CN107008883A - 铸造方法和制品 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了铸造方法和制品(100)，其中将熔融的第一材料(108)引入模具(200)中，所述模具(200)分配所述第一材料(108)以形成所述制品(100)的第一区域(102)，在其中使其经受适合生长第一晶粒结构的第一条件，形成所述制品(100)的第一区域(102)。将组成上与所述第一材料(108)不同的熔融的第二材料(110)引入所述模具(200)中以形成所述制品(100)的第二区域(104)。混杂材料(112)通过互混所述第二材料(110)的第一部分(500)与所述第一材料(108)的第二部分(302)形成。使所述第二材料(110)的第二部分(502)经受适合生长与所述第一晶粒结构不同的第二晶粒结构的第二条件，形成所述制品(100)的第二区域(104)。所述第一区域(102)和所述第二区域(104)与在其间形成的混杂区域(106)整体地形成为单一连续制品(100)。
Description
技术领域
本发明涉及制品和铸造制品的方法。更具体地讲，本发明涉及制品和铸造制品的方法，所述制品包含整体地形成为单一连续制品的具有两种不同晶粒结构的两种在组成上不同的材料。
背景技术
由于其γ’和各种几何约束，诸如镍基超合金和某些铝-钛合金的难焊接(HTW)的合金对γ’应变时效、液化(liquation)和热开裂敏感。当γ'相以大于约30%的体积分数存在时(这可能在铝或钛含量超过约3%时发生)，这些材料也难以连接。
这些HTW材料可结合到燃气涡轮发动机的部件如机翼、轮叶(静叶)、喷嘴(动叶)、罩壳、燃烧器、旋转涡轮机部件、轮、密封件、用HTW合金3D制造的部件和其他热气路径部件。在操作期间，由HTW形成的部件可经受导致部件的部分被磨损或损坏的操作条件。例如，诸如静叶(轮叶)的涡轮机机翼的尖端可随时间而磨损，降低涡轮机的效率。这种磨损的修复因HTW材料难以连接而削弱，使得标准修复技术困难。使用诸如激光熔覆(laser cladding)或常规热喷涂的热方法重建这类部件产生沉积的材料，该沉积的材料被高温削弱或裂化。硬焊技术并不适合，因为硬焊材料或元素结合到部件中，这可能不满足操作需求。
结合HTW材料的燃气涡轮机部件会比由其他材料形成的部件更昂贵，且某些HTW材料更难以焊接且比其他材料昂贵。由于通常优异的操作性质，可能需要结合这些HTW材料，特别是对于经受最极端条件和应力的部件的某些部分，但在修复具有HTW材料的燃气涡轮机部件中的困难可能导致部件由于损坏或缺陷而被废弃，而在由其他材料形成的部件中这些损坏或缺陷则是可修复的，这既浪费且成本高。然而，使得HTW材料难以修复的相同性质也使得HTW材料难以与其他较低廉且可更容易地修复的材料连接。
发明内容
在一个示例性实施方案中，用于形成制品的铸造方法包括将第一材料引入模具中。所述第一材料以熔融状态引入。将所述模具配置并布置以优先分配所述第一材料以形成所述制品的第一区域。第一材料经受适合生长第一晶粒结构的第一条件。第一晶粒结构由第一材料的第一部分生长，形成制品的第一区域，同时维持第一材料的第二部分处于熔融状态。将第二材料引入模具中以形成制品的第二区域。所述第二材料以熔融状态引入。第二材料在组成上与第一材料不同。混杂材料通过互混第二材料的第一部分与第一材料的第二部分而形成。第二材料的第二部分经受适合生长第二晶粒结构的第二条件。第二晶粒结构与第一晶粒结构不同。第二晶粒结构由第二材料的第二部分生长，形成制品的第二区域。第一区域和第二区域与由布置在第一区域和第二区域之间的混杂材料形成的混杂区域整体地形成为单一连续制品。
在另一示例性实施方案中，用于形成涡轮机部件的铸造方法包括将第一材料引入模具中。所述第一材料以熔融状态引入。将所述模具配置并布置以优先分配第一材料以形成所述涡轮机部件的第一区域。第一材料经受适于生长定向凝固的晶粒结构的第一条件。所述定向凝固的晶粒结构由第一材料的第一部分生长，形成制品的第一区域，同时维持第一材料的第二部分处于熔融状态。将第二材料引入所述模具中以形成涡轮机部件的应力降低的区域。所述第二材料以熔融状态引入。第二材料在组成上与第一材料不同。混杂材料通过互混第二材料的第一部分与第一材料的第二部分而形成。第二材料的第二部分经受适合生长等轴晶粒结构的第二条件。所述等轴晶粒结构由第二材料的第二部分生长，形成涡轮机部件的应力降低的区域。第一区域和应力降低的区域与由布置在第一区域和所述应力降低的区域之间的混杂材料形成的混杂区域整体地形成为单一连续制品。
在另一示例性实施方案中，制品包括第一区域、第二区域和布置在所述第一区域与所述第二区域之间的混杂区域。所述第一区域包含具有定向凝固的晶粒结构的第一材料。所述第二区域包含具有等轴晶粒结构的第二材料。第二材料在组成上与第一材料不同。所述混杂区域包含混杂材料，所述混杂材料包含互混的第一材料和第二材料。第一区域、第二区域和混杂区域整体地形成为单一连续制品。第一材料和第二材料中的至少一种选自HTW合金。
本发明提供了以下方面。
第1项. 形成制品的铸造方法，包括：
将第一材料引入模具中，所述第一材料以熔融状态引入，所述模具配置并布置成优先分配所述第一材料以形成所述制品的第一区域；
使所述第一材料经受适合生长第一晶粒结构的第一条件；
由所述第一材料的第一部分生长所述第一晶粒结构，形成所述制品的第一区域，同时维持所述第一材料的第二部分处于熔融状态；
将第二材料引入所述模具中以形成所述制品的第二区域，所述第二材料以熔融状态引入，所述第二材料在组成上与所述第一材料不同；
通过互混所述第二材料的第一部分与所述第一材料的第二部分形成混杂材料；
使所述第二材料的第二部分经受适合生长第二晶粒结构的第二条件，所述第二晶粒结构与所述第一晶粒结构不同；和
由所述第二材料的第二部分生长所述第二晶粒结构，形成所述制品的第二区域，所述第一区域和所述第二区域与由所述混杂材料形成且布置在所述第一区域和所述第二区域之间的混杂区域整体地形成为单一连续制品。
第2项. 第1项的铸造方法，其中引入所述第一材料和所述第二材料中的至少一种包括引入至少一种难焊接的(HTW)合金。
第3项. 第2项的铸造方法，其中引入所述第一材料和所述第二材料包括引入René108和GTD 262。
第4项. 第1项的铸造方法，其中形成所述第一区域和所述第二区域包括形成应力降低的区域。
第5项. 第1项的铸造方法，其中生长所述第一晶粒结构和所述第二晶粒结构包括生长定向凝固的晶粒结构和等轴晶粒结构。
第6项. 第1项的铸造方法，其中形成所述制品包括形成涡轮机部件。
第7项. 第6项的铸造方法，其中形成所述涡轮机部件包括形成喷嘴(动叶)和轮叶(静叶)中的至少一种。
第8项. 形成涡轮机部件的铸造方法，包括：
将第一材料引入模具中，所述第一材料以熔融状态引入，所述模具配置并布置成优先分配所述第一材料以形成所述涡轮机部件的第一区域；
使所述第一材料经受适合生长定向凝固的晶粒结构的第一条件；
由所述第一材料的第一部分生长所述定向凝固的晶粒结构，形成所述涡轮机部件的第一区域，同时维持所述第一材料的第二部分处于熔融状态；
将第二材料引入所述模具中以形成所述涡轮机部件的应力降低的区域，所述第二材料以熔融状态引入，所述第二材料在组成上与所述第一材料不同；
通过互混所述第二材料的第一部分与所述第一材料的第二部分形成混杂材料；
使所述第二材料的第二部分经受适合生长等轴晶粒结构的第二条件；和
由所述第二材料的第二部分生长所述等轴晶粒结构，形成所述涡轮机部件的应力降低的区域，所述第一区域和所述应力降低的区域与由所述混杂材料形成且布置在所述第一区域和所述应力降低的区域之间的混杂区域整体地形成为单一连续制品。
第9项. 第8项的铸造方法，其中引入所述第一材料和所述第二材料中的至少一种包括引入至少一种难焊接的(HTW)合金。
第10项. 第9项的铸造方法，其中引入所述第一材料包括引入René 108、GTD 111、GTD 444、René N2和Inconel 738中的至少一种。
第11项. 第9项的铸造方法，其中引入所述第二材料包括引入GTD 262、GTD 222和GTD 241中的至少一种。
第12项. 第8项的铸造方法，其中形成所述涡轮机部件包括形成喷嘴(动叶)和轮叶(静叶)中的至少一种。
第13项. 第12项的铸造方法，其中形成所述第一区域包括形成所述喷嘴(动叶)或轮叶(静叶)的外壁和邻近于所述喷嘴(动叶)或轮叶(静叶)的外壁的喷嘴(动叶)或轮叶(静叶)的前缘。
第14项. 第8项的铸造方法，其中，与由具有所述等轴晶粒结构的第一材料形成的对照性第一区域相比，由具有所述定向凝固的晶粒结构的所述第一材料形成所述涡轮机部件的第一区域在操作条件下产生开裂敏感性降低的性质。
第15项. 第14项的铸造方法，其中产生开裂敏感性降低的性质包括增加抗蠕变性、增加抗疲劳性和增加所述涡轮机部件的操作寿命中的至少一种。
第16项. 制品，包括：
包含具有定向凝固的晶粒结构的第一材料的第一区域；
包含具有等轴晶粒结构的第二材料的第二区域，所述第二材料在组成上与所述第一材料不同；和
布置在所述第一区域和所述第二区域之间的混杂区域，所述混杂区域包含混杂材料，所述混杂材料包括互混的第一材料和第二材料，
所述第一区域、所述第二区域和所述混杂区域整体地形成为单一连续制品，
其中所述第一材料和所述第二材料中的至少一种选自难焊接的(HTW)合金。
第17项. 第16项的制品，其中所述第一材料选自René 108、GTD 111、GTD 444、René N2和Inconel 738中的至少一种，且所述第二材料选自GTD 262、GTD 222和GTD 241中的至少一种。
第18项. 第16项的制品，其中所述制品为涡轮机部件。
第19项. 第16项的制品，其中所述第二区域为应力降低的区域，且与由具有所述等轴晶粒结构的所述第一材料形成的对照性第一区域相比，具有所述定向凝固的晶粒结构的所述第一区域的第一材料在操作条件下具有开裂敏感性降低的性质。
第20项. 第16项的制品，其中所述制品包括一定的体积，且所述第一区域构成所述制品的体积的至多约60%。
结合举例说明本发明的原理的附图，本发明的其他特点和优点将从优选实施方案的以下更详细的描述显而易见。
附图说明
图1为具有根据本公开的一个实施方案的制品的制品的一部分的透视图；
图2为根据本公开的一个实施方案已经向其中引入熔融第一材料的模具的示意图；
图3为根据本公开的一个实施方案在由第一材料的第一部分生长第一晶粒结构之后图2的模具的示意图；
图4为根据本公开的一个实施方案向其中已经引入熔融的第二材料的图3的模具的示意图；
图5为根据本公开的一个实施方案在由第二材料的第二部分生长第二晶粒结构之后图4的模具的示意图；
在可能的地方，相同参考数字将贯穿附图使用以代表相同部分。
具体实施方式
提供示例性铸造方法和制品。与不利用本文公开的一个或多个特征的方法相比，本公开的实施方案减少了成本，增加了可修复性，增加了抗蠕变性，增加了抗疲劳性，增加了性能，改善了部件寿命，降低了寿命周期成本，减少了废物，增加了保养周期(serviceinterval)，增加材料能力(capability)，改善了机械性质，改善了高温性能，增加了焊接性或其组合。
参考图1，在一个实施方案中，制品100包含第一区域102、第二区域104和布置在第一区域102与第二区域104之间的混杂区域106。第一区域102包含第一材料108。第二区域104包含第二材料110。第二材料110在组成上与第一材料108不同。混杂区域106包含混杂材料112。混杂材料112包含互混的第一材料108和第二材料110。第一区域102、第二区域104和混杂区域106整体地形成为单一连续制品100。在一个供选的实施方案(未示出)中，在制品100中第一区域102和第一材料108与第二区域104和第二材料110在位置上交换。第一区域102和第一材料108可定位于制品100的任何合适区中，且第二区域104和第二材料110可定位于制品100的任何其他合适区中，条件是包含混杂材料112的混杂区域106布置在第一区域102与第二区域104之间。
在一个实施方案中，制品100为涡轮机部件114。涡轮机部件114可为任何合适涡轮机部件114，包括但不限于以下部件中的至少一种，机翼、喷嘴(动叶)(示出)、轮叶(静叶)、罩壳、燃烧燃料喷嘴、热气路径部件、燃烧器、燃烧过渡件、燃烧衬套、密封件、转动部件、轮和盘。在另一实施方案(示出)中，第一区域102包括喷嘴(动叶)或(静叶)的外壁116和邻近于喷嘴(动叶)或轮叶(静叶)的外壁116的喷嘴(动叶)或轮叶(静叶)的前缘118。在另一供选的实施方案(未示出)中，第二区域104包括喷嘴(动叶)或(静叶)的外壁116和邻近于喷嘴(动叶)或轮叶(静叶)的外壁116的喷嘴(动叶)或轮叶(静叶)的前缘118。
在一个实施方案(示出)中，第一材料108包含定向凝固的晶粒结构，且第二材料110包含等轴晶粒结构。第一材料108可构成制品100的体积的至多约70%，供选地至多约60%，供选地至多约50%，供选地至多约40%，供选地至多约30%，供选地约15%-约75%，供选地约30%-约60%。在另一实施方案中，第二区域104为应力降低的区域，且与由具有等轴晶粒结构的第一材料108形成的对照性第一区域102相比，具有定向凝固晶粒结构的第一区域102的第一材料108包括在操作条件下开裂敏感性降低的性质。如本文所用，“应力降低的区域”是指相对于另一区域而言在操作条件下经受降低的致开裂应力的制品100的区域。
在一个供选的实施方案(未示出)中，第一材料108包含等轴晶粒结构，且第二材料110包含定向凝固的晶粒结构。第二材料110可构成制品100的体积的至多约70%，供选地至多约60%，供选地至多约50%，供选地至多约40%，供选地至多约30%，供选地约15%-约75%，供选地约30%-约60%。在另一实施方案中，第一区域102为应力降低的区域，且与由具有等轴晶粒结构的第二材料110形成的对照性第二区域104相比，具有定向凝固晶粒结构的第二区域104的第二材料110包括在操作条件下开裂敏感性降低的性质。
开裂敏感性降低的性质可包括任何合适性质，包括但不限于增加抗蠕变性、增加抗疲劳性、增加涡轮机部件的操作寿命或其组合。
在一个实施方案中，第一材料108和第二材料110中的至少一种为HTW合金。如本文所用，“HTW合金”为表现出液化、热和应变时效开裂且因此对于焊接不实用的合金。在另一实施方案中，所述HTW合金为超合金。在又一实施方案中，所述HTW合金为镍基超合金或铝-钛超合金。HTW合金包括但不限于René 108、GTD 111、GTD 444、René N2和Inconel 738。
在一个实施方案(示出)中，第一材料108为任何合适材料，包括但不限于René108、GTD 111、GTD 444、René N2和Inconel 738中的至少一种，且第二材料110为任何合适材料，包括但不限于GTD 262、GTD 222和GTD 241中的至少一种。在一个供选的实施方案(未示出)中，第一材料108为任何合适材料，包括但不限于GTD 262、GTD 222和GTD 241中的至少一种，且第二材料110为任何合适材料，包括但不限于René 108、GTD 111、GTD 444、RenéN2和Inconel 738中的至少一种。
如本文所用，“GTD 111”是指包含如下组成的合金：按重量计约14%铬、约9.5%钴、约3.8%钨、约4.9%钛、约3%铝、约0.1%铁、约2.8%钽、约1.6%钼、约0.1%碳和余量的镍。
如本文所用，“GTD 222”是指包含如下组成的合金：按重量计约23.5%铬、约19%钴、约2%钨、约0.8%铌、约2.3%钛、约1.2%铝、约1%钽、约0.25%硅、约0.1%锰和余量的镍。
如本文所用，“GTD 241”是指包含如下组成的合金：按重量计约22.5%铬、约19%钴、约2%钨、约1.35%铌、约2.3%钛、约1.2%铝、约0.1%碳和余量的镍。
如本文所用，“GTD 262”是指包含如下组成的合金：按重量计约22.5%铬、约19%钴、约2%钨、约1.35%铌、约2.3%钛、约1.7%铝、约0.1%碳和余量的镍。
如本文所用，“GTD 444”是指包含如下组成的合金：按重量计约7.5%钴、约0.2%铁、约9.75%铬、约4.2%铝、约3.5%钛、约4.8%钽、约6%钨、约1.5%钼、约0.5%铌、约0.2%硅、约0.15%铪和余量的镍。
如本文所用，“INCONEL 738”是指包含如下组成的合金：按重量计约0.17%碳、约16%铬、约8.5%钴、约1.75%钼、约2.6%钨、约3.4%钛、约3.4%铝、约0.1%锆、约2%铌和余量的镍。
如本文所用，“René N2”是指包含以下组成的合金：按重量计约7.5%钴、约13%铬、约6.6%铝、约5%钽、约3.8%钨、约1.6%铼、约0.15%铪和余量的镍。
如本文所用，“René 108”是指包含以下组成的合金：按重量计约8.4%钴、约9.5%铬、约5.5%铝、约0.7%钛、约9.5%钨、约0.5%钼、约3%钽、约1.5%铪和余量的镍。
参考图2，在一个实施方案中，用于形成制品100的铸造方法包括将第一材料108引入模具200中。模具200可通过包括但不限于烘箱202的任何合适的加热装置加热。模具200也可邻近于诸如但不限于急冷板204的冷却设备布置或连接到到诸如但不限于冷凝板204的冷却设备。第一材料108可以熔融状态引入。将模具200配置并布置以优先分配第一材料108以形成制品100的第一区域102。
参考图3，在一个实施方案中，以熔融状态布置在模具200中的第一材料108经受适合生长第一晶粒结构的第一条件。第一晶粒结构由第一材料的第一部分300生长，形成制品的第一区域102，同时维持第一材料108的第二部分302处于熔融状态。在一个实施方案(示出)中，第一晶粒结构为定向凝固的晶粒结构。在一个供选的实施方案(未示出)中，第一晶粒结构为等轴晶粒结构。
参考图4，在一个实施方案中，将第二材料110引入模具200中，所述模具具有具有第一晶粒结构的第一材料108的第一部分300和维持处于熔融状态的第一材料108的第二部分302，从而形成制品100的第二区域104。第二材料110以熔融状态引入。
参考图5，在一个实施方案中，混杂材料112通过互混第二材料110的第一部分500与第一材料108的第二部分302形成。第二材料110的第二部分502经受适合生长第二晶粒结构的第二条件。第二晶粒结构与第一晶粒结构不同。第二晶粒结构由第二材料110的第二部分502生长，形成制品100的第二区域104。第一区域102和第二区域104与布置在第一区域102和第二区域104之间的混杂区域106整体地形成为单一连续制品100。在一个实施方案(示出)中，第二晶粒结构为等轴晶粒结构。在一个供选的实施方案(未示出)中，第二晶粒结构为定向凝固的晶粒结构。
虽然已经参考了优选的实施方案描述了本发明，但本领域技术人员应当理解的是，在不偏离本发明的范围的情况下可进行多种改变且可用等价物替代其要素。另外，可在不脱离本发明的基本范围的情况下进行许多修改以适应本发明的教导的特定情形或材料。因此，并非想要将本发明限制于作为针对实施本发明所考虑的最佳模式公开的特定实施方案，而是本发明将包括落入随附权利要求书范围内的所有实施方案。
Claims (10)
1.形成制品(100)的铸造方法，包括：
将第一材料(108)引入模具(200)中，所述第一材料(108)以熔融状态引入，所述模具(200)配置并布置成优先分配所述第一材料(108)以形成所述制品(100)的第一区域(102)；
使所述第一材料(108)经受适合生长第一晶粒结构的第一条件；
由所述第一材料(108)的第一部分(300)生长所述第一晶粒结构，形成所述制品(100)的第一区域(102)，同时维持所述第一材料(108)的第二部分(302)处于熔融状态；
将第二材料(110)引入所述模具(200)中以形成所述制品(100)的第二区域(104)，所述第二材料(110)以熔融状态引入，所述第二材料(110)在组成上与所述第一材料(108)不同；
通过互混所述第二材料(110)的第一部分(500)与所述第一材料(108)的第二部分(302)形成混杂材料(112)；
使所述第二材料(110)的第二部分(502)经受适合生长第二晶粒结构的第二条件，所述第二晶粒结构与所述第一晶粒结构不同；和
由所述第二材料(110)的第二部分(502)生长所述第二晶粒结构，形成所述制品(100)的第二区域(104)，所述第一区域(102)和所述第二区域(104)与由所述混杂材料(112)形成且布置在所述第一区域(102)和所述第二区域(104)之间的混杂区域(106)整体地形成为单一连续制品(100)。
2.权利要求1的铸造方法，其中引入所述第一材料(108)和所述第二材料(110)中的至少一种包括引入至少一种难焊接的(HTW)合金。
3. 权利要求2的铸造方法，其中引入所述第一材料(108)和所述第二材料(110)包括引入René 108和GTD 262。
4.权利要求1的铸造方法，其中生长所述第一晶粒结构和所述第二晶粒结构包括生长定向凝固的晶粒结构和等轴晶粒结构。
5.形成涡轮机部件(114)的铸造方法，包括：
将第一材料(108)引入模具(200)中，所述第一材料(108)以熔融状态引入，所述模具(200)配置并布置成优先分配所述第一材料(108)以形成所述涡轮机部件(114)的第一区域(102)；
使所述第一材料(108)经受适合生长定向凝固的晶粒结构的第一条件；
由所述第一材料(108)的第一部分(300)生长所述定向凝固的晶粒结构，形成所述涡轮机部件(114)的第一区域(102)，同时维持所述第一材料(108)的第二部分(302)处于熔融状态；
将第二材料(110)引入所述模具(200)中以形成所述涡轮机部件(114)的应力降低的区域(104)，所述第二材料(110)以熔融状态引入，所述第二材料(110)在组成上与所述第一材料(108)不同；
通过互混所述第二材料(110)的第一部分(500)与所述第一材料(108)的第二部分(302)形成混杂材料(112)；
使所述第二材料(110)的第二部分(502)经受适合生长等轴晶粒结构的第二条件；和
由所述第二材料的第二部分生长所述等轴晶粒结构，形成所述涡轮机部件(114)的应力降低的区域(104)，所述第一区域(102)和所述应力降低的区域(104)与由所述混杂材料(112)形成且布置在所述第一区域(102)和所述应力降低的区域(104)之间的混杂区域(106)整体地形成为单一连续制品(100)。
6. 权利要求5的铸造方法，其中引入所述第一材料(108)包括引入René 108、GTD 111、GTD 444、René N2和Inconel 738中的至少一种。
7. 权利要求5的铸造方法，其中引入所述第二材料(110)包括引入GTD 262、GTD 222和GTD 241中的至少一种。
8.制品(100)，包括：
包含具有定向凝固的晶粒结构的第一材料(108)的第一区域(102)；
包含具有等轴晶粒结构的第二材料(110)的第二区域(104)，所述第二材料(110)在组成上与所述第一材料(108)不同；和
布置在所述第一区域(102)和所述第二区域(104)之间的混杂区域(106)，所述混杂区域(106)包含混杂材料(112)，所述混杂材料(112)包括互混的第一材料(108)和第二材料(110)，
所述第一区域(102)、所述第二区域(104)和所述混杂区域(106)整体地形成为单一连续制品(100)，
其中所述第一材料(108)和所述第二材料(110)中的至少一种选自难焊接的(HTW)合金。
9. 权利要求8的制品(100)，其中所述第一材料(108)选自René 108、GTD 111、GTD444、René N2和Inconel 738中的至少一种，且所述第二材料(110)选自GTD 262、GTD 222和GTD 241中的至少一种。
10.权利要求8的制品(100)，其中所述制品(100)包括一定的体积，且所述第一区域(102)构成所述制品(100)的体积的至多约60%。
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