專利名稱：低成本鑄造γ－TiAI用的整體式坩堝和鑄型的制作方法
相關(guān)申請的交叉參考本申請承認1997年1月27日的臨時申請60/036041題為低成本鑄造γ-TiAl用的整體式坩堝和鑄型的申請日期的受益。
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明一般地涉及鑄造用坩堝，更具體地說，本發(fā)明提供出一種單元式整體型的坩堝和熔模鑄型，以用來鑄造反應(yīng)性金屬，特別是復(fù)雜形狀的反應(yīng)性金屬。
相關(guān)技術(shù)描述反應(yīng)性金屬如鈦或鋁化鈦的溶化和鑄造是很困難的，這是因為該熔融金屬能與含有氧化鋁、鉻石或硅酸鹽的坩堝起反應(yīng)；在鑄造諸如鐵、鎳或鋁等金屬時，通常都使用這種坩堝。渦輪增壓器轉(zhuǎn)子通常是用鎳高溫合金來鑄造，這種合金利用具有鋯石表面涂層的熔模鑄型和附加在鑄型頂部的氧化鋁-硅酸鹽坩堝就可方便地溶化和澆鑄?？墒?，熔融的鋁化鈦會迅速地與氧化鋁-硅酸鹽坩堝起反應(yīng)而使鑄造不可能進行。
可供選擇的坩堝材料包括氧化釔(Y2O3)、氧化釷(ThO2)、氧化鈣(CaO)和其它奇異稀土元素的氧化物。氧化釷是放射性的，并有抗熱沖擊阻力很小的缺點。因此它尚未得到工業(yè)開發(fā)利用。但是，氧化釔坩堝的價格非常昂貴，要50至100美元。而用于鑄造鎳高溫合金的氧化鋁-硅酸鹽坩堝的價格卻小于1美元。由于鈦和鋁化鈦鑄造在多方面的應(yīng)用上可與鎳鑄造進行競爭，因此，氧化釔坩堝的高昂價格就使鈦和鋁化鈦鑄造因售價太高而失去市場。這對價格敏感的應(yīng)用如汽車應(yīng)用是特別重要的。
氧化鈣由于其熱穩(wěn)定性好，對鈦和鋁化鈦來說也是一種潛在的耐熔材料。Degawa等人的美國專利No.4,710,481中公開了在氧化鈣坩堝中溶化鈦和鈦合金。但是，氧化鈣具有高度的親水性，并在環(huán)境的大氣濕度水平下能自發(fā)地起水合作用。水合作用會伴隨著容積變化從而引起破裂和剝落。氧化鈣坩堝在暴露于大氣濕度下1小時就會自發(fā)地破裂。因此，氧化鈣用作坩堝材料在商業(yè)和工業(yè)環(huán)境下是不現(xiàn)實的。
由此可見，需要提供出一種能克服上述缺點的在工業(yè)上現(xiàn)實的鑄造鈦和鋁化鈦金屬的低價鑄型。本發(fā)明還有可能用于其它反應(yīng)性金屬如鋯合金的鑄造。還需要為鑄造反應(yīng)性的和非反應(yīng)性的金屬提供出低成本的、在工業(yè)上實現(xiàn)的、單元式的坩堝和熔模鑄型。
另外還需要提供出一種石墨或其它對感應(yīng)敏感的復(fù)合材料坩堝，它含有石墨，該石墨直接附著在熔模鑄型上，用以作γ-TiAl部件的鑄造，特別是需要提供出一種低成本熔模鑄造γ-TiAl渦輪增壓器轉(zhuǎn)子的方法。
發(fā)明概述為了克服現(xiàn)有技術(shù)的局限性并取得要求的質(zhì)量，本發(fā)明提供出了一種石墨坩堝，把它直接附著在鑄件外形復(fù)雜的熔模鑄型的頂部，構(gòu)成一個整體的單元，這里所公開的復(fù)雜鑄件的具體實施方案為一渦輪增壓器轉(zhuǎn)子。本發(fā)明還提供了一種制造整體式坩堝和鑄型的方法，其特征在于，該方法的步驟有在圓柱形石墨坩堝上附著一個可熔模型，以及圍繞該模型和坩堝的連接部分造出一個熔模殼型。該殼型是將模型和坩堝連接部分浸入惰性的作表面涂層用的陶瓷稀漿中而形成的，隨后讓該浸涂涂層部分地干燥和/或固化，再在浸涂涂層上加涂一層陶瓷灰泥，并層疊另外的浸涂層和灰泥層，以得到要求厚度的殼型。
后面詳細描述的本發(fā)明的實施方案將提供出一種單元式的坩堝/鑄型系統(tǒng)，它適用于在真空中在溫度超過1400℃的條件下鑄造金屬部件。
使用本發(fā)明的鑄造復(fù)雜部件的裝置這一方法，是利用γ-TiAl的快速溶化和澆鑄來避免沾染來自坩堝的碳。碳是已知的γ-TiAl的沾染物。在少量沾染、即低于2000ppm(重量％)的水平下，經(jīng)常碳的引入會改善γ-TiAl的蠕變性質(zhì)。但在沾染量大時，碳會強烈降低γ-TiAl的拉伸延展性。單元式石墨坩堝/熔模鑄型可防止γ-TiAl被坩堝的有害沾染，是因為這種設(shè)計能保證快速的熔化時間和低度的過熱，這兩個因素可使碳沾染的潛在可能性達到最小。
附圖簡述本發(fā)明的詳情和特性在詳細描述并參閱附圖以后將會更清晰地理解，附圖有

圖1為整體式石墨坩堝和熔模鑄型的垂直剖面圖；以及圖2為利用本發(fā)明的方法用γ-TiAl制造示范性的渦輪增壓器轉(zhuǎn)子的透視圖。
發(fā)明詳述本發(fā)明的一種實施方案如圖1所示。整體式坩堝和鑄型包括有一根圓柱形石墨套筒10，其底部12是用來接納聚苯乙烯可熔模型14的連接部分的，可熔模型14上有連結(jié)流道15。在所示實施方案中，連結(jié)流道是用蠟16密封附著在套筒上的。套筒的尺寸設(shè)計成容納要求數(shù)量的熔體坯17。熔模殼型18是借助于層疊表面涂層稀漿20和陶瓷灰泥22(為清晰起見只示出斷面的一部分)而形成的，該殼型延伸到并粘結(jié)在石墨套筒的底部連接部分上。經(jīng)焙燒后，模型即氣化，變硬的殼型層疊物即被固結(jié)在石墨空心筒上，構(gòu)成鑄造所需部件用的整體式坩堝和鑄型。套筒底面上的孔24為熔融的鑄造用金屬提供一個進入殼型的通道，而凸緣26則將熔體坯保留在坩堝內(nèi)供感應(yīng)加熱的位置上。
制造和使用本發(fā)明的裝置的方法包括的步驟有借助于把聚苯乙烯渦輪增壓器轉(zhuǎn)子模型的頂部浸入熱蠟中并將其插入石墨套筒底部的凹處來使聚苯乙烯模型加裝到圓柱形石墨套筒上。隨后圍繞聚苯乙烯模型和套筒下部構(gòu)成熔模殼型。此處所舉的具體方案是，熔模鑄型的制造方法是從將蠟或塑料制的形狀如所需鑄件的模型浸入用對γ-TiAl來說是惰性的任何陶瓷(如氧化釔或氧化鈣)配制的表面涂層稀漿中開始。形成氧化鈣表面涂層的一種適宜的稀漿已在系列號為08/644,598的共同未決的專利申請中公開，該專利申請題為“熔模制鑄造和鈦-鋁化物合金用的惰性氧化鈣表面涂層”，已轉(zhuǎn)讓給了與本發(fā)明同一個受讓人，該專利申請的全文在此以參考文獻的方式引入。
在浸涂涂層被部分干燥和/或固化后，在模型和坩堝下部區(qū)域再交替地加涂陶瓷灰泥和浸涂層，直到形成所需厚度的殼型。隨后該坩堝/熔模鑄型即可徹底干燥，然后在接近1000℃的溫度下在氧化性氣氛如空氣中焙燒不少于0.5小時。焙燒的結(jié)果是模型的完全氣化，其情形對“失蠟鑄造”領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是熟悉的。
此后，趁熱把坩堝/熔模鑄型組件從爐中轉(zhuǎn)移到鑄造間內(nèi)并抽真空。將一根圓柱形的鑄造用金屬的熔體坯插入坩堝。隨后借助于對石墨坩堝進行感應(yīng)加熱而使金屬迅速熔化。由于石墨是很強的感受器，因此坩堝被很快地加熱到γ-TiAl的熔化溫度。熔融的金屬借助于重力作用以最小的過熱度和滯留時間直接流入連接著的鑄型內(nèi)。滯留時間短和過熱度低可防止來自坩堝的碳的明顯沾染。由于坩堝/熔模鑄型的單元化設(shè)計使得滴落距離很短，這保證了細小斷面能夠注滿。較長的滴落距離(在坩堝/熔模鑄型系統(tǒng)分為兩件的情況下就會這樣)會因灌注管道區(qū)域的冷卻和過早固化而使?jié)沧⒉粷M。在冷卻后，澆注的金屬已成為原始的模型形狀，即可從模殼中取出。
實施例1一個用聚苯乙烯塑料做的渦輪增壓器轉(zhuǎn)子模型用蠟配裝到石墨坩堝底部的凹處，以使模型與坩堝連接起來。該塑料被浸入用氧化釔配制的表面涂層稀漿中，氧化釔表面涂層對γ-TiAl是惰性的。當(dāng)該浸涂涂層被部分干燥和/或固化后，就在模型以及石墨坩堝的下部區(qū)域交替地加涂陶瓷灰泥和浸涂涂層，直到形成所需厚度的殼型。隨后再多次被用燧石粒和氧化鋁-硅酸鹽粉末配制的支承性涂料作浸涂，以形成如圖1所示的整體的熔模鑄型。該包括有塑料渦輪增壓器模型的坩堝/熔模鑄型被徹底干燥后，于空氣中在接近1000℃的溫度下被焙燒0.5小時。然后，該石墨坩堝/渦輪增壓器熔模鑄型組件被趁熱從爐中移出，以鑄造用金屬的熔體坯加入，置于石英鐘罩下并抽真空。隨后石墨坩堝和金屬被感應(yīng)加熱而使金屬熔化。用該法制造的TiAl澆鑄轉(zhuǎn)子的圖形如圖2所示。
以上已按專利法的要求對本發(fā)明作了詳細的描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會承認，在此公開的具體實施方案可有多種變型和替換，這些變型和替換都是包括下述權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的范圍和意圖之內(nèi)的。
權(quán)利要求
1.一種制造澆鑄反應(yīng)性金屬用的整體式坩堝和鑄型的方法，它包括下列步驟將可熔模型加裝到圓柱形石墨套筒上；圍繞模型和套筒的連接部分形成一個熔模殼型；將殼型和所附著的套筒焙燒，使之完全固化，并使模型氣化。
2.權(quán)利要求1所定義的方法，其中將可熔模型附著到套筒的步驟包括將模型的連接部分浸入熱蠟中；以及將模型的連接部分插入石墨套筒的凹處。
3.權(quán)利要求1所定義的方法，其中形成熔模殼型的步驟包括將模型浸入表面涂層稀漿中；使浸涂涂層部分地干燥或固化；在模型以及套筒的連接部分交替地加涂陶瓷灰泥和浸涂層，直到形成所需厚度的殼型。
4.權(quán)利要求3所定義的方法，其中在加涂交替層的步驟之后，接著就使殼型徹底干燥。
5.權(quán)利要求1所定義的方法，其中的模型是用聚苯乙烯塑料制的。
6.權(quán)利要求1所定義的方法，其中焙燒是在氧化性氣氛例如空氣中、在接近1000℃溫度下進行不少于0.5小時。
7.權(quán)利要求3所定義的方法，其中在加涂交替層的步驟之后，接著就是加涂至少一層燧石粒和氧化鋁-硅酸鹽粉末的涂層。
8.權(quán)利要求3所定義的方法，其中表面涂層稀漿形成為惰性陶瓷。
9.權(quán)利要求8所定義的方法，其中惰性陶瓷中含有氧化釔。
10.權(quán)利要求8所定義的方法，其中惰性陶瓷中含有氧化鈣。
全文摘要
一種鑄造反應(yīng)性金屬用的整體式坩堝,它由石墨套筒和連接在其上的可熔模型結(jié)合而成,在模型外表上加涂有由表面涂層稀漿和陶瓷灰泥交替疊成的疊層,用以形成熔模殼型。該疊層伸展到套筒的連接部分上。殼型被焙燒后能使可熔模型氣化而留下套筒和殼型,即整體式坩堝。
文檔編號B22C9/04GK1244147SQ98802006
公開日2000年2月9日 申請日期1998年1月27日 優(yōu)先權(quán)日1997年1月27日
發(fā)明者J·C·拉薩勒, D·G·杰文斯, J·F·賴安 申請人:聯(lián)合訊號公司