铸造长材产品制造技术

一种制造部件的方法，所述部件具有至少一个大于200mm的尺寸，所述方法包括的步骤有：a）提供铝化钛熔融物；b）提供冷砂型铸模；c）将铸模和熔融物放入真空或者惰性气氛室；d）在距旋转轴线一距离处旋转铸模以在铸模的所有部分中产生至少30g的人造重力；e）将熔融物沿所述旋转轴线倒入通道中，所述通道将熔融物导向比铸模的任意部分的最大半径更大的半径，通道被布置成在与所述人造重力的方向相反的方向上通向铸模；f）其中所述倾倒是以小于5秒钟填满铸模的速度进行的。此方法对于铸造应用在发电工业中的长材涡轮翼片或者大型汽车涡轮增压器叶轮是有效的。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及长且复杂的产品(例如由铝化钛制造的涡轮翼片和涡轮增压器叶轮)的铸造。
技术介绍
长材产品难于铸造以及难以实现低报废率。复杂部件同样如此。在此，“复杂”的意思是包含凹角(re-entrant,凹入部分)，因此，由于铸模的刚性，合金凝固后的收缩会在材料上施加应カ并且有时候会达到如下程度，即，超过了合金的弾性极限且部件破裂。事实上，“复杂”在此当然不是确切的术语，因为尺寸较小的凹角通常不是问题。例如，小尺寸上的收缩可能落在铸模的挠性极限内并且并不检验铸造产品的弹性极限 。然而当放大时，相同的几何凹角将特别成问题。应用在用于发电的涡轮机中的翼片恰好是其中一例。燃气涡轮发电机具有特殊要求以满足高效率的需求。因此它们需要在高速和高温条件下运转。高温受到金属保持強度的能力的限制。即便如此，用于冷却目的空心翼片能够増加在高工作温度下金属保持強度的能力。这种冷却翼片的缺点在于冷却空气必须被排出压缩机，导致能量效率的流失。速度受到翼片抵抗相关カ的能力的限制。翼片的强度还限制了它的大小。超过400mm长的翼片是理想的，但必须具有能够承受相关カ的构造。翼片是复杂的三维形状以使得将热运动气体的能量转化为涡轮的旋转能的效率最大化。翼片一般具有如下根部在翼片的一端是凸缘并且通常理想的是在翼片的另一端是护罩。如果铸模本身并不收缩的话，那么这些会在凝固和随后的冷却期间拉伸翼片。这成为问题的范围取决于所采用的合金。用于涡轮发动机的翼片具有类似的问题。因此，本质在于制造翼片所采用的材料和它的构造方法。在非常不同的领域中，大型车辆享有与更小的车辆相同的涡轮增压器的好处，但作用在涡轮增压器轴流或者径流轮上的应カ随着増大的尺寸而增加。理想的是，用更轻且仍然具有足够强度和热阻的材料制造更大型的涡轮增压器叶轮。铝化钛金属互化物提供了用作涡轮翼片的合适的强度、延展性和温度阻抗特性。然而，铝化钛的特殊问题在于，在液相中，合金是高反应性的。結果，鋳造铝化钛的问题就在于，与铸模的表面反应不利地影响了铸件的表面性能。陶瓷熔模铸件尤其存在这种情況。这是铸件的通常优选形式；其提供了最好的“终形(net-shape)”铸件，也就是说，铸件的形状最接近于理想的最終形状且需要最少的进ー步加工。进ー步加工有可能折损表面光洁度。对于通用的静态熔模铸件，通常需要使用热陶瓷铸模。这确保液态金属完全充满铸模腔而不会有未铸满的缺陷。未铸满的缺陷是由于在铸模腔被完全充满之前液态金属的严重温度流失和过早凝固而导致的。然而，这极大地加剧了铸模反应问题，并且对于铝化钛来说由于铝化物与陶瓷之间的反应导致程序就不能进行了。长材产品特别难于制造。ー些材料(但特别是铝化钛)在室温下特别易碎，并且具有在凝固和冷却期间相当大的收缩的特征。这些特征导致形成裂縫、收缩孔和未铸满缺陷。事实上，产品越长，形成裂縫、收缩孔和未铸满缺陷的倾向越严重，并且在鋳造期间金属必须保持在液相的时间越长。这反过来促进了液态金属与铸模材料之间的表面反应。同吋，采用热铸模在某些程度上抵消了收缩问题(因为当冷却时铸模本身也收缩)，但首先这并不通常适当并且其次要经受上面所提及的铸模反应问题。US-A-5284620论述了在预热的陶瓷铸模中，铝化钛合金和它们的熔模铸件(investment casting)采用硼化物分散质来提纯50到250微米之间的颗粒尺寸。然而,在预热的陶瓷铸模中使用铝化钛，即使具有氧化锆表面涂层，也会导致剧烈的铝化钛/铸模反应，使得不可能成功地在陶瓷壳中鋳造这些合金。最近研发的方向是找到不与铝化钛反应的其它表面涂层，氧化钇就是其中ー种，但却是相当昂贵的选择。US-A-2004/0040690公开了在室温下且在高达150g的人造重力的条件下在超细颗粒机加工各向同性石墨铸模中的钛合金的离心铸造。离心管铸件能够被制造成具有任意所需长度、厚度和直径。在熔融物被倒入沿铸模树的竖直轴线定位的中央直浇ロ的同时，在水平面上沿圆周的周边定位的铸模树的同步旋转在离心カ的作用下产生了熔融物的高速流动。然而，由于铝化钛的实际膨胀系数和由于在冷却时所产生的收缩，导致不可能在刚性、机加工石墨铸模中产生没有裂缝的复杂形状的铝化钛铸件。本专利技术的ー个目的是缓解上述问题，或者至少减轻它们的影响，以使得能够用铝化钛来铸造复杂产品，例如长度超过200mm (且优选超过500mm)的涡轮翼片，或者直径超过200mm的涡轮增压器涡轮机叶轮，能够由铝化钛铸造，并且没有显著的表面反应、裂缝和最小化的收缩孔。特别地，ー个目的在于生产具有凸缘端的长材产品，所述凸缘端诸如涡轮翼片，其特别易受收缩引起的裂缝问题的影响。目的还在于以成本效应方式实现此目的以使它能够被应用到エ业規模。
技术实现思路
根据本专利技术，提供了ー种部件，其包括砂模铸造铝化钛涡轮翼片，超过200mm长，并且优选超过400mm长,更优选超过500mm长。除非文中另有指示，否则文中使用的术语“铝化钛”涵盖所有铝化钛，包括铝化钛I=I O铝化钛和钛合金是不同种类的材料。这是由于铝化钛是具有固定原子比的有序金属互化物，例如，在LlO有序四方晶体结构中Y-铝化钛(Y-TiAl)的比例是I个钛原子比I个铝原子，并且在D019有序体心立方晶体结构中α 2-铝化钛(a 2_Ti3Al)的比例是3个钛原子比I个铝原子。此有序金属互化物结构是固有的并且非常不同于钛合金的特性。例如，与钛合金相比吋，Y-TiAl具有1460° C的固定高熔点、环境温度下的低延展性以及良好的高温強度。近些年，为了提高或者最优化用于特殊应用的特性，已经通过加入其它元素或者通过过程控制来实现铝化钛材料的显著发展。然而，铝化钛的基本结构仍然相同，即它们是有序金属互化物。铝化钛由于它们的易碎属性而极难于铸造。铝化钛合金也基本是这样。一种合适的招化钛合金是Ti46A18Nb (at. %,原子数百分比)。由H. Saagea、A. J. Huanga, D. Hua, Μ. H. Lorettoa 以及 Χ· Wu 在 INTERMETALLICS, 17 卷，1-2 期，2009 年I 月至 2 月，32 至 38 页发表的论文“Microstructures and tensile properties ofmassively transformed and aged Ti46A18Nb and Ti46A18Ta alloys，，在公共领域报道了此合金。另ー种合适的铝化钛合金是Ti-45Al-2Nb-2Mn (at. %)。另ー方面，钛合金是这样的金属材料，其一般主要包含钛，混合有其它化学元素。其它元素以固溶体状态存在；其它元素的原子取代或者占据钛原子之间的节点间隙(interstitial position)。钛合金的晶体结构是无序的并且其它元素的固溶度能够随着温度显著改变。通常，钛合金拥有熔化温度范围、环境温度下的良好延展性，并且它们的强度在高温下显著恶化。钛合金能够具有广范围的成分并且相对容易鋳造。同样根据本专利技术，提供了ー种部件，其包括砂型铸造铝化钛涡轮增压器涡轮机叶轮，直径超过200mm。砂型鋳造是铸造金属的传统方法。然而，在需要近终形以使得鋳造后的进ー步加エ最小化的情况中砂型鋳造已经被精密制造的熔模鋳造所取代，且本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿克塞尔·卢科，凯文·弗朗西斯·卡罗尔，弗雷德里克·达尔蒂格，
申请(专利权)人：钛合金特殊技术欧洲股份公司，
类型：
国别省市：