[發明專利]用于鑄造鈦和鋁化鈦合金的鑄模組合物和方法

有效

• 申請號: 201280052944.2
• 申請日: 2012-10-12
• 公開（公告）號: CN103889614A
• 公開（公告）日: 2014-06-25
• 發明（設計）人: B.P.布萊
• 申請（專利權）人: 通用電氣公司
• 主分類號: B22C1/06
• 分類號: B22C1/06;C04B28/06;B22D21/00
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 童春媛;林森

背景

現代燃氣輪機或燃氣渦輪機必須對可靠性、重量、功率、經濟和運行工作壽命滿足最高要求。在這些渦輪機的研發中，其中材料選擇、對新適合材料的研究和對新制造方法的研究等在符合標準和滿足要求方面起著重要作用。

用于燃氣渦輪機的材料可包括鈦合金、鎳合金(也稱為超合金)和高強度鋼。對于飛機發動機，鈦合金一般用于壓縮機部件，鎳合金適用于飛機發動機的熱部件，高強度鋼用于例如壓縮機殼體和渦輪機殼體。高負荷或高應力燃氣渦輪機組件，例如，用于壓縮機的組件，一般為鍛造部件。另一方面，用于渦輪機的組件，一般體現為熔模鑄造部件。

雖然熔模鑄造不是新方法，但隨著對更錯綜復雜部件的需求增加，熔模鑄造市場不斷擴大。由于對高品質精密鑄件的極大需求，持續需要研發一種更快、有效、便宜和更高品質地制造熔模鑄件的新方法。

在鑄造寶石和假牙業中使用的由熔融二氧化硅、方英石、石膏等組成的常規熔模鑄造鑄模化合物一般不適用于鑄造反應性合金，例如鈦合金。一個原因是由于在模制的鈦和熔模鑄造鑄模之間有反應。

需要不與鈦和鋁化鈦合金顯著反應的簡單熔模鑄造鑄模。以前已采用以陶瓷殼模用于鈦合金鑄件的途徑。在現有實例中，為了減少常規熔模鑄造鑄模化合物的限制，已研發數種另外的鑄模材料。例如，研發了一種氧化-膨脹類型的熔模鑄造化合物，其中用氧化鎂或氧化鋯作為主要組分，并將金屬鋯加到主要組分，以補償由于鑄造金屬固化導致的收縮。因此，也需要一種簡單可靠的熔模鑄造方法，所述方法允許從不與金屬或金屬合金顯著反應的熔模鑄造鑄模中容易地取出近終形(near-net-shape)金屬或金屬合金。

概述

本公開的方面提供克服常規技術限制的鑄模組合物、鑄造方法和鑄造制品。雖然本公開的一些方面可指向制造用于航空航天業的組件，例如發動機渦輪機葉片，但本公開的方面可用于制造任何工業中的任何組件，具體地講，包含鈦和/或鈦合金的那些組件。

本公開的一個方面是用于鑄造含鈦制品的鑄模組合物，所述鑄模組合物包含鋁酸鈣水泥，該鋁酸鈣水泥包含一鋁酸鈣、二鋁酸鈣和鈣鋁石。在一個實施方案中，鑄模組合物進一步包含氧化鋁的中空顆粒。本公開的另一個方面為包含鋁酸鈣的含鈦制品鑄模組合物。例如，本公開的一個方面可獨特地適于提供用于鑄造含鈦和/或含鈦合金的制品或組件(例如，含鈦渦輪機葉片)的鑄模中使用的鑄模組合物。在一個方面，鑄模組合物可進一步包含氧化鋁，例如外部尺寸小于約10000微米的氧化鋁顆粒。在另一個實施方案中，氧化鋁包含可具有約10微米[μm]至約10,000微米外部尺寸的顆粒。

在一個實施方案中，鑄模組合物中的氧化鋁可占鑄模組合物約0.5%重量至約80%重量。在另一個方面，氧化鋁可占鑄模組合物約40%重量至約60%重量。在另一個方面，氧化鋁可占鑄模組合物約40%重量至約68%重量。在另一個實施方案中，氧化鋁為中空顆粒的形式，占氧化鋁的約99%重量，并且可具有約10000微米或更小的外部尺寸。

在一個實施方案中，鑄模組合物中的鋁酸鈣可以鋁酸鈣水泥的形式提供，例如，作為包含一鋁酸鈣、二鋁酸鈣和鈣鋁石的鋁酸鈣水泥。在一個方面，一鋁酸鈣的體積分數為0.05-0.95，二鋁酸鈣的體積分數為0.05-0.80，鈣鋁石的體積分數為0.01-0.30。在一個實施方案中，一鋁酸鈣的體積分數為約0.1至約0.8，二鋁酸鈣的體積分數為約0.1至約0.6，鈣鋁石的體積分數為約0.01至約0.2。在另一個實施方案中，鋁酸鈣水泥中一鋁酸鈣的體積分數大于約0.5，鋁酸鈣水泥中鈣鋁石的體積分數小于約0.15。在一個實施方案中，鋁酸鈣水泥具有約50微米或更小的粒徑。在另一個實施方案中，鋁酸鈣水泥占鑄模組合物的大于30%重量。

在一個實施方案中，鑄模組合物進一步包含氧化物顆粒，例如氧化鋁顆粒、氧化鎂顆粒、氧化鈣顆粒、氧化鋯顆粒、氧化鈦顆粒和/或氧化硅顆粒或其組合。在另一個實施方案中，氧化物顆粒可為中空氧化物顆粒。在一個實施方案中，中空氧化物顆粒可以為中空礬土(即，氧化鋁)球。在一個實施方案中，鑄模組合物可進一步包含氧化鈣。根據本公開的一個實施方案，鋁酸鈣水泥中的氧化鈣可占鑄模組合物大于約10%重量且小于約50%重量。例如，氧化鈣可占鑄模組合物大于約30%重量且小于約50%重量，或者氧化鈣可占鑄模組合物大于約25%重量且小于約35%重量。