專利名稱：單向凝固工藝和用于其的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及用于生產(chǎn)定向凝固鑄件的材料和工藝，并且尤其涉及能夠減少合金中的缺陷的工藝和設(shè)備，該合金鑄造為長單晶(SX)和定向凝固(此)的物件，包括但不限于燃氣渦輪和其它高溫應(yīng)用的構(gòu)件。
背景技術(shù)：
燃氣渦輪的構(gòu)件，例如葉片(動葉)、靜葉(噴嘴)和燃燒器構(gòu)件通常由鎳、鈷或鐵基超級合金形成，其特征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于其操作溫度，所以目前一直在努力開發(fā)能夠承受更高溫度的構(gòu)件，并且尤其是渦輪動葉、噴嘴和燃燒器構(gòu)件。隨著用于燃氣渦輪構(gòu)件的材料需求增加，已經(jīng)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(gòu)件的機械、物理和環(huán)境特性。例如，在苛刻應(yīng)用中所采用的動葉、噴嘴和其它構(gòu)件通常通過單向鑄造技術(shù)鑄成，以便具有定向凝固(此)或單晶(SX)微觀結(jié)構(gòu)，其特征是沿著晶體生長方向的優(yōu)化的晶體定向，從而產(chǎn)生柱狀多晶物件或單晶物件。如本領(lǐng)域中已知的那樣，用于生產(chǎn)SX和DS鑄件的定向鑄造技術(shù)通常需要將所需的合金熔液傾倒至熔模中，該熔模被保持在高于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(shè)備10，其采用布里奇曼型的熔爐來創(chuàng)建包圍殼體鑄模12的加熱區(qū)域沈以及位于鑄模12下方的冷卻區(qū)域42。區(qū)域沈和42可分別被稱為“熱”區(qū)域和 “冷”區(qū)域，其在這里被用來相對于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(yù)期形狀相對應(yīng)的內(nèi)部空腔14。因此，圖1將空腔14描繪為具有區(qū)域14a、14b和14c，它們設(shè)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)?？涨?4還可包含芯部(未顯示)，以用于在鑄件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，并放置在加熱區(qū)域沈(布里奇曼熔爐) 中。加熱區(qū)域26將鑄模12加熱至高于合金的液相線溫度的溫度。冷卻區(qū)域42正好位于加熱區(qū)域26下方，并操作用以通過傳導(dǎo)、對流和/或輻射技術(shù)冷卻鑄模12和其中熔化的合金16。例如，冷卻區(qū)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于周圍溫度或冷卻溫度的氣體。冷卻區(qū)域42還可采用氣體沖擊冷卻或流化床(fluidized bed)。由隔板、熱屏蔽或其它合適手段限定的隔熱區(qū)域44位于加熱區(qū)域沈和冷卻區(qū)域 42之間并將其分隔開。隔熱區(qū)域44用作對加熱區(qū)域沈所發(fā)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(qū)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(qū)域沈抽出、穿過隔熱區(qū)域44并進入液體冷卻池46中時，可使隔熱區(qū)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(yù)熱至被鑄造的合金的液相線溫度以上的溫度之后，熔化的合金16被傾倒至鑄模12中， 并且通過將鑄模12的基部和冷板M以固定的抽出速度向下抽回到冷卻區(qū)域42中而開始
4單向凝固工藝，直至鑄模12完全處于冷卻區(qū)域42中，如圖2中所示的那樣。隔熱區(qū)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(yōu)選地被保持于冷卻區(qū)域42的溫度或其附近，使得枝晶生長開始于鑄模12的下端，并且凝固前沿向上行進穿過鑄模12。鑄件32從位于鑄模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(jié)構(gòu))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(例如大于大約二十度)，那么鑄件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于避免可能由于定向凝固工藝而發(fā)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)，并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(tǒng)的布里奇曼設(shè)備中，加熱區(qū)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(qū)域沈中在延長的時段內(nèi)保持過高溫度，那么可能不可避免地發(fā)生有害作用。這種尺寸缺陷可由于用于鑄造工藝的鑄模12和任何芯部的蠕變運動和變形而引起，并且表面光潔度缺陷由于熔化合金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(yīng)性的元素(“反應(yīng)性元素”)，例如釔、鋯和鉿，并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(yīng)性的)，那么這種相互作用尤其是可能的。因為超級合金通常包括反應(yīng)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硅)形成，帶有表面涂層，該表面涂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(yīng)方面有效，但是保護性表面涂層未解決可在凝固工藝過程期間出現(xiàn)的其它缺陷，包括由于在過高溫度下延長停留而引起的尺寸缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于鑄造合金的設(shè)備和方法，其使用單向鑄造技術(shù)來生產(chǎn)具有定向凝固(DS)或單晶(SX)微觀結(jié)構(gòu)的鑄件。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，該設(shè)備包括一種鑄模，其具有模腔，該模腔適于在合金凝固期間容納一定量的熔化合金，以產(chǎn)生由模腔限定的單向凝固鑄件。該設(shè)備還包括第一加熱區(qū)域、冷卻區(qū)域和隔熱區(qū)域，第一加熱區(qū)域適于將鑄模和其中的該一定量的熔化合金加熱至高于合金液相線溫度的第一加熱溫度，冷卻區(qū)域適于將鑄模和其中的該一定量的熔化合金冷卻至低于合金固相線溫度的冷卻溫度并從而產(chǎn)生單向凝固鑄件，并且隔熱區(qū)域位于第一加熱區(qū)域與冷卻區(qū)域之間。隔熱區(qū)域適于在其中限定熱梯度，以便促進該一定量的熔化合金的單向凝固。該設(shè)備還具有第二加熱區(qū)域，其通過第一加熱區(qū)域與隔熱區(qū)域分開。第二加熱區(qū)域適于在鑄模中獲得第二加熱溫度，第二加熱溫度低于第一加熱區(qū)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。最后，該設(shè)備包括這樣的裝置，該裝置用于在該設(shè)備的第一方向上引起鑄模
5與第一加熱區(qū)域、冷卻區(qū)域和隔熱區(qū)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(jīng)歷第一加熱區(qū)域、隔熱區(qū)域以及隨后冷卻區(qū)域，該設(shè)備還包括溫度控制裝置，其用于單獨地設(shè)定和控制第一和第二加熱區(qū)域中的第一和第二加熱溫度，并且將第二加熱溫度保持在低于第一加熱溫度的水平。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種利用上述設(shè)備來鑄造合金的鑄造方法。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種鑄造合金的特定方法包括當(dāng)鑄模的至少一部分位于設(shè)備的第二加熱區(qū)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(qū)域造成位于第二加熱區(qū)域中的該一定量的熔化合金處于第二加熱溫度，第二加熱溫度低于合金的液相線溫度，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于第二加熱區(qū)域中時會包括固相和液相。鑄模和該設(shè)備之間的相對運動于是造成鑄模從第二加熱區(qū)域平移穿過該設(shè)備的第一加熱區(qū)域。第一加熱區(qū)域?qū)⑽挥诘谝患訜釁^(qū)域中的該一定量的熔化合金加熱至高于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，并造成位于第一加熱區(qū)域中的該一定量的熔化合金只包括液相。鑄模與該設(shè)備之間的進一步的相對運動造成鑄模從第一加熱區(qū)域平移穿過該設(shè)備的隔熱區(qū)域到該設(shè)備的冷卻區(qū)域中。隔熱區(qū)域在位于隔熱區(qū)域中的該一定量的熔化合金中產(chǎn)生熱梯度，從而造成進入冷卻區(qū)域的該一定量的熔化合金的單向凝固。然后冷卻鑄模，產(chǎn)生單向凝固的鑄件和其中的柱狀晶體結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面，可采用本發(fā)明的設(shè)備和方法來提升鑄件(并且尤其是DS 和SX鑄件)的機械特性，其部分地取決于避免單向凝固工藝過程期間由于加熱區(qū)域中的過高溫度而可能出現(xiàn)的潛在缺陷。這種設(shè)備和方法還能夠提高鑄件的尺寸和冶金方面的質(zhì)量，并減少凝固工藝的功率消耗。可受益于本發(fā)明的鑄件的非限制性示例包括燃氣渦輪的構(gòu)件，例如護罩、動葉、葉片和噴嘴。本發(fā)明的其它方面和優(yōu)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(jù)現(xiàn)有技術(shù)生產(chǎn)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(jù)本發(fā)明的一個實施例的能夠執(zhí)行單向凝固工藝的設(shè)備，并且還包括(b)指示該設(shè)備內(nèi)的相對溫度的圖。項目清單
10設(shè)備
12鑄模
14空腔
14a區(qū)域
14b區(qū)域
14c區(qū)域
14d區(qū)域
16I=I ^
24板
26區(qū)域28塊30選晶器32鑄件34部分36柄部38燕尾榫40橋42區(qū)域44區(qū)域46池48開ロ50設(shè)備52鑄模54空腔56合金58冒 ロ60區(qū)域62區(qū)域64區(qū)域66區(qū)域68元件70元件72板
具體實施例方式本發(fā)明可被用來從多種廣泛的合金(包括但不限于鎳基、鈷基和鐵基超級合金) 生產(chǎn)各種鑄件。本發(fā)明的某些能力特別適于生產(chǎn)具有嚴格的尺寸質(zhì)量要求的伸長的物件， 和/或包含高于可能另外地存在的附加量或痕量的反應(yīng)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于熔化狀態(tài)時對于氧 和/或鑄?；蛐静康谋砻鏋榉磻?yīng)性的。其它潛在的相關(guān)元素包括鉭、鎢、錸和鈦。在用于生 產(chǎn)鑄造物件的合金中通常會找到這些元素，鑄造物件適于諸如燃氣渦輪的熱氣體通路構(gòu)件 的應(yīng)用，包括但不限于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(gòu)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(jié)構(gòu)。雖然將參照燃氣渦輪的構(gòu) 件描述本發(fā)明的優(yōu)點，但是本發(fā)明的教導(dǎo)通?？蛇m用于其它可受益于單向鑄造的構(gòu)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(yīng)熔化技術(shù)制備)生產(chǎn)。 如本領(lǐng)域中已知的那樣，鑄件凝固期間的傳熱條件是受控的，使得凝固前沿單向并穩(wěn)定地 行迸，以便產(chǎn)生初生柱狀晶體/晶粒，并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(fā)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(tǒng)單向鑄造技術(shù)獲得的特性。圖3(a)示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的適于實現(xiàn)單向鑄造技術(shù)的設(shè)備50。設(shè)備50被描繪為包括一種適于生產(chǎn)DS或SX鑄件的殼體鑄模52。如本領(lǐng)域中已知的那樣，鑄模52可由例如氧化鋁或二氧化硅這樣的材料形成，并且具有與鑄件(未顯示) 的預(yù)期形狀相對應(yīng)的內(nèi)部空腔M，鑄件將在空腔M中由熔化的合金56形成。應(yīng)當(dāng)理解， 復(fù)雜的芯部可定位在模腔M中，以便在鑄件中形成內(nèi)部通道/特征。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(lǐng)域中已知的那樣，液態(tài)金屬還可通過澆鑄系統(tǒng)(未顯示)引入模腔M中，在這種情況下，冒口 58可簡單地用于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(shè)備50以及圖1與圖2中所示的傳統(tǒng)設(shè)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(shè)備50與圖1和圖2的設(shè)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(shè)備50的其它方面在結(jié)構(gòu)、功能、材料等方面可基本上如對于圖1 和圖2的設(shè)備10所述的那樣。如圖1和圖2中所示的設(shè)備10和工藝那樣，利用圖3(a)的設(shè)備50執(zhí)行的鑄造工藝優(yōu)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(tǒng))引入所需合金的熔液之前，優(yōu)選地預(yù)加熱鑄模52。鑄模52然后穿過加熱區(qū)域60，鑄模52在那里被加熱至與合金的熔化溫度相等或其以上的溫度，并且更具體地說高于合金的液相線溫度，在此之后通過將冷板72和鑄模52的基部以固定的速率向下抽出穿過隔熱區(qū)域62而開始單向凝固，凝固在隔熱區(qū)域62那里開始，并且然后進入冷卻區(qū)域64，凝固在冷卻區(qū)域64那里完成。 因為加熱區(qū)域60和冷卻區(qū)域64之間的溫度梯度，所以在合金中將存在一個溫度范圍，如圖 3(a)中通過用于表示空腔M中的合金56的不同的剖面線示意性描繪的那樣。冷卻區(qū)域 64可包括液態(tài)金屬冷卻池，或者用于輻射冷卻的真空或周圍空氣或冷卻空氣。取決于特定情況，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，基于鑄模52的基部處的小塊單晶種子材料(未顯示)的晶體結(jié)構(gòu)和定向可造成鑄模52中的SX 鑄件外延地生長(例如關(guān)于<100>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(chǎn)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(qū)域?qū)τ诶浒?2而言是打開的，并且省略選晶器。如從圖3 (a)中顯而易見的那樣，設(shè)備50不同于圖1和圖2的設(shè)備10，部分地在于引入了定位在加熱區(qū)域60的入口處的第二加熱區(qū)域66，出于方便起見，加熱區(qū)域60現(xiàn)在將被稱為設(shè)備50的第一加熱區(qū)域60。設(shè)備50設(shè)置為用以保持傳統(tǒng)布里奇曼熔爐中的加熱區(qū)域(例如圖1和圖2的設(shè)備10的加熱區(qū)域26)的主要功能，同時最大限度地減小和潛在地消除傳統(tǒng)布里奇曼熔爐的加熱區(qū)域中可能發(fā)生的某些有害影響。具體地說，同圖1和圖2的單個連續(xù)的加熱區(qū)域沈相比，第一加熱區(qū)域60和第二加熱區(qū)域66在設(shè)備50中提供了兩個分離的熱區(qū)域。第一加熱區(qū)域60和第二加熱區(qū)域66之間的重要區(qū)別是這些區(qū)域 60和66中的溫度是不同的并且被單獨控制。第一加熱區(qū)域60中的溫度被優(yōu)選地選定并被控制在對于圖1和圖2的傳統(tǒng)布里奇曼設(shè)備10而言常規(guī)的水平，即，高于被鑄造的合金的液相線溫度并且優(yōu)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(qū)域60中的溫度確定穿過隔熱區(qū)域62的軸向熱梯度，凝固在隔熱區(qū)域62那里開始，如上文所述的那樣。相反，第二加熱區(qū)域66中的溫度被有意選擇并被控制得低于第一加熱區(qū)域60的溫度，但仍高于合金的固相線溫度。更優(yōu)選地，第二加熱區(qū)域66中的熔化合金56的溫度低于但接近合金的液相線溫度。例如，基于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(qū)域66中的溫度(Tshz)可在液相線溫度的大約10%或更小的范圍內(nèi)((ΤΜ-0. 1ΔΤ)彡Tshz < Tm)，并且更優(yōu)選地在液相線溫度的少許攝氏度內(nèi)，例如在液相線溫度的10°C或可能5°C內(nèi)。因此，第二加熱區(qū)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(qū)域”)，并且因此第二加熱區(qū)域66中的熔化合金56特征是包含極少量固相的液相。固相和液相的相應(yīng)量將取決于該溫度多么接近液相線溫度。對于特定大小的單向凝固鑄件，第一加熱區(qū)域60和第二加熱區(qū)域66可占用與圖1 和圖2的單個加熱區(qū)域沈所占用的體積或軸向長度相同的設(shè)備50的體積或軸向長度。換言之，圖3(a)的加熱區(qū)域60和66的組合大小不一定大于圖1和圖2的加熱區(qū)域沈。明顯地，圖3(a)中所示的第一加熱區(qū)域60在設(shè)備50的軸向方向上比第二加熱區(qū)域66短得多。 設(shè)備50的這個方面是為了顯著減少熱的液態(tài)合金56與鑄模52 (和任何芯部)之間的接觸時間，并因而最大限度地減少會由于表面反應(yīng)和殼/芯部蠕變引起的有害影響。圖3(b)包括與設(shè)備50的表現(xiàn)相關(guān)聯(lián)的圖，以便指示用于第一加熱區(qū)域60和第二加熱區(qū)域66以及冷卻區(qū)域64的溫度設(shè)定(虛線)。由于加熱區(qū)域60和66、隔熱區(qū)域62 和冷卻區(qū)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(xù)實線所示的那樣。縮寫TSHZ、TPHjPTra在圖3(b)中分別用于表示對于第二加熱區(qū)域66、第一加熱區(qū)域60和冷卻區(qū)域64的設(shè)定溫度，并且縮寫T @+0和Ta 在圖3(b)中分別用于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(yīng)當(dāng)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于第一加熱區(qū)域60、第二加熱區(qū)域66和冷卻區(qū)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范圍，例如，當(dāng)處于第二加熱區(qū)域66中時熔化的合金56中可能存在的溫度范圍、當(dāng)處于第一加熱區(qū)域60中時熔化的合金56中可能存在的較高的溫度范圍，以及在冷卻區(qū)域64 中的合金凝固期間和之后得到的鑄件中可能存在的較低的溫度范圍。從圖中顯而易見的是，雖然第二加熱區(qū)域66中的熔化合金的設(shè)定溫度(Tshz)和實際溫度略低于Iaffi，但是第一加熱區(qū)域60中的熔化合金56的設(shè)定溫度(Tphz)和實際溫度明顯高于Τ ，從而可在隔熱區(qū)域62中實現(xiàn)急劇的熱梯度。具體地說，第一加熱區(qū)域60和冷卻區(qū)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(qū)域62)的厚度確定隔熱區(qū)域62中的凝固界面處的溫度梯度。因此，對于給定的單向凝固工藝而言， 如果冷卻區(qū)域64的溫度以及隔熱區(qū)域62的厚度保持不變，那么隔熱區(qū)域62中的軸向熱梯度將只由加熱區(qū)域60確定，并且第二加熱區(qū)域66的引入將不會改變軸向熱梯度。本發(fā)明的這個方面允許第二加熱區(qū)域66的長度顯著長于第一加熱區(qū)域60 (如圖3 (a)中所示)，從而對于在不降低或另外地改變隔熱區(qū)域62中的固體/液體界面處的熱梯度的情況下操作設(shè)備50而言潛在地提供顯著的能量節(jié)省。取決于在利用設(shè)備50執(zhí)行的工藝中所使用的氣氛的相應(yīng)溫度范圍和類型，第一
9加熱區(qū)域60和第二加熱區(qū)域66可分別采用相同或不同類型的加熱元件68和70。例如， Ni-Cr導(dǎo)線、SiC桿/管、Pt-Rh導(dǎo)線和MoSi2加熱元件可分別用于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?；蛘?，Mo和/或W導(dǎo)線可用于在惰性氣氛中達到高達大約3000°C的溫度，并且可采用感應(yīng)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(qū)域60和第二加熱區(qū)域66中達到不同的溫度，應(yīng)當(dāng)理解，必須單獨地設(shè)定和控制加熱元件68和70，其可通過使用本領(lǐng)域中已知的任何合適類型的溫度控制器(未顯示)來實現(xiàn)。本發(fā)明的這個方面還提供適應(yīng)不同結(jié)構(gòu)/合金的鑄件的能力，同時不需要對設(shè)備50進行任何變化，其結(jié)果是，設(shè)備50可比傳統(tǒng)的布里奇曼熔爐顯著更加通用。從上文應(yīng)當(dāng)理解，利用設(shè)備50執(zhí)行的單向凝固工藝的總體順序可類似于圖1和圖 2的順序，并且對于這方面，其類似于利用其它傳統(tǒng)布里奇曼熔爐所執(zhí)行的單向凝固工藝。 陶瓷鑄模52優(yōu)選地被預(yù)加熱，并且在所需的溫度(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(yōu)選地使得模腔M內(nèi)的熔液的溫度穩(wěn)定。這個穩(wěn)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(wěn)定，操作任何合適設(shè)計的平移系統(tǒng)(未顯示)，以便使鑄模52以合適的速率從第二加熱區(qū)域66平移穿過第一加熱區(qū)域60和隔熱區(qū)域62，然后到冷卻區(qū)域64 中，該速率將影響鑄件的預(yù)期柱狀晶體生長。這種平移運動可為鑄模52的向下運動、設(shè)備 50的向上運動或兩者的組合的結(jié)果。因為第二加熱區(qū)域66內(nèi)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(qū)域60用于使固體重熔，使得進入隔熱區(qū)域62中的材料完全是液態(tài)(熔融)相。此外，第二加熱區(qū)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(qū)域中的凝固收縮和進給需求，從冒口 58至隔熱區(qū)域62的進給路徑必須保持打開，證明第二加熱區(qū)域66中的溫度不能太接近于固相線溫度。另一方面，被傳送以便進給糊狀區(qū)域收縮的液體應(yīng)具有與主爐批相同的成分，其指示第二加熱區(qū)域66中的溫度應(yīng)接近于液相線溫度。在圖3(b)中描繪了這種情形，其中在第二加熱區(qū)域66中的溫度略低于合金的液相線溫度，其結(jié)果是，位于第二加熱區(qū)域66中的熔化合金中存在少量固態(tài)結(jié)晶。固相的實際量將取決于合金的相圖的細節(jié)以及第二加熱區(qū)域66的設(shè)定溫度(Tshz)。在任何情況下，因為固態(tài)結(jié)晶在第一加熱區(qū)域60中重熔，所以不存在從固態(tài)結(jié)晶中生長出新晶粒的問題。 鑒于上文所述，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的優(yōu)選方面是設(shè)備50的能力以及利用設(shè)備50進行定向凝固工藝，以便在緊鄰隔熱區(qū)域62的熔化合金56中提供適當(dāng)高的溫度，用以在設(shè)備 50的第一加熱區(qū)域60與冷卻區(qū)域64之間獲得足夠高的熱梯度，從而為鑄件產(chǎn)生所需的小的枝晶臂間距。同時，第二加熱區(qū)域66被第一加熱區(qū)域60所限定并與隔熱區(qū)域62和冷卻區(qū)域64間隔開，使得第二加熱區(qū)域66中的熔化合金56的溫度比第一加熱區(qū)域60中更低。這樣，與傳統(tǒng)的布里奇曼熔爐相比，可顯著地減輕由于熔化合金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(yīng)，因為在熔化合金56中的反應(yīng)性元素以及鑄模 52 (和可選的芯部)的材料之間發(fā)生的反應(yīng)的動力成指數(shù)地取決于溫度。此外，由于蠕變引起的鑄模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(shù)地取決于溫度。此外，鑄模52 (和任何芯部)的強度在第二加熱區(qū)域66中的較低溫度下更大，從而進一步阻礙由于變形引起的鑄模52與任何芯部的相對運動。因此，本發(fā)明能夠提高鑄件的質(zhì)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(zhì)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(yīng)而改善表面質(zhì)量方面，以及在通過減少初級臂間距而改善內(nèi)部冶金質(zhì)量方面)，其抑制晶粒缺陷，并有助于獲得增強相(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(qū)域66中的較低溫度，其導(dǎo)致第二加熱區(qū)域66中的熔化合金56的更高的密度，并且還可改善熔化合金56的進給能力以及得到的鑄件的內(nèi)部完整性。最后應(yīng)該注意的是，第二加熱區(qū)域66的引入不會降低第一加熱區(qū)域60與冷卻區(qū)域64之間的隔熱區(qū)域62中獲得的熱梯度，并且可利用比圖1和圖2的現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)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(jīng)根據(jù)特定的實施例描述了本發(fā)明，但顯而易見的是，本領(lǐng)域中的技術(shù)人員可采用其它形式。例如，設(shè)備50的物理構(gòu)造以及由其形成的鑄件可不同于所顯示的那樣。因此，本發(fā)明的范圍僅由所附權(quán)利要求限制。
權(quán)利要求
1.一種用于單向鑄造合金的設(shè)備(50)，所述設(shè)備(50)包括鑄模(52)、第一加熱區(qū)域 (60)、冷卻區(qū)域(64)和隔熱區(qū)域(62)，所述鑄模(5 具有模腔(M)，所述模腔(54)適于在合金的凝固期間容納一定量的熔化合金(56)，以便產(chǎn)生由所述模腔(54)限定的單向凝固鑄件，所述第一加熱區(qū)域(60)適于將所述鑄模(5 和其中的所述一定量的熔化合金(56) 加熱至高于所述合金的液相線溫度的第一加熱溫度，所述冷卻區(qū)域(64)適于將所述鑄模 (52)和其中的所述一定量的熔化合金(56)冷卻至低于所述合金的固相線溫度的冷卻溫度并從而產(chǎn)生所述單向凝固鑄件，并且所述隔熱區(qū)域(62)位于所述第一加熱區(qū)域(60)與所述冷卻區(qū)域(64)之間，所述隔熱區(qū)域(6 適于在其中限定熱梯度，以便促進所述一定量的熔化合金(56)的單向凝固，其特征在于；第二加熱區(qū)域(66)通過所述第一加熱區(qū)域(60)與所述隔熱區(qū)域(6 分開，所述第二加熱區(qū)域(66)適于在所述鑄模(5 中達到第二加熱溫度，所述第二加熱溫度低于所述第一加熱區(qū)域(60)的第一加熱溫度，并且低于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于所述第二加熱溫度時包括液相和少量固相；用于在所述設(shè)備(50)的第一方向上引起所述鑄模(5 與所述第二加熱區(qū)域、第一加熱區(qū)域、冷卻區(qū)域和隔熱區(qū)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(jīng)歷所述第二加熱區(qū)域(66)、所述第一加熱區(qū)域(60)、所述隔熱區(qū)域(62)以及然后所述冷卻區(qū)域(64)；以及溫度控制裝置(68，70)，所述溫度控制裝置(68，70)用于單獨地設(shè)定和控制所述第一和第二加熱區(qū)域(60，66)中的所述第一和第二加熱溫度，并保持所述第二加熱溫度處于低于所述第一加熱溫度的水平。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備(50)，其特征在于，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(qū)域(60)相關(guān)聯(lián)，并適于產(chǎn)生熱量以便在所述第一加熱區(qū)域(60)中實現(xiàn)所述第一加熱溫度，并且所述至少一個第二加熱元件與所述第二加熱區(qū)域(66)相關(guān)聯(lián)，并且適于產(chǎn)生熱量以便在所述第二加熱區(qū)域(66)中實現(xiàn)所述第二加熱溫度，其特征在于，所述溫度控制裝置(68，70)適于單獨地設(shè)定和控制所述第一和第二加熱元件(68，70)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備(50)，其特征在于，所述溫度控制裝置(68，70)適于設(shè)定和控制所述第二加熱溫度，使得所述第二加熱溫度低于所述合金的液相線溫度但在少許攝氏度之內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的設(shè)備(50)，其特征在于，所述第二加熱區(qū)域 (66)在所述設(shè)備(50)的第一方向上比所述第一加熱區(qū)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 的至少一部分位于設(shè)備(50)的第二加熱區(qū)域(66)中，所述第二加熱區(qū)域(66)造成位于所述第二加熱區(qū)域(66)中的所述一定量的熔化合金(56)處于第二加熱溫度，所述第二加熱溫度低于但仍充分接近所述合金的液相線溫度，使得位于所述第二加熱區(qū)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(shè)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(qū)域(66)平移穿過所述設(shè)備(50)的第一加熱區(qū)域(60)，所述第一加熱區(qū)域(60)將位于所述第一加熱區(qū)域(60)中的所述一定量的熔化合金(56)加熱至高于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，并從而造成位于所述第一加熱區(qū)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(shè)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(qū)域(60)平移穿過所述設(shè)備(50)的隔熱區(qū)域(62)并進入所述設(shè)備(50)的冷卻區(qū)域 (64)，所述隔熱區(qū)域(6 在位于所述隔熱區(qū)域(6 中的所述一定量的熔化合金(56)中產(chǎn)生熱梯度，從而造成進入所述冷卻區(qū)域(64)的所述一定量的熔化合金(56)的單向凝固；并且然后冷卻所述鑄模(52)，以用于產(chǎn)生單向凝固的鑄件以及其中的柱狀晶體結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述設(shè)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(qū)域(60)相關(guān)聯(lián)并適于加熱所述第一加熱區(qū)域(60)，并且所述至少一個第二加熱元件 (70)與所述第二加熱區(qū)域(66)相關(guān)聯(lián)并適于加熱所述第二加熱區(qū)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(jù)權(quán)利要求5或6所述的方法，其特征在于，當(dāng)處于所述第二加熱區(qū)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(jù)權(quán)利要求5至7中任一項所述的方法，其特征在于，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于所述合金的液相線溫度但在少許攝氏度以內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求5至8中任一項所述的方法，其特征在于，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(jù)權(quán)利要求5至9中任一項所述的方法，其特征在于，所述合金是鎳基、鈷基或鐵基超級合金，并且所述單向凝固鑄件是燃氣渦輪的構(gòu)件。
全文摘要
本發(fā)明涉及單向凝固工藝和用于其的設(shè)備。具體而言，提供了用于使用單向鑄造技術(shù)鑄造合金的設(shè)備(50)和方法。該設(shè)備(50)包括鑄模(52)、第一加熱區(qū)域(60)、冷卻區(qū)域(64)和隔熱區(qū)域(62)，鑄模(52)適于容納一定量的熔化合金(56)，第一加熱區(qū)域(60)適于將鑄模(52)和其中的熔化合金加熱至高于合金的液相線溫度的溫度，冷卻區(qū)域(64)適于將鑄模(52)和其中的熔化合金冷卻至低于合金的固相線溫度的溫度并從而產(chǎn)生單向凝固鑄件，并且隔熱區(qū)域(62)位于第一加熱區(qū)域(60)與冷卻區(qū)域(64)之間。該設(shè)備(50)還具有第二加熱區(qū)域(66)，其通過第一加熱區(qū)域(60)而與隔熱區(qū)域(62)分開。第二加熱區(qū)域(66)將鑄模(52)和其中的熔化合金保持在低于合金的液相線溫度的溫度。第一和第二加熱區(qū)域(60，66)中的溫度被單獨設(shè)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(yōu)先權(quán)日2010年9月30日
發(fā)明者J·C·謝菲爾, S·J·貝爾索恩, S·劉, 馮干江 申請人:通用電氣公司