5。在另一實施例中，鋁酸鈣接合劑大于鑄造鑄模成分的按重量計算的30%。在一個實施例中，鋁酸鈣接合劑具有為大約50微米或更小的顆粒大小。
[0056]在一個實施例中，這些相在鑄模主體的接合劑中合適的重量比例為0.05至0.95的單鋁酸鈣、0.05至0.80的二鋁酸鈣、和0.01至0.30的鈣鋁石。在一個實施例中，這些相在鑄模的表面涂層中的重量比例為0.30-0.95的單鋁酸鈣、0.05-0.30的二鋁酸鈣、和0.01-0.05的鈣鋁石。在另一實施例中，單鋁酸鈣在表面涂層中的重量比例大于大約0.3，且鈣鋁石的重量比例小于大約0.1。在另一實施例中，單鋁酸鈣在鑄模主體的接合劑中的重量比例大于大約0.2，且鈣鋁石的重量比例小于大約0.15。
[0057]在一個實施例中，鋁酸鈣接合劑具有為大約50微米或更小的顆粒尺寸。出于一些原因，小于50微米的顆粒尺寸為優(yōu)選的。認為細小的顆粒尺寸有助于鑄?；旌虾凸袒陂g的水硬性粘結(jié)的形成。認為細小的顆粒尺寸有助于煅燒期間的顆粒間燒結(jié)，并且這可增大鑄模強度。認為細小的顆粒尺寸改善鑄模和在鑄模中產(chǎn)生的鑄造物品的表面光潔度。鋁酸鈣接合劑可被提供為粉末，并且可以以其固有粉末形式、或以聚集形式(諸如作為噴霧干燥聚體)使用。鋁酸鈣接合劑還可與細小尺度(例如，尺寸小于10微米)的氧化鋁預摻合。認為細小尺度的氧化鋁由于高溫煅燒期間的燒結(jié)而提供強度的增大。在某些實例中，大尺度氧化鋁(即，尺寸大于10微米)還可被添加或不添加細小尺度氧化鋁。
[0058]中空氧化鋁顆粒提供至少兩個功能:⑴它們在強度降低最小的情況下降低了鑄模的密度和重量；在近似2g/cc和更小的密度的情況下獲得近似500psi及以上的強度水平；和(2)它們降低了鑄模的彈性模數(shù)且有助于在鑄造之后的鑄模和構(gòu)件冷卻期間提供順應(yīng)性。鑄模的增大的順應(yīng)性和可壓潰性可降低構(gòu)件上的拉伸應(yīng)力。
[0059]在某些實施例中，鑄模還可包含小重量比例的硅酸鹽，例如包括鋁硅酸鹽、鋁硅酸鈣等。為了使鑄模與鑄件的反應(yīng)最小化，在特定實施例中，在一個實施例中，主體中的鋁硅酸鹽和鋁硅酸鈣的重量比例之和可典型地保持為小于5%，在另一實施例中小于2%，且在又一實施例中小于1%，且在一個實施例中，表面涂層中的鋁硅酸鹽和鋁硅酸鈣的重量比例可典型地保持為小于0.5%，在另一實施例中小于0.2%，并且在又一實施例中小于0.1%。
[0060]鋁酸鈣接合劑成分
用于本公開方面中的鋁酸鈣接合劑典型地包括氧化鈣和氧化鋁的三種相或組分:單鋁酸媽(CaAl2O4)、一(CaAl4O7)、和媽銷石(Ca12Al14O33)tl單銷酸媽為典型地存在于銷酸鈣接合劑中的水硬性礦物。單鋁酸鈣的水合作用對熔模鑄模的高的早期強度有幫助。鈣鋁石在接合劑中是合乎需要的，因為其在因水硬性粘結(jié)的快速形成導致的鑄模固化的早期階段期間提供強度。然而，通常在鑄造之前的鑄模的熱處理期間移除鈣鋁石。
[0061]在一個方面，在接合劑制造窯中煅燒之后，最初的鋁酸鈣接合劑配方典型地未處于熱力平衡。然而，在鑄模制作和高溫煅燒后，鑄模成分朝熱動穩(wěn)定構(gòu)造移動，并且該穩(wěn)定性有利于隨后的鑄造步驟。在一個實施例中，單鋁酸鈣在接合劑中的重量比例大于0.5，并且鈣鋁石的重量比例小于0.15。鈣鋁石在鑄模中加入在鑄模主體和表面涂層二者中，因為其為快速凝固鋁酸鈣，并且認為其在固化的早期階段期間對鑄模主體和表面涂層提供強度。因為易消耗的蠟?zāi)闇囟让舾械牟⑶以诟哂诖蠹s35攝氏度的熱照射量的情況下喪失其形狀和特性，所以可在低溫(例如，在15攝氏度和40攝氏度之間的溫度)下執(zhí)行固化。優(yōu)選地在低于30攝氏度的溫度下使鑄模固化。
[0062]鋁酸鈣接合劑可典型地通過將高純度氧化鋁與高純度氧化鈣或碳酸鈣混合而產(chǎn)生；化合物的混合物典型地在熔爐或窯中被加熱至高溫，例如，1000和1500攝氏度之間的溫度，并被允許反應(yīng)。
[0063]在窯中產(chǎn)生的所得的產(chǎn)品(在本領(lǐng)域中已知為接合劑“渣塊”)然后被壓潰、磨碎、和篩分，以生產(chǎn)具有優(yōu)選顆粒大小的鋁酸鈣接合劑。此外，鋁酸鈣接合劑被設(shè)計和加工成具有最少量的雜質(zhì)(諸如，最小量的娃石、鈉和其他堿金屬、以及氧化鐵)。在一個方面中，銷酸鈣接合劑的目標水平為，Na20、S12, Fe2O3和T1 2之和小于大約2個重量百分比。在一個實施例中，Na20、Si02、Fe203和T1 2之和小于大約0.05個重量百分比。
[0064]在本公開的一個方面中，提供具有在氧化鋁(Al2O3)方面超過35%重量的主體氧化鋁濃度和小于65%重量的氧化鈣的鋁酸鈣接合劑。在相關(guān)實施例中，氧化鈣的該重量小于50%ο在一個示例中，接合劑的最大氧化鋁濃度可為大約88%(例如，大約12%的CaO)。在一個實施例中，鋁酸鈣接合劑具有高純度且包含直到70%的氧化鋁。單鋁酸鈣的重量比例可在鑄造之前的煅燒鑄模中最大化。可需要最小量的氧化鈣以使鑄造合金與鑄模之間的反應(yīng)最小化。如果接合劑中存在多于50%的氧化鈣，則這可導致諸如鈣鋁石和鋁酸三鈣的相，并且它們在鑄造期間不像單鋁酸鈣那樣好地作用。氧化鈣的優(yōu)選范圍為按重量計算小于大約50%且大于大約10%。
[0065]如上面提到的，鑄模中的鋁酸鈣接合劑/粘合劑中的三個相為單鋁酸鈣(CaAl2O4)、二鋁酸鈣(CaAl4O7)、和鈣鋁石(Ca12Al14O33)。接合劑中的生成表面涂層的單鋁酸鈣具有超過其他鋁酸鈣相的一些優(yōu)點:(I)因為單鋁酸鈣具有快速凝固響應(yīng)(盡管沒有鈣鋁石快)，并且認為其在固化的早期階段期間對鑄模提供強度，所以單鋁酸鈣加入在鑄模中。鑄模強度的迅速生成提供了鑄造鑄模的尺寸穩(wěn)定性，并且該特征改善最終鑄件組分的尺寸一致性。(2)單鋁酸鈣相對于正被鑄造的鈦和鈦鋁合金化學上穩(wěn)定。相對于二鋁酸鈣和具有更高氧化鋁活性的其他鋁酸鈣相使用單鋁酸鈣；這些相與正被鑄造的鈦和鈦鋁合金更具有反應(yīng)性。(3)單鋁酸鈣和二鋁酸鈣為低膨脹相，并且認為在固化、脫蠟和隨后的鑄造期間阻止高水平應(yīng)力的形成。單鋁酸鈣的熱膨脹特性與氧化鋁非常相似。
[0066]表面涂層
在某些實施例中，鑄模包含在該鑄模主體與鑄模腔之間的表面涂層。在一個實施例中，表面涂層為連續(xù)的表面涂層。在另一實施例中，表面涂層為固有表面涂層。在又一實施例中，表面涂層為連續(xù)且固有的表面涂層。鑄模設(shè)計為包含在鑄模制作期間提供改善的鑄模強度的相，并且連續(xù)的表面涂層設(shè)計為在鑄造期間提供增大的反應(yīng)抵抗力。鑄模能夠在高壓下鑄造，這對于凈形鑄造方法而言是合乎需要的。鑄造鑄模成分、表面涂層成分、和用于表面涂層和鑄模主體的優(yōu)選的組成相已確定為對鑄件提供改善的特性。當在本文中描述連續(xù)表面涂層且其取決于設(shè)計標準而具有某些優(yōu)點時，該表面涂層還可為不連續(xù)的。
[0067]表面涂層被限定為鑄模的鄰近鑄模中的內(nèi)部表面或鑄模腔的區(qū)域。在一個實施例中，通常認為表面涂層為大約100微米厚的區(qū)域。為了在某些應(yīng)用中更有效率，表面涂層為連續(xù)的。在表面涂層后方且離鑄模腔更遠的區(qū)域稱為鑄模的主體。在一個實施例中，表面涂層為固有表面涂層，其中固有表面涂層指包含與鑄模的主體一樣的至少一個組分的表面涂層。非固有表面涂層是包含不是鑄模主體的一部分的組分的表面涂層。
[0068]本公開的一個方面是用于鑄造含鈦物品的鑄模的表面涂層成分，該表面涂層成分包括:六鋁酸鈣、單鋁酸鈣、二鋁酸鈣、和鈣鋁石，其中該表面涂層成分為固有表面涂層，為大約10微米到大約500微米厚，并且位于鑄模主體與鑄模的朝向鑄模腔的表面之間。在一個實施例中，六鋁酸鈣包括在外側(cè)尺寸方面小于大約50微米的顆粒。在一個示例中，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接合劑。
[0069]使用固有表面涂層具有優(yōu)于使用非固有涂層的某些優(yōu)點。具體而言，用于鑄造的鑄模中的非固有表面涂層(諸如氧化釔或鋯石)可在鑄模處理和鑄造、特別是更高壓的鑄造期間退化、破裂、和裂開。當鑄模填充有熔融金屬時，從非固有表面涂層分離的表面涂層碎片可被夾帶在鑄件中，并且陶瓷表面涂層成為最終部分中的夾雜物。該夾雜物降低了從鑄件產(chǎn)生的構(gòu)件的機械性能。
[0070]在一個實施例中，本公開提供用于熔融鑄造鑄模的固有表面涂層成分和主體鑄模成分，它們可一起提供鈦和鈦合金的改善的鑄造構(gòu)件。在一個實施例中，鑄模包括六鋁酸鈣、鋁酸鈣接合劑和氧化鋁顆粒。在一個示例中，鋁酸鈣接合劑提供若干功能。第一，該接合劑生成鑄模的腔中的固有表面涂層，該腔通過移除易消耗模而生成，并且第二，其作用為表面涂層后方的鑄模主體中的氧化鋁顆粒之間的粘合劑。在一個實施例中，鑄模中的CaO的主體成分范圍為10和50%個重量百分比之間。在一個實施例中，表面涂層中的CaO的成分為20和40個重量百分比之間。在一個實施例中，最終鑄模具有小于2克/立方厘米的密度和大于500 psi的強度。
[0071 ] 該鑄模可包括鑄模主體和固有表面涂層，其中鑄模主體和固有表面涂層具有不同成分，且該固有表面涂層包括具有小于大約50微米的顆粒大小的鋁酸鈣接合劑。該鑄?？砂ㄨT模主體和固有表面涂層，其中，鑄模主體和固有表面涂層具有不同成分，并且其中，鑄模主體包括大于大約50微米的氧化鋁顆粒。在一個示例中，鑄模包括鑄模主體和固有表面涂層，其中，鑄模主體包括大于大約50微米的氧化鋁顆粒，并且固有表面涂層包括尺寸小于大約50微米的鋁酸鈣顆粒。
[0072]在本公開中提供的凈形鑄造途徑允許可通過非破壞性方法(諸如X射線、超聲或渦流)更詳細地并且以更低成本檢查零件。降低了與過大厚區(qū)段中的檢查輻射的衰減和散射有關(guān)的困難?？蓾撛诘亟鉀Q更小的缺陷，并且這可提供具有改善機械性能的部分。
[0073]本公開提供可提供鈦和鈦合金的改善構(gòu)件的鑄造鑄模成分和鑄造過程。在一個實施例中，鑄模使用六鋁酸鈣、鋁酸鈣接合劑或粘合劑、和氧化鋁顆粒來構(gòu)造。在實施例中，鑄模包含在鑄模主體與鑄模腔之間的固有表面涂層。表面涂層中的顆粒大小通常小于50微米。鑄模主體中的顆粒大小可大于50微米。在一個實施例中，鑄模主體中的顆粒大小可大于1mm。在一個實施例中，表面涂層中的顆粒大小小于50微米，并且鑄模主體中的顆粒大小大于50微米。一般而言，表面涂層為連續(xù)的固有表面涂層，從而允許其更有效。
[0074]按重量比例計算，固有表面涂層與鑄模主體相比可具有多至少百分之20的鋁酸鈣、少至少百分之20的氧化鋁、和少至少百分之50的鈣鋁石。固有表面涂層中的單鋁酸鈣的重量比例可大于0.30并且媽銷石的重量比例可小于0.10。在一個示例中，固有表面涂層中的六鋁酸鈣包括0.01至0.20的重量比例；固有表面涂層中的單鋁酸鈣包括0.30至0.95的重量比例；固有表面涂層中的二鋁酸鈣包括0.05至0.30的重量比例；并且固有表面涂層中的鈣鋁石包括0.01至0.05的重量比例。固有表面涂層中的單鋁酸鈣的增大的重量比例降低鑄造期間熔融合金與鑄模的反應(yīng)速率。
[0075]按重量比例計算，固有表面涂層與鑄模主體相比可具有多至少百分之20的單鋁酸鈣。按重量比例計算，固有表面涂層與鑄模主體相比可具有少至少百分之20的氧化鋁。在一個示例中，按重量比例計算，固有表面涂層與鑄模主體相比可具有多至少百分之20的鋁酸鈣、少至少百分之20的氧化鋁、和少至少百分之50的鈣鋁石。
[0076]在某些實施例中，表面涂層的組成相、以及鑄模主體的組成相對于鑄件的特性而言是重要的。如在本文中所公開的，鑄模的表面涂層在鑄造期間提供與合金的最少反應(yīng)，并且作為結(jié)果，該鑄模提供具有所需構(gòu)件特性的鑄件。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)部特性包括機械特性、微觀結(jié)構(gòu)和低于臨界尺寸的缺陷(諸如小孔和夾雜物)。
[0077]關(guān)于鑄模的表面涂層和鑄模主體的組成相，出于至少兩個原因，單鋁酸鈣(CaAl2O4)是合乎需要的。第一，單鋁酸鈣促進了鑄模制作的初始階段期間的接合劑顆粒之間的水硬性粘結(jié)形成，并且該水硬性粘結(jié)在鑄模構(gòu)造期間提供鑄模強度。第二，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)。
[0078]在一個實施例中，表面涂層包括六鋁酸鈣(Ca0.6A1203，還稱為“CA6”)、單鋁酸鈣(CaAl2O4)、二鋁酸鈣(CaAl4O7)和鈣鋁石(Ca12Al14O33)、以及氧化鋁。在一個實施例中，表面涂層中的顆粒大小小于50微米。在表面涂層中，單鋁酸鈣(CaAl2O4)、二鋁酸鈣(CaAl4O7)的組合大于50個重量百分比，并且氧化鋁濃度小于大約50個重量百分比。在一個實施例中，在表面涂層中存在大于30個重量百分比的單鋁酸鈣(CaAl2O4)。在表面涂層后方且離鑄模腔更遠的區(qū)域稱為鑄模的主體。在一個實施例中，在該鑄模主體區(qū)段中，單鋁酸鈣(CaAl2O4)、二鋁酸鈣(CaAl4O7)、和六鋁酸鈣的組合小于50個重量百分比，并且鑄模主體中的氧化鋁濃度大于50個重量百分比。
[0079]使用固有的表面涂層具有優(yōu)于使用非固有表面涂層的顯著優(yōu)點。用于鑄造鈦合金的非固有表面涂層通常為氧化釔基表面涂層或氧化鋯基表面涂層。具體而言，用于鑄造的鑄模中的非固有涂層可在鑄模處理(諸如移除易消耗的模和煅燒期間)退化、破裂、和裂開。當鑄模填充有熔融金屬時，從非固有表面涂層分離的表面涂層碎片可被夾帶在鑄件中，并且陶瓷表面涂層成為最終部分中的夾雜物。該夾雜物降低從鑄件生產(chǎn)的構(gòu)件的機械性會K。
[0080]鋁酸鈣接合劑稱為接合劑或粘合劑，且在一個實施例中，其與氧化鋁顆?；旌弦灾谱骺设T造的熔模鑄模混合物。按重量計算，在可鑄造的熔模鑄?；旌衔镏校X酸鈣接合劑通常為> 30% ;使用該比率的鋁酸鈣接合劑是本公開的特征，因為其促進固有表面涂層的形成。申請人發(fā)現(xiàn)了正確的鋁酸鈣接合劑化學性質(zhì)和氧化鋁配方的選擇在決定鑄模的性能方面是重要的。在一個示