[发明专利]用于BRIDGMAN熔模铸造过程中的晶粒启动机的复合材料几何设计

说明书

技术领域

本发明通常涉及用于熔模铸造的Bridgman方法，更具体地涉及用于控制前进的凝固界面的冷却速率的晶粒启动机(grain starter)。

背景技术

Bridgman方法用于通过熔模铸造而制备制品，如涡轮机叶片。使用Bridgman熔模铸造过程制得的制品的特征在于定向凝固的单粒结构或定向凝固的柱状晶粒。具有这种定向凝固的晶粒结构的制品特别适于其中制品所经受的主应力平行于定向凝固晶粒结构的用途。

熔模铸造涉及使用蜡模复制待铸造的制品。可将蜡注入金属或塑料模具中，所述金属或塑料模具具有制品形状的腔体。蜡模也复制浇注/冒口/浇道系统，所述浇注/冒口/浇道系统用于进料熔融金属以形成制品。然后围绕蜡模构建陶瓷外壳。可通过将蜡模多次浸入一种或多种陶瓷浆料而构建外壳。所述一种或多种陶瓷浆料包含粘结剂/添加剂以协助将浆料固定至蜡模。当然，首先施用的陶瓷层或表面涂层是关键的，因为其在铸造时决定制品的表面光洁度。氧化铝/锆石陶瓷粒子通常用于形成表面层，以提供改进的表面光洁度。

将蜡模多次浸入陶瓷层中，例如直至12层，且在施用另外的陶瓷浆料之前，使陶瓷干燥。随着与表面涂层的距离增加，可在随后施用的层中使用具有不同组成的更大的陶瓷粒子，例如二氧化硅。

在已完成熔模或外壳构建之后，随后在高温下的高压釜中将组件脱蜡，以从陶瓷外壳去除蜡。接着，预热模具以燃尽任何粘结剂，同时模具的陶瓷壁产生足够的强度以承受浇铸操作。接着检查外壳模具的裂纹和可能已分离的碎片，因为这种剥落的外壳碎片可在浇铸制品中导致缺陷。

可将陶瓷包裹垫施用于预定位置，以改进金属的进料。然后预热模具，通常比将被浇注以填充模具的金属或合金的浇注温度低50-150°F。可随后将金属或合金浇注至模具中，当金属或合金冷却时，其形成制品。在凝固完成之后，可随后去除陶瓷模具。

Bridgman过程使用上述熔模铸造过程。将经预热的陶瓷模具转移至浇铸机的模具室，并固定至冷硬板。在抽真空之后，将模具升高至热室中，所述热室由感应线圈、电阻丝或MoSi₂棒电加热。在Bridgman过程中，将形成制品的金属或合金在惰性陶瓷坩埚(更常见地，氧化锆或氧化铝坩埚)中熔融。涡轮机叶片由例如镍基(Ni基)高温合金形成。这些Ni基高温合金在坩埚中过热至在合金的熔融温度以上200-300°F的温度。当熔融温度稳定时，将熔融金属浇注至模具腔体中。随后将填充有熔融合金的模具和支撑所述模具的设置于热室下方的冷硬板从保持在金属熔点以上的热室中缓慢取出。随着填充有熔融金属或合金的模具从热室取出进入冷室，热通过冷硬板从模具中排放，从而产生起始于冷硬板的在模具中的金属晶体的定向生长，且定向凝固前进至熔融金属。热也通过从模具表面辐射而散发，使得接近模具的熔融金属比在冷硬板上方给定模具高度处的模具表面内的熔融金属更快冷凝。从加热炉室中取出模具的速率取决于制品的具体特征，但通常为数英寸/小时，并可根据凝固中的制品的几何结构而变化。在凝固完成之后，可去除外壳和可能已插入模具中的任何芯体。

Bridgman方法成功制得具有薄壁的具有基本上规则的横截面的定向凝固的单晶制品。规则横截面包括其中以几乎均匀的方式从前进凝固前沿排放热，从而制得具有单晶或定向凝固的柱状晶粒的制品的所有横截面。然而，在具有横截面的显著增加的制品中，必须去除的热量突然增加，这减慢了凝固界面的前进，从而导致界面远离模具侧面至更进一步落后于邻近模具的熔融界面。

伴随制品横截面的突然增加的热流的改变可导致前进的凝固前沿前方的熔融金属区域的过冷。熔融金属的过冷可使杂散晶粒成核，所述杂散晶粒在与所需定向凝固的晶粒的方向不同的方向上生长。这些杂散晶粒通常形成大角度晶界，所述大角度晶界基本上垂直于所需柱状晶粒，以及基本上垂直于制品在用于其预期用途(如安装于涡轮机中的涡轮机叶片)时所经受的主应力。已证实与这些杂散晶粒相关的晶界为裂纹引发的来源，从而不利地影响蠕变寿命/疲劳寿命，并导致定向凝固的制品在其中制品的蠕变/疲劳性质重要的环境中过早疲劳。

需要一种创新性的晶粒启动机设计，其改变前进的凝固前沿，从而显著降低或消除使杂散晶粒成核的可能性，由此抑制杂散晶粒的形成以及与这种晶粒相关的不利的大角度晶界。

发明内容