用于鑄造渦輪葉輪的工藝的制作方法
【技術領域】
[0001]本公開總體上涉及渦輪葉輪的制造，并且更特別地涉及渦輪葉輪的鑄造。
【背景技術】
[0002]渦輪機(例如，燃氣渦輪發(fā)動機、渦輪增壓器等)中的渦輪葉輪在極具挑戰(zhàn)性的環(huán)境中操作。穿過葉輪的氣體的高溫以及通常經(jīng)受的高旋轉(zhuǎn)速度導致對制造葉輪的材料的強度和/或耐疲勞性極限的嚴峻考驗。例如，處于渦輪增壓器渦輪葉輪所達到的速度和溫度時，葉輪材料的強度極限變得對耐久性和安全性至關重要。渦輪軸速度對于較小的單元有時可爬升到200，OOOrpm之上，甚至最大的渦輪增壓器也能達到90，OOOrpmo在典型的渦輪增壓車輛中渦輪葉輪可達到1800° F(980°C )及以上，并且在比如WRC等頂級賽車運動中它們經(jīng)?？筛哌_1950° F(1050°C)。葉輪必須抵抗的離心應力正比于旋轉(zhuǎn)速度的平方，并且典型葉輪的強度在高于它們的限制極限的溫度時大幅跌落。葉輪被設計成在高溫時抵抗這些應力，但是總是存在極限，高速和高溫的組合增加葉輪爆裂的可能性。
[0003]存在兩種基本類型的葉輪爆裂:葉片和輪轂。葉片爆裂發(fā)生在以下時候:處于發(fā)揮作用以將葉片拉離中心輪轂的速度的離心力克服將個體葉片連接至輪轂的根部的機械強度時。在這些狀況下，如果葉片根部過于薄弱，則它可能離開輪轂。另一方面，輪轂爆裂是以下這種情況:其中葉片所附接至的主輪轂達到其最終強度極限并通過葉輪的中心線破裂為兩個、三個或更多個大的部分。輪轂比葉片更致密，并且是連續(xù)的質(zhì)量，因此強于每個薄葉片的根部。然而，輪轂中心線處于葉輪的旋轉(zhuǎn)中心線，意味著內(nèi)應力在輪轂的中芯處處于它們的最大值。輪轂在極端速度和溫度時實際上可能爆裂。
[0004]渦輪葉輪領域的技術人員明白的是，葉輪輪轂中的細微等軸晶粒結(jié)構(gòu)有益于降低輪轂在極端狀況下爆裂的可能性。因此，已經(jīng)開發(fā)出了用于渦輪葉輪的各種細微晶粒鑄造工藝。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本公開描述了一種用于渦輪葉輪的熔模鑄造工藝，所述渦輪葉輪在葉輪的輪轂區(qū)域中具有細微等軸晶粒結(jié)構(gòu)。依據(jù)如本文所公開的工藝的一個方面，首先確定將由其鑄造渦輪葉輪的金屬成分。例如，可以由鎳基超級合金成分鑄造葉輪。接下來，提供模具，其限定出型腔，呈熔融形式的金屬成分將被澆注到所述型腔中以鑄造渦輪葉輪。所述型腔被構(gòu)造成限定出渦輪葉輪的輪轂部分，并且限定出從輪轂部分延伸的葉片。
[0006]所述工藝涉及提供晶種構(gòu)件，其由鑄造葉輪的相同金屬成分制成。晶種構(gòu)件被提供為具有等軸晶粒結(jié)構(gòu)。將所述晶種構(gòu)件的至少一部分設置在所述模具的型腔內(nèi)。
[0007]所述工藝包括:將呈熔融形式的金屬成分澆注到所述型腔中，使得熔融金屬成分包圍所述晶種構(gòu)件的處于所述型腔內(nèi)的部分；以及控制所述工藝，使得所述晶種構(gòu)件的所述部分通過與所述熔融金屬成分接觸而至少部分地熔化，并且使得在冷卻時，圍繞所述晶種構(gòu)件的金屬成分以通過所述晶種構(gòu)件的等軸晶粒結(jié)構(gòu)所析出狀態(tài)的等軸晶粒結(jié)構(gòu)凝固。
[0008]在一個實施例中，所述晶種構(gòu)件設置在所述型腔的被構(gòu)造成限定出所述渦輪葉輪的輪轂部分的區(qū)域中。
[0009]所述晶種構(gòu)件可具有銷狀構(gòu)造。
[0010]在一個實施例中，在模具型腔中設置晶種構(gòu)件的步驟之前，存在再一步驟:處理所述晶種構(gòu)件的外表面，以移除其上的任何氧化層和異物。例如，處理步驟可包括電解蝕刻晶種構(gòu)件的外表面。
[0011 ] 在一個實施例中，控制步驟包括將所述模具和所述晶種構(gòu)件預熱至處于預定最小模具溫度與預定最大模具溫度之間的范圍內(nèi)的模具溫度，以及確保澆注時的熔融金屬成分處于超過最大模具溫度的金屬溫度。
[0012]在一個實施例中，預熱步驟包括提供爐子并將所述模具和晶種構(gòu)件設置在所述爐子內(nèi)，以及操作所述爐子使得所述爐子內(nèi)的內(nèi)部溫度處于所述范圍內(nèi)。
[0013]在一個實施例中，所述預定最大模具溫度被選擇為低于所述金屬成分的固相線溫度。
[0014]本文所公開的工藝可用于各種金屬成分。在一個實施例中，所述金屬成分選自由鎳基超級合金、鋼和鈷合金組成的組。
[0015]在一具體實施例中，金屬成分被選擇為镲基超級合金，其包括(按Wt % ):
[0016]8-15 的鉻；
[0017]0-5.5 的鉬；
[0018]1-3 的鈮 + 鉭；
[0019]5.4-6.5 的鋁；
[0020]0-1.25 的鈦；
[0021]0-0.2 的碳；
[0022]0-0.1 的硼；
[0023]0-0.1 的鋯；
[0024]0-1 的硅；
[0025]0-0.1 的錳；
[0026]0-5 的鐵；
[0027]不可避免的雜質(zhì)；和
[0028]其余的鎳。
[0029]在另一實施例中，金屬成分被選擇為鈷合金，其包括(按wt% ):
[0030]25-30 的鉻；
[0031]0-1 的鉬；
[0032]2-15 的鎢；
[0033]0.25-3.3 的碳；
[0034]0-3 的鐵；
[0035]0-3 的鎳；
[0036]0-2 的硅；
[0037]0-1 的錳；
[0038]不可避免的雜質(zhì)；和
[0039]其余的鈷。
[0040]在又一實施例中，金屬成分被選擇為鋼，其包括(按wt% ):
[0041]0.1-1.1 的碳;
[0042]0.3-1.1 的錳；
[0043]0-0.04 的磷；
[0044]0-0.04 的硫；
[0045]0-0.35 的硅；
[0046]0-0.1 的氧；
[0047]0-2 的鎳；
[0048]0-1.1 的鉻；
[0049]0-0.3 的鉬；
[0050]不可避免的雜質(zhì)；和
[0051]其余的鐵。
【附圖說明】
[0052]在已經(jīng)如此概括地描述了本公開的情況下，現(xiàn)在將參考附圖，所述附圖并不一定按比例進行繪制，并且附圖中:
[0053]圖1是依據(jù)本發(fā)明一實施例的具有等軸晶粒結(jié)構(gòu)的晶種構(gòu)件的透視圖；
[0054]圖2A示出了在已經(jīng)附接在由低熔點聚合物成分比如蠟或熱塑塑料形成的后盤內(nèi)之后的圖1的晶種構(gòu)件；
[0055]圖2B示出了將圖2A的組件附接到正葉輪模型中并且將供給構(gòu)件附接到葉輪模型上的步驟，所述葉輪模型和供給構(gòu)件構(gòu)成低熔點聚合物成分；
[0056]圖2C示出了圖2B的完成組件；
[0057]圖3A示出了用于圍繞圖2C的組件形成陶瓷模具的一系列步驟；
[0058]圖3B示出了從模具熔化掉葉輪模型和供給構(gòu)件的工藝，以便留下內(nèi)部腔體被構(gòu)造為負葉輪模型的陶瓷模具；
[0059]圖3C示出了以下工藝:將成分與晶種構(gòu)件的成分相同的熔融金屬成分澆注到模具的型腔中，接著進行冷卻以凝固葉輪，并且最后移除陶瓷模具以留下葉輪鑄件；
[0060]圖3D示意性地示出了晶種構(gòu)件的細微等軸晶粒結(jié)構(gòu)是如何被給予輪轂區(qū)域中的葉輪的；并且
[0061]圖4示出了移除金屬的與供給構(gòu)件相對應的部分，以及移除晶種構(gòu)件的從葉輪的輪轂突出的部分。
【具體實施方式】
[0062]現(xiàn)在將在以下參考附圖更全面地描述本發(fā)明，在附圖中示出了某些但非全部的可能實施例。實際上，本發(fā)明可以以許多不同的形式來體現(xiàn)，并且不應該被解釋為局限于本文所給出的實施例；相反，這些實施例被提供來使得本公開將滿足可適用的法律要求。全文中相似的附圖標記表示相似的元件。
[0063]如已指出的，依據(jù)本發(fā)明的用于熔模鑄造渦輪葉輪的工藝通常涉及使用晶種(或籽晶)構(gòu)件，其由將由其鑄造渦輪葉輪的相同金屬成分制成，并且具有期望給予葉輪的等軸晶粒結(jié)構(gòu)。圖1示出了依據(jù)本發(fā)明一個實施例的這種晶種構(gòu)件10，其中晶種構(gòu)件具有銷的形狀。圖1的晶種構(gòu)件的特定構(gòu)造僅僅是示例性的，并且而本發(fā)明并不局限于任何特定構(gòu)造。依據(jù)本公開的熔模鑄造工藝通常涉及圍繞晶種構(gòu)件鑄造葉輪以及將工藝控制成使得銷構(gòu)件至少部分地熔化并變成熔合在葉輪的金屬中。隨著金屬凝固，晶種構(gòu)件的等軸晶粒結(jié)構(gòu)使葉輪的金屬析出以呈類似的等軸晶粒結(jié)構(gòu)。為了確保晶種構(gòu)件的等軸晶粒結(jié)構(gòu)被給予葉輪金屬，晶種構(gòu)件的外表面優(yōu)選被處理以移除其上的任何氧化層和異物。處理步驟可包括電解蝕刻晶種構(gòu)件的外表面。
[0064]圖2A?2C示出了葉輪模型組件50的構(gòu)造，所述葉輪模型組件50將用于形成用于待鑄造葉輪的陶瓷模具。葉輪模型組件50包括后盤20，其由低熔點聚合物材料比如蠟或熱塑塑料形成。葉輪模型組件進一步包括構(gòu)造與待鑄造的葉輪相對應的正葉輪模型30、以及供給構(gòu)件40，其各自由低熔點聚合物材料形成。葉輪模型30在由熱塑塑料形成時包括用于在其中接收晶種構(gòu)件10的中心孔。在蠟制葉輪模型30的情況下，晶種構(gòu)件10在葉輪模型的造型工藝期間嵌入蠟中，方法是通過將晶種構(gòu)件設置在用于葉輪模型的模具中然后向模具中澆注熔融蠟。在任意情況下，對于塑料制或蠟制葉輪模型，供給構(gòu)件40附接至葉輪模型30的與后盤20相反的端部，并且被提供來用于形成模具中的供給部分(本質(zhì)上為漏斗)，穿過它熔融金屬成分將被澆注到模具型腔中。
[0065]圖2C的葉輪模型組件50然后用于形成陶瓷模具。圖3A示出了用于構(gòu)建陶瓷模具的工藝。葉輪模型組件50被浸漬到陶瓷漿料中多次，并且在每次浸漬之后干燥組件上的漿料層。這樣，多層陶瓷材料被相繼地沉積，直到取得所需厚度的模具。通常，采用5到10個層。
[0066]接下來，低熔點后盤20、葉輪模型30和供給構(gòu)件40被熔化流出陶瓷模具，如圖3B中所示，從而留下已準備好鑄造的陶瓷模具60。如