有害影响金属材料的机械性质(例如，降低材料强度)。

此外，这些反应可导致表面结构化，这在铸件片表面上产生大量不期望的粗糙度。例如，使用本领域已知用于表征表面粗糙度的表面粗糙度值Ra，利用不锈钢合金和/或钛合金的铸件通常在良好工作条件下显示约100-200的Ra值。这些有害影响驱使技术人员使用较低温度用于填充模具。然而，如果熔融金属温度未足够加热，则铸造材料可快速冷却，导致铸造模具不完全充填。

本公开的一个方面涉及用于铸造含钛制品的包含铝酸钙和碳化硅的模具组合物。模具组合物进一步包含空心氧化铝颗粒。制品包含金属制品。在一个实施方案中，制品包括含铝化钛制品。在另一个实施方案中，制品包含铝化钛涡轮叶片。在又一个实施方案中，制品包含近终形的铝化钛涡轮叶片。该近终形铝化钛涡轮叶片在安装之前可需要极少材料去除或不需要材料去除。

本公开的一个方面涉及用于铸造钛和钛合金的装置。所述装置包含：用于获得包含铝酸钙、碳化硅和氧化铝的熔模铸造模具组合物的设备，其中铝酸钙、碳化硅和氧化铝颗粒在液体中混合以产生浆料；用于将所述熔模铸造模具组合物灌注到包含暂时模板的容器中的设备；用于固化所述熔模铸造模具组合物的设备；用于从模具去除所述暂时模板的设备；用于烧灼模具的设备；用于将模具预热至模铸温度的设备；用于将熔融的钛或钛合金灌注到加热模具中的设备；用于固化熔融的钛或钛合金和形成固化的钛或钛合金铸件的设备；和用于从模具去除固化的钛或钛合金铸件的设备。

实施例

参考以下实施例可更容易理解已概要描述的公开内容，包括所述实施例仅为了说明本公开的某些方面和实施方案，而不旨在以任何方式限制本公开。

图1显示具有含碳化硅的表面涂层(10)的模具的示意图。图1显示具有例如约100微米厚的含碳化硅的固有表面涂层(30)的模具。示意图显示，含碳化硅的固有表面涂层(30)与模腔(40)和模具本体(20)组成铝酸钙模具。固有表面涂层(40)是仅含有从制剂的初始组分提供到模具的物类的涂层。因此，固有表面涂层不包含并非来自初始灌注的陶瓷制剂的任何物类。相反，非固有表面涂层为单独涂敷并含有可能不属于初始制剂组分的物类的表面涂层。

如图2所示，用小于20微米颗粒尺寸的SiC代替大尺寸(外尺寸大于约50微米的颗粒)空心氧化铝颗粒使固化期间的温度增加从约30℃降低至<27℃。该图显示，用CA25C水泥代替大尺寸空心氧化铝颗粒使固化期间的温度增加从~30℃降低至<25℃。该图显示，用600微米或更小外尺寸的SiC颗粒代替大尺寸空心氧化铝颗粒对固化期间的温度增加具有极少影响。图2进一步显示，用110微米或更小外尺寸的SiC颗粒代替大尺寸空心氧化铝颗粒对固化期间的温度增加具有极少影响。

图3显示一个流程图，其图示说明形成用于铸造含钛制品的模具的方法(100)。所述方法包含将铝酸钙和碳化硅与液体混合以产生浆料，其中浆料中固体的百分比为浆料的约60重量%至约80重量%，且浆料的粘度为约30至约1500厘泊(110)。然后将浆料引入含有暂时模板的模腔(120)，和使其固化以形成模具(130)。

图4显示一个流程图，其图示说明铸造钛和钛合金的方法(200)。所述方法包含：获得包含铝酸钙和大尺寸氧化铝的熔模铸造模具组合物，其中铝酸钙和氧化铝与液体和碳化硅组合，以产生最终铝酸钙/液体混合物浆料，且其中最终混合物中的固体为浆料的约70重量%至约95重量% (210)。然后将熔模铸造模具组合物灌注到包含暂时模板的容器中(120)，并固化(230)。一旦固化，将暂时模板从模具去除(240)并烧灼模具(250)。烧灼之后，将模具预热至模铸温度(260)，并将熔融的钛或钛合金灌注到加热的模具中(270)。使熔融的钛或钛合金形成固化形式(280)，然后将该固化的钛或钛合金铸件从模具去除(290)。

图5显示一个流程图，其图示说明通过本公开过程生产的涡轮叶片(300)。所述方法首先提供包含铝酸钙、碳化硅和氧化铝的熔模铸造模具(360)。所述方法进一步包含将熔融的钛或钛合金灌注到模具中，在灌注前首先将模具预热(370)，和将熔融的钛或钛合金铸件固化为固化铸件的形式(380)。最终阶段包括从模具去除固化的钛或钛合金铸件以产生涡轮叶片，其中涡轮叶片在其至少一部分表面区域上具有小于20的平均粗糙度Ra (390)。

图6显示一个流程图，其图示说明一种制造涡轮组件的方法(400)。所述方法包括首先从包含铝酸钙、二铝酸钙、碳化硅、钙铝石和水的混合物制造模具，其中碳化硅以约15重量%至约45重量%存在(420)。另外的步骤包括烧灼模具(430)，和将熔融的钛或钛合金灌注到模具中(440)，固化熔融的钛或钛合金以形成固化的铸件(450)，和随后从模具去除铸件(460)。

在第一实施例中，通过将名义上无SiC模具中的一半水泥用尺寸小于20微米的SiC颗粒替代而生产模具。在第一实施例中，用于制造熔模铸造模具的浆料混合物由1354g商业共混80%铝酸钙水泥CA25C组成。CA25C产物名义上由70%铝酸钙水泥与氧化铝共混组成，以将组合物调节至80%氧化铝。共混水泥CA25C的颗粒尺寸小于45微米。使用820.5g去离子水和90.5g胶态二氧化硅产生具有61%初始固体载量的水泥浆料。典型的适合的胶态二氧化硅包括Remet LP30、Remet SP30、Nalco 1030。该实施例中使用LP30。

当浆料混合至可接受的粘度(90至150厘泊)时，将1354g尺寸范围小于约20微米的碳化硅添加到浆料。添加了碳化硅的混合物的固体载量为75.6%。当浆料混合至可接受的粘度时，将尺寸范围小于约0.85mm且大于约0.5mm的1472g氧化铝空心球添加到浆料。对于氧化铝，由熔融氧化铝形成氧化铝空心球，得到低体积密度的空心球。

混合之后，将熔模铸造模具混合物以控制方式灌注到容器中。最终模具混合物的固体载量为82.7%。具有令人满意的粘度和流变性的模具混合物良好灌注。固化之后，混合物具有良好强度(大于100磅/平方英寸)和均匀的组成。然后在1000℃温度下烧灼模具4小时。没有水的最终模具组合物包含32.2重量%的共混铝酸钙水泥(CA25C)、32.2重量%的碳化硅和35重量%的氧化铝空心球，以及0.6%二氧化硅。该模具比常规模具教导的那些具有降低的氧化铝活性。

在第二实施例中，用相同量的颗粒尺寸小于20微米的SiC替代一半的最终空心球。在第二实施例中，对于制造熔模铸造模具的浆料混合物由Almatis公司生产的5416g商业共混80%铝酸钙水泥CA25C组成。使用1669g去离子水和181g胶态二氧化硅产生具有75.2%初始固体载量的水泥浆料。当浆料混合至可接受的粘度时，添加1472g碳化硅到浆料。添加了碳化硅的混合物的固体载量为79.5%。当浆料混合至可接受的粘度时，将尺寸范围小于0.85mm且大于0.5mm的1472g氧化铝空心球添加到浆料。混合之后，将熔模铸造模具混合物以控制方式灌注到容器中。最终模具混合物的固体载量为82.4%。得到的模具具有约120mm直径和约400毫米长度。在该第二实施例中，用相同量的SiC和小于20微米的颗粒尺寸替代一半的最终氧化铝空心球。生产模具且发现其具有可接受的品质，并由模具生产叶片铸件。

没有水的最终模具组合物包含64.4重量%的共混铝酸钙水泥(CA25C)、17.5重量%的碳化硅和17.5重量%的氧化铝空心球，以及0.6%二氧化硅。

发现模具中SiC的量和水泥的量是改进模具品质方面的影响因素。如果水泥减少至太低的浓度，则模具可容易开裂。还发现模具中SiC颗粒的尺寸在改进模具品质方面是重要的，例如外部裂纹和内部裂纹。例如，如果SiC颗粒尺寸太大(大于约100微米)，则内部裂纹不可接受，如在下一实施例描述的。

一个重要因素是模具的固化行为，且模具温度在固化期间可增加。图2中的结果显示一系列模具在固化期间最高温度增加。该图显示，用颗粒尺寸小于20微米外尺寸的SiC代替大尺寸空心氧化铝颗粒(氧化铝空心球)将固化期间的温度增加从约30℃降低至<27℃。图2显示，用CA25C水泥代替大尺寸空心氧化铝颗粒使固化期间的温度增加从~30℃降低至<25℃。该图进一步显示，用颗粒尺寸小于600微米或更小的SiC代替大尺寸空心氧化铝颗粒对固化期间的温度增加具有极少影响。此外，用<110微米外尺寸的SiC替代大尺寸(大于约50微米外尺寸)对固化期间的温度增加具有极少影响。

在1000℃温度下烧灼模具4小时。没有水的最终模具组合物包含24.1%共混铝酸钙水泥(CA25C)、40.3碳化硅和35%游离氧化铝空心球，以及0.6%二氧化硅。比现有技术教导的那些，该模具具有降低的氧化铝活性。

在第三实施例中，用相同量的颗粒尺寸小于20微米的SiC代替初始CA25C水泥。在第三实施例中，用于制造熔模铸造模具的浆料混合物由2708g商业共混80%铝酸钙水泥CA25C组成。使用1641g去离子水和181g胶态二氧化硅产生具有61.0%初始固体载量的水泥浆料。当浆料混合至可接受的粘度时，添加2708g碳化硅到浆料。添加了碳化硅的混合物的固体载量为75.6%。当浆料混合至可接受的粘度时，将尺寸范围小于0.85mm且大于0.5mm的2943g氧化铝空心球添加到浆料。混合之后，将熔模铸造模具混合物以控制方式灌注到容器中。最终模具混合物的固体载量为82.6%。得到的模具具有约120mm直径和约400毫米长度。在该第三实施例中，用相同量的颗粒尺寸小于20微米的SiC代替初始CA25C水泥。生产出模具，但发现其具有不可接受水平的内部裂纹且随后的铸件不具有足够的品质。最终制剂中的水泥浓度过低。

在1000℃温度下烧灼模具4小时。没有水的最终模具组合物包含32.2%共混铝酸钙水泥(CA25C)、32.2碳化硅和35%游离氧化铝空心球，以及0.6%二氧化硅。比现有技术教导的那些，该模具具有降低的游离氧化铝活性。

在第四实施例中，用于制造熔模铸造模具的浆料混合物由2708g商业共混80%铝酸钙水泥CA25C组成。使用1641g去离子水和181g胶态二氧化硅产生具有61.0%初始固体载量的水泥浆料。当浆料混合至可接受的粘度时，将尺寸范围小于0.85mm且大于0.5mm的2943g氧化铝空心球添加到浆料。当浆料混合至可接受的粘度时，将700g颗粒尺寸<600微米的大尺寸碳化硅添加到浆料。浆料粘度不可接受，且不能生产可接受品质的模具。

典型的高纯度煅烧氧化铝颗粒类型包括熔融的平板状和细磨的氧化铝。典型的适合的胶态二氧化硅包括Remet LP30、Remet SP30、Nalco 1030、Ludox。生产的模具用于铸造含铝化钛制品，例如具有良好表面精整的涡轮叶片。粗糙度(Ra)值小于100微英寸，且氧含量小于2000百万分率[ppm]。该制剂通常产生约120mm直径和400mm长的模具，和具有小于2克密度的模具。

在一个实施方案中，模具具有由铝酸钙相组成的含碳化硅的固有表面涂层，且表面涂层厚度为约100微米。如此生产的模具成功用于铸造具有良好表面精整的铝化钛涡轮叶片；例如，其中Ra小于100，和氧含量小于2000ppm。该制剂产生具有小于2克/立方厘米密度的模具。

在一个实施例中，通过在容器中混合铝酸钙水泥、水和胶态二氧化硅制备模具混合物。使用高剪切形式混合。若未彻底混合，水泥可胶凝，且流动性降低，使得模具混合物不会均匀覆盖暂时模板，且不会产生含碳化硅的固有表面涂层。当水泥完全悬浮在混合物中时，添加氧化铝颗粒。例如，当水泥完全悬浮在混合物中时，添加细尺寸氧化铝颗粒。当细尺寸氧化铝颗粒与水泥完全混合时，添加细尺寸碳化硅颗粒并与水泥浆料混合。当细尺寸碳化硅颗粒与水泥完全混合时，添加较大尺寸的(例如0.5-1.0mm)氧化铝颗粒并与水泥-氧化铝制剂混合。最终混合物的粘度是形成高品质的含碳化硅的固有表面涂层的另一个影响因素，因为其不能过低或过高。本公开的另一个影响因素是水泥混合物的固体载量和水的量。此外，可在模制过程步骤期间所选的点上使用促进剂和阻滞剂。

混合之后，将熔模铸造混合物以控制方式灌注到含有暂时蜡模的容器中。该容器提供模具的外部几何形状，且暂时模板产生内部几何形状。正确的灌注速度是另一个特征，如果其太快，空气可被捕获在模具中，如果其太慢，水泥和氧化铝颗粒可发生分离。适合的灌注速度为约1至约20升/分种。在一个实施方案中，灌注速度为约2至约6升/分种。在一个具体实施方案中，灌注速度为约4升/分种。

在一个实施方案中，模具制剂设计使得烧灼时模具表面涂层和模具本体两者的线性收缩率小于1%。在混合物中加入的轻质熔融氧化铝空心颗粒提供低的热导率。在一个实施例中，具有所有组分而没有大尺寸氧化铝颗粒的初始水泥浆料混合物的固体载量为60%，且该值低于制备可在模具中形成含碳化硅表面涂层的水泥浆料所期望的限度。在一个实施方案中，模具形成具有约100微米厚度的含碳化硅的固有表面涂层。

氧化铝空心颗粒为模具提供降低的密度和较低热导率。在一个实施方案中，该制剂产生约120mm直径和400mm长的模具。模具在高温下固化和烧灼。生产的模具用于铸造含铝化钛制品，例如具有良好表面精整的涡轮叶片。粗糙度(Ra)值小于100，且氧含量小于2000ppm。在大多数实施方案中，该制剂产生具有小于1.8克/立方厘米的密度的模具。在一个实施方案中，模具本体的热导率在所有温度下基本上小于氧化铝的热导率。使用热丝铂电阻温度计技术(ASTM测试C-1113)测量热导率。

在一个实例中，模具形成含碳化硅的固有表面涂层，但模具本体组合物和特别是表面涂层组合物含有太多的二氧化硅。模具中的二氧化硅本体组成为约1.5重量%。混合物中胶态二氧化硅的高浓度可导致最终烧灼模具中剩余的结晶二氧化硅和硅酸盐，例如铝硅酸钙和铝硅酸盐。模具特别是表面涂层的高二氧化硅含量提供该模具制剂的两个限制。第一，可在烧灼时发生收缩量，而这导致例如表面涂层中开裂和组件尺寸控制的问题。第二，当模具在铸造期间填充时，表面涂层中的高二氧化硅含量可导致与熔融的钛和铝化钛合金反应；该反应导致不可接受的铸件品质。

在一个实施例中，其中最终模具混合物的固体载量为80%或更高(例如81%)，该模具沿着模具16英寸长度在模具本体和模具的含碳化硅的固有表面涂层两者中具有均匀组成。模具中二氧化硅的本体组成为0.6重量%。模具形成具有低二氧化硅含量的含碳化硅的固有表面涂层。模具特别是含碳化硅的固有表面涂层的低二氧化硅含量提供优选用于铸造钛和铝化钛合金的模具。模具中的氧化铝空心颗粒的重量百分数为约35%。模具形成具有约100微米厚度的含碳化硅的固有表面涂层。模具在烧灼时经历小于1%的线性收缩率。模具适合于铸造。

在一个实施方案中，产生的模具制剂具有一些有吸引力的属性，但具有几个限制。第一，模具中含碳化硅的固有表面涂层比期望的更薄；这是由于灌注之前最终混合物的高固体载量。第二，其中模具混合物中有太多胶态二氧化硅，这导致太多二氧化硅，并在烧灼之后在最终模具的模具本体中和含碳化硅的表面涂层中产生硅酸盐例如铝硅酸钙。

模具特别是表面涂层的高二氧化硅和硅酸盐含量提供该模具制剂的两个限制。第一，可在烧灼时发生收缩量，而这导致例如表面涂层中开裂和组件尺寸控制的问题。第二，当模具在铸造期间填充时，表面涂层中的高二氧化硅含量可导致与熔融的铝化钛合金反应；该反应导致不可接受的铸造品质。最后，如果氧化铝空心颗粒尺寸太大，则这降低得到的混合物的流动性。较低的流动性导致较薄的含碳化硅的固有表面涂层，且得到的模具生产具有较低品质的铸件。

如果熔模铸造模具混合物的工作时间太短，则没有足够时间制造复杂形状组件的大型模具。如果熔模铸造模具混合物的工作时间太长且铝酸钙水泥不足够快速地固化，则可发生细尺寸水泥和大尺寸氧化铝的分离，而这可导致其中制剂不一致的偏析的模具，且得到的模具性质不均匀。

胶态二氧化硅可影响铝酸钙相与水的反应速率，且其还可影响固化期间的模具强度。铝酸钙相与水的该反应速率控制模制期间熔模铸造模具混合物的工作时间。该时间为约30秒-约10分钟。如果熔模铸造模具混合物的工作时间太短，则没有足够时间制造复杂形状组件的大型模具，且不形成连续的含碳化硅的固有表面涂层。如果熔模铸造模具混合物的工作时间太长且铝酸钙水泥不足够快速地固化，则可发生细尺寸水泥和大尺寸氧化铝的分离，而这可导致其中制剂不一致的偏析的模具，且得到的模具性质不均匀；其还可导致具有成分和性质不连续或不一致的含碳化硅的表面涂层的不期望的位置。

构成模具的连续表面涂层和提供用于模具本体的粘合剂的水泥中的组成相为本公开的特征。铝酸钙水泥中的三个相包含单铝酸钙(CaAl₂O₄)、二铝酸钙(CaAl₄O₇)和钙铝石(Ca₁₂Al₁₄O₃₃)，且本发明人作出该选择以实现几个目的。第一，这些相必须溶解或部分溶解，并在随后的制造熔模铸造模具的浆料中形成可支持所有聚集相的悬浮体。第二，这些相必须促进灌注之后模具的硬化或固化。第三，这些相必须在铸造期间和之后为模具提供强度。第四，这些相必须显示与在模具中铸造的钛合金的最小反应。第五，模具必须具有与钛合金铸件匹配的适合的热膨胀，以便使固化后冷却期间产生的部件上的热应力最小化。

在一个实例中，模具中和模具表面涂层中的铝酸钙水泥/粘合剂中的三个相为单铝酸钙(CaAl₂O₄)、二铝酸钙(CaAl₄O₇)、钙铝石(Ca₁₂Al₁₄O₃)和碳化硅。在模具中加入钙铝石，因为它是快速固化铝酸钙，且它为模具的含碳化硅的固有表面涂层和本体提供固化早期期间的强度。必须在低温下进行固化，因为暂时蜡模是热敏性的，且在~35℃以上热暴露时失去其形状和性质。在一个实例中，模具在低于30℃的温度固化。

应理解以上描述旨在为说明性，而不是限制性。例如，上述实施方案(和/或它们的方面)可彼此组合使用。此外，可进行许多修改以使特定情况或材料适于各实施方案的教导而不偏离其范围。虽然本文描述的材料的尺寸和类型旨在限定各的参数，但它们绝非限制性，而仅为示例性。在查看以上描述后，许多其它实施方案将对本领域技术人员显而易见。因此，各实施方案的范围应参考所附权利要求以及给予这些权利要求的全部等同范围来确定。在所附权利要求中，术语“包括(including)”和“其中(in which)”用作相应术语“包含(comprising)”和“其中(wherein)”的普通英语同义词。此外，在以下权利要求中，使用术语“第一”、“第二”和“第三”等仅作为标记，且不旨在对其对象施加数值要求。此外，以下权利要求的限定不按手段加功能的形式撰写，且不旨在基于35 U.S.C. § 112，第六段来理解，除非这样的权利要求限定明确使用短语“用于……的手段”，后接功能陈述，缺少进一步结构。应理解，上述所有这些目标或优点可不必都根据任何特定实施方案实现。因此，例如，本领域技术人员将认识到，本文描述的系统和技术可按实现或优化教导的一个优点或一组优点的方式来体现或实施，而不必实现本文可教导或提出的其它目标或优点。

虽然已经结合仅有限数量的实施方案详细地描述本发明，但应容易理解，本发明不限于这些公开的实施方案。相反，可修改本发明以结合至此未描述但与本发明的精神和范围相称的许多变化、改变、替换或等效布置。此外，虽然已经描述本发明的各实施方案，但应理解本公开的方面可包括仅一些所述实施方案。因此，本发明不应视为由上文描述限制，而是仅由所附权利要求的范围限定。

本书面描述使用实施例以公开本发明，包括最佳方式；以及使本领域技术人员能实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统和实施任何结合的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并可包括本领域技术人员想到的其它实例。这些其它实例预期在权利要求的范围内，只要它们具有与权利要求的字面语言无差异的结构要素，或只要它们包括与权利要求的字面语言具有非实质差异的的等效结构要素。

Claims (17)

1.一种形成用于铸造含钛制品的模具的方法，所述方法包含：

将铝酸钙和碳化硅与液体混合以产生浆料，其中浆料中固体的百分比为浆料的60重量％至80重量％，且浆料粘度为50至500厘泊；

将浆料引入含有暂时模板的模腔中；和

使浆料在模腔中固化以形成用于铸造含钛制品的模具；

其中铝酸钙的颗粒尺寸小于50微米外尺寸。

2.权利要求1所述的方法，其中所述碳化硅颗粒为10微米至50微米外尺寸。

3.权利要求1所述的方法，其中所述铝酸钙占浆料的大于20重量％。

4.权利要求1所述的方法，其中所述浆料还包含氧化物颗粒。

5.权利要求4所述的方法，其中所述氧化物颗粒为空心的。

6.权利要求4所述的方法，其中所述氧化物颗粒选自氧化铝颗粒、氧化镁颗粒、氧化钙颗粒、氧化锆颗粒、氧化钛颗粒、氧化硅颗粒和它们的组合物。

7.权利要求4所述的方法，其中所述氧化物颗粒为氧化铝颗粒。

8.权利要求7所述的方法，其中所述氧化铝颗粒占浆料的30重量％至68重量％。

9.权利要求7所述的方法，其中所述氧化铝颗粒为50微米至1500微米外尺寸。

10.权利要求1所述的方法，其中在将所述浆料引入模腔内之前，将大尺寸空心氧化物颗粒添加到浆料以形成最终的铝酸钙-液体水泥混合物，使得浆料中的固体为浆料的70重量％至95重量％，所述大尺寸空心氧化物颗粒具有外尺寸大于50微米的空心氧化物颗粒。

11.权利要求1所述的方法，其进一步包含添加氧化钙，使得浆料的大于10重量％和小于50重量％为氧化钙。

12.权利要求1所述的方法，其中浆料中固体的百分比为60％至78％。

13.权利要求1所述的方法，其进一步包含将小于2％二氧化硅添加到浆料。

14.一种铸造钛和钛合金的方法，所述方法包含：

获得熔模铸造模具组合物，其包含铝酸钙和大尺寸氧化铝，其中将所述铝酸钙和氧化铝与液体和碳化硅组合，以产生最终的铝酸钙/液体混合物浆料，且其中所述最终混合物中的固体为浆料的70重量％至95重量％，所述大尺寸氧化铝具有外尺寸大于50微米的氧化铝；

将所述熔模铸造模具组合物灌注到含有暂时模板的容器中；

使所述熔模铸造模具组合物固化以形成模具；

从模具去除所述暂时模板；

烧灼模具；

将模具预热至模铸温度；

将熔融的钛或钛合金灌注到加热的模具中；

使熔融的钛或钛合金固化；

形成固化的钛或钛合金铸件；和

将固化的钛或钛合金铸件从模具去除；

其中铝酸钙的颗粒尺寸小于50微米外尺寸。

15.权利要求14所述的方法，其中所述氧化铝颗粒为50微米至1500微米外尺寸。

16.权利要求14所述的方法，其中碳化硅颗粒为10微米至100微米外尺寸。

17.权利要求14所述的方法，其中所述碳化硅以15重量％至45重量％存在，并在铸造期间提供与不使用碳化硅进行的铸造相比增加至少25％的热导率。