CN113825577A - 通过浇铸金属和外延生长制造部件的模具以及相关的制造工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于通过金属铸造和外延生长制造单晶部件的模具(1)，该模具包括腔体(10)和壳体(12)，将在该腔体(10)中形成部件，该壳体(12)具有在其中设置有单晶籽晶(2)的椭圆形横截面，该籽晶具有由副轴线和主轴线限定的椭圆形横截面，壳体经由圆形横截面的开口(13)与腔体流体连通，熔融金属将流过该开口，单晶籽晶与开口以同一垂直轴线(Z)为中心，其中籽晶的横截面的副轴线和主轴线被定向成单晶体的二次结晶定向的函数，该单晶体形成单晶籽晶。它还涉及相关的制造工艺。

Description

通过浇铸金属和外延生长制造部件的模具以及相关的制造 工艺
技术领域
本发明涉及通过金属铸造来制造单晶部件的工艺的一般领域。本发明特别涉及用于这种工艺的模具。
背景技术
在某些情况下，尤其是在航空涡轮机中，有必要使用具有受控制的单晶结构的金属或金属合金部件。例如，在航空涡轮机的涡轮机喷嘴中，由于叶片经受高温和离心力的作用，叶片必须承受相当大的热机械应力。形成这些叶片的金属合金中受控制的单晶结构限制了这些应力的影响。
为了通过金属铸造生产单晶部件，陶瓷模具可以首先由待生产部件的模型(例如蜡模型)制成。将单晶籽晶(即，在整个籽晶中具有已知且恒定的结晶定向的籽晶)放置在模具中，将熔融金属浇铸在其上，然后填充模具中旨在形成部件的腔体。在冷却期间，金属凝固以及来自单晶籽晶的晶粒的外延生长确保在铸造部件中的结晶定向。
然而，籽晶也可以是在通过这种工艺所获得部件中的缺陷的来源。事实上，当前的籽晶构造可能会导致寄生晶粒的生长，从而传播到铸造部件中。
文献FR 3 042 725公开了一种模具，在该模具中放置有圆柱形的单晶籽晶，并且其尺寸适用于减少这种寄生晶粒的出现。然而，所使用的单晶籽晶必须具有分度元件，比如其在下部的销，该销根据单晶籽晶的结晶定向方向来定向。该分度元件也是所获得部件中的缺陷的来源，因为它也可能是定向凝固时寄生晶粒出现的原因。
因此，需要一种用于通过金属铸造和外延生长来制造部件的模具，以及使用这种模具的制造工艺，它们不具有上述缺点。
发明内容
本发明涉及一种用于通过金属铸造和外延生长制造单晶部件的模具，该模具包括腔体和壳体，将在该腔体中形成部件，该壳体具有在其中设置有单晶籽晶的椭圆形横截面，该籽晶具有由副轴线和主轴线限定的椭圆形横截面，壳体经由圆形横截面的开口与腔体流体连通，熔融金属将流过该开口，单晶籽晶与开口以同一垂直轴线为中心，
其中，籽晶部段的副轴线和主轴线分别确定单晶体的二次结晶定向，该单晶体形成单晶籽晶。
这种模具允许对单晶籽晶的结晶定向进行简单分度，而不需要诸如在圆柱形籽晶上的销或平面的技巧，这将导致部件中的缺陷。籽晶的椭圆形形状也比长方形籽晶产生更少的缺陷，长方形籽晶具有平坦的侧表面(且因此不是椭圆形)，特别是因为很难将其定位在具有小间隙的壳体中。
二次晶体定向可以是形成籽晶的单晶体的<100>和<010>方向。特别地，副轴线和主轴线可以分别与所述二次晶体定向重合，或者可选地与之形成预定的且已知的角度。
在示例实施例中，籽晶的椭圆形横截面可具有大于或等于0.5且小于1的偏心率。这种偏心率允许更容易地定位晶体定向，并减少与复杂模具几何形状兼容的占地面积。
在示例性实施例中，籽晶的椭圆形横截面可具有在0.55和0.82之间的偏心率。
在示例实施例中，对应于籽晶部段的副轴线长度的一半和开口半径之间的差值的阻挡距离可以大于或等于2.4毫米。如果在籽晶的副轴线长度的一半和开口半径之间的差值大于或等于2.4毫米时，寄生籽晶的传播将大大减少。该差值在此被称为“阻挡距离”，因为它是在部件中阻挡寄生晶粒传播的特征。
在示例实施例中，在籽晶与壳体的侧表面之间的间隙可小于或等于0.03毫米。小间隙允许籽晶在壳体中的适当定位，并且也减少了寄生籽晶的传播。
在示例性实施例中，在籽晶的顶部表面与壳体的顶部表面之间的距离包括在5毫米和10毫米之间。这样的距离也减少了寄生晶粒的传播，同时实现了适当的外延。
在示例性实施例中，单晶籽晶可具有绕其顶部边缘的倒角或倒圆。“顶部”理解为是当模具处于垂直位置时位于与基座相对的籽晶一侧的边缘，籽晶搁置在该基座上。该倒圆能够防止尖锐边缘与模具接触，并移除会导致在金属铸造期间出现寄生晶粒的小件模具。
在示例实施例中，模具可用于制造涡轮机叶片。例如，它可以是航空涡轮机喷嘴叶片。
在这种情况下，籽晶的椭圆形横截面可具有在0.55和0.82之间的偏心率，副轴线可具有在13毫米和16毫米之间的长度，而开口可具有在4毫米和5毫米之间的半径，并且在籽晶的顶部表面与壳体的顶部表面之间的距离可能包括在5毫米和10毫米之间。这些参数的组合使制造涡轮机叶片时能够减少与寄生晶粒相关的缺陷数量，并获得坚固的模具。
本发明还涉及通过外延生长制造单晶部件的工艺，该工艺包括以下步骤：
-制造包括腔体和和壳体的模具，将在该腔体中形成部件，该壳体具有在其中设置有单晶籽晶的椭圆形横截面，该籽晶具有由副轴线和主轴线限定的椭圆形横截面，籽晶的横截面的副轴线和主轴线被定向成单晶体的二次结晶定向的函数，该单晶体形成单晶籽晶，壳体经由圆形横截面的开口与腔体流体连通，熔融金属将流过该开口，单晶籽晶与开口以同一垂直轴线为中心，
-将熔融金属铸造到模具中，以及
-对铸造金属进行定向凝固以获得部件。
在示例实施例中，待制造的单晶部件可以是航空部件。“航空部件”理解为是可用于旨在推进飞行器的涡轮喷气发动机的部件，比如航空涡轮机叶片、涡轮环、低压喷嘴、航空燃烧室喷射系统、航空喷射系统部件、法兰、夹紧系统、发动机设备支撑件、整流罩等。
附图说明
通过参照附图的以下描述，本发明的其它特征和优点会显而易见，这些附图示出其非限制性的示例实施例。在附图中：
[图1]图1是表示根据本发明的工艺的各个步骤的流程图。
[图2]图2是根据本发明的模具的示意性剖视图，该模具设置在定向凝固炉中。
[图3]图3示出了使用在根据本发明实施例的模具中的单晶籽晶。
[图4]图4是图2在单晶籽晶壳体处的放大图。
[图5]图5是根据本发明实施例的模具的壳体的俯视图。
具体实施方式
现在将在通过金属铸造和外延生长制造单晶部件的工艺的上下文中描述本发明。在所示示例中，重点是制造由金属合金(例如，比如是商用合金“AM1”的镍基合金)制成的单晶体的航空涡轮机喷嘴叶片。在图1的流程图中总结了这一工艺的步骤。
以其本身已知的方式，通过金属铸造和外延生长的制造工艺的第一步包括获得待制造部件的模型，例如蜡模型(步骤E1)。
然后用陶瓷外壳覆盖蜡模型(步骤E2)，例如通过连续浸在合适的浆液中并且用陶瓷粉末敷砂。然后烧制用于壳体装配的模型并脱碳(步骤E3)，即移除所得陶瓷模具中的蜡。
图2至图4示出了从蜡模型获得的根据本发明的模具1的示例。陶瓷模具1特别包括一个或多个腔体10(此处两个腔体如图1所示)，该腔体10具有待制造部件(此处为航空涡轮机喷嘴叶片)的形状，这些腔体在其顶端打开，并通过进入锥形部件或杯状件11的通道彼此连接。在到达腔体10之前，在杯状件11中的金属将被随后铸造。
模具1还包括壳体12，单晶籽晶2插入在该壳体12中(步骤E4)。壳体12的数量通常与腔室10的数量相同。壳体12位于腔体10下方，并经由开口13与其上方的腔体流体连通，以便液态金属可以从腔体10引入壳体12。连接开口13与腔体10的通道在此是圆柱形形状的。需要注意的是，模具1不具有螺旋型晶粒选择管道。
壳体12和单晶籽晶2是椭圆形的形状(即，它们在其整个高度上具有恒定的椭圆形横截面)。壳体12和籽晶2的尺寸接近，以便在壳体12的侧壁和籽晶2之间留出尽可能小的间隙J(图5)，以防止液态金属在铸造期间渗入籽晶2周围，并在金属凝固期间产生寄生晶粒。该间隙J可能小于或等于0.03毫米。
在模具1的基部有基座14，该基座14将籽晶2保持在壳体12中并且当其在垂直位置时也支撑整个模具1。
如图3中的透视图所示的籽晶2具有椭圆形横截面，该椭圆形横截面具有副轴线P1和主轴线P2。枝状晶2a以虚线示出在籽晶的顶部表面上，示意性地表示为单晶体的二次结晶定向，该单晶体形成籽晶2。因此，枝状晶限定了对应于结晶定向<100>的方向X、对应于定向<010>的方向Y、以及垂直于方向X和Y的方向Z，该方向X和Y对应于定向<001>。在该示例中，副轴线P1和主轴线P2分别与方向Y和X重合。限定籽晶2(以及壳体12)的椭圆形的偏心率优选地包括在0.5和1(不含)之间，且对于所设想的应用而言，更优选地包括在0.55和0.82之间。这里，籽晶2具有绕其顶部边缘的倒圆2b。替代地，籽晶板2可具有倒角而不是倒圆。通常，籽晶2不完全占据壳体12，并且在籽晶2的顶端和开口13之间提供有空间且液态金属可以浇铸在其中。
图4示出了其中设置有籽晶2的壳体12的详细视图。籽晶2和开口13以同一垂直轴线Z为中心。
籽晶单元2具有长度Lg，该长度Lg例如包括在40和45毫米之间。开口13(或壳体12的顶壁)可与籽晶2的顶部表面以5毫米到10毫米之间的距离d分离，以实现适当的外延。开口13可以例如延伸超过5毫米量级的长度Ld。优选地，开口的半径Rd大于或等于4毫米，以减少开口对模具1的强度的影响。更优选地，开口的半径Rd小于或等于5毫米，以确保熔融金属正确填充模具1。籽晶2的副轴线P1可具有大于13毫米的长度以提高模具1的可靠性。
阻挡距离Db(图5)限定为籽晶的副轴线(P1)/2与开口的半径Rd之间的差值：Db＝(P1)/2–Rd。该阻挡距离是寄生晶粒从籽晶壳体12传播到腔体10的特征量。阻挡距离Db可以大于或等于2.4毫米，以确保更好地阻挡寄生晶粒。
一旦籽晶2被插入并定向到它们的壳体12中，将在其基座14上的整个模具1放置在定向凝固炉子3的可移动板30上。有利地，炉子3具有顶部窗口31，金属可以通过该窗口倾倒到模具1中。可移动板30允许将模具1从炉子3的热封壳中快速移除，以调节其温度。板30可以是冷却铜板。籽晶2可以例如通过胶粘固定到板30。
模具1在炉子3中加热，液态金属40通过炉子窗口31从坩埚4倾倒到模具1中(步骤E5)。籽晶2的壳体12填充有金属，紧接的是将在其中形成部件的腔体10。为了降低模具1的温度并控制模具中金属的凝固，例如通过降低可移动板30而将模具1逐渐从炉子3中移除(步骤E6)。
在定向凝固期间，金属晶粒将通过籽晶的外延而生长，该籽晶的结晶定向是已知的并受控制的。通过考虑根据本发明的模具的特定尺寸，避免了定向不受控制的寄生晶粒的生长，并且在剥离后获得具有受控制的单晶结构的部件。
模具剥离后(步骤E7)，可执行常规精加工(步骤E8)以获得成品单晶部件。
在测试过程中，将由镍基金属合金AM1制成的涡轮机叶片铸造在模具中，比如图2和图3所示的由陶瓷制成的模具1。限定籽晶2和壳体12的椭圆形的偏心率约为0.75的量级，开口的半径约为4.5毫米的量级，副轴线具有14.5毫米的长度，在籽晶2的顶部表面与壳体的顶部表面之间的距离为6毫米。在该示例中，用于执行铸造和定向凝固的炉子温度介于1480℃与1600℃之间。所生产的模具是坚固的，与使用具有平面的圆柱形籽晶时相比，所获得的叶片具有较少的缺陷，特别是与寄生晶粒的传播有关的缺陷。

Claims (10)

1.一种用于通过金属铸造和外延生长制造单晶部件的模具(1)，所述模具包括腔体(10)和壳体(12)，将在所述腔体(10)中形成所述部件，而所述壳体(12)具有在其中设置有单晶籽晶(2)的椭圆形横截面，所述籽晶具有由副轴线(P1)和主轴线(P2)限定的椭圆形横截面，所述壳体经由圆形横截面的开口(13)与所述腔体流体连通，熔融金属将流过所述开口(13)，所述单晶籽晶与所述开口以同一垂直轴线(Z)为中心，
其中，所述籽晶部段的所述副轴线和所述主轴线分别确定所述单晶体的所述二次结晶定向(X、Y)，所述单晶体形成所述单晶籽晶。
2.根据权利要求1所述的模具，其特征在于，所述籽晶(2)的所述椭圆形横截面具有大于或等于0.5且小于1的偏心率。
3.根据权利要求2所述的模具，其特征在于，所述籽晶(2)的所述椭圆形横截面具有在0.55与0.82之间的偏心率。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的模具，其特征在于，对应于所述籽晶段的所述副轴线长度的一半(P1/2)与所述开口(13)半径(Rd)之间的差值的阻挡距离(Db)大于或等于2.4毫米。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的模具，其特征在于，在所述籽晶与所述壳体的侧表面之间的间隙(J)小于或等于0.03毫米。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的模具，其特征在于，在所述籽晶的顶部表面与所述壳体的顶部表面之间的所述距离(d)包括在5毫米与10毫米之间。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的模具，其特征在于，所述单晶籽晶(2)具有绕其顶部边缘的倒角或倒圆(2b)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的模具，其特征在于，所述模具用于制造涡轮机叶片。
9.根据权利要求8所述的模具，其特征在于，所述籽晶(2)的所述椭圆形横截面具有包括在0.55与0.82之间的偏心率，所述副轴线(P1)具有包括在13毫米与16毫米之间的长度，所述开口(13)具有包括在4毫米与5毫米之间的半径(Rd)，并且在所述籽晶的顶部表面与所述壳体的顶部表面之间的所述距离(d)包括在5毫米到10毫米之间。
10.一种通过外延生长制造单晶部件的工艺，所述工艺包括以下步骤：
-制造(E2)包括腔体(10)和壳体(12)的模具(1)，将在所述腔体(10)中形成所述部件，而所述壳体(12)具有在其中设置有单晶籽晶(2)的椭圆形横截面，所述籽晶具有由副轴线(P1)和主轴线(P2)限定的椭圆形横截面，所述籽晶的所述横截面的所述副轴线和所述主轴线被定向成所述单晶体的所述二次结晶定向(X、Y)的函数，所述单晶体形成所述单晶籽晶，所述壳体经由圆形横截面的开口(13)与所述腔体流体连通，所述熔融金属将流过所述开口(13)，所述单晶籽晶与所述开口以同一垂直轴线(Z)为中心，
-将熔融金属铸造(E5)到所述模具中，以及
-对所述铸造金属进行定向凝固(E6)以获得所述部件。
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