CN109663899A - 用于铸造模具的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于铸造零件的方法，包括以下步骤：将模具引入第一壳体中；使第一壳体与第二壳体接合以限定第二室；在炉具内熔化铸锭；将第二室内的压力降低至第一预定压力；将熔化铸锭的至少一部分倒入模具中；将气体加入第二室中来将压力升高到第二预定压力；移动模具，使得其与用于冷却的装置接合；以及凝固模具内的液态金属。

Description

用于铸造模具的方法

技术领域

本发明涉及一种用于铸造模具的设备及方法，并且更具体地涉及用于铸造单晶零件、中间部件或模具的设备及方法。

背景技术

金属的一些应用需要特别耐磨和耐热的部件或零件。这些应用中有发动机，如飞行器发动机。通常，此类耐用的部件由单晶部件产生。此类单晶部件通过熔融金属在模具内精确冷却和受控结晶来产生。结晶在晶种处开始，并且相对于晶种沿预定方向进行。

形成单晶金属零件的此类常规方法的一个问题在于，必须在惰性气氛中进行此过程。这降低可用的灵活性。

用于铸造单晶零件的常规程序和设备的另一个问题在于很难优化单件式零件的冷却梯度而使得可实现最好或最佳的铸造结构。

此类常规方法和设备的另一个问题在于为了经济上可行，每个批次或每次运行必须生产很多部件。这导致较大设备成本及工艺和材料投入。

另一个问题在于，常规方法不适用于通过增材制造方法生产的铸造零件的模具。

发明内容

这些问题中的至少一个通过一种设备和方法来解决，该设备和方法能够提供设备的部分在此过程期间暴露于空气，并且使用单室作为熔体室，以及作为模腔。

根据本文所述的技术的一个方面，一种用于铸造模具的方法，该方法包括以下步骤：将模具引入第一壳体中；使第一壳体与第二壳体接合以限定第二室；在炉具内熔化铸锭；将第二室内的压力降低至第一预定压力；将熔化铸锭的至少一部分倒入模具中；将气体加入第二室中来将压力升高到第二预定压力；移动模具，使得其与用于冷却的装置接合；以及凝固模具内的液态金属。

具体地，本申请技术方案1涉及一种用于铸造零件的方法，所述方法包括以下步骤：将模具引入第一壳体中；使所述第一壳体与第二壳体接合以限定第二室；在所述第二室内熔化铸锭；将所述第二室内的压力降低至第一预定压力；将熔化铸锭的至少一部分倒入所述模具中；将气体加入所述第二室中以将所述压力升高到第二预定压力；移动所述模具，使得其与用于冷却的装置接合；以及凝固所述模具内的液态金属。

本申请技术方案2涉及根据技术方案1所述的方法，其中在所述引入步骤之前预热所述模具。

本申请技术方案3涉及根据技术方案2所述的方法，其中所述模具预热到大于2200℉的温度。

本申请技术方案4涉及根据技术方案3所述的方法，其中所述模具预热至大约2200℉的温度。

本申请技术方案5涉及根据技术方案1所述的方法，还包括以下步骤：将所述模具置于模具加热器中，所述模具加热器与所述第一壳体定位在一起。

本申请技术方案6涉及根据技术方案5所述的方法，其中所述第二壳体包括用于冷却的装置。

本申请技术方案7涉及根据技术方案1所述的方法，其中移动所述模具使得其与所述冷却装置接合的所述步骤包括操作操纵系统的步骤。

本申请技术方案8涉及根据技术方案1所述的方法，其中所述冷却装置包括液态金属浴。

本申请技术方案9涉及根据技术方案8所述的方法，其中所述液态金属是锡。

本申请技术方案10涉及根据技术方案1所述的方法，其中所述冷却装置是辐射冷却。

本申请技术方案11涉及根据技术方案1所述的方法，其中所述冷却装置是强制空气冷却。

本申请技术方案12涉及根据技术方案1所述的方法，其中所述冷却装置是流化床冷却。

本申请技术方案13涉及根据技术方案1所述的方法，其中将所述第二室内的压力降低到第一预定压力的所述步骤之前是将所述第二室内的压力降低至第三预定压力的步骤。

本申请技术方案14涉及根据技术方案13所述的方法，其中所述压力达到所述第三预定压力之前发生引入气体的所述步骤。

本申请技术方案15涉及根据技术方案14所述的方法，其中所述气体是氩。

本申请技术方案16涉及根据技术方案14所述的方法，其中引入所述气体的所述步骤包括替换所述第二室内的气氛的至少一部分的步骤。

本申请技术方案17涉及根据技术方案13所述的方法，其中所述第三预定压力是大约200Torr。

本申请技术方案18涉及根据技术方案17所述的方法，其中所述第一预定压力小于10Torr。

本申请技术方案19涉及根据技术方案18所述的方法，其中所述第一预定压力是大约0.015Torr。

本申请技术方案20涉及根据技术方案1所述的方法，其中所述第二预定压力是大约200Torr。

本申请技术方案21涉及根据技术方案20所述的方法，其中所述气体是氩。

本申请技术方案22涉及根据技术方案1所述的方法，其中凝固所述模具内的金属的所述步骤包括将所述模具保持在所述用于冷却模具的装置中预定时间。

附图说明

参考结合附图做出的以下描述更好地理解本发明，在附图中：

图1是定位在第一构造的示例性熔模铸造设备的示意性侧立面视图；

图2是定位在第二构造的图1中的设备的示意性侧立面视图；以及

图3是定位在第三构造的图1中的设备的示意性侧立面视图。

具体实施方式

参看附图，其中各个视图中相同的附图标记表示相同元件，图1示出了用于执行本文公开的铸造方法的实施例的一类适合设备10的实例。设备10在通向大气且因此暴露于氧时提供了高温操作。因此，模具14可在模具14和模具加热器32两者很热时引入炉具中。因此，公开的方法支持用于铸造特别适用于增材制造的模具14的零件(有时也称为部件、中间零件或模具)的模具。根据所示实施例，公开的方法支持单个模具14。应认识到，在一些实施例中，可使用多个模具14。

设备10包括炉具20、操纵系统50和冷却设备60。炉具20定位在冷却设备60附近，使得操纵系统50定位在炉具20与冷却设备60之间。炉具20包括第一壳体21，第一壳体21限定第一室22。多个视口23限定在壳体21的壁内，使得可从多个角度观察第一室22。开口25构造成提供至第一室22的通路，并且定位在壳体21的底壁中。可选地，开口25可定位在将提供适合的通路和实用性的另一个位置。

第一室22构造成容纳熔体加热器24，熔体加热器24在所示实施例中是底部倾倒渣壳熔体加热器(bottom pour skull melt heater)，以及模具加热器32。模具加热器32包括如通常已知的用于高温的至少一个大功率电二硅化钼(MoSi2)加热元件。模具加热器32可暴露于氧化剂如氧。

压力传感器29流体地连接到第一室22上，使得其监测第一室22内的压力。压力传感器29电连接到控制器18上。气体蓄积器26也流体地附接到第一室22上。气体蓄积器26构造成容纳将用于吹扫第一室22的气体。气体可为惰性气体如氩。举例来说而不限制，用于吹扫的适合气体可为以下中的一种：氩、空气、氮、氦、氢和它们的组合。温度传感器35定位成监测熔体加热器24内的金属的温度。温度传感器35可为光学或浸没式热电偶。

控制器18可为配置成操作炉具20、操纵系统50和冷却设备60的通用计算机或专用控制器。控制器18配置成从压力传感器29和从温度传感器35接收输入。

铸锭斜槽28定位成将金属铸锭输送至熔体加热器24来在熔体加热器24内熔化。举例来说而不限制，此类铸锭可为以下金属：铝、镍、铁、钴和它们的组合。

操纵系统50包括提升设备52和臂55。臂55可移动地连接到提升设备52上，使得提升设备52的操作引起臂55的移动。提升设备52和臂55可构造为齿条和小齿轮，或用于受控移动的已知其它此类装置。模具保持器56定位在臂55的远端处，使得模具保持器56与臂55一起移动。模具保持器56构造成接收模具14。模具保持器56可是水冷的，这取决于使用的冷却设备。

模具14可为用于熔模铸造的常规模具，或可为通过诸如增材制造的程序来生产的模具。

现在参看图1、2和3，操纵系统50构造成在第一位置、第二位置与第三位置之间移动。如图1中所示，在第一位置，操纵系统50的模具保持器56定位在炉具20外和冷却设备60外。如图2中所示，在第二位置，操纵系统50的模具保持器56定位在炉具20内。如图3中所示，在第三位置，操纵系统50的模具保持器56定位在冷却设备60内。

以此方式，模具14可载入操纵系统50，且然后通过操纵系统50在第一位置与第二位置之间移动来插入炉具20中，使得模具可在初始步骤中引入炉具20中，且可在后续步骤中从炉具20去除。操纵系统50定位在炉具20和冷却设备60附近，使得操纵系统50可将模具14传递到炉具20中，从炉具20传递到冷却设备60，并然后传递出冷却设备60。

现在参看图1，冷却设备60包括冷却壳体61，冷却壳体61构造成接收容器62。混合螺旋桨64和加热器66定位在容器62内。混合器74构造成连同混合螺旋桨64来循环容纳在容器62内的液态金属浴。在所示实施例中，液态金属浴是锡(Sn)。举例来说而不限制，液态金属浴可为以下：锡、铝、镓和它们的组合。

冷却壳体61是第二壳体，且由升降机68支承。升降机68定位成在降低的第一位置与升高的第二位置之间移动，使得第一壳体21和冷却壳体61相对于彼此移动。如图1中所示，当升降机68在第一位置时，冷却设备60定位成与炉具20分开。如图2和3中所示，升降机68在升高的第二位置时，冷却壳体61与炉具20的壳体21密封地接合。冷却壳体61和壳体21一起限定较大的第二室82。根据下文所述的方法，大室82构造成既作用为熔化室且又作用为模具室。

升降机68构造成由与提升设备52协作的控制器18来控制，使得模具保持器56可引入容器62和从容器62去除。以此方式，容纳熔融金属的模具14可引入冷却设备60中，且经由冷却装置来冷却，并且因此以受控方式凝固，这将在以下方法中更详细描述。在所示实施例中，冷却装置是液态金属浴，如，熔融锡。应认识到，冷却设备60可构造成使用较宽范围的模具冷却方法来作为用于冷却的手段。这些方法可包括辐射冷却、强制气体冷却、液态金属冷却、流化床冷却。

干式真空泵27电连接到控制器18上，且流体地连接到第一室22且因此大室82上。泵27构造成抽出容纳在其中的气体来产生减压环境。应认识到，除干式真空泵之外的真空泵类型可在其它实施例中用作泵27。壳体21构造成使得硬真空可在第一室22内用泵27生成。在一些实施例中，真空可为大约0.015Torr。示例性操作压力是200Torr，使得第一室22内的压力可由控制器18通过气体的引入或抽出以及泵27的操作来确定，以从第一室22抽出气体如大气气体。

当前公开的技术可从其操作的描述中较好地理解。如上文所述，设备10用于铸造的熔模过程。更确切地说，设备10用于铸造单晶金属部件或中间结构，其比常规方法更有效且简化的方式定向凝固。应认识到，如本领域的技术人员将理解，下文所示的步骤的顺序可在不同实施例中变化。

公开的技术提供一种用于铸造模具的方法，该方法包括以下步骤：加载步骤、减压步骤、倾倒步骤、凝固步骤和卸载步骤。

现在参看加载步骤，其包括以下步骤：A)在将模具14引入炉具20之前预热模具14。更优选地，将模具预热到大于大约2200℉。在一些实施例中，模具14预热到大约2800℉。如本文使用的用语“预热”是指在将模具14引入模具加热器32中之前将模具14加热到高于环境温度。B)将模具14置于模具加热器56上。C)操作操纵系统50。D)将模具14引入炉具20中，使得模具14定位在模具加热器32内。E)操作升降机68，使得冷却壳体61与壳体21接合，因此限定大室82。F)操作模具加热器32来将模具14保持在预定温度。优选地，预定温度是大约2200℉。G)经由铸锭斜槽28将铸锭载入熔体加热器24。加载铸锭可在将模具14引入炉具中的步骤之前、期间或之后不久完成。

现在参看倾倒步骤，其包括以下步骤：A)通过操作泵27来将室82的压力降低到低于大气压力。B)将气体如氩引入第一室22中来替换室82内的之前的气体。C)将室82内的压力从大气压力减小到吹扫气体。吹扫压力可在100到300Torr的范围中，或其可在150Torr到250Torr的范围中，或其可在190Torr到210Torr的范围中，并且优选200Torr。如本文使用的用语“吹扫”是指或涉及替换之前在第二室82内的气体或气氛的过程。C)在熔体加热器24中熔化铸锭。D)将压力进一步降低到用于倾倒的压力。用于倾倒的压力可为0.005Torr到0.05Torr，或用于倾倒的压力可为0.01Torr到0.03Torr，或用于倾倒的压力可为0.0125Torr到0.0175Torr，或用于倾倒的压力可为0.015Torr。用于倾倒的压力选择成最小化熔融金属内的气泡，并且有助于向模具14填充熔融金属。E)将熔融金属从熔体加热器24倒入模具14中。

现在参看凝固步骤，其包括以下步骤：A)将气体从蓄积器26引入来将室82内的压力保持在基本恒定的压力。优选地，压力是大约200Torr。C)通过操作操纵系统50来从模具加热器32去除模具14。D)使模具14与冷却装置接合。因此，在所示实施例中，模具14定位在容器62内，使得其由液态金属浴包绕。D)保持模具14与冷却装置接合预定时间。优选地，预定时间在大约2分钟到大约30分钟之间，更优选预定时间在大约10分钟到大约20分钟之间，甚至更优选，预定时间是大约15分钟。

现在参看卸载步骤，其包括操作升降机68的步骤，使得冷却设备60与炉具20解除接合，并且模具14定位在炉具20与冷却设备60之间，使得可去除它。该过程然后可用新模具14来重复。

公开的方法和设备的技术优点包括优化冷却梯度来实现最佳的铸造结构。此铸造结构将包括较少元素偏析、晶体缺陷和孔隙率。另一个技术优点在于，底部倾倒渣壳熔体可与公开的技术一起使用，从而实现较好的清洁度和化学稳定性。另一个技术优点在于模具可从燃烧或预热设备直接地加载，从而最小化热循环。因此，打印、燃烧和/或预热的模具可直接地载入炉具中。另一个技术优点在于改善了循环内的气体回填的填充一致性。

与公开技术相关联的商业优点包括以特别适于增材制造或3D打印生产的模具的方式对具有定向凝固的铸造的低成本支持。公开的技术允许了由3D打印或增材制造方法生产的模具以预热状态直接地载入热炉具中。

前文已经描述了用于铸造模具的方法及设备。在本说明书(包括任何所附权利要求书、摘要和图)中所公开的所有特征和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤可以任何组合形式组合，所述特征和/或步骤中的至少一些相互排斥的组合除外。

本说明书(包括任何所附权利要求书、摘要和附图)中所公开的每个特征可替换为用于相同、等效或类似目的的替代特征，除非另有明确陈述。因此，除非另有明确陈述，否则每个所公开的特征都仅是一系列等同或相似特征的一个示例。

本发明并不限于前述实施例的任何细节。本发明可以扩展到本说明书(包括任何所附权利要求书、摘要和附图)中所公开的特征的任何新颖特征或新颖特征组合，或扩展到如此公开的任何方法或过程的步骤的任何新颖步骤或任何新颖步骤组合。

Claims (10)

1.一种用于铸造零件的方法，所述方法包括以下步骤：

将模具引入第一壳体中；

使所述第一壳体与第二壳体接合以限定第二室；

在所述第二室内熔化铸锭；

将所述第二室内的压力降低至第一预定压力；

将熔化铸锭的至少一部分倒入所述模具中；

将气体加入所述第二室中以将所述压力升高到第二预定压力；

移动所述模具，使得其与用于冷却的装置接合；以及

凝固所述模具内的液态金属。

2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述引入步骤之前预热所述模具。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述模具预热到大于2200℉的温度。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述模具预热至大约2200℉的温度。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

将所述模具置于模具加热器中，所述模具加热器与所述第一壳体定位在一起。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述第二壳体包括用于冷却的装置。

7.根据权利要求1所述的方法，其中移动所述模具使得其与所述冷却装置接合的所述步骤包括操作操纵系统的步骤。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述冷却装置包括液态金属浴。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述液态金属是锡。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述冷却装置是辐射冷却。