[发明专利]用于定向凝固工艺中的铸造模具及其制造方法

说明书

技术领域

本公开大体涉及用于定向凝固铸造工艺中的铸造模具及其制造方法。更具体地，该铸造模具包括构造成以便在定向凝固工艺期间防止或延迟液体金属冷却剂与铸造金属表面发生反应的梯度(graded)表面涂层结构。

背景技术

定向凝固工艺是通常用来生产诸如具有柱状和单晶体生长结构的涡轮机叶片和轮叶的部件的方法。众所周知的是，单晶体超合金的高温机械属性优于具有多晶结构的铸件。通常，在限定零件的、竖直地设置的模具的基部处建立期望的单晶体生长结构。然后，在移动的热梯度的影响下，单晶体凝固前沿传播穿过该结构。

存在用于进行定向凝固的各种工艺。在一种工艺中，可通过使包含熔融金属的模具缓慢地降低离开经加热的炉子，且将该模具降到液体冷却槽中来实现定向凝固，液体冷却槽充当熔融材料的冷却介质。冷却槽可包括被加热到在熔融材料的熔点以下且在液体冷却剂的熔点以上的温度的金属。当模具下降到冷却槽中，熔融材料的凝固可从模具的底部发展到顶部。这样，随着热从模具内的熔融材料传递到液体冷却槽，固液界面可以向上发展。用液体冷却模具的问题之一是液体冷却剂会污染铸造材料，从而造成不合需要的表面点蚀的倾向。如果没有恰当地密封模具，或者如果模具在铸造运行完成之前过早地破裂，则可发生液体冷却剂与铸造金属的反应。

有时使用表面涂层在熔融的铸造金属和壳模的表面之间形成保护性阻隔。例如，美国专利No.6,676,381(Subramanian等人)描述了基于氧化钇或者至少一种稀土金属和其它无机组分(例如氧化物、硅化物、硅酸盐和硫化物)的表面涂层。表面涂层合成物最常为浆料的形式，其大体包括粘合剂材料以及耐熔材料，例如氧化钇组分。当将熔融的反应性铸造金属输送到壳模中时，表面涂层防止铸造金属和模具的壁(即在表面涂层的下面的壁)之间的不合需要的反应。出于相同的目的，有时可以使用表面涂层来保护通常会与铸造金属发生接触的芯体的部分(在壳模内)。当前的表面涂层容易失效(例如当模具主体在铸造工艺期间破裂时)。

因此，期望的是具有适用于采用液体冷却槽的定向凝固工艺的铸造模具，其中，该模具构造成以便在定向凝固工艺期间防止或延迟液体金属冷却剂与铸造金属的表面进行反应。

发明内容

本文所公开的是用于定向凝固工艺及其步骤的模具。在一个实施例中，用于定向凝固工艺的模具包括梯度表面涂层结构，梯度表面涂层结构包括用于在定向凝固工艺期间接触熔融金属的最内层和与模具主体接触的剥离层，其中，剥离层构造成以便在铸造金属定向凝固后破裂。

在另一个实施例中，模具包括：梯度表面涂层结构，该梯度表面涂层结构包括最内层、烧结层和包括孔的剥离层；和模具主体，其中最内层和烧结层构造成以便在铸造金属冷却和定向凝固后，粘附到铸造金属上或者保持紧密接近铸造金属，并且，其中，模具主体在剥离层附近处与最内层和烧结层分开。

定向凝固铸造工艺包括：在模具中浇铸熔融金属，其中模具包括形成于模具主体上的梯度表面涂层结构，该梯度表面涂层结构包括用于接触熔融金属的最内层和剥离层；将模具降到包括被加热到在熔融材料的熔点以下且在液体冷却剂的熔点以上的温度的液体冷却剂的液体冷却槽中；以及将热从模具传递到液体冷却槽，且在熔融金属降到液体冷却槽中时使熔融金属定向地凝固；其中，在熔融金属冷却时，剥离层破裂，以使最内层与模具主体分开。

通过参照对本公开和包括在其中的实例的各种特征的以下详细描述，可更容易地理解本公开。

附图说明

现在参看附图，其中相同元件以相同的方式编号：

图1示出了根据本公开的铸造模具的局部截面图。

图2描绘了可用来通过定向凝固工艺来铸造熔融材料的炉子的一个示例性实施例。部件列表：10 模具12 表面涂层结构14 最内层16 烧结层18 剥离层20 主体50 炉子52 导热条54 炉箱56 陶瓷模具58 孔口60 冷却槽62 坩埚64 模具定位器

具体实施方式

本文公开的是用于在定向熔模铸造工艺中所采用的模具的表面涂层结构。该表面涂层结构大体包括梯度合成物，梯度合成物包括将会接触铸造金属的最内层；邻近最内层的烧结层；以及在模具的主体附近或紧靠主体的外剥离层。最内层和烧结层构造成以便在凝固工艺期间在剥离层处脱离模具，其中当金属凝固且收缩而离开模具主体时，最内层和烧结层保持结合到铸造金属表面上。这样，分开的层，即最内层和烧结层，在铸造金属冷却时将保持紧密接近和/或接触铸造金属表面，且保护铸造金属表面不与在定向凝固工艺期间透入模具中的任何液体金属冷却剂发生直接接触和反应。