用于在熔模铸造中使用的芯的组合物制造技术

本公开通常涉及主要包含莫来石的陶瓷芯，其来源于包含氧化铝颗粒和硅氧烷粘合剂的前体。游离氧化硅存在于所述陶瓷体中，但大部分不与在熔模铸造中使用的金属合金反应。还公开了制造铸造金属制品的方法。

Composition for core used in investment casting

The present disclosure generally relates to a ceramic core comprising mainly mullite, derived from a precursor comprising an alumina particle and a silicone binder. Free silicon oxide is present in the ceramic body, but most of it does not react with the metal alloy used in the investment casting process. Methods of making casting metal articles are also disclosed.

【技术实现步骤摘要】
用于在熔模铸造中使用的芯的组合物
本公开通常涉及用于熔模铸造芯的组合物及其制造方法。在一些特定的实施方案中，本公开涉及芯，所述芯包含氧化铝、氧化硅、莫来石和在一些情况下在所述芯的表面上的氧化物。
技术介绍
熔模铸造常常利用芯以在铸造金属内产生内部通道。将熔融金属或合金注入含有芯的铸模中。在金属凝固之后，移除芯，留下内部通道。内部通道的构造由芯的特点决定。通过注射成型及其他常规方法形成的芯可产生简单的中空通道结构。然而，在一些应用中，诸如用于燃气涡轮机的铸造叶片，由于其改善的叶片性能而需要更复杂的通道几何形状，其中空气吹过铸造叶片的中空通道以便冷却。改善的叶片冷却性能可采用减少冷却气流的形式，这允许增加用于燃烧的空气的利用度且因此增加发动机推力。较高的叶片冷却性能允许燃烧器操作温度增加且热力学效率改善，这产生较好的燃料比耗，同时仍然维持涡轮机叶片部件温度在耐用性的可接受范围内。用于涡轮机叶片冷却回路的尤其有用的通道几何形状例如描述在US5,660,524、US6,036,441、US6,168,381、US6,595,748和US6,832,889中。对于在涡轮机叶片中的这些代表性冷却回路的商业实施的主要限制在于不能通过常规模制技术将必要的陶瓷芯作为单件式制品产生。对所关注的冷却回路几何形状的检查显示不存在单个分型线，其允许可分离半模的构造能够在不破坏所形成结构的部件的情况下移除模制部件。因此，用以产生这些复杂冷却回路的芯的生产需要精心设计的多步方法，其中几何形状分解成若干可模制部分，其各自拥有分开的模制工具。随后单独模制部分在模制并焙烧之后组装，其中伴随着用于精确熔模铸造的芯产率降低，这归因于在部件之间的配准(registry)损失。由于多个模制工具的资金成本、芯修整和组装所需要的手工作业及由于在多件芯组合件的铸造期间较差的尺寸公差和机械稳定性引起的净铸成率的进一步降低，多件方法也更加昂贵。产生具有简单通道构造和复杂通道构造两者的芯的一种方法是用在例如US7,487,819中描述的一次性芯模(DCD)。该芯通过将含有陶瓷颗粒和有机粘合剂的浆料注入一次性芯模中形成。随后将浆料固化且随后焙烧以产生凝固的陶瓷芯。该一次性芯模可在芯焙烧过程之前或期间或之后例如通过化学、热或机械方法移除。在熔模铸造工业中使用的陶瓷芯材料常常主要由氧化硅(SiO2)制造。氧化硅由于其低热膨胀系数、高温尺寸稳定性及其自铸件中移除的容易性而成为在熔模铸造中常用的芯材料。通过熔模铸造制造的制品为铸造金属或金属合金。在一些情况下，该金属可与常规的基于氧化硅的陶瓷芯反应。因此，已知使用含有氧化硅的芯材料来铸造反应性金属是成问题的，因为氧化硅可在铸造过程期间与某些金属反应。将钇加到合金中是改善镍基超合金在涡轮机翼面的工作温度下的抗氧化性的一种方法。然而，钇可在铸造期间与氧化硅反应，引起在合金中的钇消耗并将折损(debit)机械性质的组分引入合金中。在使用氧化硅芯来铸造这些(反应性)镍基超合金方面存在重大限制。氧化铝和氧化钇材料已经用于铸造，以降低或消除该反应性问题。例如，氧化铝的反应性不如氧化硅。然而，针对加工所需要的较高温度而言，氧化铝比氧化硅材料更难加工。由于相对于氧化硅而言的较高热膨胀系数，这引入了尺寸公差的问题。氧化铝芯由于其较低溶解度和/或浸出率也可需要更极端的浸出条件以便在铸造之后将其移除。这些约束同样适用于通过诸如注射成型的常规方法形成的陶瓷芯以及通过DCD方法形成的那些。诸如US4,837,187和US5,409,871及US5,580,837的用于铸造反应性合金的现有技术的氧化铝芯组合物是已知的且由氧化铝及在热塑性有机聚合物粘合剂中的其他陶瓷添加剂组成。聚合物粘合剂在室温下为固体且必须在高温下以熔融状态混合。这些组合物接着用于高压树脂转移模制工艺中，这也必须在高温下发生。4,837,187专利采用乙烯-乙酸乙烯酯聚合物及石蜡混合物，将其混合并在80-125℃下及在200-1500磅/平方英寸压力下模制。5,409,871和5,580,837专利公开了一种亲水及疏水粘合剂-陶瓷粉末混合物，其必须通过在200℃下混合并注入而相容，如在专利US5,332,537中所述。该混合物具有5-300Pa-sec的比较低的粘度，但依靠加热到该高温，从而在使用期间达到该粘度并维持混合物均质性。在能量消耗下运转该工艺以维持芯混合物和注入工艺设备处于大大高于周围环境的温度导致其不仅成本高，而且也与使用在高于约60℃下损失其刚性的短效有机聚合芯模不相容。这些情况中一个也没有教导具有与DCD工艺相容的性质的低反应性或非反应性芯组合物的形成或用途，其理想地在周围室温或大致周围室温下且在<100磅/平方英寸的压力下实施。虽然对于含Y的反应性合金实施在外壳中的金属的相对侧上使用Y2O3涂层，但是对于纯Y2O3芯似乎不存在任何最佳实施的技术。另外，对于非反应性芯，氧化钇不是理想的材料。相对于氧化铝或氧化硅，稀土氧化物的成本高得多(>10X)。与氧化铝相比较，氧化钇由于较低的体积模量而具有较低芯强度。氧化钇在具有强苛性碱水溶液的常规加压高压釜中也显示不良的浸出。另外，氧化钇显示高热膨胀，CTE为7ppm(与氧化铝一样)。Bochiechio(US2014/0182809)教导含莫来石和含金属的芯用于熔模铸造的用途。US2014/0182809关注于使用这些组合物以紧密匹配陶瓷材料与耐火金属组分的热膨胀系数，且并未教导具有这些组合物的反应性合金的铸造。与此相反，其容许高达60重量%氧化硅为本领域的普通技术人员指示出并未预料到反应性合金的铸造。与Bochiechio完全相反，本公开使用适合铸造反应性合金的芯。因此，需要与DCD工艺相容以便产生可产生具有使用反应性金属和合金制成的复杂内部通道结构的铸造制品的芯的低反应性材料体系。
技术实现思路
第一方面，本公开提供产生用于熔模铸造反应性金属的陶瓷芯的方法。该方法包括将包含氧化铝颗粒和硅氧烷粘合剂混合物的浆料注入模具中；并使所述浆料热转化成陶瓷芯。所述陶瓷芯包含莫来石、氧化铝和高达11重量%的游离氧化硅。第二方面，本公开提供制造铸造金属制品的方法。所述方法包括使熔融反应性金属与包含莫来石、氧化铝和高达11重量%的游离氧化硅的陶瓷芯接触。在一些实施方案中，所述陶瓷芯在其基本整个表面上具有氧化物。所述氧化物具有小于氧化硅的标准生成吉布斯自由能的标准生成吉布斯自由能。所述反应性金属随后凝固。第三方面，本公开提供陶瓷芯，其通过混合硅氧烷粘合剂与氧化铝颗粒以形成浆料并通过热处理使包含氧化铝颗粒和硅氧烷粘合剂的浆料转化成莫来石而形成。所述陶瓷芯包含莫来石、氧化铝和高达11重量%的游离氧化硅。在一些实施方案中，所述陶瓷芯在其基本整个表面上具有氧化物。第四方面，本公开提供铸造金属制品，其通过使熔融反应性金属与陶瓷芯接触形成，所述陶瓷芯包含莫来石、氧化铝和高达11重量%的游离氧化硅。第五方面，本公开提供陶瓷芯，其包含莫来石、氧化铝和高达11重量%游离氧化硅及布置在所述陶瓷芯的表面上的氧化物。本专利技术还提供以下方面：方面1.产生用于熔模铸造反应性金属的陶瓷芯的方法，所述方法包括：a.将包含氧化铝颗粒和硅氧烷粘合剂的浆本文档来自技高网...

【技术保护点】
产生用于熔模铸造反应性金属的陶瓷芯的方法，所述方法包括：a. 将包含氧化铝颗粒和硅氧烷粘合剂的浆料注入模具中；和b. 使所述浆料热转化成陶瓷芯，其中所述陶瓷芯包含莫来石、氧化铝和高达11重量%的游离氧化硅。

【技术特征摘要】
2015.11.19 US 14/9456021.产生用于熔模铸造反应性金属的陶瓷芯的方法，所述方法包括：a.将包含氧化铝颗粒和硅氧烷粘合剂的浆料注入模具中；和b.使所述浆料热转化成陶瓷芯，其中所述陶瓷芯包含莫来石、氧化铝和高达11重量%的游离氧化硅。2.权利要求1的方法，其中所述热转化在1400℃-1700℃的温度下发生。3.权利要求3的方法，其中所述陶瓷芯含有0.1重量%-6重量%的游离氧化硅。4.权利要求1的方法，其还包括在所述陶瓷芯的基本整个表面上施用氧化物，其中所述氧化物具有比氧化硅的标准生成吉布斯自由能小的标准生成吉布斯自由能。5.权利要求4的方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨熙，JT勒曼，AYC库，T李，JP波林格，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国,US