单向凝固方法及由此而形成的铸件技术

本发明专利技术涉及单向凝固方法及由此而形成的铸件。一种能够生产具有一百厘米或更长的长度以及基本没有斑点缺陷的单向晶体结构的大型金属铸件的方法。该方法包括：将融熔金属合金倾倒到加热区内的经预热的模具中，从加热区取出该模具，通过隔热罩，且使其进入冷却区以定向凝固融熔金属合金，且然后冷却模具以生产铸件及其单向晶体结构。隔热罩在加热区和冷却区之间作为对热辐射的阻隔件而起作用，且模具以一定速率取出，该速率与隔热罩相结合来保持一定热梯度，以凝固融熔金属合金且形成在期之间具有大约１５０到大约５００微米的平均间距的一次枝晶臂。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术大体涉及用于生产定向凝固的铸件的材料和方法，且特别地涉及减少如适于用作燃气轮机和其它高温应用的构件的单晶(SX)和定向地凝固的(DS)制品的合金铸件中的缺陷。
技术介绍
燃气轮机的构件-诸如叶片(轮叶)、机叶(喷嘴)和燃烧器构件 典型地由特征在于在涡轮机运行温度下有合乎需要的机械属性的镍 基、钴基或铁基超合金形成。因为燃气轮机的效率取决于其运行温度， 所以存在对能够承受较高温度的构件-且特别是涡轮机轮叶、喷嘴、 燃烧器构件以及其它热气体路径构件-的需求。因为对燃气轮机构件 的材料要求已提高，所以已使用各种处理方法和合金成分来增强由超 合金形成的构件的机械、物理和环境属性。例如，在指定的应用中所 采用的轮叶、喷嘴和其它构件通常通过定向铸造技术来铸造，以便具 有DS或SX微结构，其特征在于处在选定方向上以便产生柱状多晶 或单晶制品的晶体取向或者生长方向。如本领域中已知的，用于生产SX和DS铸件的定向铸造技 术通常需要将所期望的合金的熔体倾倒到保持在合金液相温度以上 的温度处的熔模铸模中。 一种这样的方法采用Bridgman型炉在模具 周围形成受热区，且在模具的基部处采用急冷板。融熔合金在模具内 的凝固通过逐渐将才莫具从受热区取出且使其进入冷却区来发生，在冷 却区中，冷却通过传导和/或辐射来发生。凝固在模具的基部处开始且 凝固前端前进到才莫具的顶部。凝固按照获得用于铸件的期望的微结构 的方式在模具基部中开始及受控制。在凝固前端处需要高的热梯度，以防止在定向凝固工艺期间新的晶粒形核。如本领域中已知的，枝晶是在融熔金属凝固期间形成的树 状结构。铸件中的枝晶臂之间的间距受铸件的凝固条件影响，其中枝 晶臂间距随着冷却速率反向变化。如本文中所用， 一次枝晶臂间距将 用来表示铸件中相邻的枝晶芯部之间的平均间距，其通过在法向于晶 体生长方向的方向上将铸件分段、计数截面区域上的 一次臂的数量以 及计算平均间距(典型地通过采取方阵列)来测量。二次枝晶臂间距可 通过对在平行于晶体生长方向而得到的区段中观察到的相邻的二次枝晶臂之间的间距进行平均来测量。在SX和DS铸件凝固期间形成 的枝晶可以通过某些合金成分的浓度上的差异与周围材料区别开。DS和SX制品的机械属性部分地取决于在定向凝固工艺期 间避免大角度晶界、等轴晶以及由化学或基元枝晶间偏析引起的缺 陷。作为示例，取决于超合金的特定的化学性，枝晶间偏析可导致非 均匀性，诸如积累在枝晶间区域中且倾向于减小铸件强度的植入粒子 和合金化学性的基元显微组织成分。可通过减小铸造制品中的一次枝 晶臂间距来显著地减小显微组织成分池和嵌入粒子的大小。枝晶间偏 析还可导致形成表面斑点，表面斑点在凝固期间形成为非常小的等轴 晶链。斑点可缩短疲劳寿命且在凝固工艺期间充当引起不可接受的偏 轴晶粒的晶粒起始物。用来最小化枝晶偏析的存在或者效果的传统的 措施包括铸造后处理，诸如固态扩散热处理或机械加工。然而，对于 解决燃气轮机构件或者非常大或形成有复杂组成的其它铸件中的枝 晶偏析而言，这些技术并不可行。已显示了斑点生成的倾向取决于组分， 一 个实例是合金中 钽和/或碳的水平。所以，已经通过小心地控制或者修改超合金组分来 解决斑点生成，如共同转让的美国专利No.5,151,249， No.6,091，141 以及No.6,909，988中所记录的。近来，铸造工艺参数(诸如取出速率、 冷却速度和固液界面位置)已经表现出对斑点形成具有影响。授予 Huang等人的共同转让的美国专利No.6,217,286公开了在具有高达四十英寸(大约一百厘米)的长度的铸件中减少斑点生成的高梯度铸造方法。Huang等人教导凝固前端的高热梯度可利用;^丈置在才莫具和冷却区 (例如液体槽或用利用惰性气体的冲击)之间的隔板来实现，以获得足 够均匀的 一次枝晶臂间距且减少斑点生成。Huang等人以及减少斑点生成和其它凝固相关的缺陷的其 它先前的努力局限于不超过四十英寸(大约一百厘米)长度的铸件，大 部分的原因是由于由模具长度、炉大小等施加的大小和重量限制。对 于某些应用，包括以地面为基地的燃气轮机的最后级轮叶，与定向凝 固相关联的斑点生成和大小/重量困难基本会妨碍生产和使用具有足 够大小的单晶和定向地凝固的铸件。 一个示例是用于发电产业中且由 本专利技术的受让人制造的H和FB级燃气轮机的最后级轮叶。这些轮叶 的长度(大约30英寸(大约75cm)或更长)、截面和重量使得非常难以将 它们生产为SX和DS铸件，特别是关于获得可被热处理以得到期望 的机械属性的微结构。所以，H和FB级燃气轮机的最后级轮叶受限 于被生产为等轴铸件。然而，将这些轮叶生产为无缺陷的SX和DS 铸件的能力将获得显著地提高的机械属性，诸如蠕变和低循环疲劳 (LCF)，且将因此对于大型燃气轮机的总体性能和效率具有很大的好 处。
技术实现思路
本专利技术提供了 一种能够生产具有单向晶体结构和一百厘米 或更长的长度且基本没有斑点缺陷的金属铸件的方法。本专利技术还提供 了通过这样的方法而形成的具有单向晶体结构的金属铸件。根据本专利技术的第一方面，该方法包括将融熔金属合金倾 倒到加热区内的经预热的模具的腔体中；从受热区取出模具而通过隔 热罩且进入冷却区，以便定向地凝固融熔金属合金；且然后冷却^^莫具 以生产铸件及其具有大于一百厘米的大小的基本没有斑点缺陷的单 向晶体结构。根据本专利技术的优选的方面，隔热罩在受热区和冷却区之间作为对热辐射的阻隔件来起作用，且模具以一定速率取出，该速率结合隔热罩而保持至少35°C/cm的热梯度-例如50°C/cm或更大的热梯 度-以凝固融熔金属合金且形成在其之间具有大约150微米到大约500 微米的平均间距的一次枝晶臂。至少大约20。C/分钟的高冷却速率也 表现为获得期望的 一 次枝晶臂间距的 一 个因素。铸件的单向晶体结构可以是具有优选的单晶晶向<001 >的 柱状单晶微结构(SX)，但是具有除<001>以外的取向的晶体结构也处 于本专利技术的范围内，如柱状多晶微结构(DS)。可根据本专利技术来生产的 铸件良好地适于燃气轮机的构件，诸如轮叶、喷嘴以及燃气轮机的其 它构件，且可由镍基合金和金属间化合物-例如铝化镍(NiAl)金属间化 合物-形成。本专利技术的一个显著的优点在于由本专利技术的方法所生产的铸 件可在长度、截面和/或重量方面远超过现有铸件技术的可能长度、截 面和/或重量。特别地，以地面为基地的燃气轮机的可热处理的、无斑 点的最后级轮叶可通过该方法生产为具有单晶和定向地凝固的微结 构，而具有超过一百厘米的长度(以及对应地较大的截面和重量)的最 后级轮叶和其它铸件在之前是不可行的。因此，斑点产生的发生率的 降低远大于对于非常大的SX和DS铸件所预期的，且结果是不存在 斑点，否则如果在常规的处理条件下生产，则斑点在具有这些长度、 截面和重量的SX和DS铸件中将是预期的。根据以下详细描述将更好地了解本专利技术的其它目标和优点。附图说明图1是根据本专利技术的实施例可形成为单晶铸件的涡轮机轮 叶的示意图。图2和3呈现了截面图，其显示了根据本专利技术的一个实施 例的用来生产大型单晶涡轮机叶片的铸造操作的两个步骤。图4是对于根据美国专利No.6,217,286生产的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生产具有大于一百厘米的长度以及基本没有斑点缺陷的单向晶体结构的金属铸件（１０，３２）的方法，所述方法包括：　将融熔金属合金倾倒到位于加热区（２６）中的经预热的模具（２０）中的腔体（２２）中，所述腔体（２２）具有所述铸件（１０，３２ ）的形状；　将所述模具（２０）从所述加热区（２６）取出而通过隔热罩（４４）且进入冷却区（４２），以定向地凝固所述融熔金属合金，所述隔热罩（４４）在所述加热区（２６）和所述冷却区（４２）之间作为对热辐射的阻隔件来起作用，所述模具（２０） 以一定速率取出，所述速率与所述隔热罩（４４）相结合而在所述融熔金属合金中保持大于５０℃／ｃｍ的热梯度，以凝固所述融熔金属合金且形成在其之间具有大约１５０微米到大约５００微米的平均间距的一次枝晶臂；且然后　冷却所述模具（２０）以生产所述 铸件（１０，３２）及其具有大于一百厘米的大小的、基本没有斑点缺陷的单向晶体结构。

【技术特征摘要】
US 2008-9-25 12/2375621.一种生产具有大于一百厘米的长度以及基本没有斑点缺陷的单向晶体结构的金属铸件(10，32)的方法，所述方法包括将融熔金属合金倾倒到位于加热区(26)中的经预热的模具(20)中的腔体(22)中，所述腔体(22)具有所述铸件(10，32)的形状；将所述模具(20)从所述加热区(26)取出而通过隔热罩(44)且进入冷却区(42)，以定向地凝固所述融熔金属合金，所述隔热罩(44)在所述加热区(26)和所述冷却区(42)之间作为对热辐射的阻隔件来起作用，所述模具(20)以一定速率取出，所述速率与所述隔热罩(44)相结合而在所述融熔金属合金中保持大于50℃/cm的热梯度，以凝固所述融熔金属合金且形成在其之间具有大约150微米到大约500微米的平均间距的一次枝晶臂；且然后冷却所述模具(20)以生产所述铸件(10，32)及其具有大于一百厘米的大小的、基本没有斑点缺陷的单向晶体结构。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铸件(IO， 3...

【专利技术属性】
技术研发人员：JC谢菲尔，SJ巴尔索恩，AJ埃利奥特，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]