陶瓷芯成分、用于制作芯的方法、用于鑄造中空含鈦制品的方法及中空含鈦制品的制作方法
【專利說明】陶瓷芯成分、用于制作芯的方法、用于鑄造中空含鐵制品的方 法及中空含鐵制品
【背景技術】
[0001] 現代燃氣輪機或燃機必須滿足關于可靠性、重量、功率、經濟性和操作使用壽命的 最高要求。在此類滿輪的開發中，材料選擇、探尋新的適合材料W及探尋新的生產方法尤其 在符合標準和滿足要求中起到作用。
[0002] 用于燃氣輪機的材料可包括鐵合金、儀合金(也稱為超級合金)和高強度鋼。對于 飛行器發動機，鐵合金大體上用于壓縮機零件，儀合金適用于飛行器發動機的熱的零件，而 高強度鋼例如用于壓縮機殼體和滿輪殼體。高負載或高應力的燃氣輪機構件(例如，諸如用 于壓縮機的構件)通常是鍛造零件。另一方面，用于滿輪的構件通常體現為烙模鑄造零件。
[0003] 盡管烙模鑄造不是新工藝，但烙模鑄造市場隨著對更錯綜和復雜的零件的需求增 長而繼續發展。由于對高質量精密鑄件的較大需求，故仍不斷需要開發新的方式來使烙模 鑄造更快、更高效、更廉價且更高的質量。
[0004] 用于鑄造首飾和假牙行業的由烙融石英、方石英、石膏等構成的常規烙模模具化 合物大體上不適合用于鑄造反應性合金(諸如鐵合金）。一個原因在于烙融的鐵與烙模模具 之間存在反應。
[000引需要不會與鐵和侶化鐵合金顯著反應的簡單烙模模具。對于鐵合金鑄造，之前采 用了陶瓷殼模具的途徑。在之前的實例中，為了減少常規烙模模具化合物的限制，開發出了 若干附加的模具材料。例如，開發出了氧化-膨脹類型的烙模化合物，其中氧化儀或氧化錯 用作主要成分，且金屬錯加入主要組分中來補償鑄造金屬的凝固引起的收縮。因此，還需要 簡單且可靠的烙模鑄造方法，其允許從不與金屬或金屬合金顯著反應的烙模模具容易抽出 近凈成形的金屬或金屬合金。
[0006] 現有技術的非金屬復合物滿輪葉片大體上為未冷卻的實屯、類型。例如，見授予 Bailey等人（1991)的美國專利第5,018,271號。此類材料的高熱導率需要復雜的解決方案 來將熱從葉片周圍的流動通路傳遞到支承葉片轉子和盤結構中。運些設計解決方案很復雜 且向葉片和支承盤結構添加了附加重量。除上述之外，相比于當前的金屬葉片設計，期望可 冷卻的輕量葉片來克服W上現有技術的不足。
【發明內容】
[0007] 本公開內容的一個目的在于提供對燃氣滿輪發動機的葉片的改善。
[0008] 本公開內容的方面提供了克服常規技術的局限性的鑄模成分、鑄造方法和鑄件制 品。盡管本公開內容的一些方面可能針對航天工業的構件的制造，例如，發動機滿輪葉片， 但本公開內容的方面可用于任何行業中的任何構件的制造，特別是含有鐵和/或鐵合金的 那些構件。
[0009] 本公開內容的一個方面針對一種包括侶酸巧顆粒和一個或更多個大尺寸顆粒的 陶瓷忍成分。在一個實施例，該成分包括細尺寸侶酸巧，且其中所述大顆粒為中空的。在另 一個實施例中，侶酸巧顆粒包括單侶酸巧、二侶酸巧和巧侶石的顆粒。在一個實例中，成分 還包括具有小于大約50微米的粒度的侶酸巧。
[0010] 在一個實施例中，大尺寸顆粒包括中空氧化物顆粒。在另一個實施例中，大尺寸顆 粒為中空的，且它們包括氧化侶顆粒、氧化儀顆粒、氧化巧顆粒、氧化錯顆粒、氧化鐵顆粒或 它們的組合。在另一個實施例中，大尺寸顆粒包括陶瓷，諸如侶酸巧、六侶酸巧、氧化錯或它 們的組合。在一個實施例中，中空氧化物顆粒包括中空氧化侶球或氣泡。
[0011] 顆粒的特定尺寸為本公開內容的特征。具體而言，成分的大尺寸顆粒包括外部大 小大于大約70微米的顆粒。在一個實施例中，大尺寸顆粒包括外部大小為大約70微米到大 約1000微米的顆粒。在一個實施例中，侶酸巧顆粒的至少50%的外部大小小于大約10微米。 在另一個實施例中，侶酸巧顆粒包括外部大小達到大約50微米的顆粒，且大尺寸顆粒包括 外部大小為大約70到大約1000微米的顆粒。
[0012] 本公開內容的一個方面針對由包括侶酸巧顆粒和一個或更多個大尺寸顆粒的陶 瓷忍成分形成的鑄忍。本公開內容的另一個方面針對一種使用由包括侶酸巧顆粒和一個或 更多個大尺寸顆粒的陶瓷忍成分形成的鑄忍形成的中空的含侶化鐵的制品。在一個實施例 中，中空的含侶化鐵的制品包括中空侶化鐵滿輪葉片。
[0013] 在一個實施例中，侶酸巧顆粒的重量分數大于大約20%且小于大約80%。在另一個 實施例中，大尺寸顆粒的重量分數從大約20%到大約65%。
[0014] 在一個實施例中，忍的密度為大約0.8g/cc到大約3g/cc。在另一個實施例中，忍成 分在大約700到1400攝氏度下焚燒大約一小時后收縮不超過大約百分之一。在另一個實施 例中，在陶瓷忍成分燒結之后，陶瓷忍基本沒有二氧化娃。在一個實施例中，在忍成分的燒 結之前，陶瓷忍包括中空氧化侶顆粒，且在燒結之后，忍包括不超過大約0.5%重量(基于忍 的總重量)的氧化侶。
[0015] 本公開內容的一個方面針對一種用于鑄造含鐵制品的燒結陶瓷忍，所述忍包括侶 酸巧顆粒和大尺寸顆粒。在一個實施例中，忍包括小尺寸侶酸巧顆粒和大尺寸中空顆粒。在 一個實施例中，侶酸巧顆粒包括單侶酸巧、二侶酸巧和巧侶石的顆粒。在一個實施例中，在 燒結之后，忍基本沒有二氧化娃。在另一個實施例中，在燒結之前，陶瓷忍包括中空氧化侶 顆粒，且在燒結之后，忍包括不超過大約0.5%重量(基于忍的總重量)的游離二氧化娃。
[0016] 在一個實施例中，陶瓷忍的侶酸巧顆粒的重量分數大于大約20%且小于大約80%。 在另一個實施例中，陶瓷忍中的大尺寸顆粒的重量分數從大約20%到大約65%。在一個實施 例中，陶瓷忍中的侶酸巧顆粒的至少50%的外部大小小于大約10微米。在另一個實施例中， 陶瓷忍中的侶酸巧顆粒包括外部大小達到大約50微米的顆粒，且陶瓷忍中的大尺寸顆粒包 括外部大小從大約70到大約1000微米的顆粒。
[0017] 本公開內容的一個方面為燒結的陶瓷忍，包括侶酸巧顆粒和大尺寸顆粒。在一個 實施例中，陶瓷忍包圍在模具內，且具有與模具部分的成分。在一個實施例中，忍用于形成 中空的含侶化鐵的制品。在一個實施例中，一個W上的忍存在于鑄模中。在一個實施例中， 鑄模具有兩個、=個或四個不同的腔位置，其中各個均具有在其內的忍。在使用一個W上的 忍的一個實施例中，忍可經由連接收納忍的兩個或更多個腔的通道來連接到彼此上。在使 用一個W上的忍的一個實施例中，忍為分離的，各個在限定位置內且不與任何其它忍接觸。 在使用一個W上的忍的另一個實施例中，各個忍的成分可為不同的。在使用一個W上的忍 的另一個實施例中，所有忍都具有與彼此相同的成分。
[0018] 本公開內容的一個方面為包括侶酸巧顆粒和中空大尺寸顆粒的燒結陶瓷忍，其中 陶瓷忍用于形成中空的含侶化鐵的制品。本公開內容的另一個方面為包括侶酸巧陶瓷忍的 中空的含侶化鐵的制品，其中陶瓷忍包括用于形成中空的含侶化鐵的制品的侶酸巧顆粒和 一個或更多個大尺寸顆粒。
[0019] 在一個實施例中，忍的密度為大約0.8g/cc到大約3g/cc。在另一個實施例中，忍成 分在大約700到1400攝氏度下焚燒大約一小時后收縮不超過大約百分之一。本公開內容的 一個方面為一種用于鑄造中空含鐵制品的模具成分，其包括侶化巧顆粒，包括單侶酸巧、二 侶酸巧和巧侶石；W及如本文教導的陶瓷忍。在一個實施例中，侶酸巧顆粒包括單侶酸巧的 顆粒。在另一個實施例中，侶酸巧顆粒包括單侶酸巧和二侶酸巧的顆粒。
[0020] -方面，本公開內容為一種包括模具的腔內的陶瓷忍的鑄模，其中陶瓷忍包括侶 酸巧顆粒和大尺寸顆粒。在一個實施例中，大尺寸顆粒為中空的，且忍和鑄模具有不同成 分。在另一個實施例中，一個或更多個陶瓷忍可存在于鑄模的單獨的腔內，且陶瓷忍包括侶 酸巧顆粒和中空大尺寸顆粒。在另一個實施例中，具有忍的模具用于形成中空的含侶化鐵 的制品。
[0021] 本公開內容的另一個方面為一種用于制作用于鑄造中空含鐵制品的鑄模的方法。 該方法包括組合侶酸巧顆粒、大尺寸顆粒和液體來產生液體中的侶酸巧顆粒和大尺寸顆粒 的漿料;將漿料引入包含易消失模型的容器中，容器的內部大小限定模具的外部大小；W及 允許漿料在容器中固化來形成用于鑄造含鐵制品的模具。在一個實施例中，連同基本中空 的大尺寸顆粒使用了細尺寸侶酸巧顆粒。
[0022] 在另一個實施例中，該方法還包括在將漿料引入容器中來制作模具之前將氧化物 顆粒引入漿料中。用于當前教導的方法中的氧化物顆粒包括氧化侶顆粒、氧化儀顆粒、氧化 巧顆粒、氧化錯顆粒、氧化鐵顆粒或它們的組合。在一個實施例中，用于當前教導的方法中 的氧化物顆粒包括中空氧化物顆粒。在特定實例中，氧化物顆粒包括中空氧化侶球。
[0023] 用于當前教導的方法的顆粒的尺寸為當前教導的方法的特征。因此，在一個實施 例中，用于當前教導的方法的侶酸巧顆粒的至少50%的外部大小小于大約10微米。在當前教 導的方法的一個實施例中，侶酸巧顆粒包括外部大小達到大約50微米的顆粒，且大尺寸顆 粒包括外部大小為大約70到大約1000微米的顆粒。
[0024] 本公開內容的一個方面為一種制作用于鑄造如當前教導的中空含鐵制品的鑄模 的方法，其中鑄模包括用于鑄造近凈成形侶化鐵制品的烙模鑄造模具。
[0025] 本公開內容的一個方面為一種用于制作用于制造如當前教導的中空含鐵制品的 鑄模中使用鑄忍的方法，其中鑄模包括用于鑄造近凈成形侶化鐵制品的烙模鑄造模具。
[0026] 本公開內容的一個方面為一種用于中空鐵和鐵合金的鑄造方法。該方法包括獲得 包括侶酸巧顆粒和大尺寸顆粒的烙模鑄造模具成分;將所述烙模鑄造模具成分倒入包含易 消失模型的容器中；固化所述烙模鑄造模具成分;從模具除去所述易消失模型;將模具預熱 至模鑄溫度;將烙融鐵或鐵合金倒入加熱模具中；凝固烙融鐵或鐵合金且形成凝固的中空 鐵或鐵合金鑄件；W及從模具除去凝固的中空鐵或鐵合金鑄件。
[0027] 在鑄造方法的一個實施例中，連同基本中空的大尺寸顆粒使用了細尺寸侶酸巧顆 粒。在鑄造方法的另一個實施例中，在從模具除去所述易消失模型和將模具預熱至模鑄溫 度之后，將所述模具加熱至大約450攝氏度到大約1400攝氏度的溫度，且然后允許所述模具 冷卻到大約室溫。在一個實施例中，易消失模型的除去包括烙化、溶解、點燃、烘箱脫蠟、烙 爐脫蠟、蒸汽壓力罐脫蠟或微波脫蠟中的至少一者。在從模具除去凝固的鐵或鐵合金鑄件 之后，在一個實例中，鑄件WX射線照相檢查。
[0028] 本公開內容的另一個方面為由如本文教導的鑄造方法制作的鐵或鐵合金制品。在 一個實例中，制品包括含侶化鐵的滿輪葉片。
[0029] 本公開內容的一個方面為一種制作陶瓷忍的方法，包括使侶酸巧顆粒與大尺寸顆 粒和液體組合來形成漿料;將漿料引入模中來產生制品形狀本體的未加工產品；W及在足 W形成陶瓷忍的條件下加熱未加工產品。為了制作陶瓷忍，在一個實例中，連同基本中空的 大尺寸顆粒使用了細尺寸侶酸巧顆粒。
[0030] 在一個實例中，制作陶瓷忍的方法包括在將漿料引入模中來產生制品形狀的本體 之前將氧化物顆粒引入漿料中。在一個實例中，運些氧化物顆粒包括中空氧化物顆粒。在一 個實施例中，陶瓷忍使用包括中空氧化侶球的中空氧化物顆粒制作。
[0031] 在另一個實施例中，忍使用侶酸巧顆粒制作，其中侶酸巧顆粒的至少50%的外部大 小小于大約10微米。在特定實施例中，忍使用包括外部大小達到大約50微米的顆粒的侶酸 巧顆粒和包括外部大小從大約70到大約1000微米的顆粒的大尺寸顆粒制作。
[0032] 本公開內容的一個方面為一種鑄造中空滿輪構件的方法，包括：（i)通過W下制作 陶瓷忍:a)將侶酸巧顆粒與大尺寸顆粒和液體組合來形成漿料;b)將漿料引入模中來產生 制品形狀的本體的未加工產品；W及C)在足W形成燒結的陶瓷忍的條件下加熱未加工的產 品；（ii)將陶瓷忍設置在模具內的預選位置；（iii)將包含烙融鐵或鐵合金的材料引入模具 中；（iv)冷卻烙融材料來形成模具內的滿輪構件；（V)使模具與滿輪構件分開；W及(Vi)從 滿輪構件除去忍，W便形成中空滿輪構件。在一個實施例中，為鑄件的滿輪構件是滿輪葉 片。
[0033] 本公開內容的運些和其它方面、特征和優點將從連同附圖的本公開內容的各種方 面的W下詳細描述中變得清楚。
【附圖說明】
[0034] 認作是本發明的主題在說明書結束部分的權利要求中具體指出且明確提出。本公 開內容的前述和其它特征和優點將容易從連同附圖的本發明的方面的W下詳細描述中清 楚，在附圖中： 圖1示出了用于開發本公開內容的忍成分的典型平板鑄件。平板為具有誘口杯和W允 許凝固收縮的冒口的簡單幾何形狀。圖1示出了如指出的產生的清潔的和切割的平板鑄件。 該圖示出了典型的平板鑄件，其被切割來檢查橫截面，W研究忍與鐵合金鑄件之間的任何 反應的程度。
[0035] 圖2示出了鑄件中的腔和銷銷的布置的部分。鑄件被切割，且鑄件中的忍被部分地 除去W檢查鑄件的內表面的狀態;忍的其余部分也可在鑄件內側看到。銷銷可在照片中穿 過腔看到。銷銷在鑄造期間將忍保持就位。在鑄造之后，銷銷變得嵌入鑄件中。
[0036] 圖3示出了鑄件中的腔和銷銷的布置的部分。在已經除去忍的區域中，銷銷可在所 附照片中穿過腔看到。
[0037] 圖4示出了用于開發本忍技術的用于制作具有定位在所得的平板內的忍的平板的 蠟的制備。為了制作空屯、板，常規板狀蠟生成，且平板的端部處的蠟的區段被除去。平板的 端面然后使用蠟片重建，蠟片連結到平板的端部上，留下板狀蠟的端面露出。銷銷然后垂直 于平板的側部插入穿過蠟片且穿過腔。銷銷布置成使得它們穿透板狀蠟的兩側，且它們在 腔中由蠟片在各側上支承。板狀蠟的頂部上的紅蠟是冒口，其用于適應平板鑄件的凝固收 縮。
[0038] 圖5和6示出了蠟的布置和用于蠟中的忍的腔的配置的圖。附加細節見圖4。
[0039] 圖7a和7b示出了包含含侶酸巧的忍的侶化鐵合金鑄件的橫截面的切割表面。在圖 7a中可看到，