鑄造方法、材料和設備以及由其製造的鑄件的製作方法
2023-06-18 07:01:21
專利名稱：鑄造方法、材料和設備以及由其製造的鑄件的製作方法
鑄造方法、材料和設備以及由其製造的鑄件
背景技術：
本發明主要涉及鑄造方法和用於鑄造方法的設備與材料。更具體地講，本發明涉及適合於在經所述方法製造的鑄造產品中同時形成抗氧化表面區域的金屬鋳造方法，其另外可為常規鋳造方法比如(但不限幹)鐵基合金鋳造和砂模鑄造方法。燃氣輪機，包括用於發電和航空器產業的燃氣輪機發動機，內部元件必須能夠在高溫下操作，通常高於1000EF (約540EC)。因為燃氣輪機的效率取決於其操作溫度，持續需要具有較高耐熱能力的燃氣輪機元件。因為用於燃氣輪機元件的材料需求已經増大，已經開發了各種加工方法、合金化成分和塗層以提高燃氣輪機元件的機械、物理和環境性能。為了促進抗氧化性和可接受的操作壽命，燃氣渦輪發動機的內部元件通常作為鑄件由高合金不鏽鋼、鎳鈷合金鋼、鈷基合金和鎳基合金製造。這些合金依賴鉻和/或鎳作為合金添加剤，形成抗氧化的氧化皮(scale)作為能夠保護合金免於燃氣輪機內高溫和氧化條件的表面塗層。因為這些鋼的鉻和鎳含量，例如在奧氏體不鏽鋼中為約18重量％或者更 多的鉻和約8重量％或者更多的鎳，在鎳鈷合金鋼、鈷基合金和鎳基合金中為約20重量％或者更多的鉻，和在鎳基合金中為約50重量％或者更多的鎳，氧化皮主要地為氧化鉻(氧化鉻；Cr2O3)和氧化鎳(NiO)。氧化皮有效地鈍化元件表面，防止元件表面處的進一步腐蝕和抑制表面下面的腐蝕。儘管提供抗氧化性的優點，這些合金通常比通常含有少於10重量％鉻和很少鎳(如果有的話)的低合金鋼和鐵昂貴得多。熟知氧化鋁(氧化鋁；A1203)氧化皮可在許多高溫應用中提供超過氧化鉻和氧化鎳的優良防護。某些鎳基超合金例如Ren6N5(美國專利第6074602號)含有足夠量的鋁以促進穩定氧化鋁氧化皮的生長。然而，在最初製造過程期間向熔融鋼合金中加入鋁是困難的，並且通常不實用或者不經濟。作為備選,可使用擴散過程，比如包滲法(pack cementation)、蒸氣相(氣相)招化(VPA)或化學氣相沉積(CVD)，將鋁擴散至元件的表面。這樣的擴散過程通常必需使元件表面與含鋁蒸氣反應以形成在元件表面處的附加層和在附加層下面的擴散區。附加層通常含有耐環境的金屬間相MAl (其中M為鐵、鎳或鈷，取決於基底材料)，擴散區通常含有鋁與存在於基底中的元素的多種金屬間相和亞穩相。儘管有效，擴散鋁化物過程在鋳造之後需要包括熱處理的另外的處理步驟，其對ー些應用為不切實際的，並且在所有情況中均招致額外的成本和時間。鑑於以上，持續希望製造鐵基合金鑄造產品，其含有相對低水平的合金化成分，然而能夠對於用於如燃氣渦輪發動機內部元件的情況的高溫氧化環境呈現足夠的抗氧化性。
發明內容
本發明提供用於製造鑄造產品的鋳造方法，其中所述方法在鑄造產品中形成含鋁表面區域，其能夠在產品表面上形成抗氧化的含氧化鋁的氧化皮。本發明還提供適合於實施所述方法的面塗層和設備，以及通過所述方法製造的鑄造產品。根據本發明的第一方面，鋳造方法必需提供具有型腔的鑄模和在具有型腔內鑄模表面上的連續固體面塗層。固體面塗層含有至少15重量％的含有金屬鋁和任選的活化劑的粉末。將熔融量的金屬合金引入到鑄模型腔中，使熔融的合金接觸固體面塗層。然後使鑄模冷卻以使熔融量的合金凝固並形成合金的鑄造產品。在鑄造過程期間，固體面塗層中的至少一部分金屬鋁擴散到表面中，以在鑄造產品中形成含鋁表面區域。如果在固體面塗層中存在，活化劑通過與粉末反應以形成揮發性鋁化合物，其然後在熔融合金的表面和/或接觸固體面塗層的鑄造產品反應以使金屬鋁注入到表面中，而促進金屬鋁擴散到表面中。在自鑄模去除鑄造產品之後，由於鑄造產品表面區域的氧化，氧化皮能夠在鑄造產品表面上生長。由於在鑄造過程期間注入到鑄造產品表面區域中的鋁的氧化，因而氧化皮含有氧化招。本發明的另外方面包括用於形成以上所描述固體面塗層的面塗層凝膠，以及通過以上所描述方法製造的鑄造產品。氧化鋁氧化皮在鑄造產品的表面足夠連續，並且以足以起抑制鑄造產品表面氧化和腐蝕的鈍化層作用的量存在。本發明的又一方面為用於以上所描述鑄造方法的固體面塗層，並且特別是利用鑄模的鑄造設備和鑄模的鑄模型腔表面上的連續固體面塗層。固體面塗層含有至少15重量％的含有金屬鋁和任選的活化劑的粉末。鑄模的型腔適應於接受熔融量的金屬合金，以 使熔融合金接觸固體面塗層。本發明可使用的合金包括鐵基合金，並且特別是低合金鐵基合金和鋼，其可含有鉻但是通常很少鎳或者沒有鎳，因此當暴露於燃氣渦輪發動機的環境時不呈現足夠的抗氧化性。本發明也可用於其它合金，包括能夠受益於經所述方法形成的含氧化鋁氧化皮的鈍化層的鎳基和鈷基合金。本發明的顯著優勢是固體面塗層在鑄造過程期間接觸熔融合金，其結果是，在合金仍然熔融的同時和/或在凝固期間，來自固體面塗層的金屬鋁擴散至合金中，形成能夠在鑄造產品表面上形成連續、附著和保護性氧化鋁氧化皮的富鋁表面區域。本發明的其它方面和優點將由以下詳述而得到更好理解。附圖
簡述圖I表示鑄模組件的局部(fragmentary)橫斷面視圖，並顯示根據本發明的ー個實施方案塗布於內部鑄模型腔表面的面塗層凝膠。圖2表示圖I的鑄模組件的局部橫斷面視圖，並顯示接觸圖I的面塗層凝膠形成的固體面塗層的鑄造產品。部件列表10 鑄模 11012 型腔 11214 表面 11416 面塗層 11618 鑄件 11820 區域 12022 表面 12224 粒子 12426 凝膠 126發明詳述
圖I和2示意性顯示可用於本發明的鋳造設備的部分。設備及其以下描述g在作為非限定性說明，顯示能夠用於鋳造方法製造金屬鑄件(18，在圖2中)的鑄模10，例如永久鑄模或砂模。如同本領域已知的那樣,鑄模10優選地由耐火材料形成，耐火材料表面可用陶瓷面塗層保護。鑄模10限定內部鑄模型腔12，其表面14具有鑄造產品18例如燃氣渦輪發動機內部元件所要求的形狀。這類元件的特別但是非限定性實例包括隔膜、護罩及其它靜態燃氣輪機部件。如在圖2中顯示的那樣，鑄模型腔表面14設有固體面塗層16，其將在以下得到更詳細描述。鑄模10、其型腔12和型腔表面14可以任何合適的方式製作或另外形成，因此這裡不進行任何詳細討論。鑄模10及其型腔12可與一個或多個型芯(未顯示)組合使用，用於在鑄造產品18中形成內部空腔或通道的目的。另外，鑄模10可適應於以任何適合於預期鑄造產品18的方式得到冷卻。另外，依鋳造的具體合金而定，使用鑄模10的鑄造過程可在空氣、真空或惰性氣氛下實施。在使用中，在鑄模10得到預熱例如至約200-約1000EF(約 90-約540EC)的溫度之後，將熔融量的合金傾入到預熱的鑄模10中，然後根據常規實踐使鑄模10冷卻，以引起和完成合金的凝固。多種合金可使用在圖I和2中所顯示類型的鑄模得到鋳造。對本發明特別關注的是鐵基合金的鋳造，尤其是鐵合金和低合金鋼合金的鋳造，這些合金不含有以能夠達到對鑄造產品18所要求水平抗氧化性的量形成連續的保護性氧化皮(例如連續的氧化鉻或氧化鎳氧化皮)的足夠的鉻、鎳或其它氧化物形成物。作為實例，某些鐵基合金可能含有不多於10重量％的合金化成分，餘量為鐵和附帯(incidental)雜質。這樣的合金化成分通常包括鉻、錳和碳中的ー種或多種。特別關注的是含有不多於10重量％鉻和如果有意加入的話很少(少於I重量％)的鎳的鐵基合金，例如含有8-10重量％鉻和少於I重量％鎳的某些低合金鋼、含有1-8重量％鉻和少於I重量％鎳的其它低合金鋼、和含有少於I重量％鉻和鎳的另ー些低合金鋼。鉻和鎳的這些水平與通常用於形成燃氣輪機元件的高合金不鏽鋼和鎳合金鋼大不相同，那些鋼由於其高溫操作要求通常含有18重量％或者更多的鉻和/或8重量％或者更多的鎳，其通常足以形成保護性表面氧化物。這類合金的顯著實例包括不鏽鋼等級比如304,316,310和鎳等級比如800,625和738。應該注意的是該方法的益處可延伸至其它鐵基合金，例如鐵素體鋼(通常鉻含量至高達約17重量％)的鋳造。該方法的益處也可延伸至除鐵基合金之外的金屬合金的鑄造，並且特別是如下的金屬合金含有的鉻、鎳或其它氧化物形成物的量不足以以能夠達到對鑄造產品18所要求水平抗氧化性的量形成連續的保護性氧化皮。這類合金的顯著實例包括通常用於製造燃氣輪機鋳造元件的類型的某些鎳基和鈷基合金類型。本發明的一個特別方面是，為了補償合金中氧化物形成物的缺乏，通過使一定量的金屬鋁擴散至鑄造產品18的表面區域20 (圖2)中而促進鑄造產品18的抗氧化性，並且特別是促進在其表面22上形成氧化物氧化皮(未顯示)，其主要為氧化鋁(換句話說，該氧化皮含有比任何其它單獨氧化物成分更多重量的氧化鋁)。如前所述，圖2顯示鑄模10的壁截面的片段，其具有塗布於其內部型腔表面14的固體面塗層16，以致於當熔融合金引入到鑄模型腔12中時其接觸固體面塗層16。固體面塗層16示意性顯示為，其含有含金屬鋁粒子24的分散體，粒子24構成固體面塗層16的至少15重量％，例如固體面塗層16的至少50重量％，更優選地為固體面塗層16的至少65重量％ -約90重量％。固體面塗層16的組成使得其金屬鋁含量足以提供金屬鋁源，用於在鑄造過程期間擴散至鑄造產品18中，以形成在圖2中顯示的表面區域20。特別是，固體面塗層16中的鋁含量和鑄造過程期間熔融鐵基合金及鑄造產品18的溫度充分組合，引起金屬鋁自固體面塗層16擴散至鑄造產品18的表面區域20中。足以達到該效果的最低溫度部分取決於粒子24的組成。如果粒子24基本上為鋁(帶有雜質)，相信約1300EF(約705EC)的溫度為足夠的，並且如果粒子24基本上為鋁合金，其主要成分為鋁，其非限定性實例包括CrAl、CoAl、NiAl、FeAl、MoAl、MnAl, AlZr和AlNb合金，則相信約1400EF(約760EC)的溫度為足夠的。如以下更詳細討論的那樣，鋁擴散至表面區域20中可通過在固體面塗層16中存在活化劑而得到進ー步促進，活化劑優選地構成固體面塗層16的至多約35重量％，例如固體面塗層16的約10-約35重量％，更優選地為固體面塗層16的約10-約20重量％。固體面塗層16的餘量(如果有的話)可為對鑄造過程惰性的固體。表面區域20可稱為鑄造產品18的富鋁表面區域20，因為其中由擴散過程造成的
鋁含量超過鑄造產品18其餘部分中的鋁含量(如果有的話)。表面區域20中的鋁含量優選大於10重量％，更優選大於12重量％，以便使表面區域20限定的鑄件表面22能夠形成連續的氧化物氧化皮，該氧化皮將含有足夠量的氧化鋁以促進鑄造產品18的抗氧化性。相信在表面區域20中特別合適的範圍為14-約40重量％鋁。在表面區域20中的鋁含量通常以ー種或多種金屬間化合物的形式存在，其組成取決於鑄件表面22的組成。例如，鐵基鑄件表面將形成FeAl金屬間化合物，鎳基鑄件表面將形成NiAl金屬間化合物，和鈷基鑄件表面將形成CoAl金屬間化合物。表面區域20優選地在鑄造產品18的表面22下面延伸至少50微米，例如在約50-約300微米範圍內，並且可能在鑄件表面22的下面更遠(例如約400微米)。由於擴散過程，在區域20的整個厚度的鋁含量將不均勻，而是趨向於在遠離鑄件表面22的方向上降低，以致於在表面區域20與主體(bulk)鑄件之間界面處的鋁含量與用於形成鑄造產品18的合金中的鋁含量(如果有的話)基本上相同。由於形成固體面塗層16的具體方法，固體面塗層16中的鋁內容物以離散粒子24的形式存在。特別是，圖I顯示塗布於鑄模10的表面14的面塗層凝膠26，其然後加熱形成在圖2中顯示的固體面塗層16。面塗層凝膠26含有含鋁粒子24及活化劑，其兩者均懸浮於圖I的面塗層凝膠26中，使粒子24經由活化劑形成的固體粘結相而分散於圖2的固體面塗層16中。為了促進粒子24在固體面塗層16中的分散和促進鋁擴散至表面區域20中，粒子24和活化劑優選以粉末形式存在。含鋁粒子24的合適粒度範圍至高達約100目(約149微米)，更優選範圍為約200-約325目(約74-約44微米)。用於本發明的合適活化劑包括已知的滷化物活化劑，特別是氟化物或氯化物鹽比如氟化鈉(NaF)、氟化鉀(KF)、氯化銨(NH4Cl)、氟化銨(NH4F)、溴化銨(NH4Br),碘化銨(NH4I)和氟化氫銨(NH4HF2)15當固體面塗層16經受熔融合金的升高溫度吋，活化劑與固體面塗層16中的鋁反應形成揮發性滷化鋁(例如AlF3)，其然後在鑄件表面22和/或接觸固體面塗層16的熔融合金表面反應，以沉積和擴散鋁並形成含鋁表面區域20。除粒子24和活化劑以外，面塗層凝膠26的組成由有機聚合物粘合劑構成。合適的粘合劑應燒盡而不剰餘任何殘留物，以便固體面塗層16不受粘合劑殘留物汙染。滿足這些標準的合適粘合劑的具體實例為VITTA GEL ，自Vitta Corporation市售可得到的水基有機聚合物粘合剤。可預見到其它有機聚合物粘合劑可使用。因為粘合劑在面塗層凝膠26充分加熱時乾淨地燒盡，固體面塗層16基本上為在由活化劑形成的固體粘結相中的鋁或鋁合金粒子24。有機聚合物粘合劑優選不構成面塗層凝膠26的多於70重量％，更優選為約20-約50重量％，餘量優選地為粒子24和活化劑(例如約40-約60重量％的粒子24和約10-約20重量％的活化劑，以得到以上所提及的優選範圍)。面塗層凝膠26含有足夠量的有機聚合物粘合剤，以促進面塗層凝膠26可容易地塗布到鑄模表面14。像這樣，面塗層凝膠26中聚合物粘合劑的量將取決於粉末粒子24的大小和量以及活化劑的形式和量。還處於本發明範圍內的是僅用粒子24和有機聚合物粘合劑形成面塗層凝膠26，其結果是固體面塗層16可基本上完全為金屬鋁或鋁合金層。面塗層凝膠26可經標準技術使用常規混合設備製備，然後經歷常規方法在鑄模型腔表面14形成固體面塗層16，比如通過浸潰、噴塗或另ー種合適的技木。面塗層凝膠26可作為單層或作為多層塗布，以在型腔表面14上得到對於面塗層凝膠26要求的厚度。面塗層凝膠26的粘度優選使得面塗層凝膠26可塗布於鑄模表面14，以得到最終厚度為至少50微米，更優選為約100-約300微米的範圍。對於面塗層凝膠26的優選厚度將取決於多種因素，包括其鋁含量和對於表面區域20所要求的鋁含量。
在將熔融合金引入到鑄模型腔12之前，優選將面塗層凝膠26加熱以燒盡聚合物粘合劑和形成在圖2中顯示的固體面塗層16。具有以上所描述組成的面塗層凝膠26得到固體面塗層16，其包含分散於由活化劑形成的固體粘結相中的含鋁粒子24。加熱面塗層凝膠26以形成固體面塗層16可在將熔融合金引入到鑄模型腔12之前於約200-約500EF (約90-約260EC)範圍內的溫度下實施。當在將熔融合金引入到鑄模型腔12之前預熱鑄模10時，可實現該處理。當熔融合金與固體面塗層16接觸吋，粒子24的組分，並且特別是它們的金屬鋁內容物，在熔融的同時和在凝固期間，從固體面塗層16擴散至合金中，形成富鋁表面區域20。如果存在，固體面塗層16的固體粘結相中的活化劑，通過與固體面塗層16中的鋁反應以形成揮發性滷化鋁，隨著凝固進行，揮發性滷化鋁然後與接觸固體面塗層16的熔融合金表面以及鑄件表面22反應，進一歩促進鋁沉積並擴散至表面區域20中。如上所述，表面區域20的鋁含量足以在鑄造產品18的表面22上形成連續和附著的含鋁氧化物氧化皮。氧化物氧化皮為連續的，其意義為，氧化物氧化皮存在井覆蓋整個富鋁表面區域20。由於鑄造產品18在氧氣存在下暴露於升高溫度，結果這樣的氧化物氧化皮在由表面區域20限定的鑄件表面22上熱生長。該暴露可為由鑄造產品18製造的元件的操作環境的結果，或為明確地有意使氧化物氧化皮熱生長的熱預處理的結果。備選地或另外地，氧化物氧化皮的生長可發生於鑄造產品18的熱處理期間，其可得到實施以發展所要求的合金機械性能。為了提供足夠的抗氧化性，氧化皮優選含有至少12重量％的氧化鋁，更優選含有至少15重量％的氧化鋁，餘量為可由於含有其它氧化物形成物(例如鉻和鎳)的鐵基合金而形成的氧化物。因為在該方法中優選使用低合金鐵基合金，在鑄造產品18上形成的氧化皮將含有比氧化鋁更少的氧化鉻和氧化鎳，並且更通常地含有不多於約10重量％氧化鉻和很少的氧化鎳或無氧化鎳。鑑於以上，本發明使得低合金鐵基合金能夠替代更加昂貴的鉻-鎳合金鋼，用於各種高溫應用中，例如燃氣渦輪發動機的各種內部元件。本發明通過用主要成分為氧化鋁的更具保護性的氧化物氧化皮改善低合金鐵基合金的抗氧化性而實現該方面。儘管本發明已經關於具體實施方案得到描述，顯而易見的是其它形式可由本領域技術人員採用。因此，本發明的範圍僅 通過所附權利要求限定。
權利要求
1.用於由金屬合金製造鑄造產品(18)的方法，所述方法的特徵在於 提供具有型腔(12)的鑄模(10)和在型腔(12)內的鑄模表面(14)上的連續固體面塗層(16)，固體面塗層(16)包含至少15重量％的粉末，該粉末含有金屬鋁和任選的活化劑； 將熔融量的金屬合金引入到鑄模(10)的型腔(12)中，使熔融的金屬合金接觸固體面塗層(16)； 冷卻鑄模(10)以使熔融量的金屬合金冷卻和凝固並形成金屬合金的鑄造產品(18)，期間固體面塗層(16)中的至少一部分金屬鋁擴散到鑄造產品(18)的表面(22)中，以在鑄造產品(18)中形成含鋁表面區域(20)； 自鑄模(10)除去鑄造產品(18);和然後 由於鑄造產品(18)的表面區域(20)的氧化而在鑄造產品(18)的表面(22)上生長氧化皮，由於在鑄造產品(18)的表面區域(20)中鋁的氧化，因而該氧化皮包含氧化鋁。
2.權利要求I的方法，其特徵在於在固體面塗層(16)中的含有金屬鋁的粉末由鋁和附帶雜質組成。
3.權利要求I的方法，其特徵在於固體面塗層(16)中的金屬鋁以選自CrAl、CoAl、NiAl、FeAl、MoAl、MnAl、AlZr和AlNb合金的鋁合金形式存在。
4.權利要求1-3中任何一項的方法，其特徵在於，含有金屬鋁的粉末分散於包含活化劑的固體粘結相中，並且活化劑為滷化物活化劑，其通過與固體面塗層(16)中的金屬鋁反應形成揮發性滷化鋁，然後揮發性滷化鋁在引入步驟期間與接觸固體面塗層(16)的熔融合金表面反應和在冷卻步驟期間與鑄造產品(18)的表面(22)反應，而促進金屬鋁擴散至表面區域(20)中。
5.權利要求1-4中任何一項的方法,其進一步特徵在於 形成在有機聚合物粘合劑中包含粉末的面塗層凝膠(26)，所述粉末含有金屬鋁和任選的活化劑； 將面塗層凝膠(26)塗布至鑄模表面(14);和 加熱面塗層凝膠(26)以燒盡有機聚合物粘合劑並形成固體面塗層(16)。
6.權利要求1-5中任何一項的方法，其特徵在於，金屬合金含有不多於10重量％的合金化成分，餘量為鐵和附帶雜質。
7.權利要求1-6中任何一項的方法,其特徵在於,金屬合金含有不多於10重量％的鉻和不多於I重量％的鎳。
8.權利要求1-7中任何一項的方法，其特徵在於，氧化皮含有至少12重量％的氧化鋁。
9.權利要求1-8中任何一項的方法，其特徵在於，鑄造產品(18)的表面區域(20)含有多於10重量％的鋁，並在鑄造產品(18)的表面(22)下面延伸至少50微米。
10.權利要求1-9中任何一項的方法，其特徵在於，鑄造產品(18)為燃氣渦輪發動機元件。
全文摘要
用於製造金屬合金鑄件的鑄造方法、面塗層和適合於實施所述方法的設備，以及通過所述方法製造的鑄件。鑄造方法必需使用具有型腔(12)的鑄模(10)，在其表面(14)具有連續的含鋁固體面塗層(16)。將熔融量的金屬合金引入到鑄模型腔(12)中，使熔融合金接觸固體面塗層(16)。然後使得鑄模(10)冷卻以使熔融合金凝固並形成鑄造產品(18)。在鑄造過程期間，固體面塗層(16)中的鋁擴散至鑄造產品(18)中，以在鑄件表面(22)處形成含鋁表面區域(20)。在自鑄模(10)除去鑄造產品(18)之後，由於鑄件表面區域(20)的氧化，因而含氧化鋁的氧化皮在鑄件表面(22)上生長。
文檔編號B22D27/04GK102728824SQ20121009944
公開日2012年10月17日 申請日期2012年3月29日 優先權日2011年3月29日
發明者D·W·卡瓦瑙, G·A·戈勒 申請人:通用電氣公司