熔融材料的離心鑄造的增強(qiáng)技術(shù)的制作方法
【專利說(shuō)明】熔融材料的離心鑄造的増強(qiáng)技術(shù)
[0001]相關(guān)申請(qǐng)案
[0002]本申請(qǐng)要求2013年3月11日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)13/792,929的優(yōu)先權(quán)，并且要求2014年I月31日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)14/169,665的優(yōu)先權(quán)，所述申請(qǐng)的公開(kāi)內(nèi)容以引用的方式整體并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本公開(kāi)一般涉及離心鑄造的裝備和技術(shù)。本公開(kāi)更具體來(lái)說(shuō)涉及金屬材料的離心鑄造的裝備和技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0004]金屬鑄造一般包括將一定體積的熔融金屬材料提供給靜態(tài)或旋轉(zhuǎn)模具，以及允許材料冷卻以產(chǎn)生由模具成形的鑄件。鑄件可能以近凈成形的形式被鑄造或可能在隨后的鍛造或加工應(yīng)用中被進(jìn)一步修改以產(chǎn)生最終的組件。金屬材料在從液體到固體的相變過(guò)程中收縮，這可能導(dǎo)致鑄件包括不受控制的收縮孔隙，尤其導(dǎo)致難以鑄造金屬材料，例如基于鈦鋁(TiAl)的合金和其他TiAl材料。收縮孔隙是基本凝固力學(xué)所固有的，并且可能對(duì)微觀結(jié)構(gòu)以及鑄件產(chǎn)量產(chǎn)生負(fù)面影響。一般來(lái)說(shuō)，最小化內(nèi)化孔隙可以通過(guò)處理技術(shù)(諸如熱等靜壓(HIP))來(lái)處理。然而，不受控制的內(nèi)部孔隙可能會(huì)導(dǎo)致影響鑄件表面質(zhì)量的表面失真，并且增加生產(chǎn)成本。當(dāng)鑄件被切開(kāi)或與鑄造組件分開(kāi)時(shí)，不受控制的內(nèi)部孔隙也可能被暴露。當(dāng)孔隙被表面連接時(shí)，當(dāng)前的處理技術(shù)可能不適合于許多鑄造應(yīng)用。例如，被設(shè)計(jì)成填充或封閉孔隙的表面處理技術(shù)可能無(wú)法保持鑄件的連續(xù)性，這可能會(huì)不利地影響鑄造材料的機(jī)械性能。材料去除技術(shù)(諸如加工去除外部孔隙)也可能降低鑄件產(chǎn)量并且暴露額夕卜的孔隙。
[0005]用于鑄造各種金屬材料(諸如基于鈦鋁的合金)的常規(guī)的鑄造技術(shù)無(wú)法控制孔隙，使得遠(yuǎn)離鑄件的表面和可能隨后被切開(kāi)的鑄件的區(qū)域內(nèi)化孔隙。例如，其他技術(shù)已經(jīng)描述了使用一系列靜態(tài)鑄造和真空電弧重熔技術(shù)來(lái)制備鈦鋁部分。然而，這些靜態(tài)鑄造技術(shù)造成顯著的孔隙，這無(wú)法使用HIP來(lái)去除。其他技術(shù)也已經(jīng)描述了離心鑄造技術(shù)，其用于制備在離心機(jī)達(dá)到轉(zhuǎn)速之前需要將熔融材料提供給離心機(jī)的鈦鋁鑄件。然而，如每個(gè)鑄片對(duì)單獨(dú)的加熱方法和模具的要求可明顯看出，冷卻速率和凝固難以控制。盡管已經(jīng)報(bào)告了各種其他離心鑄造技術(shù)，但是沒(méi)有一種能夠充分控制收縮孔隙。
[0006]鑒于與用于鑄造金屬材料的常規(guī)的鑄造技術(shù)(包括離心鑄造技術(shù))相關(guān)聯(lián)的缺點(diǎn)，開(kāi)發(fā)用于鑄造金屬材料的改進(jìn)的技術(shù)將是有利的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)方面，離心鑄造裝置的非限制性實(shí)施方案包括旋轉(zhuǎn)總成，其被配置成圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)總成包括澆道室，其被定位成圍繞旋轉(zhuǎn)軸并且被構(gòu)造成接收供給的熔融材料。第一澆口和第二澆口被定位成在離心力的大致方向上從澆道室接收熔融材料。第一型腔和第二型腔被堆疊，并且分別被定位成在離心力的大致方向上從第一澆口和第二澆口接收熔融材料。
[0008]根據(jù)本公開(kāi)的另一方面，離心鑄造模具的非限制性實(shí)施方案包括被配置成接收供給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從前端面朝向后端面延伸并且由側(cè)壁和鄰近模具的后端面的后壁限定。第一型腔和第二型腔被堆疊，并且被配置成在離心力的大致方向上接收熔融材料。模具被構(gòu)造成差動(dòng)隔離第一型腔和第二型腔，使得在后壁處從熔融材料的熱量提取速率大于在側(cè)壁處的熱量提取速率以促進(jìn)從后壁大致朝向離心力的大致方向的定向凝固。
[0009]根據(jù)本公開(kāi)的另一方面，永久離心鑄造模具的非限制性實(shí)施方案包括前端面，其被配置成接收供給的熔融材料；后端面；以及第一型腔，其從前端面朝向后端面延伸。第一型腔由側(cè)壁和鄰近模具的后端面的后壁限定。被限定在模具中的第一澆口被定位在前端面與第一型腔之間。
[0010]根據(jù)本公開(kāi)的另一方面，一種生產(chǎn)金屬材料的鑄件的離心鑄造方法包括定位旋轉(zhuǎn)總成，其包括多個(gè)澆口和被定位成圍繞澆道室的多個(gè)型腔，使得多個(gè)澆口和多個(gè)型腔被定位成在離心力的大致方向上從澆道室接收熔融金屬材料。多個(gè)澆口中的每個(gè)耦合到多個(gè)型腔中的一個(gè)，并且多個(gè)型腔中的至少兩個(gè)被堆疊。方法進(jìn)一步包括使旋轉(zhuǎn)總成旋轉(zhuǎn)。方法進(jìn)一步包括將供給的熔融金屬材料輸送到澆道室。
[0011]根據(jù)本公開(kāi)的另一方面，一種裝配離心鑄造裝置的方法包括將楔定位在旋轉(zhuǎn)軸上。方法也包括將至少兩個(gè)模具定位成與楔密封嚙合，其中至少兩個(gè)模具中的每個(gè)包括前端面并且限定從前端面延伸到模具中的至少兩個(gè)型腔。方法進(jìn)一步包括限定澆道室，其被構(gòu)造成接收熔融材料，其中澆道室的至少一部分由至少兩個(gè)模具的前端面的至少一部分限定。
[0012]根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)方面，模具的實(shí)施方案被構(gòu)造成與離心鑄造裝置的旋轉(zhuǎn)總成操作性關(guān)聯(lián)。模具可以包括至少一個(gè)型腔，其具有輸入端口，所述輸入端口被構(gòu)造成在通過(guò)旋轉(zhuǎn)總成的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力的大致方向上接收熔融材料。此外，模具內(nèi)的澆口可以與型腔的輸入端口連通，其中澆口包括至少一個(gè)錐形部分，其被定位成鄰近型腔的輸入端口。
[0013]根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)方面，模具的實(shí)施方案被構(gòu)造成與離心鑄造裝置的旋轉(zhuǎn)總成操作性關(guān)聯(lián)。模具可以包括至少一個(gè)型腔，其具有輸入端口，所述輸入端口被構(gòu)造成在通過(guò)旋轉(zhuǎn)總成的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力的大致方向上接收熔融材料。此外，模具可以包括與型腔的輸入端口連通的延伸的澆口，并且型腔可以被構(gòu)造成生產(chǎn)鑄造組件，其能夠細(xì)分成具有預(yù)定義的寬高比的多個(gè)子組件。
[0014]根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)方面，模具的實(shí)施方案被構(gòu)造成與離心鑄造裝置的旋轉(zhuǎn)總成操作性關(guān)聯(lián)。模具可以包括至少兩個(gè)型腔，每個(gè)型腔具有輸入端口，其被構(gòu)造成在通過(guò)旋轉(zhuǎn)總成的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力的大致方向上接收熔融材料。型腔可以共享與型腔的兩個(gè)輸入端口連通的共同澆口。
[0015]根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)方面，模具的實(shí)施方案被構(gòu)造成與離心鑄造裝置的旋轉(zhuǎn)總成操作性關(guān)聯(lián)。模具可以包括至少一個(gè)型腔，其具有輸入端口，所述輸入端口被構(gòu)造成在通過(guò)旋轉(zhuǎn)總成的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力的大致方向上接收熔融材料。此外，模具可以包括主體部分，其包括第一材料；以及后壁部分，其與主體部分可連接或可分離，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類型。
[0016]根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)方面，模具的實(shí)施方案被構(gòu)造成與離心鑄造裝置的旋轉(zhuǎn)總成操作性關(guān)聯(lián)。模具可以包括至少一個(gè)型腔，其具有輸入端口，所述輸入端口被構(gòu)造成在通過(guò)旋轉(zhuǎn)總成的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力的大致方向上從澆口接收熔融材料。此外，槽可以被形成為鄰近型腔的輸入端口，其中槽被構(gòu)造成在其中可去除地接收澆口的側(cè)壁。
[0017]附圖簡(jiǎn)述
[0018]通過(guò)參考附圖可以更好地理解本文所描述的裝置和方法的特征和優(yōu)點(diǎn)，其中:
[0019]圖1為常規(guī)的離心鑄造總成的旋轉(zhuǎn)總成的半示意圖；
[0020]圖2為根據(jù)本公開(kāi)的各種非限制性實(shí)施方案的離心鑄造裝置的旋轉(zhuǎn)總成的某些組件的簡(jiǎn)化的半示意性描繪；
[0021]圖3為根據(jù)本公開(kāi)的各種非限制性實(shí)施方案的離心鑄造裝置的旋轉(zhuǎn)總成的某些組件的透視圖；
[0022]圖4為根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)非限制性實(shí)施方案的以透視方式示出圖3中所示的旋轉(zhuǎn)總成的某些組件的局部分解圖；
[0023]圖5為根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)非限制性實(shí)施方案的以透視方式示出圖3中所示的旋轉(zhuǎn)總成的某些組件的局部分解圖，其圖示在沿線5-5截取的并且在圖3中箭頭的方向上的橫截面中的工作臺(tái)、楔和封閉環(huán)；
[0024]圖6為根據(jù)本公開(kāi)的各種非限制性實(shí)施方案的離心鑄造裝置的旋轉(zhuǎn)總成的某些組件的透視圖；
[0025]圖7為根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)非限制性實(shí)施方案的沿線7-7截取的并且在圖6中箭頭的方向上的橫截面，其圖示圖6中所示的旋轉(zhuǎn)總成的某些組件；
[0026]圖8為根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)非限制性實(shí)施方案的模具的正視圖；
[0027]圖9為根據(jù)本公開(kāi)的各種非限制性實(shí)施方案的離心鑄造裝置的旋轉(zhuǎn)總成的某些組件的透視圖；
[0028]圖10為根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)非限制性實(shí)施方案的模具的橫截面的透視圖；
[0029]圖11為根據(jù)本公開(kāi)的各種非限制性實(shí)施方案的模具的透視圖；
[0030]圖12為根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)非限制性實(shí)施方案的穿過(guò)圖11中所示的模具的第一型腔的橫截面的透視圖；
[0031]圖13為根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)非限制性實(shí)施方案的穿過(guò)圖11中所示的模具的第二型腔的橫截面的透視圖；
[0032]圖14為根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)非限制性實(shí)施方案的穿過(guò)圖11中所示的模具的第三型腔的橫截面的透視圖；
[0033]圖15為根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)非限制性實(shí)施方案的穿過(guò)圖11中所示的模具的第四型腔的橫截面的透視圖；
[0034]圖16圖示包括根據(jù)本公開(kāi)的各種實(shí)施方案構(gòu)造的錐形部分的澆口的部分的透視圖；
[0035]圖16A示意性地圖示包括根據(jù)本公開(kāi)的各種實(shí)施方案構(gòu)造的錐形部分的澆口的平面圖；
[0036]圖17包括根據(jù)本公開(kāi)的各種實(shí)施方案的被構(gòu)造成具有延伸的澆口的模具的一部分的透視圖；
[0037]圖18包括根據(jù)本公開(kāi)的各種實(shí)施方案的被構(gòu)造成具有延伸的澆口的模具的一部分(為了說(shuō)明的目的，部分實(shí)心和部分透明)的透視圖；
[0038]圖19包括根據(jù)本公開(kāi)的各種實(shí)施方案的被構(gòu)造成具有共同澆口的模具的一部分的透視圖；
[0039]圖20包括離心鑄造裝置的透視圖，其包括根據(jù)本公開(kāi)的各種實(shí)施方案構(gòu)造的旋轉(zhuǎn)總成；
[0040]圖21包括圖20的模具的俯視平面圖；以及
[0041]圖22包括根據(jù)本公開(kāi)的各種實(shí)施方案構(gòu)造的模具的一部分的透視圖。
[0042]在考慮根據(jù)本公開(kāi)的裝置和方法的某些非限制性實(shí)施方案的以下詳細(xì)描述后，讀者將了解上述細(xì)節(jié)以及其他。在實(shí)施或使用本文所描述的裝置和方法后，讀者也可以理解某些這種額外的細(xì)節(jié)。
【具體實(shí)施方式】
[0043]金屬材料一般可以包括一種或多種金屬元素，并且在一些情況下也包括一種或多種非金屬元素。收縮孔隙是在鑄造時(shí)許多這些金屬材料的基本凝固力學(xué)所固有的，這可能會(huì)對(duì)鑄件的機(jī)械性能產(chǎn)生負(fù)面影響。各種金屬材料(例如，基于鈦鋁的合金)的本靜態(tài)和離心鑄造技術(shù)無(wú)法在鑄件的表面中和鑄件可能隨后被切開(kāi)的區(qū)域中控制孔隙。
[0044]在各種非限制性實(shí)施方案中，本公開(kāi)描述離心鑄造裝置，其包括旋轉(zhuǎn)總成和被構(gòu)造成控制收縮孔隙的組件。例如，離心力可以被用來(lái)將熔融材料(諸如熔融金屬材料)饋送到鑄孔中，由此最小化在凝固材料中的熔融材料缺乏。受控制的收縮孔隙一般可以包括控制鑄件內(nèi)的收縮孔隙的量和/或位置，使得可能通過(guò)后續(xù)處理去除收縮孔隙。例如，受控制的收縮孔隙可以包括被內(nèi)化的收縮孔隙，例如，被連接和/或最小化的非表面。在一些非限制性實(shí)施方案中，可以遠(yuǎn)離鑄件的特定區(qū)域內(nèi)化收縮孔隙，使得鑄件可以被切開(kāi)和/或從鑄造組件或材料被去除，而不將內(nèi)化的孔隙暴露于大氣中。
[0045]根據(jù)某些非限制性實(shí)施方案，所公開(kāi)的離心鑄造裝置和方法可以簡(jiǎn)化各種鑄件的后續(xù)處理，并且消除標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)路線(諸如用于熔模鑄造的生產(chǎn)路線)。與經(jīng)常需要裝配六十個(gè)或更多個(gè)模具組件的常規(guī)的離心鑄造設(shè)備不同，本文所公開(kāi)的離心鑄造裝置的某些非限制性實(shí)施方案包括旋轉(zhuǎn)總成，其可以由比典型數(shù)量的主要組件更少的組件裝配，從而顯著減少設(shè)置時(shí)間。在各種非限制性實(shí)施方案中，例如，鑄件可以進(jìn)行熱處理和/或通過(guò)HIP處理。根據(jù)某些非限制性實(shí)施方案，由所公開(kāi)的離心鑄造裝置和方法生產(chǎn)的鑄件可能適合后續(xù)使用于鍛造或加工應(yīng)用中，以例如生產(chǎn)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪增壓器的最終組件，或各種高溫組件。
[0046]根據(jù)本公開(kāi)的裝置和方法可以用于鑄造金屬材料。如本文所用，金屬材料可以包括金屬和金屬合金。金屬材料包括例如TiAl材料，其包括例如基于TiAl的合金?；赥iAl的合金可以包括除鈦和鋁之外的一種或多種合金元素。在某些非限制性實(shí)施方案中，本裝置和方法可以用于鑄造TiAl材料，其包括鈦和約25.0至52.1原子％的鋁或約14至36重量％的鋁。所公開(kāi)的離心鑄造裝置和方法可以用于生產(chǎn)包括其他百分比的鋁和其他合金元素的TiAl材料的鑄件，但不限于以上。也應(yīng)了解，盡管本文可能就基于TiAl的合金和其他TiAl材料來(lái)描述各種非限制性實(shí)施方案和有益的特征，但是所公開(kāi)的裝置和方法不限于此。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，所公開(kāi)的裝置和方法可能會(huì)發(fā)現(xiàn)超越TiAl材料的廣泛應(yīng)用，例如但不限于受到收縮孔隙或具有類似于TiAl材料的其他性能或特性的金屬材料。盡管某些非限制性實(shí)施方案可以在適用于TiAl材料時(shí)提供優(yōu)于常規(guī)的鑄造技術(shù)的顯著優(yōu)點(diǎn)，但是應(yīng)理解本文所公開(kāi)的裝置和方法也可以用于鑄造其他金屬材料，但不限于優(yōu)于常規(guī)的鑄造技術(shù)的好處或優(yōu)點(diǎn)。
[0047]當(dāng)適用于本公開(kāi)的各種非限制性實(shí)施方案時(shí)，本文所描述的離心鑄造裝置、旋轉(zhuǎn)總成、模具和/或其組件可以包括各種金屬材料、金屬材料的組合、陶瓷材料，和/或金屬材料和陶瓷材料的組合?？梢粤私?，本公開(kāi)的各種實(shí)施方案可以用于生產(chǎn)，例如但不限于，燃?xì)鉁u輪機(jī)組件、渦輪增壓器組件和/或內(nèi)燃機(jī)組件，以及許多其他類型的組件或產(chǎn)品。
[0048]傳統(tǒng)上，已使用靜態(tài)熔模鑄造技術(shù)來(lái)鑄造TiAl材料。最近，各種離心鑄造技術(shù)(包括離心熔模鑄造)已提出了鑄造TiAl材料。然而，上述技術(shù)可能允許空隙形成在最終鑄片內(nèi)的有害的位置，并且因此可能增加生產(chǎn)成本、限制機(jī)械性能，和/或損害最終鑄片的結(jié)構(gòu)特性。這些技術(shù)也在型腔和每型腔的鑄件的這兩個(gè)數(shù)量上受限。圖1圖示常規(guī)的離心鑄造設(shè)備2的半示意圖。設(shè)備2 —般需要將熔融材料從材料供給源“S”提供到被定位成靠近旋轉(zhuǎn)軸“R”的澆道室4，在操作期間設(shè)備2圍繞旋轉(zhuǎn)軸“R”旋轉(zhuǎn)。設(shè)備2使用間接澆口，其需要通過(guò)流道系統(tǒng)