和腔。
[0030]圖2是本公開的鑄模的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。該鑄模示為具有主體、腔和配置在主體與腔之間的固有表面涂層。
[0031]圖3示出流程圖，其根據(jù)本公開的多個(gè)方面示出用于形成用于鑄造含鈦物品的鑄造鑄模的方法。
[0032]圖4示出流程圖，其根據(jù)本公開的多個(gè)方面示出用于鈦和鈦合金的鑄造方法。
【具體實(shí)施方式】
[0033]本公開大體涉及鑄模成分和鑄模制作以及來自鑄模的物品鑄造，并且，更具體而言，涉及用于鑄造含鈦物品的鑄模成分和方法，和如此模制的含鈦物品。
[0034]通過熔模殼型鑄模中的鈦及其合金的熔模鑄造進(jìn)行的鈦基構(gòu)件的制造導(dǎo)致源自鑄件應(yīng)被鑄造成“近凈形”的觀點(diǎn)的問題。即，構(gòu)件可基本上鑄造成構(gòu)件的最終期望尺寸，并且需要很少的或者不需要最終處理或加工。例如，一些常規(guī)鑄件可能僅需要化學(xué)銑削或拋光來改善該鑄件的表面光潔度。然而，典型地，位于鑄件表面下面的任何表面下陶瓷夾雜物通常不通過化學(xué)銑削操作移除，并且可由于鑄模表面涂層與該鑄模中的任何活性金屬(例如，活性鈦鋁)之間的反應(yīng)而形成。
[0035]因?yàn)殁伵c熔模鑄模之間存在反應(yīng)，所以由用自鑄造珠寶和牙齒修補(bǔ)物中的熔融硅石、方石英、石膏等組成的常規(guī)熔模鑄?；衔锊贿m合用于鑄造活性合金，諸如鈦合金。熔化合金與鑄模之間的任何反應(yīng)將使最終鑄件的特性退化。該退化可由于氣泡而簡(jiǎn)單地為較差的表面光潔度，或在更嚴(yán)重的情形中，可損害鑄件的化學(xué)性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)和特性。
[0036]生產(chǎn)不與鈦和鈦鋁合金顯著地反應(yīng)的熔模鑄模已成為難題。在該方面，存在符合結(jié)構(gòu)鈦和鈦鋁合金的要求的很少(即使有)現(xiàn)有澆鑄陶瓷熔?；衔铩４嬖趯?duì)不與鈦和鈦鋁合金顯著地反應(yīng)的熔模鑄模的需求。在現(xiàn)有途徑中，為了降低常規(guī)熔模鑄?；衔锏南拗?，已開發(fā)了若干附加鑄模材料。例如，開發(fā)了為氧化膨脹型的熔?；衔?，其中，將氧化鎂或氧化鋯用作主組分，并且將金屬鋯添加到主要組成物以補(bǔ)償因鑄造金屬的凝固而導(dǎo)致的收縮。
[0037]然而，現(xiàn)有的熔?；衔锞哂邢拗啤＠?，出于一些原因，意圖通過金屬鋯的氧化膨脹來補(bǔ)償因鑄造金屬凝固導(dǎo)致的收縮的熔模鑄?；衔镫y以實(shí)踐。第一，用具有鋯的新的熔模化合物涂布在蠟?zāi)５谋砻嫔?，然后將已涂布的蠟?zāi)Ｑb入常規(guī)熔?；衔镏校员闶剐枰匿喠勘M可能的?。挥娩喭坎枷炇欠浅ｋy且不是可高度重復(fù)的。第二，復(fù)雜形狀構(gòu)件的蠟不可以以足夠均勻的方式涂布。此外，當(dāng)圍繞涂布的層和模外部地放置熔模鑄?；旌衔飼r(shí)，涂布的層可從蠟脫落，結(jié)果是，鈦與外部地放置的熔模鑄?；旌衔锓磻?yīng)。
[0038]本公開提供用于鑄造近凈形鈦和鈦鋁構(gòu)件(諸如，渦輪葉片或翼型件)的新途徑。本公開的實(shí)施例提供用于熔模鑄造鑄模的物質(zhì)成分和鑄造方法，它們提供例如用于在航天、工業(yè)和航海行業(yè)中使用的改善的鈦和鈦合金構(gòu)件。在一些方面中，該鑄模成分提供包含多種相的鑄模，該多種相提供在鑄模制作期間的改善的鑄模強(qiáng)度和/或?qū)υ阼T造期間與鑄造金屬的反應(yīng)的增大的抗力。根據(jù)本公開的方面的鑄模可能能夠在高壓下鑄造，這對(duì)于近凈形鑄造方法是合乎需要的。已確定例如包含鋁酸鈣接合劑、氧化鋁顆粒、六鋁酸鈣和優(yōu)選的組成相的鑄模成分，其提供具有改善特性的鑄件。
[0039]在一個(gè)方面中，鑄模的組成相包括六鋁酸鈣(Ca0.6A1203，還稱為“CA6”)和單鋁酸鈣。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)了出于各種原因合乎需要的六鋁酸鈣和單鋁酸鈣的組合。六鋁酸鈣的一個(gè)益處是，其減少了包含氧化鋁的鑄模配方中的自由氧化鋁的量并且增大了該鑄模的反應(yīng)抵抗力。關(guān)于單鋁酸鈣，發(fā)明人認(rèn)為單鋁酸鈣在鑄模制作的初始階段期間促進(jìn)接合劑顆粒之間的水硬性結(jié)合形成，并且相信該水硬性結(jié)合在鑄模構(gòu)造期間提供鑄模強(qiáng)度。發(fā)明人還認(rèn)為單鋁酸鈣經(jīng)歷與鈦和鈦鋁基合金的非常低速率的反應(yīng)。在某個(gè)實(shí)施例中，以鋁酸鈣接合劑(即，包括但不限于單鋁酸鈣、二鋁酸鈣和鈣鋁石)的形式對(duì)本公開的鑄模成分(例如，熔模鑄模)提供單鋁酸鈣。在一個(gè)方面中，鑄模成分包括鋁酸鈣接合劑和氧化鋁(即，鋁氧化物)的混合物。在各種實(shí)施例中，鑄模中的鋁酸鈣接合劑與六鋁酸鈣的重量濃度比率的范圍為從1.3至0.5。
[0040]如在本文中所使用的，化合物“六鋁酸鈣”、“單鋁酸鈣”、“ 二鋁酸鈣”、和“鈣鋁石”在它們最廣泛的含義中用來包括這些化合物的所有化學(xué)形式。例如，盡管六鋁酸鈣還稱作Ca0.6A1203 (還縮寫為“CA6”)，單鋁酸鈣還稱作CaAl2O4, 二鋁酸鈣還稱作CaAl4O7,并且鈣鋁石還稱作Ca12Al14033。本公開構(gòu)想這些化合物包括其他化學(xué)形式或這些化合物的衍生物，即使它們包括處于不改變這些化合物的功能特性的水平的雜質(zhì)。
[0041]在本公開的一個(gè)方面中，鑄模成分在鑄造期間提供與合金的最小反應(yīng)，并且該鑄模提供具有所需構(gòu)件特性的鑄件。如在本文中所使用的，用語“最小的反應(yīng)”指的是如下反應(yīng)，通過該反應(yīng)，總間隙化合物(諸如，碳、氧、以及氫)的吸收量小于大約2000ppm。鑄件的外部特性包括諸如形狀、幾何外形和表面光潔度的特征。鑄件的內(nèi)部特性包括機(jī)械特性、微觀結(jié)構(gòu)、和低于特定尺寸且在容許限制內(nèi)的缺陷(諸如小孔和包含物)。
[0042]在一個(gè)實(shí)施例中，鑄模包含在該鑄模主體與鑄模腔之間的連續(xù)的固有表面涂層。在相關(guān)實(shí)施例中，該固有表面涂層為大約10微米至大約500微米。在某些示例中，該表面涂層包括具有小于大約50微米的顆粒尺寸的鋁酸鈣。鑄模成分可為使得鑄模主體包括大于大約50微米的氧化鋁顆粒。在某個(gè)實(shí)施例中，該表面涂層具有比鑄模主體少的氧化鋁，并且其中，該表面涂層具有比鑄模主體多的鋁酸鈣。
[0043]初始六鋁酸鈣-鋁酸鈣接合劑液體混合物中的固體百分比，和具有大尺度氧化鋁顆粒(諸如>50微米)的最終六鋁酸鈣-鋁酸鈣接合劑液體混合物中的固體為本公開的特征。在一個(gè)實(shí)施例中，可存在多個(gè)混合階段(即，初始前階段、初始階段、和最終階段)，這些階段各自具有不同范圍的固體百分比。在一個(gè)示例中，初始前六鋁酸鈣-鋁酸鈣接合劑液體混合物中的固體百分比為從大約41%至大約65%。在一個(gè)示例中，初始六鋁酸鈣-鋁酸鈣接合劑液體混合物中的固體百分比為從大約65%至大約80%。在另一示例中，具有大尺度氧化鋁顆粒(諸如>50微米)的最終六鋁酸鈣-鋁酸鈣接合劑液體混合物中的固體為從大約75%至大約95%。初始六鋁酸鈣-鋁酸鈣接合劑和細(xì)小尺度(小于10微米)氧化鋁與水混合，以提供均勻且均質(zhì)的漿料；通過將大尺度(諸如大于50微米)氧化鋁添加至初始漿料并且混合2到15分鐘之間以獲取均勻的混合物，從而形成最終鑄?；旌衔?。
[0044]本公開的一個(gè)方面的鑄模成分提供鋁鈦(TiAl)渦輪葉片(例如，TiAl低壓渦輪葉片)的低成本鑄件。鑄模成分可提供鑄造近凈形部分的能力，該近凈形部分需要比使用常規(guī)殼型鑄模和重力鑄造制造的部分少的處理和/或加工。如在本文中所使用的，表達(dá)“近凈形”指物品的初始產(chǎn)品接近該物品的最終(凈)形狀，從而降低對(duì)進(jìn)一步處理(諸如，大范圍加工和表面拋光)的需求。如在本文中所使用的，用語“渦輪葉片”指蒸汽渦輪葉片和燃?xì)鉁u輪葉片二者。
[0045]因此，本公開解決了生產(chǎn)不與鈦和鈦鋁合金顯著地反應(yīng)的鑄模(例如，熔融鑄模)的難題。此外，根據(jù)本公開的一些方面，鑄模的強(qiáng)度和穩(wěn)定性允許高壓鑄造途徑，諸如離心鑄造。該公開的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)中的一個(gè)是，在一個(gè)方面中，本公開可改善凈形鑄件的疲勞強(qiáng)度，該凈形鑄件可從例如鋁酸鈣接合劑、六鋁酸鈣、和氧化鋁熔模鑄模中生成。更高的強(qiáng)度(例如，更高的疲勞強(qiáng)度)允許制作更輕的構(gòu)件。此外，具有更高疲勞強(qiáng)度的構(gòu)件可持續(xù)更久，并且因此具有更低的生命周期成本。
[0046]鑄造鑄模成分
本公開的方面提供用于熔模鑄造鑄模的物質(zhì)成分，其可提供改善的鈦和鈦合金構(gòu)件。在一個(gè)實(shí)施例中，六鋁酸鈣與單鋁酸鈣結(jié)合，以形成本公開的鑄模。在本公開的一個(gè)方面中，單鋁酸鈣可以以鋁酸鈣接合劑的形式提供。鋁酸鈣接合劑可稱為“接合劑”或“粘合劑”。在某些實(shí)施例中，鋁酸鈣接合劑與氧化鋁微粒混合，以提供可鑄造的熔模鑄?；旌衔铩ｄX酸鈣接合劑在可鑄造鑄?；旌衔镏邪粗亓坑?jì)算可大于大約30%。在某些實(shí)施例中，鋁酸鈣接合劑在可鑄造鑄?；旌衔镏邪粗亓坑?jì)算在大約30%與大約60%之間。使用在可鑄造鑄?；旌衔?鑄造鑄模成分)中按重量計(jì)算大于30%的鋁酸鈣接合劑為本公開的特征。適合的鋁酸鈣接合劑化學(xué)性質(zhì)的選擇和氧化鋁配方為鑄模性能中的要素。
[0047]在一個(gè)方面中，鑄模成分(例如，熔模鑄模成分)可包括六鋁酸鈣和鋁酸鈣接合劑的多相混合物、或六鋁酸鈣、鋁酸鈣接合劑、和氧化鋁顆粒。鋁酸鈣接合劑可作用為粘合劑，例如，鋁酸鈣接合劑粘合劑可提供鑄模結(jié)構(gòu)的主骨架結(jié)構(gòu)。鋁酸鈣接合劑可包括鑄模中的連續(xù)相并且在固化和鑄造期間提供強(qiáng)度。鑄模成分可由六鋁酸鈣和鋁酸鈣接合劑組成，即，六鋁酸鈣和鋁酸鈣接合劑可基本上構(gòu)成鑄模成分的僅有組分，具有很少其他組分或不具有其他組分。在另一實(shí)施例中，鑄模成分可由六鋁酸鈣、鋁酸鈣接合劑和氧化鋁組成，即，六鋁酸鈣、鋁酸鈣接合劑、和氧化鋁可基本上構(gòu)成鑄模成分的僅有組分，具有很少其他組分或不具有其他組分。
[0048]在一個(gè)實(shí)施例中，本公開包括含鈦物品鑄造鑄模成分，其包括六鋁酸鈣和鋁酸鈣接合劑。在另一實(shí)施例中，該鑄造鑄模成分還包括氧化物顆粒(例如，中空氧化物顆粒)。根據(jù)本公開的方面，氧化物顆?？蔀檠趸X顆粒、氧化鎂顆粒、氧化鈣顆粒、鋯氧化物顆粒、氧化鈦顆粒、氧化硅顆粒、它們的組合、或它們的合成物。在一個(gè)實(shí)施例中，氧化物顆粒可為一種或更多種不同氧化物顆粒的組合。
[0049]鑄造鑄模成分還可包括氧化鋁(例如，以中空顆粒的形式)，即，具有中空核心或基本上由氧化物圍繞的基本上中空的核心的顆粒。這些中空氧化鋁顆?？砂ㄑ趸X中的大約99%，并且在外側(cè)尺寸(諸如寬度或直徑)方面具有大約10毫米(mm)或更小。在一個(gè)實(shí)施例中，中空氧化鋁顆粒在外側(cè)尺寸(諸如，寬度或直徑)方面具有大約I毫米(mm)或更小。在另一實(shí)施例中，氧化鋁包括可具有范圍從大約10微米(μπι)到大約10000微米的外側(cè)尺寸的顆粒。在某些實(shí)施例中，中空氧化物顆粒可包括中空氧化鋁球(通常在直徑方面大于100微米)。這些中空氧化鋁球可并入到鑄造鑄模成分中，并且這些中空球可具有多種幾何形狀，諸如圓顆粒、或不規(guī)則聚體。在某些實(shí)施例中，氧化鋁可包括圓顆粒和中空球二者。在一個(gè)方面中，發(fā)現(xiàn)這些幾何外形增大熔模鑄?；旌衔锏牧鲃?dòng)性。增強(qiáng)的流動(dòng)性通常可改善表面光潔度和從鑄模中產(chǎn)生的最終鑄件的表面特征的重現(xiàn)精度或精確性。
[0050]氧化鋁包括在外側(cè)尺寸方面范圍從大約10微米到大約10000微米的顆粒。在某些實(shí)施例中，氧化鋁包括在外側(cè)尺寸(例如直徑或?qū)挾?方面小于大約500微米的顆粒。氧化鋁可包括鑄造鑄模成分的從按重量計(jì)算大約0.5%到按重量計(jì)算大約80%。備選地，氧化鋁包括鑄造鑄模成分的按重量計(jì)算大約40%到按重量計(jì)算大約60%。備選地，氧化鋁包括鑄造鑄模成分的按重量計(jì)算大約40%到按重量計(jì)算大約70%。
[0051]在一個(gè)實(shí)施例中，該鑄造鑄模成分還包括氧化鈣。氧化鈣可大于鑄造鑄模成分的按重量計(jì)算的大約10%且小于按重量計(jì)算的大約50%。在一個(gè)實(shí)施例中，氧化鈣大于鑄造鑄模成分的按重量計(jì)算的大約30%且小于按重量計(jì)算的大約50%。備選地，氧化鈣大于鑄造鑄模成分的按重量計(jì)算的大約25%且小于按重量計(jì)算的大約35%。最終鑄模通?？删哂行∮?克/立方厘米的密度和大于500鎊每平方英寸(psi)的強(qiáng)度。
[0052]本公開的一個(gè)方面是一種用于鑄造含鈦物品的鑄模，其包括:六鋁酸鈣和鋁酸鈣接合劑，鋁酸鈣接合劑包括單鋁酸鈣、二鋁酸鈣、和鈣鋁石，其中，鑄模具有在鑄模的主體與鑄模腔之間的為大約10微米到大約500微米的表面涂層(S卩，固有表面涂層)。在一個(gè)實(shí)施例中，六鋁酸鈣包括在外側(cè)尺寸方面小于大約50 μ m的顆粒。在一個(gè)實(shí)施例中，六鋁酸鈣包括鑄模的從按重量計(jì)算的大約百分之15到按重量計(jì)算的大約百分之50。在另一實(shí)施例中，表面涂層為連續(xù)的固有表面涂層。
[0053]在一個(gè)特定實(shí)施例中，本公開的鑄造鑄模成分包括六鋁酸鈣和鋁酸鈣接合劑。鋁酸鈣接合劑包括包含鈣和鋁的至少三種相或組分:單鋁酸鈣(CaAl2O4)、二鋁酸鈣(CaAl4O7)、和鈣鋁石(Ca12Al14O33)。單鋁酸鈣在固有表面涂層中的重量比例可大于0.30且鈣鋁石的重量比例可大于0.10。在一個(gè)實(shí)施例中，鑄模主體中的六鋁酸鈣包括為大約0.01到0.30的重量比例，且固有表面涂層中的六鋁酸鈣為大約0.01到0.20。在一個(gè)實(shí)施例中，鑄模主體中的單鋁酸鈣包括為大約0.05到0.95的重量比例，且固有表面涂層中的單鋁酸鈣為大約0.30到0.95。在另一實(shí)施例中，鑄模主體中的二鋁酸鈣包括為大約0.05到大約0.80的重量比例，且固有表面涂層中的二鋁酸鈣為大約0.05到0.30。在又一實(shí)施例中，鑄模主體成分中的鈣鋁石包括為大約0.01到大約0.30的重量比例，且固有表面涂層中的鈣鋁石為大約0.01到0.05。
[0054]鑄模主體和固有表面涂層的精確成分可不同。例如，鑄模主體中的六鋁酸鈣包括大約0.01至0.30的重量比例，并且固有表面涂層中的六鋁酸鈣為大約0.01至0.20 ;鑄模主體中的單鋁酸鈣包括大約0.05到0.95的重量比例，且固有表面涂層中的單鋁酸鈣為大約0.30到0.95 ;鑄模主體中的二鋁酸鈣包括大約0.05到大約0.80的重量比例，并且固有表面涂層中的二鋁酸鈣為大約0.05到0.30 ;且鑄模主體的成分中的鈣鋁石包括大約0.01到大約0.30的重量比例，且固有表面涂層中的鈣鋁石為大約0.01到0.05。
[0055]單鋁酸鈣在鋁酸鈣接合劑中的重量比例可大于大約0.2，且鈣鋁石在鋁酸鈣接合劑中的重量比例可小于大約0.1