CN1514753A - 真空下在各向同性石墨模具中离心浇铸具有更好的表面质量、更高的结构完整性和更高机械性能的镍基超耐热合金 - Google Patents

真空下在各向同性石墨模具中离心浇铸具有更好的表面质量、更高的结构完整性和更高机械性能的镍基超耐热合金 Download PDF

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Abstract

本发明涉及通过在真空箱(50)中或惰性气氛低压下熔融合金(60)，随后在真空或惰性气氛低压下在沿轴旋转的石墨模具中离心浇铸熔体，使各种镍基超耐热合金成型为工程部件如环、管子和导管(70)的加工方法。模具通过机加工高密度、高强度超细颗粒各向同性石墨制造，其中石墨通过等压压制或振动成型。

Description

真空下在各向同性石墨模具中离心浇铸具有更好的表面质量、更高的结构完整性 和更高机械性能的镍基超耐热合金
本申请要求在2001年6月11日提交的美国临时专利申请60/296,770的优先权，在此作为参考文献。
I. 发明的领域：
本发明涉及一种方法用于将金属合金如镍基超耐热合金成型为中空管、圆筒、导管、环和相似的管状产品，通过在真空和惰性气氛低压下熔融合金，随后在真空或惰性气氛低压下在由细颗粒高密度、高强度各向同性石墨加工成的沿轴旋转的模具中离心浇铸熔体。还涉及包括各向同性石墨模具内的离心浇铸模具设备。
II. 发明的背景：
镍基超耐热合金成型部件如无缝环、中空管和导管等在喷气式发动机、石油工业和化学工业中有许多工程应用，并可用作其它高性能部件。成份复杂的高合金镍基超耐热合金成型为无缝环以满足在喷气式发动机上的应用，如涡轮罩、密封圈和密封环。图1为涡轮罩10和压缩机罩20的示意图。涡轮罩10是由高温镍基超耐热合金制成的。附图2示出了由高温镍基超耐热合金制成的涡轮罩30的示意图。无缝环可以是扁平的(象一个垫圈)，也可以具有更高的垂直壁(象一个中空圆筒的一部分)。轧制环(rolled ring)的高度从小于1英寸到大于9英尺。尽管用特殊的工艺可以获得更大的比例，但根据使用的装置不同，环的壁厚与高度之比一般在1∶16到16∶1之间变化。
锻造圆环的两个基本工艺不仅在装备上有所不同，在生产规模上也不同。其还称作环锻造(ring forging)，在压机上使用鞍形芯轴的锻造工艺特别适合于大截面和小批量制件。即：一个锻造的穿孔的环形毛坯放置在芯轴上，末端支撑在鞍部。环在每个冲程之间旋转，压力锤或上模使金属环按扩展的芯轴变形，壁厚减小，环直径增大。
连续环轧时，在特殊设计的设备上，通过减小驱动轧辊和从动轧辊之间的穿孔毛坯的厚度生产无缝环。附加辊(径向和轴向)控制高度，使截面具有特殊设计的轮廓。环轧辊非常适合大批量生产和带有特定截面的环的生产，但也不限于此。实际上，环轧生产无缝环精度非常高或接近于最终尺寸。图3A-3G为无缝轧环锻造工艺流程图。图4示出了一个正在加工的环轧机。
图3A-3G示出了制造环40的无缝轧环工艺流程。图3A为锻造毛坯42放置在扁平模板上，在其塑性变形温度下——如1020号钢，大约2200°F，制成相对更扁平的坯料43的环轧工艺。图3B为在相对更扁平的坯料43上冲孔，压冲头45进入热的锻造坯料使金属径向变形，如图所示。图3C为下一步操作，称为用剪切冲床46剪切，以移出小的冲出物43A，形成环形坯47。图3D表示移出小的冲出物43A生产一个穿过环形坯47的通孔，它将准备进行环轧操作。在这一点上，环行坯47称作预制件47。图3E为圆环形预制件47沿内径辊48滑动的俯视图。图3F为环形压机与预制件47的侧视图，环形压机挤压工件47使其抵在旋转的外径辊49上。图3G为旋转造成的截面变薄，同时相应地增大环40的直径。一旦脱离环形压机，环40就准备第二步操作，如精公差定径、脱模、热处理和测试/检测。
图4为环40的压轧锻造机在工作中的照片。
即使基本形状为矩形截面很普通，但为了满足实际设计的需要，也可以通过机加工或由简单环锻造生产复杂环、功能性截面。也可以说，可以生产在内径和/或外径上有不同形状的特定截面的轧环。
由锻造钢锭生产超耐热合金环要求有多个环轧步骤。这些合金热加工困难，不能进行每一步环轧锻造造成的小的热变形。每步变形操作之后，在再加热环进行下一个热锻造周期之间需要研磨延伸环的外径和内径以除去氧化层和锻造缺陷。因为需进行复杂的制造步骤，因此生产成本非常高且产量低。一般，直径60英寸的环重250磅，适合用作大型喷气发动机罩，如通过环轧锻造加工，起始料坯重2000磅。锻造过程中昂贵材料的高损失造成最终制品的高成本。
管子生产的传统路线一般包括氩氧脱碳熔融、连续浇铸、热轧、钻孔及挤压。该路线主要用于直径大于250mm管子的大规模生产。尽管如此，复杂的镍基超耐热合金，倾向于宏观偏析(macrosegregation)，难于或不可能热加工。
离心浇铸弥补了传统制管工艺的不足，并在管直径和壁厚方面具有相当的灵活性。离心浇铸管的机械性能一般与传统铸造和热加工材料的相同。离心浇铸体的均匀性和密度与锻造材料的相当，并具有机械性能各向同性的优点。尽管许多工程的铁和非铁合金适合利用空气熔融浇铸工艺，能在空气中用离心浇铸按传统的工艺成型管。但复杂的镍基超耐热合金需要在真空中熔融和浇铸。此外，在安装有高纯度陶瓷的离心模具高速旋转期间，高反应性的镍基超耐热合金熔体有可能造成陶瓷衬片破裂和碎裂，导致浇铸管外表面非常粗糙的形变。陶瓷衬片从模具碎裂也能造成固化超耐热合金内部凹陷，作为有害的包含物，它将显著降低最终制品的断裂韧性。
这就需要有一个改进的低成本的将高合金材料如镍基超耐热合金制成管状和具有简单或复杂截面的无缝环的加工工艺，该无缝环能便易地机加工成最终形状适合用于喷气发动机和其它高性能工程应用。
本申请中的超耐热合金具有传统的意义，指为高温环境下使用开发的一类合金，尤其指1000°F下延伸强度大于100ksi的合金。镍基超耐热合金广泛应用在燃气涡轮发动机上，使用寿命至少50年。这里的超耐热合金指含有大量γ′增强相(Ni3Al)，γ′增强相体积含量最好在30-50％之间的镍基超耐热合金。这类合金的代表性合金包括镍基超耐热合金，其中许多含有至少5％(重量含量)的铝和一种或多种其它合金元素，如钛、铬、钨、钽等，它们通过固熔退火增强。这类镍基超耐热合金在Duhl等发明的美国专利US4,209,348和US4,719,080中有所描述，此处将二者列为参考文献。其它镍基超耐热合金为熟练技术的人员所熟悉，在1987年John Wiley &Sons出版社发行的Sims等著的“Sueralloys II”中有所描述，这里也列为参考文献。
其它参考的与超耐热合金及其加工工艺有关的参考文献如下：
“Investment-cast superalloys challenge wrought materials”，Advanced Materials andProcess，No.4，pp.107-108(1990)
“Solidification Processing”，editors B.J.Clark and M.Gardner，pp.154-157 and172-174，McGraw-Hill(1974)
“Phase Transformations in Metals and Alloys”，D.A.Porter，p.234，Van NostrandReinhold，(1981)
Nazmy et al.，The Effect of Advanced Fine Grain Casting Technology on the Static andCyclic Properties of IN713LC.Conf：High Temperature Materials for Power Engineering1990，pp.1397-1404，KluwerAcademic Publishers(1990)
Bouse & Behrendt.Mechanical properties of Microcast-X alloy 718 fine graininvestment castings，Conf：Superalloy 718：Metallurgy and applications，Publ：TMSpp.319-328(1989).
Abstract of U.S.S.R.Inventor’s Certificate 1306641(Published Apr.30，1987).
WPI Accession No.85-090592/85 & Abstract of JP 60-40644(KAWASAKI)(Published Mar.4，1985).
WPI Accession No.81-06485D/81 & Abstract of JP 55-149747(SOGO)(PublishedNov.21，1980).
Fang，J：Yu，B Conference：High Temperature Alloys for Gas Turbines，1982，Liege，Belgium，Oct.4-6，1982，Publ：D.Reidel Publishing Co.，P.O.box 17，3300 AA Dordrecht，The Netherlands，pp.987-997(1982).
还包括下面列为参考文献的超耐热合金加工技术，许多较新的工艺成本相当高。
US3,519,503描述了一个生产复杂形状超耐热合金的等温铸造工艺。该工艺现已得到广泛应用，在现在操作过程中要求起始材料用粉末冶金技术生产。对粉末冶金技术的依赖性使该工艺成本较高。
US4,574,015是关于通过在合金中形成过老化微孔结构从而改进超耐热合金可铸造性的方法。γ′相颗粒尺寸比通常观察到的大大增加。
US 4,579,602是有关超耐热合金过老化热处理铸造顺序的。
US 4,769,087描述了另一种超耐热合金铸造顺序。
US 4,612,062描述了由镍基超耐热合金生产细颗粒的铸造顺序。
US 4,453,985描述了一个生产细颗粒产品的等温铸造工艺。
US 2,977,222描述了一类超耐热合金，类似于本发明工艺有特殊适应性的合金。
众所周知，利用离心浇铸使金属成型，即熔融金属倾倒入旋转的中空模腔。离心浇铸具有分离杂质的优点，因为杂质密度比浇铸金属的低，因此杂质从浇铸体分离，向旋转轴集中。此外，不需芯模离心浇铸就能生产控制壁厚的中空浇铸体，如果需要，旋转模腔可以完全充满，制造无芯腔的形状。可以除去任一浇铸制件中含有杂质的部分，如通过机加工。
迄今为止，为了使金属成形，这类离心浇铸使用相对简单的外表面构形如普通圆筒形的永久性模具。在钢制容器内使用一定形状的沙模，可以生产较复杂构形的浇铸体外表面，但生产沙模中移去硬质部件如木材的困难、复杂性和成本造成这种工艺的局限性，即使将硬质部件制成折叠的便于移去的。
要求通过离心浇铸生产的金属成型件具有比迄今可能的或经济上可能的形状要相对更复杂和精度更高，特别是中空形状如气体涡轮发动机罩。
这里列为参考文献，授予Beighton的US6,116,327描述了一种金属成型技术，包括向安装在容器中的陶瓷壳模浇铸熔融金属，沿轴旋转容器和壳模，允许金属在壳模中固化，之后移去，如打破壳模露出金属成型件。陶瓷壳模的制造工艺包括：由可弯曲塑性变形材料造成所需形状的模型，支撑在芯模上，在模型上至少涂覆一层可硬化的不熔材料以在其表面形成一层硬壳，移去支撑芯模，通过模型的塑性变形将其从壳中移出。模型的制造：在所要求形状的主模中成型模型，模型定型后，通过塑性变形将其从主模中移出。
在此列为参考文献的Hugo等的专利US5,826,322描述了由金属镧、铝、硼、铬、铁、钙、镁、锰、镍、铌、钴、钛、钒、锆及它们的合金浇铸(10)生产颗粒的方法。这些金属以定向的方式固化，尤其是生产磁性材料、储氢元素、电池电极。依照离心浇铸机理，将金属熔体在非反应性气氛中引入至少本质上是圆筒的冷却表面内(9)。圆筒沿转动轴高速旋转，实际上熔体沿径向固化方向自外向内冷却。中空浇铸体(10)缩小为颗粒。熔体最好引入旋转的冷却表面(9)一定的厚度，不大于冷却表面直径(9)的10％，最好是不大于5％，冷却表面(9)的直径至少200mm，最好是至少500mm。
石墨在蜡模铸型中的应用在授予Lirones的US 3,241,200；US 3,243,733；US3,265,574；US 3,266,106；US 3,296,666；US 3,321,005中有所描述。这里全部列入参考文献。授予Operhall的专利US3,257,692、授予Zusman等的专利US3,485,288、授予Morozov等的专利US 3,389,743描述了用石墨粉和细粒无机粉“灰泥”制备的炭化模具表面，这里也列入参考文献。
在这里列入参考文献的授予Winkelbauer等的专利US4,627,945描述了由铝和1-30％(重量分数)的煅烧流化床焦炭及其它成分制备注塑耐熔盖管的工艺。该专利还描述了众所周知的由铝和15-30％(重量分数)片状石墨及其它成分混合物制备等压压制耐熔盖管的工艺。
III 本发明的最优目的：
本发明的目的是在真空或惰性气氛低压下，在沿轴旋转的各向同性石墨模具中离心浇铸镍基超耐热合金成型管、导管和环。
本发明的另一个目的是提供一套离心成型设备，其包括各向同性石墨模具。
IV 发明的概述：
本发明涉及在真空下诱导熔融合金，随后在真空下将熔体离心浇铸入沿轴旋转的由细颗粒高密度、高强度各向同性石墨加工成的模具中，将各种金属合金如镍基超耐热合金成型为工程部件如中空管、圆筒、导管、环和相似的管状产品的工艺。尤其是，本发明涉及使用高密度、高强度各向同性石墨。图5为依据本发明领域，在真空下离心浇铸镍基超耐热合金入旋转的各向同性石墨模具制备管状浇铸体的示意图。
熔融金属从真空箱的导管经流槽倾倒入旋转的各向同性石墨模具。离心浇铸时，真空下熔融金属倒入时各向同性石墨金属模具在水平、垂直或倾斜位置高速旋转。旋转轴可以在水平方向或与垂直位置有一定夹角的倾向方向。倾倒入旋转模腔的熔融金属在离心力的作用下紧贴模具壁。旋转速度和金属倾倒速度随合金和浇铸形状改变。
当熔融金属合金倾倒入旋转各向同性石墨模具时，模塑速度增大。离心力造成金属覆盖在模具表面。连续倾倒熔融金属增大浇铸方向的厚度。旋转速度变化有时高于浇铸体外表面重力的150倍。
一旦金属布满模具表面，立即开始固化。随着向孔腔推进，金属流入固—液界面。这与施加的离心力相结合，沿壁面得到一个完好的致密的结构，杂质通常聚集在靠近内表面处。如果对内表面有要求可通过钻孔将固化制件的内层除去。从而，固化和修复中空浇铸管。
对于特别设计的机械形状，离心浇铸使镍基超耐热合金具有下列独特的优点：
适合真空下静态倾倒的任一合金，依据本发明可以离心浇铸成型为管状制品、环和管；
依据本发明离心浇铸的镍基超耐热合金的机械性能优异。
离心浇铸镍基超耐热合金几乎可以成型任一要求的长度、厚度和直径。因为模具仅成型外表面和长度，因此在同一模具可浇铸许多不同壁厚的制品。该工艺的离心力保持浇铸件中空，不需芯轴。
水平离心浇铸技术适合生产长的超耐热合金管。长度和外径由模腔尺寸决定，内径由倾倒入模腔的熔融金属量确定。
还可以在立式浇铸机上生产非圆柱体和管状制品。可以使用离心浇铸工艺的这种变化生产浇铸体如可控制的倾斜螺旋浆毂(pitch propeller hub)。
可以通过引入凸缘或小的凸台改变浇铸体外表面或模具表面的纯圆形，但它们必须沿轴对称以保持平衡。浇铸体的内表面通常是圆筒形。在半离心浇铸工艺中，使用芯模赋予浇铸体内表面一定形状而不是纯的圆筒形。
离心浇铸的均匀性和密度接近锻造材料，此外还具有机械性能在各个方向基本相同的优点。一旦掌握基本原理，大多数合金可以使用离心工艺实现成功浇铸。由于没有使用浇口和冒口，金属浇铸的产量或产率高。
高切向强度和延展性使离心浇铸镍基超耐热合金非常适合用作扭矩和耐压部件，如齿轮、航天器轴承、轮轴轴承、联结器、旋转垫片、密封盘和密封件、凸缘、压力管道和阀体。
超耐热合金熔体与高密度、超细颗粒各向同性石墨模具不反应，因此，模具可以重复使用许多次，这样与传统工艺相比，离心浇铸超耐热合金部件的制造成本显著降低。可以制造接近最终形状部件，不需后续操作步骤如机加工。
V 附图的简要说明
图1为涡轮机罩和压缩机罩。
图2为喷气涡轮发动机罩。
图3A-3G为无缝轧环锻造工艺示意图。
图4为正在操作的环轧成型机。
图5为与本发明有关的离心浇铸设备示意图。
图6为与本发明有关的进一步表明旋转模具电机的离心浇铸设备截面的示意图。
图7为两个纵向分离件的模具。
图8为两个横向分离件的模具。
VI 最佳实施例的详细描述
A 石墨
最好用各向同性石墨作为本发明模具的主体，原因如下：
等压压制的各向同性石墨具有细的颗粒(3-40微米)，然而，由相对粗的碳颗粒制造的挤压石墨有粗的颗粒(400-1200微米)。各向同性细颗粒石墨具有比其它级石墨，如挤压工艺制备的石墨，更高的强度和更好的结构均一性，因为存在细颗粒、更高的密度和更低的孔隙率，同时没有疏松键合的碳颗粒。
与挤压石墨相比，由于各向同性细颗粒石墨的高硬度、细颗粒和低孔隙率，因此可以加工成非常光滑的表面。尤其是，本发明设计涉及使用高密度。超细颗粒各向同性石墨模具，高纯度石墨(含有可忽略的杂质元素)通过等压压制工艺制备的。高密度(从1.65-1.9gm/cc，一般1.77-1.9gm/cc)，低孔隙率(小于15％，一般小于13％)、高弯曲强度(在5500psi与20,000psi之间，一般7000-20,000psi)、高压缩强度(大于9000psi通常在12000到35000psi之间，最好在17,000-35,000psi)和细颗粒(粒径从3-40微米，最好3-10微米)是等压压制石墨的一些特性，这使它适于用作离心浇铸超耐热合金用模具。石墨材料的其它优点是高热冲击性、耐磨和耐化学品性以及被液态金属的浸润性最小。
有关各项同性石墨的参考文献包括授予Carlson等的美国专利US 4,226,900、授予Okuyama等的US 5,525,276和授予Stiller等的US 5,705,139，这些都列入参考文献。
各向同性细颗粒石墨是按下列步骤生产的合成材料：
(1)由煤中提取的细颗粒焦炭研磨成细的颗粒，用浮选工艺将灰份和细颗粒分离，由焦炭研磨的细颗粒与粘合剂(焦油)混合，成为均匀分布的颗粒。
(2)在室温下将混合物等压压入湿的压缩盒里。
(3)湿压缩盒在1200℃焙烧，使其炭化和致密化。粘合剂转化成炭。焙烧过程中将原来的炭结合在一起成为一个实体(类似于金属粉末的烧结工艺)。
(4)致密化的炭制件随后在2600℃下石墨化。石墨化是由炭形成有序石墨层的过程。颗粒边界周围的粘合剂中的炭也转化为石墨。最终制品接近为100％的石墨(在石墨化期间，粘合剂中的炭全部转化为石墨)。
挤压石墨是依据下列步骤合成的：
(1)粗颗粒焦炭(研磨的与精制的)与沥青混合，热挤压入湿压缩盒。
(2)湿压缩盒在1200℃焙烧，使其炭化和致密化。粘合剂(沥青)也炭化。
(3)焙烧的压缩盒石墨化为制品，它具有高孔隙率盒结构性缺陷。将其浸渍沥青以填充孔隙并提高强度。
(4)浸渍的石墨再在1200℃焙烧，使沥青炭化。
(5)最终制品(挤压石墨)含有约90-95％的石墨盒约5-10％的疏松结合炭。
由等压压制的各项同性石墨和挤压石墨制备的各项异性石墨的典型物理性质在表1和表2中列出。
表1 等压压制的各项同性石墨的特性
等级  密度(gm/cc)  邵氏硬度  弯曲强度(psi)  压缩强度(psi)  颗粒尺寸(微米)  导热系数ft-hr-F  孔隙率(开孔)
R8500  1.77  65  7250  17400  6  46  13％
R8650  1.84  75  9400  21750  5  52  12％
R8710  1.88  80  12300  34800  3  58  10％
表2 挤压制备的各项异性石墨的特性
等级  密度(gm/cc)  邵氏硬度  弯曲强度(psi)  压缩强度(psi)  颗粒尺寸(微米)  导热系数ft-hr-°F  孔隙率(开孔)
HLM  1.72  87  3500  7500  410  86  23％
HLR  1.64  58  1750  4500  760  85  27％
本发明的有关参数如无特殊说明依据下列标准测试：
压缩强度依据ASTM C-695测试。
弯曲强度依据ASTM C 651测试。
热导率依据ASTM C-714测试
孔隙率依据ASTM C-830测试。
剪切强度依据ASTM C273，D732。
邵氏硬度依据ASTM D2240测试。
颗粒尺寸依据ASTME 112测试。
热膨胀系数依据E 831测试。
密度依据ASTM C838-96测试。
氧化极限依据ASTME 1269-90测试。
在超速下的维卡微观硬度依据ASTM E384测试。
等压压制或振动成型的各向同性石墨具有细的各向同性颗粒(3-40微米)，而由相对粗的碳颗粒挤压生产的石墨具有粗的各向异性颗粒(400-1200微米)。
由于各向同性石墨中不存在上述的疏散结合碳颗粒，同时颗粒更细、密度更高和孔隙率更低，因此比挤压各向异性石墨具有更高的强度和结构均匀性。
当液态金属浇铸入挤压石墨模具中时，模具壁与熔体之间的界面易受剪切和压缩应力，这造成界面处的石墨断裂。石墨颗粒和从模具壁扯去的疏松结合炭被吸入热的熔体中，开始与金属中的氧化颗粒反应，生成二氧化碳气泡。这些气泡合并，作为孔隙裹带入固化的浇铸体中。
由于高的固有强度和不存在疏松结合碳，各向同性石墨能耐液态金属剪切作用造成的腐蚀和断裂，优于挤压石墨，因此在各向同性石墨模具中制备的浇铸体与在挤压石墨模具中制备的浇铸体相比，具有更少的浇铸缺陷和更低的孔隙率。
其它与各向同性石墨有关的信息在2002年5月14日申请的美国专利申请号为10/143,920的专利文献中描述，这里列为参考文献。
B 合金
有许多种镍基超耐热合金。
镍基超耐热合金含有10-20％的铬，高于约8％的铝和/或钛，一种或多种低含量元素(总含量为0.1-12％)如硼、碳和/或锌，以及少量的(总含量为0.1-12％)的一种或多种合金元素如钼、铌、钨、钽、钴、镭、铪和铁。还可能有几种痕量元素如锰、硅、磷、硫、氧和氮，通过好的熔融操作必须控制它们的含量。还可能有不可避免的杂质元素，这里杂质元素每一种含量都低于0.05％，合计不超过0.15％。除非特别说明，在本发明中所有的组成百分数为重量百分数。
C.模具
一般按以上描述的工艺制备各向同性石墨块，在石墨块上机加工出模腔制成各向同性石墨模具。如果希望，为了有模腔，可以在各向同性石墨变形工程中早期压制。
图5和图6分别为本发明中模塑中空管70，110的旋转离心模具示意图。
图5为本发明范围内，真空下在旋转的各向同性石墨模具中浇铸镍基超耐热合金成型中空管70所用的离心真空浇铸设备示意图。
熔融金属60从真空箱50的导管经流槽倾倒入旋转的各向同性石墨模具80。离心浇铸时，真空下熔融金属60倒入时，各向同性石墨金属模具80在水平、垂直或倾斜位置高速旋转。旋转轴可以是水平的或与垂直位置有一定夹角的倾向方向。倾倒入旋转模腔的熔融金属60在离心力的作用下紧贴模具壁80。旋转速度和金属倾倒速度随合金和浇铸形状改变。
当熔融金属合金60倾倒入旋转各向同性石墨模具80时，模塑速度增大。离心力造成熔融金属60覆盖在模具表面。连续倾倒熔融金属增大浇铸方向的厚度。旋转速度变化有时高于浇铸体外表面重力的150倍。
一旦金属60布满模具表面，立即开始固化。随着向孔腔推进，金属流入固—液界面。这与施加的离心力相结合，沿壁面得到一个完好的致密的结构，杂质通常聚集在靠近内表面处。如果对内表面有要求可通过钻孔将固化制件的内层除去。从而，固化和修复中空浇铸管70。
图6为包含在固定器13中的中空各向同性石墨圆筒110的模具102。固定器130与电动机120的轴122相连。熔融金属(图5中示出的，图6中没示出)从导管150经流槽140倾倒入各向同性石墨圆筒110的模腔中。圆柱体与联接轴122的固定器130相连。电动机120驱动轴，轴又带动圆筒110以对离心浇铸来讲足够的速度运动。也就是说，有足够的速度驱动熔体在其冷却和固化时沿圆筒110的轴向内壁形成一致的厚度。模具一般由两部分组成。在旋转过程中，两部分由固定器130和/或其它辅助手段，如支柱(未示出)固定在一起。熔体固化后，圆筒110打开，将金属管状制品取出。例如，模具110可以制成图7所示的两个轴向分离的部分或图8所示的两个横向分离的部分。因此，石墨圆筒110可以重复使用。
D 模具的使用
倾倒熔融金属入石墨模具，在浇铸过程中模具沿轴旋转生产离心浇铸体。
使用任一能获得均匀的熔体，并不氧化或其它损害合金的传统工艺熔融合金。例如，一种较好的加热方法是真空诱导熔融，真空诱导熔融是一种众所周知的合金熔融工艺，具体描述见下列参考文献：D.P.Moon et al，ASTM Data Series DS 7-SI，1-350(1953)；M.C.Hbeisen et al NASA SP-5095，31-42(1971)；R.Schlatter，“VacuumInduction Melting Technology of High Temperature Alloys”Proceedings of the AIMEElectric Fumace Conference，Toronto(1971)。
其它合适的加热工艺包括“等离子真空电弧再熔融”技术和诱导凝壳熔炼法。
选用的镍基超耐热合金用熔融技术在真空下熔融，液态金属在真空或部分真空下倾倒入加热的或未加热的石墨模具中。在部分真空情况下，液态金属在低压惰性气氛中浇入模具。
模塑在真空或部分真空下开始。浇铸期间模具离心旋转。由于离心运动，倾倒入模具中的熔融合金将受到离心力，从设备中心轴进入放置在圆周的各个模腔。这提供了一种在各个模腔内增大填充压力的手段，并允许再生产精细结构。
因此，所选合金在熔融态真空离心浇铸入各向同性石墨模具中，这里模具沿轴旋转，可以生产合金的管状制品。
旋转轴可以在水平方向或与垂直位置有一定夹角的倾斜方向。倾倒入旋转模腔的熔融金属在离心力的作用下紧贴模具壁。旋转速度和金属倾倒速度随合金和浇铸形状改变。模塑期间，模具一般的转速为10-3000转/分。可以利用旋转速度控制金属的冷却速率。
纯粹离心浇铸体的内表面是圆筒状的。在半离心浇铸中，使用芯模赋予浇铸体内表面一定形状而不是纯的圆柱体。本发明的离心浇铸包括纯粹的离心浇鋳/或半离心浇铸。
离心浇铸的均匀性和密度接近锻造材料的，此外还具有机械性能在各个方向基本相同的优点。从接触模具的外表面方向性固化的结果是浇铸体的质量异常好，没有浇铸缺陷。
本发明中的高纯度、高密度各向同性石墨模具材料增强了固化过程中与液态金属之间的非反应性。因此，与传统陶瓷模具浇铸工艺相比，本发明工艺生产的浇铸体的表面非常光滑质量高。各向同性石墨模具与熔融镍基超耐热合金的反应性非常小，使用后几乎不受磨损和腐蚀，因此可重复使用许多次以制造具有高质量的所述合金的离心浇铸件。而传统陶瓷模具，对于制备超耐热合金浇铸件，只能使用一次。
此外，熔体快速冷却造成的细颗粒结构有利于改进机械性能，如对于许多镍基超耐热合金，高强度使其适合用作喷气发动机部件。
离心浇铸体的均匀性和密度接近锻造材料的，此外还具有机械性能在各个方向基本相同的优点。从与模具接触的外表面的定向固化使浇铸体的质量异常好，并且没有浇铸缺陷。
实施例1
在真空下各向同性石墨模具中适合用离心浇铸技术生产具有高度均匀性和高质量部件的各种镍、钴和铁基超耐热合金列于表3
表3  (组分以重量百分数表示)
合金  镍  铬  钴  钼  钨  铁  碳  铽+铌  铝  钛  硅  其它
IN738  63  16  8.5  1.75  2.6  0.5  0.13  2.6  3.45  3.45  0.2  0.1   铪
Rene80  60.5  14  9.5  4.0  4.0  0.17  3.0  5.0  0.03  锌0.15  硼
Mar-M247  60  8.25  10  0.7  10  0.15  3.0  5.5  1.0  1.5   铪0.15  硼0.05  锌
PWA795  14.03  19.96  46.4  9.33  0.35  2.89  4.4  0.18  0.17  1.14  铪0.02  锌0.07  钇
Rene142  57.4  6.89  11.90  1.47  5.03  0.12  6.46  6.25  0.005  0.012  2.76  镭1.54  铪0.017 锌0.018 硼
Mar-M200  59  9.0  10.0  12.5  1.5  0.15  1.0  5.0  2.0  0.015 硼0.05  锌
FSX414  10  29  53.08  7.0  0.12  0.8
IN939  48.33  22.5  19  2.0  0.16  1.35  1.85  3.8  0.005 硼0.01  铌
IN792  61  12.5  9.0  1.9  4.15  0.5  0.1  4.65  3.35  3.95  0.2
Mar-M918  19  19  54.56  7.0  0.5  0.04  7.0 铽
Mar-M509  10  23.5  55  15.50  0.60  3.5  0.2  0.5   锌
Alloy1957  69.9  21.67  0.009  3.8  0.012  2.63  0.57  0.43  1.98  钯
PMet920  43.45  20  13.5  1.5  0.045  4.2 铽  0.80  0.40  0.60  锰
Alloy1896  60.23  14  9.5  1.55  66.65  0.10  2.8 铽  3.0  4.9  0.035 锌0.005 硼
501SS  7.0  0.55  92.33  0.12
SS316-GD  11.65  16.33  2.2  0.1  0.4  钆1.7  锰
用本专利描述的方法能制造的超耐热合金浇铸体的一般形状如下：
(1)环、中空管及类似形状，一般尺寸如下：直径4-80英寸，壁厚0.25-4英寸，长1-120英寸。
(2)可以对模具进行加工，以在离心浇铸超耐热合金管状制品和环的外径上生产特定截面的外形。
(3)可以对模具进行加工使其具有一定锥度，这样可以依据特定的设计直接生产带有所希望锥度的浇铸体。
很明显，除了以上描述的具体内容之外，依据本发明的精神和范围还包含其它的体现内容。因此，本发明不限于上述的描述，但用所附的权利要求进行限定。

Claims (12)

1.一种将镍基超耐热合金浇铸成型的方法，其用于浇铸诸如环、管子和导管的制品，使其在镍基超耐热合金的外径上具有光滑的或一定形状的轮廓面，包括以下步骤：
在真空或惰性气氛低压下熔融合金；
将合金倾倒入沿轴旋转的圆筒形的模具中，这里模具由石墨机加工而成，石墨已被等压或振动成型，具有超细各向同性颗粒，粒径在3-40微米，密度在1.65-1.9grams/cc之间，弯曲强度在5,500-20,000psi之间，压缩强度在9,000-35,000psi之间，孔隙率低于15％；
固化熔融合金成模具形状的固体。
2.权利要求1的方法，其中金属合金选自镍基超耐热合金、镍—铁基超耐热合金和钴基超耐热合金。
3.权利要求1的方法，其中金属合金是一种镍基超耐热合金，含有10-20％的铬，总量最多约8％的一种或多种铝和钛，总含量为0.1-12％的一种或多种元素如硼、碳和/或锌，总含量为0.1-12％的一种或多种合金元素如钼、铌、钨、钽、钴、镭、铪和铁以及不可避免的杂质元素，其中杂质元素每一种含量都低于0.05％，合计不超过0.15％。
4.权利要求1的方法，其中合金用真空诱导熔融或等离子弧再熔融方法熔融。
5.权利要求1的方法，其中模具等压成型。
6.权利要求1的方法，其中模具用的石墨具有各向同性颗粒，颗粒尺寸在3-10微米之间，模具的弯曲强度大于7000psi，压缩强度在12,000-35,000psi之间，孔隙率小于13％。
7.权利要求1的方法，其中模具密度在1.77-1.0grams/cc之间，压缩强度在17,000-35,000psi之间。
8.权利要求1的方法，其中模具振动成型。
9.权利要求1的方法，其中熔融合金倾倒入模具中时，模具沿轴旋转，轴或水平或垂直或以一定的倾斜角度。
10.权利要求1的方法，其中在圆筒模具的内表面加工模腔，以制造外径不同截面形状的浇铸体。
11.一种浇铸金属制品的离心浇铸设备，包括：各项同性石墨模具，以及旋转各向同性石墨模具的装置。
12.权利要求11的设备，其中各向同性石墨模具包括至少两个各向同性石墨部分，它们可分离地相互结合在一起，使得在模具中冷却的金属制品能从模具中取出。
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