具有角半徑以減少再結(jié)晶的鑄造部件的制作方法
【專利說明】具有角半徑以減少再結(jié)晶的鑄造部件
[0001]背景
[0002]本公開涉及鑄造部件中的再結(jié)晶。
[0003]機(jī)器部件，如燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)翼片，可由高溫合金材料鑄造而成。例如，在熔模鑄造中，陶瓷或耐熔金屬芯被布置在模具中并且用蠟料涂敷，其提供所需的形狀。蠟料隨后被硬化成殼的陶瓷漿料涂敷。蠟從殼中熔出并且剩余的空腔隨后裝滿金屬以提供所述部件。芯隨后被移除，留下部件內(nèi)的內(nèi)部通道。
[0004]概述
[0005]—種根據(jù)本公開的實(shí)例的鑄造部件包括具有單晶微結(jié)構(gòu)和限定內(nèi)腔的內(nèi)角的鑄造體。單晶微結(jié)構(gòu)定義相對于使用耐熔金屬芯的鑄造體的熔模鑄造的臨界內(nèi)部殘余應(yīng)力，超過所述臨界內(nèi)部殘余應(yīng)力，單晶微結(jié)構(gòu)在預(yù)定條件下再結(jié)晶。內(nèi)角定義大于臨界角半徑的角半徑(R)，低于所述臨界角半徑，單晶微結(jié)構(gòu)中的內(nèi)部殘余應(yīng)力的量超出臨界內(nèi)部殘余應(yīng)力。內(nèi)腔包括在角半徑附近的小于大約20密耳的截面。
[0006]在前述實(shí)施方案中的任何一個(gè)的另一個(gè)實(shí)施方案中，內(nèi)腔是具有小于大約15密耳的截面的微通道。
[0007]在前述實(shí)施方案中的任何一個(gè)的另一個(gè)實(shí)施方案中，微通道被嵌入鑄造體的外壁內(nèi)。
[0008]在前述實(shí)施方案中的任何一個(gè)的另一個(gè)實(shí)施方案中，鑄造體是翼片，并且外壁是翼片的吸力側(cè)壁或壓力側(cè)壁。
[0009]在前述實(shí)施方案中的任何一個(gè)的另一個(gè)實(shí)施方案中，微通道具有垂直于鑄造體的縱向而截取的截面，所述截面具有最大尺寸寬度W，使得最大寬度D與角半徑R之比不大于10: 1(十比一)。
[0010]在前述實(shí)施方案中的任何一個(gè)的另一個(gè)實(shí)施方案中，內(nèi)腔具有垂直于鑄造體的縱向而截取的截面，所述截面具有最大尺寸寬度W，使得角半徑(R)與最大寬度D之比至少是I: 10(—比十)。
[0011]在前述實(shí)施方案中的任何一個(gè)的另一個(gè)實(shí)施方案中，內(nèi)角在鑄造體的肋與外壁之間。
[0012]在前述實(shí)施方案中的任何一個(gè)的另一個(gè)實(shí)施方案中，鑄造體是鎳基合金。
[0013]—種根據(jù)本公開的實(shí)例的渦輪發(fā)動機(jī)任選地包括:風(fēng)扇、壓縮機(jī)部分、與壓縮機(jī)部分流體連通的燃燒室和與燃燒室流體連通的渦輪部分。渦輪部分包括具有鑄造體的翼片鑄造部件，所述鑄造體具有單晶微結(jié)構(gòu)和限定內(nèi)腔的內(nèi)角。單晶微結(jié)構(gòu)定義相對于使用耐熔金屬芯的鑄造體的熔模鑄造的臨界內(nèi)部殘余應(yīng)力，超過所述臨界內(nèi)部殘余應(yīng)力單晶微結(jié)構(gòu)在預(yù)定條件下再結(jié)晶。內(nèi)角定義大于臨界角半徑的角半徑(R)，低于所述臨界角半徑，單晶微結(jié)構(gòu)中的內(nèi)部殘余應(yīng)力的量超出臨界內(nèi)部殘余應(yīng)力。內(nèi)部通道具有小于大約20密耳的截面。
[0014]一種根據(jù)本公開的實(shí)例的控制鑄造部件中的再結(jié)晶的方法包括:通過在鑄造體中建立限定內(nèi)腔的內(nèi)角以具有大于相對于使用耐熔金屬芯的鑄造體的熔模鑄造的臨界角半徑的角半徑(R)來限制具有單晶微結(jié)構(gòu)的鑄造體中的再結(jié)晶，低于所述臨界角半徑，單晶微結(jié)構(gòu)中的內(nèi)部殘余應(yīng)力的M超出來自鑄造的臨界內(nèi)部殘余應(yīng)力，超過所述臨界內(nèi)部殘余應(yīng)力，所述單晶微結(jié)構(gòu)在預(yù)定條件下再結(jié)晶。
[0015]在前述實(shí)施方案中的任何一個(gè)的另一個(gè)實(shí)施方案中，內(nèi)腔是微通道。
[0016]在前述實(shí)施方案中的任何一個(gè)的另一個(gè)實(shí)施方案中，鑄造體是翼片，并且微通道被嵌入鑄造體的外壁內(nèi)。
[0017]前述實(shí)施方案中的任何一個(gè)的另一個(gè)實(shí)施方案包括使用耐熔金屬芯形成內(nèi)腔。
[0018]在前述實(shí)施方案中的任何一個(gè)的另一個(gè)實(shí)施方案中，耐熔金屬芯包括具有在角半徑附近的小于大約15密耳的截面的部分。
[0019]附圖簡述
[0020]根據(jù)以下詳細(xì)描述本公開的各種特征和優(yōu)點(diǎn)將對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見。詳細(xì)描述的附圖可簡述如下。
[0021]圖1示出示例性的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)。
[0022]圖2示出在圖1的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中使用的示例性翼片。
[0023]圖3示意性示出在肋與壁之間的角。
[0024]詳述
[0025]圖1示意性示出燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)20。燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)20在本文中公開為兩線軸渦輪風(fēng)扇，其大體上包括:風(fēng)扇部分22、壓縮機(jī)部分24、燃燒室部分26和渦輪部分28。除了其他系統(tǒng)或特征，替代發(fā)動機(jī)可包括增壓器部分(未示出)。風(fēng)扇部分22沿旁通流路徑驅(qū)動空氣而壓縮機(jī)部分24沿核心流路徑驅(qū)動空氣，以便空氣壓縮并傳送進(jìn)入燃燒室部分26隨后通過渦輪機(jī)部分28膨脹。盡管在所公開的非限制性實(shí)施方案中被描繪為渦輪風(fēng)扇燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，但應(yīng)當(dāng)理解，本文所描述的概念并不限制于用在渦輪風(fēng)扇中，因?yàn)榻虒?dǎo)可應(yīng)用于包括三線軸架構(gòu)的其他類型的渦輪機(jī)發(fā)動機(jī)中。
[0026]發(fā)動機(jī)20大體上包括第一線軸30和第二線軸32，所述第一線軸30和第二線軸32安裝用于通過幾個(gè)軸承系統(tǒng)38相對于發(fā)動機(jī)靜態(tài)結(jié)構(gòu)36繞著發(fā)動機(jī)中心軸線A旋轉(zhuǎn)。應(yīng)當(dāng)理解，可替代地或另外地在各種位置處提供各種軸承系統(tǒng)38。
[0027]第一線軸30大體上包括將風(fēng)扇42、第一壓縮機(jī)44和第一渦輪46互連的第一軸40。第一軸40通過以比第一線軸30低的速度驅(qū)動風(fēng)扇42的風(fēng)扇齒輪驅(qū)動系統(tǒng)48的齒輪組件被連接到風(fēng)扇42。第二線軸32包括將第二壓縮機(jī)52和第二渦輪54互連的第二軸50。第一線軸30在比第二線軸32相對較低的壓力下運(yùn)行。要理解，如本文所使用的“低壓”和“高壓”或其變型為指示高壓大于低壓的相對術(shù)語。環(huán)形燃燒室56被布置在第二壓縮機(jī)52與第二渦輪54之間。第一軸40和第二軸50是同軸的并且通過軸承系統(tǒng)38繞著與它們的縱向軸線共線的發(fā)動機(jī)中心軸線A旋轉(zhuǎn)。
[0028]核心氣流由第一壓縮機(jī)44壓縮隨后由第二壓縮機(jī)52壓縮，與環(huán)形燃燒室56中的燃料混合并燃燒，隨后通過第二渦輪54和第一渦輪46膨脹。第一渦輪46和第二渦輪54響應(yīng)于膨脹分別旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動第一線軸30和第二線軸32。
[0029]發(fā)動機(jī)20是高旁通齒輪式航空發(fā)動機(jī)，其具有大于大約六￠)的旁通比，其中示例性實(shí)施方案大于十(10)，風(fēng)扇驅(qū)動齒輪系統(tǒng)48的齒輪組件為具有大于大約2.3: I的齒輪減速比的周轉(zhuǎn)齒輪系，如行星齒輪系統(tǒng)或其他齒輪系統(tǒng)，并且第一渦輪46具有大于大約五(5)的壓力比。第一渦輪46壓力比為在第一渦輪46的入口之前測得的壓力相對于在排氣噴嘴之前的第一禍輪46的出口處的壓力。第一禍輪46具有最大轉(zhuǎn)子直徑并且風(fēng)扇42具有風(fēng)扇直徑，使得最大轉(zhuǎn)子直徑除以風(fēng)扇直徑的比小于0.6。然而，應(yīng)當(dāng)理解，以上參數(shù)只是示例性的。
[0030]由于高旁通比旁通流B提供了顯著量的推力。發(fā)動機(jī)20的風(fēng)扇部分22被設(shè)計(jì)用于特定飛行條件-通常以大約0.8馬赫和大約35，000英尺巡航。在發(fā)動機(jī)處于其最佳燃料消耗-也稱為“穩(wěn)定巡航推力燃料消耗率(‘TSFC’ ) ”情況下的0.8馬赫和35，000英尺的飛行條件是Ibm燃燒的燃料除以發(fā)動機(jī)在那個(gè)最小點(diǎn)輸出的Ibf推力的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)?！暗惋L(fēng)扇壓力比”是在沒有風(fēng)扇出口導(dǎo)葉(“FEGV”)系統(tǒng)的情況下僅跨過風(fēng)扇葉片的壓力比。如本文所公開的根據(jù)一個(gè)非限制性實(shí)施方案的低風(fēng)扇壓力比小于大約1.45?！暗托ＵL(fēng)扇葉尖速度”是以ft/sec的實(shí)際風(fēng)扇葉尖速度除以[(Tram° R)/(518.7° R)]°.5的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)溫度校正。如本文所公開的根據(jù)一個(gè)非限制實(shí)施方案的“低校正風(fēng)扇葉尖速度”小于大約1150ft/秒。
[0031]發(fā)動機(jī)20的渦輪部分28包括多個(gè)鑄造部件60，如可旋轉(zhuǎn)葉片或靜態(tài)輪葉。鑄造部件60由高溫合金(如鎳基合金或鈷基合金)制成。鑄造部件60以熔模鑄造工藝鑄造而成以便提供單晶微結(jié)構(gòu)并形成具有內(nèi)部冷卻通道的相對復(fù)雜的形狀。在熔模鑄造工藝的冷卻時(shí)，可產(chǎn)生內(nèi)部殘余應(yīng)力或應(yīng)變。具體而言，當(dāng)使用耐熔金屬芯以形成部件60中的內(nèi)部通道時(shí)可產(chǎn)生相對高的殘余應(yīng)變。作為實(shí)例，陶瓷芯被設(shè)計(jì)成具有內(nèi)部孔隙，以便在冷卻期間生成的應(yīng)變之下為“可壓碎的”并因此在陶瓷芯壓碎時(shí)用以減輕鑄造部件上的應(yīng)變。然而，耐熔金屬芯為非可壓碎的并因此可在鑄造部件中生成相對高的殘余應(yīng)變。耐熔金屬可包括鉬、鉭、鈮、鎢及其合金，耐熔金屬的另外實(shí)例可見于以引用方式并入本文的Shah等人的美國專利號6，637，500。將在本文中使用術(shù)語“內(nèi)部殘余應(yīng)力”，但應(yīng)當(dāng)理解“內(nèi)部殘余應(yīng)變”同等適用。
[0032]來自利用耐熔金屬芯的鑄造的內(nèi)部殘余應(yīng)力的位置可充當(dāng)為用于在隨后的熱循環(huán)期間高溫合金材料的再結(jié)晶的成核部位。定向錯誤的再結(jié)晶顆粒破壞機(jī)械性能并可充當(dāng)為裂