專利名稱：單向凝固方法及由此而形成的鑄件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及用于生產(chǎn)定向凝固的鑄件的材料和方法，
且特別地涉及減少如適于用作燃?xì)廨啓C(jī)和其它高溫應(yīng)用的構(gòu)件的單
晶(SX)和定向地凝固的(DS)制品的合金鑄件中的缺陷。
背景技術(shù)：
燃?xì)廨啓C(jī)的構(gòu)件-諸如葉片(輪葉)、機(jī)葉(噴嘴)和燃燒器構(gòu)件 典型地由特征在于在渦輪機(jī)運行溫度下有合乎需要的機(jī)械屬性的鎳 基、鈷基或鐵基超合金形成。因為燃?xì)廨啓C(jī)的效率取決于其運行溫度， 所以存在對能夠承受較高溫度的構(gòu)件-且特別是渦輪機(jī)輪葉、噴嘴、 燃燒器構(gòu)件以及其它熱氣體路徑構(gòu)件-的需求。因為對燃?xì)廨啓C(jī)構(gòu)件 的材料要求已提高，所以已使用各種處理方法和合金成分來增強(qiáng)由超 合金形成的構(gòu)件的機(jī)械、物理和環(huán)境屬性。例如，在指定的應(yīng)用中所 采用的輪葉、噴嘴和其它構(gòu)件通常通過定向鑄造技術(shù)來鑄造，以便具 有DS或SX微結(jié)構(gòu)，其特征在于處在選定方向上以便產(chǎn)生柱狀多晶 或單晶制品的晶體取向或者生長方向。如本領(lǐng)域中已知的，用于生產(chǎn)SX和DS鑄件的定向鑄造技 術(shù)通常需要將所期望的合金的熔體傾倒到保持在合金液相溫度以上 的溫度處的熔模鑄模中。 一種這樣的方法采用Bridgman型爐在模具 周圍形成受熱區(qū)，且在模具的基部處采用急冷板。融熔合金在模具內(nèi) 的凝固通過逐漸將才莫具從受熱區(qū)取出且使其進(jìn)入冷卻區(qū)來發(fā)生，在冷 卻區(qū)中，冷卻通過傳導(dǎo)和/或輻射來發(fā)生。凝固在模具的基部處開始且 凝固前端前進(jìn)到才莫具的頂部。凝固按照獲得用于鑄件的期望的微結(jié)構(gòu) 的方式在模具基部中開始及受控制。在凝固前端處需要高的熱梯度，以防止在定向凝固工藝期間新的晶粒形核。如本領(lǐng)域中已知的，枝晶是在融熔金屬凝固期間形成的樹 狀結(jié)構(gòu)。鑄件中的枝晶臂之間的間距受鑄件的凝固條件影響，其中枝 晶臂間距隨著冷卻速率反向變化。如本文中所用， 一次枝晶臂間距將 用來表示鑄件中相鄰的枝晶芯部之間的平均間距，其通過在法向于晶 體生長方向的方向上將鑄件分段、計數(shù)截面區(qū)域上的 一次臂的數(shù)量以 及計算平均間距(典型地通過采取方陣列)來測量。二次枝晶臂間距可 通過對在平行于晶體生長方向而得到的區(qū)段中觀察到的相鄰的二次
枝晶臂之間的間距進(jìn)行平均來測量。在SX和DS鑄件凝固期間形成 的枝晶可以通過某些合金成分的濃度上的差異與周圍材料區(qū)別開。DS和SX制品的機(jī)械屬性部分地取決于在定向凝固工藝期 間避免大角度晶界、等軸晶以及由化學(xué)或基元枝晶間偏析引起的缺 陷。作為示例，取決于超合金的特定的化學(xué)性，枝晶間偏析可導(dǎo)致非 均勻性，諸如積累在枝晶間區(qū)域中且傾向于減小鑄件強(qiáng)度的植入粒子 和合金化學(xué)性的基元顯微組織成分?？赏ㄟ^減小鑄造制品中的一次枝 晶臂間距來顯著地減小顯微組織成分池和嵌入粒子的大小。枝晶間偏 析還可導(dǎo)致形成表面斑點，表面斑點在凝固期間形成為非常小的等軸 晶鏈。斑點可縮短疲勞壽命且在凝固工藝期間充當(dāng)引起不可接受的偏 軸晶粒的晶粒起始物。用來最小化枝晶偏析的存在或者效果的傳統(tǒng)的 措施包括鑄造后處理，諸如固態(tài)擴(kuò)散熱處理或機(jī)械加工。然而，對于 解決燃?xì)廨啓C(jī)構(gòu)件或者非常大或形成有復(fù)雜組成的其它鑄件中的枝 晶偏析而言，這些技術(shù)并不可行。已顯示了斑點生成的傾向取決于組分， 一 個實例是合金中 鉭和/或碳的水平。所以，已經(jīng)通過小心地控制或者修改超合金組分來 解決斑點生成，如共同轉(zhuǎn)讓的美國專利No.5,151,249， No.6,091，141 以及No.6,909，988中所記錄的。近來，鑄造工藝參數(shù)(諸如取出速率、 冷卻速度和固液界面位置)已經(jīng)表現(xiàn)出對斑點形成具有影響。授予 Huang等人的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利No.6,217,286公開了在具有高達(dá)四十英寸(大約一百厘米)的長度的鑄件中減少斑點生成的高梯度鑄造方
法。Huang等人教導(dǎo)凝固前端的高熱梯度可利用;^丈置在才莫具和冷卻區(qū) (例如液體槽或用利用惰性氣體的沖擊)之間的隔板來實現(xiàn)，以獲得足 夠均勻的 一次枝晶臂間距且減少斑點生成。Huang等人以及減少斑點生成和其它凝固相關(guān)的缺陷的其 它先前的努力局限于不超過四十英寸(大約一百厘米)長度的鑄件，大 部分的原因是由于由模具長度、爐大小等施加的大小和重量限制。對 于某些應(yīng)用，包括以地面為基地的燃?xì)廨啓C(jī)的最后級輪葉，與定向凝 固相關(guān)聯(lián)的斑點生成和大小/重量困難基本會妨礙生產(chǎn)和使用具有足 夠大小的單晶和定向地凝固的鑄件。 一個示例是用于發(fā)電產(chǎn)業(yè)中且由 本發(fā)明的受讓人制造的H和FB級燃?xì)廨啓C(jī)的最后級輪葉。這些輪葉 的長度(大約30英寸(大約75cm)或更長)、截面和重量使得非常難以將 它們生產(chǎn)為SX和DS鑄件，特別是關(guān)于獲得可被熱處理以得到期望 的機(jī)械屬性的微結(jié)構(gòu)。所以，H和FB級燃?xì)廨啓C(jī)的最后級輪葉受限 于被生產(chǎn)為等軸鑄件。然而，將這些輪葉生產(chǎn)為無缺陷的SX和DS 鑄件的能力將獲得顯著地提高的機(jī)械屬性，諸如蠕變和低循環(huán)疲勞 (LCF)，且將因此對于大型燃?xì)廨啓C(jī)的總體性能和效率具有很大的好 處。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了 一種能夠生產(chǎn)具有單向晶體結(jié)構(gòu)和一百厘米 或更長的長度且基本沒有斑點缺陷的金屬鑄件的方法。本發(fā)明還提供 了通過這樣的方法而形成的具有單向晶體結(jié)構(gòu)的金屬鑄件。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，該方法包括將融熔金屬合金傾 倒到加熱區(qū)內(nèi)的經(jīng)預(yù)熱的模具的腔體中；從受熱區(qū)取出模具而通過隔 熱罩且進(jìn)入冷卻區(qū)，以便定向地凝固融熔金屬合金；且然后冷卻^^莫具 以生產(chǎn)鑄件及其具有大于一百厘米的大小的基本沒有斑點缺陷的單 向晶體結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選的方面，隔熱罩在受熱區(qū)和冷卻區(qū)之間作為對熱輻射的阻隔件來起作用，且模具以一定速率取出，該速率
結(jié)合隔熱罩而保持至少35°C/cm的熱梯度-例如50°C/cm或更大的熱梯 度-以凝固融熔金屬合金且形成在其之間具有大約150微米到大約500 微米的平均間距的一次枝晶臂。至少大約20。C/分鐘的高冷卻速率也 表現(xiàn)為獲得期望的 一 次枝晶臂間距的 一 個因素。鑄件的單向晶體結(jié)構(gòu)可以是具有優(yōu)選的單晶晶向<001 >的 柱狀單晶微結(jié)構(gòu)(SX)，但是具有除<001>以外的取向的晶體結(jié)構(gòu)也處 于本發(fā)明的范圍內(nèi)，如柱狀多晶微結(jié)構(gòu)(DS)?？筛鶕?jù)本發(fā)明來生產(chǎn)的 鑄件良好地適于燃?xì)廨啓C(jī)的構(gòu)件，諸如輪葉、噴嘴以及燃?xì)廨啓C(jī)的其 它構(gòu)件，且可由鎳基合金和金屬間化合物-例如鋁化鎳(NiAl)金屬間化 合物-形成。本發(fā)明的一個顯著的優(yōu)點在于由本發(fā)明的方法所生產(chǎn)的鑄 件可在長度、截面和/或重量方面遠(yuǎn)超過現(xiàn)有鑄件技術(shù)的可能長度、截 面和/或重量。特別地，以地面為基地的燃?xì)廨啓C(jī)的可熱處理的、無斑 點的最后級輪葉可通過該方法生產(chǎn)為具有單晶和定向地凝固的微結(jié) 構(gòu)，而具有超過一百厘米的長度(以及對應(yīng)地較大的截面和重量)的最 后級輪葉和其它鑄件在之前是不可行的。因此，斑點產(chǎn)生的發(fā)生率的 降低遠(yuǎn)大于對于非常大的SX和DS鑄件所預(yù)期的，且結(jié)果是不存在 斑點，否則如果在常規(guī)的處理條件下生產(chǎn)，則斑點在具有這些長度、 截面和重量的SX和DS鑄件中將是預(yù)期的。根據(jù)以下詳細(xì)描述將更好地了解本發(fā)明的其它目標(biāo)和優(yōu)點。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例可形成為單晶鑄件的渦輪機(jī)輪 葉的示意圖。圖2和3呈現(xiàn)了截面圖，其顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施 例的用來生產(chǎn)大型單晶渦輪機(jī)葉片的鑄造操作的兩個步驟。
圖4是對于根據(jù)美國專利No.6,217,286生產(chǎn)的鑄件的一次 枝晶臂間距vs鑄件長度的圖表。圖5是對于根據(jù)本發(fā)明的實施例生產(chǎn)的鑄件的一次枝晶臂 間距vs鑄件長度的圖表。
部件列表
10 輪葉 110
12翼型件112
14柄部 114
16鳩尾榫116
18護(hù)罩118
20沖莫具120
22腔體122
24急冷板124
26加熱區(qū)126
28材料128
30選擇器130
32鑄件132
34部分134
36柄部136
38鳩尾榫138
40橋140
42冷卻區(qū)142
43冷卻槽143
44隔熱罩144
45開口 145
48最優(yōu)選范圍148
50優(yōu)選范圍15052優(yōu)選范圍152 54最優(yōu)選范圍15具體實施例方式本發(fā)明提供了超越現(xiàn)有定向鑄造技術(shù)的能力和預(yù)期的生產(chǎn) 單向地凝固的鑄件的能力。本發(fā)明建立于共同轉(zhuǎn)讓的美國專利 No.6,217,286中所公開的發(fā)現(xiàn)之上，某些凝固工藝條件-如通過枝晶臂 間距所表明的-能夠防止長度方面高達(dá)四十英寸(大約一百厘米)的鑄 件中的斑點。如通過本專利的教導(dǎo)顯而易見的，由本發(fā)明所提供的能 力在US6,217,286中未預(yù)期到。特別未預(yù)期的是獲得和保持足夠的熱 梯度的能力，該足夠的熱梯度能夠形成具有將會導(dǎo)致阻礙斑點產(chǎn)生的 可接受的臂間距的一次枝晶臂。因為熱梯度取決于鑄造方法的冷卻速 率和凝固速率(大致等于取出速率)(這種關(guān)系的簡化描述是熱梯度大 致等于冷卻速率除以取出速率)，所以本發(fā)明要求對鑄造方法的冷卻速 率和取出速率進(jìn)行密切的控制。本發(fā)明降低了斑點生成的傾向，同時還獲得了 SX和DS鑄 件所期望的機(jī)械屬性，特別是用于諸如燃?xì)廨啓C(jī)熱氣體流動路徑中的 輪葉(葉片)、噴嘴(機(jī)葉)以及其它大型構(gòu)件的應(yīng)用中的高溫強(qiáng)度(包括 蠕變抗性)和疲勞屬性。特別關(guān)注的是在以地面為基地的燃?xì)廨啓C(jī)中使 用的最后級渦輪機(jī)輪葉所需的非常大型的鑄件-其長度(超過一百厘 米)、截面和/或重量妨礙了將其制造成SX和DS鑄件。作為示例，圖 1描繪了用于以地面為基地的燃?xì)廨啓C(jī)(諸如在發(fā)電產(chǎn)業(yè)中使用的燃?xì)?輪機(jī))的三級輪葉10。輪葉10具有翼型件12和柄部14,其中在柄部 14上形成了鴻尾榫16,以便將輪葉10錨定到渦輪盤(未顯示)上。取 決于特定的應(yīng)用，輪葉10的從頂部護(hù)罩18到鳩尾榫16的長度可為 大約30英寸(大約75cm)或更長，包括大約50英寸(大約125cm)或更 長的長度。此外，輪葉10的重量(質(zhì)量)常超過40磅(大約18kg)，且 可超過50磅(大約23kg)，甚至100磅(大約45kg)或更高的重量(質(zhì)量)也是可行的。雖然以下討論將集中在燃?xì)廨啓C(jī)輪葉上，但本發(fā)明也適 用于許多其它構(gòu)件，包括燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒區(qū)段內(nèi)的構(gòu)件。圖1中所描繪的這種類型的輪葉傳統(tǒng)上生產(chǎn)為由沉淀硬化 的鎳基超合金(諸如IN738 ， Ren677或Udimet⑧500)制成的等軸鑄件。 如在第一和第二級渦輪機(jī)輪葉的情況下，如果輪葉10可單向地鑄造 為具有柱狀單晶體(SX)或柱狀多晶(DS)微結(jié)構(gòu)，則該輪葉10的性能可 得到顯著地提升。將參看圖1的輪葉10來描述本發(fā)明的優(yōu)點，但是 本發(fā)明的教導(dǎo)大體可應(yīng)用于可得益于單向地鑄造的其它大型構(gòu)件。輪葉IO還將獲益于由更高級的高溫材料來鑄造。特別關(guān)注 的是特別地為例如SX和DS鑄件的鑄件而構(gòu)成的超合金，以及金屬 間化合物，諸如鋁化鎳(NiAl)金屬間化合物材料?？墒褂玫某辖鸬?特別的非限制性實例包括Ren6N5(公稱組分，按重量計-大約7.5%Co, 7.0%Cr, 6.50/0Ta， 6.2%A1, 5.0o/oW， 3.0o/oRe， 1.50/0Mo， 0.15%Hf， 0.05%C， 0.004%B， 0.01%Y,其余為鎳)，Ren6N4(公稱組分，按重量 計，大約9.75%Cr, 7.5%Co, 4.2%A1， 3.5%Ti, 1.5%Mo， 6.0%W, 4.8%Ta， 0.5%Nb, 0.15%Hf, 0.05%C, 0.004%B,其余為鎳)，GTDlll(公 稱組分，按重量計，大約14.0%Cr， 9.5%Co, 3.0%A1， 4.9%Ti， 1.5%Mo， 3.8%W， 2.8%Ta， 0.010%C，其余為鎳)，以及GTD444(公稱組分，按 重量計，大約9.75。/。Cr, 7.5Co, 3.5%Ti, 4.2%A1, 6%W, 1.5%Mo， 4.8%Ta， 0.08%C， 0.009%Zr, 0.009%B，其余為鎳)。如本領(lǐng)域中已知的，斑點部分地由于鑄造才莫具中的融熔金 屬傳導(dǎo)而形成，其擾亂單向凝固工藝，從而產(chǎn)生在SX和DS鑄件表 面上看起來是等軸晶小鏈的不規(guī)則。此外，斑點可在凝固工藝期間充 當(dāng)引起不可接受的偏軸晶粒的晶粒起始物，并且可縮短鑄件的疲勞壽 命。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，可通過以下方式在長度超過一百厘米(具 有對應(yīng)地較大的截面和重量)的SX和DS鑄件中抑制及甚至消除外部 和內(nèi)部斑點生成即通過在這些鑄件長度上獲得對一次枝晶臂間距的 更大的控制，更特別地在這些鑄件大小上獲得更細(xì)的枝晶臂間距以降低浮力影響-其又可通過改進(jìn)單向鑄造方法的加熱區(qū)和冷卻區(qū)之間
的熱分離以在鑄件的凝固前端處獲得更大的熱梯度(例如，80。C/cm及 更高)來實現(xiàn)。特別地，對于高達(dá)一百厘米的鑄件，US6，217,286利用 高達(dá)大約80°C/cm的熱梯度來獲得大約150微米到小于800微米，優(yōu) 選大約150微米到大約650微米，且更優(yōu)選大約150微米到大約350 微米的一次枝晶臂間距。這些間距大體上對應(yīng)于對于100cm鑄件高達(dá) 大約8.0微米/厘米的臂間距-鑄件長度比。相比之下，本發(fā)明通過以下 方式來獲得無斑點的SX鑄件即對于超過一百厘米的鑄件，將一次 枝晶臂間距較窄地限制到大約150微米到大約500微米的范圍-更優(yōu)選 地大約250到大約450微米，且最優(yōu)選大約325到450微米(大約13 到大約18密爾)，對應(yīng)于對于100cm鑄件的不超過5微米/厘米且優(yōu)選 不超過4.5微米/厘米的最大臂間距-鑄件長度比。為了比較，圖4將在 四到四十英寸(大約十到大約一百厘米)的鑄件長度上的、來自 US6,217,286專利的優(yōu)選的和最優(yōu)選的范圍分別繪示為線條50和48， 而圖5繪出了范圍52和54，范圍52和54分別用于本發(fā)明的、對于 具有超過四十英寸(一百厘米)長度的鑄件的優(yōu)選的和最優(yōu)選的一次枝 晶臂間距。為了比較，用于US6,217,286優(yōu)選范圍的線條50繪制為超 過四十英寸的鑄件長度，但是在US6,217,286中不存在以下預(yù)期或者 建議即，長于四十英寸的鑄件可在這些條件下鑄造而不產(chǎn)生不可接 受地高水平的斑點。此外，Huang等人可用的陶瓷模具限制了 Huang 等人可能考慮過的鑄件大小。鑒于以上內(nèi)容，本發(fā)明的一個重要方面和未預(yù)期的結(jié)果是 具有超過一百厘米長度(具有對應(yīng)地較大的截面和重量)的大型鑄件可 制造成具有不超過500微米-例如大約150到大約500微米-的細(xì)枝晶 臂間距，以避免斑點生成。更特別地， 一次枝晶臂間距最優(yōu)選在325 和450微米之間。目的間距可與鑄件的長度相關(guān)，對應(yīng)于大約0.75到 大約5.0的間距/長度比，或更窄地為大約1.625到大約4.5微米每厘 米，以及更優(yōu)選地大約2.25到大約3.25微米每厘米。還可使用本發(fā)明來最小化其它潛在鑄件缺陷，包括傾向于在鑄件的突出段形成的大 角度邊界，以及在微結(jié)構(gòu)中形成條紋(裂片)的晶粒。圖2和3描繪了適用于生產(chǎn)本發(fā)明的單晶鑄件的類型的殼 模20。如本領(lǐng)域中已知的，模具20優(yōu)選由諸如鋁或硅石的材料形成， 且具有對應(yīng)于描繪為渦輪機(jī)輪葉的鑄件32的期望形狀的內(nèi)部腔體22。 這樣，腔體22構(gòu)造成以便生產(chǎn)帶有翼型部分34、柄部36和鳩尾榫 38的鑄件32,且可包括芯體(未顯示)，以用于在鑄件32內(nèi)形成冷卻 通道的目的。坤莫具20顯示為固定在急冷板24上且;^丈置在加熱區(qū)26(例 如Bridgman爐)中，以便將該才莫具20加熱到等于或者高于合金的熔融 溫度的溫度，且更特別地加熱到高于合金的液相溫度。冷卻區(qū)42尋皮 描繪為位于加熱區(qū)26的正下方，且隔板或隔熱罩44一皮描繪為介于加 熱區(qū)26和冷卻區(qū)42之間且分開加熱區(qū)26和冷卻區(qū)42。冷卻區(qū)42可 以是槽，包括液體(諸如融熔金屬)冷卻槽43，或者可排空或者包括處 于環(huán)境溫度或者冷卻溫度下的氣體的輻射冷卻槽。冷卻區(qū)42還可應(yīng) 用氣體沖擊冷卻(例如，見授予Balliel等人的美國專利No.7,017,646) 或流化床(例如，見美國專利No.6,443,213)。用于冷卻槽43的特別適 用的液體包括處于大約235到大約350EC的溫度下的融熔錫，以及處 于高達(dá)大約700。C的溫度下的融熔鋁，其中由于融熔錫的低熔融溫度 和低氣化壓力而認(rèn)為其尤其適用。隔熱罩44定位成與冷卻區(qū)42和加熱區(qū)26的下端緊密接觸， 且在冷卻槽43的情況下可浮在其表面上。隔熱罩44的目的是使冷卻 區(qū)42與加熱區(qū)26隔離，且特別地形成對由加熱區(qū)26散發(fā)的熱輻射 的阻隔件，由此提升^^莫具20和冷卻槽43之間的陡的熱梯度。隔熱罩 44可以是單層或多層剛性和/或柔性隔熱材料，諸如流動石墨我 (flowing graphite raft)、耐火氈材料或高熔點金屬。隔熱罩44構(gòu)造成具 有可變大小的開口 45,如圖2中所描述的，其使得隔熱罩44能夠在 沖莫具20從加熱區(qū)26取出而通過隔熱罩44且進(jìn)入液體冷卻槽43時緊 密地配合在模具20的形狀周圍。
該鑄造方法優(yōu)選在真空或者惰性氣氛中執(zhí)行，其中片莫具20被預(yù)熱到合金的液相溫度以上的溫度，作為非限制性示例，被預(yù)熱到大約1370。C到大約1600°C。將融熔合金傾倒在經(jīng)預(yù)熱的模具20中，此后通過以固定的取出速率向下取出模具20的基部和急冷板24使其進(jìn)入冷卻區(qū)42直到才莫具20如圖3中所描繪的完整處于冷卻區(qū)42中，來啟動單向凝固。急冷板24的溫度優(yōu)選保持處于冷卻區(qū)44的溫度或附近，從而使得在模具20的下端處開始枝晶生長，且凝固前端向上移動通過模具20。鑄件32基于模具20基部處的單晶種子材料28的小塊的晶體結(jié)構(gòu)和取向而外延地生長(例如，以<100〉取向)，由此單晶體由選擇器30-例如辮式分類結(jié)構(gòu)-而形成。柱狀單晶體在腔體22的放大段中變得更大。橋40使鑄件32的突出段與鑄件32的下部段連接，使得基本在整個鑄件32上形成單向柱狀單晶體。如果鑄件32不具有大角度晶界，例如大于大約二十度，則認(rèn)為該鑄件32為基本柱狀單晶體。均勻的一次枝晶臂間距通過由于隔熱罩44和冷卻區(qū)42而施加在鑄件32上的強(qiáng)的單向熱梯度而實現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選的方面，鑄件32的凝固前端處的熱梯度大于35°C/cm,優(yōu)選大于50。C/cm，且更優(yōu)選地大于80。C/cm。認(rèn)為小于50°C/cm且特別地小于30。C/cm的熱梯度對于在本發(fā)明主要關(guān)注的大型鑄件中獲得一次枝晶臂間距而言是不可接受的?；谒鼈兊臄?shù)學(xué)關(guān)系，本發(fā)明的高熱梯度還要求相對于所使用的取出速率有高的冷卻速率，它們中的后者(取出速率)可高達(dá)至少二十英寸/小時(大約8.5毫米/分鐘)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將了解到可以類似的方式來生產(chǎn)DS鑄件-雖然其具有對模具20的修改，在模具20基部處有向急冷板24打開的這樣的生長區(qū)，且省略種子材料28和/或晶體選擇器30 。在引起本發(fā)明的實驗中，鑄造出類似于圖1的描繪的最后級輪葉。鑄件長度為大約30到大約50英寸(大約750到大約1250毫米)。輪葉的組分是鎳基超合金Ren6N4和GTD444，它們兩者都是針對SX和DS鑄件而特別地構(gòu)成的。然后根據(jù)對合金的商業(yè)實踐-通常根據(jù)以上所述的鑄造方法-來制備單晶鑄件。鑄造模具比它們的相應(yīng)的
鑄件長大約十英寸(大約25cm)，且^L填充以容納高達(dá)大約400磅(大約180kg)融熔合金。鑄造爐溫度為大約2750。F(大約1510。C)。冷卻是通過保持在大約240。C溫度下的融熔錫的液體槽進(jìn)行的，且冷卻期間鑄件中的熱梯度為大約85°C/cm。使用大約三英寸/小時(大約1.25毫米/分鐘)的傳統(tǒng)的取出速率來生產(chǎn)作為基準(zhǔn)比較物(baselinecomparision)的鑄件，而使用大約六到十二英寸/小時(大約2.5到大約5毫米/分鐘)的更高的實驗速率來生產(chǎn)其它鑄件?；谶@些值，當(dāng)使用傳統(tǒng)的取出速率(三英寸/小時)時冷卻速率為大約10。C/分鐘，且使用更高的取出速率(六和十二英寸/小時)則為大約20到大約40。C/分鐘。接著該鑄造操作，通過金相學(xué)來測量鑄件中的一次枝晶臂間距，且通過宏觀腐蝕(macro-ethching)鑄件表面、此后通過金相檢查來檢查斑點生成的證據(jù)。通過該檢查，在以傳統(tǒng)的取出速率(對應(yīng)于大約10。C/分鐘的冷卻速率)所生產(chǎn)的那些鑄件中觀察到了晶粒結(jié)構(gòu)斷裂。此外，鑄件在其較厚的區(qū)段以及在截面變化的區(qū)段-諸如頂部護(hù)罩處具有許多斑點。枝晶間距為大約25到大約30密爾(大約635到大約760微米)，其處在Huang等人所接受的寬廣范圍內(nèi)。然而，由于鑄件微結(jié)構(gòu)中的過量的偏析而不能夠?qū)﹁T件進(jìn)行熱處理，其導(dǎo)致熔融開始。相反，以更高的取出速率(對應(yīng)于大約20到大約40。C/分鐘的冷卻速率)生產(chǎn)的實驗鑄件不包含任何斑點。此外，晶粒是直的，證明晶粒生長不受其它散熱方向的影響。對應(yīng)于大約0.32pm/cm的最小的枝晶間距-鑄件長度比率，枝晶間距為大約16到大約21密爾(大約400到大約530微米)。最后，且顯著地，它們的微結(jié)構(gòu)允許對鑄件進(jìn)行熱處理，以獲得對輪葉而言期望的機(jī)械屬性。基于這些結(jié)果，結(jié)論是由針對SX和DS而構(gòu)成的超合金形成且鑄造成在實驗中所生產(chǎn)的(大約760mm (大約30英寸)或更大的長度)的大小、超過40磅(大約18kg)的重量以及對應(yīng)地大截面的SX和DS鑄件會從較高的熱梯度(優(yōu)選大于80。C/cm且更優(yōu)選地大約85。C/cm或更大)中獲益。高熱梯度的優(yōu)勢看起來也取決于相對于取出速率使用較高的冷卻速率(大于10。C/分鐘，諸如大約20。C/分鐘或更高)。該方法也可采用較高的取出速率，例如，大于1.25毫米/分鐘，諸如大約2.5到大約5毫米/分鐘，但是更高和更低的取出速率也處在本發(fā)明的范圍內(nèi)。雖然已關(guān)于特定的實施例描述了本發(fā)明，但顯而易見的是本領(lǐng)域技術(shù)人員可采用其它形式。例如，鑄件的物理構(gòu)造可不同于所顯示的，且可以使用除所提到的材料和方法之外的材料和方法。因此，本發(fā)明的范圍將僅受所附的權(quán)利要求書限制。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)具有大于一百厘米的長度以及基本沒有斑點缺陷的單向晶體結(jié)構(gòu)的金屬鑄件(10，32)的方法，所述方法包括將融熔金屬合金傾倒到位于加熱區(qū)(26)中的經(jīng)預(yù)熱的模具(20)中的腔體(22)中，所述腔體(22)具有所述鑄件(10，32)的形狀；將所述模具(20)從所述加熱區(qū)(26)取出而通過隔熱罩(44)且進(jìn)入冷卻區(qū)(42)，以定向地凝固所述融熔金屬合金，所述隔熱罩(44)在所述加熱區(qū)(26)和所述冷卻區(qū)(42)之間作為對熱輻射的阻隔件來起作用，所述模具(20)以一定速率取出，所述速率與所述隔熱罩(44)相結(jié)合而在所述融熔金屬合金中保持大于50℃/cm的熱梯度，以凝固所述融熔金屬合金且形成在其之間具有大約150微米到大約500微米的平均間距的一次枝晶臂；且然后冷卻所述模具(20)以生產(chǎn)所述鑄件(10，32)及其具有大于一百厘米的大小的、基本沒有斑點缺陷的單向晶體結(jié)構(gòu)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述鑄件(IO， 32) 具有至少大約18kg的質(zhì)量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述熱梯度大于 80。C/cm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3中的任一項所述的方法，其特征在于，所述取 出速率大于1.25毫米/分鐘。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4中的任一項所述的方法，其特征在于，所述熱 梯度和所述取出速率相結(jié)合而引起至少20。C/分鐘的冷卻速率。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5中的任一項所述的方法，其特征在于，所述一 次枝晶臂之間的平均間距為大約325微米直到大約450微米。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6中的任一項所述的方法，其特征在于，所述鑄 件(IO， 32)特征是所述一次枝晶臂的所述平均間距與所述鑄件(10， 32) 的長度的比率為大約0.75到大約5.0微米每厘米。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7中的任一項所述的方法，其特征在于，所述單向晶體結(jié)構(gòu)具有柱狀單晶微結(jié)構(gòu)或柱狀多晶微結(jié)構(gòu)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8中的任一項所述的方法，其特征在于，所述金 屬合金選自包括鎳基超合金和金屬間化合物合金的組。
10. —種根據(jù)權(quán)利要求1到9中的任一項所述的方法生產(chǎn)的鑄件 (10， 32)。
全文摘要
本發(fā)明涉及單向凝固方法及由此而形成的鑄件。一種能夠生產(chǎn)具有一百厘米或更長的長度以及基本沒有斑點缺陷的單向晶體結(jié)構(gòu)的大型金屬鑄件的方法。該方法包括將融熔金屬合金傾倒到加熱區(qū)內(nèi)的經(jīng)預(yù)熱的模具中，從加熱區(qū)取出該模具，通過隔熱罩，且使其進(jìn)入冷卻區(qū)以定向凝固融熔金屬合金，且然后冷卻模具以生產(chǎn)鑄件及其單向晶體結(jié)構(gòu)。隔熱罩在加熱區(qū)和冷卻區(qū)之間作為對熱輻射的阻隔件而起作用，且模具以一定速率取出，該速率與隔熱罩相結(jié)合來保持一定熱梯度，以凝固融熔金屬合金且形成在期之間具有大約150到大約500微米的平均間距的一次枝晶臂。
文檔編號C30B29/64GK101683688SQ20091017923
公開日2010年3月31日 申請日期2009年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月25日
發(fā)明者A·J·埃利奧特, J·C·謝菲爾, S·J·巴爾索恩 申請人:通用電氣公司