CN106232262B - 单晶铸造用模具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及单晶铸造领域，尤其涉及一种用于单晶铸造的模具(1)，还涉及制造和使用该模具。特别地，模具(1)包括模具型腔(7)，该模具型腔(7)包括第一体积(7a)，第二体积(7b)和晶粒导管(4)。第二体积(7b)位于第一体积(7a)上并与其连通，并包括相对于第一体积(7a)的至少一个水平突起。晶粒导管(4)具有与第一体积(7a)连接的下端(4a)，以及与第二体积(7b)的水平突起相邻的上端(4b)。模具(1)还包括插入在模具型腔(7)的第二体积(7b)和晶粒导管(4)的上端(4b)之间的分隔构件(11)。

Description

单晶铸造用模具

背景技术

本发明涉及铸造领域，尤其涉及用于失模铸造的模型，还涉及制造壳模的方法和利用如模型进行铸造的方法。

在下面的描述中，术语“上”，“下”，“水平”和“垂直”是相对于正在铸造金属的模具的通常定向限定的。

所谓“脱蜡”铸造法或“失模”铸造法已经广为人知。它们特别适于生产形状复杂的金属件。因此，失模铸造法特别被用于制造涡轮机叶片。

在失模铸造中，第一步通常为用熔化温度相对较低的材料，例如蜡或树脂制造模具。模具自身覆盖有耐火材料，从而形成模具，特别是壳模式模具。在材料模型被清空或从模具内部除去—这就是“失模”法的名字由来—之后，将熔融金属浇注到模具中，从而填充模具中在模型被清空或除去之后留下的型腔。一旦金属冷却凝固，可以打开或者破坏模具以重新获得具有模具形状的金属件。在本上下文中，术语“金属”包括纯金属，以及尤其是金属合金。

为了能够同时制造多个部件，可以将多个模型结合为单个集群，其中模型通过轴连接在一起，该轴在模具中形成用于熔融金属的铸造通道。

在能够用于失模铸造的各类模具中，已知所谓的“壳”模是通过以下方式形成的：将模型或模型集群浸入粉浆中，接下来用耐火砂对覆盖有粉浆的模型或集群进行喷粉，从而围绕模型或集群形成壳体，然后对壳体进行烘烤，从而使其烧结以对壳体整体进行加强。可以设想连续多次进行浸渍和喷粉，从而在烘烤之前获得具有足够厚度的壳体。术语“耐火砂”在本上下文中用于指定任何晶粒材料，该晶粒材料的粒度足够精细从而满足所需生产公差，并能够在固态下承受熔融金属的温度，同时还能够合并，从而在对壳体进行烘烤时形成单一件。

为了使铸造生产部件获得特别有利的热机械特性，确保金属在模具中接受定向凝固是可取的。在本上下文中，术语“定向凝固”的意思是随着熔融金属从液态转化，在控制下，固态晶体被播种到熔融金属中并在熔融金属中生长。定向凝固的目的是避免部件中晶界的负面效应。因此，定向凝固可以在列中发生，或者可以是单晶的。每一列中的定向凝固在于沿相同方向对所有晶界定向，因此它们不能促成裂纹扩展。单晶定向凝固在于确保部件作为单一晶体凝固，从而消除所有晶界。

为获得单晶定向凝固，模具通常在模具型腔中提供“起动”型腔，该“起动”型腔通过选择通道与模具型腔连接，举例来说，这在法国专利FR2734189中公开。当金属在模具中凝固的同时，从起动型腔开始，模具逐步冷却，从而引起晶体被播种到起动型腔中。选择通道的作用首先是优先关注单晶粒，其次是使单晶粒能够从在起动型腔中播种的晶粒的结晶前沿朝模具型腔前进。

模具型腔中的笨拙形状可能对定向凝固构成阻碍。因此，在呈现较大水平突起(特别是与涡轮机叶片的平台相对应的突起)的模具型腔中，凝固前沿可能突然停止在基本垂直方向上前进，并可能沿着突起方向前进。这种方向上的突然变化会在接近突起的地方导致缺陷，特别是导致不需要的晶粒。

为了避免该问题，本领域技术人员利用晶粒导管，晶粒导管的作用是为凝固前沿提供到模具型腔中水平突起的备用路径，并且是在不突然改变方向的情况下实现。然而，晶粒导管的一个缺点是它使模具更加难以敲空，尤其是晶粒导管中金属材料凝固所形成的金属枝杈接下来需要从毛坯铸件中移除，因此增加了复杂且昂贵的收尾步骤。

发明内容

本发明寻求弥补这些缺陷，提出一种单晶铸造模具，其用于成型具有较大侧向突起的部件，同时还促进毛坯铸件的随后处理。

在至少一种实施方式中，该目的由具有模具型腔的模具实现，模具型腔包括：第一体积；第二体积，该第二体积位于所述第一体积上并与其连通，并具有相对于所述第一体积的至少一个水平突起；以及晶粒导管，该晶粒导管的下端与所述第一体积连接，上端邻近所述第二体积的所述水平突起，所述模具还包括插入在所述模具型腔的第二体积和所述晶粒导管的上端之间的分隔构件。

通过这些设置，模具型腔中金属材料的冷却以及凝固可以通过晶粒通道朝水平突起前进，水平突起中的金属材料不与晶粒导管中的材料直接接触，因此更易于将晶粒导管形成的金属枝杈从毛坯铸件的剩余部分分离。

为确保模具型腔中冷却前沿的恒定前进，晶粒导管上端的宽度可以和第二体积的水平突起基本上相等。

特别地，该模具可以用于制造涡轮机叶片，应用于固定导向叶片以及活动叶片。为此，模具型腔的第一体积可以对应于涡轮机叶片主体，模具型腔的第二体积可以对应于涡轮机叶片平台。在本上下文中，术语“涡轮机”包括能量在流体流和至少一组叶片之间转移的任何机器，例如压缩机，泵，涡轮，或它们中的至少两个的组合。

为了促进模具型腔中熔融金属材料的定向凝固，模具可以在模具型腔下面具有起动型腔，该起动型腔通过选择通道与模具型腔连接。

本发明还涉及一种用于制造单晶铸造模具的方法，该方法包括以下步骤：制造模型，该模型复制模具型腔的形状；用耐火材料涂覆所述模型以形成所述模具型腔；以及清空所述模具型腔。

特别地，为了更容易在模具中合并分隔构件，可以在涂覆步骤之前将所述分隔构件插入到模型中。特别地，模型可以由熔化温度低于所述耐火材料的材料制成，例如蜡或树脂，并利用所谓“脱蜡”法以液态从模具型腔中清空。

特别地，所述涂覆步骤可以通过以下方式执行：将模型浸入粉浆中，用耐火砂对模型进行喷粉，从而围绕模型形成壳体，以及对壳体进行烧结以使其加强，从而形成壳模。

本发明还提供一种使用模具的方法，该方法包括：将液态金属材料真空铸造到模具型腔中；引起金属材料以定向方式从模具型腔底部朝顶部凝固；以及敲空模具，包括插入在模具型腔的第二体积和晶粒导管上端之间的分隔构件。在本上下文中，术语“真空”应该理解为比大气压力低得多的压力，特别是低于0.1帕斯卡(Pa)至0.01Pa。在模具被敲空之后，模具型腔内凝固的由金属材料形成的毛坯铸件可以接受附加处理，特别是为了分离在晶粒导管中凝固的金属材料枝杈。

附图说明

通过阅读下面对以非限制性示例示出的实施方式的详细描述，可以很好地理解本发明，并且本发明的优点也将更加清晰。描述参考了以下附图，其中：

图1是单晶铸造设备的概略图，其包括构成本发明的一种实施方式的模具；

图2是用于制造图1所示模具的模型的透视图；以及

图3，4和5显示了图1所示设备中执行的铸造方法中的冷却进度和凝固前沿。

具体实施方式

图1显示了如何典型地在铸造方法中对熔融金属进行渐进式冷却以获得定向凝固。

该方法中使用的模具1包括浇口杯5和基座6。当模具1从加热腔3抽出时，基座6与底板2直接接触。模具1还具有模具型腔7。还可以在相同模具中以集群方式设置多个模具型腔。模具型腔7通过进料通道8与浇口杯5连接，当倾倒熔融金属时，熔融金属穿过进料通道8。模具型腔7一般还在底部通过挡板形选择通道9与基座6中的较小起动型腔10连接。在所示实施方式中，模具型腔7具有第一体积7a和第二体积7b，第二体积7b位于第一体积7a正上方并与其连通，同时在水平面中基本上较宽，从而相对于第一体积7a具有至少一个非常显著的水平突起。更具体地，在所示实施方式中，模具1用于制造涡轮机叶片。因此，第一体积7a对应于叶片主体，第二体积7b对应于叶片平台。

模具型腔7还具有晶粒导管4，晶粒导管4的下端4a直接与第一体积7a连接，上端4b邻近第二体积7b的水平突起。在所述实施方式中，上端4b比晶粒导管4的剩余部分宽，从而在第二体积7b的整个宽度L上邻近第二体积7b的水平突起。虽然相邻，但是晶粒导管4的上端4b和第二体积7b不直接连通，因为它们被杆形分隔构件11分开。

举例来说，分隔构件11可以由陶瓷材料制成。虽然在所示实施方式中，它的形式为具有圆形横截面的圆柱杆，但是视情况而定，可以采用其他横截面和其他一般形状。杆材料的尺寸和热导率可以选择为在晶粒导管4的上端4b和模具型腔7的第二体积7b的相邻的水平突起之间提供良好热接触。

模具1可以通过所谓“脱蜡”法或“失模”法制造。所述方法的第一步是形成如图2所示的模型12。模型12用于形成模具型腔7以及起动型腔10，选择通道9，浇口杯5，以及进料通道8，它们在模具1中是中空的。利用低熔点材料，例如合适的蜡或树脂获得模型。当需要生产大量部件时，特别可以通过将蜡或树脂注入永久模具来生产这些部件。为了支撑模型12，在模型12中包括由耐火材料，例如陶瓷制成的支撑杆20，支撑杆20将其与模具型腔7对应的主体和其与起动型腔10对应的基座(未显示)连接。为了将支撑杆20固定到模型12上，可以利用模型12材料的自然粘附，或者利用合适的粘合剂。也可以利用相同的方式将分隔构件11合并到模型12中，位于和晶粒导管4的上端4b相对应的主体的体积与和邻近模具型腔7的第二体积7b的水平突起相对应的体积之间。

在该实施方式中，为了利用非永久性模型12制造模具1，将模型12浸入粉浆中，然后用耐火砂对其喷粉。这些浸渍和喷粉步骤可以重复数次，直到围绕模型12形成壳体，该壳体由理想厚度的浸渍有粉浆的砂形成。

该壳体涂覆的模型12接下来加热以熔化，并从壳体内部清空模型12的低熔点材料，同时保留支撑杆20和分隔构件11。接下来，在较高温度的烘烤步骤中，对壳体进行烧结，从而加强耐火砂，由此形成模具1，支撑杆20和分隔构件11一体地保留在模具1中。

该铸造方法中使用的金属或金属合金在熔化时通过浇口杯5倒入模具1中，并通过进料通道8填充起动型腔10，选择通道9和模具型腔7。在使用在该方法中使用的金属合金之中，特别包括单晶镍合金，特别例如：SNECMA公司的AM1和AM3；以及其他合金，例如C-M集团的和General Electric的N6；Rolls Royce的RR2000和SRR99；以及Pratt&Whitney的PWA1480，1484和1487。表1显示了这些合金的组分。

表1：以重量百分比计的单晶镍合金组分

在浇注时，如图1所示，模具1保持在加热腔3中。此后，为了引起熔融金属逐步冷却，沿着主轴X从加热腔3中将支撑在冷却可移动支撑件2上的模具1向下提出。由于模具1通过它的基座6借由支撑件2冷却，熔融金属开始在起动型腔10中凝固，并且当模具1从加热腔3中逐渐向下提出时，凝固在模具1中基本上垂直向上地蔓延，如图3所示，凝固随着前沿50发生。由选择通道9及其挡板形状形成的阻气门确保最初在起动型腔10中播种的晶粒中只有一个能够继续延伸至模具型腔7。

如图4所示，在晶粒导管4的下端4a，金属的冷却凝固前沿50分叉，继续在模具型腔7的第一体积7a中前进，并且在晶粒导管4中前进。因此，该冷却凝固前沿50基本上同时接近模具型腔7的第一体积7a，第二体积7b和晶粒导管4的上端4b之间的界面。因此，由于晶粒导管4的上端4b和模具型腔7的第二体积的水平突起之间热传导，冷却凝固前沿50能够在第二体积7b中维持基本上垂直的前进方向，如图5所示，仿佛晶粒导管4的上端4b实际上和模具型腔7的第二体积连通一样。这样就避免第二体积7b中该前进方向的突然变化，该突然变化可能在模具型腔7的体积7a和7b之间的界面周围产生不需要的晶粒。

金属在模具1中冷却和凝固之后，可以敲空模具，从而释放金属部件，接下来可以通过机加工和/或表面处理方法对金属部件进行修整。通过晶粒导管4的上端4b和模具型腔7的第二体积7b之间的分离，模具的敲空和对部件的修整处理都变得明显更加容易，因为其足以打破金属部件和与晶粒导管相对应的金属枝杈之间的单一连接，从而将它们分开。

虽然参考特定实施方式对本发明进行了描述，但是很明显，在不超出本发明的由权利要求所限定的一般范围的情况下，可以做出不同修改和变化。此外，所提到的不同实施方式的各个特征可以在附加实施方式中结合。因此，说明书和附图应该理解为说明性的，而不是限制性的。

Claims (9)

1.一种单晶铸造模具(1)，其包括：

模具型腔(7)，该模具型腔包括：

第一体积(7a)；

第二体积(7b)，该第二体积位于所述第一体积(7a)上并与其连通，并具有相对于所述第一体积(7a)的至少一个水平突起；以及

晶粒导管(4)，该晶粒导管的下端(4a)与所述第一体积(7a)连接，上端(4b)邻近所述第二体积(7b)的所述水平突起；

所述模具(1)的特征在于其包括插入在所述模具型腔(7)的第二体积(7b)和所述晶粒导管(4)的上端(4b)之间的分隔构件(11)。

2.如权利要求1所述的模具(1)，其中所述晶粒导管(4)的上端(4b)的宽度和所述第二体积(7b)的所述水平突起相等。

3.如权利要求1所述的模具(1)，其中所述模具型腔(7)的第一体积(7a)对应于涡轮机叶片主体，所述模具型腔(7)的第二体积(7b)对应于涡轮机叶片平台。

4.如权利要求1所述的模具(1)，该模具在所述模具型腔(7)下面还具有起动型腔(10)，该起动型腔通过选择通道(9)与所述模具型腔(7)连接。

5.一种用于制造如权利要求1至4之一所述单晶铸造模具(1)的方法，该方法包括以下步骤：

制造模型(12)，该模型至少复制模具型腔(7)的形状；

用耐火材料涂覆所述模型(12)以至少形成所述模具型腔(7)；以及

至少清空所述模具型腔(7)。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述分隔构件(11)在涂覆步骤之前插入到所述模型(12)中。

7.如权利要求5所述的方法，其中所述模型(12)由熔化温度低于所述耐火材料的材料制成，并以液态从所述模具型腔(7)中清空。

8.如权利要求5所述的方法，其中所述涂覆步骤通过以下方式执行：将所述模型(12)浸入粉浆中，用耐火砂对所述模型进行喷粉，从而围绕所述模型(12)形成壳体，以及对所述壳体进行烧结以使其加强。

9.如权利要求1至4中任意一项所述的单晶铸造模具(1)的用途，该用途包括以下步骤：

将液态金属材料真空铸造到模具型腔(7)中；

使金属材料以定向方式从所述模具型腔(7)的底部朝顶部凝固；以及

敲空所述模具(1)，包括插入在所述模具型腔的第二体积(7b)和所述晶粒导管(4)的上端(4b)之间的分隔构件(11)。