CN1931477A - 铸造型芯的去除方法 - Google Patents

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Abstract

一种热氧化步骤，它用于将铸造型芯从铸件去除。

Description

铸造型芯的去除方法
技术领域
本发明涉及熔模铸造领域，特别涉及将金属铸造型芯从铸件中的去除。
背景技术
通常熔模铸造应用于航空工业中。各种实例涉及燃气轮发动机部件的铸造。典型的部件包括各种叶片、桨叶、密封件和燃烧室板。许多该类部件借助于冷却通道铸造而成。该通道可利用可失模的铸造型芯形成。
典型的型芯包括陶瓷型芯、难熔金属型芯(RMC)和其组合。在示例性的组合中，陶瓷型芯可形成进料通道，而RMC可形成延伸自该进料通道穿过相关部件的壁的冷却通道。
部件铸造后(比如源自于镍基或钴基的超耐热合金)，铸造框架和型芯均被破坏性地去除。典型的型芯去除主要是机械去除。例如，可通过化学浸析将型芯去除。典型的化学浸析涉及到在反应釜中利用碱性溶液。具体的浸析技术披露于美国专利第4,141,781号，第6,241,000号和第6,739,380号。
尤其涉及长的和/或细的通道时，该浸析会很费时间。浸析所面临的问题包括：将铸件的负面影响减至最小；当使用金属和陶瓷型芯组合时，有效地对金属和陶瓷型芯进行浸析；具有缘自浸析媒介的残余污染物；潜在的暴露于公害物质；安全/环境友好地对残留的浸析媒介和浸析的副产物进行处理。
发明内容
本发明的一个方面包括一种用于破坏性地从铸件上去除难熔金属铸造型芯的热氧化性工艺。
本发明一个或者一个以上的实施例的细节将在随后的附图和具体实施例中进行阐明。其它发明特征、目的和优点将基于具体实施例、附图和权利要求书将会变得明显。
附图说明
图1是熔模铸造工艺流程图；
图2是图1中的工艺中的除芯过程的示例性的流程图；
图3是一种可替代的除芯过程的流程图；
图4-6是表示在不同温度的空气中难熔金属材料的损耗与时间的关系曲线图；
图7-9是表示在不同温度下的处于低氧环境中的难熔金属材料的损耗与时间的关系曲线图；
图10是表示在加热和将温度保持在900℃过程中，在空气和低氧环境中难熔金属材料的损耗与时间的关系曲线图；以及
图11是用于Mo-H-O系统的占优势地位的曲线图。
在各个附图中相同的附图标记和标示表示相同的元件。
具体实施方式
图1示出了用于形成熔模铸造铸型的示例性方法20。其它包括各种现有技术的方法以及尚在开发的方法也是可行的。在步骤22形成(例如由难熔金属制成的，如通过冲压钼和铌，或者其它从片状金属切割成)和步骤24涂覆一个或以上的金属型芯元件。适宜的涂覆材料包括硅石、氧化铝、氧化锆、氧化铬(chromia)、富铝红柱石和二氧化铪。优选地，难熔金属和涂层的热膨胀系数(CTE)相近。涂覆可通过任何适合的视线范围(line-of sight)或者非视线范围(non-line-ofsight)的技术(例如化学或者物理气相沉积方法(CVD，PVD)，等离子喷涂方法，电泳，以及溶胶凝胶方法)来进行。典型地，单独的层厚为0.1-1密耳(mil)。结合用于防止熔融金属侵蚀和熔解的陶瓷涂层，可将铂层或者其它贵金属层，如铬、硅、钨和/或铝，或者其它非金属材料层施加于金属型芯元件用以氧化保护。
也可在步骤26形成一个或者以上的陶瓷型芯(比如在成型和烘烤过程中含有硅石或者由硅石制成)。将一个或以上的涂覆的金属型芯元件(下称难熔金属型芯(RMCs))在步骤28组装成一个或以上陶瓷型芯。接着在步骤30通过例如天然蜡或合成蜡的易失模材料对该型芯组件进行包覆成型(overmold)(例如通过将该组件置于铸型中并将蜡围绕该铸型进行浇注)。在给定的铸型中，可具有多个这种组件。
该包覆成型的型芯组件(或者组件组)形成铸造模型，该铸造模型的外部形状比对应的待铸造的部件的外部形状大。接着可在步骤32将该模型组装到壳体夹具(例如蜡焊到夹具的端部板之间)。其次，在步骤34使该模型结壳(例如通过一个或者多个的浸渍泥浆法，泥浆喷涂法等阶段)。该壳形成之后，在步骤36可使其干燥。干燥使得该壳具有足够的强度或者其它物理完整性以允许后续的处理。例如，在步骤38可将包含有熔模型芯组件的壳完全或者部分地从壳体夹具分拆，接着在步骤40将其传送到脱模机(例如蒸汽反应釜(或硫化罐))。在脱模机中，在步骤42，蒸汽脱蜡过程将蜡的大部分去除，使蜡离开固定在该壳之内的型芯组件。该壳和型芯组件将主要形成最终的铸型。但是，该脱模过程典型地遗留蜡或者副产物烃在该壳内部以及型芯组件上。
脱腊之后，在步骤44该壳被传送到一个炉子(例如包含空气或者其它氧化环境)，在该炉子中，进行步骤46，对其加热以提高该壳的强度并去除剩余的蜡残余物(比如通过汽化)和/或将烃残余物转化成碳。该环境中的氧与该碳发生反应以形成二氧化碳。碳的去除具有降低和消除金属铸件中有害的碳化物形成的优点。碳的去除还提供以下附加优点，即降低在随后的阶段操作中堵塞所使用的真空泵的可能性。
在步骤48可将该铸型从该具有一定环境的炉子中移去，进行冷却和检测。在步骤50可通过将金属晶种放置于该铸型中对铸型进行种晶，这样就形成了一种方向性凝固(DS)铸造或者单晶(SX)铸造的最终晶状结构( )。本发明依然可应用于其它DS和SX铸造技术(例如其中该壳的几何构造界定了晶粒选择器)或者应用于其它包括镍基和/或钴基的超耐热合金的各种合金的微结构的铸造。在步骤52可将该铸型传送到铸造炉(例如置于炉子中的冷却板的顶部)。可在步骤54将该铸造炉抽成真空或者充入非氧化气体(例如惰性气体)以阻止铸造合金的氧化。在步骤56加热铸造炉，以对该铸型进行预热。该预热具有两个目的：进一步硬化和强化该壳；以及对该壳进行预热，用于引入熔融的合金，以防止热冲击和合金的过早凝固。
预热之后且仍然在真空条件下，在步骤58将熔融的合金浇注到铸型中，并在步骤60使该铸型冷却，以使合金凝固(例如从炉子的热区域中取出之后)。凝固之后，可在步骤62终止真空，并在步骤64将经冷却的铸型从铸造炉中移去。可在步骤66的去壳过程中将该壳去除(例如机械地去除该壳)。
在步骤68的除芯过程中将型芯组件去除，以留下铸造物品(例如最终的构件的金属前身)。具有创造性的多阶段除芯过程将在以下进行说明。可在步骤70对该铸造物品进行机加工，在步骤72进行化学处理和/或热处理，以及在步骤74进行涂覆，以形成最终的构件。在除芯步骤之前，可进行一些或者全部的机加工，或者化学处理或热处理步骤。
适宜的除芯步骤68的精密性将依赖于几个因素。这些因素包括：包含任何涂层的特定RMC材料；任何陶瓷型芯的特定材料；特定的铸造合金；以及型芯的几何构造。这些材料为化学和氧化去除技术提供了不同的有效性和协调性。该几何构造影响可到达性和所需的方位情况。
第一组示例性的创造性步骤包括利用热氧化机理优选地去除RMC。例如，该热氧化机理可去除大部分RMC而保留陶瓷芯(已被氧化而未挥发)的基本完整性。但是相关过程可使得陶瓷芯更易熔解。可使用化学浸析机理来将陶瓷芯优选地去除。更宽泛地，相比一个或多个其它型芯(例如不同的RMC或陶瓷型芯)，该热氧化机理可去除一个或更多个第一RMC的更多部分，并且可去除该第一RMC的大部分而仅去除其它型芯的少部分。可利用该化学浸析机理来优选地去除其它型芯。
图2是示出了一种这样的示例性的除芯过程，其中化学过程100先于热氧化步骤102。典型的化学过程包括将铸件放置在反应釜(或硫化罐)中并将铸件浸入到碱性溶液(例如氢氧化钠或者氢氧化钾的水溶液或者氢氧化钠或者氢氧化钾的酒精溶液)中。该溶液可置于升高的压力下(比如1-5MPa)且在适度升高的温度下(如150-400℃)。可使该压力和/或温度循环，且/或另外地搅动溶液以维持使该碱性溶液暴露于陶瓷并且排出反应产物。
在可选择的净洗步骤104之后，示例性的热氧化步骤102包括在升高的温度下将其放置于含氧的环境中。该放置步骤可包含温度、压力、和/或环境成分的循环。该循环通过促进氧接近RMC的碱金属(或基金属(base metal))或/和排出反应产物可提高净通过量。
例如，将钼金属氧化成钼氧化物产生了具有较低密度(Mo为10.3g/cm3；MoO2为6.47g/cm3，MoO3为4.69g/cm3)的固体物质。因此，将钼金属氧化成钼氧化物存在有体积上的很大膨胀。如果该膨胀发生在窄(在绝对条件下和/或相对于长度的小横截面积)通道内，可能用固体氧化物堵塞这样的通道，以中止进一步氧化的流通路径。MoO3为优选的氧化物，因为其挥发性大于(更容易被排出且不能轻易地被堵塞)MoO2或介于MoO2和MoO3之间的氧化物的组合物。相对MoO2，MoO3倾向于在较高的氧局部压力(或分压)下形成。正如由例如图11所示的Mo-H-O系统的已公开的热化学资料可决定的一样。图11还示出了在870℃以上温度下，抑止例如MoO2.75，MoO2.875和MoO2.889的所不期望的低挥发性中间氧化物组合物的形成。
通道的横截面可为圆形、正方形、矩形或者其它形状。示例性的圆形或者近似正方形的通道横截面积为0.05-5.0mm2。对于宽的通道，示例性的高度为0.20-2.0mm。示例性的长度为0.20-250mm。
因此，示例性的步骤102包括在惰性气体环境中的预热步骤106，以获得操作温度。该预热步骤可用来将铸件带到使氧化物的形成倾向于MoO3的温度。预热后放置于氧化器中，如步骤108。相对于处在氧化环境中的加热，该惰性预热/氧化的顺序也可限制铸件进行所不期望的氧化。该顺序还可限制通过固体氧化物(尤其是MoO2以及介于MoO2和MoO3之间的氧化物的组合物，如已公开的占优势地位的曲线图中所示的那样)对窄通道的堵塞。若具有许多抵达难熔金属型芯的通路可用(比如借助于较宽的通道，较短的通道和/或源自于多个位置的通路)，可提高氧化速率而仍然避免堵塞。
示例性的循环过程包括在不同条件下重复间隔110以促使氧化物的排出。这些间隔110可包括增减总压力、升降温度、增减氧分压、导入还原剂和/或其它变化的条件。示例性的还原剂为氢、氨和/或甲烷。，如氮气和氩气的一般被认为惰性的气体是用于控制全部气体成分的示例性稀释物。
图3示出另一种这类示例性的除芯过程，其中热氧化步骤200(例如类似于步骤102)先于化学步骤202(例如类似于步骤100)。这一点在铸件化学侵蚀被认为最轻的地方得以确保。相对于图2所示的过程，依赖于型芯的构形可适度增加热氧化步骤所需的时间(比如两倍或者稍稍更高)。但是可更加充分地缩短化学过程(例如少于三分之一)。例如，穿过由RMC留下的出口通道的路径能允许沿陶瓷进料型芯的长度方向的近即时化学侵蚀。
关于钼的氧化试验已表明很多用于考虑热氧化去除过程中适宜参数选择的相关物理和化学机理。氧化试验是在0.003英寸(0.08mm)的钼箔上进行的。在升高的温度下使该箔放置于氧化性的环境中。第一系列的试验包括将空气作为氧化气体并且升高的温度为700℃、800℃和900℃。将该箔在氩气中加热，接着引入空气。图4-6示出了在开始引入氧气之后该箔的非挥发性质量(如占原始质量的百分比的形式)和时间的关系曲线。在900℃下(参见图4)，存在有质量基本未变化的初始阶段410。突变阶段(或点)412出现在放置于氧气中约一分钟后。在突变阶段412之后，在下降阶段414中，存在有质量的急剧下降。对于放置于两侧的箔的示例性厚度来说，该下降的大部分曲线图的近似倾斜度为-37.4％/分钟。
在800℃下(参见图5)，也存在有初始阶段420，转变阶段(或点)422和下降阶段424。主要的质量下降的开始点被相对延迟。并且该下降更加缓和。该下降机理的一些特征可容易地呈现在曲线图中。具体地，在转变阶段420之后存在有第一下降阶段426。在第一阶段422的过程中，质量的下降相对恒定。该阶段422接近初始质量的大约一半。该下降阶段426的大部分的曲线图的近似倾斜度为-8.2％/分钟。图中还示出了转变阶段(或点)428，其连接着更急剧下降的第二阶段430。该下降阶段426的大部分的曲线图的近似倾斜度为-16.7％/分钟。该转变阶段428可以由一种以上下降机理的相互影响所导致。比如，800℃的观测性能可能是因为在已降低的氧分压下(比如在假定的挥发性MoO3层以下的金属介面处)降低钼氧化物的亚稳性(metastability)所导致。质量下降速率的增大可以是因为在氧化过程之后的散裂(spallation)或表面积增大效应所致。
在700℃下(参见图6)，在所观测的一段时间内下降极小。该曲线图所示特征为具有初始阶段440、转变阶段(或点)442和下降阶段444(类似于图5所示的阶段426)。在上述三个曲线图的每一个中，至少在初始阶段的在后部分的过程中，质量均具有明显的增长。这一点被确信为是因为当自该箔的钼氧化物很少释放时，初始氧化物的形式所致。
图7-9示出了类似的试验，该试验是通过氧气在氩气中的分压，在仅仅0.1％的氧浓度下于环境压力下进行的。总体上，受氧分压降低影响大的是缓慢下降阶段的其中之一，而基本上不延迟该下降的开始点。在900℃下(参见图7)，存在有质量很少改变的初始阶段450。短暂的转变阶段452具有这样的特征，即大致从上述的初始氧化阶段起质量增长。随后是下降阶段454。该下降阶段454的大部分的曲线图的近似倾斜度为-0.090％/分钟。
在800℃下(参见图8)，存在有质量很少改变的初始阶段460。短暂的转变阶段462具有这样的特征，即大致从上述的初始氧化阶段起质量增长。随后是相当慢的下降阶段464，且图中记录了不到一半的下降质量，因此不包含如图5所示的后来增长的下降阶段。该下降阶段464的大部分的曲线图的近似倾斜度为-0.032％/分钟。
在700℃下(参见图9)，存在有在持续时间上类似于图8所示的阶段460的初始阶段470。转变阶段472和下降阶段474相对于其在图8中的对应部分进一步被变慢。该下降阶段474的大部分的曲线图的近似倾斜度为-0.0085％/分钟。
附加试验是在最终环境中进行加热而不是在惰性气体环境中进行加热。图10示出了包含有加热阶段480的温度，该加热阶段480随后为在900℃的稳定阶段482。曲线图490，492分别示出了在21％和0.1％的氧气环境下的重量百分比。这些曲线图的特征是具有相应的初始阶段494，496，转变阶段498，500，以及下降阶段502，504。该下降阶段502是实质上的总下降阶段，并且该下降阶段502的特征是大部分的下降是在近似斜率-13.4％/分钟下进行的。仅仅绘出了下降阶段504的总下降的小部分，该下降是在近似斜率-0.11％/分钟下进行的。值得注意的是，阶段502包括比阶段414下降得慢。相反，阶段504比阶段454下降得稍微快一些。阶段502下降速率的降低可能是由在低温下形成的具有保护作用的具体氧化物所导致。仅对于相当高的氧含量，该保护作用可以很充分。
尽管已经描述了本发明的一个或一个以上的实施例，但是应当理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下可进行各种修改。比如在对存在或者尚在开发的工艺的修改时，可执行该原则，在这种情况下，这些工艺将影响或者支配该执行的参数。因此，以下权利要求书的范围涵盖了其它实施例。

Claims (24)

1.一种方法，它包括以下步骤：
通过在700-1000℃温度范围内将铸造型芯放置于氧中，破坏性地将铸造型芯从铸件去除。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其还包括以下步骤：
在所述铸造型芯上成型可失模的模型；
在所述模型上形成壳；
破坏性地将所述模型从所述壳去除而保留所述铸造型芯；
在所述壳中浇注金属材料；以及
破坏性地去除所述壳。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，先于所述放置步骤，在基本上无氧的环境中进行预热步骤。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，先于所述放置步骤，在比所放置的氧分压中位数低的氧分压下，大致预热到所述温度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在氧分压至少为0.015MPa下，以减小总压力的间隔介入到所述放置步骤中。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在氧分压至少为0.015MPa下，以低于0.01MPa总压力的间隔介入到所述放置步骤中。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在氧分压为0.015-0.025MPa下，以氧分压至少为0.05MPa的间隔介入到所述放置步骤中。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铸造型芯主要由基于难熔金属的型芯组成。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述铸造型芯为第一铸造型芯；所述方法包括主要通过碱浸法将第二铸造型芯从所述铸件去除的步骤。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述碱浸法大致是在将所述第一铸造型芯去除之后进行的。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铸造型芯主要由钼组成。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述温度为700-900℃。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其用于制造燃气轮发动机部件。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铸件主要由镍基的超耐热合金组成。
15.一种用于将陶瓷第一铸造型芯和难熔金属基的第二铸造型芯从铸件去除的方法，它包括：
用于去除所述第一铸造型芯的大部分的第一步骤；以及
不同于所述第一步骤的第二步骤，用于去除所述第二铸造型芯的大部分。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述第二步骤包括多个第一间隔，用于促使所述第二型芯氧化。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述第二步骤包括多个第二间隔，用于排出所述第二型芯的氧化产物。
18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述第二步骤包括在700-100℃温度下将所述第二型芯放置在氧中的步骤。
19.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述第一步骤包括在低于500℃温度下将所述第一型芯放置在碱性溶液中的步骤。
20.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，其用于制造燃气轮发动机部件。
21.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述铸件主要由镍基的超耐热合金组成。
22.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述第二型芯主要由钼或者铌组成。
23.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述第一型芯主要由硅基的材料组成。
24.一种将热氧化步骤应用于将难熔金属铸造型芯从铸件去除步骤的用途。
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