專利名稱：促進(jìn)帶有罩的轉(zhuǎn)葉中的晶粒結(jié)構(gòu)的熔模鑄造過程和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種促進(jìn)帶有罩的DS渦輪機(jī)轉(zhuǎn)葉中的晶粒結(jié)構(gòu)的熔模 鑄造過程和設(shè)備，具體地涉及一種用于形成定向凝固的葉片的熔模鑄造 過程以及一種用于模制定向凝固的葉片的熔模鑄造組件。
背景技術(shù)：
燃?xì)廨啓C(jī)通常包括一個(gè)產(chǎn)生壓縮空氣的壓縮機(jī)段(或壓縮機(jī)部 分)，燃料與一部分壓縮空氣混和并在一個(gè)或多個(gè)燃燒室中燃燒，從而 產(chǎn)生熱壓縮氣體，熱壓縮氣體在渦輪段(或渦輪部分)中膨脹以產(chǎn)生使 軸旋轉(zhuǎn)的功率。渦輪段通常包括多排交替布置的靜葉片(噴嘴)和轉(zhuǎn)動(dòng) 葉片(轉(zhuǎn)葉bucket)，每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)葉片都具有一個(gè)翼型部和一個(gè)根部，轉(zhuǎn) 動(dòng)葉片通過根部固定到轉(zhuǎn)子上。
在許多轉(zhuǎn)動(dòng)翼型上，在葉片的徑向外端上使用成整體的尖端罩，以 形成熱氣體必須經(jīng)過的通道的外表面。讓罩成為翼型的一部分導(dǎo)致發(fā)動(dòng) 機(jī)性能的增加，就這一點(diǎn)而論，希望整個(gè)外表面都由尖端罩所覆蓋。然 而，由于通過旋轉(zhuǎn)速度所施加的機(jī)械力，轉(zhuǎn)動(dòng)翼型上的成整體的罩是受 很高應(yīng)力的部件。與高應(yīng)力關(guān)聯(lián)的高溫環(huán)境使得設(shè)計(jì)一個(gè)在葉片的其余 部分的整個(gè)使用壽命期間都有效地工作的罩成為一個(gè)挑戰(zhàn)。罩的一個(gè)薄 弱區(qū)域是翼型和尖端罩之間的圓角。解決該挑戰(zhàn)的一個(gè)可能是減小施加 到尖端罩圓角上的應(yīng)力， 一種常見的方法是使伸出的罩的一部分成扇形 或?qū)⑵淙サ簦瑥亩鴾p小所施加的負(fù)荷。然而，物理地去掉尖端罩覆蓋導(dǎo)
致發(fā)動(dòng)機(jī)性能的損失。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種用于渦輪機(jī)例如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī) 等等的葉片，更具體地說，本發(fā)明涉及一種熔模鑄造過程，該過程能使 定向凝固的具有尖端罩的渦輪葉片或轉(zhuǎn)葉具有一個(gè)貫穿尖端罩的連續(xù) 晶粒結(jié)構(gòu)，同時(shí)還能增加部件的根部中的晶粒的數(shù)量。本發(fā)明可以容易 地應(yīng)用于以地面為基礎(chǔ)的渦4侖才幾轉(zhuǎn)葉或飛才幾發(fā)動(dòng)才幾渦輪葉片。
因而，本發(fā)明可以一種用于形成定向凝固的葉片的熔模鑄造過程來 實(shí)施，該過程包括提供一葉片模具，將所述模具定向以使得其用于形
成所述葉片的一底部的一部分模腔位于其底部，而使得用于形成葉片的
一尖端的一部分模腔位于其垂直上端；提供一在所述模具下面延伸的除 熱結(jié)構(gòu)；使熔融金屬流入所述模具的所述模腔中；和允許所述葉片從所 述底部向上凝固。
本發(fā)明還可以 一種用于模制定向凝固的葉片的熔模鑄造組件來實(shí) 施，該熔模鑄造組件包括葉片模具，所述模具被定向(或確定取向) 以使得其用于形成所述葉片的底部的其一部分模腔位于其底部，而使得 用于形成所述葉片的一尖端的一部分模腔位于其垂直上端；設(shè)置成在所 述模具下面延伸的除熱結(jié)構(gòu)；和用于使熔融金屬流入所述模具的所述模 腔中的管道系統(tǒng)，由此所模制的葉片將從所述底部向上凝固。
通過下面結(jié)合附圖仔細(xì)研究本發(fā)明的目前優(yōu)選的示例性實(shí)施例的 更詳細(xì)的說明，將會(huì)更完整地了解和理解本發(fā)明的這些和其他目的和優(yōu) 點(diǎn)，其中
圖1是帶有尖端罩的渦輪葉片的示意性透視圖2是傳統(tǒng)尖端罩的示意性平面圖，其示出了罩的扇形形狀；
圖3是典型的渦輪葉片鑄造布置的示意圖；和
圖4是根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的過程的渦輪葉片鑄造布置的示意圖。
具體實(shí)施例方式
在圖1中示意性地示出了帶有冷卻通道的典型葉片，冷卻通道在葉 片尖端具有出口以溢出(flow over)尖端罩。如這里示意性地示出的， 每個(gè)渦輪葉片10包括一翼型部12和一根部14，翼型部具有一前緣和一 后緣， 一大體上凹入的壓力面和一大體上凸出的負(fù)壓面在翼型的相對(duì)兩 側(cè)上在前緣和后緣之間延伸。在圖示的示例中，葉片根部14包括柄部 16和雞尾榫18,鴻尾榫18與轉(zhuǎn)子上的相對(duì)應(yīng)鳩尾槽接合，以將葉片固 定到轉(zhuǎn)子上。
如圖1和2中所示， 一罩20形成于翼型12的尖端并從翼型向外伸 出，這樣，罩具徑向面向內(nèi)和徑向面向外的表面，且暴露于流過渦輪段 的熱壓縮氣體。每個(gè)罩都具有支承面22、 24，在支承面22、 24上面， 罩與一相鄰葉片的罩接觸，從而抑制葉片振動(dòng)。此外， 一個(gè)或多個(gè)擋板 26通常/人罩徑向向外伸出，以防止在相應(yīng)的葉片4非周圍的熱氣體的泄
露。在一些傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)葉(bucket)葉片結(jié)構(gòu)中，多個(gè)冷卻空氣通道徑向 向外貫穿葉片進(jìn)入葉片尖端中。在其他傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)葉葉片結(jié)構(gòu)中，在翼型 中限定有蜿蜒的通道。如圖2中所示，徑向的冷卻空氣通道按常規(guī)終止 于空氣排出孔28,空氣排出孔28允許冷卻空氣在罩的徑向向外表面處 排出。
由于定向凝固(或定向固化(DS))的晶粒結(jié)構(gòu)與等軸晶粒(或結(jié) 晶)構(gòu)造相比所展現(xiàn)的優(yōu)良機(jī)械性質(zhì)，在一些應(yīng)用中想要定向凝固(DS) 的渦輪葉片/轉(zhuǎn)葉(圖1)。典型地，DS晶粒沿垂直于激冷板且平行于 退出方向的所希望的方向生長(zhǎng)，但僅yf又生長(zhǎng)到一個(gè)點(diǎn)為止。DS晶粒不會(huì) 環(huán)繞90度角或拐角生長(zhǎng)。超過90度角，例如，穿過平臺(tái)或尖端罩與翼型 相連的半徑，在或多或少垂直于翼型的那些表面中的晶粒結(jié)構(gòu)和晶粒生長(zhǎng) 方向通常各方等大地或大約各方等大地結(jié)束，因而，渦輪葉片/轉(zhuǎn)葉區(qū)域中 例如尖端罩的多個(gè)部分中的晶粒結(jié)構(gòu)沒有所希望的或所需要的機(jī)械性 質(zhì)。本發(fā)明提供了一種過程，籍此能獲得一個(gè)從翼型通過某些葉片/轉(zhuǎn)葉的 尖端罩的DS晶粒結(jié)構(gòu)，同時(shí)還能增加部件的根部中的晶粒的數(shù)量。
在DS和單晶(SC)鑄造技術(shù)變得適合成批生產(chǎn)之前，熔模鑄造渦 輪葉片和轉(zhuǎn)葉被鑄造為具有等軸結(jié)晶構(gòu)造。由于這些部件的幾何形狀； 即在根部和柄部端部(或末端)的橫截面較大(或較粗)，其朝著在尖 端的較小(或較細(xì))橫截面逐漸變細(xì)，所以允許熔融金屬進(jìn)入并充填置 于較大的端部上模具的澆口上。通常以尖端以向下的姿態(tài)部分地鑄造這 些部件以在必需的填充和供料過程中利用重力，從而產(chǎn)生無疵鑄件。在 金屬在形成澆口的端部處最長(zhǎng)時(shí)間地保持熔融狀態(tài)且可以用來供應(yīng)鑄 件的場(chǎng)合，當(dāng)金屬受冷體積收縮時(shí)，尖端向下的姿態(tài)允許自然的填充和 供料發(fā)生。這些結(jié)構(gòu)在不同的結(jié)晶方向上具有不同的機(jī)械性質(zhì)。
Bridgeman過程使得熔模鑄件產(chǎn)生一種具有受控結(jié)晶取向，從而能 利用特定結(jié)晶取向的優(yōu)良性質(zhì)。在DS過程中，晶粒在激冷板上成核并 且它們的生長(zhǎng)受排熱方向和方法的控制。晶粒垂直于激冷板生長(zhǎng)，它們 能以一個(gè)角度生長(zhǎng)，但一般它們不會(huì)環(huán)繞拐角生長(zhǎng)，即，當(dāng)它們變得平 行于激冷板(或垂直于退出方向)時(shí)，它們通常會(huì)停止生長(zhǎng)。如果/當(dāng)晶 粒的生長(zhǎng)被與生長(zhǎng)方向交叉的模具的表面(例如尖端罩或平臺(tái))打斷 時(shí)，晶粒也將停止沿所希望的方向的生長(zhǎng)。
由于在尖端向下的姿態(tài)中生產(chǎn)傳統(tǒng)的DS鑄件，所以晶粒生長(zhǎng)開始于
轉(zhuǎn)葉的尖端罩的最外表面處。當(dāng)晶粒朝翼型生長(zhǎng)時(shí)，從(鑄件的外部)激 冷板進(jìn)入尖端罩的那些晶粒遇到部件(模具材料)的翼型氣路表面并被阻
止進(jìn)一步生長(zhǎng)，這些晶粒是被截?cái)嗟腄S晶粒，并且當(dāng)部件被腐蝕時(shí)具有 等軸晶粒的外觀。它們不是真正地由等軸晶粒組成的，而是DS晶粒的短 的部分，且這些區(qū)域中的性質(zhì)^艮可能比得上DS晶粒結(jié)構(gòu)的橫向性質(zhì)。
整個(gè)結(jié)構(gòu)中的晶粒數(shù)量受允許晶粒生長(zhǎng)穿過的最小橫截面的限 制。參考圖3，在渦輪機(jī)轉(zhuǎn)葉或飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的典型鑄造過程中，當(dāng) 晶粒生長(zhǎng)從尖端罩120， 一較小的橫截面前進(jìn)通過翼型112的不斷增大 的橫截面，然后通過平臺(tái)和總體上以附圖標(biāo)記114表示的柄部與鳩尾榫 的仍然較大的橫截面時(shí)，通過小的尖端罩120生長(zhǎng)的晶粒數(shù)量沒有增 加，且實(shí)際上由于生長(zhǎng)得較大、較快的晶粒吸收和推開了生長(zhǎng)得較小的 晶粒，生長(zhǎng)通過小的尖端罩120的晶粒數(shù)量可能減少了。這樣，需要現(xiàn) 存的有限數(shù)量的晶粒填充部件的增大的橫截面和體積，因而鴻尾榫具有 的晶粒將比尖端罩少。在整個(gè)翼型中將會(huì)有許多晶粒，它們沒有延伸到 或穿過鳩尾榫，這些晶粒僅僅由將它們結(jié)合到相鄰晶粒的力量(或強(qiáng) 度)保持在一起。希望讓盡可能多的晶粒保持在雞尾榫，以使得部件的 強(qiáng)度是結(jié)晶的晶粒的強(qiáng)度，而不是晶界強(qiáng)度。
因而，在利用Bridgeman過程的現(xiàn)有技術(shù)中，如圖3中所示，部件 與安裝到除熱結(jié)構(gòu)(或構(gòu)造或者特征)130 (其例如可以是激冷板)的 部件的尖端罩端120對(duì)齊。更具體地說，將熔融金屬132倒入一澆注杯 134,然后熔融金屬通過一合適的管道系統(tǒng)，該管道系統(tǒng)將熔融金屬最 終給送到部件110中。除熱結(jié)構(gòu)，例如激冷板130設(shè)置成在模具下面水 平地延伸并設(shè)為晶粒成核啟動(dòng)器。在圖示的示例中，管道系統(tǒng)包括垂直 取向的澆鑄道136和從澆鑄道136延伸到模具的給料管138，澆鑄道136 僅僅是一中空管。
如圖3中所示，部件模具構(gòu)形成使得尖端罩120設(shè)置在除熱結(jié)構(gòu)附 近，翼型112從尖端罩垂直地延伸到柄部/鳩尾榫模具部分114,并且晶 粒生長(zhǎng)是在朝向柄部/雞尾榫的方向上。在真空中鑄造這些部件；即，沒 有空氣存在并且不需要排氣孔。
本發(fā)明的目的是提供一種轉(zhuǎn)葉尖端罩中的晶粒結(jié)構(gòu)，其比現(xiàn)有技術(shù) 的結(jié)果更令人滿意。例如，本發(fā)明將允許轉(zhuǎn)葉晶粒環(huán)繞尖端罩圓角生 長(zhǎng)，在部件的這個(gè)受很大應(yīng)力的區(qū)域中產(chǎn)生優(yōu)良的機(jī)械性能。有了本發(fā) 明提供的優(yōu)良性能，能將渦輪機(jī)轉(zhuǎn)葉設(shè)計(jì)成在較高的溫度工作或工作更 長(zhǎng)的時(shí)間。在尖端罩圓角的示例中，本發(fā)明可以消除使尖端罩成扇形的 需要，導(dǎo)致優(yōu)良的發(fā)動(dòng)機(jī)性能。本發(fā)明的另一個(gè)目的是增加鴻尾榫中的 晶粒數(shù)量(在部件固定到渦輪機(jī)葉輪的場(chǎng)合)。在現(xiàn)有技術(shù)的過程中，
從尖端罩120到鳩尾榫114貫穿部件的晶粒數(shù)量受到能通過翼型112和 該翼型的腳印部的晶粒數(shù)量的限制，翼型112在腳印部與平臺(tái)/柄部相 連。這個(gè)小的腳印部，或窗口，限制將進(jìn)入鳩尾榫的所希望的取向和性 質(zhì)的晶粒的數(shù)量。
本發(fā)明將部件210的模具定向以使得根部214向下，所以與現(xiàn)有技 術(shù)相比，凝固和晶粒發(fā)生與生長(zhǎng)開始于部件的相反端，并且凝固從鳩尾 榫214向前移向尖端罩220;與現(xiàn)有技術(shù)的凝固和晶粒生長(zhǎng)圖案(或模 式)相反大約180度。因而，參考圖4中所示的示例性實(shí)施例，如傳統(tǒng) 的模制過程中那樣，熔融金屬232在通過管道系統(tǒng)流入部件210之前被 倒入一澆注杯234。除熱結(jié)構(gòu)，例如激冷板，230設(shè)置成作為晶粒成核 啟動(dòng)器在模具下面水平地延伸。在圖示的示例性實(shí)施例中，管道系統(tǒng)包 括垂直取向的澆鑄道236和從澆鑄道236延伸到模具的給料管238,澆 鑄道236僅僅是一中空管。作為選擇，可以通過非垂直的澆鑄道將合金 引入到部件空腔中，并可以將給料管設(shè)置在另一個(gè)位置，位于除熱結(jié)構(gòu) 230附近或沿著部件才莫具更高的位置。
與參考圖3的上述傳統(tǒng)過程大不相同，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，模具 構(gòu)形成使得柄部/鳩尾榫模具部分214設(shè)置在除熱結(jié)構(gòu)230附近，翼型 212從柄部/鳩尾榫垂直向上延伸到尖端罩220,且晶粒生長(zhǎng)是在朝向尖 端罩220的方向上。
根據(jù)本發(fā)明的過程，與除熱結(jié)構(gòu)230接觸的較大面積引發(fā)了較大量 的被適當(dāng)取向的晶粒，然后所述晶粒從大的橫截面生長(zhǎng)通過部件進(jìn)入逐 漸縮小的橫截面。在受很大應(yīng)力的鳩尾榫區(qū)域214中具有其性質(zhì)優(yōu)良的 被更正確對(duì)齊的DS晶粒是所希望的，將被引發(fā)和被保持在鴻尾榫中的 相同晶粒將貫穿翼型212的長(zhǎng)度延伸，貫穿翼型的晶粒的數(shù)量的增加將 導(dǎo)致部件中承受應(yīng)力能力的增加。
盡管已經(jīng)結(jié)合目前認(rèn)為最實(shí)用和優(yōu)選的實(shí)施例描述了本發(fā)明，但應(yīng) 該懂得，本發(fā)明不局限于公開的實(shí)施例，而是相反，本發(fā)明用來覆蓋包 含在所附權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)的各種變型和等價(jià)方案。
部件編號(hào)
渦輪葉片10
翼型部12
根部14
柄部16
鳩尾榫18
罩20
支承面22, 24
擋板26
空氣排出孔28
部件110
翼型112
柄部和鴻尾榫114
尖端罩120
激冷板130
炫融金屬132
澆注杯134
澆鑄道136
給料管138
部件210
翼型212
柄部/雞尾榫模具部分尖端罩220
激冷板230
熔融金屬232
淺注杯234
澆鑄道236
給料管238
激冷板230
權(quán)利要求
1.一種用于形成定向凝固的葉片的熔模鑄造過程，它包括提供葉片模具(210)，將所述模具定向以使得其用于形成所述葉片的底部的模腔的部分(214)位于其底部和使得用于形成葉片的尖端的模腔的部分(220)位于其垂直上端；提供在所述模具下面延伸的除熱結(jié)構(gòu)(230)；使熔融金屬(232)流入所述模具的所述模腔中；和允許所述葉片從底部向上凝固。
2. 如權(quán)利要求1所述的熔模鑄造過程，其特征在于，將所述熔融金 屬給送到所述模腔的底部(214)。
3. 如權(quán)利要求1所述的熔模鑄造過程，其特征在于，其還包括提供 與所述葉片模具(210)相鄰的澆鑄道(236)和提供用于使熔融金屬?gòu)?所述澆鑄道流到所述模腔的給料管(238)。
4. 如權(quán)利要求3所述的熔模鑄造過程，其特征在于，所述澆鑄道 (236)是基本上垂直取向的，與所述葉片模具(210)相鄰且平行于所述葉片模具(210)。
5. 如權(quán)利要求1所述的熔模鑄造過程，其特征在于，所述模具構(gòu)形 成用于形成渦輪轉(zhuǎn)葉，所述模腔的底部構(gòu)形成形成渦輪轉(zhuǎn)葉的鳩尾榫/ 柄部(214)，且所述模腔的垂直上端構(gòu)形成形成渦輪轉(zhuǎn)葉的尖端罩(220)。
6. —種用于模制定向凝固的葉片的熔模鑄造組件，它包括 葉片模具(210)，所述模具被定向以使得其用于形成所述葉片的底部的模腔的部分(214)位于其底部和使得用于形成葉片的尖端的模腔的部分(220)位于其垂直上端；設(shè)置成在所述模具下面延伸的除熱結(jié)構(gòu)(230);和 用于使熔融金屬(232 )流入所述模具的所述模腔中的管道系統(tǒng) (236、 238);以及由此模制的葉片將從底部向上凝固。
7. 如權(quán)利要求6所述的熔模鑄造組件，其特征在于，所述管道系統(tǒng) 包括與所述葉片模具相鄰的澆鑄道(236 )和用于使熔融金屬?gòu)乃鰸?鑄道流到所述模腔的給料管(238)。
8. 如權(quán)利要求7所述的熔模鑄造組件，其特征在于，所述給料管從所述澆鑄道延伸到所述葉片模具的底部(214)。
9. 如權(quán)利要求7所述的熔模鑄造組件，其特征在于，其還包括位 于澆鑄道的垂直上端用于接納熔融金屬(232 )的澆注杯(234)。
10. 如權(quán)利要求6所述的熔模鑄造組件，其特征在于，所述模具構(gòu)形成用于形成渦輪轉(zhuǎn)葉，所述模腔的底部構(gòu)形成形成渦輪轉(zhuǎn)葉的鳩尾榫 /柄部(214),且所述模腔的垂直上端構(gòu)形成形成渦輪轉(zhuǎn)葉的尖端罩 (220)。
全文摘要
本發(fā)明提出一種促進(jìn)帶有罩的DS渦輪機(jī)轉(zhuǎn)葉中的晶粒結(jié)構(gòu)的熔模鑄造過程和設(shè)備。該熔模鑄造過程能使定向凝固的具有尖端罩的渦輪葉片或轉(zhuǎn)葉具有貫穿尖端罩(220)延伸的連續(xù)晶粒結(jié)構(gòu)，同時(shí)還能增加部件的根部(214)中的晶粒數(shù)量。
文檔編號(hào)B22C9/04GK101172301SQ20071018498
公開日2008年5月7日 申請(qǐng)日期2007年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月31日
發(fā)明者R·A·布里廷厄姆, S·D·格雷厄姆 申請(qǐng)人:通用電氣公司