[發明專利]用于BRIDGMAN熔模鑄造過程中的晶粒啟動機的復合材料幾何設計

有效

• 申請號: 201410192877.5
• 申請日: 2014-05-08
• 公開（公告）號: CN104139175B
• 公開（公告）日: 2017-09-15
• 發明（設計）人: 劉山;W.T.金;S.拉哈文;A.S.佩克;D.納拉亞納
• 申請（專利權）人: 通用電氣公司
• 主分類號: B22D27/04
• 分類號: B22D27/04;B22C9/04
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 肖日松,嚴志軍

技術領域

本發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的凝固界面的冷卻速率的晶粒啟動機(grain starter)。

背景技術

Bridgman方法用于通過熔模鑄造而制備制品，如渦輪機葉片。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構或定向凝固的柱狀晶粒。具有這種定向凝固的晶粒結構的制品特別適于其中制品所經受的主應力平行于定向凝固晶粒結構的用途。

熔模鑄造涉及使用蠟模復制待鑄造的制品。可將蠟注入金屬或塑料模具中，所述金屬或塑料模具具有制品形狀的腔體。蠟模也復制澆注/冒口/澆道系統，所述澆注/冒口/澆道系統用于進料熔融金屬以形成制品。然后圍繞蠟模構建陶瓷外殼。可通過將蠟模多次浸入一種或多種陶瓷漿料而構建外殼。所述一種或多種陶瓷漿料包含粘結劑/添加劑以協助將漿料固定至蠟模。當然，首先施用的陶瓷層或表面涂層是關鍵的，因為其在鑄造時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，以提供改進的表面光潔度。

將蠟模多次浸入陶瓷層中，例如直至12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。

在已完成熔模或外殼構建之后，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，預熱模具以燃盡任何粘結劑，同時模具的陶瓷壁產生足夠的強度以承受澆鑄操作。接著檢查外殼模具的裂紋和可能已分離的碎片，因為這種剝落的外殼碎片可在澆鑄制品中導致缺陷。

可將陶瓷包裹墊施用于預定位置，以改進金屬的進料。然后預熱模具，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。可隨后將金屬或合金澆注至模具中，當金屬或合金冷卻時，其形成制品。在凝固完成之后，可隨后去除陶瓷模具。

Bridgman過程使用上述熔模鑄造過程。將經預熱的陶瓷模具轉移至澆鑄機的模具室，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。當熔融溫度穩定時，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置于熱室下方的冷硬板從保持在金屬熔點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入冷室，熱通過冷硬板從模具中排放，從而產生起始于冷硬板的在模具中的金屬晶體的定向生長，且定向凝固前進至熔融金屬。熱也通過從模具表面輻射而散發，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，但通常為數英寸/小時，并可根據凝固中的制品的幾何結構而變化。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。

Bridgman方法成功制得具有薄壁的具有基本上規則的橫截面的定向凝固的單晶制品。規則橫截面包括其中以幾乎均勻的方式從前進凝固前沿排放熱，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，從而導致界面遠離模具側面至更進一步落后于鄰近模具的熔融界面。

伴隨制品橫截面的突然增加的熱流的改變可導致前進的凝固前沿前方的熔融金屬區域的過冷。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。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期用途(如安裝于渦輪機中的渦輪機葉片)時所經受的主應力。已證實與這些雜散晶粒相關的晶界為裂紋引發的來源，從而不利地影響蠕變壽命/疲勞壽命，并導致定向凝固的制品在其中制品的蠕變/疲勞性質重要的環境中過早疲勞。

需要一種創新性的晶粒啟動機設計，其改變前進的凝固前沿，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的不利的大角度晶界。

發明內容