[发明专利]含碳化硅的模具和表面涂层组合物，以及铸造钛和铝化钛合金的方法

说明书

本公开总体上涉及模具组合物和模制方法，以及如此模制的制品。更具体地，本公开涉及含碳化硅的模具组合物、含碳化硅的固有表面涂层组合物和用于铸造含钛制品的方法，以及如此模制的含钛制品。将含碳化硅和铝酸钙的浆料引入含有暂时模板的模腔。使浆料在模具中固化，烧结，并用于铸造钛涡轮叶片。

背景

现代燃气或燃烧涡轮必须满足在可靠性、重量、功率、经济和操作使用寿命方面的最高需求。在这些涡轮的开发中，材料选择、寻找新的适合的材料以及寻找新的生产方法在符合标准和满足需求方面尤其起重要作用。

用于燃气涡轮的材料可包括钛合金、镍合金(也称为超合金)和高强度钢。对于航空发动机，通常使用钛合金用于压缩机部件，镍合金适于航空发动机的热部件，而高强度钢例如用于压缩机壳体和涡轮壳体。高负荷或应力的燃气涡轮组件，例如用于压缩机的组件，通常例如为锻造部件。另一方面，用于涡轮的组件通常体现为熔模铸造部件。

虽然熔模铸造不是新方法，但随着对更困难和复杂的部件的需求增加，熔模铸造市场持续增长。由于对高品质精密铸件的巨大需求，持续需要开发新方法以使熔模铸造更快速、有效、便宜且更高品质。

常规熔模模具化合物由熔凝二氧化硅、方石英、石膏等组成，其用于铸造珠宝和假牙工业，通常不宜用于铸造反应性合金例如钛合金。一个原因是因为模具钛和熔模模具之间有反应。熔融合金和模具之间的任何反应将极大地使最终铸件的性质劣化。劣化可简单为由于气泡造成的差的表面精整，或在更严重的情况下，可损害铸件的化学组成、微观结构和性质。

需要不与钛和铝化钛合金显著反应的简单熔模铸造模具。先前已经采取对钛合金铸件使用陶瓷壳模具的方法。在现有实例中，为了减少常规熔模模具化合物的限制，已经开发出数种另外的模具材料。例如，开发了氧化膨胀类型的熔模铸造化合物，其中氧化镁或氧化锆用作主要组分，且将金属锆添加到主要成分中，以补偿由于铸造金属固化造成的收缩。此外，在另一个实例中，添加其中氧化镁和氧化铝用作主要成分的熔模铸造化合物，其为细的金属钛粉末，以便减少模具的收缩量和补偿由铸造金属在固化时收缩所引起的尺寸误差。

然而，以上的现有技术熔模铸造化合物具有显著限制。例如，由于数个原因，旨在通过金属锆的氧化膨胀补偿由于铸造金属固化导致的收缩的熔模铸造模具化合物难以实施。首先，用新的熔模铸造化合物与锆在其表面上涂布蜡模，然后将涂布的蜡模嵌入常规的熔模铸造化合物，以图使所需的锆量尽可能小；将蜡连同锆涂布非常困难，且并不高度可重复。第二，不能以足够均匀的方式涂布形状复杂组件的蜡。此外，当熔模铸造模具混合物放置在涂布层和模板外部周围时，涂布层可从蜡脱落，结果是钛与外部放置的熔模铸造模具混合物反应。

因此需要简单和可靠的熔模铸造方法，其使得容易从熔模铸造模具取出近终形金属或金属合金，所述熔模铸造模具不与金属或金属合金显著反应。

概述

本公开的各方面提供克服常规技术限制的铸模组合物、铸造方法和铸造制品。虽然本公开的一些方面可涉及制造组件例如发动机涡轮叶片，然而本公开的各方面可用于制造许多工业中的组件，特别是含有钛和/或钛合金的那些组件。

本公开的一个方面为用于铸造含钛制品的模具，其包含：铝酸钙水泥，包括单铝酸钙、二铝酸钙和钙铝石，其中所述模具在模具本体和模腔之间具有约10微米至约500微米之间的含碳化硅的固有表面涂层。在一个实施方案中，固有表面涂层为连续的固有表面涂层。在一个实施方案中，碳化硅以约15%至约45重量%存在。在一个实施方案中，含碳化硅的固有表面涂层包含碳化硅，其以约15%至约45重量%存在。在一个实施方案中，模具还包含碳化硅，其中含碳化硅的固有表面涂层按重量分数计具有比模具本体多至少10%的碳化硅。在另一个实施方案中，模具还包含比氧化钙，模具组合物的大于约10重量%和小于约50重量%为氧化钙。在一个实施方案中，所述模具还包含小于2%的二氧化硅，例如胶态二氧化硅。