CN1954943A - 铸造型芯的去除方法 - Google Patents

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    • B22D29/001—Removing cores
    • B22D29/002—Removing cores by leaching, washing or dissolving

Abstract

一种破坏性地将难熔金属铸造型芯从铸件中去除的方法，其中该铸件被放置于硝酸和硫酸的组合物中。

Description

铸造型芯的去除方法
技术领域
本发明涉及熔模铸造，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而铸造成。该通道可利用可失模的铸造型芯而形成。
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壁的冷却通道。
部件初铸造后(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。
发明内容
本发明的一个方面包括将硝酸和硫酸组合，用于破坏性地从铸件中去除至少一个铸造型芯(比如难熔金属铸造型芯)。
本发明的另一方面包括将碱性浸析和酸性浸析的组合以从铸件中去除至少一个铸造型芯(比如陶瓷和难熔金属铸造型芯的组合物)。
本发明一个或者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、附图和权利要求书而变得明显。
附图说明
图1是熔模铸造工艺流程图；
图2是图1所示过程的示例性的除芯流程图；和
图3是一种可替代的除芯过程的流程图。
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，如通过冲压钼和铌，或者其它从片状金属切削成)和在步骤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。涂覆可通过任何适宜的视线范围(line-of sight)或者非视线范围(non-line-of sight)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(RMC))在步骤28组装成一个或以上陶瓷型芯。接着步骤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浇注)。在预定的铸型中，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待铸造的铸件的外部形状大。接着可步骤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(例如通过一个或者以上侵入泥浆法，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继的处理。例如，在步骤38可将包含有熔模型芯组件的壳完全地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/或将烃残余物转换成碳。该环境中的氧和该碳反应而产生二氧化碳。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。碳的去除还具有以下附加优点，即降低随后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开，进行冷却和检测。在步骤50可通过将金属晶粒放置于该铸型中对铸型进行种晶，这样就形成了方向性凝固(DS)铸件或者单晶(SX)铸件的最终晶状结构。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环境(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，用于引入熔融金属，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将熔融金属浇注到铸型中，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。这些材料为各种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。
第一组实例性的创造性步骤包括利用酸性浸析机理优选地去除RMC。例如，该酸性浸析机理可去除大部分RMC而保留陶瓷芯的基本或主要完整性。可使用碱性浸析机理来将陶瓷芯优选地去除。更宽泛地，相比一个或更多个其它型芯(例如不同的RMCs或陶瓷型芯)，该酸性浸析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。可利用该碱性浸析机理来优选地去除其它型芯。
图2是示出了一种该类示例性的除芯过程，其中碱性浸析过程100先于酸性浸析步骤102。典型的碱性过程包括将铸件放置到反应釜中并将铸件侵入到碱性溶液(例如22.5％的氢氧化钾)中。该溶液可置于升高的压力下(比如0.5(75)-1.37(200)MPa(PSI))和适度升高的温度下(如在350华氏度(177℃)下，更宽泛地为在150-400℃下，典型地放置12小时，更宽泛地为放置1-72小时)。可循环该压力，和/或另外地搅动该溶液以维持将该碱性溶液暴露于陶瓷并且排出反应产物。还可进行中间冲洗(如在大气压下用水冲洗)以帮助排出反应产物。
在选择性的冲洗步骤104(可包括多个冲洗循环，用导电性或者其它测试手段来决定冲洗的完成情况)之后，示例性的酸性浸析过程102包括在步骤106将该铸件浸入酸性溶液(如下面讨论的溶液的组合)中。可在升高的温度下进行放置。示例性的温度低于碱性反应釜的温度。示例性的温度范围介于环境温度/室温和120华氏度(49℃)之间，更宽泛地，介于环境温度/室温和80℃之间。可搅动该溶液，以维持该酸性溶液暴露于RMC并且排出反应产物。类似地，中间冲洗步骤108可有助于排出，并且促进中间检测步骤110的进行。
图3示出另一种该类示例性的除芯过程，其中酸性浸析过程在步骤200(例如类似于步骤102)先于步骤202(例如类似于步骤100)的碱性浸析过程。这一点在铸件碱性侵蚀被认为最轻的地方得以确保。相对于图2所示的过程，依照型芯的构形可适度增加酸性浸析过程所需的时间(比如两倍或者略高)。但是可更加充分地缩短碱性浸析过程(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碱性溶液浸析。
关于钼的去除试验已表明很多用于考虑酸性浸析过程中的适宜参数选择的相关物理和化学机理。将在浇注、单晶和直接凝固的条件下的镍钴超耐热合金在介于环境稳定70华氏度(21℃)和升高的温度150华氏度(66℃)之间的变化的温度下放置在酸组合物溶液中24小时。在温度升高到120华氏度(49℃)情况下对所测试的合金没有不良影响(材料损耗小于0.0005英寸)。更高的温度使得钼RMC更快地熔解。在150华氏度(66℃)对铸件进行适度的蚀刻。因此，在对基底材料无不良影响的情形下去除型芯的一个推荐的温度是接近120华氏度(49℃)(比如100-140华氏度(38-60℃))。
从铸件中去除的速度受RMC在酸中的可溶解性影响。总的溶解金属也影响溶解速率。当总溶解的钼超过20g/L时，该速率急剧下滑。该溶解停止使满意地超过30g/L。评估了硝酸和硫酸的各种浓度组合。浓度50％的硝酸和5％的硫酸具有优良的结果，使得去除速度和对基底金属的影响得以平衡。搅动提高了将新鲜酸传送至所期望的区域中的速率，但是未进行量化。
从以上试验可见，发掘出了硝酸(HNO3)和硫酸(H2SO4)的最佳协同作用的组合。以体积比计，期望主要由40-60％的硝酸和3-10％的硫酸组成的水溶液提供优良的结果。对于这种溶液，按体积比计，典型地，硝酸的浓度可为硫酸浓度的4-20倍，更窄范围地，为8-15倍。
尽管已经描述了本发明的一个或以上实施例，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改进。比如在对存在或者尚在开发的工艺过程的修改时，可执行该原则，在这种情况下，这些工艺过程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 (23)

1.一种方法，它包括以下步骤：
通过将铸造型芯置于硝酸和硫酸的组合物中，破坏性地将铸造型芯从铸件中去除。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其进一步包括以下步骤：
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中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而留下铸件。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述放置步骤在高达80℃的温度下进行。
4.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难熔金属基的基底组成，所述铸造型芯可被涂覆。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，
所述铸造型芯为第一铸造型芯；和
所述方法包括主要通过碱性浸析将第二铸造型芯从所述铸件中去除的步骤。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，
所述碱性浸析基本上在将第一铸造型芯去除后进行。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，
所述碱性浸析基本上在将第一铸造型芯去除前进行。
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涂覆陶瓷的钼基的基底组成。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
按体积比计，所述组合物中硝酸浓度是硫酸浓度的4-20倍。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
按体积比计，所述组合物中硝酸浓度是硫酸浓度的8-15倍。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述组合物为水溶液，按体积比计，它包括40-60％的硝酸和3-10％的硫酸。
12.一种将权利要求1所述的方法应用于制造燃气轮发动机部件的用途。
13.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或钴基的超耐热合金组成。
14.一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：
第一浸析步骤，用于去除所述第一铸造型芯的大部分，且所述第一浸析步骤包括碱性浸析步骤；以及
第二浸析步骤，用于去除所述第二铸造型芯的大部分，且所述第二浸析步骤包括酸性浸析步骤。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，
所述第一浸析步骤包括在介于0.5MPa-1.37MPa压力下的多个第一间隔，所述多个第一间隔被处于环境压力下的多个第二间隔所插入；以及
所述第二浸析步骤包括在38-49℃温度下的间隔。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，
所述第一浸析步骤包括在介于0.5MPa-1.37MPa压力下的至少一个第一间隔；以及
所述第二浸析步骤包括在38-49℃温度下的间隔。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，
所述第一浸析步骤包括至少在0.5MP压力下的至少一个间隔；以及
所述第二浸析步骤包括在30-49℃温度下的至少一个间隔。
18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，
所述第二浸析步骤包括浸入到包含有硝酸和硫酸的溶液中的步骤。
19.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，
所述第一浸析步骤包括置于至少为100℃温度下的步骤；以及
所述第二浸析步骤包括置于高达66℃温度下的步骤。
20.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，
所述第一浸析步骤包括置于至少为150℃温度下的步骤；以及
所述第二浸析步骤包括置于高达60℃温度下的步骤。
21.一种将如权利要求14所述的方法应用于制造燃气轮发动机部件的用途。
22.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述铸件主要由镍基或钴基的超耐热合金组成。
23.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述第二型芯主要由涂覆陶瓷的钼基的基底组成。
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