含有鈦酸鈣的模具組合物及鑄造鈦和鋁化鈦合金的方法
【專利說(shuō)明】含有鈦酸鈣的模具組合物及鑄造鈦和鋁化鈦合金的方法
[0001]背景
現(xiàn)代燃?xì)饣蛉紵郎u輪必須滿足對(duì)于可靠性、重量、功率、經(jīng)濟(jì)性和操作使用壽命的最高需求。在這些渦輪的開發(fā)中，材料選擇、尋找新的合適材料以及尋找新的生產(chǎn)方法在符合標(biāo)準(zhǔn)和滿足需求方面尤其起重要作用。
[0002]用于燃?xì)鉁u輪的材料可包括鈦合金、鎳合金(還稱為超合金)和高強(qiáng)度鋼。對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)，鈦合金通常用于壓縮機(jī)部件，鎳合金適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱部件，并使用高強(qiáng)度鋼，例如，用于壓縮機(jī)殼體和渦輪殼體。受高載荷或應(yīng)力的燃?xì)鉁u輪組件，例如用于壓縮機(jī)的組件，例如通常為鍛造部件。另一方面，用于渦輪的組件通常體現(xiàn)為蠟?zāi)ｈT件。
[0003]雖然蠟?zāi)ｈT造不是一種新方法，但蠟?zāi)ｈT造市場(chǎng)持續(xù)增長(zhǎng)，因?yàn)閷?duì)更繁復(fù)和復(fù)雜的部件的需求在增加。因?yàn)閷?duì)高品質(zhì)、精密鑄造的巨大需求，仍持續(xù)需要開發(fā)新的方式，以更迅速、高效、便宜和更高品質(zhì)地制造蠟?zāi)ｈT件。
[0004]用于鑄造珠寶和牙齒修復(fù)行業(yè)的由熔凝二氧化硅、方石英、石膏等組成的常規(guī)蠟?zāi)；衔锿ǔ２灰擞糜阼T造反應(yīng)性合金，例如鈦合金。一個(gè)原因是因?yàn)槟＞哜伜拖災(zāi)Ｖg有反應(yīng)。
[0005]需要不與鈦和鋁化鈦合金顯著反應(yīng)的簡(jiǎn)單蠟?zāi)?。先前已?jīng)采用使用陶瓷殼模具的方法用于鈦合金鑄件。在現(xiàn)有實(shí)例中，為減少常規(guī)蠟?zāi)；衔锏南拗?，已開發(fā)數(shù)種另外的模具材料。例如，開發(fā)了氧化-膨脹類型的蠟?zāi)；衔?，其中氧化鎂或氧化鋯用作主要成分，并將金屬鋯添加到主要成分，以補(bǔ)償由于鑄件金屬固結(jié)造成的收縮。因此還需要簡(jiǎn)單和可靠的蠟?zāi)ｈT造方法，其允許容易地從不與金屬或金屬合金顯著反應(yīng)的蠟?zāi)Ｌ崛〗鼉粜谓饘倩蚪饘俸辖稹?br>[0006]概述
本公開的各方面提供克服常規(guī)技術(shù)限制的鑄模組合物、鑄造方法和鑄件制品。雖然本公開的一些方面可涉及制造用于航空航天工業(yè)的組件，例如發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片，但本公開的各方面可用于制造任何工業(yè)中的任何組件，特別是含有鈦和/或鈦合金的那些組件。
[0007]本公開的一個(gè)方面是用于鑄造含鈦制品的模具組合物，包含:鈦酸鈣；和包含單鋁酸鈣的鋁酸鈣水泥。在一個(gè)特定的實(shí)施方案中，鋁酸鈣水泥包含單鋁酸鈣和二鋁酸鈣。在另一個(gè)特定的實(shí)施方案中，鋁酸鈣水泥包含單鋁酸鈣和鈣鋁石。在另一個(gè)特定的實(shí)施方案中，鋁酸鈣水泥包含單鋁酸鈣、二鋁酸鈣和鈣鋁石。
[0008]在一個(gè)實(shí)例中，用于制造模具的初始鋁酸鈣-液體水泥混合物中的固體百分比為約60-約80%。在另一個(gè)實(shí)例中，用于制造模具的帶有鈦酸鈣和大尺寸氧化鋁的最終鋁酸鈣-液體水泥混合物中的固體百分比為約65%-約90%。固體百分比定義為混合物中總固體除以混合物中液體和固體的總質(zhì)量，按百分?jǐn)?shù)描述；固體百分比還稱為固體載量。
[0009]在一個(gè)實(shí)施方案中，模具組合物中的鈦酸鈣包含外尺寸小于約100微米的顆粒。在一個(gè)特定的實(shí)施方案中，鈦酸鈣占模具組合物的約15%重量-約50%重量。在一個(gè)實(shí)施方案中，模具組合物進(jìn)一步包含中空氧化鋁顆粒。本公開的另一個(gè)方面是包含鋁酸鈣的含鈦制品鑄模組合物。例如，本公開的一個(gè)方面可獨(dú)特地適合于提供要在用于鑄造含鈦和/或含鈦合金制品或組件(例如含鈦渦輪葉片)的模具中使用的模具組合物。在一個(gè)方面，鑄模組合物可進(jìn)一步包含氧化鋁，例如外尺寸小于約10，000微米(即，10毫米，mm)的氧化鋁顆粒。在另一個(gè)實(shí)施方案中，氧化鋁包含可具有約10微米[Mm]-約10，000微米(即，1mm)外尺寸的顆粒。
[0010]在一個(gè)實(shí)施方案中，模具組合物中的氧化鋁可占模具組合物的約0.5%重量-約80%重量。在一個(gè)特定的實(shí)施方案中，模具組合物中的氧化鋁占模具組合物的約5%重量-約60%重量。在另一個(gè)方面，氧化鋁可占鑄模組合物的約15%重量-約30%重量。在另一個(gè)方面，氧化鋁可占鑄模組合物的約40%重量-約60%重量。在另一個(gè)方面，氧化鋁可占鑄模組合物的約40%重量-約68%重量。在又一個(gè)實(shí)施方案中，氧化鋁為包含約99%重量的氧化鋁的中空顆粒形式，且可具有約10000微米或更小的外尺寸。
[0011]在一個(gè)實(shí)施方案中，鑄模組合物中的鋁酸鈣可作為鋁酸鈣水泥的形式提供，例如作為包含單鋁酸鈣的鋁酸鈣水泥。在另一個(gè)實(shí)施方案中，鋁酸鈣水泥可包含單鋁酸鈣和二鋁酸鈣。在另一個(gè)實(shí)施方案中，鋁酸鈣水泥可包含單鋁酸鈣和鈣鋁石。在另一個(gè)實(shí)施方案中，鋁酸鈣水泥可包含單鋁酸鈣、二鋁酸鈣和鈣鋁石。在一個(gè)方面，單鋁酸鈣的重量分?jǐn)?shù)為0.05-0.95，二鋁酸鈣的重量分?jǐn)?shù)為0.05-0.80，且鈣鋁石的重量分?jǐn)?shù)為0.01-0.30。在一個(gè)實(shí)施方案中，單鋁酸鈣占約0.1-約0.8的重量分?jǐn)?shù)；二鋁酸鈣占約0.1-約0.6的重量分?jǐn)?shù)；鈣鋁石占約0.01-約0.2的重量分?jǐn)?shù)。在又一個(gè)實(shí)施方案中，鋁酸鈣水泥中的單鋁酸鈣的重量分?jǐn)?shù)大于約0.5，且鋁酸鈣水泥中的鈣鋁石的重量分?jǐn)?shù)小于約0.15。在一個(gè)實(shí)施方案中，鋁酸鈣水泥的顆粒尺寸為約50微米或更小。在另一個(gè)實(shí)施方案中，鋁酸鈣水泥大于鑄模組合物的30%重量。
[0012]在一個(gè)實(shí)施方案中，鑄模組合物進(jìn)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，或它們的組合。在另一個(gè)實(shí)施方案中，氧化物顆?？梢允侵锌昭趸镱w粒。在一個(gè)實(shí)施方案中，中空氧化物顆?？梢允侵锌昭趸N(即氧化銷(aluminum oxide))球。在一個(gè)實(shí)施方案中，鑄模組合物可進(jìn)一步包括氧化媽。
[0013]根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方案，鋁酸鈣水泥中的氧化鈣可大于鑄模組合物的約10%重量和小于約60%重量。例如，氧化鈣可大于最終鑄模組合物的約30%重量和小于約50%重量，或氧化鈣可大于最終鑄模組合物的約25%重量和小于約35%重量。
[0014]根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方案，模具中的氧化鈦可大于鑄模組合物的約5%重量和小于約55%重量。例如，氧化鈦可大于鑄模組合物的約10%重量和小于約40%重量，或氧化鈦可大于鑄模組合物的約15%重量和小于約35%重量。
[0015]在一個(gè)實(shí)施方案中，鑄模組合物進(jìn)一步包含二氧化硅。如本文提供，二氧化硅可通過(guò)將膠態(tài)二氧化硅與鋁酸鈣水泥混合而摻入鑄模組合物中。
[0016]在一個(gè)實(shí)施方案中，鑄模組合物可用于蠟?zāi)ｈT模，例如，本公開的各方面可用于提供“近凈形”組件(例如近凈形含鈦渦輪葉片等)的模具所用的蠟?zāi)ｈT模組合物。在一個(gè)實(shí)施方案中，提供蠟?zāi)ｈT模組合物用于鑄造近凈形鋁化鈦制品，例如近凈形鋁化鈦渦輪葉片。
[0017]本公開的一個(gè)方面是形成用于鑄造含鈦制品的鑄模的方法。該方法可通常包含:將鋁酸鈣和鈦酸鈣與液體例如水組合，以產(chǎn)生鋁酸鈣和鈦酸鈣在液體中的漿料；將漿料引入含有暫時(shí)模板(fugitive pattern)的模腔內(nèi)；和使楽料在模腔中固化以形成模具，例如用于鑄造含鈦制品的模具。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述方法可進(jìn)一步包括在將漿料引入模腔內(nèi)之前將氧化物顆粒弓I入漿料中。在另一個(gè)實(shí)施方案中，該方法可進(jìn)一步包括在將鋁酸鈣與鈦酸鈣組合之前或在將鋁酸鈣與鈦酸鈣組合的基本同時(shí)，將二氧化硅(例如膠態(tài)二氧化硅和/或顆粒二氧化硅)與鋁酸鈣混合。形成的模具可以是坯模(green mold)，即未固化的模具，該方法可進(jìn)一步包含燒灼坯模。氧化鈣和氧化鈦可作為鈦酸鈣添加，或氧化鈣和氧化鈦的單獨(dú)顆粒的組合；這些將是尺寸小于50微米的細(xì)尺寸顆粒。若鈦酸鈣作為氧化鈣和氧化鈦的單獨(dú)顆粒的組合來(lái)添加，則顆?？稍谀＞邿蒲h(huán)期間反應(yīng)以產(chǎn)生鈦酸鈣。在一個(gè)實(shí)施方案中，鈦酸鈣作為預(yù)配制鈦酸鈣而不是作為氧化鈣和氧化鈦來(lái)添加。
[0018]在另一個(gè)實(shí)施方案中，形成的鑄?？梢允窍?zāi)ｈT模，例如用于蠟?zāi)ｈT造含鈦制品。在一個(gè)實(shí)施方案中，含鈦制品包含鋁化鈦制品，例如近凈形鋁化鈦制品，例如近凈形鋁化鈦渦輪葉片。
[0019]此外，本公開的一個(gè)方面是從本文陳述的鑄模組合物形成的模具。亦即，在一個(gè)實(shí)施方案中，本公開涉及由包含鋁酸鈣水泥的鑄模組合物形成的模具。本公開的另一個(gè)方面涉及在前述模具中形成的含鈦制品。
[0020]在又一個(gè)實(shí)施方案中，制品包含金屬制品，例如含鈦金屬制品。在一個(gè)方面，制品包含鋁化鈦渦輪葉片。在又一個(gè)實(shí)施方案中，制品包含在安裝前需要極少材料去除或不需要材料去除的近凈形鋁化鈦渦輪葉片。
[0021]本公開的一個(gè)方面涉及用于鈦和鈦合金的鑄造方法，該方法包含:獲得包含鋁酸鈣、鈦酸鈣和氧化鋁的蠟?zāi)ｈT模組合物；將所述蠟?zāi)ｈT模組合物倒入含有暫時(shí)模板的容器中；固化所述蠟?zāi)ｈT模組合物；從模具去除所述暫時(shí)模板；將模具預(yù)熱至模鑄溫度；將熔融的鈦或鈦合金倒入加熱的模具中；使熔融的鈦或鈦合金固結(jié)并形成固結(jié)的鈦或鈦合金鑄件；并從模具移除固結(jié)的鈦或鈦合金鑄件。
[0022]在一個(gè)實(shí)施方案中，在從模具去除所述暫時(shí)模板和預(yù)熱模具至模鑄溫度之間，模具可以首先加熱到約450°C -約1200°C的溫度，然后冷卻至室溫或保持在約450°C -約850°C的鑄造溫度下。在一個(gè)實(shí)施方案中，在I小時(shí)-48小時(shí)之間，在低于約30°C的溫度下進(jìn)行固化步驟。在另一個(gè)實(shí)施方案中，去除暫時(shí)模板包含熔化、溶解、灼燒、烘箱脫蠟、爐脫蠟、蒸汽壓熱脫蠟或微波脫蠟。在一個(gè)實(shí)施方案中，在從模具移除固結(jié)的鑄件后，可通過(guò)X射線和/或中子射線照相術(shù)檢查鑄件。
[0023]本公開的一個(gè)方面涉及由本文所述的鑄造方法制成的鈦或鈦合金制品。也就是，在一個(gè)實(shí)施方案中，本公開涉及由該鑄造方法制成的鈦或鈦合金，該方法包含:獲得包含鋁酸鈣、鈦酸鈣和氧化鋁的蠟?zāi)ｈT模組合物；將所述蠟?zāi)ｈT模組合物倒入含有暫時(shí)模板的容器中；固化所述蠟?zāi)ｈT模組合物；從模具去除所述暫時(shí)模板；將模具預(yù)熱至模鑄溫度；將熔融的鈦或鈦合金倒入加熱的模具中；使熔融的鈦或鈦合金固結(jié)；并從模具移除固結(jié)的鈦或鈦合金鑄件。
[0024]本公開的一個(gè)方面涉及包含鈦或鈦合金，而且在其表面區(qū)域的至少一部分上平均粗糙度Ra為小于約20微英寸的渦輪葉片。
[0025]本公開的這些和其它方面、特征和優(yōu)勢(shì)將由本公開各方面的以下詳述結(jié)合附圖而變得顯而易見(jiàn)。
[0026]附圖簡(jiǎn)述在說(shuō)明書結(jié)尾的權(quán)利要求中特別指出和清楚要求保護(hù)認(rèn)為是本發(fā)明的主題。本公開的上述和其它特征和優(yōu)勢(shì)將由本發(fā)明各方面的以下詳述結(jié)合附圖而容易地理解，其中:
圖1是二元氧化鈣-氧化鋁相圖，其顯示可存在于鋁酸鈣水泥中作為氧化鋁百分比的函數(shù)的組成相，氧化鋁百分比在X軸上，溫度在y軸上。圖1還顯示初始鋁酸鈣水泥的不同氧化鈣-氧化鋁組成范圍，特別顯示對(duì)于根據(jù)公開實(shí)施方案的初始水泥組成的氧化鋁百分比和溫度范圍。圖1是平衡相圖，且提供考慮存在于非平衡鋁酸鈣水泥中的相的手段，所述非平衡鋁酸鈣水泥用于如本公開中實(shí)踐地制造模具。
[0027]圖2A-2B顯示用于一個(gè)實(shí)施方案中的模具的氧化鋁、氧化鈣和氧化鈦的組成范圍。這些本體組成范圍顯示所用的本體組成，其提供構(gòu)成模具的例如鋁酸鈣、鈦酸鈣、氧化鋁的相。圖2A顯示對(duì)于一個(gè)實(shí)施方案中的模具組成的氧化鋁、氧化鈣和氧化鈦的范圍，以重量百分?jǐn)?shù)計(jì)的本體三元組成空間。圖2B顯示對(duì)于另一個(gè)實(shí)施方案中的模具組成的氧化鋁、氧化媽和氧化鈦的范圍的本體三元組成空間。
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