CN1101284C - 低成本铸造γ－TiAI用的整体式坩埚和铸型 - Google Patents
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Abstract
一种铸造反应性金属用的整体式坩埚，它由石墨套筒和连接在其上的可熔模型结合而成，在模型外表上加涂有由表面涂层稀浆和陶瓷灰泥交替叠成的叠层，用以形成熔模壳型。该叠层伸展到套筒的连接部分上。壳型被焙烧后能使可熔模型气化而留下套筒和壳型、即整体式坩埚。
Description
相关申请的交叉参考
本申请承认1997年1月27日的临时申请60/036041题为低成本铸造γ-TiAl用的整体式坩埚和铸型的申请日期的受益。
发明背景
发明领域
本发明一般地涉及铸造用坩埚，更具体地说，本发明提供出一种单元式整体型的坩埚和熔模铸型，以用来铸造反应性金属，特别是复杂形状的反应性金属。
相关技术描述
反应性金属如钛或铝化钛的溶化和铸造是很困难的，这是因为该熔融金属能与含有氧化铝、锆石或硅酸盐的坩埚起反应；在铸造诸如铁、镍或铝等金属时，通常都使用这种坩埚。涡轮增压器转子通常是用镍高温合金来铸造，这种合金利用具有锆石表面涂层的熔模铸型和附加在铸型顶部的氧化铝-硅酸盐坩埚就可方便地溶化和浇铸。可是，熔融的铝化钛会迅速地与氧化铝-硅酸盐坩埚起反应而使铸造不可能进行。
可供选择的坩埚材料包括氧化钇(Y2O3)、氧化钍(ThO2)、氧化钙(CaO)和其它奇异稀土元素的氧化物。氧化钍是放射性的，并有抗热冲击阻力很小的缺点。因此它尚未得到工业开发利用。但是，氧化钇坩埚的价格非常昂贵，要50至100美元。而用于铸造镍高温合金的氧化铝-硅酸盐坩埚的价格却小于1美元。由于钛和铝化钛铸造在多方面的应用上可与镍铸造进行竞争，因此，氧化钇坩埚的高昂价格就使钛和铝化钛铸造因售价太高而失去市场。这对价格敏感的应用如汽车应用是特别重要的。
氧化钙由于其热稳定性好，对钛和铝化钛来说也是一种潜在的耐熔材料。Degawa等人的美国专利No.4,710,481中公开了在氧化钙坩埚中溶化钛和钛合金。但是，氧化钙具有高度的亲水性，并在环境的大气湿度水平下能自发地起水合作用。水合作用会伴随着容积变化从而引起破裂和剥落。氧化钙坩埚在暴露于大气湿度下1小时就会自发地破裂。因此，氧化钙用作坩埚材料在商业和工业环境下是不现实的。
由此可见，需要提供出一种能克服上述缺点的在工业上现实的铸造钛和铝化钛金属的低价铸型。本发明还有可能用于其它反应性金属如锆合金的铸造。还需要为铸造反应性的和非反应性的金属提供出低成本的、在工业上实现的、单元式的坩埚和熔模铸型。
另外还需要提供出一种石墨或其它对感应敏感的复合材料坩埚，它含有石墨，该石墨直接附着在熔模铸型上，用以作γ-TiAl部件的铸造，特别是需要提供出一种低成本熔模铸造γ-TiAl涡轮增压器转子的方法。
发明概述
为了克服现有技术的局限性并取得要求的质量，本发明提供出了一种石墨坩埚，把它直接附着在铸件外形复杂的熔模铸型的顶部，构成一个整体的单元，这里所公开的复杂铸件的具体实施方案为一涡轮增压器转子。本发明还提供了一种制造整体式坩埚和铸型的方法，其特征在于，该方法的步骤有：在圆柱形石墨坩埚上附着一个可熔模型，以及围绕该模型和坩埚的连接部分造出一个熔模壳型。该壳型是将模型和坩埚连接部分浸入惰性的作表面涂层用的陶瓷稀浆中而形成的，随后让该浸涂涂层部分地干燥和/或固化，再在浸涂涂层上加涂一层陶瓷灰泥，并层叠另外的浸涂层和灰泥层，以得到要求厚度的壳型。
后面详细描述的本发明的实施方案将提供出一种单元式的坩埚/铸型系统，它适用于在真空中在温度超过1400℃的条件下铸造金属部件。
使用本发明的铸造复杂部件的装置这一方法，是利用γ-TiAl的快速溶化和浇铸来避免沾染来自坩埚的碳。碳是已知的γ-TiAl的沾染物。在少量沾染、即低于2000ppm(重量％)的水平下，经常碳的引入会改善γ-TiAl的蠕变性质。但在沾染量大时，碳会强烈降低γ-TiAl的拉伸延展性。单元式石墨坩埚/熔模铸型可防止γ-TiAl被坩埚的有害沾染，是因为这种设计能保证快速的熔化时间和低度的过热，这两个因素可使碳沾染的潜在可能性达到最小。
附图简述
本发明的详情和特性在详细描述并参阅附图以后将会更清晰地理解，附图有：
图1为整体式石墨坩埚和熔模铸型的垂直剖面图；以及
图2为利用本发明的方法用γ-TiAl制造示范性的涡轮增压器转子的透视图。
发明详述
本发明的一种实施方案如图1所示。整体式坩埚和铸型包括有一根圆柱形石墨套筒10，其底部12是用来接纳聚苯乙烯可熔模型14的连接部分的，可熔模型14上有连结流道15。在所示实施方案中，连结流道是用蜡16密封附着在套筒上的。套筒的尺寸设计成容纳要求数量的熔体坯17。熔模壳型18是借助于层叠表面涂层稀浆20和陶瓷灰泥22(为清晰起见只示出断面的一部分)而形成的，该壳型延伸到并粘结在石墨套筒的底部连接部分上。经焙烧后，模型即气化，变硬的壳型层叠物即被固结在石墨空心筒上，构成铸造所需部件用的整体式坩埚和铸型。套筒底面上的孔24为熔融的铸造用金属提供一个进入壳型的通道，而凸缘26则将熔体坯保留在坩埚内供感应加热的位置上。
制造和使用本发明的装置的方法包括的步骤有：借助于把聚苯乙烯涡轮增压器转子模型的顶部浸入热蜡中并将其插入石墨套筒底部的凹处来使聚苯乙烯模型加装到圆柱形石墨套筒上。随后围绕聚苯乙烯模型和套筒下部构成熔模壳型。此处所举的具体方案是，熔模铸型的制造方法是从将蜡或塑料制的形状如所需铸件的模型浸入用对γ-TiAl来说是惰性的任何陶瓷(如氧化钇或氧化钙)配制的表面涂层稀浆中开始。形成氧化钙表面涂层的一种适宜的稀浆已在系列号为08/644,598的共同未决的专利申请中公开，该专利申请题为“熔模制铸造和钛-铝化物合金用的惰性氧化钙表面涂层”，已转让给了与本发明同一个受让人，该专利申请的全文在此以参考文献的方式引入。
在浸涂涂层被部分干燥和/或固化后，在模型和坩埚下部区域再交替地加涂陶瓷灰泥和浸涂层，直到形成所需厚度的壳型。随后该坩埚/熔模铸型即可彻底干燥，然后在接近1000℃的温度下在氧化性气氛如空气中焙烧不少于0.5小时。焙烧的结果是模型的完全气化，其情形对“失蜡铸造”领域的技术人员来说是熟悉的。
此后，趁热把坩埚/熔模铸型组件从炉中转移到铸造间内并抽真空。将一根圆柱形的铸造用金属的熔体坯插入坩埚。随后借助于对石墨坩埚进行感应加热而使金属迅速熔化。由于石墨是很强的感受器，因此坩埚被很快地加热到γ-TiAl的熔化温度。熔融的金属借助于重力作用以最小的过热度和滞留时间直接流入连接着的铸型内。滞留时间短和过热度低可防止来自坩埚的碳的明显沾染。由于坩埚/熔模铸型的单元化设计使得滴落距离很短，这保证了细小断面能够注满。较长的滴落距离(在坩埚/熔模铸型系统分为两件的情况下就会这样)会因灌注管道区域的冷却和过早固化而使浇注不满。在冷却后，浇注的金属已成为原始的模型形状，即可从模壳中取出。实施例1
一个用聚苯乙烯塑料做的涡轮增压器转子模型用蜡配装到石墨坩埚底部的凹处，以使模型与坩埚连接起来。该塑料被浸入用氧化钇配制的表面涂层稀浆中，氧化钇表面涂层对γ-TiAl是惰性的。当该浸涂涂层被部分干燥和/或固化后，就在模型以及石墨坩埚的下部区域交替地加涂陶瓷灰泥和浸涂涂层，直到形成所需厚度的壳型。随后再多次被用燧石粒和氧化铝-硅酸盐粉末配制的支承性涂料作浸涂，以形成如图1所示的整体的熔模铸型。该包括有塑料涡轮增压器模型的坩埚/熔模铸型被彻底干燥后，于空气中在接近1000℃的温度下被焙烧0.5小时。然后，该石墨坩埚/涡轮增压器熔模铸型组件被趁热从炉中移出，以铸造用金属的熔体坯加入，置于石英钟罩下并抽真空。随后石墨坩埚和金属被感应加热而使金属熔化。用该法制造的TiAl浇铸转子的图形如图2所示。
以上已按专利法的要求对本发明作了详细的描述，本领域的技术人员将会承认，在此公开的具体实施方案可有多种变型和替换，这些变型和替换都是包括下述权利要求所定义的本发明的范围和意图之内的。
Claims (10)
1.一种制造浇铸反应性金属用的整体式坩埚和铸型的方法，它包括下列步骤：
将可熔模型加装到圆柱形石墨套筒上；
围绕模型和套筒的连接部分形成一个熔模壳型；
将壳型和所附着的套筒焙烧，使之完全固化，并使模型气化。
2.权利要求1所定义的方法，其中将可熔模型附着到套筒的步骤包括：
将模型的连接部分浸入热蜡中；以及
将模型的连接部分插入石墨套筒的凹处。
3.权利要求1所定义的方法，其中形成熔模壳型的步骤包括：
将模型浸入表面涂层稀浆中；
使浸涂涂层部分地干燥或固化；
在模型以及套筒的连接部分交替地加涂陶瓷灰泥和浸涂层，直到形成所需厚度的壳型。
4.权利要求3所定义的方法，其中在加涂交替层的步骤之后，接着就使壳型彻底干燥。
5.权利要求1所定义的方法，其中的模型是用聚苯乙烯塑料制的。
6.权利要求1所定义的方法，其中焙烧是在氧化性气氛例如空气中、在接近1000℃温度下进行不少于0.5小时。
7.权利要求3所定义的方法，其中在加涂交替层的步骤之后，接着就是加涂至少一层燧石粒和氧化铝-硅酸盐粉末的涂层。
8.权利要求3所定义的方法，其中表面涂层稀浆形成为惰性陶瓷。
9.权利要求8所定义的方法，其中惰性陶瓷中含有氧化钇。
10.权利要求8所定义的方法，其中惰性陶瓷中含有氧化钙。
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