促進帶有罩的轉葉中的晶粒結構的熔模鑄造過程和設備的製作方法

2023-05-01 13:20:31

專利名稱：促進帶有罩的轉葉中的晶粒結構的熔模鑄造過程和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種促進帶有罩的DS渦輪機轉葉中的晶粒結構的熔模 鑄造過程和設備，具體地涉及一種用於形成定向凝固的葉片的熔模鑄造 過程以及一種用於模製定向凝固的葉片的熔模鑄造組件。
背景技術：
燃氣輪機通常包括一個產生壓縮空氣的壓縮機段(或壓縮機部 分)，燃料與一部分壓縮空氣混和並在一個或多個燃燒室中燃燒，從而 產生熱壓縮氣體，熱壓縮氣體在渦輪段(或渦輪部分)中膨脹以產生使 軸旋轉的功率。渦輪段通常包括多排交替布置的靜葉片(噴嘴)和轉動 葉片(轉葉bucket)，每個轉動葉片都具有一個翼型部和一個根部，轉 動葉片通過根部固定到轉子上。
在許多轉動翼型上，在葉片的徑向外端上使用成整體的尖端罩，以 形成熱氣體必須經過的通道的外表面。讓罩成為翼型的一部分導致發動 機性能的增加，就這一點而論，希望整個外表面都由尖端罩所覆蓋。然 而，由於通過旋轉速度所施加的機械力，轉動翼型上的成整體的罩是受 很高應力的部件。與高應力關聯的高溫環境使得設計一個在葉片的其餘 部分的整個使用壽命期間都有效地工作的罩成為一個挑戰。罩的一個薄 弱區域是翼型和尖端罩之間的圓角。解決該挑戰的一個可能是減小施加 到尖端罩圓角上的應力， 一種常見的方法是使伸出的罩的一部分成扇形 或將其去掉，從而減小所施加的負荷。然而，物理地去掉尖端罩覆蓋導
致發動機性能的損失。

發明內容
本發明涉及一種用於渦輪機例如飛機發動機、燃氣輪機、蒸汽輪機 等等的葉片，更具體地說，本發明涉及一種熔模鑄造過程，該過程能使 定向凝固的具有尖端罩的渦輪葉片或轉葉具有一個貫穿尖端罩的連續 晶粒結構，同時還能增加部件的根部中的晶粒的數量。本發明可以容易 地應用於以地面為基礎的渦4侖才幾轉葉或飛才幾發動才幾渦輪葉片。
因而，本發明可以一種用於形成定向凝固的葉片的熔模鑄造過程來 實施，該過程包括提供一葉片模具，將所述模具定向以使得其用於形
成所述葉片的一底部的一部分模腔位於其底部，而使得用於形成葉片的
一尖端的一部分模腔位於其垂直上端；提供一在所述模具下面延伸的除 熱結構；使熔融金屬流入所述模具的所述模腔中；和允許所述葉片從所 述底部向上凝固。
本發明還可以 一種用於模製定向凝固的葉片的熔模鑄造組件來實 施，該熔模鑄造組件包括葉片模具，所述模具被定向(或確定取向) 以使得其用於形成所述葉片的底部的其一部分模腔位於其底部，而使得 用於形成所述葉片的一尖端的一部分模腔位於其垂直上端；設置成在所 述模具下面延伸的除熱結構；和用於使熔融金屬流入所述模具的所述模 腔中的管道系統，由此所模製的葉片將從所述底部向上凝固。


通過下面結合附圖仔細研究本發明的目前優選的示例性實施例的 更詳細的說明，將會更完整地了解和理解本發明的這些和其他目的和優 點，其中
圖1是帶有尖端罩的渦輪葉片的示意性透視圖2是傳統尖端罩的示意性平面圖，其示出了罩的扇形形狀；
圖3是典型的渦輪葉片鑄造布置的示意圖；和
圖4是根據本發明示例性實施例的過程的渦輪葉片鑄造布置的示意圖。
具體實施例方式
在圖1中示意性地示出了帶有冷卻通道的典型葉片，冷卻通道在葉 片尖端具有出口以溢出(flow over)尖端罩。如這裡示意性地示出的， 每個渦輪葉片10包括一翼型部12和一根部14，翼型部具有一前緣和一 後緣， 一大體上凹入的壓力面和一大體上凸出的負壓面在翼型的相對兩 側上在前緣和後緣之間延伸。在圖示的示例中，葉片根部14包括柄部 16和雞尾榫18,鴻尾榫18與轉子上的相對應鳩尾槽接合，以將葉片固 定到轉子上。
如圖1和2中所示， 一罩20形成於翼型12的尖端並從翼型向外伸 出，這樣，罩具徑向面向內和徑向面向外的表面，且暴露於流過渦輪段 的熱壓縮氣體。每個罩都具有支承面22、 24，在支承面22、 24上面， 罩與一相鄰葉片的罩接觸，從而抑制葉片振動。此外， 一個或多個擋板 26通常/人罩徑向向外伸出，以防止在相應的葉片4非周圍的熱氣體的洩
露。在一些傳統的轉葉(bucket)葉片結構中，多個冷卻空氣通道徑向 向外貫穿葉片進入葉片尖端中。在其他傳統的轉葉葉片結構中，在翼型 中限定有蜿蜒的通道。如圖2中所示，徑向的冷卻空氣通道按常規終止 於空氣排出孔28,空氣排出孔28允許冷卻空氣在罩的徑向向外表面處 排出。
由於定向凝固(或定向固化(DS))的晶粒結構與等軸晶粒(或結 晶)構造相比所展現的優良機械性質，在一些應用中想要定向凝固(DS) 的渦輪葉片/轉葉(圖1)。典型地，DS晶粒沿垂直於激冷板且平行於 退出方向的所希望的方向生長，但僅yf又生長到一個點為止。DS晶粒不會 環繞90度角或拐角生長。超過90度角，例如，穿過平臺或尖端罩與翼型 相連的半徑，在或多或少垂直於翼型的那些表面中的晶粒結構和晶粒生長 方向通常各方等大地或大約各方等大地結束，因而，渦輪葉片/轉葉區域中 例如尖端罩的多個部分中的晶粒結構沒有所希望的或所需要的機械性 質。本發明提供了一種過程，籍此能獲得一個從翼型通過某些葉片/轉葉的 尖端罩的DS晶粒結構，同時還能增加部件的根部中的晶粒的數量。
在DS和單晶(SC)鑄造技術變得適合成批生產之前，熔模鑄造渦 輪葉片和轉葉被鑄造為具有等軸結晶構造。由於這些部件的幾何形狀； 即在根部和柄部端部(或末端)的橫截面較大(或較粗)，其朝著在尖 端的較小(或較細)橫截面逐漸變細，所以允許熔融金屬進入並充填置 於較大的端部上模具的澆口上。通常以尖端以向下的姿態部分地鑄造這 些部件以在必需的填充和供料過程中利用重力，從而產生無疵鑄件。在 金屬在形成澆口的端部處最長時間地保持熔融狀態且可以用來供應鑄 件的場合，當金屬受冷體積收縮時，尖端向下的姿態允許自然的填充和 供料發生。這些結構在不同的結晶方向上具有不同的機械性質。
Bridgeman過程使得熔模鑄件產生一種具有受控結晶取向，從而能 利用特定結晶取向的優良性質。在DS過程中，晶粒在激冷板上成核並 且它們的生長受排熱方向和方法的控制。晶粒垂直於激冷板生長，它們 能以一個角度生長，但一般它們不會環繞拐角生長，即，當它們變得平 行於激冷板(或垂直於退出方向)時，它們通常會停止生長。如果/當晶 粒的生長被與生長方向交叉的模具的表面(例如尖端罩或平臺)打斷 時，晶粒也將停止沿所希望的方向的生長。
由於在尖端向下的姿態中生產傳統的DS鑄件，所以晶粒生長開始於
轉葉的尖端罩的最外表面處。當晶粒朝翼型生長時，從(鑄件的外部)激 冷板進入尖端罩的那些晶粒遇到部件(模具材料)的翼型氣路表面並被阻
止進一步生長，這些晶粒是被截斷的DS晶粒，並且當部件被腐蝕時具有 等軸晶粒的外觀。它們不是真正地由等軸晶粒組成的，而是DS晶粒的短 的部分，且這些區域中的性質^艮可能比得上DS晶粒結構的橫向性質。
整個結構中的晶粒數量受允許晶粒生長穿過的最小橫截面的限 制。參考圖3，在渦輪機轉葉或飛機發動機葉片的典型鑄造過程中，當 晶粒生長從尖端罩120， 一較小的橫截面前進通過翼型112的不斷增大 的橫截面，然後通過平臺和總體上以附圖標記114表示的柄部與鳩尾榫 的仍然較大的橫截面時，通過小的尖端罩120生長的晶粒數量沒有增 加，且實際上由於生長得較大、較快的晶粒吸收和推開了生長得較小的 晶粒，生長通過小的尖端罩120的晶粒數量可能減少了。這樣，需要現 存的有限數量的晶粒填充部件的增大的橫截面和體積，因而鴻尾榫具有 的晶粒將比尖端罩少。在整個翼型中將會有許多晶粒，它們沒有延伸到 或穿過鳩尾榫，這些晶粒僅僅由將它們結合到相鄰晶粒的力量(或強 度)保持在一起。希望讓儘可能多的晶粒保持在雞尾榫，以使得部件的 強度是結晶的晶粒的強度，而不是晶界強度。
因而，在利用Bridgeman過程的現有技術中，如圖3中所示，部件 與安裝到除熱結構(或構造或者特徵)130 (其例如可以是激冷板)的 部件的尖端罩端120對齊。更具體地說，將熔融金屬132倒入一澆注杯 134,然後熔融金屬通過一合適的管道系統，該管道系統將熔融金屬最 終給送到部件110中。除熱結構，例如激冷板130設置成在模具下面水 平地延伸並設為晶粒成核啟動器。在圖示的示例中，管道系統包括垂直 取向的澆鑄道136和從澆鑄道136延伸到模具的給料管138，澆鑄道136 僅僅是一中空管。
如圖3中所示，部件模具構形成使得尖端罩120設置在除熱結構附 近，翼型112從尖端罩垂直地延伸到柄部/鳩尾榫模具部分114,並且晶 粒生長是在朝向柄部/雞尾榫的方向上。在真空中鑄造這些部件；即，沒 有空氣存在並且不需要排氣孔。
本發明的目的是提供一種轉葉尖端罩中的晶粒結構，其比現有技術 的結果更令人滿意。例如，本發明將允許轉葉晶粒環繞尖端罩圓角生 長，在部件的這個受很大應力的區域中產生優良的機械性能。有了本發 明提供的優良性能，能將渦輪機轉葉設計成在較高的溫度工作或工作更 長的時間。在尖端罩圓角的示例中，本發明可以消除使尖端罩成扇形的 需要，導致優良的發動機性能。本發明的另一個目的是增加鴻尾榫中的 晶粒數量(在部件固定到渦輪機葉輪的場合)。在現有技術的過程中，
從尖端罩120到鳩尾榫114貫穿部件的晶粒數量受到能通過翼型112和 該翼型的腳印部的晶粒數量的限制，翼型112在腳印部與平臺/柄部相 連。這個小的腳印部，或窗口，限制將進入鳩尾榫的所希望的取向和性 質的晶粒的數量。
本發明將部件210的模具定向以使得根部214向下，所以與現有技 術相比，凝固和晶粒發生與生長開始於部件的相反端，並且凝固從鳩尾 榫214向前移向尖端罩220;與現有技術的凝固和晶粒生長圖案(或模 式)相反大約180度。因而，參考圖4中所示的示例性實施例，如傳統 的模製過程中那樣，熔融金屬232在通過管道系統流入部件210之前被 倒入一澆注杯234。除熱結構，例如激冷板，230設置成作為晶粒成核 啟動器在模具下面水平地延伸。在圖示的示例性實施例中，管道系統包 括垂直取向的澆鑄道236和從澆鑄道236延伸到模具的給料管238,澆 鑄道236僅僅是一中空管。作為選擇，可以通過非垂直的澆鑄道將合金 引入到部件空腔中，並可以將給料管設置在另一個位置，位於除熱結構 230附近或沿著部件才莫具更高的位置。
與參考圖3的上述傳統過程大不相同，根據本發明的實施例，模具 構形成使得柄部/鳩尾榫模具部分214設置在除熱結構230附近，翼型 212從柄部/鳩尾榫垂直向上延伸到尖端罩220,且晶粒生長是在朝向尖 端罩220的方向上。
根據本發明的過程，與除熱結構230接觸的較大面積引發了較大量 的被適當取向的晶粒，然後所述晶粒從大的橫截面生長通過部件進入逐 漸縮小的橫截面。在受很大應力的鳩尾榫區域214中具有其性質優良的 被更正確對齊的DS晶粒是所希望的，將被引發和被保持在鴻尾榫中的 相同晶粒將貫穿翼型212的長度延伸，貫穿翼型的晶粒的數量的增加將 導致部件中承受應力能力的增加。
儘管已經結合目前認為最實用和優選的實施例描述了本發明，但應 該懂得，本發明不局限於公開的實施例，而是相反，本發明用來覆蓋包 含在所附權利要求書的精神和範圍內的各種變型和等價方案。
部件編號
渦輪葉片10
翼型部12
根部14
柄部16
鳩尾榫18
罩20
支承面22, 24
擋板26
空氣排出孔28
部件110
翼型112
柄部和鴻尾榫114
尖端罩120
激冷板130
炫融金屬132
澆注杯134
澆鑄道136
給料管138
部件210
翼型212
柄部/雞尾榫模具部分尖端罩220
激冷板230
熔融金屬232
淺注杯234
澆鑄道236
給料管238
激冷板230
權利要求
1.一種用於形成定向凝固的葉片的熔模鑄造過程，它包括提供葉片模具(210)，將所述模具定向以使得其用於形成所述葉片的底部的模腔的部分(214)位於其底部和使得用於形成葉片的尖端的模腔的部分(220)位於其垂直上端；提供在所述模具下面延伸的除熱結構(230)；使熔融金屬(232)流入所述模具的所述模腔中；和允許所述葉片從底部向上凝固。
2. 如權利要求1所述的熔模鑄造過程，其特徵在於，將所述熔融金 屬給送到所述模腔的底部(214)。
3. 如權利要求1所述的熔模鑄造過程，其特徵在於，其還包括提供 與所述葉片模具(210)相鄰的澆鑄道(236)和提供用於使熔融金屬從 所述澆鑄道流到所述模腔的給料管(238)。
4. 如權利要求3所述的熔模鑄造過程，其特徵在於，所述澆鑄道 (236)是基本上垂直取向的，與所述葉片模具(210)相鄰且平行於所述葉片模具(210)。
5. 如權利要求1所述的熔模鑄造過程，其特徵在於，所述模具構形 成用於形成渦輪轉葉，所述模腔的底部構形成形成渦輪轉葉的鳩尾榫/ 柄部(214)，且所述模腔的垂直上端構形成形成渦輪轉葉的尖端罩(220)。
6. —種用於模製定向凝固的葉片的熔模鑄造組件，它包括 葉片模具(210)，所述模具被定向以使得其用於形成所述葉片的底部的模腔的部分(214)位於其底部和使得用於形成葉片的尖端的模腔的部分(220)位於其垂直上端；設置成在所述模具下面延伸的除熱結構(230);和 用於使熔融金屬(232 )流入所述模具的所述模腔中的管道系統 (236、 238);以及由此模製的葉片將從底部向上凝固。
7. 如權利要求6所述的熔模鑄造組件，其特徵在於，所述管道系統 包括與所述葉片模具相鄰的澆鑄道(236 )和用於使熔融金屬從所述澆 鑄道流到所述模腔的給料管(238)。
8. 如權利要求7所述的熔模鑄造組件，其特徵在於，所述給料管從所述澆鑄道延伸到所述葉片模具的底部(214)。
9. 如權利要求7所述的熔模鑄造組件，其特徵在於，其還包括位 於澆鑄道的垂直上端用於接納熔融金屬(232 )的澆注杯(234)。
10. 如權利要求6所述的熔模鑄造組件，其特徵在於，所述模具構形成用於形成渦輪轉葉，所述模腔的底部構形成形成渦輪轉葉的鳩尾榫 /柄部(214),且所述模腔的垂直上端構形成形成渦輪轉葉的尖端罩 (220)。
全文摘要
本發明提出一種促進帶有罩的DS渦輪機轉葉中的晶粒結構的熔模鑄造過程和設備。該熔模鑄造過程能使定向凝固的具有尖端罩的渦輪葉片或轉葉具有貫穿尖端罩(220)延伸的連續晶粒結構，同時還能增加部件的根部(214)中的晶粒數量。
文檔編號B22C9/04GK101172301SQ20071018498
公開日2008年5月7日 申請日期2007年10月31日 優先權日2006年10月31日
發明者R·A·布裡廷厄姆, S·D·格雷厄姆 申請人:通用電氣公司