使用定向冷卻的失蠟鑄造法制造部件的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬部件領域，所述金屬部件為比如通過在殼模中鑄造金屬獲得的渦輪機葉片，并且涉及一種通過柱狀或單晶式定向凝固制造這些部件的方法。
【背景技術】
[0002]通過失蠟鑄造制造金屬部件的方法包括以下相繼步驟。首先，用蠟或另一種臨時性材料生產待被制造的部件的模型。在適用的情況下，模型圍繞同樣由蠟制成的中央圓筒連接為一簇。由陶瓷材料制成的殼隨后通過連續(xù)浸泡在適合組分的粉槳(包括懸浮在液體中的陶瓷材料顆料)中、替代性地通過噴灑耐火砂形成在這樣組裝的模型上。隨后蠟模型在通過對由此形成的殼模進行加熱來固結時被去除。接下來的步驟包括將熔融金屬合金(特別是鎳基高溫合金)倒入殼模中，并且隨后對獲得的部件進行冷卻以根據期望的單晶結構使部件定向凝固。在凝固后，通過敲擊去除殼以便從殼中取出部件。最后，實施精加工步驟以便去除多余材料。
[0003]冷卻和凝固步驟因此得到控制。金屬合金的凝固為從液相改變至固相，定向凝固包括沿給定方向發(fā)展熔融金屬池中的“核”的生長，從而通過控制熱梯度和凝固速度避免了新核的出現。定向凝固可以為柱狀式或單晶體式。柱狀定向凝固包括沿同一方向定向所有的晶粒接點，從而晶粒接點不會促成裂縫的傳播。單晶定向凝固包括完全消除晶粒接點。
[0004]定向柱狀或單晶凝固以下述眾所周知的方式實施:通過將殼模(在其底部敞開)放置在冷卻的爐床上，隨后，將組件引入能夠將陶瓷模具保持在高于待鑄造合金的液相線的溫度下的加熱設備中。一旦實施鑄造，位于設置在殼模的底部處的開口中的金屬幾乎在與冷卻爐床接觸的瞬時凝固并且凝固大約一厘米的有限高度，在該有限高度內金屬具有等軸粒狀結構，即，金屬在該有限高度內的凝固在無任何優(yōu)選方向下自然地發(fā)生。在有限高度以上，由于所施加的外部熱量，金屬保持在液體狀態(tài)。爐床在控制速度下向下移動以便從加熱裝置中取出陶瓷模具，從而導致金屬的逐漸冷卻，金屬從模具的底部到模具的頂部繼續(xù)凝固。
[0005]柱狀定向凝固通過在爐床移動的操作期間在液固相變化區(qū)域中在質量和方向方面維持適當溫度梯度來獲得。這使得能夠防止在凝固前沿的前方產生新核的過熔。因此，唯一允許晶粒成長的核為等軸區(qū)域中預先存在的、與冷卻爐床接觸而凝固的那些核。由此獲得的柱狀結構由一系列狹長晶粒組成。
[0006]單晶定向凝固還包括在待鑄造部件與冷卻爐床之間插置擋板或者晶粒選擇器或者單晶核；控制熱梯度和凝固速度使得在凝固前沿的前方不會產生新核。在冷卻后成為單晶鑄造部件。
[0007]當希望對鑄造部件提供特別的機械和物理特性時，通常使用柱狀或單晶定向凝固技術制造鑄造部件，特別是渦輪機葉片。當鑄造部件為渦輪機葉片時情況尤其如此。
[0008]附加地，如本身已知的，當使用具有或不具有定向凝固的失蠟鑄造方法時，使用反饋器以便去除待制造部件的端部區(qū)域中的氣孔缺陷。實際上，當生產蠟模型時會設置多余的容積，設置這些多余容積用以克服凝固后部件的易于具有氣孔缺陷的區(qū)域。當制造殼時，多余的容積導致殼內的額外容積，多余容積在鑄造期間以與殼的其他部分相同的方式填充熔融金屬。反饋器為填充殼內多余容積的凝固金屬的儲存器。當出現氣孔缺陷時，氣孔缺陷隨后移入至反饋器中，并不再位于制造的部件本身中。隨后，一旦金屬凝固并冷卻，反饋器在例如通過機械加工、切削或研磨的部件精加工操作期間去除。
[0009]如以申請人名義在專利FR2724857中描述的，還已知一種用于制造單晶葉片(比如渦輪噴嘴)的方法，所述單晶葉片包括相對于葉身的母線橫向的兩個平臺之間的至少一個葉片。根據該方法的方式，模具在其頂部供給熔融金屬。執(zhí)行定向凝固(定向凝固的前沿從底部到頂部豎直行進)，并且通過放置在模具的底部處的選擇裝置選擇單個單晶晶粒，并且在出口處存在預定取向并且與豎直方向一致的單個晶粒。
[0010]本發(fā)明涉及制造具有至少一個空腔的部件，并且該部件的蠟模型圍繞陶瓷芯體鑄造。當熔融金屬倒入時，芯體在部件內保留與所需空腔對應的容積。對渦輪機葉片，以此方式生產冷卻流體流經的空腔。
[0011]根據已知的制造方法，用于渦輪機葉片的陶瓷芯體包括各自位于每個縱向端處的兩個保持跨部或凸耳。模型制備成使得在芯體的位于模具的頂部中的基部區(qū)域中限定陶瓷芯體的嵌入或錨定。根據該技術，之所以如此是因為芯體和蠟模型以基部位于頂部處且頂部位于底部處的方式安裝。因此，在陶瓷鑄造操作后，形成的陶瓷殼將芯體鎖定在該區(qū)域中。在鑄造期間，熔融金屬填充由預先已去除的蠟釋放的空腔。熔融金屬占據芯體和殼的壁之間的空間。隨后，通過向下拉動爐的放置了殼的爐床來實行凝固，凝固從若干金屬晶粒凝固的開始部擴展并隨后繼而擴展到葉片的頂部，葉身和根部。在凝固中，金屬在凝固開始部分中的端跨部處產生芯體的第二錨定。隨后，芯體保持在兩個端部處并在壓縮下產生應力。因此，芯體通過撓曲發(fā)生變形。芯體不再遵從其理論位置，并且在部件上可能出現缺陷:金屬壁厚可能不再符合規(guī)定，或者芯體在兩端處的兩個嵌入應力的作用下通過撓曲擊穿葉片的金屬壁。在這兩個情況下，必須廢棄部件。
[0012]此外，在凝固開始時定位嵌入具有擾亂凝固前沿的缺陷，并伴隨出現產生寄生晶?；蚨ㄏ蛘系K的風險。此外，在單晶的情況下，還存在在嵌入區(qū)域的任意一側上重新附著增長邊緣的缺陷。

【發(fā)明內容】

[0013]因此，本發(fā)明的主題是克服了以上陳述的問題的制造部件的方法。
[0014]根據本發(fā)明的使用失蠟鑄造法制造金屬部件的方法，所述金屬部件由鎳合金制成、具有柱狀或單晶結構并具有至少一個細長形空腔，所述制造方法包括以下步驟:生產部件的蠟模型，所述蠟模型具有與所述空腔相對應的陶瓷芯體，陶瓷芯體包括位于縱向端處的第一保持跨部和位于相反端處的第二保持跨部；
[0015]圍繞模型制造殼模，模具包括基部并且芯體的第一跨部與基部位于同一側上；
[0016]將模具以基部放置在爐床上的方式放置在爐中；
[0017]將熔融合金倒入殼模中；
[0018]通過從爐床開始沿傳播方向逐漸冷卻定向凝固倒入的金屬；
[0019]其特征在于，芯體通過芯體的第一跨部與模具的壁之間的錨定構件固定至殼模，芯體的第二跨部通過在模具的壁上滑動的保持構件保持在模具中。
[0020]由于芯體沒有通過在其兩端錨定被保持，因此本發(fā)明的方案避免了芯體在定向凝固的傳播期間的變形。因此，芯體不會受模具與芯體之間的膨脹系數差可能導致的力被壓縮。此外，不存在產生寄生晶粒的風險或主晶粒的重新附著的缺陷。
[0021]本發(fā)明的方案還保證芯體在部件的從部件的蠟模型到鑄造及凝固的整個加工階段期間的位置。
[0022]有利地，錨定構件包括桿，更具體地，桿由耐火陶瓷例如氧化鋁制成，桿穿過第一跨部和模具的壁。優(yōu)選地，陶瓷桿具有大約I毫米的較小直徑。桿穿過蠟模型和芯體，蠟模型和芯體預先加工有直徑比桿的直徑稍大的穿孔以便避免在該位置引起的應力。
[0023]根據另一個特征，滑動保持構件由形成在跨部與模具的壁之間的空間形成，該空間通過在生產模型時沉積在跨部的表面上的膨脹清漆膜獲得。清漆隨后在模具脫蠟操作期間被去除。例如，清漆為指甲油式的材料，從而使每層能夠獲得百分之幾毫米的厚度。適用于該應用的清漆包括溶劑、樹脂、硝化纖維、增塑劑。例如，本發(fā)明的方法中可以使用諸如商品名“All formulae Peggy Sage nail polish”下出售的“觸變基”的清漆。
[0024]膜更準確地置于第二跨部與模具的壁之間。膜在殼模形成之前涂覆于第二跨部的平行于冷卻傳播方向(即，在可移動爐床的情況下，平行于可移動爐床的推動方向)的表面。優(yōu)選地，清漆膜非常薄，大約為百分之3至5毫米。其目的是首先防止在脫蠟后模具的壁在此區(qū)域粘附至芯體，其次在脫蠟后產生薄的自由空間以允許第二跨部相對于模具的縱向引導并防止模具對芯體施加壓力。
[0025]第二跨部的不平行于凝固傳播方向的軸線(即，推動軸線)的表面在一開始被蠟的沉積物覆蓋使得在脫蠟后在第二跨部的表面與模具的壁之間提供空間。該空間在倒入熔融金屬期間防止殼的壁與芯體的第二跨部之間的接觸，并防止此區(qū)域中的芯體在凝固期間的受壓。通常，對于具有100至200_長度的部件，蠟的沉積物的厚度為大約1_，即，部件長度的大約1%。
[0026]本方法允許同時制造多個部件。用于所述部件的模型在該情況中在殼模內一起聚集為一簇。
[0027]本方法適用于制造至少一個具有柱狀結構的金屬部件，用于萌發(fā)晶體結構的構件設置在模具與爐爐床之間。
[0028]本方法適用于制造至少一個具有單晶結構的部件，晶粒選擇器設置在成核元件與模具之間。
[0029]本發(fā)明特別適用于制造渦輪機葉片，第一跨部位于葉片的葉射的頂部的延伸部中，第二跨部位于葉片的根部的延伸部中。
[0030]有利地，本方法使用爐，爐的爐床能夠在使金屬熔融的熱區(qū)域與使金屬凝固并且爐床自身被冷卻的冷卻區(qū)域之間豎直移動。
【附圖說明】
[0031]參照附圖，根據本發(fā)明的以下以非限定性示例給出的實施方式的描述，其他特征和優(yōu)點將變得更加明顯。其中，
[0032]圖1描繪了可以根據本發(fā)明的方法獲得的渦輪機葉片；
[0033]圖2示意性地描繪了渦輪機葉片的陶瓷芯體；
[0034]圖3描繪了從側面看到的圖2的芯體；
[0035]圖4示意性描繪了具有圖2的芯體的蠟模型；
[0036]圖5描繪了在穿過芯體的縱向截面看到的殼模；
[0037]圖6描繪了允許殼模中的熔融金屬的定向凝固的爐的示例；
[0038]圖7為在圖5中示出的殼模的頂端的放大圖。
【具體實施方式】
[0039]本發(fā)明涉及一種用于制造金屬部件的方法，所述金