[发明专利]单向凝固工艺和用于其的设备

说明书

技术领域

本发明大体上涉及用于生产定向凝固铸件的材料和工艺，并且尤其涉及能够减少合金中的缺陷的工艺和设备，该合金铸造为长单晶(SX)和定向凝固(DS)的物件，包括但不限于燃气涡轮和其它高温应用的构件。

背景技术

燃气涡轮的构件，例如叶片(动叶)、静叶(喷嘴)和燃烧器构件通常由镍、钴或铁基超级合金形成，其特征是在涡轮操作温度下具有所需的机械特性。因为燃气涡轮的效率取决于其操作温度，所以目前一直在努力开发能够承受更高温度的构件，并且尤其是涡轮动叶、喷嘴和燃烧器构件。随着用于燃气涡轮构件的材料需求增加，已经使用各种加工方法和合金成分来增强由超级合金形成的构件的机械、物理和环境特性。例如，在苛刻应用中所采用的动叶、喷嘴和其它构件通常通过单向铸造技术铸成，以便具有定向凝固(DS)或单晶(SX)微观结构，其特征是沿着晶体生长方向的优化的晶体定向，从而产生柱状多晶物件或单晶物件。

如本领域中已知的那样，用于生产SX和DS铸件的定向铸造技术通常需要将所需的合金熔液倾倒至熔模中，该熔模被保持在高于合金的液相线温度的温度。一种这样的工艺在图1和图2中被展示为设备10，其采用布里奇曼型的熔炉来创建包围壳体铸模12的加热区域26以及位于铸模12下方的冷却区域42。区域26和42可分别被称为“热”区域和“冷”区域，其在这里被用来相对于正在凝固的合金的熔化温度指示它们的温度。铸模12具有与被描绘为涡轮动叶的铸件32(图2)的预期形状相对应的内部空腔14。因此，图1将空腔14描绘为具有区域14a、14b和14c，它们设置为用以分别形成铸件32的翼型部分34、柄部36和燕尾榫38(图2)。空腔14还可包含芯部(未显示)，以用于在铸件32中形成冷却通道的目的。铸模12被显示为被固定至冷板24，并放置在加热区域26(布里奇曼熔炉)中。加热区域26将铸模12加热至高于合金的液相线温度的温度。冷却区域42正好位于加热区域26下方，并操作用以通过传导、对流和/或辐射技术冷却铸模12和其中熔化的合金16。例如，冷却区域42可以是包括液体冷却池46(例如熔化金属)的箱(tank)，或者是辐射冷却箱，其可被抽空或包括处于周围温度或冷却温度的气体。冷却区域42还可采用气体冲击冷却或流化床(fluidized bed)。

由隔板、热屏蔽或其它合适手段限定的隔热区域44位于加热区域26和冷却区域42之间并将其分隔开。隔热区域44用作对加热区域26所发射的热辐射的屏障，从而促进铸模12和冷却池46之间的急剧的轴向热梯度。隔热区域44具有可变大小的开口48，如图1中所示，其在铸模12从加热区域26抽出、穿过隔热区域44并进入液体冷却池46中时，可使隔热区域44紧密地配合在铸模12的形状周围。

图1和图2中所示类型的铸造工艺通常是在真空或惰性气氛中进行的。在铸模12被预热至被铸造的合金的液相线温度以上的温度之后，熔化的合金16被倾倒至铸模12中，并且通过将铸模12的基部和冷板24以固定的抽出速度向下抽回到冷却区域42中而开始单向凝固工艺，直至铸模12完全处于冷却区域42中，如图2中所示的那样。隔热区域44需要在凝固前沿保持较高的热梯度，以便防止定向凝固工艺期间新晶粒的成核。冷板24的温度优选地被保持于冷却区域42的温度或其附近，使得枝晶生长开始于铸模12的下端，并且凝固前沿向上行进穿过铸模12。铸件32从位于铸模12的底部的小块28外延地生长。块28可以是例如圆柱形的激冷试块或锥形的种子件(seedpiece)，单晶体从选晶器30(例如猪尾状结构)由该种子件形成。柱状单晶体在空腔14的扩大部分中变得更大。桥40连接铸件32的突出部分以及铸件32的下面部分，使得单向的柱状单晶体基本贯穿铸件32形成。如果铸件32不具有高角晶界(例如大于大约二十度)，那么铸件32通常被视为基本柱状的单晶体。