[发明专利]用于铸造涡轮叶轮的工艺

说明书

一种用于铸造涡轮叶轮的工艺，包括以下步骤：确定将由其铸造所述涡轮叶轮的金属成分；提供模具，其限定出型腔，熔融金属成分将被浇注到所述型腔中以铸造叶轮；提供晶种构件，其由所述金属成分制成并具有等轴晶粒结构；将所述晶种构件的至少一部分设置在所述模具的型腔内；将熔融金属成分浇注到所述型腔中，使得熔融金属成分包围所述晶种构件的处于所述型腔内的部分；以及控制所述工艺，使得所述晶种构件的所述部分通过与所述熔融金属成分接触而至少部分地熔化，并且使得在冷却时，围绕所述晶种构件的金属成分以通过所述晶种构件的等轴晶粒结构所析出状态的等轴晶粒结构凝固。

技术领域

本公开总体上涉及涡轮叶轮的制造，并且更特别地涉及涡轮叶轮的铸造。

背景技术

涡轮机(例如，燃气涡轮发动机、涡轮增压器等)中的涡轮叶轮在极具挑战性的环境中操作。穿过叶轮的气体的高温以及通常经受的高旋转速度导致对制造叶轮的材料的强度和/或耐疲劳性极限的严峻考验。例如，处于涡轮增压器涡轮叶轮所达到的速度和温度时，叶轮材料的强度极限变得对耐久性和安全性至关重要。涡轮轴速度对于较小的单元有时可爬升到200,000rpm之上，甚至最大的涡轮增压器也能达到90,000rpm。在典型的涡轮增压车辆中涡轮叶轮可达到1800°F(980℃)及以上，并且在比如WRC等顶级赛车运动中它们经常可高达1950°F(1050℃)。叶轮必须抵抗的离心应力正比于旋转速度的平方，并且典型叶轮的强度在高于它们的限制极限的温度时大幅跌落。叶轮被设计成在高温时抵抗这些应力，但是总是存在极限，高速和高温的组合增加叶轮爆裂的可能性。

存在两种基本类型的叶轮爆裂：叶片和轮毂。叶片爆裂发生在以下时候：处于发挥作用以将叶片拉离中心轮毂的速度的离心力克服将个体叶片连接至轮毂的根部的机械强度时。在这些状况下，如果叶片根部过于薄弱，则它可能离开轮毂。另一方面，轮毂爆裂是以下这种情况：其中叶片所附接至的主轮毂达到其最终强度极限并通过叶轮的中心线破裂为两个、三个或更多个大的部分。轮毂比叶片更致密，并且是连续的质量，因此强于每个薄叶片的根部。然而，轮毂中心线处于叶轮的旋转中心线，意味着内应力在轮毂的中芯处处于它们的最大值。轮毂在极端速度和温度时实际上可能爆裂。

涡轮叶轮领域的技术人员明白的是，叶轮轮毂中的细微等轴晶粒结构有益于降低轮毂在极端状况下爆裂的可能性。因此，已经开发出了用于涡轮叶轮的各种细微晶粒铸造工艺。

发明内容

本公开描述了一种用于涡轮叶轮的熔模铸造工艺，所述涡轮叶轮在叶轮的轮毂区域中具有细微等轴晶粒结构。依据如本文所公开的工艺的一个方面，首先确定将由其铸造涡轮叶轮的金属成分。例如，可以由镍基超级合金成分铸造叶轮。接下来，提供模具，其限定出型腔，呈熔融形式的金属成分将被浇注到所述型腔中以铸造涡轮叶轮。所述型腔被构造成限定出涡轮叶轮的轮毂部分，并且限定出从轮毂部分延伸的叶片。

所述工艺涉及提供晶种构件，其由铸造叶轮的相同金属成分制成。晶种构件被提供为具有等轴晶粒结构。将所述晶种构件的至少一部分设置在所述模具的型腔内。

所述工艺包括：将呈熔融形式的金属成分浇注到所述型腔中，使得熔融金属成分包围所述晶种构件的处于所述型腔内的部分；以及控制所述工艺，使得所述晶种构件的所述部分通过与所述熔融金属成分接触而至少部分地熔化，并且使得在冷却时，围绕所述晶种构件的金属成分以通过所述晶种构件的等轴晶粒结构所析出状态的等轴晶粒结构凝固。

在一个实施例中，所述晶种构件设置在所述型腔的被构造成限定出所述涡轮叶轮的轮毂部分的区域中。

所述晶种构件可具有销状构造。

在一个实施例中，在模具型腔中设置晶种构件的步骤之前，存在再一步骤：处理所述晶种构件的外表面，以移除其上的任何氧化层和异物。例如，处理步骤可包括电解蚀刻晶种构件的外表面。