用于bridgman熔模鑄造過程中的晶粒啟動(dòng)機(jī)的復(fù)合材料幾何設(shè)計(jì)的制作方法
【專利摘要】用于BRIDGMAN熔模鑄造過程中的晶粒啟動(dòng)機(jī)的復(fù)合材料幾何設(shè)計(jì)。本發(fā)明提供了一種用于熔融金屬材料的凝固以形成具有定向晶粒結(jié)構(gòu)的制品的晶粒啟動(dòng)機(jī)，以及一種用于凝固具有定向晶粒結(jié)構(gòu)的制品而基本上不存在雜散晶粒的方法。所述晶粒啟動(dòng)機(jī)包括晶粒起始材料，所述晶粒起始材料引發(fā)熔融金屬材料中在預(yù)選結(jié)晶學(xué)方向上的晶粒生長(zhǎng)。所述晶粒起始材料具有比形成所述制品的金屬材料更高的熔融溫度，以免通過與熔融材料接觸而改變所述晶粒啟動(dòng)機(jī)。所述晶粒啟動(dòng)機(jī)還包括下述特征，所述特征改變與其接觸的金屬材料的熱傳遞特性以制備具有在預(yù)選結(jié)晶學(xué)取向上取向的晶粒的制品，并改變前進(jìn)的凝固前沿的輪廓。所述制品基本上不含未在預(yù)選結(jié)晶學(xué)方向上取向的雜散晶粒。
【專利說明】用于BRIDGMAN熔模鑄造過程中的晶粒啟動(dòng)機(jī)的復(fù)合材料幾何設(shè)計(jì)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明通常涉及用于熔模鑄造的Bridgman方法，更具體地涉及用于控制前進(jìn)的凝固界面的冷卻速率的晶粒啟動(dòng)機(jī)(grain starter)。

【背景技術(shù)】
[0002]Bridgman方法用于通過熔模鑄造而制備制品，如潤(rùn)輪機(jī)葉片。使用Bridgman熔模鑄造過程制得的制品的特征在于定向凝固的單粒結(jié)構(gòu)或定向凝固的柱狀晶粒。具有這種定向凝固的晶粒結(jié)構(gòu)的制品特別適于其中制品所經(jīng)受的主應(yīng)力平行于定向凝固晶粒結(jié)構(gòu)的用途。
[0003]熔模鑄造涉及使用蠟?zāi)?fù)制待鑄造的制品?？蓪⑾炞⑷虢饘倩蛩芰夏＞咧?，所述金屬或塑料模具具有制品形狀的腔體。蠟?zāi)Ｒ矎?fù)制澆注/冒口 /澆道系統(tǒng)，所述澆注/冒口 /澆道系統(tǒng)用于進(jìn)料熔融金屬以形成制品。然后圍繞蠟?zāi)?gòu)建陶瓷外殼?？赏ㄟ^將蠟?zāi)６啻谓胍环N或多種陶瓷漿料而構(gòu)建外殼。所述一種或多種陶瓷衆(zhòng)料包含粘結(jié)劑/添加劑以協(xié)助將漿料固定至蠟?zāi)?。?dāng)然，首先施用的陶瓷層或表面涂層是關(guān)鍵的，因?yàn)槠湓阼T造時(shí)決定制品的表面光潔度。氧化鋁/鋯石陶瓷粒子通常用于形成表面層，以提供改進(jìn)的表面光潔度。
[0004]將蠟?zāi)６啻谓胩沾蓪又?，例如直?2層，且在施用另外的陶瓷漿料之前，使陶瓷干燥。隨著與表面涂層的距離增加，可在隨后施用的層中使用具有不同組成的更大的陶瓷粒子，例如二氧化硅。
[0005]在已完成熔?；蛲鈿?gòu)建之后，隨后在高溫下的高壓釜中將組件脫蠟，以從陶瓷外殼去除蠟。接著，預(yù)熱模具以燃盡任何粘結(jié)劑，同時(shí)模具的陶瓷壁產(chǎn)生足夠的強(qiáng)度以承受澆鑄操作。接著檢查外殼模具的裂紋和可能已分離的碎片，因?yàn)檫@種剝落的外殼碎片可在澆鑄制品中導(dǎo)致缺陷。
[0006]可將陶瓷包裹墊施用于預(yù)定位置，以改進(jìn)金屬的進(jìn)料。然后預(yù)熱模具，通常比將被澆注以填充模具的金屬或合金的澆注溫度低50-150° F?？呻S后將金屬或合金澆注至模具中，當(dāng)金屬或合金冷卻時(shí)，其形成制品。在凝固完成之后，可隨后去除陶瓷模具。
[0007]Bridgman過程使用上述熔模鑄造過程。將經(jīng)預(yù)熱的陶瓷模具轉(zhuǎn)移至澆鑄機(jī)的模具室，并固定至冷硬板。在抽真空之后，將模具升高至熱室中，所述熱室由感應(yīng)線圈、電阻絲或MoSi2棒電加熱。在Bridgman過程中，將形成制品的金屬或合金在惰性陶瓷坩堝(更常見地，氧化鋯或氧化鋁坩堝)中熔融。渦輪機(jī)葉片由例如鎳基(Ni基)高溫合金形成。這些Ni基高溫合金在坩堝中過熱至在合金的熔融溫度以上200-300° F的溫度。當(dāng)熔融溫度穩(wěn)定時(shí)，將熔融金屬澆注至模具腔體中。隨后將填充有熔融合金的模具和支撐所述模具的設(shè)置于熱室下方的冷硬板從保持在金屬熔點(diǎn)以上的熱室中緩慢取出。隨著填充有熔融金屬或合金的模具從熱室取出進(jìn)入冷室，熱通過冷硬板從模具中排放，從而產(chǎn)生起始于冷硬板的在模具中的金屬晶體的定向生長(zhǎng)，且定向凝固前進(jìn)至熔融金屬。熱也通過從模具表面輻射而散發(fā)，使得接近模具的熔融金屬比在冷硬板上方給定模具高度處的模具表面內(nèi)的熔融金屬更快冷凝。從加熱爐室中取出模具的速率取決于制品的具體特征，但通常為數(shù)英寸/小時(shí)，并可根據(jù)凝固中的制品的幾何結(jié)構(gòu)而變化。在凝固完成之后，可去除外殼和可能已插入模具中的任何芯體。
[0008]Bridgman方法成功制得具有薄壁的具有基本上規(guī)則的橫截面的定向凝固的單晶制品。規(guī)則橫截面包括其中以幾乎均勻的方式從前進(jìn)凝固前沿排放熱，從而制得具有單晶或定向凝固的柱狀晶粒的制品的所有橫截面。然而，在具有橫截面的顯著增加的制品中，必須去除的熱量突然增加，這減慢了凝固界面的前進(jìn)，從而導(dǎo)致界面遠(yuǎn)離模具側(cè)面至更進(jìn)一步落后于鄰近模具的熔融界面。
[0009]伴隨制品橫截面的突然增加的熱流的改變可導(dǎo)致前進(jìn)的凝固前沿前方的熔融金屬區(qū)域的過冷。熔融金屬的過冷可使雜散晶粒成核，所述雜散晶粒在與所需定向凝固的晶粒的方向不同的方向上生長(zhǎng)。這些雜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狀晶粒，以及基本上垂直于制品在用于其預(yù)期用途(如安裝于渦輪機(jī)中的渦輪機(jī)葉片)時(shí)所經(jīng)受的主應(yīng)力。已證實(shí)與這些雜散晶粒相關(guān)的晶界為裂紋引發(fā)的來(lái)源，從而不利地影響蠕變壽命/疲勞壽命，并導(dǎo)致定向凝固的制品在其中制品的蠕變/疲勞性質(zhì)重要的環(huán)境中過早疲勞。
[0010]需要一種創(chuàng)新性的晶粒啟動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，其改變前進(jìn)的凝固前沿，從而顯著降低或消除使雜散晶粒成核的可能性，由此抑制雜散晶粒的形成以及與這種晶粒相關(guān)的不利的大角度晶界。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明涵蓋一種晶粒啟動(dòng)機(jī)，其用于熔融金屬材料的凝固，從而形成具有定向晶粒結(jié)構(gòu)的制品。所述制品的特征還可在于具有其輪廓的改變。所述晶粒啟動(dòng)機(jī)通過包括至少一種幾何特征而引發(fā)在熔融金屬材料中在預(yù)選結(jié)晶學(xué)方向上的晶粒生長(zhǎng)，以制得具有在預(yù)選結(jié)晶學(xué)方向上取向的晶粒的制品，所述至少一種幾何特征改變與其接觸的金屬材料的熱傳遞特性。制得的制品基本上不含雜散晶粒，所述雜散晶粒不在所述預(yù)選結(jié)晶學(xué)方向上取向，特別是在制品輪廓變化處。用于改變并獲得所需熱傳遞特性的所述至少一種幾何特征僅為晶粒啟動(dòng)機(jī)的特征，而非制品或模具的特征?？赏ㄟ^在模具中的制品凝固之后從制品上分離晶粒啟動(dòng)機(jī)而去除用于改變體系的熱傳遞特性的結(jié)構(gòu)和至少一種幾何特征。
[0012]本發(fā)明還包括一種用于形成具有定向凝固的晶粒的制品的方法。盡管所述制品具有在預(yù)選結(jié)晶學(xué)方向上凝固的晶粒，但所述制品基本上不含雜散晶粒。用于形成制品的方法包括提供模具和提供晶粒啟動(dòng)機(jī)的步驟，所述晶粒啟動(dòng)機(jī)包括用于從晶粒啟動(dòng)機(jī)傳走熱的裝置。所述晶粒啟動(dòng)機(jī)附接至模具。將熔融金屬供應(yīng)至模具，提供熱源以將模具中的熔融金屬保持在發(fā)生凝固的預(yù)選溫度范圍內(nèi)。將填充有熔融金屬的模具從熱源通過陶瓷擋板緩慢取出并進(jìn)入與熱源相鄰的冷區(qū)。晶粒啟動(dòng)機(jī)引發(fā)在預(yù)選結(jié)晶學(xué)方向上的成核和晶粒生長(zhǎng)，當(dāng)在將模具從熱區(qū)取出進(jìn)入冷區(qū)中時(shí)通過模具以及通過前進(jìn)的凝固區(qū)域而從熔融金屬中去除熱時(shí)，所述成核和晶粒生長(zhǎng)在熔融金屬內(nèi)形成前進(jìn)的凝固前沿。利用Bridgman過程的Bridgman爐(如上所述)為定向凝固這種制品的一種方式，盡管其他方法也可為合適的。盡管本發(fā)明的方法可使用標(biāo)準(zhǔn)Br i dgman爐,但不同于標(biāo)準(zhǔn)Br i dgman過程,本發(fā)明進(jìn)而提供了用于從晶粒啟動(dòng)機(jī)傳走熱的裝置，由于排熱路徑被改變，所述裝置改變了如可在標(biāo)準(zhǔn)Bridgman過程中所發(fā)生的那樣的模具內(nèi)熔融金屬的前進(jìn)的凝固前沿的輪廓。當(dāng)通過晶粒啟動(dòng)機(jī)和用于從晶粒啟動(dòng)機(jī)傳走熱的裝置排放熱時(shí)，含熔融金屬的模具則繼續(xù)被從熱源緩慢取出。所形成的晶粒在由晶粒啟動(dòng)機(jī)確定的預(yù)選結(jié)晶學(xué)方向上前進(jìn)至熔融金屬中。所述固化過程的特征在于，在前進(jìn)的凝固前沿的前方的熔融金屬中基本上不存在雜散晶粒的成核和生長(zhǎng)。所述過程繼續(xù)，直至模具中的熔融金屬完全凝固，結(jié)構(gòu)包括制品和可隨后移除的附接的晶粒啟動(dòng)機(jī)。
[0013]本發(fā)明包括一種使用所述修改的凝固方法通過晶粒啟動(dòng)機(jī)而形成的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)包括晶粒啟動(dòng)機(jī)和附接至所述晶粒啟動(dòng)機(jī)的制品。所述晶粒啟動(dòng)機(jī)包括晶粒啟動(dòng)材料，而所述制品特征在于定向凝固的晶粒，所述晶粒在預(yù)選結(jié)晶學(xué)方向上排列。所述制品的特征還在于基本上不存在以相對(duì)于所述預(yù)選結(jié)晶學(xué)方向成角度取向的雜散晶粒。提供了一種用于從所述晶粒啟動(dòng)機(jī)傳走熱的裝置。所述用于從晶粒啟動(dòng)機(jī)傳走熱的裝置改變了來(lái)自晶粒啟動(dòng)機(jī)的熱流。所述從晶粒啟動(dòng)機(jī)傳走熱的裝置為晶粒啟動(dòng)機(jī)的幾何特征，且不是需要從制品上去除的制品的特征。
[0014]根據(jù)與以舉例的方式說明本發(fā)明的原理的附圖結(jié)合的如下優(yōu)選實(shí)施例的更詳細(xì)的描述，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將顯而易見。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1顯示了現(xiàn)有技術(shù)的晶粒啟動(dòng)機(jī)的凝固前沿。
[0016]圖2顯示了預(yù)計(jì)的晶粒結(jié)構(gòu)，其源自由現(xiàn)有技術(shù)的晶粒啟動(dòng)機(jī)所形成的圖1的凝固前沿。
[0017]圖3顯示了在臨界Z切口(critical Z-notch)位置處使用現(xiàn)有技術(shù)的晶粒啟動(dòng)機(jī)所形成的澆鑄渦輪機(jī)葉片尖端護(hù)罩晶粒結(jié)構(gòu)(經(jīng)蝕刻的)。
[0018]圖4為經(jīng)過退出服務(wù)的澆鑄渦輪機(jī)葉片尖端的在臨界Z切口處的截面，其顯示了在臨界Z切口處引發(fā)，并沿著晶界與蠕變空隙的連接一起擴(kuò)展的晶界裂紋。
[0019]圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明的晶粒啟動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。
[0020]圖6顯示了本發(fā)明的晶粒啟動(dòng)機(jī)的凝固前沿。
[0021]圖7顯示了在臨界Z切口區(qū)域處使用圖5的晶粒啟動(dòng)機(jī)所形成的渦輪機(jī)葉片的預(yù)計(jì)晶粒結(jié)構(gòu)。
[0022]圖8為垂直Bridgman方法的通用表示,其顯示了從保持于Bridgman爐的爐部分中的熔融金屬中部分取出的制品。

【具體實(shí)施方式】
[0023]本發(fā)明使用晶粒啟動(dòng)機(jī)以引發(fā)制品(如渦輪機(jī)葉片、護(hù)罩或噴嘴)的凝固，當(dāng)熔模鑄造使用諸如Bridgman方法的過程時(shí)，所述制品具有定向凝固(DS)晶?；騿尉?SC)。除了引發(fā)凝固之外，所述晶粒啟動(dòng)機(jī)還改變排熱途徑，以消除在凝固前沿前進(jìn)至熔融金屬中時(shí)輪廓突然變化處的雜散晶粒。熱流路徑的改變消除了在前進(jìn)的凝固前沿前方的熔融金屬的過冷，由此去除了雜散晶粒成核的驅(qū)動(dòng)力，所述雜散晶?？梢砸燥@著偏離預(yù)選結(jié)晶學(xué)方向(如鎳基高溫合金澆鑄中的〈001〉方向)的角度生長(zhǎng)。使用本發(fā)明的晶粒啟動(dòng)機(jī)形成的制品基本上不含雜散晶粒。如本說明書所用，雜散晶粒意指在制品凝固時(shí)在制品的較大截面的邊緣和拐角處成核(如可在輪廓改變處發(fā)生)，并且可以以顯著偏離預(yù)選結(jié)晶學(xué)方向的角度生長(zhǎng)的晶粒?！盎旧喜缓s散晶粒”意指不存在破壞柱狀晶?；騿尉У纳L(zhǎng)同時(shí)產(chǎn)生充當(dāng)制品中的缺陷起源部位的晶界的雜散粒子。如本說明書所用，附接至模具包括附接至模具底部或者在凝固從模具底部發(fā)生時(shí)“原位”形成的晶粒啟動(dòng)機(jī)。如本說明書所用，預(yù)選結(jié)晶學(xué)方向也包括由于從前進(jìn)的凝固前沿傳走熱而產(chǎn)生的自然選擇的結(jié)晶學(xué)方向。
[0024]圖1表示來(lái)自現(xiàn)有技術(shù)的晶粒啟動(dòng)機(jī)12的典型的凝固前沿。在圖1中，示意圖不包括通常將金屬圍繞于模具腔體中的陶瓷模具，所述金屬由區(qū)域14、位于晶粒啟動(dòng)機(jī)12上方的暗區(qū)域表不，在其中應(yīng)為潤(rùn)輪機(jī)葉片的機(jī)翼區(qū)域。在晶粒啟動(dòng)機(jī)12和溶融金屬區(qū)域14之間為前進(jìn)的凝固前沿16。在圖1中，當(dāng)凝固前沿16前進(jìn)至葉片的機(jī)翼部分22中的熔融金屬區(qū)域14中時(shí)，前進(jìn)的凝固前沿16相對(duì)于晶粒啟動(dòng)機(jī)12具有凹型輪廓。
[0025]圖8顯示了典型的Bridgman爐設(shè)置，其中通用晶粒啟動(dòng)機(jī)6從爐中緩慢取出。通用制品9從爐中的熔融金屬8中取出。熱通過如下方式從制品9和前進(jìn)的凝固前沿(未顯示)導(dǎo)出:通過傳導(dǎo)而將熱垂直向下傳導(dǎo)至冷硬板7，并通過輻射而將熱通過模具表面和晶粒啟動(dòng)機(jī)的側(cè)面橫向傳導(dǎo)。來(lái)自前進(jìn)的界面的所得熱流的方向?yàn)橛蓢@制品9的空氣而產(chǎn)生的箭頭所表示的方向。這導(dǎo)致在與熔融金屬的界面(即前進(jìn)的凝固界面)處制品如下的溫度分布:所述溫度分布在冷區(qū)中的制品/模具界面處為最低，且在制品的中心處為最高。
[0026]再次參照?qǐng)D1，晶粒啟動(dòng)機(jī)12具有所示形狀。如圖8中那樣，前進(jìn)界面的溫度分布在冷段中的制品/模具界面處具有最低溫度，并在中心處具有最高溫度。因此，在前進(jìn)的凝固前沿16前進(jìn)至模具中的熔融金屬14中的時(shí)間過程中，當(dāng)模具被取出至爐的冷區(qū)時(shí)，前進(jìn)的凝固前沿16具有相對(duì)于晶粒啟動(dòng)機(jī)12的凹形形狀。
[0027]在葉片尖端護(hù)罩20與葉片24的機(jī)翼部分22之間的界面處，橫截面的顯著改變進(jìn)一步加重了在前進(jìn)的凝固前沿16上的排熱。葉片尖端護(hù)罩的邊緣可比在前進(jìn)的凝固前沿前方的熔融金屬明顯更冷，使得前進(jìn)的凝固前沿和相關(guān)的等溫線變得甚至更凹形。作為結(jié)果，具有增加的質(zhì)量的遠(yuǎn)側(cè)拐角(如圖1中的尖端護(hù)罩20)可過冷，從而可能發(fā)生晶粒的多相成核，且這種晶核可快速向內(nèi)生長(zhǎng)而妨礙從下方生長(zhǎng)的柱狀晶粒。來(lái)自這樣的一種或多種雜散晶粒的所得晶界基本上垂直于葉片機(jī)翼長(zhǎng)度的方向。此外，在更大部段(如葉片尖端護(hù)罩20)處的多個(gè)成核活動(dòng)可形成更大角度的晶界。Z切口中的輪廓的改變進(jìn)一步有助于在輪廓處局部排熱，從而由于在輪廓改變處的另外的排熱而產(chǎn)生另外的顯著溫差，并進(jìn)一步增加了雜散晶粒成核和生長(zhǎng)的可能性。
[0028]圖2顯示了預(yù)計(jì)的晶粒結(jié)構(gòu)，其源自由現(xiàn)有技術(shù)的晶粒啟動(dòng)機(jī)12所形成的圖1的凝固前沿。可以看出，在遠(yuǎn)離邊緣的晶粒啟動(dòng)機(jī)12處形成的定向晶粒30中的大多數(shù)繼續(xù)進(jìn)入葉片24的機(jī)翼部分22中。然而，在葉片尖端護(hù)罩20的Z切口 26中形成雜散晶粒，由于在該更冷區(qū)域中晶粒的多相成核，所述雜散晶粒偏離定向凝固(DS)晶粒的〈001〉方向。
[0029]雜散晶粒的形成在圖3中更明顯，圖3顯不了使用現(xiàn)有技術(shù)的晶粒啟動(dòng)機(jī)12在接近葉片尖端護(hù)罩20處和Z切口 26區(qū)域(經(jīng)蝕刻的)處形成的澆鑄渦輪機(jī)葉片晶粒結(jié)構(gòu)。至少一個(gè)雜散晶粒32的形成已生長(zhǎng)至明顯的尺寸。由于該區(qū)域在渦輪機(jī)操作過程中經(jīng)受高離心力和高溫，在Z切口 26區(qū)域中形成的雜散晶粒32 (如圖3所示)為有害的并且為葉片24的弱區(qū)。DS晶粒在經(jīng)受最高應(yīng)力的方向上形成，這是由于DS晶粒能夠處理在正常渦輪機(jī)操作過程中所經(jīng)受的這些高應(yīng)力。然而，以相對(duì)于DS晶粒成角度形成的雜散晶粒承受這些應(yīng)力的能力較低。作為結(jié)果，破壞往往在Z切口處引發(fā)(如圖4所示)，其為經(jīng)過退出服務(wù)的實(shí)際澆鑄渦輪機(jī)葉片尖端的截面。如可從圖4中看出，晶界裂紋34在臨界Z切口區(qū)域中引發(fā)，并通過沿著大角度晶界形成的蠕變空隙的連接而擴(kuò)展至葉片24中。這些裂紋的引發(fā)以及借助蠕變空隙的連接的裂紋的擴(kuò)展(從而導(dǎo)致過早裂化)為渦輪機(jī)葉片中的主要損壞模式。
[0030]由于雜散晶粒的生長(zhǎng)而導(dǎo)致的大角度晶界也增加了渦輪機(jī)葉片24的后澆鑄加工的難度，這可導(dǎo)致葉片的Z切口區(qū)域中的破裂以及隨后的葉片報(bào)廢。
[0031]本發(fā)明提供了一種用于晶粒啟動(dòng)機(jī)的新設(shè)計(jì)，以去除有益于雜散晶粒的形成的條件?，F(xiàn)在參照?qǐng)D5，顯示了根據(jù)本發(fā)明的晶粒啟動(dòng)機(jī)113。晶粒啟動(dòng)機(jī)113包括至少一個(gè)幾何特征，所述至少一個(gè)幾何特征附接至晶粒啟動(dòng)機(jī)Π3或與晶粒啟動(dòng)機(jī)113 —體。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述幾何特征為附接至晶粒啟動(dòng)機(jī)113的多個(gè)翅片129。圖5還顯示了晶粒啟動(dòng)機(jī)113的另一幾何特征。在該圖中，晶粒啟動(dòng)機(jī)113具有如下幾何形狀:所述幾何形狀在晶粒啟動(dòng)機(jī)/制品界面135處的橫截面積大于在其底部137處的與晶粒啟動(dòng)機(jī)/制品界面相對(duì)的橫截面積。晶粒啟動(dòng)機(jī)的形狀由將晶粒啟動(dòng)機(jī)/制品界面連接至相對(duì)的橫截面界面的弓形過渡限定。在圖5中，該形狀提供了作為梯形基座133的實(shí)施例，盡管如上所述的形狀并不限于此。梯形基座133具有與晶粒啟動(dòng)機(jī)/制品界面135處的制品相同的橫截面形狀，但具有窄基底137和成角度的部段139，所述成角度的部段139在窄基底137和晶粒啟動(dòng)機(jī)/制品界面135之間并連接這些特征。相比于現(xiàn)有技術(shù)的晶粒啟動(dòng)機(jī)12上存在的基底，基底137為“窄”的。梯形基座133憑借其形狀而改變從凝固制品排熱，從而允許沿著其邊緣更少排熱，同時(shí)更多的熱通過冷硬板(未顯示)傳導(dǎo)通過基底137。相比于之前的晶粒啟動(dòng)機(jī)，梯形基座133的形狀提供了不同的排熱輪廓?？蛇M(jìn)一步了解，幾何特征(如翅片129)的形狀、尺寸、數(shù)量和位置和梯形基座133的形狀將取決于實(shí)際部件的幾何形狀而變化，只要這些幾何特征改變通過晶粒啟動(dòng)機(jī)的熱傳遞，使得在前進(jìn)的凝固前沿16前方的溫度不有益于雜散晶粒的成核。對(duì)于如圖所示的渦輪機(jī)葉片，“窄”基底137可具有約I英寸的高度，從而充當(dāng)用于消除大多數(shù)偏離所需取向的晶粒的主要障礙，其確保了進(jìn)入梯形基座133中的晶粒具有極接近于〈001〉結(jié)晶學(xué)方向的取向。
[0032]在晶粒啟動(dòng)機(jī)/制品界面下方的梯形基座133的形狀對(duì)于排熱是關(guān)鍵的。由于與梯形表面接觸的陶瓷模具材料具有比固體金屬小得多的熱導(dǎo)率，因此相比于現(xiàn)有技術(shù)的晶粒啟動(dòng)機(jī)12的簡(jiǎn)單矩形形狀，梯形基座設(shè)計(jì)顯著改變了從梯形基座的中間成角度的部段139下方至冷硬板的軸向熱流。更重要地，梯形的橫截面的逐漸改變自然使得晶粒在由傾斜表面突出的區(qū)域上方生長(zhǎng)。一旦凝固界面從基底139前進(jìn)至中間成角度的部段139，在拐角處成核的晶?？蓹M向伸展它們的側(cè)臂，以占據(jù)梯形的逐漸擴(kuò)大的橫向空間。橫向伸展生長(zhǎng)的該自然作用確保了在楔形突出區(qū)域中(例如，在接近于葉片尖端護(hù)罩20的Z切口區(qū)域的區(qū)域中)存在單粒。
[0033]梯形基座133的實(shí)際設(shè)計(jì)使得其接觸熔模鑄造模具中的熔融金屬，因此其形狀取決于澆鑄制品的局部幾何形狀?；?37通過中間成角度的部段139連接至晶粒啟動(dòng)機(jī)/制品界面135。中間成角度的部段139的角度((? )與橫向尺寸ΛΧ、梯形基座133的高度(H)密切相關(guān)，同樣可能與制造過程相關(guān)。據(jù)建議，對(duì)于如圖所示的渦輪機(jī)葉片24，梯形基座的高度應(yīng)該為I?2”。根據(jù)所有參考信息，基底137的最大長(zhǎng)度應(yīng)該比梯形的上基底小?2 Λ X。
[0034]晶粒啟動(dòng)機(jī)可為預(yù)加工的或原位生長(zhǎng)的。在任一形式中，晶粒啟動(dòng)機(jī)在熔融金屬材料中引發(fā)預(yù)選結(jié)晶學(xué)方向上的成核/晶粒生長(zhǎng)。當(dāng)晶粒啟動(dòng)機(jī)為預(yù)加工的時(shí)，將其預(yù)加工為使得晶粒的成核和生長(zhǎng)在預(yù)選結(jié)晶學(xué)方向或取向上，如鎳基高溫合金的〈001〉方向。選擇晶粒啟動(dòng)機(jī)材料，使得其具有比包含制品的金屬材料的熔融溫度略高的熔融溫度，以免晶粒啟動(dòng)機(jī)通過與起始材料接觸而改變。晶粒啟動(dòng)機(jī)也可作為原位生長(zhǎng)的晶粒啟動(dòng)機(jī)提供，所述原位生長(zhǎng)的晶粒啟動(dòng)機(jī)用于引發(fā)極接近于預(yù)選結(jié)晶學(xué)方向的晶粒生長(zhǎng)。當(dāng)完成凝固時(shí)，制品的特征在于定向凝固的柱狀晶粒。定向凝固的晶粒自然在預(yù)選結(jié)晶學(xué)方向上排列。制品的特征還在于基本上不存在以相對(duì)于所述預(yù)選結(jié)晶學(xué)方向成角度取向的雜散晶粒。
[0035]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，由附接至晶粒啟動(dòng)機(jī)113的多個(gè)翅片129所表示的幾何特征是用于控制熱流的非常重要的特征。該幾何特征附接至晶粒啟動(dòng)機(jī)113以改進(jìn)接近葉片24中間的熱傳遞。所述翅片提高通過晶粒啟動(dòng)機(jī)113的邊緣之間的中點(diǎn)的熱傳遞，同時(shí)由于梯形基座133的形狀而減少接近邊緣的熱傳遞，從而在前進(jìn)的凝固前沿16前方的熔融金屬中提供更均勻的溫度分布。具有翅片129的梯形基座133可改變凝固界面形狀，使得凝固界面形狀為凸?fàn)?，如圖6所示。翅片129或多個(gè)翅片129可附接至晶粒啟動(dòng)機(jī)113，或者翅片129或多個(gè)翅片129可作為晶粒啟動(dòng)機(jī)113的部分一體形成。無(wú)論幾何特征相對(duì)于晶粒啟動(dòng)機(jī)的設(shè)置如何，該幾何特征的功能都是改變熱流通過晶粒啟動(dòng)機(jī)113的路徑，所述幾何特征改進(jìn)了接近其所處位置的熱傳遞，同時(shí)也改變了在凝固過程中熔融金屬中的前進(jìn)的凝固前沿。
[0036]對(duì)于圖5的葉片125，多個(gè)翅片129 (在圖5中兩個(gè)翅片129)對(duì)稱附接至晶粒啟動(dòng)機(jī)113的中間，在此處前進(jìn)的凝固前沿在不包括這種幾何特征時(shí)確定為最滯后?？煞治龃_定前進(jìn)的凝固前沿16在哪里滯后，如通過使用計(jì)算機(jī)程序、通過實(shí)際溫度測(cè)量或經(jīng)驗(yàn)地通過觀察澆鑄制品上的晶粒圖案。翅片129與圖6的冷硬板11和晶粒啟動(dòng)機(jī)113熱傳遞接觸，以改進(jìn)從前進(jìn)的凝固前沿16的熱的傳出，此處在不存在諸如翅片129的幾何特征的情況下前進(jìn)的凝固前沿16為滯后的。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，對(duì)稱應(yīng)用翅片129，以避免前進(jìn)的凝固前沿16的任何傾斜或不利的再取向。
[0037]翅片129優(yōu)選不長(zhǎng)于晶粒啟動(dòng)機(jī)113的全高度，從而不需要額外的后澆鑄材料去除。優(yōu)選地，翅片厚度應(yīng)該不超過梯形基座133的局部厚度的60%，且翅片長(zhǎng)度應(yīng)該為翅片厚度的至少兩倍，其中翅片高度指在基本上垂直于冷硬板11的基本上垂直方向上延伸的翅片的尺寸，翅片長(zhǎng)度指遠(yuǎn)離梯形基座133延伸的翅片的尺寸，翅片厚度指沿著其高度的翅片的寬度，在沿著其高度的任意點(diǎn)處的厚度平行于冷硬板11。這種翅片設(shè)計(jì)可至少將冷卻提高到至少4.0倍。優(yōu)選地，選擇翅片尺寸(高度、長(zhǎng)度和寬度)用于特定的澆鑄/晶粒啟動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，以提供至少10.0倍的局部傳遞提高。
[0038]現(xiàn)在參照?qǐng)D6，示出了在本發(fā)明的晶粒啟動(dòng)機(jī)113上方的計(jì)算的前進(jìn)的凝固前沿116。晶粒啟動(dòng)機(jī)113包括一對(duì)翅片129，且晶粒啟動(dòng)機(jī)附接至冷硬板11。隨著凝固進(jìn)行，前進(jìn)的凝固前沿116移動(dòng)至熔融金屬14中。前進(jìn)的凝固前沿116與圖1的前進(jìn)的凝固前沿16的比較表明，圖6的前進(jìn)的凝固前沿116相比于圖1所示的前進(jìn)的凝固前沿16具有明顯不同的輪廓。當(dāng)模具被取出至爐的冷區(qū)中時(shí)，凝固前沿116的輪廓相對(duì)于晶粒啟動(dòng)機(jī)113為凸?fàn)畹模@與圖1的凝固前沿16相反(當(dāng)模具被取出至爐的冷區(qū)中時(shí)，圖1的凝固前沿16相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的晶粒啟動(dòng)機(jī)12為凹狀的)。這歸因于晶粒啟動(dòng)機(jī)113中的翅片129以及基座133的梯形形狀。翅片129為散熱器，所述散熱器允許將熱從前進(jìn)的凝固前沿116傳遞至翅片129中，在所述翅片129中可通過傳導(dǎo)而更有效地排熱。由于前進(jìn)的凝固前沿的輪廓改變，且朝向葉片125的中心的凝固前沿在沿著葉片125的邊緣131的凝固前沿的前方，因此不存在雜散晶粒沿著邊緣和在拐角處(如z切口)成核的驅(qū)動(dòng)力，從而使得柱狀晶粒繼續(xù)定向生長(zhǎng)至尖端護(hù)罩20的邊緣和拐角。即使當(dāng)凝固前沿前進(jìn)通過Z切口26時(shí)，該熱傳遞機(jī)制連同定向生長(zhǎng)一起也得以保持。這是重要的，因?yàn)楦嗟慕饘儋|(zhì)量存在于葉片尖端護(hù)罩區(qū)域20中，這意味著更多的熔融金屬需要排熱路徑，所述排熱路徑由翅片129提供。
[0039]當(dāng)前進(jìn)的凝固前沿116進(jìn)一步移動(dòng)至機(jī)翼部分22中時(shí)，翅片對(duì)前進(jìn)的凝固前沿116的影響降低，且其形狀可改變。這是因?yàn)槎鄠€(gè)理由。在葉片125的機(jī)翼部分22中，由于機(jī)翼部分更薄，因此葉片125的橫截面減小。薄的橫截面具有更少的金屬質(zhì)量和當(dāng)模具移動(dòng)至冷區(qū)中時(shí)更大的暴露于爐的冷區(qū)的面積。另外，當(dāng)前進(jìn)的凝固區(qū)進(jìn)一步遠(yuǎn)離葉片尖端護(hù)罩20和翅片129時(shí)，通過翅片129的排熱變得效率更低，因?yàn)楝F(xiàn)在熱傳遞優(yōu)先從機(jī)翼部分22的大表面區(qū)域至周圍的冷區(qū)極快速地發(fā)生，且當(dāng)前進(jìn)的凝固前沿116快速移動(dòng)至機(jī)翼部分22中時(shí)，晶粒易于定向生長(zhǎng)至該區(qū)域中。
[0040]圖7顯示了使用圖5的晶粒啟動(dòng)機(jī)113形成的包括尖端護(hù)罩20的臨界Z切口區(qū)域26的渦輪機(jī)葉片125的預(yù)計(jì)晶粒結(jié)構(gòu)。在圖中，幾乎均勻的暗灰色表示結(jié)晶學(xué)生長(zhǎng)基本上在預(yù)選方向上發(fā)生。由于前進(jìn)的凝固前沿116在前進(jìn)通過Z切口區(qū)域26時(shí)保持凸?fàn)钚螤?，因此基本上消除了雜散晶粒成核和朝向邊緣131生長(zhǎng)的的可能性。在不存在妨礙前進(jìn)的凝固前沿116的前進(jìn)的雜散晶粒的情況下，在前進(jìn)的凝固前沿116后方形成的由晶粒啟動(dòng)機(jī)113引發(fā)的定向晶粒在引發(fā)它們的方向上(在該實(shí)例中在〈001〉方向上)繼續(xù)前進(jìn)至熔融金屬中。重要地，在臨界Z切口區(qū)域中，存在單個(gè)柱狀晶粒。據(jù)信在該Z切口區(qū)域中柱狀晶粒的存在是由于梯形基座133的形狀的作用，所述形狀有利于在該區(qū)域中僅生長(zhǎng)單個(gè)柱狀晶粒。這消除了在該位置處雜散晶粒的成核和生長(zhǎng)，在該位置處雜散晶粒的成核和生長(zhǎng)為導(dǎo)致破壞的葉片中的裂紋的來(lái)源。
[0041]本發(fā)明的晶粒啟動(dòng)機(jī)113包括用于在前進(jìn)的凝固前沿前進(jìn)至熔融金屬中時(shí)控制來(lái)自前進(jìn)的凝固前沿的熱流的裝置。控制熱流防止了以偏離由晶粒啟動(dòng)機(jī)113引發(fā)的預(yù)選方向的角度取向的雜散晶粒的成核。在如上提供的實(shí)例中，在圖1-7中所示的渦輪機(jī)葉片中該優(yōu)選方向?yàn)椤?01〉方向，然而可根據(jù)需要通過具有預(yù)選取向的晶粒啟動(dòng)機(jī)113改變所述方向，使得晶粒例如在〈111〉方向上或在〈110〉方向上引發(fā)和生長(zhǎng)?？刂茻崃魈貏e地防止了在渦輪機(jī)葉片125的輪廓改變處雜散晶粒的形成，這在不存在所述控制的情況下可在Z切口區(qū)域26中發(fā)生。在渦輪機(jī)葉片125中，Z切口區(qū)域26包括輪廓改變，在所述輪廓改變處熱可快速排放。在Z切口區(qū)域26中，渦輪機(jī)葉片125也經(jīng)歷橫截面積的顯著改變。
[0042]將翅片129添加至晶粒啟動(dòng)機(jī)113，以在前進(jìn)的凝固前沿116前進(jìn)至熔融金屬中時(shí)改變模具的熱傳遞特性，從而控制定向凝固。提供晶粒啟動(dòng)機(jī)113本身以引發(fā)在預(yù)選結(jié)晶學(xué)方向上的晶粒生長(zhǎng)，所述晶粒啟動(dòng)機(jī)113本身是預(yù)加工為具有預(yù)選取向的或在冷硬板上原位形成的。晶粒啟動(dòng)機(jī)113不形成渦輪機(jī)葉片125的部分，并在葉片凝固之后從渦輪機(jī)葉片125上去除。當(dāng)翅片129為晶粒啟動(dòng)機(jī)的部分時(shí)，也將翅片129從渦輪機(jī)葉片125上去除。
[0043]當(dāng)晶粒啟動(dòng)機(jī)為預(yù)加工的時(shí)，其可為如下任何金屬材料:所述金屬材料可賦予熔融金屬定向凝固，并同時(shí)具有比用于形成制品的待定向凝固的合金的熔融溫度更高的熔融溫度。盡管在本說明書描述渦輪機(jī)葉片作為使用可改變凝固過程以產(chǎn)生不含雜散晶粒的定向凝固的晶粒結(jié)構(gòu)的晶粒啟動(dòng)機(jī)113而形成的產(chǎn)品，然而可使用本發(fā)明的晶粒啟動(dòng)機(jī)來(lái)凝固需要定向取向的結(jié)晶學(xué)晶粒結(jié)構(gòu)的任何制品(由于雜散晶粒的成核和生長(zhǎng)，所述制品在特定區(qū)域中產(chǎn)生缺陷，特別是在存在輪廓改變處)以消除雜散晶粒的形成。盡管渦輪機(jī)葉片通常由高溫鎳基高溫合金形成，但本發(fā)明可用于形成例如(在用于制備優(yōu)選具有定向凝固的晶粒結(jié)構(gòu)的澆鑄制品的其他可得的金屬材料中)鈷基高溫合金、鐵基高溫合金、鐵鈷鎳基高溫合金的組合、鎳基合金、鋼(包括不銹鋼和工具鋼)、鈦及其合金的定向凝固的制品O
[0044]盡管參照優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解，在不偏離本發(fā)明的范圍下，可進(jìn)行各種改變，且等同物可替代本發(fā)明的元件。另外，在不偏離本發(fā)明的基本范圍下，可進(jìn)行許多修改以使特定的情況或材料適合本發(fā)明的教導(dǎo)。因此，本發(fā)明不旨在局限于作為進(jìn)行本發(fā)明的預(yù)期最佳模式而公開的特定實(shí)施例，而本發(fā)明將包括落入所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)的所有實(shí)施例。
【權(quán)利要求】
1.一種用于熔融金屬材料的凝固以形成具有定向晶粒結(jié)構(gòu)的制品的晶粒啟動(dòng)機(jī)，其包括: 晶粒啟動(dòng)機(jī)，所述晶粒啟動(dòng)機(jī)引發(fā)熔融金屬材料中在預(yù)選結(jié)晶學(xué)方向上的晶粒生長(zhǎng)；所述晶粒啟動(dòng)機(jī)包括至少一個(gè)幾何特征，所述至少一個(gè)幾何特征改變與其接觸的金屬材料的熱傳遞特性，以在制品的輪廓改變處保持在預(yù)選結(jié)晶學(xué)方向上的晶粒生長(zhǎng)；且 其中通過所述晶粒啟動(dòng)機(jī)改變熱傳遞特性消除了輪廓處的雜散晶粒，以制備具有在預(yù)選金相學(xué)取向上取向的晶粒的制品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶粒啟動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述晶粒啟動(dòng)機(jī)為預(yù)加工的材料，所述預(yù)加工的材料具有比形成所述制品的金屬材料的熔融溫度更高的熔融溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶粒啟動(dòng)機(jī)，其特征在于，改變熱傳遞特性的所述至少一個(gè)幾何特征包括附接至所述晶粒啟動(dòng)機(jī)的外部翅片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶粒啟動(dòng)機(jī)，其特征在于，改變熱傳遞特性的所述至少一個(gè)幾何特征為形成所述晶粒啟動(dòng)機(jī)的一體部分的外部翅片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶粒啟動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述至少一個(gè)幾何特征為晶粒啟動(dòng)機(jī)形狀，其中所述晶粒啟動(dòng)機(jī)形狀為在晶粒啟動(dòng)機(jī)/制品界面處的區(qū)域中的橫截面，所述橫截面比與所述晶粒啟動(dòng)機(jī)/制品界面相對(duì)的橫截面積更大，所述晶粒啟動(dòng)機(jī)從所述晶粒啟動(dòng)機(jī)/制品界面至相對(duì)的橫截面界面弓形過渡。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的晶粒啟動(dòng)機(jī),其特征在于,所述晶粒啟動(dòng)機(jī)形狀為梯形。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶粒啟動(dòng)機(jī)，其特征在于，形成所述制品的熔融金屬材料選自鎳基高溫合金、鈷基高溫合金、鐵基高溫合金和它們的組合。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的晶粒啟動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述預(yù)選結(jié)晶學(xué)方向?yàn)椤?01〉方向。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶粒啟動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述晶粒啟動(dòng)機(jī)在模具下方的冷硬板上原位形成。
10.一種結(jié)構(gòu)，其包括: 晶粒啟動(dòng)機(jī),其中所述晶粒啟動(dòng)機(jī)包括晶粒起始材料； 附接至所述晶粒啟動(dòng)機(jī)的制品，其中所述制品的特征在于定向凝固的晶粒，所述晶粒在預(yù)選結(jié)晶學(xué)方向上排列，所述制品的特征還在于基本上不含以相對(duì)于所述預(yù)選結(jié)晶學(xué)方向成角度取向的雜散晶粒；以及 用于從所述晶粒啟動(dòng)機(jī)傳走熱的裝置，其中所述用于從所述晶粒啟動(dòng)機(jī)傳走熱的裝置改變來(lái)自所述晶粒啟動(dòng)機(jī)的熱流，所述用于從所述晶粒啟動(dòng)機(jī)傳走熱的裝置僅為所述晶粒啟動(dòng)機(jī)的特征。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述用于從所述晶粒啟動(dòng)機(jī)傳走熱的裝置包括外部翅片。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述外部翅片附接至所述晶粒啟動(dòng)機(jī)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述外部翅片形成所述晶粒啟動(dòng)機(jī)的一體部分。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述用于從所述晶粒啟動(dòng)機(jī)傳走熱的裝置包括所述晶粒啟動(dòng)機(jī)的幾何形狀，其中所述晶粒啟動(dòng)機(jī)形狀為在晶粒啟動(dòng)機(jī)/制品界面處的區(qū)域中的橫截面，所述橫截面比與所述晶粒啟動(dòng)機(jī)/制品界面相對(duì)的橫截面積更大，所述晶粒啟動(dòng)機(jī)從所述晶粒啟動(dòng)機(jī)/制品界面至相對(duì)的橫截面界面弓形過渡。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述晶粒啟動(dòng)機(jī)的幾何形狀為梯形。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述制品為發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、噴嘴或護(hù)罩。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述預(yù)選結(jié)晶學(xué)方向平行于所述制品中最大應(yīng)力的方向。
18.一種用于形成具有定向凝固的晶粒的制品的方法，其包括如下步驟: 提供1?具； 提供晶粒啟動(dòng)機(jī),所述晶粒啟動(dòng)機(jī)包括用于從所述晶粒啟動(dòng)機(jī)傳走熱的裝置； 將所述晶粒啟動(dòng)機(jī)附接至所述模具； 將熔融金屬提供至所述模具； 提供熱源以將所述模具中的熔融金屬保持在預(yù)選溫度范圍內(nèi)； 將含熔融金屬的模具從所述熱源緩慢取出至與所述熱源相鄰的冷區(qū)中，同時(shí)隨著熱從所述模具內(nèi)的熔融金屬中排放而在熔融金屬內(nèi)形成前進(jìn)的凝固前沿，同時(shí)所述晶粒啟動(dòng)機(jī)引發(fā)晶粒在預(yù)選冶金學(xué)方向上形成，其中所述用于從所述晶粒啟動(dòng)機(jī)傳走熱的裝置改變所述模具內(nèi)前進(jìn)的凝固前沿的輪廓； 隨著熱通過所述晶粒啟動(dòng)機(jī)和所述用于從所述晶粒啟動(dòng)機(jī)傳走熱的裝置排放，繼續(xù)從所述熱源緩慢取出所述含熔融金屬的模具，從而使得形成的晶粒在預(yù)選冶金學(xué)方向上前進(jìn)至熔融金屬中，且在所述前進(jìn)的凝固前沿前方的熔融金屬中基本上不存在雜散晶粒的成核和生長(zhǎng)；以及 在所述模具中完成熔融金屬的凝固。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其還包括提供冷硬板，并將所述冷硬板附接至所述晶粒啟動(dòng)機(jī)的底部。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述提供模具的步驟包括提供熔模鑄造模具。
【文檔編號(hào)】B22D27/04GK104139175SQ201410192877
【公開日】2014年11月12日 申請(qǐng)日期:2014年5月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月8日
【發(fā)明者】劉山, W.T.金, S.拉哈文, A.S.佩克, D.納拉亞納 申請(qǐng)人:通用電氣公司