單向凝固工藝和用於其的設備的製作方法

2024-01-25 23:30:15 1

專利名稱：單向凝固工藝和用於其的設備的製作方法
技術領域：
本發明大體上涉及用於生產定向凝固鑄件的材料和工藝，並且尤其涉及能夠減少合金中的缺陷的工藝和設備，該合金鑄造為長單晶(SX)和定向凝固(此)的物件，包括但不限於燃氣渦輪和其它高溫應用的構件。
背景技術：
燃氣渦輪的構件，例如葉片(動葉)、靜葉(噴嘴)和燃燒器構件通常由鎳、鈷或鐵基超級合金形成，其特徵是在渦輪操作溫度下具有所需的機械特性。因為燃氣渦輪的效率取決於其操作溫度，所以目前一直在努力開發能夠承受更高溫度的構件，並且尤其是渦輪動葉、噴嘴和燃燒器構件。隨著用於燃氣渦輪構件的材料需求增加，已經使用各種加工方法和合金成分來增強由超級合金形成的構件的機械、物理和環境特性。例如，在苛刻應用中所採用的動葉、噴嘴和其它構件通常通過單向鑄造技術鑄成，以便具有定向凝固(此)或單晶(SX)微觀結構，其特徵是沿著晶體生長方向的優化的晶體定向，從而產生柱狀多晶物件或單晶物件。如本領域中已知的那樣，用於生產SX和DS鑄件的定向鑄造技術通常需要將所需的合金熔液傾倒至熔模中，該熔模被保持在高於合金的液相線溫度的溫度。一種這樣的工藝在圖1和圖2中被展示為設備10，其採用布裡奇曼型的熔爐來創建包圍殼體鑄模12的加熱區域沈以及位於鑄模12下方的冷卻區域42。區域沈和42可分別被稱為「熱」區域和 「冷」區域，其在這裡被用來相對於正在凝固的合金的熔化溫度指示它們的溫度。鑄模12具有與被描繪為渦輪動葉的鑄件32(圖2)的預期形狀相對應的內部空腔14。因此，圖1將空腔14描繪為具有區域14a、14b和14c，它們設置為用以分別形成鑄件32的翼型部分34、 柄部36和燕尾榫38 (圖2)。空腔14還可包含芯部(未顯示)，以用於在鑄件32中形成冷卻通道的目的。鑄模12被顯示為被固定至冷板24，並放置在加熱區域沈(布裡奇曼熔爐) 中。加熱區域26將鑄模12加熱至高於合金的液相線溫度的溫度。冷卻區域42正好位於加熱區域26下方，並操作用以通過傳導、對流和/或輻射技術冷卻鑄模12和其中熔化的合金16。例如，冷卻區域42可以是包括液體冷卻池46 (例如熔化金屬)的箱(tank)，或者是輻射冷卻箱，其可被抽空或包括處於周圍溫度或冷卻溫度的氣體。冷卻區域42還可採用氣體衝擊冷卻或流化床(fluidized bed)。由隔板、熱屏蔽或其它合適手段限定的隔熱區域44位於加熱區域沈和冷卻區域 42之間並將其分隔開。隔熱區域44用作對加熱區域沈所發射的熱輻射的屏障，從而促進鑄模12和冷卻池46之間的急劇的軸向熱梯度。隔熱區域44具有可變大小的開口 48，如圖 1中所示，其在鑄模12從加熱區域沈抽出、穿過隔熱區域44並進入液體冷卻池46中時，可使隔熱區域44緊密地配合在鑄模12的形狀周圍。圖1和圖2中所示類型的鑄造工藝通常是在真空或惰性氣氛中進行的。在鑄模12 被預熱至被鑄造的合金的液相線溫度以上的溫度之後，熔化的合金16被傾倒至鑄模12中， 並且通過將鑄模12的基部和冷板M以固定的抽出速度向下抽回到冷卻區域42中而開始
4單向凝固工藝，直至鑄模12完全處於冷卻區域42中，如圖2中所示的那樣。隔熱區域44 需要在凝固前沿保持較高的熱梯度，以便防止定向凝固工藝期間新晶粒的成核。冷板M的溫度優選地被保持於冷卻區域42的溫度或其附近，使得枝晶生長開始於鑄模12的下端，並且凝固前沿向上行進穿過鑄模12。鑄件32從位於鑄模12的底部的小塊觀外延地生長。 塊觀可以是例如圓柱形的激冷試塊或錐形的種子件(seedpiece)，單晶體從選晶器30 (例如豬尾狀結構)由該種子件形成。柱狀單晶體在空腔14的擴大部分中變得更大。橋40連接鑄件32的突出部分以及鑄件32的下面部分，使得單向的柱狀單晶體基本貫穿鑄件32形成。如果鑄件32不具有高角晶界(例如大於大約二十度)，那麼鑄件32通常被視為基本柱狀的單晶體。DS和SX物件的機械特性部分地取決於避免可能由於定向凝固工藝而發生的高角晶界、等軸晶粒以及其它潛在缺陷。作為一個示例，通常需要較小的枝晶臂間距以避免鑄件缺陷(例如雜散晶粒、裂片和斑點)，並且改善增強相的均勻性以及改善物件的操作溫度下的機械特性。在定向凝固期間，通過急劇的熱梯度可在生長界面處有效地獲得小的枝晶間距。在傳統的布裡奇曼設備中，加熱區域沈的溫度通常被保持在比合金的液相線溫度高大約300° F至大約400° F(大約160°C至大約220°C )的溫度，從而獲得足夠高的熱梯度。 然而，如果殼體鑄模12在加熱區域沈中在延長的時段內保持過高溫度，那麼可能不可避免地發生有害作用。這種尺寸缺陷可由於用於鑄造工藝的鑄模12和任何芯部的蠕變運動和變形而引起，並且表面光潔度缺陷由於熔化合金16和鑄模12以及芯部之間的相互作用而引起。如果合金包括高溫下有反應性的元素(「反應性元素」)，例如釔、鋯和鉿，並且在較小程度上包括其它元素，例如鉭、鎢、錸和鈦(其也常常被稱為是反應性的)，那麼這種相互作用尤其是可能的。因為超級合金通常包括反應性元素，所以一般慣例是保護鑄模12的表面，其通常由耐火材料(例如氧化鋁或二氧化矽)形成，帶有表面塗層，該表面塗層的非限制性示例包含氧化釔(Y2O3)。雖然在減少與許多合金成分的反應方面有效，但是保護性表面塗層未解決可在凝固工藝過程期間出現的其它缺陷，包括由於在過高溫度下延長停留而引起的尺寸缺陷。

發明內容
本發明提供了一種用於鑄造合金的設備和方法，其使用單向鑄造技術來生產具有定向凝固(DS)或單晶(SX)微觀結構的鑄件。根據本發明的第一方面，該設備包括一種鑄模，其具有模腔，該模腔適於在合金凝固期間容納一定量的熔化合金，以產生由模腔限定的單向凝固鑄件。該設備還包括第一加熱區域、冷卻區域和隔熱區域，第一加熱區域適於將鑄模和其中的該一定量的熔化合金加熱至高於合金液相線溫度的第一加熱溫度，冷卻區域適於將鑄模和其中的該一定量的熔化合金冷卻至低於合金固相線溫度的冷卻溫度並從而產生單向凝固鑄件，並且隔熱區域位於第一加熱區域與冷卻區域之間。隔熱區域適於在其中限定熱梯度，以便促進該一定量的熔化合金的單向凝固。該設備還具有第二加熱區域，其通過第一加熱區域與隔熱區域分開。第二加熱區域適於在鑄模中獲得第二加熱溫度，第二加熱溫度低於第一加熱區域的第一加熱溫度，但仍充分接近合金的液相線溫度，使得該一定量的熔化合金在第二加熱溫度下會包括固相和液相。最後，該設備包括這樣的裝置，該裝置用於在該設備的第一方向上引起鑄模
5與第一加熱區域、冷卻區域和隔熱區域之間的相對運動，從而使鑄模和其中的熔化合金順序地經歷第一加熱區域、隔熱區域以及隨後冷卻區域，該設備還包括溫度控制裝置，其用於單獨地設定和控制第一和第二加熱區域中的第一和第二加熱溫度，並且將第二加熱溫度保持在低於第一加熱溫度的水平。根據本發明的第二方面，提供了一種利用上述設備來鑄造合金的鑄造方法。根據本發明的另一方面，一種鑄造合金的特定方法包括當鑄模的至少一部分位於設備的第二加熱區域中時，將一定量的熔化合金傾倒至鑄模的空腔中。第二加熱區域造成位於第二加熱區域中的該一定量的熔化合金處於第二加熱溫度，第二加熱溫度低於合金的液相線溫度，但仍充分接近合金的液相線溫度，使得該一定量的熔化合金在處於第二加熱區域中時會包括固相和液相。鑄模和該設備之間的相對運動於是造成鑄模從第二加熱區域平移穿過該設備的第一加熱區域。第一加熱區域將位於第一加熱區域中的該一定量的熔化合金加熱至高於合金液相線溫度的第一加熱溫度，使該一定量的熔化合金中的固相熔化，並造成位於第一加熱區域中的該一定量的熔化合金只包括液相。鑄模與該設備之間的進一步的相對運動造成鑄模從第一加熱區域平移穿過該設備的隔熱區域到該設備的冷卻區域中。隔熱區域在位於隔熱區域中的該一定量的熔化合金中產生熱梯度，從而造成進入冷卻區域的該一定量的熔化合金的單向凝固。然後冷卻鑄模，產生單向凝固的鑄件和其中的柱狀晶體結構。根據本發明的優選方面，可採用本發明的設備和方法來提升鑄件(並且尤其是DS 和SX鑄件)的機械特性，其部分地取決於避免單向凝固工藝過程期間由於加熱區域中的過高溫度而可能出現的潛在缺陷。這種設備和方法還能夠提高鑄件的尺寸和冶金方面的質量，並減少凝固工藝的功率消耗。可受益於本發明的鑄件的非限制性示例包括燃氣渦輪的構件，例如護罩、動葉、葉片和噴嘴。本發明的其它方面和優點從下述詳細描述中將更好理解。


圖1和圖2描繪了顯示單向鑄造(凝固)工藝的兩個步驟的截面圖，其用以根據現有技術生產單晶渦輪葉片。圖3示意性地描繪了(a)截面圖，該截面圖顯示了根據本發明的一個實施例的能夠執行單向凝固工藝的設備，並且還包括(b)指示該設備內的相對溫度的圖。項目清單
10設備
12鑄模
14空腔
14a區域
14b區域
14c區域
14d區域
16I=I ^
24板
26區域28塊30選晶器32鑄件34部分36柄部38燕尾榫40橋42區域44區域46池48開ロ50設備52鑄模54空腔56合金58冒 ロ60區域62區域64區域66區域68元件70元件72板
具體實施例方式本發明可被用來從多種廣泛的合金(包括但不限於鎳基、鈷基和鐵基超級合金) 生產各種鑄件。本發明的某些能力特別適於生產具有嚴格的尺寸質量要求的伸長的物件， 和/或包含高於可能另外地存在的附加量或痕量的反應性元素水平的合金。最顯著的是， ー種合金可包括一定水平的釔、鋯和/或鉿，該水平使得在該合金處於熔化狀態時對於氧 和/或鑄模或芯部的表面為反應性的。其它潛在的相關元素包括鉭、鎢、錸和鈦。在用於生 產鑄造物件的合金中通常會找到這些元素，鑄造物件適於諸如燃氣渦輪的熱氣體通路構件 的應用，包括但不限於陸基燃氣渦輪的動葉和噴嘴、飛行器燃氣渦輪的葉片和靜葉、以及在 這兩種類型的燃氣渦輪中存在的護罩。為了提高其高溫特性，這些構件常常是單向鑄造的， 以便具有柱狀單晶(SX)或柱狀多晶定向凝固(DS)的微觀結構。雖然將參照燃氣渦輪的構 件描述本發明的優點，但是本發明的教導通常可適用於其它可受益於單向鑄造的構件。DS或SX鑄件由所需合金的熔液(例如通過已知的真空感應熔化技術製備)生產。 如本領域中已知的那樣，鑄件凝固期間的傳熱條件是受控的，使得凝固前沿單向並穩定地 行迸，以便產生初生柱狀晶體/晶粒，並避免二次晶粒從熔液中成核和成形而與初生柱狀單晶體競爭。本發明提出額外的步驟來提升鑄件的機械、尺寸和冶金方面的特性，使其超過通常利用傳統單向鑄造技術獲得的特性。圖3(a)示意性地顯示了根據本發明的一個實施例的適於實現單向鑄造技術的設備50。設備50被描繪為包括一種適於生產DS或SX鑄件的殼體鑄模52。如本領域中已知的那樣，鑄模52可由例如氧化鋁或二氧化矽這樣的材料形成，並且具有與鑄件(未顯示) 的預期形狀相對應的內部空腔M，鑄件將在空腔M中由熔化的合金56形成。應當理解， 複雜的芯部可定位在模腔M中，以便在鑄件中形成內部通道/特徵。鑄模52被描繪為包括冒口 58，通過該冒口 58將所需合金的熔液引入鑄模52中。如本領域中已知的那樣，液態金屬還可通過澆鑄系統(未顯示)引入模腔M中，在這種情況下，冒口 58可簡單地用於進給鑄件的凝固收縮。鑄模52被固定至與圖1和圖2中所示相似的冷板72。因為圖3(a) 的設備50以及圖1與圖2中所示的傳統設備10之間額外的相似性，對圖3(a)的下述論述將主要聚焦在設備50與圖1和圖2的設備10的某些明顯或顯著不同的方面。沒有進行任何詳細論述的圖3(a)的設備50的其它方面在結構、功能、材料等方面可基本上如對於圖1 和圖2的設備10所述的那樣。如圖1和圖2中所示的設備10和工藝那樣，利用圖3(a)的設備50執行的鑄造工藝優選地在真空或惰性氣氛中進行。在通過冒口 58 (或單獨的澆鑄系統)引入所需合金的熔液之前，優選地預加熱鑄模52。鑄模52然後穿過加熱區域60，鑄模52在那裡被加熱至與合金的熔化溫度相等或其以上的溫度，並且更具體地說高於合金的液相線溫度，在此之後通過將冷板72和鑄模52的基部以固定的速率向下抽出穿過隔熱區域62而開始單向凝固，凝固在隔熱區域62那裡開始，並且然後進入冷卻區域64，凝固在冷卻區域64那裡完成。 因為加熱區域60和冷卻區域64之間的溫度梯度，所以在合金中將存在一個溫度範圍，如圖 3(a)中通過用於表示空腔M中的合金56的不同的剖面線示意性描繪的那樣。冷卻區域 64可包括液態金屬冷卻池，或者用於輻射冷卻的真空或周圍空氣或冷卻空氣。取決於特定情況，基本上貫穿整個鑄件形成單向柱狀晶體(DS)或單個單向柱狀晶體(SX)。例如，基於鑄模52的基部處的小塊單晶種子材料(未顯示)的晶體結構和定向可造成鑄模52中的SX 鑄件外延地生長(例如關於定向)，單晶體從選晶器(未顯示)由該種子材料形成。 可以相似的方式來生產DS鑄件，但對鑄模52而言帶有更改，使得鑄模52的基部處的生長區域對於冷板72而言是打開的，並且省略選晶器。如從圖3 (a)中顯而易見的那樣，設備50不同於圖1和圖2的設備10，部分地在於引入了定位在加熱區域60的入口處的第二加熱區域66，出於方便起見，加熱區域60現在將被稱為設備50的第一加熱區域60。設備50設置為用以保持傳統布裡奇曼熔爐中的加熱區域(例如圖1和圖2的設備10的加熱區域26)的主要功能，同時最大限度地減小和潛在地消除傳統布裡奇曼熔爐的加熱區域中可能發生的某些有害影響。具體地說，同圖1和圖2的單個連續的加熱區域沈相比，第一加熱區域60和第二加熱區域66在設備50中提供了兩個分離的熱區域。第一加熱區域60和第二加熱區域66之間的重要區別是這些區域 60和66中的溫度是不同的並且被單獨控制。第一加熱區域60中的溫度被優選地選定並被控制在對於圖1和圖2的傳統布裡奇曼設備10而言常規的水平，即，高於被鑄造的合金的液相線溫度並且優選地比其高得多的溫度(例如高大約160°C至大約220°C )。第一加熱區域60中的溫度確定穿過隔熱區域62的軸向熱梯度，凝固在隔熱區域62那裡開始，如上文所述的那樣。相反，第二加熱區域66中的溫度被有意選擇並被控制得低於第一加熱區域60的溫度，但仍高於合金的固相線溫度。更優選地，第二加熱區域66中的熔化合金56的溫度低於但接近合金的液相線溫度。例如，基於合金的液相線溫度和固相線溫度(Tm和ΤΘΛ)之間的溫差(ΔΤ)進行計算，第二加熱區域66中的溫度(Tshz)可在液相線溫度的大約10%或更小的範圍內((ΤΜ-0. 1ΔΤ)彡Tshz < Tm)，並且更優選地在液相線溫度的少許攝氏度內，例如在液相線溫度的10°C或可能5°C內。因此，第二加熱區域66中的溫度被控制為用以將合金56保持在合金的固相線溫度和液相線溫度之間(被稱為「糊狀區域」)，並且因此第二加熱區域66中的熔化合金56特徵是包含極少量固相的液相。固相和液相的相應量將取決於該溫度多麼接近液相線溫度。對於特定大小的單向凝固鑄件，第一加熱區域60和第二加熱區域66可佔用與圖1 和圖2的單個加熱區域沈所佔用的體積或軸向長度相同的設備50的體積或軸向長度。換言之，圖3(a)的加熱區域60和66的組合大小不一定大於圖1和圖2的加熱區域沈。明顯地，圖3(a)中所示的第一加熱區域60在設備50的軸向方向上比第二加熱區域66短得多。 設備50的這個方面是為了顯著減少熱的液態合金56與鑄模52 (和任何芯部)之間的接觸時間，並因而最大限度地減少會由於表面反應和殼/芯部蠕變引起的有害影響。圖3(b)包括與設備50的表現相關聯的圖，以便指示用於第一加熱區域60和第二加熱區域66以及冷卻區域64的溫度設定(虛線)。由於加熱區域60和66、隔熱區域62 和冷卻區域64中的對流和/或擴散性傳熱，合金熔液和得到的鑄件中的實際溫度分布將更加平緩，如圖3(b)中由連續實線所示的那樣。縮寫TSHZ、TPHjPTra在圖3(b)中分別用於表示對於第二加熱區域66、第一加熱區域60和冷卻區域64的設定溫度，並且縮寫T @+0和Ta 在圖3(b)中分別用於表示合金的固相線溫度和液相線溫度。在熔化合金56以及圖3(a) 與圖3(b)的圖中還描繪了凝固前沿或界面的位置和溫度。從圖3(a)和圖3(b)中應當理解，第一加熱溫度、第二加熱溫度和冷卻溫度可被認為分別存在於第一加熱區域60、第二加熱區域66和冷卻區域64中，但這些溫度不一定指特定或一致的溫度，而是可指彼此不同的溫度範圍，例如，當處於第二加熱區域66中時熔化的合金56中可能存在的溫度範圍、當處於第一加熱區域60中時熔化的合金56中可能存在的較高的溫度範圍，以及在冷卻區域64 中的合金凝固期間和之後得到的鑄件中可能存在的較低的溫度範圍。從圖中顯而易見的是，雖然第二加熱區域66中的熔化合金的設定溫度(Tshz)和實際溫度略低於Iaffi，但是第一加熱區域60中的熔化合金56的設定溫度(Tphz)和實際溫度明顯高於Τ ，從而可在隔熱區域62中實現急劇的熱梯度。具體地說，第一加熱區域60和冷卻區域64中的實際溫度之間的溫差以及隔板或隔熱罩(在其之間限定了隔熱區域62)的厚度確定隔熱區域62中的凝固界面處的溫度梯度。因此，對於給定的單向凝固工藝而言， 如果冷卻區域64的溫度以及隔熱區域62的厚度保持不變，那麼隔熱區域62中的軸向熱梯度將只由加熱區域60確定，並且第二加熱區域66的引入將不會改變軸向熱梯度。本發明的這個方面允許第二加熱區域66的長度顯著長於第一加熱區域60 (如圖3 (a)中所示)，從而對於在不降低或另外地改變隔熱區域62中的固體/液體界面處的熱梯度的情況下操作設備50而言潛在地提供顯著的能量節省。取決於在利用設備50執行的工藝中所使用的氣氛的相應溫度範圍和類型，第一
9加熱區域60和第二加熱區域66可分別採用相同或不同類型的加熱元件68和70。例如， Ni-Cr導線、SiC杆/管、Pt-Rh導線和MoSi2加熱元件可分別用於在空氣中達到高達大約 1000°C、大約1400°C、大約1500°C和大約1700°C的溫度。或者，Mo和/或W導線可用於在惰性氣氛中達到高達大約3000°C的溫度，並且可採用感應加熱或石墨電阻加熱以在惰性氣氛中達到高達大約3500°C的溫度。為了在第一加熱區域60和第二加熱區域66中達到不同的溫度，應當理解，必須單獨地設定和控制加熱元件68和70，其可通過使用本領域中已知的任何合適類型的溫度控制器(未顯示)來實現。本發明的這個方面還提供適應不同結構/合金的鑄件的能力，同時不需要對設備50進行任何變化，其結果是，設備50可比傳統的布裡奇曼熔爐顯著更加通用。從上文應當理解，利用設備50執行的單向凝固工藝的總體順序可類似於圖1和圖 2的順序，並且對於這方面，其類似於利用其它傳統布裡奇曼熔爐所執行的單向凝固工藝。 陶瓷鑄模52優選地被預加熱，並且在所需的溫度(過熱)下將主爐批(master heat)傾倒至模腔M中，主爐批可首先在安瓿管中重熔。在這方面，優選地使得模腔M內的熔液的溫度穩定。這個穩定周期的長度和充分性可通過使用熱電偶的直接測量或通過計算機模擬進行確定。一旦被充分穩定，操作任何合適設計的平移系統(未顯示)，以便使鑄模52以合適的速率從第二加熱區域66平移穿過第一加熱區域60和隔熱區域62，然後到冷卻區域64 中，該速率將影響鑄件的預期柱狀晶體生長。這種平移運動可為鑄模52的向下運動、設備 50的向上運動或兩者的組合的結果。因為第二加熱區域66內的熔化合金包括固相和液相，所以重要的是要注意，第一加熱區域60用於使固體重熔，使得進入隔熱區域62中的材料完全是液態(熔融)相。此外，第二加熱區域66中的溫度選擇將確定固相和液相的相對量。考慮到合金的糊狀區域中的凝固收縮和進給需求，從冒口 58至隔熱區域62的進給路徑必須保持打開，證明第二加熱區域66中的溫度不能太接近於固相線溫度。另一方面，被傳送以便進給糊狀區域收縮的液體應具有與主爐批相同的成分，其指示第二加熱區域66中的溫度應接近於液相線溫度。在圖3(b)中描繪了這種情形，其中在第二加熱區域66中的溫度略低於合金的液相線溫度，其結果是，位於第二加熱區域66中的熔化合金中存在少量固態結晶。固相的實際量將取決於合金的相圖的細節以及第二加熱區域66的設定溫度(Tshz)。在任何情況下，因為固態結晶在第一加熱區域60中重熔，所以不存在從固態結晶中生長出新晶粒的問題。 鑑於上文所述，應當理解，本發明的優選方面是設備50的能力以及利用設備50進行定向凝固工藝，以便在緊鄰隔熱區域62的熔化合金56中提供適當高的溫度，用以在設備 50的第一加熱區域60與冷卻區域64之間獲得足夠高的熱梯度，從而為鑄件產生所需的小的枝晶臂間距。同時，第二加熱區域66被第一加熱區域60所限定並與隔熱區域62和冷卻區域64間隔開，使得第二加熱區域66中的熔化合金56的溫度比第一加熱區域60中更低。這樣，與傳統的布裡奇曼熔爐相比，可顯著地減輕由於熔化合金56與鑄模52(和鑄模 52中的任何芯部)之間的延長的接觸引起的有害作用。具體地說，可顯著減少熔化合金56 與鑄模52 (和可選的芯部)之間的表面反應，因為在熔化合金56中的反應性元素以及鑄模 52 (和可選的芯部)的材料之間發生的反應的動力成指數地取決於溫度。此外，由於蠕變引起的鑄模52與任何芯部的相對運動和變形也得以減少，因為蠕變也成指數地取決於溫度。此外，鑄模52 (和任何芯部)的強度在第二加熱區域66中的較低溫度下更大，從而進一步阻礙由於變形引起的鑄模52與任何芯部的相對運動。因此，本發明能夠提高鑄件的質量(在通過減少芯部移位和鑄模蠕變的傾向而改善其尺寸質量方面，在通過最大限度地減少熔化合金56與鑄模52 (和任何芯部)之間的反應而改善表面質量方面，以及在通過減少初級臂間距而改善內部冶金質量方面)，其抑制晶粒缺陷，並有助於獲得增強相(例如鎳基超級合金中的伽馬析出物(Y 『))的均勻分布。其它潛在的好處源自第二加熱區域66中的較低溫度，其導致第二加熱區域66中的熔化合金56的更高的密度，並且還可改善熔化合金56的進給能力以及得到的鑄件的內部完整性。最後應該注意的是，第二加熱區域66的引入不會降低第一加熱區域60與冷卻區域64之間的隔熱區域62中獲得的熱梯度，並且可利用比圖1和圖2的現有技術的設備 10所需的功率消耗可能更少的功率消耗獲得所需的熱梯度。雖然已經根據特定的實施例描述了本發明，但顯而易見的是，本領域中的技術人員可採用其它形式。例如，設備50的物理構造以及由其形成的鑄件可不同於所顯示的那樣。因此，本發明的範圍僅由所附權利要求限制。
權利要求
1.一種用於單向鑄造合金的設備(50)，所述設備(50)包括鑄模(52)、第一加熱區域 (60)、冷卻區域(64)和隔熱區域(62)，所述鑄模(5 具有模腔(M)，所述模腔(54)適於在合金的凝固期間容納一定量的熔化合金(56)，以便產生由所述模腔(54)限定的單向凝固鑄件，所述第一加熱區域(60)適於將所述鑄模(5 和其中的所述一定量的熔化合金(56) 加熱至高於所述合金的液相線溫度的第一加熱溫度，所述冷卻區域(64)適於將所述鑄模 (52)和其中的所述一定量的熔化合金(56)冷卻至低於所述合金的固相線溫度的冷卻溫度並從而產生所述單向凝固鑄件，並且所述隔熱區域(62)位於所述第一加熱區域(60)與所述冷卻區域(64)之間，所述隔熱區域(6 適於在其中限定熱梯度，以便促進所述一定量的熔化合金(56)的單向凝固，其特徵在於；第二加熱區域(66)通過所述第一加熱區域(60)與所述隔熱區域(6 分開，所述第二加熱區域(66)適於在所述鑄模(5 中達到第二加熱溫度，所述第二加熱溫度低於所述第一加熱區域(60)的第一加熱溫度，並且低於但仍充分接近所述合金的液相線溫度，使得所述一定量的熔化合金在處於所述第二加熱溫度時包括液相和少量固相；用於在所述設備(50)的第一方向上引起所述鑄模(5 與所述第二加熱區域、第一加熱區域、冷卻區域和隔熱區域(66，60，64，62)之間的相對運動的裝置，從而使所述鑄模 (52)和其中的熔化合金順序地經歷所述第二加熱區域(66)、所述第一加熱區域(60)、所述隔熱區域(62)以及然後所述冷卻區域(64)；以及溫度控制裝置(68，70)，所述溫度控制裝置(68，70)用於單獨地設定和控制所述第一和第二加熱區域(60，66)中的所述第一和第二加熱溫度，並保持所述第二加熱溫度處於低於所述第一加熱溫度的水平。
2.根據權利要求1所述的設備(50)，其特徵在於，所述溫度控制裝置(68，70)包括至少一個第一加熱元件(68)以及至少一個第二加熱元件，所述至少一個第一加熱元件(68) 與所述第一加熱區域(60)相關聯，並適於產生熱量以便在所述第一加熱區域(60)中實現所述第一加熱溫度，並且所述至少一個第二加熱元件與所述第二加熱區域(66)相關聯，並且適於產生熱量以便在所述第二加熱區域(66)中實現所述第二加熱溫度，其特徵在於，所述溫度控制裝置(68，70)適於單獨地設定和控制所述第一和第二加熱元件(68，70)。
3.根據權利要求1或2所述的設備(50)，其特徵在於，所述溫度控制裝置(68，70)適於設定和控制所述第二加熱溫度，使得所述第二加熱溫度低於所述合金的液相線溫度但在少許攝氏度之內。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的設備(50)，其特徵在於，所述第二加熱區域 (66)在所述設備(50)的第一方向上比所述第一加熱區域(60)具有更長的長度。
5.一種鑄造合金的方法，所述方法包括提供鑄模(52)，所述鑄模(5 在所述鑄模(5 的空腔(54)中具有一定量的熔化合金(56)，所述鑄模(5 的至少一部分位於設備(50)的第二加熱區域(66)中，所述第二加熱區域(66)造成位於所述第二加熱區域(66)中的所述一定量的熔化合金(56)處於第二加熱溫度，所述第二加熱溫度低於但仍充分接近所述合金的液相線溫度，使得位於所述第二加熱區域(66)中的所述一定量的熔化合金(56)包括液相和少量固相；在所述鑄模(5 和所述設備(50)之間引起相對運動，使得所述鑄模(5 從所述第二加熱區域(66)平移穿過所述設備(50)的第一加熱區域(60)，所述第一加熱區域(60)將位於所述第一加熱區域(60)中的所述一定量的熔化合金(56)加熱至高於所述合金的液相線溫度的第一加熱溫度，使所述一定量的熔化合金(56)中的固相熔化，並從而造成位於所述第一加熱區域(60)中的所述一定量的熔化合金(56)只包括液相；在所述鑄模(5 和所述設備(50)之間引起相對運動，使得所述鑄模(5 從所述第一加熱區域(60)平移穿過所述設備(50)的隔熱區域(62)並進入所述設備(50)的冷卻區域 (64)，所述隔熱區域(6 在位於所述隔熱區域(6 中的所述一定量的熔化合金(56)中產生熱梯度，從而造成進入所述冷卻區域(64)的所述一定量的熔化合金(56)的單向凝固；並且然後冷卻所述鑄模(52)，以用於產生單向凝固的鑄件以及其中的柱狀晶體結構。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述設備(50)包括至少一個第一加熱元件(68)以及至少一個第二加熱元件(70)，所述至少一個第一加熱元件(68)與所述第一加熱區域(60)相關聯並適於加熱所述第一加熱區域(60)，並且所述至少一個第二加熱元件 (70)與所述第二加熱區域(66)相關聯並適於加熱所述第二加熱區域(66)，所述方法還包括單獨地控制所述第一和第二加熱元件(68，70)。
7.根據權利要求5或6所述的方法，其特徵在於，當處於所述第二加熱區域(66)中的第二加熱溫度時，所述模腔(54)中的所述一定量的熔化合金(56)包括所述合金的固相和液相。
8.根據權利要求5至7中任一項所述的方法，其特徵在於，所述第一和第二加熱元件 (68,70)被控制為使得所述第二加熱溫度低於所述合金的液相線溫度但在少許攝氏度以內。
9.根據權利要求5至8中任一項所述的方法，其特徵在於，所述合金包括選自由釔、鋯、 鉿、鉭、鎢、錸和鈦組成的組中的至少一種元素。
10.根據權利要求5至9中任一項所述的方法，其特徵在於，所述合金是鎳基、鈷基或鐵基超級合金，並且所述單向凝固鑄件是燃氣渦輪的構件。
全文摘要
本發明涉及單向凝固工藝和用於其的設備。具體而言，提供了用於使用單向鑄造技術鑄造合金的設備(50)和方法。該設備(50)包括鑄模(52)、第一加熱區域(60)、冷卻區域(64)和隔熱區域(62)，鑄模(52)適於容納一定量的熔化合金(56)，第一加熱區域(60)適於將鑄模(52)和其中的熔化合金加熱至高於合金的液相線溫度的溫度，冷卻區域(64)適於將鑄模(52)和其中的熔化合金冷卻至低於合金的固相線溫度的溫度並從而產生單向凝固鑄件，並且隔熱區域(62)位於第一加熱區域(60)與冷卻區域(64)之間。該設備(50)還具有第二加熱區域(66)，其通過第一加熱區域(60)而與隔熱區域(62)分開。第二加熱區域(66)將鑄模(52)和其中的熔化合金保持在低於合金的液相線溫度的溫度。第一和第二加熱區域(60，66)中的溫度被單獨設定和控制。
文檔編號C30B11/00GK102441658SQ201110309889
公開日2012年5月9日 申請日期2011年9月30日 優先權日2010年9月30日
發明者J·C·謝菲爾, S·J·貝爾索恩, S·劉, 馮幹江 申請人:通用電氣公司