CN110958921A - 用于反重力模具填充的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种反重力铸造方法和装置，其中模具被保持静止，并且坩埚通常从熔化室横向移动到相对于重力设置在模具下方的填充室。铸造室相对于重力通常位于填充室上方。该方法和装置利用分隔开的各室进行熔化和铸造，其中每个室中的压力可以相对于彼此变化以便将熔融金属引入到模具中。

Description

用于反重力模具填充的方法和装置

技术领域

本专利公开内容大致涉及用于金属铸造的方法和装置。更具体地，本专利公开内容涉及反重力铸造装置和方法。进一步，本专利公开内容涉及反重力铸造装置的用途和使用单晶(SX)、定向凝固(DS)和等轴多晶方法生产铸件的方法。

背景技术

用于铸造单晶、定向凝固部件的合金，例如含高铼的合金，可能非常昂贵。在传统技术的铸造系统中，通过将合金从顶部倾注或注入到浇口通道中来将熔融合金引入模具中。为了最小化由凝固过程中的收缩引起的铸件中的缺陷，可以采用定向凝固，其中在部件的凝固部分中形成的收缩由来自部件中的尚未凝固的部分的合金填补以及用浇口中的熔融合金填补，补充用于填补收缩的任何材料。在这些传统的铸造系统中，合金在浇道中凝固，且必须从成品部件中取出并报废或回收。

对于高成本合金，有利的是在铸造过程之后最小化或减少浇口中剩余的材料。满足这种需要的反重力工艺首先由Hitchiner Manufacturing Company开发并在美国专利第3,863,706号中公开，其公开内容在此通过引用整体并入本文。在该专利中公开的反重力工艺中，浇口从底部填充，并且在铸造部件凝固之后，允许浇口中的任何熔融金属排出并重新捕获以用于随后的铸造过程，从而降低总成本。通过减少铸造的循环时间，可以进一步降低每个部件的成本。

虽然反重力模具填充工艺和方法是对传统铸造方法和装置的改进，但迄今为止，用于执行这些工艺的装置是垂直取向的并且可以向上延伸40英尺或更长。因此，这些过程只能在具有扩展的垂直空间的合适位置或在已经创建用于容纳装置的一部分的凹坑的位置中执行。

因此，仍需要改进以提高效率，降低成本，允许在更广泛选择的位置中使用这些工艺，并允许使用这些方法和装置用于单晶铸造。

发明内容

通过本公开内容在很大程度上满足了前述需求，其中提供了改进的反重力模具填充方法和装置的各方面。

在一个方面，本公开内容的方法和装置利用反重力模制来减少在铸件的浇口中凝固的合金。本发明的方法和装置还提供了反重力铸件的定向凝固，且在凝固期间减轻了模具的振动，从而减少了单晶铸造期间的假晶粒生长。根据本公开内容的一个方面，提供了一种反重力铸造方法，其中模具在铸造和定向凝固期间保持静止。该方法包括以下步骤：在熔化室中的坩埚中熔化金属，然后将坩埚从熔化室移动到铸造室(casting chamber)。将坩埚从熔化位置移动到铸造位置包括将坩埚从熔化室横向移动到填充室并使熔融金属与填充管接触。然后移动坩埚使熔融金属与填充管接触。通过填充管将熔融金属向上引导并进入模具中。然后将熔融金属从填充管排放回坩埚，并使坩埚移动远离填充管。然后，基座(susceptor)相对于模具移动，以使模具中的熔融金属定向凝固。该工艺非常适合铸造高反应性SX/DS合金。

在本公开内容的另一方面，提供了一种反重力铸造方法，其中在铸造和凝固期间模具保持静止。该方法包括以下步骤：在熔化室中的坩埚中熔化金属，然后将坩埚从熔化室移动到铸造室。然后移动坩埚使熔融金属与填充管接触。通过填充管将熔融金属向上引导并进入模具中。然后将熔融金属从填充管排放回坩埚，并使坩埚移动远离填充管。然后，基座相对于模具移动，以等轴多晶凝固模具中的熔融金属。该工艺非常适用于铸造高温合金以及其他合金。

在本公开内容的另一个方面，提供了一种反重力铸造装置，其具有熔化室，与熔化室相邻并且相对于重力大致横向于熔化室移位的填充室以及相对于重力通常位于填充室上方的铸造室。填充管设置在填充室内，并且柱塞被设置成使放置在铸造室中的模具固定在合适的位置。

附图说明

图1是根据本公开内容的第一方面的反重力铸造装置的局部剖视透视图，其描绘了在执行铸造操作之前，坩埚、基座和柱塞的初始位置。

图2是图1的反重力铸造装置的局部剖视透视图，描绘了在执行铸造操作之前处于中间位置的坩埚。

图3是图1的反重力铸造装置的局部剖视透视图，描绘了用于执行铸造操作的柱塞。

图4是图1的反重力铸造装置的局部剖视透视图，描绘了用于执行铸造操作的坩埚的位置。

图5是图1的反重力铸造装置的局部剖视透视图，描绘了在执行铸造操作期间处于部分升高位置的基座。

图6是图1的反重力铸造装置的局部剖视透视图，描绘了在执行铸造操作之后，基座和柱塞处于完全升高的位置而坩埚处于中间位置。

图7是图1的反重力铸造装置的局部剖视透视图，描绘了坩埚返回其初始位置用于使用铸造的金属重新装填坩埚。

图8是用在根据本公开内容的第一方面的图1的反重力铸造装置中的模具的透视图。

图9是用在根据本公开内容的可选择方面的图1的反重力铸造装置中的模具的透视图。

图10是用于根据本公开内容的又一可选择方面的图1的反重力铸造装置中的模具的透视图。

图11是用于根据本公开内容的又一可选择方面的图1的反重力铸造装置中的模具的透视图。

具体实施方式

现在参考附图，其中相同的附图标记始终表示相同的元件，在图1中示出了根据本公开内容的第一方面的反重力铸造装置10。反重力铸造装置包括四个主室：熔化室12；填充室14，其相对于重力大致位于熔化室的旁边；铸造室16，其位于填充室附近并且相对于重力大致位于填充室的上方；以及基座室18，其相对于重力大致位于铸造室的上方。如下所述，设置了可移动的互锁件20，以便在铸造过程的不同阶段期间使熔化室12与填充室14分隔开。互锁件20的其中一个作用是在熔化过程中使熔化室12隔绝。填充室14通过底板22与铸造室16分隔，底板22允许在填充室14和铸造室20之间产生压差，如下所述。

如图所示，反重力铸造装置10包括在熔化室12和填充室14之间平移的托架24。与托架24连接的是升降机26，用于升高和降低设置在其上的坩埚28。坩埚28优选是由诸如氧化铝的材料制成的陶瓷坩埚。熔体线圈30围绕坩埚28以加热坩埚并熔化放置在坩埚中的铸造合金以产生用于铸造的熔融金属32。外壳34围绕坩埚28，正如下面将要描述的，使得外壳34内的压力可以通过入口36而增高或降低。固定在托架24上的导杆38在外壳34和坩埚28升起时引导外壳34和坩埚28。

如图1所示，填充室包括填充管40。还如图1所示，铸造室16包括放置在底板22之上的冷却板42以促进定向凝固。在本公开内容的优选方面，冷却板42是由铜或其他导热材料制成的水冷式冷却板。中心浇口44位于填充管40之上，且中心浇口44和填充管40通过冷却板42和底板22连接。提供陶瓷安装件和密封件46，以允许中心浇口44密封安装在填充室14和铸造室16之间，使得填充室14中的压力可以相对于铸造室16中的压力来变化。

一个或多个模具48流体连接到中心浇口，以允许使用下面描述的一个或多个部件和方法进行反重力铸造。在本公开内容的一个方面，模具48具有圆柱形中心杆44，并且待铸造的部件通过适当的晶体选择器组装在杆上。在某些单晶部件几何形状的情况下，选晶器是具有已知取向的晶体。

围绕中心浇口44和模具室48的是基座50，其被基座线圈52缠绕。基座50可由任何合适的材料制成，例如石墨。基座50在顶部上具有孔，顶部上方是柱塞54，其功能将在下面讨论。围绕反重力填充装置10并形成熔化室12、填充室14、铸造室16和基座室18的是壳体56。在本公开内容的某些方面中，在壳体中设置有用于插入和移除模具48并用于密封铸造室的出入口58。在壳体中还设置有用于从各室引入或移除气体的入口60、62、64。

现在将参照图1至图11描述反重力铸造装置10的操作方法。如图1所示，坩埚28在熔化室12中开始，其中熔体线圈30加热坩埚以产生用于铸造的熔融金属32。当金属熔化时，互锁件20打开以允许托架24平移到填充室14中，如图4所示。虽然未示出，但是将容易认识到，可以通过在铰链上旋转或穿过壳体56中的开口来打开互锁件20。当坩埚28在填充室中时，坩埚28在填充管40下方对齐。

如图3所示，柱塞54向下延伸并穿过基座50中的孔并放置在中心浇口44之上，固定中心浇口44和模具48。这样，在铸造和冷却过程中，模具靠柱塞54保持静止。柱塞54包括陶瓷端部64，以承受中心浇口44和基座50中的熔融金属的热量。虽然未示出，但很容易认识到柱塞54可以是可伸缩的活塞塞棒(piston ram)，其向下延伸穿过壳体56顶部的开口，且液压致动器固定在壳体56之上。

如图4所示，坩埚50从熔化室12横向移动到填充室14，且坩埚在填充管40下方通过。坩埚28通过升降机26被升高，使熔融金属32与填充管40接触，并且使坩埚28的顶部唇缘与底板22的底部上的O形环(未示出)密封接触。将容易理解的是，当坩埚50在填充管下方横向移动时，在填充管40的底部与坩埚的外壳34之间提供最小的间隙将允许装置10的总高度减小。在本公开内容的优选方面，填充管40和坩埚的外壳34之间的间隙小于外壳高度的三分之一。在该优选的公开内容中，不需要如在铸造单晶/定向凝固模具的标准实践中那样的凹坑。这降低了装置的整体高度。通过入口62对填充室14加压，通过入口60在铸造室16中产生真空或其组合，那么在填充室14和铸造室16之间产生压差。如将容易认识到的，填充室14中的压力必须高于铸造室16中的压力，以使熔融金属通过填充管40被向上引入并进入模具中。

如图5所示，在填充模具之后，并且在选晶器的某一部分凝固之后，填充室14和铸造室16之间的压差减小，以允许留在中心浇口44中的熔融金属排回到坩埚28中。如图6所示，随后柱塞54回缩。坩埚28下降，使得它可以移回到铸造室12，如图7所示，这样坩埚28就可以补充合金。然后将基座50和基座线圈52升高到基座室18中以允许冷却铸件。关闭互锁件66以闭合铸造室16而与基座室18分隔开，以便在铸件冷却并从铸造室16移除时使基座50的冷却程度最低。

如将容易理解的，互锁件66可以设置成两个或更多个部分，且每个部分中具有部分凹槽，以允许互锁件围绕柱塞54闭合，以使铸造室16与基座室18密封隔开。这种布置允许填充室14、铸造室16和基座室18之间的压力分别通过独立的入口62、64、60来单独控制。

如图7所示，坩埚28下降并移回铸造室12来补充合金。如将容易认识到的，基座50和基座线圈52升高的速率由待铸造的合金确定并且被选择以实现定向凝固。如将容易认识到的，升高基座50和基座线圈52可以通过任何常规手段来实现，包括将基座50互锁到柱塞54或提供固定到基座的单独的活塞。在优选的方面，柱塞54包括内部可伸缩的塞棒(ram)，其穿过基座50中的孔而放置在中心浇口44之上。柱塞54的外套筒形式的第二塞棒与基座50接合且用于升高基座50。

如图7所示，当基座50完全升起并实现所需的定向凝固时，允许通过出入口58进入模具48以从反重力铸造装置10移除。出入口58设置有可密封的门68以允许在铸造过程中对铸造室16加压。

用于将熔融金属引入到模具48中的四种优选的机构也在图8-11中示出。在第一种机构中，如图8所示，熔融金属通过管70被引入，管70通过中心浇口44的底座部分46而流体连接到填充管40。熔融金属通过填充管70直接被抽吸入模具48中。选晶器72设置在模具48的底部并连接到位于冷却板42上的选晶器块74，以允许模具48和选晶器块74之间流体连接而用于定向凝固单晶。通过前述方式以非湍流方式来底部填充模具可以实现夹杂物的减少。

在图9中所示的可选择的机构中，熔融金属通过填充管70被抽吸入选晶器块74。选晶器72设置在模具48的底部并连接到位于冷却板42上的晶粒块74，以允许模具48与选晶器块74之间流体连接而用于定向凝固单晶。在该实施方式中，模具48填充有穿过晶粒选择块74和选晶器72的熔融合金。

在图10中所示的可选择的实施方式中，熔融合金通过填充管70被抽吸入模具48的顶部。模具被构造成产生定向凝固或单晶晶粒。在又一种机构中，熔融金属上升通过中心浇道44并通过下部进料支路76在模具底部附近进入模具48，如图11所示。模具被构造成产生等轴多晶晶粒。通过上部进料支路78将额外的熔融合金引入模具48的顶部以填补收缩。通过前述方式以非湍流方式底部填充模具可以实现夹杂物的减少。此外，通过使用基座50加热模具产生的恒定的模具温度控制可以减少诸如收缩孔隙率、气体、非填充和冷隔的缺陷，并且改善铸件的质量。

熔化室12、填充室14、铸造室16和基座室18通过入口60、62、64连接到惰性气体罐(未示出)。通常使用超高纯度氩气。在本发明的一个方面，采用真空熔化和氩气辅助填充不透气和透气的陶瓷模具。

在本公开内容的一个方面，冷却板42和底板22在中心将具有直径为1”至5”的凹孔。厚度约为0.040”至0.120”且内径略大于凹入式冷却板孔的直径的的垫圈放置在凹孔上。填充管40插入冷却板42的孔中，该填充管40优选地由陶瓷制成并且预热至高达2100华氏度的温度且其外径略小于凹孔的外径。然后将垫圈放在填充管的轴环之上。将预热的陶瓷模具放置在垫圈上，该陶瓷模具由常用的材料如氧化铝制成并与陶瓷轴环组装在一起。在将陶瓷模具转移到冷却板42上之前，通常将陶瓷模具预热至高达2100华氏度的温度。

在本公开内容的一个方面，铸造室或模具室16内的基座50的内径略大于冷却板42的直径。基座50下降罩到预热模具48上。模具室门68闭合并对模具室16抽真空。一旦在模具室中达到小于10毫托的真空水平，就打开基座50。使用用于制造单晶定向凝固铸件的任何标准技术来加热基座50。熔化室12、填充室14和铸造室16保持在小于10毫托的真空下，同时熔化合金并使用基座46将模具加热到铸造温度。

在本公开内容的一个方面，铸造室或模具室16内的基座50的内径略大于冷却板42的直径。基座50被预热至高达2100华氏度的温度。将预热的模具48放置在基座50下面。闭合模具室门68并对模具室16抽真空。一旦在模具室中达到小于10毫托的真空水平，则移除模具室16和基座室18之间的互锁件，打开基座50并将基座50下降罩到预热模具48上。使用制造单晶定向凝固铸件的任何标准技术加热基座50。熔化室12、填充室14、铸造室16和基座室18保持在小于10毫托的真空下，同时熔化合金并使用基座50将模具加热到铸造温度。

在本公开内容的一个方面中，当模具48准备好铸造时，坩埚28向上移动到中间位置，使得它压靠在基板22的底部上的O形环上。这样做就将填充管40插入到熔融合金32中。然后通过将氩气泵入填充室14而不是铸造室16中，以在2秒至60秒内达到1个大气压的预定速率(称为上升速率(ROR))使熔融金属的压力增加。填充室14和铸造室16之间的压差使熔融金属通过陶瓷填充管40引入到模具中。压力增加直到整个模具腔48被填充。

一旦模具室48被填充，压力就保持恒定长达600秒。在模具填充期间对液态金属施加压力导致更好地填充铸造表面上的复杂细节。在本发明前述方面中描述的方法可用于铸造用于铸造单晶和定向凝固部件(例如叶片和轮叶)的镍基超合金。该方法可以在不使用传统定向凝固单晶铸造工艺中使用的过滤器的情况下进行，以过滤由湍流产生的氧化物。通过控制ROR，该过程可以减轻湍流并因此减少氧化物。

在本公开内容的一个方面，通过沿垂直方向向上移动基座50来实现从基座50取出模具的过程。与冷却板42接触的熔融合金32将冻结并产生将生长到模具腔48中的所需种子晶粒。在本公开内容的一个方面，在晶粒块和选晶器已凝固产生单晶定向凝固部件之后，填充室和铸造室中的压力均衡。在本公开内容的另一方面，在模具中的液态金属凝固以产生等轴多晶部件之后，填充室和铸造室中的压力均衡。

当基座50移动经过填充管70的顶部时，坩埚28内的压力被释放，坩埚28下降并平移回其初始位置。在如图10所示的情况下，一旦模具48填充液态金属，坩埚28内的压力就被释放，坩埚28下降并平移回其初始位置。填充室16和熔化室14之间的互锁件20闭合，用合金重新装填坩埚28，并且在熔化装填物之前对坩埚28抽真空以铸造下一个模具。一旦完成移除循环，打开铸造室16并从冷却板移除凝固的模具以进行进一步处理。

在本公开内容的另一方面，其非常适合于铸造高反应性单晶、定向凝固合金，熔化室12、填充室14、铸造室16和基座室18经由入口60、62连接到真空泵64以及连接到惰性气体罐。通常使用超高纯度氩气。在本公开内容的该方面中，石墨基座50下降罩到预热模具48上，并且模具室门68闭合。对模具室16抽真空，且一旦在模具室16中达到小于10毫托的真空水平，就打开基座50。使用制造单晶、定向凝固铸件的标准技术加热基座50。熔化室12、填充室14、模具室16和坩埚室18保持在小于10毫托的真空下，同时合金32熔化并且使用基座50将模具48加热到铸造温度。

当模具准备好铸造时，坩埚28向上移动到中间位置，使得它压靠在底板的底部的O形环上。这样做将填充管40插入到熔融合金32中。模具室16和坩埚室12、14都用氩气加压至一个大气压。一旦在所有室中达到压力，来自模具室16的氩气以在2秒至60秒内达到1个大气压的速率被移除，从而在模具室16中产生真空，这迫使来自坩埚28的液态金属经由填充管40填充模具腔48。一旦模具腔被填充，真空就保持恒定长达800秒。

然后，通过沿垂直方向向上移动基座50来从基座50移除模具48。与冷却板42接触的熔融合金32将冻结。坩埚28下降回到中间位置并转移回其在熔化室12中的初始位置。当基座50移动经过待铸造件的顶部时，模具室16内的压力增加到一个大气压。基座50继续上升并且坩埚室12、14的两个部分之间的互锁件20被闭合，用合金重新装填坩埚28，对坩埚28抽真空，并且熔化装填物以铸造下一个模具48。一旦完成移除循环，就打开模具室16，并从冷却板42上取下凝固的模具，以便进一步加工。

将会容易认识到，前述的方法和系统导致壳模(shell mold)的总高度降低，因为不需要倾注杯。因此，需要减少量的壳材料来构建壳模，降低了制造模具的成本并减少了由铸造过程产生的废料。在本公开内容的方面中，进料器长度比传统的重力铸造方法短，因此也使用较少的金属。除了前述内容之外，在本公开内容的各方面中实现的另一个益处是在移除单晶部件的过程期间减少了假晶粒，原因是模具保持静止。在模具填充期间使用柱塞将模具保持在适当位置消除了在模具底部上使用夹具来避免模具提升的需要。

应当理解，前面的描述提供了所公开的系统和技术的示例。然而，设想本公开内容的其他实施可以与前述示例在细节上不同。对本公开内容或其示例的所有引用旨在参考此时讨论的特定示例，并且不预期更一般地暗示对本公开内容范围的任何限制。关于某些特征的所有区分和贬低的语言旨在表示缺乏对这些特征的偏好，但除非另有说明，否则不完全将其排除在本公开内容的范围之外。

除非本文另有说明，否则本文中对数值范围的描述仅旨在用作单独提及落入该范围内的每个单独值的速记方法，并且每个单独的值被并入说明书中，如同其在此被单独引用一样。除非本文另有说明或上下文明显矛盾，否则本文所述的所有方法均可以任何合适的顺序进行。

Claims (20)

1.一种反重力铸造方法，其中在铸造和定向凝固期间使模具保持静止，所述方法包括以下步骤：

在坩埚中熔化金属；

将坩埚从熔化位置移动到铸造位置，其中移动所述坩埚包括以下步骤：

将所述坩埚从熔化室横向移动到填充室；和

使熔融金属与填充管接触；

通过所述填充管将所述熔融金属向上引入到所述模具中；

将所述熔融金属从所述填充管中排放回所述坩埚；

将所述坩埚移回到所述熔化位置；以及

使基座相对于所述模具移动以使所述模具中的所述熔融金属定向凝固。

2.如权利要求1所述的反重力铸造方法，还包括降低柱塞以使所述柱塞与所述模具的中心浇口接合以将所述模具固定在合适位置的步骤。

3.如权利要求1所述的反重力铸造方法，还包括在所述坩埚中熔化所述金属的步骤期间闭合互锁件以使所述熔化室与铸造室分隔开的步骤。

4.如权利要求1所述的反重力铸造方法，还包括在通过所述填充管将所述熔融金属抽吸入所述模具中的步骤之前闭合所述互锁件以使所述熔化室与所述铸造室分隔开的步骤。

5.如权利要求2所述的反重力铸造方法，还包括以下步骤：

在通过所述填充管将所述熔融金属抽吸入所述模具中之前固定所述模具；和

在所述坩埚中熔化所述金属的步骤期间，闭合所述互锁件以使所述熔化室与所述填充室分隔开。

6.如权利要求5所述的反重力铸造方法，还包括在通过所述填充管将所述熔融金属抽吸入所述模具中的步骤之前，闭合所述互锁件以使所述熔化室与所述填充室分隔开的步骤。

7.如权利要求6所述的反重力铸造方法，其中所述基座相对于所述模具移动以在所述模具中定向凝固所述熔融金属的步骤包括以受控的速度升高所述基座的步骤。

8.如权利要求8所述的反重力铸造方法，其中移动所述坩埚以使所述熔融金属与填充管接触的步骤包括升高所述坩埚以使所述熔融金属与所述填充管接触。

9.如权利要求1所述的反重力铸造方法，其中通过所述填充管将熔融金属向上引导并进入所述模具中的步骤还包括在所述填充室和所述铸造室之间产生压差的步骤。

10.如权利要求9所述的反重力铸造方法，其中所述产生压差的步骤包括在所述铸造室中产生真空条件。

11.如权利要求10所述的反重力铸造方法，还包括在晶粒块和选晶器凝固之后使所述填充室和所述铸造室中的压力均衡的步骤。

12.如权利要求10所述的反重力铸造方法，还包括液态熔融物在所述模具中凝固之后使所述填充室和所述铸造室中的压力均衡的步骤。

13.一种反重力铸造装置，包括：

熔化室；

填充室，其与所述熔化室相邻并且通常相对于重力横向于所述熔化室位移；

铸造室，其相对于重力大致位于所述填充室之上；和

填充管，其位于所述填充室内。

14.如权利要求13所述的反重力铸造装置，还包括柱塞，所述柱塞被设置成将位于所述铸造室中的模具固定在合适的位置。

15.如权利要求14所述的反重力铸造装置，还包括与所述铸造室一起设置的基座。

16.如权利要求15所述的反重力铸造装置，还包括基座室，并且其中所述基座在所述铸造室和所述基座室之间是能够移动的。

17.如权利要求16所述的反重力铸造装置，还包括在所述熔化室和所述填充室之间的互锁件。

18.如权利要求17所述的反重力铸造装置，还包括在所述铸造室和所述基座室之间的互锁件。

19.如权利要求18所述的反重力铸造装置，还包括加压入口，所述加压入口用于控制所述填充室和所述铸造室之间的压差。

20.如权利要求19所述的反重力铸造装置，还包括托架，所述托架用于将所述坩埚从所述熔化室平移到所述填充室。

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