铸造模具、制造该模具的方法以及铸造方法与流程

1.本发明涉及金属铸造的领域。在本上下文中，“金属”的含义是纯金属和金属合金。
现有技术
2.对于已知的铸造方法，其包括通过通向成型腔一端的浇口将液态金属浇注到成型腔中，然后在脱模固化金属之前在成型腔中冷却和固化金属的至少一个步骤，可能会遭遇缺陷，特别是在制造具有特别薄部的部件(例如涡轮发动机叶片的后缘)过程中。事实上，在模具中冷却金属的过程中，金属和模具材料的不同收缩率可产生机械应力，直到固化金属中出现缺陷，特别是裂纹。
3.特别是，当待成型的部件具有与其端部相比更窄的中心部分时，例如但对于沿主轴从叶片根部延伸至叶片末端的涡轮发动机叶片通常就是这样，模具可以在固化金属的冷却和收缩过程中保留这些端部。然后，这会在部件中产生张力，所述张力可产生裂纹和局部再结晶，特别是在部件的端部和中心部分之间的过渡部中。在连接到浇口的端部以及闭合的相对端之间，通过沿成型腔的温度梯度可进一步加剧这种现象。


技术实现要素：

4.本发明试图通过提出一种铸造模具来弥补这些缺点，所述铸造模具将允许减少由于在模具中冷却金属的过程中，通过在金属和模具的热收缩率之差所导致的内部张力而出现的裂纹和再结晶现象。
5.为此，根据第一方面，模具可包括沿水平主轴从第一端延伸至第二端的至少一个第一成型腔，以及第一对进料器臂。第一对进料器臂的第一进料器臂可沿基本垂直的方向与主轴定向在一起并连接到第一成型腔的第一端，而第一对进料器臂的第二进料器臂的主轴可基本平行于第一进料器臂并连接到第一成型腔的第二端。该模具可被构造，使得垂直于垂直轴的第一对进料器臂的第一和第二进料器臂的任何横截面具有与垂直于水平轴的成型腔的任何横截面相比更大的面积。
6.由于在成型腔的每一端处都布置一进料器臂，金属在这些进料器臂中的热收缩将导致它们朝彼此弯曲，这将允许平衡由金属在第一成型腔中的热收缩所产生的力，因此避免出现可削弱因此所成型部件的裂纹和再结晶晶粒。由于成型腔和进料器臂的横截面面积的变化，从横截面最小的第一成型腔的芯体开始，金属的固化可通过两个进料器臂朝该方向传播通过面积增加的横截面，以避免由于模具腔中的收缩而导致的管道缺陷。
7.根据第二方面，模具可包括将第一成型腔的第一和第二端连接到第一对进料器臂的相应进料器臂的对接头部，每个对接头部具有垂直于水平轴的横截面，其面积大于垂直于水平轴的第一成型腔的任何横截面，但小于垂直于垂直轴的第一对进料器臂的第一和第二进料器臂的任何横截面。此外，在相同意义上，第一对进料器臂的第一和第二进料器臂可具有垂直于垂直轴的横截面，其面积沿垂直轴向上增加。
8.根据第三方面，为了允许在同一模具中同时成型多个部件，模具可包括第一排成
型腔，其包括第一成型腔，第一排成型腔的每个成型腔沿相应水平轴从第一端延伸至相应第二端，第一排成型腔的每个成型腔的第一端连接到第一对进料器臂的第一进料器臂，并且第一排成型腔的每个成型腔的第二端连接到第一对进料器臂的第二进料器臂。因此，部件可以在第一对进料器臂的进料器臂之间在第一排成型腔的每个成型腔中形成。此外，为了避免管道裂缝，模具可被构造，使得垂直于垂直轴的第一对进料器臂的第一和第二进料器臂的任何横截面大于垂直于相应水平轴的第一多个成型腔的每个成型腔的任何横截面。
9.此外，为了允许在同一模具中同时成型甚至更多的部件，模具可包括至少一个第二排成型腔以及第二对进料器臂，第二排成型腔的每个成型腔沿相应水平轴从第一端延伸至相应第二端，第二排成型腔的每个成型腔的第一端连接到第二对进料器臂的第一进料器臂，并且第二排成型腔的每个成型腔的第二端连接到第二对进料器臂的第二进料器臂。此外，为了避免在该第二排成型腔中形成的部件中出现管道缺陷，模具可被构造，使得垂直于垂直轴的第二对进料器臂的第一和第二进料器臂的任何横截面，也大于垂直于相应水平轴的第二排成型腔的每个成型腔的任何横截面。
10.根据第四方面，为了确保在浇注过程中用液态金属进给成型腔，进料器臂的上端可以连接到一浇口，例如通过用于进给液态金属的通道。
11.根据第五方面，至少所述第一成型腔可被构造成使一种沿水平轴从叶片末端延伸至叶片根部的涡轮发动机叶片成型。在本文中“涡轮发动机”是指以下的任何机器，其中在流体流和至少一个叶片装置(例如压缩机、泵、涡轮、螺旋桨，或甚至其中至少两个的组合)之间可以发生能量传递。为了在叶片装置和旋转轴之间传输该能量，该叶片通常形成转子的一部分，所述转子包括一凸耳和多个叶片，每个叶片都沿相对于凸耳的旋转轴的相应径向方向从叶片根部径向地延伸至叶片末端。这些叶片承受特别高的机械力和热力，并且特别地在其后缘处能够具有特别薄的材料厚度，在该领域特别期望避免任何局部缺陷，例如裂纹、管涌(piping)或再结晶。
12.根据第六方面，模具可被构造为壳模。“壳模”是指通过模具成型腔周围烘烤的浆料粘合的耐火材料颗粒所形成的模具。模具特别地可由多个叠加层形成，每个叠加层都包括由浆料粘合的颗粒。
13.本发明的第七方面涉及一种该模具的生产方法，包括以下步骤：将非永久图案浸入浆料中，在浸渍后用耐火材料颗粒对非永久图案除尘以形成涂有浆料的耐火材料颗粒层，从由涂有浆料的耐火材料颗粒形成的外壳移除非永久图案，以及烘烤外壳。
14.本发明的第八方面涉及一种铸造方法，包括以下步骤：将液态金属浇注到该类铸造模具中，在模具中冷却和固化金属，以及对固化金属脱模。此外，该方法还可包括在浇注步骤之前在烤箱中预热模具的步骤，并且在浇注步骤之前以及在浇注步骤中将模具保持在烤箱中。然而，也可以设想的是，在与第一烤箱中进行预热步骤，并且在与第一烤箱不同的第二烤箱中进行浇注步骤。
附图说明
15.在阅读经由非限制性示例示出的一实施例的以下详细描述后，将更好地理解本发明，并且其优点将更加显而易见。本说明书参考了附图，其中：
16.图1a图1a是根据本发明一个方面的铸造模具的第一剖视图，
17.图1b图1b是沿平面ib-ib的垂直于图1的剖视图，
18.图2a图2a是用于形成图1a和1b的模具的非永久图案的集群的侧视图，
19.图2b图2b是图2a集群的前视图，
20.图3a图3a示出了从图2a和2b的集群开始的，图1a和1b的模具制造方法中的浸渍步骤，
21.图3b图3b示出了从图2a和2b的集群开始的，图1a和1b的模具制造方法中的除尘步骤，
22.图3c图3c示出了从图2a和2b的集群开始的，图1a和1b的模具制造方法中的烘烤步骤，
23.图4a图4a示出了在使用图1a和1b的模具的铸造方法中的预热步骤，
24.图4b图4b示出了在使用图1a和1b的模具的铸造方法中的浇注步骤，
25.图4c图4c图示了在使用图1a和1b的模具的铸造方法中的冷却步骤，
26.图4d图4d图示了在使用图1a和1b的模具的铸造方法中的脱模步骤，以及
27.图5图5详细地图示了从图1a和1b的模具的成型腔的中心区域开始的两个固化前部的传播。
具体实施方式
28.图1a和1b图示了根据本发明一个实施例的铸造模具1。从这些图中可以看出，属于“壳模”类型的模具1可包括多个成型腔2。这些成型腔2每个都可以以如下方式沿第一水平轴x从第一端2a延伸至第二端2b，使得第一水平轴x形成其主轴，并且被形成以成型一沿该第一水平轴x从叶片末端延伸至叶片根部的涡轮发动机叶片。然而，本发明的技术教导也适用于其他类型部件的铸造。
29.模具1还可包括几对进料器臂，其每个都可包括第一进料器臂3和第二进料器臂4。这些进料器臂3、4每个都可以沿相应主轴沿基本垂直的轴z的方向定向。每对进料器臂3、4可以与彼此垂直地偏移的一排成型腔2相关联。因此，在每排成型腔2中，每个成型腔2的第一端2a可以通过第一对接头部5连接到相应对的进料器臂3、4的第一进料器臂3，并且每个成型腔2的第二端2b可以通过第二对接头部6连接到相应对的进料器臂3、4的第二进料器臂4。这些成对的进料器臂3、4可以基本垂直于第一水平轴x，沿第二水平轴y的方向彼此横向地偏移。成型腔2也可以布置成几行，密集地占据模具1的体积。当成型腔2被构造成形成涡轮发动机叶片时，第一和第二对接头部5、6可分别对应于叶片根部和叶片末端珠。
30.如图所示，模具1的顶部可具有漏斗状的进料器7，其通过进料器通道8的网络连接到每对进料器臂3、4的顶部。
31.为避免管道缺陷，可以如下方式采用例如r.wlodawer在directional solidification of steel castings,pergamon press,1966中描述的heuvers圆法，使得垂直于垂直轴z的每对的第一和第二进料器臂3、4的任何横截面sb的面积ab都大于垂直于第一水平轴x的相应排成型腔2的任何横截面s的面积ac。此外，每个对接头部5、6可具有垂直于水平轴x的横截面st，其面积a
t
大于垂直于水平轴x的相应成型腔2的任何横截面sc的面积ac，但小于垂直于垂直轴z的第一对进料器臂的相应进料器臂3、4的任何横截面sb的面积ab。此外，每个进料器臂3、4可具有横截面sb，其面积ab沿垂直轴向上增加。如图1a所示，这可
以在进料器臂3、4的相对边缘之间以例如5到15
°
的发散角α获得。因此，如图5所示，可在横截面最窄的每个成型腔2内触发的金属固化将能够延伸直到具有两个相对且不断增加的固化前部10、11的进料器臂3、4，因此避免了可能由于模具成型腔收缩而导致的管道缺陷。
32.而且，为了在这些金属最薄的位置(例如涡轮发动机叶片的后缘)中，限制由模具1传递到正在成型腔2中固化的金属的应力，可以设想的是，与模具1的其他位置相比，模具1的这些壁在这些位置处更薄。
33.模具1的制造方法的第一步骤可以是创建包含多个图案22的非永久集群21，如图2a和2b所示。用于在模具1中形成中空体积的集群21的部分，例如用于形成成型腔2的图案22，用于形成进料器臂3、4的垂直臂23，用于形成浇口7的锥体24，以及连接锥体24和进料器臂3、4以形成进料器通道8的连接部25，可由具有低熔融温度的材料(例如蜡或模制树脂)形成。当考虑大量部件的生产时，特别地可以通过喷射蜡或模塑树脂到永久模具内来制造这些元件。在用于生产涡轮发动机叶片的图示实施例中，图案22示出了水平定向的这类叶片。
34.非永久集群21还可包括耐火元件，以确保其结构完整性，例如下降装置(未示出)。这些下降装置可以定位在侧面上，以便在浇口7下方释放空间以容纳额外的成型腔2，但也可以考虑仅具有例如定位在锥体24下方中央的单一耐火下降装置。
35.为了从非永久集群21开始生产模具1，可以继续将集群21浸入浆料b中，如图3a所示，然后用耐火砂s(即耐火材料的颗粒)对其除尘，如图3b所示。用于浆料b和耐火砂的材料，以及耐火砂s的粒度测定，例如可以是法国专利申请出版物fr 2 870 147 a1和fr 2 870 148 a1中所公开的。因此，浆料b例如可以包含陶瓷材料的颗粒，特别是粉末形式，其中矿物胶体粘合剂，并且可能地佐剂取决于浆料所需的流变性，而耐火砂s也可以是陶瓷。在可考虑用于浆料b和/或耐火砂s的陶瓷材料中，有氧化铝、莫来石和锆石。胶体矿物粘合剂例如可以是水基的胶体矿物溶液，例如胶体氧化硅。佐剂可包括润湿剂、稀释剂和/或结构变形剂。这些浸入和除尘步骤可以重复多次，可能地使用不同的浆料b和耐火砂s，直到用浆料浸渍的砂壳c在集群21周围形成了所需的厚度。该厚度可适于模具的不同位置，例如通过局部地限制某些除尘。
36.然后，例如可以在高压釜200中将涂有该壳c的集群21加热到160至180℃之间的温度以及1mpa的压力，以熔化并从壳的内部移除集群21的低熔融温度材料。然后，在较高温度(例如900至1200℃)下的烘烤步骤中，浆料b可以固化，从而固结耐火砂s，以形成模具1的耐火壁，如图3c所示。
37.在使用模具1的铸造方法中，在继续将液态金属浇注到模具1中之前，可以继续预热该模具1的步骤，如图4a所示。在该步骤中，在将模具1引入到烤箱100后，可在烤箱100中加热模具1，所述烤箱100可达到第一温度t1。然后，在不从烤箱100移除模具1的情况下，在保持烤箱100处于第一温度t1的同时，可以继续将液态金属m浇注到模具1中，如图4b所示，以便填充模具1的中空体积，特别是其成型腔2。金属可以在大于第一温度t1的第二温度t2下浇注到模具中。然而，第二温度t2和第一温度t1之间的温差δt可被限制，例如不超过170℃、或100℃，或甚至80℃。因此，如果金属例如是固相线处于1240℃且液相线处于1340℃的ren
é
77型的镍基等轴合金，则第二温度t2例如可以是1450℃，然后第一温度t1为1350℃，其中差值δt不大于170℃。因此，浇注到模具1中的熔融金属的过度热冲击从而降低了金属在模具2的最窄通道中过早和无意固化的风险，由此产生了可能导致堵塞和部件局部缺陷的
固化。液态金属的浇注快速地进行，并且因此在时间tv中完成，所述时间tv例如可以是大致2秒，或甚至一秒钟。
38.在图4c所示的以下步骤中，仍然可以在烤箱100中保持模具1，用于金属m在模具1中的第一冷却和固化步骤，其中，例如可以控制和限制烤箱100的冷却速率dt/dt到最多大致7℃/min。冷却速率的该上限还允许通过在模具1和冷却金属之间的热收缩差来限制施加在金属上的力。然而，与模具1耐火壁的热收缩相比更大的金属m的热收缩将导致图4c中虚线所示的金属在进料器臂3、4中的弯曲，该弯曲将对成型腔2中的金属m施加压缩应力，以便至少局部地平衡由成型腔2中的金属m的热收缩所导致的拉应力。因此，可以避免力集中，所述力集中会干扰金属的结晶，并导致由该铸造方法产生的部件存在弱点。
39.在图示的实施例中，由于ren
é
77型合金为多晶等轴合金，因此金属在其固化过程中将形成通常1mm左右，但或多或少具有随机定向的多个基本等同尺寸的晶粒。
40.当充分冷却了烤箱100直到其达到例如800℃至900℃之间的第三温度t3时，可以从烤箱100中取出模具1，以便在将其放置在由耐火织物环绕的绝缘钟下以后其继续自然地冷却，直到如图4d所示打破外壳的步骤，其中模具被破坏以从其移除固化金属，包括由此形成的涡轮发动机叶片100，然后可在所述固化金属上进行切割和精加工的后续步骤。
41.尽管已经通过参考一特定示例性实施例描述了本发明，但很明显的是，在不脱离由权利要求所限定的本发明通用范围的情况下，可以对该示例进行不同的修改和更改。因此，应当说明性而非限制性地考虑说明书和附图。