熔融材料的离心铸造的增强技术的制作方法
【专利说明】熔融材料的离心铸造的増强技术
[0001]相关申请案
[0002]本申请要求2013年3月11日提交的美国专利申请序列号13/792,929的优先权，并且要求2014年I月31日提交的美国专利申请序列号14/169,665的优先权，所述申请的公开内容以引用的方式整体并入本文。
技术领域
[0003]本公开一般涉及离心铸造的装备和技术。本公开更具体来说涉及金属材料的离心铸造的装备和技术。
【背景技术】
[0004]金属铸造一般包括将一定体积的熔融金属材料提供给静态或旋转模具，以及允许材料冷却以产生由模具成形的铸件。铸件可能以近净成形的形式被铸造或可能在随后的锻造或加工应用中被进一步修改以产生最终的组件。金属材料在从液体到固体的相变过程中收缩，这可能导致铸件包括不受控制的收缩孔隙，尤其导致难以铸造金属材料，例如基于钛铝(TiAl)的合金和其他TiAl材料。收缩孔隙是基本凝固力学所固有的，并且可能对微观结构以及铸件产量产生负面影响。一般来说，最小化内化孔隙可以通过处理技术(诸如热等静压(HIP))来处理。然而，不受控制的内部孔隙可能会导致影响铸件表面质量的表面失真，并且增加生产成本。当铸件被切开或与铸造组件分开时，不受控制的内部孔隙也可能被暴露。当孔隙被表面连接时，当前的处理技术可能不适合于许多铸造应用。例如，被设计成填充或封闭孔隙的表面处理技术可能无法保持铸件的连续性，这可能会不利地影响铸造材料的机械性能。材料去除技术(诸如加工去除外部孔隙)也可能降低铸件产量并且暴露额夕卜的孔隙。
[0005]用于铸造各种金属材料(诸如基于钛铝的合金)的常规的铸造技术无法控制孔隙，使得远离铸件的表面和可能随后被切开的铸件的区域内化孔隙。例如，其他技术已经描述了使用一系列静态铸造和真空电弧重熔技术来制备钛铝部分。然而，这些静态铸造技术造成显著的孔隙，这无法使用HIP来去除。其他技术也已经描述了离心铸造技术，其用于制备在离心机达到转速之前需要将熔融材料提供给离心机的钛铝铸件。然而，如每个铸片对单独的加热方法和模具的要求可明显看出，冷却速率和凝固难以控制。尽管已经报告了各种其他离心铸造技术，但是没有一种能够充分控制收缩孔隙。
[0006]鉴于与用于铸造金属材料的常规的铸造技术(包括离心铸造技术)相关联的缺点，开发用于铸造金属材料的改进的技术将是有利的。
【发明内容】
[0007]根据本公开的一个方面，离心铸造装置的非限制性实施方案包括旋转总成，其被配置成围绕旋转轴旋转。旋转总成包括浇道室，其被定位成围绕旋转轴并且被构造成接收供给的熔融材料。第一浇口和第二浇口被定位成在离心力的大致方向上从浇道室接收熔融材料。第一型腔和第二型腔被堆叠，并且分别被定位成在离心力的大致方向上从第一浇口和第二浇口接收熔融材料。
[0008]根据本公开的另一方面，离心铸造模具的非限制性实施方案包括被配置成接收供给的熔融材料的前端面、后端面、第一型腔以及第二型腔。第一型腔和第二型腔各自从前端面朝向后端面延伸并且由侧壁和邻近模具的后端面的后壁限定。第一型腔和第二型腔被堆叠，并且被配置成在离心力的大致方向上接收熔融材料。模具被构造成差动隔离第一型腔和第二型腔，使得在后壁处从熔融材料的热量提取速率大于在侧壁处的热量提取速率以促进从后壁大致朝向离心力的大致方向的定向凝固。
[0009]根据本公开的另一方面，永久离心铸造模具的非限制性实施方案包括前端面，其被配置成接收供给的熔融材料；后端面；以及第一型腔，其从前端面朝向后端面延伸。第一型腔由侧壁和邻近模具的后端面的后壁限定。被限定在模具中的第一浇口被定位在前端面与第一型腔之间。
[0010]根据本公开的另一方面，一种生产金属材料的铸件的离心铸造方法包括定位旋转总成，其包括多个浇口和被定位成围绕浇道室的多个型腔，使得多个浇口和多个型腔被定位成在离心力的大致方向上从浇道室接收熔融金属材料。多个浇口中的每个耦合到多个型腔中的一个，并且多个型腔中的至少两个被堆叠。方法进一步包括使旋转总成旋转。方法进一步包括将供给的熔融金属材料输送到浇道室。
[0011]根据本公开的另一方面，一种装配离心铸造装置的方法包括将楔定位在旋转轴上。方法也包括将至少两个模具定位成与楔密封啮合，其中至少两个模具中的每个包括前端面并且限定从前端面延伸到模具中的至少两个型腔。方法进一步包括限定浇道室，其被构造成接收熔融材料，其中浇道室的至少一部分由至少两个模具的前端面的至少一部分限定。
[0012]根据本公开的一个方面，模具的实施方案被构造成与离心铸造装置的旋转总成操作性关联。模具可以包括至少一个型腔，其具有输入端口，所述输入端口被构造成在通过旋转总成的旋转产生的离心力的大致方向上接收熔融材料。此外，模具内的浇口可以与型腔的输入端口连通，其中浇口包括至少一个锥形部分，其被定位成邻近型腔的输入端口。
[0013]根据本公开的一个方面，模具的实施方案被构造成与离心铸造装置的旋转总成操作性关联。模具可以包括至少一个型腔，其具有输入端口，所述输入端口被构造成在通过旋转总成的旋转产生的离心力的大致方向上接收熔融材料。此外，模具可以包括与型腔的输入端口连通的延伸的浇口，并且型腔可以被构造成生产铸造组件，其能够细分成具有预定义的宽高比的多个子组件。
[0014]根据本公开的一个方面，模具的实施方案被构造成与离心铸造装置的旋转总成操作性关联。模具可以包括至少两个型腔，每个型腔具有输入端口，其被构造成在通过旋转总成的旋转产生的离心力的大致方向上接收熔融材料。型腔可以共享与型腔的两个输入端口连通的共同浇口。
[0015]根据本公开的一个方面，模具的实施方案被构造成与离心铸造装置的旋转总成操作性关联。模具可以包括至少一个型腔，其具有输入端口，所述输入端口被构造成在通过旋转总成的旋转产生的离心力的大致方向上接收熔融材料。此外，模具可以包括主体部分，其包括第一材料；以及后壁部分，其与主体部分可连接或可分离，其中后壁部分包括第二材料。第一材料和第二材料可以是不同的材料类型。
[0016]根据本公开的一个方面，模具的实施方案被构造成与离心铸造装置的旋转总成操作性关联。模具可以包括至少一个型腔，其具有输入端口，所述输入端口被构造成在通过旋转总成的旋转产生的离心力的大致方向上从浇口接收熔融材料。此外，槽可以被形成为邻近型腔的输入端口，其中槽被构造成在其中可去除地接收浇口的侧壁。
[0017]附图简述
[0018]通过参考附图可以更好地理解本文所描述的装置和方法的特征和优点，其中:
[0019]图1为常规的离心铸造总成的旋转总成的半示意图；
[0020]图2为根据本公开的各种非限制性实施方案的离心铸造装置的旋转总成的某些组件的简化的半示意性描绘；
[0021]图3为根据本公开的各种非限制性实施方案的离心铸造装置的旋转总成的某些组件的透视图；
[0022]图4为根据本公开的一个非限制性实施方案的以透视方式示出图3中所示的旋转总成的某些组件的局部分解图；
[0023]图5为根据本公开的一个非限制性实施方案的以透视方式示出图3中所示的旋转总成的某些组件的局部分解图，其图示在沿线5-5截取的并且在图3中箭头的方向上的横截面中的工作台、楔和封闭环；
[0024]图6为根据本公开的各种非限制性实施方案的离心铸造装置的旋转总成的某些组件的透视图；
[0025]图7为根据本公开的一个非限制性实施方案的沿线7-7截取的并且在图6中箭头的方向上的横截面，其图示图6中所示的旋转总成的某些组件；
[0026]图8为根据本公开的一个非限制性实施方案的模具的正视图；
[0027]图9为根据本公开的各种非限制性实施方案的离心铸造装置的旋转总成的某些组件的透视图；
[0028]图10为根据本公开的一个非限制性实施方案的模具的横截面的透视图；
[0029]图11为根据本公开的各种非限制性实施方案的模具的透视图；
[0030]图12为根据本公开的一个非限制性实施方案的穿过图11中所示的模具的第一型腔的横截面的透视图；
[0031]图13为根据本公开的一个非限制性实施方案的穿过图11中所示的模具的第二型腔的横截面的透视图；
[0032]图14为根据本公开的一个非限制性实施方案的穿过图11中所示的模具的第三型腔的横截面的透视图；
[0033]图15为根据本公开的一个非限制性实施方案的穿过图11中所示的模具的第四型腔的横截面的透视图；
[0034]图16图示包括根据本公开的各种实施方案构造的锥形部分的浇口的部分的透视图；
[0035]图16A示意性地图示包括根据本公开的各种实施方案构造的锥形部分的浇口的平面图；
[0036]图17包括根据本公开的各种实施方案的被构造成具有延伸的浇口的模具的一部分的透视图；
[0037]图18包括根据本公开的各种实施方案的被构造成具有延伸的浇口的模具的一部分(为了说明的目的，部分实心和部分透明)的透视图；
[0038]图19包括根据本公开的各种实施方案的被构造成具有共同浇口的模具的一部分的透视图；
[0039]图20包括离心铸造装置的透视图，其包括根据本公开的各种实施方案构造的旋转总成；
[0040]图21包括图20的模具的俯视平面图；以及
[0041]图22包括根据本公开的各种实施方案构造的模具的一部分的透视图。
[0042]在考虑根据本公开的装置和方法的某些非限制性实施方案的以下详细描述后，读者将了解上述细节以及其他。在实施或使用本文所描述的装置和方法后，读者也可以理解某些这种额外的细节。
【具体实施方式】
[0043]金属材料一般可以包括一种或多种金属元素，并且在一些情况下也包括一种或多种非金属元素。收缩孔隙是在铸造时许多这些金属材料的基本凝固力学所固有的，这可能会对铸件的机械性能产生负面影响。各种金属材料(例如，基于钛铝的合金)的本静态和离心铸造技术无法在铸件的表面中和铸件可能随后被切开的区域中控制孔隙。
[0044]在各种非限制性实施方案中，本公开描述离心铸造装置，其包括旋转总成和被构造成控制收缩孔隙的组件。例如，离心力可以被用来将熔融材料(诸如熔融金属材料)馈送到铸孔中，由此最小化在凝固材料中的熔融材料缺乏。受控制的收缩孔隙一般可以包括控制铸件内的收缩孔隙的量和/或位置，使得可能通过后续处理去除收缩孔隙。例如，受控制的收缩孔隙可以包括被内化的收缩孔隙，例如，被连接和/或最小化的非表面。在一些非限制性实施方案中，可以远离铸件的特定区域内化收缩孔隙，使得铸件可以被切开和/或从铸造组件或材料被去除，而不将内化的孔隙暴露于大气中。
[0045]根据某些非限制性实施方案，所公开的离心铸造装置和方法可以简化各种铸件的后续处理，并且消除标准生产路线(诸如用于熔模铸造的生产路线)。与经常需要装配六十个或更多个模具组件的常规的离心铸造设备不同，本文所公开的离心铸造装置的某些非限制性实施方案包括旋转总成，其可以由比典型数量的主要组件更少的组件装配，从而显著减少设置时间。在各种非限制性实施方案中，例如，铸件可以进行热处理和/或通过HIP处理。根据某些非限制性实施方案，由所公开的离心铸造装置和方法生产的铸件可能适合后续使用于锻造或加工应用中，以例如生产喷气发动机、涡轮增压器的最终组件，或各种高温组件。
[0046]根据本公开的装置和方法可以用于铸造金属材料。如本文所用，金属材料可以包括金属和金属合金。金属材料包括例如TiAl材料，其包括例如基于TiAl的合金。基于TiAl的合金可以包括除钛和铝之外的一种或多种合金元素。在某些非限制性实施方案中，本装置和方法可以用于铸造TiAl材料，其包括钛和约25.0至52.1原子％的铝或约14至36重量％的铝。所公开的离心铸造装置和方法可以用于生产包括其他百分比的铝和其他合金元素的TiAl材料的铸件，但不限于以上。也应了解，尽管本文可能就基于TiAl的合金和其他TiAl材料来描述各种非限制性实施方案和有益的特征，但是所公开的装置和方法不限于此。本领域技术人员将认识到，所公开的装置和方法可能会发现超越TiAl材料的广泛应用，例如但不限于受到收缩孔隙或具有类似于TiAl材料的其他性能或特性的金属材料。尽管某些非限制性实施方案可以在适用于TiAl材料时提供优于常规的铸造技术的显著优点，但是应理解本文所公开的装置和方法也可以用于铸造其他金属材料，但不限于优于常规的铸造技术的好处或优点。
[0047]当适用于本公开的各种非限制性实施方案时，本文所描述的离心铸造装置、旋转总成、模具和/或其组件可以包括各种金属材料、金属材料的组合、陶瓷材料，和/或金属材料和陶瓷材料的组合。可以了解，本公开的各种实施方案可以用于生产，例如但不限于，燃气涡轮机组件、涡轮增压器组件和/或内燃机组件，以及许多其他类型的组件或产品。
[0048]传统上，已使用静态熔模铸造技术来铸造TiAl材料。最近，各种离心铸造技术(包括离心熔模铸造)已提出了铸造TiAl材料。然而，上述技术可能允许空隙形成在最终铸片内的有害的位置，并且因此可能增加生产成本、限制机械性能，和/或损害最终铸片的结构特性。这些技术也在型腔和每型腔的铸件的这两个数量上受限。图1图示常规的离心铸造设备2的半示意图。设备2 —般需要将熔融材料从材料供给源“S”提供到被定位成靠近旋转轴“R”的浇道室4，在操作期间设备2围绕旋转轴“R”旋转。设备2使用间接浇口，其需要通过流道系统