鑄造單晶金屬部件的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及鑄造領(lǐng)域，具體地用于鑄造單晶金屬部件（256）的方法，至少包括通過模具（250）中至少一個澆鑄通道（252），將熔化合金（254）澆鑄到模具（250）的模槽（251）中，熱處理合金和搖晃掉模具（250），其中在搖晃掉過程結(jié)束之前進(jìn)行熱處理。
【專利說明】鑄造單晶金屬部件的方法
[0001]發(fā)明背景
[0002]本發(fā)明涉及鑄造業(yè)領(lǐng)域，并且特別地涉及鑄造單晶金屬部件。
[0003]傳統(tǒng)的金屬合金是各方等大和多晶的:在固態(tài)，它們形成基本上相同尺寸，通常I毫米(mm)數(shù)量級的大量顆粒，但是顆粒的方向或多或少程度上是隨機(jī)的。顆粒之間的連接構(gòu)成了這種合金所制造的金屬部件中的弱點(diǎn)。然而，用于加強(qiáng)這些顆粒間連接的添加劑的應(yīng)用具有降低熔化溫度的缺陷，當(dāng)用這種方法所生產(chǎn)的部件在高溫下使用時，這特別地麻煩。
[0004]為了解決該缺陷，首先提出柱形多晶的合金，其中顆粒固化有確定的方向。通過在金屬部件上主要載荷的方向上定向顆粒，可以增加在特定方向上這種部件的強(qiáng)度。然而，即使在受到沿著特定軸線被強(qiáng)烈地定向的力作用的部件中，諸如，例如受到離心力作用的渦輪機(jī)葉片中，它還是可以有利于提供沿著其它軸線的更大強(qiáng)度。
[0005]那就是為什么自從二十世紀(jì)七十年代結(jié)束，已經(jīng)開發(fā)了新的所謂“單晶”金屬合金，其能夠鑄造形成為單個顆粒的部件，通常，這種單晶合金是鎳合金，具有小于10%摩爾(mol%)的鈦和/或鋁的濃度。因此，固化后，這些合金形成兩相固體，具有希臘語的第二十個字母(T )的第一相和希臘語的第二十個字母撇號(T ’)的第二相。T相具有中心是立方晶體晶格的面，其中鎳、鋁和/或鈦的原子可以占據(jù)任何位置。相反，在T’相中，鋁和/或鈦的原子形成立方結(jié)構(gòu)，占據(jù)立方體的八個角，而鎳原子占據(jù)立方體的面。
[0006]這些新合金之一是“AM1”鎳合金,其是由斯奈克瑪(Snecma),法國國家航天航空研究中心(ONERA)實驗室和巴黎礦業(yè)大學(xué)(I' Ecole des Mines de Paris)和Imphy SA聯(lián)合開發(fā)的。由這種合金所制造的部件不僅能夠獲得沿著所有力軸線的特別高水平的機(jī)械強(qiáng)度，它們也具有抵抗高溫的改善性能，因為它們不需要用于將它們的晶粒更堅固地粘合在一起的任何添加劑。因此，基于這種單晶合金所生產(chǎn)的金屬部件可以有利地例如，用在渦輪機(jī)的熱部分中。
[0007]然而，即使使用這種特別的合金時，也難以避免這種部件生產(chǎn)過程中的再結(jié)晶現(xiàn)象，在部件中再次產(chǎn)生晶粒和新的弱點(diǎn)。在常規(guī)的鑄造方法中，熔化合金通過模具中至少一個澆鑄通道，被澆鑄到模具的模槽中，合金固化后，移除模具，以釋放部件，然后對部件進(jìn)行熱處理，諸如淬火，例如，其中金屬首先被加熱以隨后被快速地冷卻，以均質(zhì)化單晶中τ相和T ’相，而不會引起它熔化。
[0008]然而，鑄造后部件所受到的機(jī)械撞擊可以局部地破壞單晶的晶格的穩(wěn)定性。此后，熱處理可以在通過那種方式已經(jīng)被破壞穩(wěn)定性的位置中觸發(fā)不想要的再結(jié)晶，因此失去部件的單晶性質(zhì)和在其中產(chǎn)生了弱點(diǎn)。即使進(jìn)行了相當(dāng)大的努力，也非常難以避免重幾十公斤的模具處理中的機(jī)械撞擊，特別地因為模具本身的移除涉及機(jī)械沖擊的使用。而且，就其本身而言，熱處理溫度的有限降低不可能顯著地防止這些再結(jié)晶現(xiàn)象。
[0009]發(fā)明的目的和概述
[0010]本發(fā)明尋求補(bǔ)救這些缺陷。為此目的，本發(fā)明尋求提出鑄造方法，其可以在澆造到模具中的合金已經(jīng)被固化后，很大程度地限制部件熱處理后的再結(jié)晶現(xiàn)象。[0011]通過下列事實達(dá)到該目的:在本發(fā)明至少一個實施方式中的鑄造方法中，在合金在模具中已經(jīng)被固化之后，但是在模具移除結(jié)束之前，進(jìn)行熱處理。
[0012]通過這些規(guī)定，在可能消弱形成部件的單晶的晶體結(jié)構(gòu)的操作之前，進(jìn)行熱處理。盡管本領(lǐng)域技術(shù)人員可能已經(jīng)想到熱處理期間模具的至少一些殘余部分的存在將使熱處理不太有效，但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過該方法可以更早地進(jìn)行熱處理，而不會對金屬部件具有有害的作用，并且相反地，更早地進(jìn)行該熱處理，可以避免熱處理期間出現(xiàn)的不想要的再結(jié)晶。
[0013]特別地，如果所述模具的移除包括通過錘擊的移除的第一步驟和通過噴射水流的移除的隨后步驟，所述熱處理可以有利地至少在噴射水流的移除之前進(jìn)行，常常發(fā)現(xiàn)該噴射水流的移除是隨后所進(jìn)行的熱處理期間出現(xiàn)的再結(jié)晶現(xiàn)象的來源。
[0014]在可替代的實施方式中，然而可以設(shè)想甚至在開始移除模具之前進(jìn)行熱處理。在這種情況下，應(yīng)該通過其它方法，特別地幾何方法抗擊這種再結(jié)晶現(xiàn)象。
[0015]在本發(fā)明的第二方面，所述澆鑄通道可以包括鄰近所述模槽的至少一個過渡區(qū)區(qū)域，該過渡區(qū)域具有在所述澆鑄通道和所述模槽之間半徑不小于0.3mm的圓形部分，以避免熔化合金流動中的急轉(zhuǎn)彎，該轉(zhuǎn)彎可以引起合金中再結(jié)晶的區(qū)域。特別地，在該區(qū)域中，澆鑄通道可以具有相對于上游截面，在垂直于澆鑄通道的模槽截面主軸線方向上的增大的截面。更特別地，澆鑄后，該過渡區(qū)域可以形成至少一個金屬連接板，該金屬連接板比上游澆鑄通道更薄，并且更特別地，在澆鑄通道的兩個相對側(cè)的每側(cè)上具有至少一個這種金屬連接板。當(dāng)模具包括穿入到所述模槽中和占據(jù)鄰近所述澆鑄通道的空間的至少一個核心時，澆鑄后，所述過渡區(qū)域可以形成至少一個金屬連接板，該金屬連接板鄰近所述核心和比上游澆鑄通道更薄，所述澆鑄通道用于在金屬部件中形成腔室的目的。鄰近核心的每個金屬連接板可以在鄰近核心上表面上具有遵循基本上凹線的外邊緣。過渡區(qū)域可以在所述核心的每側(cè)上形成至少一個金屬連接板。在這種情況下，所述核心的鄰近金屬連接板可以具有在它們的端部連接在一起的外邊緣，以繞著核心行進(jìn)。
[0016]通過這種方法，在鑄造期間，該過渡區(qū)域可以以基本上同時的方式在其整個寬度上填滿模槽，因此避免合金固化期間單晶的晶體結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生不規(guī)則性。在熱處理步驟期間，這種不規(guī)則性可以產(chǎn)生局部再結(jié)晶，因此在金屬部件中形成弱點(diǎn)。
[0017]為了增加金屬部件的生產(chǎn)，模具可以包括設(shè)置的像一串葡萄的多個模槽，以同時鑄造多個金屬部件。
[0018]本發(fā)明的方法特別地適于用于生產(chǎn)一些金屬部件，諸如渦輪發(fā)動機(jī)葉片。本發(fā)明也提供了通過該方法所獲得的金屬部件。
[0019]附圖的簡要描述
[0020]通過閱讀下面通過非限制性實施例所給出的實施方式的詳細(xì)描述，可以很好地理解本發(fā)明和更好地呈現(xiàn)其優(yōu)點(diǎn)。描述參考了附圖，其中:
[0021]圖1表示現(xiàn)有技術(shù)的鑄造方法。
[0022]圖2表示本發(fā)明實施方式中的鑄造方法。
[0023]圖3表示現(xiàn)有技術(shù)模具中澆鑄通道和鑄造模槽之間的連接。
[0024]圖4是使用圖2的方法所生產(chǎn)的金屬部件的立體圖；和
[0025]圖5是圖4中所示金屬部件的平面V-V上的截面圖。[0026]本發(fā)明的詳細(xì)描述
[0027]例如，渦輪發(fā)動機(jī)葉片和更特別地，高壓渦輪機(jī)葉片的生產(chǎn)中所使用的常規(guī)鑄造方法如圖1中所示。在第一步驟中，通常通過蠟?zāi)よT造方法生產(chǎn)陶瓷模具150，盡管可以替代地使用其它常規(guī)的方法。陶瓷模具150具有多個模槽151，其通過澆鑄通道152連接到模具150的外部孔口 153。成形每個模槽151以鑄造待要被生產(chǎn)的金屬部件。在這種情況下，因為待要被生產(chǎn)的部件是中空的，模具150也包括穿入到每個模槽151中的核心155。在該第一步驟后，在鑄造步驟中，將熔化的合金154倒入進(jìn)孔口 153中，以通過澆鑄通道152填滿模槽151。
[0028]在合金已經(jīng)被固化后，在第三步驟中，通過錘擊進(jìn)行模具150的最初移除，以從模具150釋放接合為串157的金屬部件156。為了排除模具150的最后殘余，然后通過噴射水流的進(jìn)行移除的另外步驟。在下面的步驟S105中，從串157切割下單獨(dú)的部件156。然后，在下面的步驟中從每個部件156移除核心155，并且部件156最后受到熱處理。舉例說明，該熱處理可以是淬火，其中短暫地加熱部件156，然后快速地冷卻，以硬化部件的合金。
[0029]在該方法中可以使用的合金包括特別地能夠使部件被形成為單晶粒的所謂“單晶”合金，或“單晶體”。然而，在現(xiàn)有技術(shù)的方法中，用于均質(zhì)化單晶體T相和T’相目的的熱處理可以觸發(fā)再結(jié)晶現(xiàn)象，后者局部地消弱部件。為了避免該缺陷，在如圖2中所示本發(fā)明實施方式中的鑄造方法中，通過更早地進(jìn)行熱處理步驟來改變操作的順序。
[0030]因此，在圖2中所示的該方法中，第一步驟同樣是生產(chǎn)陶瓷模具250。如同在現(xiàn)有技術(shù)中一樣，也可以通過蠟?zāi)よT造，或者通過選自本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的一些可替代的方法生產(chǎn)陶瓷模具250。此外，并且如同在現(xiàn)有技術(shù)中一樣，陶瓷模具250具有多個模槽251，其通過澆鑄通道252連接到模具250的外部孔口 253。也成形每個模槽251用于鑄造待要被生產(chǎn)的金屬部件。此外，因為待要被生產(chǎn)的部件也是中空的，模具250也包括穿入到每個模槽251中的核心255。
[0031]在第一步驟后，還是如同在現(xiàn)有技術(shù)中一樣，在鑄造步驟期間，將熔化合金254澆鑄進(jìn)孔口 253中，以通過澆鑄通道252填滿模槽251。在合金已經(jīng)被固化后，在第三步驟中，同樣地通過錘擊進(jìn)行模具250的最初移除，以從模具250釋放接合為串257的金屬部件256。然而，在該方法中，該最初移除后，直接地進(jìn)行熱處理步驟。在熱處理期間，還是構(gòu)成串257以及還是與模具250的殘余塊在一起的金屬部件256直接受到淬火，例如，其中短暫地加熱部件256，然后快速地冷卻。
[0032]為了排除模具250的最后殘余，然后在下面的步驟中可以進(jìn)行通過噴射水流的移除。最后，從串257切割下單獨(dú)的部件256，然后從每個部件256移除核心255，在通過噴射水流的移除前，該部件已經(jīng)受到了熱處理。
[0033]因為更早地進(jìn)行熱處理的步驟，可以減少該步驟期間的再結(jié)晶現(xiàn)象。然而，為了甚至更完全地減少這種再結(jié)晶和尤其是為了使得這么做可靠，也適合給澆鑄通道250適合的形狀。在圖3中，可以看到在現(xiàn)有技術(shù)模具150中，澆鑄通道152和模槽151之間的連接。該連接在通道152和模槽151形成非常急的轉(zhuǎn)彎，該轉(zhuǎn)彎可以產(chǎn)生在熱處理期間形成的再結(jié)晶區(qū)域160。
[0034]在圖2中所示方法的模具250中，為了避免在每個部件256中形成在澆鑄通道252周圍的這種再結(jié)晶區(qū)域，通道252可以包括鄰近模槽251的過渡區(qū)域。在過渡區(qū)域中，澆鑄通道252朝向在垂直于澆鑄通道的平面A中模槽251截面SI的主軸線X逐漸地變得增大，通過這種方式，澆鑄通道252和模槽251之間圓形部分的半徑不小于0.3_。特別地，在所示的實施方式中，其中模具250也包括鄰近澆鑄通道252的核心255，該過渡區(qū)域在核心255的任一側(cè)上增大，以及遠(yuǎn)離核心255。當(dāng)模槽251和通道252填滿金屬時，金屬由此形成遠(yuǎn)離核心255的連接板261以及鄰近核心255的兩個連接板262和263，在核心255的任一側(cè)上有一個連接板，如圖4和5中所示。垂直于軸線X，這些連接板261、262和263明顯地比過渡區(qū)域上游的澆鑄通道252薄。
[0035]在鑄造步驟期間，過渡區(qū)域的存在由此可以將熔化的合金流基本上遍布模槽251的寬度分布，因此避免隨后的再結(jié)晶區(qū)域的形成。 [0036]圖4中所示的單晶部件256是渦輪機(jī)葉片。它表示從模中取出后的其粗的狀態(tài)，即，在澆鑄通道252中有在部件外側(cè)已經(jīng)固化的金屬。該金屬由此形成中心桿275，連接板261、262和263以及鄰近葉片頂端265的增大的截面276。在鑄造期間，熔化合金從葉片頂端265流經(jīng)葉片根部266，直達(dá)連接進(jìn)一步下游的另一個模槽251的澆鑄通道252。由此，熔化合金流基本上遵循葉片的主軸Z的方向。朝向葉片的后緣267延伸的連接板261具有外邊緣268，帶有凹的上游段和凸的下游段。在截面中，該外邊緣268具有曲率半徑R，其僅僅從中心桿275到增大的截面276緩慢地逐漸地變化。在核心255的任一側(cè)上，朝向葉片前緣269延伸的連接板262和263具有各自的外邊緣270和271，它們基本上是凹的和沿著核心255行進(jìn)。這些外邊緣270和271通過核心255上和其前面的它們的端部連接在一起，由此形成兩個連接272、273，以圍繞核心255。在截面中，連接板262、263在鄰近外邊緣270,271的表面上具有曲率半徑R’和R’’，以避免在核心255附近引晶不期望的冶金學(xué)缺陷。在增大區(qū)域276的連接板261、262和263以及桿275的過渡表面277同樣地是圓的，以避免引晶這種缺陷。
[0037]在該方法中可以使用的合金中，有特別地鎳的單晶合金，諸如特別地其中來自于斯奈克瑪(Snecam)的AMl和AM3以及其它的，諸如來自于C-M集團(tuán)的CMSX-2?、CMSX-4?、
CMSX-b ?和CMSX-10 ?未自于通用電氣的Ren6 ? N5和N6，來自于勞斯萊斯的RR2000和SRR99以及來自于Pratt&Whitney的PWA1480、1484和1487。表1給出了這些合金的成分。
[0038]表1:以重量％計的單晶鎳合金的成分
[0039]
【權(quán)利要求】
1.鑄造單晶金屬部件(256)的鑄造方法，該方法包括至少下列步驟: 通過模具(250)中至少一個澆鑄通道(252)，將熔化合金(254)澆鑄到模具(250)的模槽(251)中； 使合金受到熱處理；和 移除模具(250)； 該方法的特征在于:在合金已經(jīng)在模具(250)中固化之后和模具移除之前進(jìn)行熱處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的鑄造方法，其中所述的模具(250)移除包括通過錘擊的移除的第一步驟和通過噴射水流的移除的隨后步驟，至少在通過噴射水流的移除之前進(jìn)行所述熱處理。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一個權(quán)利要求的鑄造方法，其中所述澆鑄通道(252)包括鄰近所述模槽(251)的至少一個過渡區(qū)域，該過渡區(qū)域具有在所述澆鑄通道(252)和所述模槽(251)之間半徑不小于0.3mm的圓形部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的鑄造方法，其中所述澆鑄通道(252)具有相對于上游截面，在垂直于澆鑄通道(252)的平面(A)中模槽(251)截面(S)的主軸線(X)方向上增大的截面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的鑄造方法，其中澆鑄后，所述過渡區(qū)域形成比上游澆鑄通道(252)薄的至少一個金屬連接板(261、262、263)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的鑄造方法，其中澆鑄后，所述過渡區(qū)域在澆鑄通道(252)的兩個相對側(cè)的每側(cè)上形成至少一個金屬連接板(261、262、263)，其中至少一個金屬連接板比上游澆鑄通道(252)薄。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或權(quán)利要求6的鑄造方法，其中所述模具包括穿入到所述模槽中和占據(jù)鄰近所述澆鑄通道(252)的空間的至少一個核心(255)，以在金屬部件(256)中形成腔室，并且其中澆鑄后，所述過渡區(qū)域形成鄰近所述核心(255)和比上游澆鑄通道(252)薄的至少一個金屬連接板(262、263 )。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的鑄造方法，其中澆鑄后，所述過渡區(qū)域在核心(255)的兩個相對側(cè)的每側(cè)上形成鄰近所述核心(255)的至少一個金屬連接板(262、263)。
9.鑄造單晶金屬部件(256)的鑄造方法，該方法包括至少下列步驟: 通過模具(250)中至少一個澆鑄通道(252)，將熔化合金(254)澆鑄到模具(250)的模槽(251)中； 使合金受到熱處理；和 移除模具(250)； 其特征在于:所述澆鑄通道(252)包括鄰近所述模槽(251)的至少一個過渡區(qū)域，該過渡區(qū)域具有在所述澆鑄通道(252)和所述模槽(251)之間半徑不小于0.3mm的圓形部分。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的鑄造單晶金屬部件(256)的鑄造方法，其中所述澆鑄通道(252)具有相對于上游截面，在垂直于澆鑄通道(252)的平面(A)中模槽(251)截面(S)的主軸線(X)方向上增大的截面。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的鑄造單晶金屬部件的鑄造方法，其中澆鑄后，所述過渡區(qū)域形成比上游澆鑄通道(252)薄的至少一個金屬連接板(261、262、263)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的鑄造單晶金屬部件(256)的鑄造方法，其中澆鑄后，所述過渡區(qū)域在澆鑄通道(252)的兩個相對側(cè)的每側(cè)上形成至少一個金屬連接板(261、262、263)，其中至少一個金屬連接板比上游澆鑄通道(252)薄。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或權(quán)利要求12的鑄造單晶金屬部件(256)的鑄造方法，其中所述模具包括穿入到所述模槽中和占據(jù)鄰近所述澆鑄通道(252)的空間的至少一個核心(255)，以在金屬部件(256)中形成腔室，并且其中澆鑄后，所述過渡區(qū)域形成鄰近所述核心(255)和比上游澆鑄通道(252)薄的至少一個金屬連接板(262、263)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的鑄造單晶金屬部件(256)的鑄造方法，其中鄰近核心(255)的所述金屬連接板(262、263 )具有遵循鄰近核心(255 )表面上基本上凹線的外邊緣(270、271)。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或權(quán)利要求14的鑄造單晶金屬部件(256)的鑄造方法，其中澆鑄后，所述過渡區(qū)域在核心(255)的兩個相對側(cè)的每側(cè)上形成鄰近所述核心(255)的至少一個金屬連接板(262、263)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的鑄造單晶金屬部件(256)的鑄造方法，其中鄰近核心(255)的所述金屬板(262、263)具有在端部連接在一起以圍繞核心(255)的外邊緣(270、271)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至16中任一權(quán)利要求的鑄造方法，其中所述金屬部件(256)是渦輪發(fā)動機(jī)葉片。
18.根據(jù)權(quán)利要求1至17中任一權(quán)利要求的鑄造方法，其中所述模具(250)包括設(shè)置為串的多個模槽(251)，以同時鑄造多個金屬部件(256)。
19.通過根據(jù)權(quán)利要求1至18中任一權(quán)利要求的鑄造方法所生產(chǎn)的單晶金屬部件(256)。
【文檔編號】B22C9/04GK103747896SQ201280038946
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2012年8月6日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月9日
【發(fā)明者】思琳·彥?！り? 伯諾伊特·喬治斯·喬斯林·瑪麗, 大衛(wèi)·羅賽特力 申請人:斯奈克瑪