CN107127346B - 使用热等静压围绕第一金属构件形成第二金属构件的铸造 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及使用热等静压围绕第一金属构件形成第二金属构件的铸造。具体地，本公开内容主要涉及铸造模具，其包括围绕铸造核心的至少一部分的铸造壳体，该铸造核心包括第一金属构件和围绕第一金属构件的热等静压的第二金属构件。在一个方面，第一金属构件相比于第二金属构件可具有较低的熔点。在另一方面，第二金属构件可保持某一金属粉末晶粒结构。

Description

使用热等静压围绕第一金属构件形成第二金属构件的铸造
技术领域
本公开内容主要涉及铸造核心（core）构件和采用这些核心构件的工艺方法。本发明的核心构件可包括使用热等静压围绕第一金属构件形成的第二金属构件。相比于第二金属构件，第一金属构件可包括较低熔点的金属。第一金属构件和第二金属构件提供在铸造操作中（例如在用来制作用于喷气式航空发动机的涡轮叶片或动力生成涡轮构件的超级合金的铸造中）的有用性能。
背景技术
许多现代的发动机以及下一代的涡轮发动机要求构件和部件具有错综复杂的几何形状，其需要新型的材料和制造技术。用于制造发动机部件和构件的常规技术涉及费力的熔模或失蜡铸造的工艺方法。熔模铸造的一个实例涉及在燃气涡轮发动机中使用的典型转子叶片的制造。涡轮叶片典型地包括中空的翼型件，其具有沿着叶片的跨距延伸的径向通道，这些径向通道具有一个或更多个入口用于在发动机中的操作期间接收加压的冷却空气。在叶片中的各种冷却通路中，包括设置在翼型件的中间位于前缘和后缘之间的曲折通道。翼型件典型地包括延伸穿过叶片以便接收加压冷却空气的入口，其包括局部特征结构例如短的紊流器肋或销以便增大在翼型件的加热侧壁和内部冷却空气之间的热传递。
这些涡轮叶片（典型地由高强度、超级合金金属材料形成）的制造涉及众多的步骤。首先，精密陶瓷核心制造成适形于在涡轮叶片内期望的复杂冷却通路。此外，生成精密铸模（die）或模具（mold），其限定涡轮叶片的精确的3D外表面，包括其翼型件、平台以及一体的榫接部。陶瓷核心组装在两个铸模半部内，这两个铸模半部在二者之间形成限定叶片的最终所得金属部分的空间或空隙。蜡注入到组装的铸模中以填充空隙并且围绕封装在其中的陶瓷核心。这两个铸模半部分离开来并且从模制蜡移除。模制蜡具有期望叶片的精确构造并且然后涂覆有陶瓷材料以形成围绕的陶瓷壳体（shell）。然后，蜡熔化并且从壳体移除，从而在陶瓷壳体和内部陶瓷核心之间留下对应的空隙或空间。熔化的超级合金金属然后灌注到壳体中以填充其中的空隙并且再次封装容纳在壳体中的陶瓷核心。熔化的金属经冷却并且固化，且然后外部壳体和内部核心适合地移除，从而留下在其中存在内部冷却通路的期望金属涡轮叶片。
铸造的涡轮叶片然后可经历附加的后铸造修正，例如但不限于根据需要穿过翼型件的侧壁钻取适合的成列膜冷却孔以便提供用于在内部导送的冷却空气的出口，该冷却空气然后在燃气涡轮发动机中的操作期间在翼型件的外表面上形成保护性的冷却空气膜或敷层（blanket）。然而，这些后铸造修正是受限制的，并且假定涡轮发动机的复杂性不断提高并且认识到涡轮叶片内的某些冷却回路的效率，需要对于更为错综复杂的内部几何形状的要求。尽管熔模铸造能够制造这些部件，但位置精度和复杂的内部几何形状使得采用这些常规制造工艺方法来制造变得更为复杂。因此，期望提供一种用于具有复杂内部空隙的三维构件的改进的铸造方法。
使用利用难熔金属和陶瓷铸造构件的组合的混合核心构件的精密金属铸造在本领域是已知的。混合核心已制成为包括难熔金属和陶瓷材料的部分。例如，参见名称为“混合核心的加成制造”的US2013/0266816。在该申请中揭示的用于制造混合核心的技术采用常规的粉末床技术。尽管混合核心例如在用于喷气式航空发动机的涡轮叶片的铸造中提供了对于铸造超级合金的附加灵活性，但仍然需要更加先进的熔模铸造核心技术。
发明内容
本发明涉及一种新颖的铸造模具，其包括围绕铸造核心的至少一部分的铸造壳体，该铸造核心包括第一金属构件和围绕第一金属构件的热等静压的第二金属构件。在一个方面，第一金属构件相比于第二金属构件可具有较低的熔点。在另一方面，第二金属构件可保持某一金属粉末晶粒结构。
在一个实施例中，第一金属构件（例如，非难熔金属构件）可包括铝、铜、银和/或金以及第二金属构件（例如，难熔金属构件）可包括钼、铌、钽和/或钨。第一金属构件和/或第二金属构件中的任一者可包括合金。
第一金属构件和/或第二金属构件中的一个或更多个可适于限定在铸造构件冷却孔、后缘冷却通道，或者在其它结构中的微通道内。第一金属构件和/或第二金属构件还可适于提供核心支承结构、平台核心结构，或者顶端标志结构。第一金属构件和/或第二金属构件中的若干金属构件可在单一铸造核心中使用，或者可单独地使用或结合陶瓷铸造核心组件中的其它铸造构件使用。
本发明还涉及制作铸造构件的方法，该方法包括添加金属粉末至铸造壳体的内部空间，其中，金属粉末围绕定位在铸造壳体的内部空间中的第一金属构件的至少一部分；使金属粉末经受热等静压以将该粉末压实到第二金属构件中；以及从第二金属构件移除铸造壳体和第一金属构件。在一个方面，第一金属构件相比于第二金属构件可具有较低的熔点。
在另一方面，第一金属构件和第二金属构件可组装在模具和/或壳体内并且陶瓷浆料可被引入以生成铸造核心。
在示范性实施例中，铸造壳体或第一金属构件中的至少一者可通过在叠层（layer-by-layer）的基础上附加地形成该铸造壳体或第一金属构件中的至少一者来形成，包括步骤：（a）经由辐照粘合剂注入压实，和/或烧结粉末床中的粉末层以形成熔融/烧结区域；（b）提供后续粉末层在粉末床上；以及（c）使用对应于至少铸造壳体或第一金属构件的至少两种不同的粉末组成物以形成铸造核心的至少一部分来重复步骤（a）和（b）。
具体地，本发明提供了如下技术方案。
技术方案1. 一种铸造模具，包括：
铸造壳体(104)，所述铸造壳体围绕铸造核心(102,110)的至少一部分，所述铸造核心包括第一金属构件(102)和围绕所述第一金属构件的热等静压的第二金属构件(110)；
其中，所述第一金属构件相比于所述第二金属构件具有较低的熔点以及所述第二金属构件保持某一金属粉末晶粒结构。
技术方案2. 根据技术方案1所述的铸造模具，其特征在于，所述第一金属构件包括铝、铝合金、镍、镍合金、铜、铜合金、金、金合金、银、或银合金中的至少一种。
技术方案3. 根据技术方案1或2中任一项所述的铸造模具，其特征在于，所述第二金属构件包括钨、钨合金、钼，或钼合金。
技术方案4. 根据技术方案1至3中任一项所述的铸造模具，其特征在于，所述铸造壳体包括陶瓷。
技术方案5. 根据技术方案1至4中任一项所述的铸造模具，其特征在于，所述铸造壳体或所述第一金属构件中的至少一者在叠层的基础上形成。
技术方案6.一种制作铸造构件的方法，包括：
(a)添加金属粉末(106)至铸造壳体(104)的内部空间，其中，所述金属粉末围绕定位在所述铸造壳体的内部空间中的第一金属构件(102)的至少一部分；
(b)使所述金属粉末遭受热等静压(108)以将所述粉末压实成第二金属构件(110)；以及
(c)从所述第二金属构件移除所述铸造壳体和所述第一金属构件；
其中，所述第一金属构件相比于所述第二金属构件具有较低的熔点。
技术方案7. 根据技术方案6所述的方法，其特征在于，所述第一金属构件包括铝、铝合金、镍、镍合金、铜、铜合金、金、金合金、银、或银合金中的至少一种。
技术方案8. 根据技术方案6或7中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二金属构件包括钨、钨合金、钼，或钼合金。
技术方案9. 根据技术方案6至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述铸造壳体包括陶瓷。
技术方案10. 根据技术方案6至9中任一项所述的方法，其特征在于，移除所述铸造壳体包括破裂。
技术方案11. 根据技术方案6至10中任一项所述的方法，其特征在于，移除所述第一金属构件包括熔化。
技术方案12. 根据技术方案6至11中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括通过在叠层的基础上附加地形成所述铸造壳体或所述第一金属构件中的至少一者来形成所述铸造壳体或第一金属构件中的所述至少一者，包括步骤：
（d）辐照粉末床中的粉末层以形成熔融区域；
（e）提供后续粉末层在所述粉末床上；以及
（f）使用对应于至少所述铸造壳体或所述第一金属构件的至少两种不同的粉末组成物以形成所述铸造核心的至少一部分来重复步骤（d）和（e）。
此外，本发明还提供了如下实施方案。
实施方案1. 一种铸造模具，包括：
铸造壳体，所述铸造壳体围绕铸造核心的至少一部分，所述铸造核心包括第一金属构件和围绕所述第一金属构件的热等静压的第二金属构件；
其中，所述第一金属构件相比于所述第二金属构件具有较低的熔点以及所述第二金属构件保持某一金属粉末晶粒结构。
实施方案2. 根据实施方案1所述的铸造模具，其特征在于，所述第一金属构件包括铝、镍、铜、金或银中的至少一种。
实施方案3. 根据实施方案1所述的铸造模具，其特征在于，所述第一金属构件包括合金。
实施方案4. 根据实施方案1所述的铸造模具，其特征在于，所述第二金属构件包括钨或钨合金。
实施方案5. 根据实施方案1所述的铸造模具，其特征在于，所述第二金属构件包括钼或钼合金。
实施方案6. 根据实施方案1所述的铸造模具，其特征在于，所述铸造壳体包括陶瓷。
实施方案7. 根据实施方案1所述的铸造模具，其特征在于，所述铸造壳体或所述第一金属构件中的至少一者在叠层的基础上形成。
实施方案8.一种制作铸造构件的方法，包括：
添加金属粉末至铸造壳体的内部空间，其中，所述金属粉末围绕定位在所述铸造壳体的内部空间中的第一金属构件的至少一部分；
使所述金属粉末遭受热等静压以将所述粉末压实成第二金属构件；以及
从所述第二金属构件移除所述铸造壳体和所述第一金属构件；
其中，所述第一金属构件相比于所述第二金属构件具有较低的熔点。
实施方案9. 根据实施方案8所述的方法，其特征在于，所述第一金属构件包括铝、镍、铜、金或银中的至少一种。
实施方案10. 根据实施方案9所述的方法，其特征在于，所述第一金属构件包括合金。
实施方案11. 根据实施方案8所述的方法，其特征在于，所述第二金属构件包括钨或钨合金。
实施方案12. 根据实施方案8所述的方法，其特征在于，所述第二金属构件包括钼或钼合金。
实施方案13. 根据实施方案8所述的方法，其特征在于，所述铸造壳体包括陶瓷。
实施方案14. 根据实施方案8所述的方法，其特征在于，移除所述铸造壳体包括破裂。
实施方案15. 根据实施方案8所述的方法，其特征在于，移除所述第一金属构件包括熔化。
实施方案16. 根据实施方案8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括通过在叠层的基础上附加地形成铸造壳体或第一金属构件中的至少一者来形成所述铸造壳体或第一金属构件中的所述至少一者，包括步骤：
（a）辐照粉末床中的粉末层以形成熔融区域；
（b）提供后续粉末层在所述粉末床上；以及
（c）使用对应于至少所述铸造壳体或所述第一金属构件的至少两种不同的粉末组成物以形成所述铸造核心的至少一部分来重复步骤（a）和（b）。
附图说明
图1显示根据本发明的实施例的形成铸造构件的方法。
图2显示根据本发明的实施例的形成铸造构件的方法。
图3显示根据本发明的实施例的形成铸造构件的方法。
图4显示根据本发明的实施例的形成铸造构件的方法。
图5显示根据本发明的实施例的形成铸造构件的方法。
图6显示根据本发明的实施例的形成铸造构件的方法。
图7显示具有可结合本发明使用的变化几何形状的铸造壳体。
具体实施方式
下文结合附图阐述的详细描述意图作为对各种构造的描述而非旨在代表文中所述概念可按其实施的仅有构造。详细描述包括为了对各种概念提供全面理解的具体细节。然而，本领域技术人员将清楚的是，这些概念可在没有这些具体细节的情况下予以实施。
参看附图，其中同样的参考标号贯穿各个视图表示相同元件，图1至图6显示根据本公开内容的某些方面的形成铸造构件110的方法100。
如图1中所示，第一金属构件102可在形成铸造构件110的方法100中使用。第一金属构件102可包括低熔点金属和/或合金，包括但不限于铝、镍、铜、金和/或银，或者它们的组合或合金。此外，第一金属构件102可包括不是难熔金属的金属。然而，第一金属构件102相比于第二金属构件110可包括具有较低熔点的任何金属。在示范性实施例中，第一金属构件102可使用加成制造技术形成以产生期望和/或复杂的形状。
参看图2，铸造壳体104可围绕第一金属构件102形成。在一个方面，铸造壳体104可包括陶瓷。尽管铸造壳体104显示为具有图2中的U形，但本领域普通技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下铸造壳体104可根据铸造构件110的期望形状来采用任何形状和/或设计。例如，在图7中显示具有更为复杂设计的铸造壳体200。
在示范性实施例中，铸造壳体或第一金属构件中的至少一者可通过在叠层的基础上附加地形成该铸造壳体或第一金属构件中的至少一者来形成，包括步骤：（a）辐照粉末床中的粉末层以形成熔融/烧结区域；（b）提供后续粉末层在粉末床上；以及（c）使用对应于至少铸造壳体或第一金属构件的至少两种不同的粉末组成物以形成铸造核心的至少一部分来重复步骤（a）和（b）。
金属粉末106可添加至铸造壳体104的内部空间，使得第一金属构件102的至少一部分由金属粉末106围绕，如图3中所示。在一个方面，金属粉末106可包括但不限于钼、铌、钽和/或钨，或者它们的组合或合金中的至少一种。然而，金属粉末106可在不脱离本发明范围的情况下包括相比于第一金属构件102具有更高熔点的任何金属粉末。
在一个方面，金属粉末106可遭受升高的温度108和压力108（例如，等静压力）以将金属粉末106压实成第二金属构件110，如图4中所示。在示范性实施例中，包括第一金属构件102和金属粉末106的铸造壳体104可放置在封闭容器（未示出）中。封闭容器可经加热而使得封闭容器内的压力升高。另外，惰性气体（举例而言，例如氩气）可泵送到封闭容器中以获得期望的压力水平。例如，压力可根据待压实的金属而升高至50MPa至350MPa之间。此外，封闭容器内的温度可根据待压实的金属粉末而升高至450°C至1400°ºC之间。
通过使用热等静压来形成第二金属构件110，第二金属构件110可形成有特定的结构/物理性能，其不同于未使用热等静压所形成的金属构件的结构性能。例如，使用热等静压所形成的金属构件相比于使用其它工艺方法所形成的金属构件可具有较少的内部空隙和/或降低的微孔性。此外，金属构件的结构性能也可通过使用热等静压来改善。例如，第二金属构件110的抗疲劳性可通过使用热等静压的成型来改善。
参看图5，一旦金属粉末106压实成第二金属构件110，则铸造壳体104可从第一金属构件102和第二金属构件110移除。例如，铸造壳体104可通过破裂（或裂开，breaking）来移除。
参看图6，第一金属构件102可通过使第一金属构件102熔化来移除。在示范性实施例中，第一金属构件102可选择成使得其熔点低于第二金属构件110的熔点。这样，第一金属构件102可熔化而不使第二金属构件110熔化和/或对其造成损坏。
在上述实例中，第一金属构件102用作一次性的图案材料，类似于用于形成涡轮叶片的失蜡工艺方法中的蜡。此外，第一金属构件102可在失蜡工艺方法中结合第二金属构件110使用。在这种情况下，两种金属都形成铸造核心的一部分。铸造核心然后被围绕在蜡中且然后被围绕在陶瓷壳体中。蜡被移除且此外在用于移除蜡的相同或不同的加热步骤中，第一金属构件102经熔化脱离。第一金属构件102可用作铸造工艺方法中的浇口（gate）材料，其提供用于后续模制材料在熔化脱离后的通路。
本书面描述采用实例来公开包括优选实施例的本发明，并且还使得本领域普通技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何所并入的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果此类其它实例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件或者如果此类其它实例包括与权利要求的字面语言并无实质差异的同等结构元件，则认为它们处在权利要求的范围内。根据所述各种实施例的方面以及对于每一此种方面的其它已知等同物可由本领域普通技术人员混合和匹配以根据本申请的原理构成附加的实施例和技术。

Claims (9)

1.一种铸造模具，包括：
铸造壳体(104)，所述铸造壳体围绕铸造核心(102,110)的至少一部分，所述铸造核心包括第一金属构件(102)和围绕所述第一金属构件的热等静压的第二金属构件(110)；
其中，所述第一金属构件相比于所述第二金属构件具有较低的熔点以及所述第二金属构件保持某一金属粉末晶粒结构，且其中所述第一金属构件(102)能够借助于熔化移除，其中所述第一金属构件包括铝、铝合金、镍、镍合金、铜、铜合金、金、金合金、银、或银合金中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的铸造模具，其特征在于，所述第二金属构件包括钨、钨合金、钼，或钼合金。
3.根据权利要求1或2所述的铸造模具，其特征在于，所述铸造壳体包括陶瓷。
4.根据权利要求1或2所述的铸造模具，其特征在于，所述铸造壳体或所述第一金属构件中的至少一者在叠层的基础上形成。
5.一种制作铸造核心构件的方法，包括：
(a)添加金属粉末(106)至铸造壳体(104)的内部空间，其中，所述金属粉末围绕定位在所述铸造壳体的内部空间中的第一金属构件(102)的至少一部分；
(b)使所述金属粉末遭受热等静压(108)以将所述粉末压实成第二金属构件(110)；以及
(c)从所述第二金属构件移除所述铸造壳体和所述第一金属构件；
其中，所述第一金属构件相比于所述第二金属构件具有较低的熔点，且其中移除所述第一金属构件包括熔化，其中所述第一金属构件包括铝、铝合金、镍、镍合金、铜、铜合金、金、金合金、银、或银合金中的至少一种。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第二金属构件包括钨、钨合金、钼，或钼合金。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述铸造壳体包括陶瓷。
8.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，移除所述铸造壳体包括破裂。
9.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括通过在叠层的基础上附加地形成所述铸造壳体或所述第一金属构件中的至少一者来形成所述铸造壳体或所述第一金属构件中的所述至少一者，包括步骤：
(d)辐照粉末床中的粉末层以形成熔融区域；
(e)在所述粉末床上提供后续粉末层；以及
(f)使用对应于至少所述铸造壳体或所述第一金属构件的至少两种不同的粉末组成物来重复步骤(d)和(e)以形成所述铸造核心的至少一部分。
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