專利名稱：用于壓鑄高熔點材料的裝置的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及壓鑄，更具體地說涉及一種壓鑄高熔點如超過2000°F(1093℃)的材料的裝置。
高熔點材料，如鎳基超耐熱合金和鈦基合金普遍應用于各種行業。通常，詞語“超耐熱合金”是指在高溫如900°F及以上溫度下具有高強度的材料。這樣的典型材料是鎳基合金、鈷基合金和/或鐵基合金。鈦合金在要求重量輕和高度強-重量比的應用中采用。這些合金具有良好的耐腐蝕性及在達到如1000°F(538℃)的中等溫度下保持良好的強度。
例如在燃氣輪機中，一般在渦輪部分采用高熔點材料如鎳基和鈷基超耐熱材料，有時在發動機的壓縮機部分的后部，包括但不限于螺旋槳例如槳片和葉片，以及靜止的和結構部件如塞環、殼體和密封圈也采用高熔點材料。這些材料的熔點一般超過2500°F(1371℃)。一種普遍應用于燃氣輪機的鎳基超耐熱合金是因科鎳合金718(IN718)，其主要成分重量百分比為碳(C)0.01-0.05、鉻(Cr)13-25、鉬(Mo)2.5-3.5、鈳(Cb)(也指鈮(Nb)+鉭(Ta)為5.0-5.75、鈦(Ti)0.7-1.2、鋁(Al)0.3-0.9、鐵(Fe)約21、其余基本上是鎳(Ni)。IN718的熔點為2450°F(1343℃)。
一般也在發動機的冷卻器部分如壓縮機部分采用鈦合金，包括但不限于螺旋槳如槳片和葉片，以及在靜止的和結構部件如中部、壓縮機殼體和壓縮機隔板上采用鈦合金。一般鈦合金的熔點超過3000°F(1649℃)。一種廣泛應用于燃氣輪機上的鈦合金是Ti6Al-4V(“Ti6-4”)，其成分為4-8w/o(重量百分比)的鋁、3-5w/o的釩，其余為鈦。對于較高溫度的應用，如果需要改進其高溫蠕變性能，可以使用Ti6Al-2Sn-4Zr-2Mo(“Ti6-2-4-2”)，其成分為5-7w/o(重量百分比)的鋁、1.5-2.5w/o的錫(tin)、3.0-5.0w/o的鋯、1.5-2.5w/o的鉬，其余一般為鈦。其它鈦合金包括Ti8-1-1和鋁化鈦。Ti8-1-1的成分為7-8.5w/o的鋁、0.5-1.5w/o的鉬和0.5-1.5w/o的釩，其余一般為鈦。通常，鋁化鈦主要是按化學分子式計算的鈦和鋁量組成的，如TiAl和TiAl3。除了上述性能外，這些材料應該至少能夠形成相對復雜、三維形狀如螺旋槳，并且特別在中等溫度下應該抗氧化。
在燃氣輪機行業，用鍛造來生產具有復雜三維形狀的部件如槳片和葉片。
簡要來說，為了鍛造像螺旋槳這樣的部件，將材料錠坯變成坯段形狀，對于槳片和葉片來說一般是圓柱形，為了使材料塑性變形成為所要求的部件形狀，然后進行熱加工處理，如在模具和/或鍛錘之間加熱和沖壓幾次，逐漸形成類似于所要求的形狀。一般鍛壓模具可以加熱。每個部件通常進行熱處理以得到所要求的性能，如硬度/強度、消除應力、阻止裂紋伸展和特定水平的HCF抗力，如需要提供精密形狀、幾何尺寸和/或表面性能的部件的話，也可進行精加工，如機加工、化學研磨和/或介質拋光。
通過鍛造方法生產部件是一種昂貴、費時的工藝，因而它一般僅保證要求有特別平衡性能的部件，如在室溫和中溫兩種情況下的高強度、低重量和耐久性。至于得到鍛造材料，某些材料要求長的交貨時間。一般鍛造包括一系列操作，每個操作要求單獨的模具和相關的設備。鍛后進行精整操作如機加工槳片的根部和進行適當的表面處理，構成生產鍛件總成本的重要部分，包括必須丟棄鍛件的重要部分。
在鍛造鍛件期間，許多原料(達85％，這取決于鍛造尺寸)被去掉，沒有成為最終鍛件的一部分，即，加工損耗。生產的鍛件形狀的復雜性僅僅增加了工作量和所要求制造的部件的費用，這對于具有特別復雜形狀的燃氣輪機部件正是需要考慮的問題。一些合金也具有彈性。鍛造期間的特性在鍛造期間應該計算進去，也就是說，鍛件應該進行“過度鍛造”(“overforged”)。如上所述，最終鍛件可能仍然需要大量的鍛后處理。此外，如果應用計算機軟件來進行計算流體動力分析，產生更具空氣動力效力的螺旋槳形狀，這樣的螺旋槳和部件甚至具有更復雜的三維形狀。將鈦合金精密地鍛造成這些先進的更復雜的形狀是很困難或不可能的，復雜形狀還增加部件的成本或使得部件昂貴，在使用發動機的某些先進技術方面是不經濟的，或者對一些部件形狀采用特殊合金。
鍛件可能含有難于檢查的鍛造缺陷。而且，也應考慮精確再現性-鍛造不能使鍛件與鍛件之間的尺寸精確相同。在檢查后，許多鍛件還必須重新加工。通常，鍛件必須報廢或約20％的時間重新加工。此外，較新的、較先進的或高合金材料將增加鍛造的困難(如果不是不可能的話)，并且相應地增加鍛造費用。這些將僅涉及到采用較復雜的三維螺旋槳的幾何形狀。
鑄造已經廣泛應用于生產相當接近精確成形(near-finished-shape)的鑄件。
將熔融金屬注入具有要鑄造鑄件形狀的型腔陶瓷殼里的熔模精密鑄造，可以用于生產這樣的鑄件。然而，精密鑄造產生巨大的晶粒，如ASTM0或更大(鍛造可獲得相對小的平均晶粒尺寸)，在一些情況下，整個鑄件是一個單晶。此外，因為每個鑄件用一個模具生產，這種加工工藝很昂貴。鑄件與鑄件之間非常精確尺寸的重復再現性很難達到。如果材料被熔化，特別是對于含有反應元素如鈦或鋁的材料，在存在氣體的情況下澆鑄和/或凝固，鑄件可能具有不合需要的特性如夾雜和氣孔。陶瓷殼的分裂也將導致夾雜和雜質的存在。
將熔融金屬注入一多部分的、可重復使用的鑄型，在重力作用下流入鑄型的永久鑄型鑄造，一般也用于鑄造部件。見由colvin提出的美國專利US5,505,246。然而，永久鑄型鑄造具有一些缺點。對于薄鑄件如螺旋槳，重力可能不足以迫使材料進入較薄的部分，特別是在高熔點材料和低過熱度的情況下更是如此，從而使鑄型不能均勻充滿，鑄件肯定報廢。尺寸公差肯定相對大一些，要求相應較多的鑄造后續工作，可重復性很難達到。永久鑄型鑄造也導致比較差的表面精度，也需要大量的鑄后加工。
將熔融金屬在壓力作用下注入一可重復使用的鑄型的壓力鑄造，在過去已經成功應用于鑄造較低熔點如低于2000°F(1093℃)材料的鑄件。如前所述，例如在美國專利US2,932,865、US3,106,002、US3,532,561和US3,646,990中,傳統的壓鑄機包括一安裝(一般是固定)在一多部件模具壓板上的壓射缸，例如，一個具有固定和可移動壓板的兩個部件的模具，這兩個壓板共同形成一個模具型腔。壓射缸呈水平、垂直或在水平和垂直之間傾斜放置。壓射缸一般僅在其一端用模具固定，如，壓射缸不嵌入部件中。壓射缸與模具的橫澆口連接，并包括一個在壓射缸上澆鑄熔融金屬通過的開口。活塞在壓射缸中可移動地放置，一驅動機構移動活塞并使熔融金屬從壓射缸進入模具。在“冷室”壓鑄機中，壓射缸一般位于水平位置并且不加熱。通常在大氣狀態下鑄造，即設備不是定位于非反應環境中如真空室或惰性氣氛中。
例如在美國專利US3,646,990中已經論述了這些壓鑄機的缺點，特別是不能使用這些設備鑄造高熔點如超過2000°F(1093℃)材料的問題。注入壓射缸的熔融材料僅占據和迅速地加熱壓射缸的較低部分。因此僅僅在壓射缸的底部加熱。因為壓射缸一端受力變形，所以壓射缸變形或“成弓形或香蕉形”。如果沿壓射缸長度方向的縱向變形足夠大，將阻止活塞在壓射缸中的移動，從而導致裝置的損壞。假設活塞和壓射缸之間的公差是必要而緊密的，僅僅小的變形就能導致活塞與壓射缸之間的粘結或損壞。這些變形一般隨壓射缸的外徑、內徑、長度、構成壓射缸的材質、熔融金屬與壓射缸之間的溫差、被熔融金屬占據的壓射缸部分(導致壓射缸的不均勻加熱)以及工藝周期(將熔融合金注入壓射缸之間所花費的時間)而變化。已經認識到，參見′440和′990專利，這些變形是導致冷室壓鑄機不能用于壓鑄熔點在2000°F(1093℃)以上材料的主要原因。
熱變形也影響壓射缸的橫截面形狀。如上所述，壓射缸一般是圓柱形狀，因而具有圓形橫截面(垂直壓射缸長度方向觀察)。當熔融金屬注入壓射缸時，壓射缸較低部分(與熔融金屬相接觸的部分)相對于上部即壓射缸很少加熱的部分膨脹。壓射缸是這樣變形的，即壓射缸的橫截面形狀變得有些橢圓形(包括一部分變得比未加熱的壓射缸小)，而活塞則保持較圓的形狀，具有小的熱變形。因此，壓射缸形狀和活塞形狀就不匹配，如果不匹配相差很大，那么活塞就與壓射缸粘在一起，或允許熔融合金從活塞與壓射缸之間通過-即所謂的“泄漏”，從而導致裝置不能工作或損壞。橫截面變形一般隨上述壓射缸香蕉化的同樣因素而變化。
此外，如果壓射缸未加熱或加熱了但維持在低于澆注材料熔點的溫度，熔融金屬凝固在壓射缸的內壁上而結皮或“結殼”，為了在壓射缸中移動活塞來將熔融金屬注入模具，活塞必須使壓射缸上的結皮脫落和“破碎結殼”。然而，如果能形成一結構堅固的部件，如以由壓射缸所支撐的圓柱體的形式，活塞和/或用于移動活塞的相關部件則會被損壞或破壞。
總之，普通的“冷室”壓鑄裝置不能成功地用于生產高熔點例如Tm在2000°F(1093℃)以上的材料，如超耐熱合金和鈦合金的鑄件。如專利′990所提出的，使用普通裝置將導致壓鑄機不工作和/或損壞，同時造成鑄件的質量低劣如含有雜質(例如，由于凝固的材料是隨熔融材料注入的)，不能接受的氣孔率，較低的強度和低的疲勞周期性能。
本發明的一個目的是提供一種用于壓鑄高熔點材料的裝置，高熔點材料如鎳基、鈷基、鐵基超耐熱合金和鈦基合金。
本發明的另一個目的是提供一種用于壓鑄具有難于而非不可能鍛造的復雜三維形狀鑄件的裝置。
根據本發明的一個方面，用于壓鑄高熔點(Tm在2000°F(1093℃)以上)和/或含有反應合金的材料的鑄件的裝置。該裝置利用一限定模具型腔和含有至少兩部分的可重復使用的模具。該裝置的熔化部件熔化至少一次裝料量的金屬，例如足以充滿模具型腔和相關的橫澆口和直澆口的裝料量。該裝置還包括一段一般為水平放置的壓射缸，該壓射缸與模具連接并且具有帶有內徑和外徑的圓柱形狀。最好選擇壓射缸使其容積至少大于模具型腔容積(包括相關的橫澆口、內澆口和余料的容積)的兩倍，最好為三倍，且一般用如硬化的H13工具鋼材料制造。在一些例子中，壓射缸的容積等于或稍大于模具型腔的容積也是可以接受的。
壓射缸外半徑與內半徑的比率(Ro/Ri)最好至少為1.3，更好為1.5。這樣的組合可提供足夠的熔融金屬容積，也充分減小了當熔融金屬部分充滿壓射缸時，壓射缸熱變形的趨勢-沿長度方向的弓形化和橫截面上的橢圓化，從而防止了壓鑄機故障。該裝置的活塞部件用于將熔融金屬從壓射缸注入模具，同樣作為轉運機構將熔融金屬從熔化部件轉運到壓射缸。
典型的高熔點合金包括鈦合金(Tm一般在3000°F(1649℃)以上)、鈷基和鎳基超耐熱合金(Tm一般在2400°F(1315℃)以上)。典型的反應合金包括鈦合金和超耐熱合金(Tm一般在2400°F(1315℃)以上)。
本發明的優點是可以使用以前認為不能用于鑄造高熔點材料的普通壓鑄機來壓鑄高熔點材料鑄件。
現在將參照附圖，描述本發明的優選實施例。
圖1表示使用本發明裝置壓鑄的鑄件；圖2和圖3表示根據本發明的壓鑄機的示意圖；圖4是圖2裝置的壓射缸沿5-5線的剖面圖，表示壓射缸橫截面的變形；圖5是一個圖表，表示當壓射缸內局部充滿熔融金屬時，壓射缸的變形隨壓射缸內外半徑而變化；圖6的圖表與圖5類似，表示壓射缸橫截面變形的趨勢隨壓射缸內外半徑而變化。
現在參考圖1，由高熔點材料構成的并根據本發明壓鑄的超耐熱合金鑄件用數字10表示。在所示的實施例中，此鑄件是一燃氣輪機上的渦輪葉片10，它包括一螺旋槳12、平臺部分14和根部16。如這里所采用的，高熔點材料是指那些熔點至少約2000°F(1093℃)，高達3000°F(1649℃)甚至更高。本發明可廣泛應用于有不同用途的高熔點材料如鎳基、鈷基和鐵基超耐熱合金以及鈦基合金，并不局限于任何具體的超耐熱合金或燃氣輪機部件。
如上所述，用于燃氣輪機的典型鎳基超耐熱合金是因科內爾鎳鉻鐵耐熱耐蝕合金718(IN718)，其主要成分重量百分比為碳(C)0.01-0.05、錳(Mn)約0.4、硅(Si)約0.2、鉻(Cr)13-25、鈷(Co)約1.5、鉬(Mo)2.5-3.5、鈳(Cb)+鉭(Ta)為5.0-5.75、鈦(Ti)0.7-1.2、鋁(Al)0.3-0.9、鐵(Fe)約21、其余基本上是鎳(Ni)。IN718的熔點為2450°F(1343℃)。也可采用其他合金，如IN713，其標準成分百分比為碳(C)0.025、錳(Mn)約0.4、硅(Si)約0.4、鉻(Cr)12-16、鉬(Mo)3-6、鈳(Cb)+鉭(Ta)為0.8-3.5、鈦(Ti)0.7-1.3、鋁(Al)5.25-6.75、鐵(Fe)約1、其余基本上是鎳(Ni)和鈷(Co)。IN713的熔點為2300°F(1260℃)。沃斯帕洛尹合金(Waspaloy)是另一種可用于這種應用的材料，在美國專利US4,574,015和US5,120,373中以例子的形式披露。通常，沃斯帕洛尹合金的成分重量百分比為碳(C)0.02-0.15、鉻(Cr)12-20、鈷(Co)約10-20、鉬(Mo)2-5.5、鈦(Ti)3-7、鋁(Al)1.2-3.5、鋯(Zr)0.01-0.15、硼(B)0.002-0.05、其余基本上是鎳(Ni)。沃斯帕洛尹合金的熔點為2400°F(1315℃)。
其他合金包括B-1900，其成分為鉻(Cr)約8、鈷(Co)10、鉬(Mo)6、鉭(Ta)4、鋁(Al)6、鈦(Ti)1、碳(C)0.1、硼(B)0.015和鋯(Zr)0.1。參見如Sims和Hagel所著的“超耐熱合金”(Wiley & Sons 1972)，第596-7頁。鈷基合金，如MAR-M-509也用于較高溫度的應用。MAR-M-509的成分重量百分比約為鉻(Cr)23.5、鎳(Ni)10、鎢(W)7、鉭(Ta)3.5、鈦(Ti)0.2、鋯(Zr)0.5，其余基本上是鈷。參見美國專利US3,647,517及Sims和Hagel所著的“超耐熱合金”(Wiley & Sons 1972)，第596-7頁。IN939是另一種鎳基合金，可用溫度約達1500°F，其成分約為鉻(Cr)22.5、鈷(Co)19、鉬(Mo)6、鋁(Al)2、鈦(Ti)3.7、鎢(W)2、鈳(Cb)+鉭(Ta)為3.3、碳(C)0.15、硼(B)0.005，其余一般為鎳(Ni)。Gatorized Waspaloy是一種改進成分的沃斯帕洛尹合金(Waspaloy)，在強度和溫度性能方面超過普通的沃斯帕洛尹合金。參見美國專利US4,574,015和US5,120,373，其成分重量百分比為鉻(Cr)15.00-17.00、鈷(Co)12.00-15.00、鉬(Mo)3.45-4.85、鈦(Ti)4.45-4.75、鋁(Al)2.0-2.40。Gator Waspaloy合金也可能有少量的其他元素，如鋯(Zr)0.02-0.12、硼(B)0.003-0.010、鎂(Mg)0.0010-0.005。
如上所述，也可以采用鈦合金，且其熔點一般超過3000°F(1649℃)。廣泛用于燃氣輪機上的典型合金是Ti6Al-4V(“Ti6-4”)，其成分為4-8w/o(重量百分比)的鋁、3-5w/o的釩，其余為鈦。對于較高溫度的應用，需要提高其高溫性能，可以使用Ti6Al-2Sn-4Zr-2Mo(“Ti6-2-4-2”)，其成分為5-7w/o(重量百分比)的鋁、1.5-2.5w/o的錫(tin)、3.0-5.0w/o的鋯、1.5-2.5w/o的鉬，其余一般為鈦。其它鈦合金包括Ti8-1-1和鋁化鈦。Ti8-1-1的成分為7-8.5w/o的鋁、0.5-1.5w/o的鉬和0.5-1.5w/o的釩，其余一般為鎳。鋁化鈦是以按化學分子式計算的鈦和鋁量組成的，其典型化合物是TiAl和TiA13。
現在參考圖2和圖3，本發明的裝置用參考數字18表示。它可以制備出高質量的壓鑄件，重要的是在非反應環境中熔化材料，以防止對最終鑄件質量可能有不良影響的反應、污染或其他情況的產生。因為在熔化環境中的任何氣體可能被誘捕到熔融材料中，并導致壓鑄件中過多的氣孔，我們最好在真空環境下熔化材料而不是在惰性環境下，如氬氣環境下熔化材料。最好在與一真空源22相連的熔化室20中熔化材料，該熔化室內保持低氣壓，如小于100μmHg，最好小于50μm Hg。
我們最好熔化一次的裝料量，因為熔化較小數量的材料比熔化較大數量的材料一般要快一些，且因為熔化較小裝料量的熔化設備更容易設置在真空室內。特別是在材料含有反應成分的情況下，我們最好用感應爐重熔或熔化設備(ISR)24(induction skull remelting or melting)熔化高熔點材料，例如，由新澤西州Rancocas的Consarc公司生產的設備來熔化，它具有快速、清潔熔化用于鑄造的單批裝料量的能力，單批裝料量如50磅(22.7公斤)。在ISR中，材料在一個坩鍋中熔化，該坩鍋由多個金屬(一般是銅)條一個挨一個排列而形成的。坩鍋由與電源26連接的感應線圈所圍繞。金屬條含有用于使來自水源并到達水源的冷卻水(未示出)循環的通道，以防止金屬條的熔化。由線圈產生的電場加熱和熔化位于坩鍋內的材料。此電場也使熔融金屬攪動或攪拌。一薄材料層在坩鍋壁上凝結并形成結殼。通過適當選擇坩鍋和線圈以及施加到線圈上的功率水平和頻率，就有可能促使熔融材料離開坩鍋，進一步減小熔融材料對坩鍋壁的沖擊。
因為在材料熔化和將熔融材料注入到模具中需要一定的時間量，所以材料熔化要有一個有限制的過熱度-足夠高以保證材料在注入前至少基本上保持熔融狀態，但要足夠低以保證在注入后快速凝固，能夠形成小的晶粒，且也能使壓鑄裝置上的熱負荷降到最小(特別是裝置上那些與熔融金屬相接觸的部分)。一般原則，對于高熔點材料我們一般限定在熔點以上其過熱度在約200°F(111℃)以內，最好小于100°F(55℃)，小于50°F(28℃)更好。我們發現，在1或2秒內澆鑄和注入熔融材料的過程，使具有未加熱壓射缸的壓鑄機工作得良好。
如果我們希望用一個ISR設備裝多批料，該材料可以用其他方式熔化，如采用真空感應熔化(VIM)和電子束熔化，只要熔化的材料不是明顯被污染即可。此外，我們不排除在真空環境下熔化大量的材料，如一次熔化多批裝料量，然后將單批量的熔融材料轉運到用于注入進模具的壓射缸中。然而，在真空熔化材料的情況下，用于轉運熔融金屬的任何設備一般都必須具有承受高溫的能力并位于真空室內，因此真空室應該相對大一些。附屬設備使費用增加，相應大的真空室將花費較長時間來抽氣，從而影響了循環周期。
為了將熔融材料從坩鍋中轉運到裝置的壓射缸30中，安裝坩鍋使其可以平移(圖3中箭頭32)并相對于澆鑄軸線可以轉動(圖2中箭頭33)，該坩鍋又與一馬達(未示出)連接，該馬達用于轉動坩鍋將熔融材料從坩鍋中通過壓射缸30的澆口35來進行澆鑄。坩鍋的轉運發生在熔化材料的熔化室20和壓射缸所在的單獨真空室34的位置之間。澆鑄室34也保持為非反應環境，最好是氣壓小于100μm的真空環境，更好是氣壓小于50μm的真空環境。熔化室20和澆鑄室34可能由一閥門或其他適用的部件(未示出)隔開，以減小在一個室暴露在大氣中例如在某室中加入一組分時真空的損失。雖然圖示實施例包括分開的熔化室和澆鑄室，但是在一個室中進行熔化和澆鑄也是可能的。為了減小某一特定部件必須暴露在大氣中如維修熔化部件壓射缸或移走鑄件時真空環境的損失，我們最好采用單獨的真空室。
壓射缸30一般是用硬化的H13工具鋼制成的。我們已經測定上述壓射缸熱變形問題能夠消除，使得這樣的壓鑄機可以用于鑄造熔點超過2000°F(1093℃)甚至3000°F(1649℃)的材料。此應用很大程度上取決于內外半徑之間的關系。如圖4所示，當壓射缸是圓柱形時，例如冷卻時，壓射缸具有一內半徑Ri和一外半徑Ro。如圖中虛線所示，當熔融材料澆注到壓射缸較低的部分時，較低部分相對于上部膨脹和變形，或基本上使壓射缸成“橢圓形”。形成的橢圓(非圓形)形狀一般可以分別用長軸Ma和短軸Mm表示。壓射缸的過度橢圓化和壓射缸縱向的變形(在圖2中虛線所示)是使得這樣的裝置以前不能用于壓鑄高熔點材料的主要原因。下面將論述能進行這樣壓鑄的壓射缸的參數和設計。
壓射缸最好這樣選擇，使其容積至少大于鑄模型腔體積(包括額外的容積，例如與鑄件相連的澆道和金屬塊)的兩倍，最好至少三倍。對于要注入的給定材料體積，使用具有較小內(和外)半徑的壓射缸，需要使用較長的活塞行程(并因此用較長的注入時間)，因為對于氣缸來說，其容積一般與活塞行程/長度有關，且容積＝π×Ri2×行程/長度。最好壓射缸內徑與外徑的比率(Ro/Ri)至少約為1.3，更好約為1.5。我們已經測定，這樣的組合可提供足夠的熔融材料體積，特別是當壓射缸僅部分充滿熔融材料時，而且可充分減小壓射缸熱變形的趨勢(圖2中虛線所示)-沿長度方向呈弓形而在截面上呈橢圓形(圖4)，因此可避免壓鑄機的堵塞。令人驚奇的是，能使此壓鑄機用于壓鑄高熔點材料如超耐熱合金和鈦合金的上述組合，在降低成本上很重要。在使用鈦的澆鑄重量大約為7磅(3.2kg)的原型壓鑄機上的研究工作顯示，最佳內半徑至少為1.5英寸(38mm)、最佳外半徑至少為2.25英寸(57mm)。雖然上述壓射缸尺寸對可估算的熔融材料重量來說是優選的，但是對于壓射缸半徑的臨界比率和對于一個較寬范圍的熔化和澆鑄重量，可以概括為壓射缸幾何形狀。雖然可以使用較小的壓射缸尺寸，如內直徑小于1.5英寸(38mm)，但是為避免結殼，特別是在熔融材料是鈦的情況下，壓射缸的充滿程度必須保持在大約50％以下。如果所示壓射缸30是非加熱的，但是，為了維持壓射缸在一些要求如減小溫度方面的目的，壓射缸可以連接有加熱部件(未示出)以減小當熔融材料注入壓射缸時所引起的熱沖擊或壓射缸的熱平衡。相反地，可以冷卻壓射缸以移走熱量并保持較低的溫度。在某些例子中，可以使用雙重材料壓射缸或復合壓射缸以保持熱平衡。
如上所述，熔融材料從坩鍋24中通過澆口35轉運到壓射缸30中。壓射缸30與多部件、可重復使用的模具36連接，該模具限定了一模具型腔38。將足夠量的熔融材料澆鑄到壓射缸中以充滿模具型腔，模具型腔可以包括一部分或多于一部分。我們已經成功地在一次壓鑄中鑄造了多達12部分，如用一有12個型腔的模具。
圖示模具36包括兩個部件36a、36b(但也可包括多部件)，例如在形成壓縮機葉片或燃氣輪機葉片時，它們共同合作形成了模具型腔38。模具36也最好與真空源直接相連，且也通過壓射缸與真空源相連，以使模具在熔融材料注入之前抽真空。模具也可以位于真空室內。模具的兩部分36a、36b的一部分一般是固定的，而另一部分可相對于那部分移動，例如通過一液壓機構(未示出)移動。模具最好包括推頂銷(未示出)以便于將凝固的材料從模具中推出。模具也可包括一用于當材料還熱時從模具中移走鑄件的脫模機構(未示出)，以進一步減小模具上的熱負荷及減小鑄件的凝固收縮應力。
模具可以用各種材料構成，它應該有良好的熱傳導率(能使熔融材料快速凝固并得到細的晶粒)，能抵抗來自熔融材料注入時的腐蝕和化學沖擊。一個可能的材料的全面清單將是很大的，包括的材料有金屬、陶瓷、石墨、陶瓷基復合材料和金屬基復合材料。對于模具材料，我們已成功采用工具鋼如H13和V57、鉬和鎢基材料如TZM和Anviloy、銅基材料如高硬度的銅鈹合金“Moldmax”、鈷基合金如F75和L605、鎳-鐵基合金如IN100和Rene95、鐵基超耐熱合金如IN718及低碳鋼如1018和1030。模具材料的選擇對于生產壓鑄件的經濟性很關鍵，并取決于所鑄鑄件的復雜性和數量，也取決于組件的現行成本。
每種模具材料具有這樣的特性，即，使之適合于不同的應用。對于低成本模具材料，由于容易進行機加工和制造模具，我們優選低碳鋼和銅鈹合金。對于較高成本和較高容積應用來說，由于其在較高溫度下具有良好的強度，優選難熔金屬如鎢和鉬基材料。鈷基和鎳基合金和高合金工具鋼在這兩組材料之間提供了一個折衷方案。也可以采用利用涂層和表面處理來增強裝置的性能和成品的質量。在操作期間，模具也可以連接到一冷卻液源例如水，或加熱源例如油(未示出)上，以控制模具的溫度。另外，也可將模具潤滑劑施加到模具的一個或多個選定的部件上和壓鑄裝置上。任何潤滑劑一般應能改善所得壓鑄件成品的質量，更具體來說應能抵抗熱損壞，使之不要污染所要注入的材料。
將熔融金屬從坩鍋24轉運到壓射缸30中。將足夠數量的熔融金屬注入壓射缸中以便僅部分充滿壓射缸，但隨后充滿模具。如前所述和如圖4所示，壓射缸的填充量優選小于50％(用虛線50表示)，最好是小于40％(用虛線52表示)，更好是小于30％-33％(用點劃線54表示)。在一些例子中，如材料為IN718時，完全充滿壓射缸也是可接受的。
注入部件如活塞40與壓射缸30合作，液壓或其它合適部件(未示出)在箭頭42的方向上驅動活塞，使活塞在實線所示位置和虛線所示位置40′之間移動，從而將熔融材料從壓射缸30中注入型腔38中。在實線所示位置，活塞和壓射缸共同限定了一個容積，如上所述，該容積基本上大于要注入的熔融材料的體積量。因為壓射缸僅局部充滿，所以凝固在壓射缸上的任何材料或外殼僅形成一個部分圓筒，如一開放的弓形表面，它在金屬注入期間易于剝落或破碎，再進入到熔融材料中。對于一些材料，其凝固范圍足夠大，因此其外殼的形成減小，可能較全部充滿壓射缸。
現在參考圖5和圖6，我們已經測定外半徑和內半徑之間的關系，半徑本身是能使傳統冷室壓鑄機可以用于生產高熔點材料鑄件的關鍵。圖5和圖6是基于3100°F(1704℃)的熔融材料和壓射缸充滿25％的情況而做出的。圖5表示外半徑和內半徑(Ro/Ri)與壓射缸沿長度方向變形趨勢之間的關系，是指上述縱向變形或“香蕉形化”(見圖2中用虛線所示部分)。通常，較少的縱向變形或香蕉形化對應于減小的堵塞可能性。當外半徑和內半徑的比率接近1.0時，如壓射缸有一個較薄的壁，部分充滿的壓射缸的變形明顯增加。當比率超過2.0時，變形趨向于相對小一些，其數量級小于0.005英寸(0.127mm)。如果此變形太大，我們認為所發生的變形大于0.005英寸(0.127mm)(對于12英寸(305mm)的壓射缸來說)，那么將由于活塞的損壞而使活塞堵塞在壓射缸中，從而致使壓鑄機不工作。
如圖5和圖6所示，對于具有約1英寸(25mm)內半徑的壓射缸來說，我們推薦外半徑與內半徑的比率至少為1.3，外半徑至少約1.3英寸(33mm)。對于具有約1.5英寸(38mm)內半徑的壓射缸來說，我們推薦外半徑與內半徑的比率至少為1.3，最好為1.5，外半徑至少為2.25英寸(57mm)。對于具有約2英寸(51mm)內半徑的壓射缸來說，我們推薦外半徑與內半徑的比率至少為1.7，外半徑至少為3.4英寸(86mm)。雖然使用小的內半徑(小于1英寸(25mm))的壓射缸將導致對壓射缸更多的變形阻抗，但是為了減小壓射缸“結殼”(canning)，使用的這些較小壓射缸必須與控制壓射缸充滿程度的要求相適應。因而，我們推薦外半徑與內半徑的比率位于每個曲線“拐點”的右邊。
圖6表示當壓射缸部分充滿熔融材料時，外半徑和內半徑(Ro/Ri)與壓射缸橢圓化趨勢之間的關系，例如，當壓射缸部分充滿和熔融材料沿壓射缸的較低部分停留時，壓射缸圓柱形截面有變成非圓或橢圓的趨勢。當外半徑和內半徑比率接近1.0時，由于部分充滿熔融材料(小于50％)，壓射缸的變形或橢圓化明顯增加。當比率超過2.0時，變形趨向于相對小一些，其數量級小于1.5％，這大約在每條曲線的拐點位置。當熔融材料充滿壓射缸的較低部分，較低部分的膨脹超過上面的部分，使壓射缸橢圓化，該橢圓一般可用具有一比原始尺寸(半徑)稍大的長軸和一比原始尺寸(半徑)稍小的短軸來表示。如果此橢圓化太大，也就是，短軸變得較小于活塞的半徑，圓柱形活塞將在橢圓形壓射缸內卡住，或熔融材料從活塞和壓射缸之間通過(“泄漏”)，從而導致壓鑄機不能工作。因此，我們推薦，外半徑與內半徑的比率應位于每條曲線“拐點”的右邊。對于具有約1英寸(25mm)內半徑的壓射缸來說，我們推薦外半徑與內半徑的比率至少為1.3，外半徑至少為1.3英寸(33mm)。對于具有約1.5英寸(38mm)內半徑的壓射缸來說，我們推薦外半徑與內半徑的比率至少為1.3，最好為1.5，外半徑至少為2.25英寸(57mm)。對于具有約2英寸(51mm)內半徑的壓射來說，我們推薦外半徑與內半徑的比率至少為1.5，外半徑至少為3英寸(76mm)。
壓射缸應能承受縱向變形和橫向橢圓化。另外，壓射缸應該具有一定的容積，該容積足以接收熔融材料，充滿程度(最好)小于33％，并且活塞的行程不能太長(注入將花費太長的時間，壓射缸中的熔融材料將會凝固)。因此，對于如刀片和葉片的壓鑄件(如，Ti6-4材料的裝料量約7磅(3.2kg))，我們采取一種折衷方案，使用的壓射缸內半徑為1.5英寸(38mm)，外徑與內徑的比率約為1.5。
根據本發明的壓鑄裝置具有很大的優點。本發明可以使用“冷室”壓鑄機來生產高熔點材料的鑄件，如Tm超過2000°F(1093℃)甚至超過3000°F(1649℃)。本發明可以壓鑄這樣材料的鑄件。而且可以在一次鑄造中生產多個鑄件，從而減小每個鑄件的生產成本。
雖然上面相當詳細地描述了本發明，但是在不脫離本發明精神或下面權利要求的范圍下，可以做出多種變化和替換。因此，應該理解的是，上述對本發明的描述是對本發明的說明而非限定。
權利要求
1.一種用于生產材料熔點超過2000°F的鑄件的壓鑄裝置，該裝置包括一熔化部件(24)，用于熔化至少一個批次的裝料量；一多部件、限定模具型腔的模具(36)；一通常為圓柱形的壓射缸(30)，該壓射缸(30)與模具(36)流體連通，并用于接受來自熔化部件(24)的熔融材料，壓射缸具有外半徑(Ro)和內半徑(Ri)；及一活塞部件(40)，該活塞部件密封壓射缸并沿活塞行程與壓射缸(30)可移動結合，用于將壓射缸(30)中的材料壓入模具型腔(38)；其中對于給定壓射缸內半徑Ri，選擇外半徑與內半徑的比率(Ro/Ri)，以便當熔融材料注入壓射缸時使壓射缸(30)的熱變形最小。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中熱變形包括氣缸沿長度方向的撓曲和壓射缸圓柱橫截面的變形。
3.根據權利要求1或2所述的裝置，其中還包括用于給熔化部件(24)、模具(36)和壓射缸(30)提供減壓環境的部件(22)。
4.根據權利要求3所述的裝置，其中減壓部件分別對熔化部件(24)、模具(36)和壓射缸(30)提供減壓環境。
5.根據前述任一權利要求的裝置，其中材料的熔點超過3000°F。
6.根據前述任一權利要求的裝置，其中內半徑(Ri)至少為1英寸(25mm)。
7.根據前述任一權利要求的裝置，其中比率(Ro/Ri)至少為1.25。
8.根據權利要求7所述的裝置，其中所述比率(Ro/Ri)至少為1.5。
9.根據權利要求8所述的裝置，其中內半徑(Ri)至少約為1.5英寸(38mm)。
10.根據前述任一權利要求的裝置，其中所述模具(36)是由從低碳鋼、銅鈹合金、鎢基合金、鈷基合金和鉬基合金組中選擇的材料制成的。
11.根據前述任一權利要求的裝置，其中所述壓射缸(30)是用H13工具鋼制成的。
12.根據前述任一權利要求的裝置，其中所述模具(30)限定了一模具型腔容積(38)，壓射缸(30)限定的容積至少為模具型腔(36)容積的兩倍。
13.根據前述任一權利要求的裝置，其中還包括一用于控制壓射缸溫度的部件。
14.一種用于壓鑄裝置的一般為圓柱形的壓射缸(30)，壓射缸(30)具有至少25mm的內半徑Ri，外半徑Ro與內半徑Ri的比率至少為1.3。
15.一種用具有一圓柱形壓射缸(30)的裝置壓鑄高熔點材料的方法，該壓射缸具有一內半徑(Ri)和一外半徑(Ro)，其中，選擇半徑(Ro和Ri)和Ro/Ri比率，使得壓射缸(30)的縱向變形保持低于0.005英寸(0.13mm)和/或壓射缸(30)的橢圓化保持低于1.5％。
全文摘要
一種用于生產如超耐熱合金和鈦基合金熔點超過2000°F材料的鑄件的壓鑄裝置,包括一用于熔化至少一個批次裝料量的熔化部件,和一多部件、限定模具型腔的模具。一通常為圓柱形的壓射缸與模具連通,并接收來自熔化部件的熔融材料。壓射缸具有外半徑Ro和內半徑Ri。該裝置還包括一活塞,該活塞密封壓射缸并與壓射缸可移動結合。活塞移動將壓射缸中的材料壓入模具型腔。選擇半徑Ri,Ro和外半徑與內半徑的比率Ro/Ri,以減小壓射缸的熱變形。
文檔編號B22D17/20GK1260254SQ99127818
公開日2000年7月19日 申請日期1999年12月23日 優先權日1998年12月23日
發明者約翰·J·希拉, 戴維·W·安德森, 小約翰·J·馬辛, 埃伯哈特·普里維澤, 杰弗里·W·塞繆爾森, 約翰·S·圖 申請人:聯合工藝公司