ES2235445T3 - Aparato de fundicion a presion para material de alta temperatura de fusion. - Google Patents

Abstract

Un aparato de fundición a presión para fabricar objetos compuestos de un material que tiene una temperatura de fusión por encima de 1093ºC o más particularmente por encima de 1649ºC, comprendiendo el aparato: - una unidad (24) de fusión para fusión de al menos una carga única del material; - un troquel (36) de piezas múltiples, que define la cavidad del troquel ; - un manguito de disparo (30) generalmente cilíndrico, en comunicación de fluido con el troquel (36) y para recibir material fundido de la unidad (24) de fusión, teniendo el manguito radios interno (Ri) y externo (Ro); y - una unidad (40) de pistón en acoplamiento móvil y de cierre hermético con el manguito de disparo (30) a lo largo de una carrera del pistón para forzar el material desde el manguito de disparo (30) dentro de la cavidad (36) del troquel; caracterizado porque el aparato comprende además: - el medio (22) para proporcionar un entorno de presión reducida para la unidad (24) de fusión, el troquel (36) y el manguito de disparo (30); y porque - el radio (Ri) interno del manguito tiene al menos 25mm; y - la relación (Ro/Ri) es al menos 1,25.

Description

Aparato de fundición a presión para material de alta temperatura de fusión.

La presente invención se refiere en general a una fundición a presión, y se refiere más particularmente a aparatos para material de fundición a presión que tiene una temperatura alta de fundición, por ejemplo por encima de 1093ºC.

Los materiales de temperatura alta de fundición, tales como las superaleaciones de base de níquel y aleaciones de base de titanio son ampliamente usadas en una variedad de industrias. Generalmente, el término superaleaciones se refiere a materiales que tienen alta resistencia, particularmente a elevadas temperaturas, por ejemplo, alrededor de 482ºC y superiores. Tales materiales son típicamente a base de níquel, a base de cobalto y/o a base de hierro. Las aleaciones de titanio se emplean en aplicaciones que requieren peso ligero y altas relaciones de peso-resistencia. Estas aleaciones exhiben buena resistencia a la corrosión, y generalmente mantienen buena resistencia hasta temperaturas moderadas, por ejemplo, hasta alrededor de 538ºC.

En motores de turbina de gas por ejemplo, los materiales de temperatura alta de fundición, tales como superaleaciones a base de níquel y a base de cobalto, se emplean en la sección de turbinas y algunas veces en las últimas etapas de la sección del compresor del motor, que incluye, aunque no se limita a, superficies aerodinámicas tales como palas y paletas, así como componentes estructurales y estáticos tales como anillos, cajas y cierres herméticos. Tales materiales tienen típicamente una temperatura de fusión por encima de 1371ºC. Una superaleación de base de níquel ampliamente usada en motores de turbina de gas es Inconel 718 (IN 718), que tiene una composición general en porcentaje en peso, de alrededor de 0,01-0,05 de Carbono (C), 113-25 de Cromo (Cr), 2,5-3,5 de Molibdeno (Mo), 5,0-5,75 de Columbio (Cb) [también llamado Niobio (Nb)] + Tántalo (Ta), 0,7-1,2 de Titanio (Ti), 0,3-0,9 Aluminio (Al), hasta alrededor de 21 de Hierro (Fe), el resto generalmente de Ni, y teniendo una temperatura de fusión de alrededor de 1343ºC.

Las aleaciones de titanio se emplean típicamente en secciones más frías del motor, tales como en la sección del compresor, que incluye, aunque no se limita a, superficies aerodinámicas tales como palas y paletas, así como componentes estructurales tales como cajas intermedias y de compresor y discos de compresor. Las aleaciones de titanio generalmente tienen una temperatura de fusión por encima de 1649ºC. Una aleación típica ampliamente utilizada en motores de turbina de gas es Ti-6Al-4V ("Ti 6-4"), que incluye ampliamente alrededor de 4-8 por ciento en peso de Al, 3-5 por ciento en peso de V, el resto generalmente de Ti. Para aplicaciones de temperatura más altas, en las que son necesarias las propiedades de deformación, se pueden usar Ti 6Al-2Sn-4Zr-2Mo ("Ti 6-2-4-2"), e incluye ampliamente alrededor de 5-7 por ciento en peso de Al, alrededor de 1,5-2,5 por ciento en peso de Sn (estaño), alrededor de 3,0-5,0 por ciento en peso de Zr, alrededor de 1,5-3,5 por ciento en peso de Mo, el resto generalmente de titanio. Otras aleaciones de Ti incluyen Ti 8-1-1 y aluminuros de titanio. El Ti 8-1-1 incluye ampliamente alrededor de 7-8,5 por ciento en peso de Al, 0,5-1,5 por ciento en peso de Mo y 0,5-1,5 por ciento en peso de V, el resto generalmente titanio. Ampliamente, los aluminuros de titanio se componen principalmente de titanio y aluminio en cantidades estequiométricas, tales como TiAl y TiAl3. Además de las propiedades comentadas anteriormente, estos materiales deben al menos ser capaces de estar conformados en tres formas dimensionales relativamente complejas tales como superficies aerodinámicas, y deben ser resistentes a la oxidación, particularmente a temperaturas elevadas.

En la industria de motores de turbina de gas se usa el forjado para producir piezas que tienen formas tridimensionales complejas, tales como palas y paletas.

Resumiendo, para forjar una pieza tal como una superficie aerodinámica, un tocho de material se convierte en forma de palanquilla, típicamente cilíndrico para palas y paletas, y entonces procesándolo termomecánicamente, tal como con calentamiento y con troquelado varias veces entre los troqueles y/o martillos que lo conforman progresivamente según la forma deseada, para luego plásticamente deformar el material en la forma del compuesto deseado. Los troqueles de forjado se pueden calentar, típicamente. Cada componente es típicamente tratado al calor para obtener las propiedades deseadas, por ejemplo, endurecimiento/fortalecimiento, liberación de tensiones, resistencia a la propagación de fisuras y un nivel particular de resistencia HCF, y también es acabado, por ejemplo con maquinado, fresado químico y/o medio acabado, si es necesario proporcionar el componente con la forma precisa, con dimensiones y/o con características de superficie.

La producción de componentes mediante forjado es un proceso que consume tiempo, es costoso, y es por esto que se emplea típicamente sólo para componentes que requieren un equilibrio particular de propiedades, por ejemplo, alta resistencia, bajo peso y durabilidad, tanto a temperatura ambiente como a elevadas temperaturas. Con respecto a obtener material para forjar, ciertos materiales requieren largos tiempo de preparación. El forjado típicamente incluye una serie de operaciones, requiriendo cada una troqueles separados y equipo asociado. Las operaciones de acabado posteriores al forjado, por ejemplo, maquinado de la porción del pie de una pala y proporcionar el acabado de superficie apropiado, comprenden una parte importante del coste total de la producción de piezas forjadas, e incluyen una porción importante de piezas que deben ser desechadas.

Durante el forjado de los componentes, gran parte del material original (hasta alrededor del 85% dependiendo del tamaño del forjado) se retira y no forma parte del componente acabado, es decir, es un desecho del proceso. La complejidad de la forma del componente producido simplemente añade esfuerzo y gasto necesarios para fabricar el componente, que es incluso superior cuando se considera para componentes de motor de turbina de gas, que tienen formas particularmente complejas. Algunas aleaciones pueden también exhibir carácter de elasticidad durante el forjado, lo cual se debe tener en cuenta durante el forjado, es decir, las piezas deben ser "forjadas en exceso". Según se observa, los componentes acabados pueden aún requerir procesamientos costosos posteriores al forjado. Además, como se utiliza software para aplicar dinámica de fluido de cálculo al análisis y generar más formas aerodinámicamente eficaces de superficies aerodinámicas, tales superficies aerodinámicas y componentes tienen incluso formas tridimensionales más complejas. Es más difícil o incluso imposible forjar aleaciones de titanio precisamente en estas formas más complejas, avanzadas, lo cual añade además coste a los componentes o produce los componentes tan costosos que no es económicamente factible explotar ciertos progresos en la tecnología de motores, o utilizar aleaciones particulares para algunas formas del componente.

Los componentes forjados pueden contener imperfecciones de forjado que tienden a ser difíciles de inspeccionar. Además, es también una preocupación la capacidad de reproducción exacta: el forjado no da como resultado componentes que tienen dimensiones que son precisamente las mismas de pieza a pieza. Después de la inspección, muchas piezas deben todavía ser repasadas. Como regla general, las piezas forjadas deben ser raspadas o significativamente repasadas alrededor del 20% de las veces. Además, los materiales más nuevos, más avanzados o con aleación más elevada serán cada vez más difíciles (si no imposibles) de forjar y, correspondientemente, más caros. Estos problemas se intensifican cuanto más complejas son las configuraciones de superficies aerodinámicas tridimensionales empleadas.

Se ha usado generalmente la fundición en la fabricación de objetos con forma casi acabada.

La fundición a cera perdida, en la cual el metal fundido se vierte dentro de una cubierta de cerámica que tiene una cavidad en la forma del objeto que se va a fundir, se puede usar para fabricar tales objetos. Sin embargo, la fundición a cera perdida produce granos extremadamente grandes, por ejemplo, ASTM 0 o de mayor tamaño (con relación al tamaño del grano obtenido por forjado), y en algunos casos la pieza completa comprende un sólo grano. Además, puesto que se produce un molde individual para cada pieza, este proceso es caro. La reproducibilidad de dimensiones muy exactas de pieza a pieza es difícil de alcanzar. Si el material se funde, vierte y/o solidifica en la presencia de un gas, las partes pueden tener propiedades indeseables tales como inclusiones y porosidad, particularmente en materiales que contienen elementos reactivos tales como titanio o aluminio. El desconchado de la cubierta de cerámica también contribuye a la presencia de inclusiones e impurezas.

La fundición de molde permanente, en la cual el material fundido se vierte en un troquel reutilizable, de piezas múltiples y fluye dentro del molde sólo por la fuerza de la gravedad, se ha usado también para fundir generalmente las piezas. Véase, por ejemplo la Patente de U.S. No. 5.505.246 de Colvin. Sin embargo, la fundición de molde permanente tiene diversas desventajas. Para fundiciones de poco espesor, tales como superficies aerodinámicas, la fuerza de gravedad puede ser insuficiente para hacer que el material penetre dentro de las secciones más delgadas, particularmente donde se emplean materiales de elevada temperatura de fundición y bajos sobrecalentamientos, y en consecuencia el molde no se llena uniformemente y las piezas deben ser raspadas. Las tolerancias dimensionales son relativamente grandes, y requieren correspondientemente más trabajo posterior a la fundición, lo que repetitivamente es difícil de lograr. La fundición de molde permanente también da como resultado un acabado superficial relativamente pobre, que también requiere importante trabajo posterior a la fundición.

La fundición a presión, en la cual el metal fundido se inyecta bajo presión dentro del troquel reutilizable, se ha usado con éxito en el pasado para formar objetos desde materiales que tienen temperaturas relativamente bajas de fusión, por ejemplo, por debajo de alrededor de 1093ºC. Según se expone, por ejemplo, en las Patentes de U.S. Nos. 2.932.65, 3.106.002, 3.532.561 y 3.646.990, una máquina de fundición a presión incluye un manguito de disparo montado en una placa (típicamente fijado) de una pieza de troquel múltiple, por ejemplo, un troquel de dos piezas que incluye placas móviles y fijas que colaboran para definir una cavidad de troquel. El manguito de disparo está orientado horizontalmente, verticalmente o inclinado entre la horizontal y la vertical. El manguito típicamente está limitado en sólo un extremo por el troquel, por ejemplo, cuando el manguito no está empotrado en un bloque de material. El manguito comunica con un recorrido del troquel, e incluye una abertura sobre el manguito a través de la cual se vierte el metal fundido. Se posiciona un pistón para su movimiento en el manguito, y un mecanismo de conducción mueve el pistón y fuerza el metal fundido desde el manguito al troquel. En una máquina de fundición tipo troquel "de cámara fría", el manguito de disparo está típicamente orientado de forma horizontal y no es termotratado. La fundición habitualmente ocurre bajo condiciones atmosféricas, es decir, el equipo no está localizado en un entorno no reactivo tal como una cámara de vacío o atmósfera inerte.

Las desventajas de tales máquinas se exponen, por ejemplo en la Patente de U.S. No. 3.646.990. particularmente en conexión con la imposibilidad para usar tales máquinas para materiales de fundición que tienen temperaturas de fusión más altas, por ejemplo, por encima de 1093ºC. El material fundido vertido en el manguito de disparo ocupa y rápidamente calienta sólo las porciones más bajas del manguito, calentando de ese modo principalmente sólo el fondo del manguito. Puesto que el manguito está limitado a un extremo, el manguito distorsiona o "se curva o se forman puntas cónicas". Esta distorsión longitudinal a lo largo de la longitud del manguito, si es suficientemente grande, evita el movimiento del pistón a través del manguito, dando como resultado daños en el aparato. Dada la necesidad de la estrecha tolerancia entre el pistón y el manguito, sólo una distorsión pequeña puede dar como resultado atasco o daño. Tal distorsión es generalmente función de la longitud y de los diámetros interno y externo del manguito, comprendiendo el material del manguito, la diferencia de temperatura entre el material fundido y el manguito, la porción del manguito ocupada por el material fundido (hace que el calentamiento del manguito sea asimétrico), y el tiempo del ciclo del proceso (transcurrido entre vertidos de aleación fundida dentro del manguito de disparo). Se ha aceptado generalmente, véase por ejemplo, las patentes 440 y 3.646,990, que tal distorsión es la mejor razón de que el aparato tipo cámara fría no pueda ser usado para fundir materiales que tienen una temperatura de fusión elevada, alrededor de 1093ºC.

La distorsión térmica también afecta a la forma en sección transversal del manguito. Según se observa, el manguito está formado por una forma generalmente cilíndrica, y tiene de este modo una sección transversal circular (en una dirección normal a la longitud del manguito). Cuando se vierte el material fundido dentro del manguito, la porción inferior del manguito (en contacto con el material fundido). se expande con relación a la porción menos calentada superior del manguito. El manguito se distorsiona de modo que la forma en sección del manguito se hace un poco ovalada (incluyendo una parte que se hace más pequeña que un manguito sin calentar) al tiempo que el pistón permanece más cilíndrico, exhibiendo menos distorsión térmica. En consecuencia, la forma del manguito y la forma del pistón dejan de coincidir, y cuando la no coincidencia es suficientemente grande, el pistón se une al manguito o permite que la aleación fundida pase entre el pistón y el manguito de disparo - denominado "fuga" - dando como resultado aparatos dañados o inoperativos. La distorsión en sección es función generalmente de los mismos factores expuestos anteriormente con respecto al alabeo del manguito.

Además, cuando el manguito de disparo no se calienta o se calienta pero se mantiene a una temperatura por debajo de la temperatura de fusión del material que se está inyectando, una capa exterior o "cápsula" de metal fundido se solidifica en el interior del manguito de disparo, y para mover el pistón a través del manguito para inyectar el metal fundido dentro del troquel, el pistón debe quitar raspando la capa externa del manguito y "aplastar la capa exterior". Sin embargo, cuando la capa exterior forma un elemento estructuralmente fuerte, por ejemplo, en la forma de cilindro que se soporta por el manguito, el pistón y/o la estructura asociada para el movimiento del pistón se puede dañar o destruir.

En suma, los aparatos de fundición a presión de "cámara fría" convencionales no se han usado con éxito para producir objetos compuestos de materiales de temperatura elevada de fusión, por ejemplo, Tm por encima de 1093ºC, tal como superaleaciones o aleaciones de titanio. Según se sugiere en la patente 3.646.990, que usa un aparato convencional, el resultado es la no operatividad y/o la avería de la maquinaria de fundición a presión, como también productos de calidades inferiores, como con impurezas (por ejemplo, debidas al material solidificado que es inyectado con el material fundido), niveles inaceptables de porosidad, resistencia relativamente pobre y propiedades de fatiga de ciclo elevado y bajo.

Es un objeto de la presente invención proporcionar un aparato para objetos fundidos a presión compuestos de materiales de temperatura de fusión elevada, tal como superaleaciones con base de níquel, base de cobalto y con base de hierro y aleaciones de titanio.

Es aún otro objeto de la presente invención proporcionar un aparato para objetos de fundidos que tienen formas tridimensionales, complejas, que son difíciles, si no imposibles, de forjar.

Según un aspecto de la invención, se proporciona un aparato para fundición a presión, según la reivindicación 1. El manguito de disparo se selecciona preferiblemente para tener un volumen mayor de al menos el doble, y preferiblemente tres veces, que el volumen de la cavidad de troquel (que incluye el volumen de los canales de coladas, carcasa y mazarota), y se fabrica típicamente de un material tal como acero de herramienta H13 endurecido. En algunos casos, puede ser aceptable que el volumen del manguito de disparo sea igual o ligeramente superior al volumen de la cavidad del troquel.

El manguito preferiblemente tiene una relación de radios (Ro/Ri) externo a interno de al menos alrededor de 1,3 y más preferiblemente alrededor de 1,5. Tal combinación proporciona el volumen adecuado de material fundido, aunque también minimiza suficientemente la tendencia del manguito a distorsionarse térmicamente - se curva a lo largo de su longitud y se hace oval en sección transversal - cuando se llena parcialmente con material fundido, evitando de ese modo que se atasque la máquina. Se incluye un conjunto de pistón del aparato para inyectar material fundido desde el manguito de disparo al troquel, como dispositivo de transferencia para transferir metal fundido desde la unidad de fusión hasta el manguito de disparo.

Las aleaciones de temperatura de fusión elevada a modo de ejemplo incluyen aleaciones de titanio (Tm típicamente por encima de 1649ºC y superaleaciones con base de níquel y con base de cobalto típicamente por encima de 1315ºC). Las aleaciones reactivas a modo de ejemplo incluyen aleaciones de titanio y superaleaciones (Tm típicamente por encima de alrededor de 1315ºC).

La presente invención es ventajosa gracias a que permite la fundición a presión de materiales de temperatura de fusión elevada usando maquinaria de fundición a presión convencional, la cual ha sido previamente considerada como no apta para su uso en la fundición de materiales de temperatura de fusión elevada.

Se describirá ahora una realización preferida de la presente invención, sólo a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos que se acompañan, en los que:

La figura 1 muestra un objeto de fundición a presión que usa el aparato de la presente invención.

Las figuras 2 y 3 son vistas esquemáticas de una máquina de fundición a presión según la presente invención.

La figura 4 es una vista en sección de un manguito de disparo del aparato de la fig. 2 siguiendo la línea 5-5, que muestra la distorsión de la sección transversal del manguito.

La figura 5 es un gráfico que ilustra la desviación del manguito de disparo cuando está parcialmente lleno de metal fundido, en función de los radios interno y externo del manguito.

La figura 6 es un gráfico similar al de la figura 5, e ilustra la tendencia de la sección transversal del manguito a la distorsión, en función de los radios externo e interno del manguito.

Volviendo ahora a la figura 1, un objeto de superaleación compuesto de material de temperatura de fusión elevada y una fundición a presión según la presente invención se indica generalmente por el número 10 de referencia. En la realización ilustrada, el objeto es una pala 10 de turbina para un motor de turbina de gas, e incluye una superficie aerodinámica 12, una plataforma 14, y un pie 16. Según se usa aquí, los materiales de alta temperatura de fusión se refieren a los materiales que tienen una temperatura de fusión de al menos alrededor de 1093ºC, y tan alta como 1649ºC y superior. La presente invención es ampliamente aplicable a materiales de temperatura de fusión elevada tal como superaleaciones con base de níquel, con base de cobalto y base de hierro y aleaciones con base de titanio usadas para diversas aplicaciones, y no destinadas a ser limitadas a cualquier superaleación particular o a piezas de motores de turbina de gas.

Según se observa, una superaleación típicamente con base de níquel utilizada en motores de turbina de gas es Inconel 718 (IN 718), que ampliamente tiene una composición en porcentaje en peso de alrededor de 0,01-0,05 de Carbono (C), hasta alrededor de 0,4 de Manganeso (Mn), hasta alrededor de 0,2 de Silicio (Si), 13-25 de Cromo (Cr), hasta alrededor de 1,5 de Cobalto (Co), 2,5-3, 5 de Molibdeno (Mo), 5,0-5,75 de Columbio (CB) + Tántalo (Ta), 0,7-1,2 de Titanio (Ti), 0,3-0,9 de Aluminio (Al) hasta alrededor de 21 de Hierro (Fe), resto esencialmente de Ni. El IN 718 tiene una temperatura de fusión de alrededor de 1343ºC. Se pueden emplear también otras aleaciones, tales como IN 713 que tiene una composición nominal en porcentaje en peso, de hasta alrededor de 0,025 de Carbono (C), hasta alrededor de 0,4 de Manganeso (Mn), hasta alrededor de 0,4 de Silicio (Si), 12-16 de Cromo (Cr), 3-6 de Molibdeno (Mo), 0,8-3,5 de Columbio (CB) + Tántalo (Ta), 0,7-1,3 de titanio (Ti), 5,25-6,75 de Aluminio (Al), hasta alrededor de 1 de Hierro (Fe), resto esencialmente de Ni y Cobalto (Co). IN 713 tiene una temperatura de fusión de alrededor de 1260ºC. Waspaloy (aleación poco tratable) es otro material útil para tales aplicaciones, y se describe por ejemplo en las Patentes Nos. 4.574.015 y 5.120.373. Generalmente, Waspaloy tiene una composición en porcentaje en peso de alrededor de 0,02-0,15 de Carbono (C), 12-20 de Cromo (Cr), 10-20 de Cobalto (Co), 2-5,5 de Molibdeno (Mo), 3-7 de Titanio (Ti), 1,2-3, 5 de Aluminio (Al), 0,01-0,15 de Zirconio (Zr), 0,002-0,05 de Boro (B), resto esencialmente Ni. Waspaloy tiene una temperatura de fusión de alrededor de 1315ºC.

Otras aleaciones incluyen B-1900, que tiene una composición nominal de alrededor de 8 Cr, 10 Co, 6 Mo, 4 Ta, 6 Al, 1 Ti, 0,1 C, 0,015 B, y 0,1 Zr. Véase, por ejemplo Sims y Hagel. The Superalloys, (Wiley & Sons 1972), páginas 596-7. Aleaciones a base de Cobalto, tales como MAR-M-509 se usan también en aplicaciones de temperatura más alta. MAR-M-509 tiene una composición nominal, en porcentaje en peso, de alrededor de 23,5 de Cromo (Cr), 10 de Níquel (Ni), 7 de Wolframio (W), 3,5 de Tántalo (Ta), 0,2 de Titanio (Ti), 0,5 de Zirconio, resto esencialmente Cobalto. Véase, por ejemplo, la Patente de U.S. No. 3.647.517 y Sims y Hagel, The Superalloys, (Wiley & Sons 1972), páginas 596-7. IN 939 es otra aleación con base de níquel, útil hasta alrededor de 797,8ºC, y tiene una composición nominal de alrededor de 22,5 de Cr, 19 de Co, 6 de Mo, 2 de Al, 3,7 de Ti, 2 de W, 3,3 (Cb + Ta), 0,15 de C, 0,005 de B, resto generalmente níquel. Gatorized Waspaloy es una composición Waspaloy avanzada desarrollada para proporcionar resistencia mejorada y capacidad de temperatura sobre Waspaloy convencional. Véanse las Patentes Nos. 4.574.015 y 5.120.372. Tiene una composición general, en porcentaje en peso, de Cromo 15,00-17,00, de Cobalto 12,00-15,00, de Molibdeno 3,45-4,85, de Titanio 4,45-4,75, de Aluminio 2,00-2,40. Gator Waspaloy puede también usar pequeñas cantidades de otros elementos tales como de Zirconio 0,02-0,12, de Boro 0,003-0,010, y de Magnesio 0,0010-0,005.

Según se observa, se emplean también las aleaciones de titanio, y generalmente tienen una temperatura de fusión por encima de 1649ºC. Una aleación típica ampliamente utilizada en motores de turbina de gas es Ti 6Al-4V ("Ti 6-4"), que ampliamente incluye alrededor de 4-8 por ciento en peso de Al, 3-5 por ciento en peso de V, resto generalmente Ti. Para aplicaciones a temperaturas más altas, cuando se necesitan propiedades mejoradas de temperatura alta, se puede usar Ti 6Al-3Sn-4Zr-2Mo ("Ti 6-2-4-2"), y ampliamente incluye alrededor de 5-7 por ciento en peso de Al, alrededor de 1,5-2,5 por ciento en peso de Sn (estaño), alrededor de 3,0-5,0 por ciento en peso de Zr, alrededor de 1,5-2,5 por ciento en peso de Mo, resto generalmente titanio. Otras aleaciones de Ti incluyen Ti 8-1-1 y aluminuros de titanio. Ti 8-1-1 ampliamente incluye alrededor de 7-8,5 por ciento en peso de Al, 0,5-1,5 por ciento en peso de Mo y 0,5-1,5 por ciento en peso de V, resto generalmente titanio. Ampliamente, los aluminuros de titanio se componen de cantidades estequiométricas de titanio y aluminio, y tienen composiciones a modo de ejemplo de TiAl y TiA13.

Volviendo a las figuras 2 y 3, el aparato de la presente invención se indica generalmente por el número 18 de referencia. Cuando se deben preparar los objetos de fundición a presión de alta calidad, es importante fundir los materiales en un entorno no reactivo para evitar la reacción, contaminación y otra condición que pudiese afectar de forma perjudicial la calidad de los objetos resultantes. Puesto que cualquiera de los gases en el entorno de fusión puede quedar atrapado en el material fundido y dar como resultado un exceso de porosidad en los objetos de fundidos a presión, preferimos fundir el material en un entorno al vacío mejor que en un entorno inerte, por ejemplo argón. Preferiblemente, el material se funde en una cámara 20 de fusión acoplada a una fuente 22 de vacío en la que la cámara se mantiene a baja presión, por ejemplo a menos de 100 \mum de Hg y más preferiblemente a menos de 50 \mum de Hg.

Se prefieren cargas únicas de fusión del material, puesto que es generalmente más rápido fundir cantidades más pequeñas de material que cantidades más grandes y puesto que el equipo de fusión asociado con cargas más pequeñas de fusión de material es más fácilmente colocado en una cámara de vacío. Particularmente, cuando el material contiene elementos reactivos, es preferible fundir el material a temperatura alta de fusión por inducción de refusión o fusión (ISR) 24, por ejemplo en una unidad del tipo fabricada por Consarc Corporation de Rancocas, NJ que es capaz de fundir rápida y limpiamente una única carga de material a fundir, por ejemplo, hasta alrededor de 22,7 kg de material. En ISR, el material se funde en un crisol definido por una diversidad de dedos de metal (típicamente de cobre) retenidos en posición próxima uno a otro. El crisol se rodea por una espiral de inducción acoplada a una fuente 26 de fuerza. Los dedos incluyen pasos para la circulación de agua de refrigeración desde y a una fuente de agua (no mostrada), para evitar la fusión de los dedos. El campo generado por la espiral calienta y funde el material localizado en el crisol. El campo también sirve para agitar o remover el metal fundido. Una capa delgada del material se congela sobre la pared del crisol y forma la película. Seleccionando apropiadamente el crisol y la espiral, así como el nivel de potencia y frecuencia aplicados a la espiral, es posible hacer que el material fundido se aparte del crisol, reduciendo además el ataque de la pared del crisol por el material fundido.

Puesto que transcurre necesariamente cierta cantidad de tiempo entre la fusión de material y la inyección del material fundido en el troquel, el material se funde con un sobrecalentamiento limitado - lo suficiente elevado para garantizar que el material permanezca al menos substancialmente fundido hasta que se inyecte, aunque lo suficiente baja para garantizar que ocurra la solidificación rápida en la inyección que permita la formación de granos pequeños -
y también para minimizar la carga térmica en el aparato de fundición a presión (particularmente esas porciones del aparato que entran en contacto con el metal fundido). Como regla general, es preferible limitar el sobrecalentamiento para materiales de temperatura de fusión elevada en alrededor de 111ºC por encima del punto de fusión, más preferiblemente menos de 55ºC, y más preferiblemente menos de 28ºC. Se ha encontrado que el procedimiento para verter e inyectar el material fundido en uno o dos segundos funciona bien en una máquina de fundido a presión que tiene un manguito de disparo no calentado.

Aunque son preferibles las cargas de material utilizando una unidad ISR, el material se puede fundir de otras maneras, tal como fusión por inducción al vacío (VIM) y fusión por haz de electrón, con tal de que el material que se está fundiendo no se contamine significativamente. Además, no se descarta el material a granel de fusión, por ejemplo, cargas múltiples de material de una vez en un entorno al vacío y transferir después las cargas únicas de material fundido dentro del manguito por inyección dentro del troquel. Sin embargo, cuando el material se funde al vacío, cualquier equipo usado para transferir el material fundido debe típicamente ser capaz de ser retirado de las temperaturas elevadas y ser posicionado en la cámara de vacío y en consecuencia la cámara de vacío debe ser relativamente grande. El equipo adicional añade coste, y la cámara de vacío correspondientemente grande requiere más tiempo para evacuar, afectando de este modo al tiempo de ciclo.

Para transferir el material fundido desde el crisol a un manguito de disparo 30 del aparato, se monta el crisol para ser trasladado (flecha 32 de la figura 3), y también para movimiento sobre pivote (flecha 33 de la figura 2) alrededor del eje de vertido, y a su vez se monta en un motor (no mostrado) para girar el crisol para verter el material fundido desde el crisol a través de un orificio 35 de vertido del manguito de disparo 30. El traslado del crisol ocurre entre la cámara 20 de fusión en la que el material se vierte y una posición en una cámara 34 al vacío separada en la que se coloca el manguito de disparo. La cámara 34 de vertido se mantiene también como un medio ambiente no reactivo, preferiblemente un medio ambiente al vacío con un nivel de presión menor de 100 \mum y más preferiblemente menor de 50 \mum. La cámara 20 de fusión y la cámara 34 de vertido pueden estar separadas por una válvula de paso u otros medios adecuados (no mostrados) para minimizar la pérdida de vacío en el caso de que una cámara sea expuesta a la atmósfera, por ejemplo, para ganar acceso a un componente en la cámara particular. Al tiempo que la realización ilustrada incluye cámaras de vertido y de fusión separadas, es también posible realizar la fusión y el vertido en una cámara única. Es preferible usar cámaras separadas para minimizar la pérdida de entorno de vacío en el caso de que un componente determinado deba estar expuesto a la atmósfera, por ejemplo, para poner en servicio la unidad de fusión o el manguito de disparo o para retirar un fundido.

El manguito 30 se fabrica típicamente de acero de herramienta H13 endurecido. Se ha determinado que el problema observado anteriormente de distorsión térmica del manguito de disparo se puede obviar hasta el punto necesario para permitir que tal máquina de fundición a presión se use en la fundición de materiales que son fundidos a temperaturas por encima de 1093ºC e incluso 1649ºC. Tal uso depende mayormente de la relación entre los radios externo e interno. Según se indica en la figura 4, el manguito cuando es cilíndrico, y está frío, tiene, por ejemplo, un radio Ri interno y un radio Ro externo. Según se vierte el material fundido dentro de la porción inferior del manguito, la porción inferior se expande con relación a la porción superior y distorsiona o esencialmente "toma forma oval" el manguito, según se indica por las líneas de punto. La forma oval (no cilíndrica) resultante se puede caracterizar generalmente por ejes Ma y Mm menor y mayor, respectivamente. La forma oval excesiva del manguito de disparo, y distorsión longitudinal del manguito (indicado por las líneas de punto en la figura 2), son las razones principales de que tales aparatos no se hayan usado previamente para materiales de temperatura de fusión elevada de fundición a presión. Los parámetros y diseños del manguito que permiten tal fundición a presión se exponen a continuación.

El manguito de disparo se selecciona preferiblemente para tener un volumen mayor de al menos el doble, y preferiblemente de al menos tres veces, el volumen de la cavidad del troquel (incluyendo el volumen de los canales de coladas, carcasa y mazarota asociados con la fundición). Para un volumen determinado del material que va a ser inyectado, el uso de un manguito que tiene radios interno (y externo) más pequeños precisa el uso de carreras de pistón más largas (y de ese modo, de tiempos de inyección más largos), puesto que el volumen del cilindro en relación con la carrera del pistón/longitud es, generalmente: volumen = \pi x Ri^{2}x carrera/longitud. El manguito preferiblemente tiene una relación de radios externo a interno (Ro/Ri) de al menos alrededor de 1,3 y más preferiblemente alrededor de 1,5. Se ha determinado que tal combinación proporciona el volumen adecuado de material fundición, e incluso minimiza suficientemente la tendencia del manguito a distorsionarse térmicamente (indicado por las líneas de puntos en la figura 2) - se alabea en su longitud y se ovala en la sección transversal (figura 4) - particularmente cuando sólo se llena parcialmente de material fundido, evitando de ese modo el atasco de la máquina. Sorprendentemente, es la combinación anteriormente mencionada la que permite que tal máquina se use en la fundición a presión de materiales de temperatura de fusión elevada, por ejemplo, superaleaciones y aleaciones de titanio, y de forma importante, para hacerlo de una manera rentable. El trabajo de desarrollo efectuado en una máquina prototipo que utiliza pesos de vertido de aproximadamente 3,2 kg de titanio da como resultado un radio interno preferido de al menos 38 mm y un radio externo preferido de al menos 57 mm. Al tiempo que las dimensiones del manguito anteriormente mencionadas se prefieren para el peso de fusión evaluado, la configuración del manguito puede ser generalizada para una relación crítica de radios del manguito para un intervalo amplio de pesos de fusión y vertido. Se pueden hacer las dimensiones del manguito más pequeñas, por ejemplo, diámetros internos menores de 38 mm, aunque el nivel de llenado del manguito necesita permanecer por debajo de alrededor del 50%, particularmente en el caso de titanio, para evitar el encapsulamiento. Al tiempo que el manguito 30 se representa como no calentado, el manguito puede tener unidos elementos de calentamiento (no mostrados) con el fin de mantener el manguito a temperatura mínima, deseada, para reducir el choque térmico cuando el material fundido se vierte dentro del manguito, o para equilibrar térmicamente el manguito. Contrariamente, el manguito de disparo puede ser enfriado para retirar el calor y mantener temperaturas más bajas. En algunas ocasiones, se pueden usar los manguitos de material dual o manguitos compuestos para mantener el equilibrio térmico.

Según se ha observado anteriormente, el material de fundición se transfiere desde el crisol 24 al manguito de disparo 30 a través del orificio 35 de vertido. El manguito de disparo 30 está acoplado a una pieza múltiple, troquel 36 reutilizable, que define una cavidad 38 de troquel. Una cantidad suficiente de material fundido se vierte dentro del manguito de disparo para llenar la cavidad de troquel, que puede incluir una pieza o más de una pieza. Se han fundido con éxito hasta 12 piezas con un vertido único, por ejemplo usando un troquel de cavidad 12.

El troquel 36 ilustrado incluye dos secciones, 36a, 36b, (aunque puede incluir más secciones) las cuales colaboran para definir la cavidad 38 de troquel, por ejemplo en la forma de una pala o paleta para motor de turbina de gas. El troquel 36 se prefiere también acoplado directamente a la fuente de vacío y también a través del manguito de disparo, para permitir la evacuación del troquel antes de la inyección del metal fundición. El troquel puede también estar localizado en una cámara de vacío. Una sección de las dos secciones 36a, 36b del troquel se fija típicamente al tiempo que la otra pieza es móvil con relación a una sección, por ejemplo por un conjunto hidráulico (no mostrado). El troquel incluye preferiblemente clavijas de expulsión (no mostradas) para facilitar la eyección del material solidificado desde el troquel. El troquel puede también incluir un mecanismo de desprendimiento (no mostrado) para retirar el material de fundición del troquel mientras que el material todavía esté caliente, para reducir además las cargas térmicas sobre el troquel y reducir los esfuerzos de contracción de solidificación en la fundición.

El troquel se puede componer de diversos materiales, y debe tener buena conductividad térmica (para permitir la rápida solidificación del material fundido y que resulte en granos finos), y debe ser resistente a la erosión y ataque químico de la inyección del material fundido. Una lista completa de posibles materiales sería demasiado grande, e incluiría materiales tales como metales, cerámica, grafito, compuestos de matriz de cerámica y compuestos de matriz de metal. Para los materiales de troquel, se han empleado con éxito aceros de herramienta tales como H13 y V57, materiales basados en wolframio y molibdeno tales como TZM y Anviloy, materiales basados en cobre tales como aleación de berilio-cobre "Moldmax" - alta dureza, aleaciones basadas en cobalto tales como F75 y L605, aleaciones basadas en hierro-níquel tales como IN 100 y Rene 95, superaleaciones en base a hierro tales como IN 718 y aceros con poco carbono tales como 1018 y 1030. La selección del material del troquel es crítica para producir económicamente objetos, y depende de la complejidad y cantidad del objeto que está siendo sometido a fundición, así como del coste real del componente.

Cada material de troquel tiene atributos que lo hacen deseable para diferentes aplicaciones. Para materiales de troquel de bajo coste, las aleaciones de berilio-cobre y aceros de poco carbono son preferidos debido a su relativa facilidad de maquinado y fabricación del troquel. Los metales refractarios tales como los materiales basados en wolframio y molibdeno se prefieren para aplicaciones de mayor volumen y con costes más altos, debido a su buena resistencia a altas temperaturas. Las aleaciones basadas en níquel y cobalto y los aceros de herramienta de aleaciones más altas ofrecen un compromiso entre estos dos grupos de materiales, El uso de tratamientos superficiales y revestimientos puede ser empleado para incrementar el comportamiento del aparato y la calidad de las piezas resultantes. El troquel puede también estar unido a una fuente de refrigerante tal como agua o a una fuente de calor tal como aceite (no mostrada), para gestionar térmicamente la temperatura del troquel durante la operación. Además, se puede aplicar un lubricante de troquel a una o más piezas seleccionadas del troquel y el aparato de fundición a presión. Cualquier lubricante debería generalmente mejorar la calidad de los objetos de fundición resultantes, y más específicamente debería ser resistente a la descomposición térmica, para no contaminar el material que se está inyectando.

El metal fundido se transfiere desde el crisol 24 al manguito de disparo 30. Se vierte una cantidad suficiente de metal fundido dentro del manguito de disparo para llenar sólo parcialmente el manguito, aunque con posterioridad se llena el troquel. Según se ha expuesto previamente y según se identifica en la figura 4, el manguito se llena preferiblemente menos del 50% (indicado generalmente por la línea 50 de puntos), más preferiblemente se llena menos de alrededor del 40% (indicado por la línea 52 de puntos), y más preferiblemente se llena menos de alrededor del 30-33% (línea 54 de puntos). En algunos casos, por ejemplo, IN 718 puede ser aceptable llenar completamente el manguito.

Un dispositivo de inyección, tal como un pistón 40 colabora con el manguito de disparo 30 y conjunto hidráulico u otro conjunto adecuado (no mostrado) para accionar el pistón en la dirección de la flecha 42, a fin de mover el pistón entre la posición ilustrada por las líneas continuas y la posición 40' indicada generalmente por las líneas de puntos, e inyectar de ese modo el material fundido desde el manguito 30 dentro de la cavidad 38 de troquel. En la posición ilustrada por las líneas continuas, el pistón y el manguito colaboran para definir un volumen que es substancialmente mayor que la cantidad de material fundido que va a ser inyectado, según se observa. Puesto que el manguito se llena sólo parcialmente, cualquier material o capa exterior que se solidifica sobre el manguito forma sólo un cilindro parcial, por ejemplo, una superficie curvada abierta, y es fácilmente raspada o triturada durante la inyección del metal, y reincorporada dentro del material fundición. Para algunos materiales, hay un intervalo de solidificación suficientemente amplio para que la formación de la capa exterior se reduzca al mínimo, y es posible llenar más completamente el manguito.

Volviendo a las figuras 5 y 6, se ha determinado que la relación entre los radios interno y externo, así como los radios propiamente dichos, son críticos para permitir el uso de una máquina de fundido a presión del tipo cámara fría convencional en la producción de piezas de materiales de temperatura de fusión elevada. Las figuras 5 y 6 se basan en una temperatura de material fundido de alrededor de 1794ºC y un llenado de manguito de alrededor del 25%. La figura 5 ilustra con la relación entre los radios externo y externo (Ro/Ri) la tendencia de un manguito de disparo para ser flexionado a lo largo de su longitud, referida anteriormente como distorsión longitudinal o "alabeo", e ilustrada por las líneas de puntos para el manguito (en la figura 2). En general, la menor distorsión longitudinal o alabeo corresponde a una probabilidad reducida de atasco. Cuando la relación del radio externo al radio interno se acerca a 1,0, por ejemplo, el manguito de disparo tiene una pared más delgada, y la desviación de un manguito de disparo parcialmente lleno aumenta dramáticamente. Cuando la relación excede alrededor de 2,0, la desviación tiende a ser relativamente pequeña, del orden de alrededor menos de 0,127 mm; si esta desviación es demasiado grande, lo cual se estima que ocurre en una desviación mayor que alrededor de 0,127 mm (para un manguito de 305 mm), entonces el pistón se atasca en el manguito en el curso de la carrera del pistón, y hace que la máquina sea inoperativa.

Según se indica en las figuras 5 y 6, para un manguito que tiene un radio interno de alrededor de 25 mm, es preferible que la relación de los radios externo a interno sea al menos de alrededor de 1,3, siendo el radio externo al menos de alrededor de 33 mm. Para un manguito que tiene un radio interno de alrededor de 38 mm, es preferible que la relación de los radios externo a interno sea al menos de alrededor de 1,3, y más preferiblemente de alrededor de 1,5, siendo el radio externo al menos de alrededor de 57 mm. Para un manguito que tiene un radio interno de alrededor de 51 mm, es preferible que la relación de los radios externo a interno sea al menos de alrededor de 1,7, siendo el radio externo al menos de alrededor de 86 mm. Mientras que es evidente de este trabajo que los manguito de disparos con radios internos pequeños (<de 25 mm) tienden a mayor resistencia a la distorsión, estos manguitos más pequeños deben ser equilibrados con el uso, contra la necesidad de controlar los niveles de llenado del manguito de disparo, para minimizar el "encapsulamiento" del manguito de disparo. En consecuencia, es preferible que la relación de los radios externo a interno descanse a la derecha del "codo" para cada curva respectiva.

La figura 6 ilustra con la relación entre los radios (Ro/Ri) externo e interno la tendencia de un manguito de disparo a ovalarse cuando el manguito está parcialmente lleno con material fundido, por ejemplo, la tendencia de la sección transversal cilíndrica a hacerse no circular u oval cuando el manguito está parcialmente lleno y el material fundido descansa a lo largo de la porción inferior del manguito. Según se aproxima a 1,0 la relación del radio externo al radio interno, aumenta dramáticamente la distorsión u ovalización del manguito al estar parcialmente lleno (menos de alrededor de 50% lleno). Según la relación excede alrededor de 2,0, la distorsión tiende a ser relativamente pequeña, en el orden de menos de alrededor del 1,5 por ciento, lo cual de nuevo ocurre alrededor del codo de cada curva. Según el material fundido llena la porción inferior del manguito, la porción inferior se expande más de lo que lo hace la porción superior, ovalizando en efecto el manguito de disparo, lo cual se caracteriza generalmente teniendo un eje principal ligeramente mayor que la dimensión original (radio) y un eje menor ligeramente más pequeño que la dimensión original (radio). Si esta ovalización es demasiado grande, es decir, el eje menor se hace más pequeño que el radio del pistón, el pistón cilíndrico se atascará en el manguito ovalizado o el material pasará entre el pistón y el manguito ("fuga"), haciendo la máquina inoperativa. En consecuencia, es preferible que la relación de los radios interno y externo descanse en la derecha del "codo" para cada curva respectiva. Para un manguito que tiene un radio interno de alrededor de 25 mm, es preferible que la relación de los radios externo a interno sea al menos de alrededor de 1,3, siendo el radio externo al menos de alrededor de 33 mm. Para un manguito que tiene un radio interno de alrededor de 38 mm, es preferible que la relación de los radios externo a interno sea al menos de alrededor de 1,3, y más preferiblemente de alrededor de 1,5, siendo el radio externo al menos de alrededor de 57 mm. Para un manguito que tiene un radio interno de alrededor de 51 mm, es preferible que la relación de los radios de externo a interno sea al menos de alrededor de 1,5, siendo el radio externo al menos de alrededor de 76 mm.

El manguito debe resistir tanto la distorsión longitudinal como la ovalización. Además, el manguito debe tener un volumen que sea suficiente para recibir material al tiempo que (preferiblemente) sea menor de alrededor del 33% de llenado, y la carrera del pistón no puede ser demasiado larga (la inyección tomaría mucho tiempo y el material fundido en el manguito se solidificaría). En consecuencia, para la fundición a presión de objetos tales como palas y paletas (con una carga de material de alrededor de 3,2 kg de Ti 6-4, por ejemplo) se ha llegado a un acuerdo entre estas consideraciones en el uso de un manguito que tiene un radio interno de alrededor de 38 mm, con una relación de radios externo a interno de alrededor de 1,5.

El aparato de fundición a presión según la presente invención proporciona ventajas importantes. La presente invención permite el uso de máquinas de fundición a presión del tipo "cámara fría" para ser usadas a fin de producir objetos compuestos de materiales de alta temperatura de fusión, por ejemplo, Tm por encima de 1093ºC e incluso 1649ºC. La presente invención permite la fundición a presión de tales materiales. Además, las piezas múltiples se pueden producir en una fundición única, reduciendo de ese modo el coste de la producción de cada pieza.

Aunque la presente invención se ha descrito con algunos detalles, se pueden hacer numerosas variaciones y substituciones sin apartarnos del alcance de las reivindicaciones siguientes. En consecuencia, se debe entender que se ha descrito la invención a modo de ilustración y no a modo de limitación.

Claims (10)

1. Un aparato de fundición a presión para fabricar objetos compuestos de un material que tiene una temperatura de fusión por encima de 1093ºC o más particularmente por encima de 1649ºC, comprendiendo el aparato:

una unidad (24) de fusión para fusión de al menos una carga única del material;

un troquel (36) de piezas múltiples, que define la cavidad del troquel;

un manguito de disparo (30) generalmente cilíndrico, en comunicación de fluido con el troquel (36) y para recibir material fundido de la unidad (24) de fusión, teniendo el manguito radios interno (Ri) y externo (Ro); y

una unidad (40) de pistón en acoplamiento móvil y de cierre hermético con el manguito de disparo (30) a lo largo de una carrera del pistón para forzar el material desde el manguito de disparo (30) dentro de la cavidad (36) del troquel; caracterizado porque el aparato comprende además:

el medio (22) para proporcionar un entorno de presión reducida para la unidad (24) de fusión, el troquel (36) y el manguito de disparo (30); y porque

el radio (Ri) interno del manguito tiene al menos 25 mm; y

la relación (Ro/Ri) es al menos 1,25.

2. El aparato de la reivindicación 1, en el que el medio de presión reducida proporciona separadamente entornos de presión reducida para la unidad (24) de fusión, el troquel (36) y el manguito de disparo (30).

3. El aparato de la reivindicación 1 ó 2, en el que la relación (Ro/Ri) es al menos 1,3.

4. El aparato de la reivindicación 3, en el que la relación (Ro/Ri) es al menos 1,5.

5. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el radio (Ri) interno es al menos 38 mm.

6. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el troquel (36) se compone de material seleccionado del grupo que consiste en aceros bajos en carbono, aleaciones de berilio-cobre, aleaciones con base de tungsteno, aleaciones con base de cobalto y aleaciones con base de molibdeno.

7. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el manguito de disparo (30) se compone de acero de herramienta H13.

8. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el troquel (30) define un volumen (38) de cavidad de troquel, y el manguito de disparo (30) define un volumen que es al menos 2 veces el volumen de la cavidad (36) de troquel.

9. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además:

medios para controlar la temperatura del manguito de disparo.

10. Un método de fundición a presión de un material de punto de fusión de temperatura elevada usando un aparato según cualquiera de las reivindicaciones precedentes.