[發(fā)明專利]鑄造方法、材料和設(shè)備以及由其制造的鑄件

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210099446.5
• 申請(qǐng)日: 2012-03-29
• 公開（公告）號(hào): CN102728824A
• 公開（公告）日: 2012-10-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: G·A·戈勒;D·W·卡瓦瑙
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 通用電氣公司
• 主分類號(hào): B22D27/18
• 分類號(hào): B22D27/18;B22D27/04
• 代理公司: 中國(guó)專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 林毅斌;林森

發(fā)明背景

本發(fā)明主要涉及鑄造方法和用于鑄造方法的設(shè)備與材料。更具體地講，本發(fā)明涉及適合于在經(jīng)所述方法制造的鑄造產(chǎn)品中同時(shí)形成抗氧化表面區(qū)域的金屬鑄造方法，其另外可為常規(guī)鑄造方法比如(但不限于)鐵基合金鑄造和砂模鑄造方法。

燃?xì)廨啓C(jī)，包括用于發(fā)電和航空器產(chǎn)業(yè)的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，內(nèi)部元件必須能夠在高溫下操作，通常高于1000EF(約540EC)。因?yàn)槿細(xì)廨啓C(jī)的效率取決于其操作溫度，持續(xù)需要具有較高耐熱能力的燃?xì)廨啓C(jī)元件。因?yàn)橛糜谌細(xì)廨啓C(jī)元件的材料需求已經(jīng)增大，已經(jīng)開發(fā)了各種加工方法、合金化成分和涂層以提高燃?xì)廨啓C(jī)元件的機(jī)械、物理和環(huán)境性能。

為了促進(jìn)抗氧化性和可接受的操作壽命，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部元件通常作為鑄件由高合金不銹鋼、鎳鈷合金鋼、鈷基合金和鎳基合金制造。這些合金依賴鉻和/或鎳作為合金添加劑，形成抗氧化的氧化皮(scale)作為能夠保護(hù)合金免于燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)高溫和氧化條件的表面涂層。因?yàn)檫@些鋼的鉻和鎳含量，例如在奧氏體不銹鋼中為約18重量％或者更多的鉻和約8重量％或者更多的鎳，在鎳鈷合金鋼、鈷基合金和鎳基合金中為約20重量％或者更多的鉻，和在鎳基合金中為約50重量％或者更多的鎳，氧化皮主要地為氧化鉻(氧化鉻；Cr₂O₃)和氧化鎳(NiO)。氧化皮有效地鈍化元件表面，防止元件表面處的進(jìn)一步腐蝕和抑制表面下面的腐蝕。盡管提供抗氧化性的優(yōu)點(diǎn)，這些合金通常比通常含有少于10重量％鉻和很少鎳(如果有的話)的低合金鋼和鐵昂貴得多。

熟知氧化鋁(氧化鋁；Al₂O₃)氧化皮可在許多高溫應(yīng)用中提供超過(guò)氧化鉻和氧化鎳的優(yōu)良防護(hù)。某些鎳基超合金例如RenéN5(美國(guó)專利第6074602號(hào))含有足夠量的鋁以促進(jìn)穩(wěn)定氧化鋁氧化皮的生長(zhǎng)。然而，在最初制造過(guò)程期間向熔融鋼合金中加入鋁是困難的，并且通常不實(shí)用或者不經(jīng)濟(jì)。

作為備選，可使用擴(kuò)散過(guò)程，比如包滲法(pack?cementation)、蒸氣相(氣相)鋁化(VPA)或化學(xué)氣相沉積(CVD)，將鋁擴(kuò)散至元件的表面。這樣的擴(kuò)散過(guò)程通常必需使元件表面與含鋁蒸氣反應(yīng)以形成在元件表面處的附加層和在附加層下面的擴(kuò)散區(qū)。附加層通常含有耐環(huán)境的金屬間相MAl(其中M為鐵、鎳或鈷，取決于基底材料)，擴(kuò)散區(qū)通常含有鋁與存在于基底中的元素的多種金屬間相和亞穩(wěn)相。盡管有效，擴(kuò)散鋁化物過(guò)程在鑄造之后需要包括熱處理的另外的處理步驟，其對(duì)一些應(yīng)用為不切實(shí)際的，并且在所有情況中均招致額外的成本和時(shí)間。

鑒于以上，持續(xù)希望制造鐵基合金鑄造產(chǎn)品，其含有相對(duì)低水平的合金化成分，然而能夠?qū)τ谟糜谌缛細(xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部元件的情況的高溫氧化環(huán)境呈現(xiàn)足夠的抗氧化性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供用于制造鑄造產(chǎn)品的鑄造方法，其中所述方法在鑄造產(chǎn)品中形成含鋁表面區(qū)域，其能夠在產(chǎn)品表面上形成抗氧化的含氧化鋁的氧化皮。本發(fā)明還提供適合于實(shí)施所述方法的面涂層和設(shè)備，以及通過(guò)所述方法制造的鑄造產(chǎn)品。

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，鑄造方法必需提供具有型腔的鑄模和在具有型腔內(nèi)鑄模表面上的連續(xù)固體面涂層。固體面涂層含有至少15重量％的含有金屬鋁和任選的活化劑的粉末。將熔融量的金屬合金引入到鑄模型腔中，使熔融的合金接觸固體面涂層。然后使鑄模冷卻以使熔融量的合金凝固并形成合金的鑄造產(chǎn)品。在鑄造過(guò)程期間，固體面涂層中的至少一部分金屬鋁擴(kuò)散到表面中，以在鑄造產(chǎn)品中形成含鋁表面區(qū)域。如果在固體面涂層中存在，活化劑通過(guò)與粉末反應(yīng)以形成揮發(fā)性鋁化合物，其然后在熔融合金的表面和/或接觸固體面涂層的鑄造產(chǎn)品反應(yīng)以使金屬鋁注入到表面中，而促進(jìn)金屬鋁擴(kuò)散到表面中。在自鑄模去除鑄造產(chǎn)品之后，由于鑄造產(chǎn)品表面區(qū)域的氧化，氧化皮能夠在鑄造產(chǎn)品表面上生長(zhǎng)。由于在鑄造過(guò)程期間注入到鑄造產(chǎn)品表面區(qū)域中的鋁的氧化，因而氧化皮含有氧化鋁。

本發(fā)明的另外方面包括用于形成以上所描述固體面涂層的面涂層凝膠，以及通過(guò)以上所描述方法制造的鑄造產(chǎn)品。氧化鋁氧化皮在鑄造產(chǎn)品的表面足夠連續(xù)，并且以足以起抑制鑄造產(chǎn)品表面氧化和腐蝕的鈍化層作用的量存在。

本發(fā)明的又一方面為用于以上所描述鑄造方法的固體面涂層，并且特別是利用鑄模的鑄造設(shè)備和鑄模的鑄模型腔表面上的連續(xù)固體面涂層。固體面涂層含有至少15重量％的含有金屬鋁和任選的活化劑的粉末。鑄模的型腔適應(yīng)于接受熔融量的金屬合金，以使熔融合金接觸固體面涂層。