專利名稱：精煉和鑄造的裝置與方法
技術領域：
本發明涉及一種精煉和鑄造金屬和金屬合金錠和預型件的裝置與方法。本發明特別涉及一種精煉和鑄造在鑄造過程中易于產生偏析的金屬和金屬合金的大直徑金屬錠和其它預型件的裝置和方法，其中通過這種裝置和方法形成的預型件顯示最低限度的偏析，并且沒有重大的熔融缺陷。本發明的裝置與方法應用于一些特定的場合，例如，應用在復雜鎳基超耐熱合金的精煉和鑄造場合，所述的鎳基超耐熱合金如通過本領域常規方法鑄造易于產生偏析的706合金、718合金以及一些鈦合金、鋼和鈷基合金。本發明還涉及通過本發明的方法和/或裝置生產的預型件和其它產品。
背景技術：
在一些關鍵應用場合，組件必須由大直徑的金屬和金屬合金預型件制造，這種預型件要有小的偏析，并且大體上沒有與金屬熔化有關的如白點和斑點這樣的缺陷。(為方便起見，這里采用的術語“金屬材料”均指純金屬和金屬合金。)這些關鍵性應用場合包括將金屬件作為航空或陸地渦輪，在其它一些應用場合，冶金缺陷會導致這種金屬件出現災難性故障，所以生產這種金屬件的預型件不能含有有害的非金屬夾雜物，在被鑄造成預型件之前，熔化金屬必須被適當地提純或精煉。如果在這種應用場合使用的金屬材料在鑄造時易于產生偏析，則這種材料通常要通過一種“三重熔化”工藝精煉，這種工藝依次結合真空感應熔化(VIM)、電渣再熔化(ESR)和真空電弧再熔化(VAR)幾個工序。然而，易于產生偏析的金屬材料通過真空電弧再熔化(VAR)(即三重熔化工序中的最后一步工序)難于生產大直徑件，這是由于其難于達到一個足以減小偏析的冷卻率。盡管通過使鑄錠經受長時間均質化處理可以降低凝固微偏析，但這種處理并不是完全有效的，而且處理成本高。此外，VAR經常產生大尺寸缺陷，例如，金屬錠中產生白點、斑點、中心偏析等缺陷。在一些情況下，由大直徑金屬錠生產單一件，因此VAR產生的缺陷在生產該件之前不能被有選擇地排除。隨后，整個金屬錠或其一部分就需要被廢棄。這樣，三重熔化工藝的一些缺點會包括大量浪費，延長生產周期，高的材料處理成本，不能生產冶金質量令人滿意的大尺寸易偏析金屬材料錠。
已知的一種通過熔化易偏析金屬材料生產高質量預型件的方法是噴射成型，這種方法一般在專利號為NO.5325906和NO.5348566的美國專利中描述。噴射成型實質上是一種利用氣體霧化由熔化金屬流生產液體金屬滴噴霧的“無模”生產工藝。這種噴霧成型工藝的工藝系數被調節成使得在與收集器表面發生碰撞時，噴成霧狀的小滴內的平均固體部分足夠高，以產生能夠呈現并保持理想幾何形狀的高粘度沉積物。需要高的氣體與金屬質量比(1或更高)來保持預型件的適當固化所需要的臨界熱平衡。
噴射成型有許多缺點，這使得其在用于生產大直徑預型件時出現問題。一種不可避免的噴射成型副產品是不粘附噴射物，其中金屬錯過正在形成的預型件或在噴射途中已固化不能附著在預型件上。由于在噴射成型中的不粘附噴射物而導致的平均損失量是20％-30％。而且，由于需要相對高的氣體與金屬比率來保持在與收集器或正在形成的預型件碰撞時需要在小滴內產生適當固體部分的臨界熱平衡，碰撞后金屬的迅速固化會俘獲霧狀氣體，在預型件內形成氣孔。
由易偏析金屬材料噴射成型預型件的一個重大局限是在對微觀結構和宏觀結構沒有不利影響的情況下，僅僅能夠生產有限大直徑的預型件。生產質量令人滿意的大直徑噴射成型預型件需要大大控制噴射的局部溫度，以保證隨時都存在半液體狀的噴射表面層。例如，一個相對較冷的噴射在預型件的接近中心位置是理想的，而當噴射接近外部(預型件的較快冷卻區域)時則需要一個越來越熱的噴射。預型件的有效最大直徑也受噴射成型過程物理條件的限制。用單獨一個噴嘴，可能的最大預型件具有約12-14英寸的最大直徑。這一尺寸限制是由經驗得出的，由于當預型件直徑增加時，預型件表面的旋轉速度增加，增加了在半液體層產生的離心力。當預型件的直徑達到12英寸范圍時，施加在半液體層上的增加的離心力趨向于使得該層從預型件表面被甩落。
所以，用于精煉和鑄造由容易出現偏析的金屬材料制成的預型件特別是大直徑預型件的一些已知工藝技術存在一些嚴重的缺陷。這樣，就需要提供一種用于精煉和鑄造由偏析傾向的金屬和金屬合金的改進的裝置和方法。

發明內容
為了滿足上述需要，本發明提供了一種精煉和鑄造預型件的方法，包括提供一個金屬材料熔化電極，然后熔化并精煉該電極以提供一種被熔化精煉的材料。至少一部分熔化精煉后的材料穿過一個保護其不與周圍空氣中的氧氣接觸而受污染的通道。該通道最好是由不與被熔化精煉材料發生反應的材料制成。被熔化精煉材料的噴霧小滴通過撞擊從所述通道中出現的熔化精煉材料流上的一種氣體而形成。小滴噴霧沉積在一個模內并為凝固成一預型件。預型件被加工成一種所需的件，例如適合于在航空或陸地渦輪機中旋轉的零件。
熔化和精煉熔化極的步驟包括電渣再熔化和真空電弧再熔化所述熔化電極中的至少一種熔化方法以提供熔化精煉材料。所述熔化精煉材料然后穿過的通道可以是通過一種冷感應導引裝置而形成的通道。熔化精煉合金的至少一部分穿過冷感應導引通道并在所述通道內感應加熱。在不過分苛求的場合，例如在合金內可以有少量氧化物污染的場合，不必采用冷感應導引裝置。用于這種不過分苛求場合中的件包括例如航空渦輪發動機中的靜態件。在不采用冷感應導引裝置的場合，通道可以是保護其不受大氣污染的未加熱通道，包括由耐火材料制成的壁。該通道適合于保護被熔化精煉材料不受不合需要的雜質的污染。從通道內出來的熔化精煉材料然后被固化形成一個如上所述的預型件。
為滿足上述要求，本發明還提供了一種精煉鑄造合金的裝置。該裝置包括一個熔化精煉裝置，所述裝置包括電渣再熔化裝置和真空電弧再熔化裝置中的至少一個裝置；一個與所述熔化精煉裝置流體連通的傳送裝置(例如一個冷感應導引裝置)；以及與所述傳送裝置流體連通的帶可鑄造裝置。被傳送到熔化精煉裝置中的金屬材料的熔化電極被熔化和精煉，該熔化精煉材料通過形成傳送裝置的一個通道傳送到所述帶核鑄造裝置中。在傳送裝置是一個冷感應導引裝置的情況下，精煉材料的至少一部分通過感應加熱在冷感應導引裝置通道內保持熔融狀態。
當通過本發明的一些具體實施例方法鑄造金屬材料時，鑄造材料不需要接觸在通用鑄造方法中采用的熔化坩堝和澆鑄嘴中使用的氧化物耐火材料。這樣，就會避免這種耐火材料的散裂、腐蝕和反應而出現的氧化物污染。
可以作為本發明精煉和鑄造裝置一部分的電渣再熔化裝置包括其上具有一個小口的容器，接到該容器上的電源，以及在電渣再熔化工序中當材料從所述電極上熔化時，用來將熔化電極送進到所述容器內的電極送進機構。真空電弧再熔化裝置不同于電渣再熔化裝置之處在于熔化電極是通過直流電弧在部分真空條件下在容器內被熔化，并且熔化合金小滴通過本發明裝置中的傳送裝置不需要首先接觸電渣。盡管真空電弧再熔化沒有將微量內含物排除到電渣再熔化那樣的程度，但其具有排除電極材料中的溶解氣體和降低高氣壓微量元素的優點。
作為本發明鑄造精煉裝置一部分的冷感應導引裝置通常包括一個熔化材料收集區域，其與熔化精煉裝置容器內的小口直接或不直接流體連通。所述冷感應導引裝置還包括形成通道的傳送區域，該區域終止于一個孔。至少一個導電線圈可與所述傳送區域相連，用于感應加熱穿過所述通道的熔化金屬。一個或多個冷卻劑循環通道也可于所述傳送區域相連，以允許感應線圈和通道鄰近壁的冷卻。
本發明鑄造精煉裝置的帶核鑄造裝置包括一個與傳送裝置通道直接或間接流體連通的霧化噴嘴。霧化氣體源與所述噴嘴連通并從傳送裝置接收的熔化金屬流上形成小滴噴射。包括基部和側壁其形狀與預型件一致的一個模鄰近所述霧化噴嘴設置，模基部相對于霧化噴嘴的位置可以被調節。
本發明的裝置與方法允許以熔化或半熔化形式被傳送到帶核鑄造裝置的熔化材料的精煉熔化，并且被熔化材料實質上具有減少的被氧化物或固體雜質再污染的可能性。帶核鑄造工藝允許形成沒有偏析和其它鑄造方法容易產生的熔化缺陷的精細顆粒預型件。通過傳送裝置結合本發明的精煉鑄造特點，可以通過電渣再熔化或真空電弧再熔化大熔化電極或多個熔化電極，形成一個被帶核鑄造成精細顆粒預型件的連續精煉熔化材料流。以這種方法，由易偏析金屬材料或通過其它方法難于鑄造的金屬材料可以方便地鑄造大直徑預型件。采用本發明的使用大和/或熔化電極的方法能夠以連續方式鑄造大尺寸預型件。
所以，本發明也包括由本發明裝置和/或方法生產的預型件，以及例如通過處理本發明預型件而生產的航空或陸地渦輪這樣的件。本發明也包括直徑為12英寸或更大的易偏析合金的預型件或鑄錠，其沒有大的熔化缺陷。這種預型件和鑄錠可以用本發明的方法和裝置生產，其具有由相同材料制成的小直徑VAR或ESR鑄錠級別的偏析特性。這種易偏析合金包括例如合金706、合金718、合金720、雷內88和其它鎳基超耐熱合金。
通過結合本發明的下列實施例的詳細描述，讀者可以理解本發明的前述細節和優點及其它情況。通過實施或使用本發明，讀者也可以領會本發明其它的優點和詳細情況。


本發明的一些特點和優點在參照下面的附圖后將會得到更好的理解，其中圖1是本發明精煉和鑄造方法的一個實施例的框圖；圖2是按照本發明制成的一個精煉和鑄造裝置實施例的示意圖；圖3(a)和(b)是采用圖2所示的精煉和鑄造裝置，在質量流速度為8.51bs/分的條件下，由熔化后合金718的模擬鑄件計算得出的參數曲線圖；圖4(a)和(b)是采用圖2所示的精煉和鑄造裝置，在質量流速度為25.51bs/分的條件下，由熔化后718合金模擬鑄件計算得出的參數曲線圖；圖5表示在例2的實驗鑄件中使用的本發明裝置的實施例；圖6是采用本發明裝置的一個鑄錠的類似噴射的中心長度方向顯微圖，表示一種ASTM 4.5等軸晶粒結構；圖7是由20英寸直徑的VAR錠得到的類似鑄造的顯微圖(約50倍放大倍數)。
具體實施例方式
一方面，本發明提供了一種新穎的精煉金屬材料并將其鑄造成一個預型件的工藝方法。將該預型件進行處理后就提供了一件加工完成后的件。本發明的方法包括熔化和精煉金屬材料，并隨后通過一種帶核的鑄造工藝將其鑄造成一個預型件。熔化和精煉材料可以通過例如電渣再熔化(ESR)或真空電弧再熔化(VAR)來完成。本發明的方法也包括穿過一個通道將所述熔化精煉后的材料傳送到一個帶核鑄造裝置的步驟，以便材料不被污染。所述通道可通過一種冷感應導引裝置(CIG)或其它傳送裝置形成。
本發明也提供了一種包括至少一個熔化并精煉金屬材料的裝置、一個通過帶核鑄造由熔化精煉后的材料生產預型件的裝置，以及一個傳送裝置，該裝置將熔化精煉后的材料從所述熔化精煉裝置傳送到所述帶核鑄造裝置。如下面進一步描述得那樣，當由鑄造時有偏析傾向的金屬材料生產大直徑高純度預型件時，本發明的裝置和方法的優點特別突出。例如，大直徑預型件(12-14英寸或更大)可以通過本發明的裝置和方法由具有偏析傾向的材料或其它難于鑄造的金屬材料生產，這樣生產的預型件大體上沒有于金屬熔化有關的缺陷，也顯示出最小的偏析。
圖1示出本發明的裝置和方法的一個實施例。第一步，金屬材料的熔化電極經過電渣再熔化(ESR)，其中精煉材料的熱量由通過電極的電流量產生，導電渣沉積在精煉容器內并與電極接觸。由電極熔化的液滴穿過導電渣并被該導電渣精煉，再由所述精煉容器收集，然后可被傳送至下游裝置中。一個ESR裝置的基本組件通常包括一個電源，一個電極送進機構，一個水冷卻銅精煉容器和所述熔渣。所采用的具體熔渣類型根據被精煉的具體材料而定。所述ESR處理方法是已知的并被廣泛應用，對于任何特定類型和尺寸電極所需要的工作系數，本領域的普通技術人員就可容易地確定。因此，對于一種ESR裝置的構造方式或操作模式的進一步詳細討論或者對于一種特定材料和/或某種類型和尺寸電極的特定操作系數的詳細討論是不必要的。
如圖1中進一步表示的那樣，該實施例也包括一個在液體中與所述ESR裝置直接或間接連通的CIG裝置。所述CIG裝置用于將在ESR裝置中產生的精煉熔化金屬傳送到一個帶核鑄造裝置中。所述CIG裝置在將由ESR裝置中產生的精煉熔化金屬傳送到帶核鑄造裝置的過程中將其保持為熔化狀態。通過保護熔化金屬不與周圍空氣接觸并保護其不會由于通用噴嘴的使用而被再污染，所述CIG裝置也能保持通過ESR裝置送達的熔化金屬的純度。所述CIG裝置最好直接連接到ESR裝置和帶核鑄造裝置上，以便更好地防止精煉熔化金屬材料不與大氣接觸，防止在熔化金屬中形成氧化物和污染熔化金屬。采用適當的結構，CIG裝置也可以用于測量從ESR裝置到帶核鑄造裝置的熔化精煉金屬材料流。不同地被稱之為一個冷指狀物或冷壁狀感應導引件的CIG的構造和使用方式在本領域中也是已知的，例如，其在專利號為5272718、5310165、5348566和5769151的美國專利中已被描述，所有披露的內容在此僅作為參考。CIG裝置通常包括一個接收熔化金屬的熔化金屬容器，該容器包括一個帶有小孔的底壁。CIG裝置的傳送區域被成形為包括一個通道，該通道可以時普通的漏斗形，用來接收來自熔化金屬容器底壁小孔的熔化材料。在CIG裝置的一個通用結構中，漏斗形通道的壁是由許多液體冷卻金屬部分構成，這些液體冷卻部分形成了所述通道的內輪廓，該通道從該區域的入口端到出口端的橫截面逐漸減小。一個或多個導電線圈與所述漏斗形通道的壁相連，電源有選擇性地與所述導電線圈電連接。
當熔化精煉材料從CIG裝置的熔化金屬容器穿過該裝置的通道流動時，電流以足以感應加熱所述熔化材料并使其保持熔化狀態的電流強度通過感應線圈。熔化材料部分與CIG漏斗形通道的冷卻壁接觸，其會被固化形成隔離穿過CIG的熔化金屬流剩余部分與所述壁接觸的一層殼。壁的冷卻和硬殼的形成保證熔化金屬不被金屬或構成CIG裝置內壁的其它組件污染。如本領域已知技術那樣，在CIG裝置漏斗形區域的硬殼厚度可以通過適當地調節冷卻劑的溫度、冷卻劑的流速和/或感應線圈中的電流強度而被控制，以控制或完全切斷穿過CIG裝置的熔化金屬流，當硬殼厚度增加時，穿過傳送區的熔化金屬流相應減少。關于其特征可以參照例如美國專利No.5649992，所披露的所有內容在此僅作為參考。
CIG裝置可以有各種不同的形式，但每一這樣的CIG裝置通常包括下列內容(1)提供一個通道，利用重力導引熔化金屬；(2)通道壁的至少一部分被冷卻以允許在壁上的熔化金屬形成硬殼；(3)導電線圈與通道的至少一部分相連，允許穿過通道的熔化金屬被感應加熱。本領域普通技術人員可以很容易地提供一個合適設計的具有一個或全部上述三個特征的CIG裝置，以在本發明的裝置中使用，不需要在此進一步討論。
CIG裝置與帶核鑄造裝置直接或間接地液體連通，并且將精煉熔化材料從ESR裝置傳送到鑄造裝置。帶核蜘蛛裝置在本領域是已知的，例如，在美國專利No.5381847和在D.E.Tyler和W.G.Watson Proceedings of theSecond International Spray Forming Conference(Olin金屬研究室，1996年9月)中已有描述，上述每一資料在此僅作為參考。在帶核鑄造中，金屬材料液體流被碰撞的氣體流分裂或撞擊成一個噴射的滴狀圓錐體。最后形成的圓錐狀液滴被導引至具有底壁和側壁的一個鑄模中，其中液滴不斷積累形成與鑄模形狀一致的預型件。調節用于在帶核鑄造過程中產生液滴的氣體流速，以在單個液滴內提供一個相對低的固體摩擦(相對于噴射成形過程)。這樣就產生一種低粘度的沉積在模中的材料。低粘度半固體材料充填鑄模并與鑄模的輪廓一致。當沉積時，碰撞氣體和撞擊的液滴在鑄造的半固體表面形成紊流，加強了在鑄模內鑄件的均勻沉積。當材料沉積時，通過與在材料表面流動的氣體一起將半固體材料沉積在鑄模內，材料的凝固率得到加強，最終得到細晶粒結構。
結合本發明，與熔化/精煉裝置和傳送裝置連接在一起，可以采用帶核鑄造裝置制造相對大的鑄造預型件，如直徑為16英寸或更大的預型件。通過本發明裝置鑄造的熔化進給電極可以具有這樣的尺寸，即適合于提供一個從傳送裝置出口經過傳送大量熔化材料的一段延長時間到帶核鑄造裝置連續的熔化材料流。通過這種帶核鑄造處理過程可以成功地生產預型件，包括成功生產出有易于偏析的合金預型件，如復雜鎳基超耐熱合金，包括706合金、718合金、720合金、雷內88(Rene’88)、鈦合金(包括Ti(6-4)和Ti(17))、一些鋼和一些鈷基合金。鑄造時易于偏析的其它金屬材料采用那些普通技術出現的偏析現象是很明顯的。通過帶核鑄造可以將這種金屬材料預型件形成大直徑預型件，而不產生與鑄造有關的缺陷，如白點、斑點、β斑紋和中心偏析。當然，本發明的裝置也可以應用于鑄造不易于發生偏析的金屬材料預型件。
如ESR和CIG裝置一樣，帶核鑄造在本領域也是已知技術，本領域普通技術人員，不需要過多的實驗，經過對本發明技術內容的了解，就可構造出一個帶核鑄造裝置，或者使得一種現有的裝置適合于從如本發明這樣的傳送裝置中接收熔化金屬。盡管帶核鑄造和噴霧成形二者均采用氣體將熔化金屬流霧化成許多熔化合金小滴，但二者處理過程的基本原理是不同的。例如，在每一處理過程中的氣體與金屬質量比(可以用氣體千克數與金屬千克數的比來計量)是不同的。在本發明中的帶核鑄造處理中，選擇氣體與金屬的質量比和飛行距離，以便在撞擊鑄模收集表面或所形成的鑄件表面之前，每一小滴的高達大約30％的體積被固化。相反，在一典型的噴射成形處理中，小滴撞擊收集面，如在美國專利No.5310165和歐洲專利申請No.0225732中描述得那樣，包括約40％到70％固化體積百分比。為了保證40％到70％的噴射小滴被固化，在噴射成形中用于產生小滴噴霧的氣體與金屬質量比則通常為1或更大。在帶核鑄造中使用較少的固體部分用來保證被沉積小滴與鑄模的形狀一致，在鑄件內不會留有空隙。在噴射成形加工過程中使用的40-70％體積百分比的固體部分有選擇地形成一個不需依靠支撐物的預型件，不適合于帶核鑄造處理。
噴射成形的另一個區別是盡管噴射成形與帶核鑄造都是將霧化小滴收集成一個固體預型件，但在噴射成形中，預型件被沉積到一個沒有側壁的旋轉收集器上，沉積材料與收集器形狀相符合。與這種收集方式相關的重大缺點包括由于俘獲氣體而在預型件中產生的多個氣孔和由于不粘附噴涂物而形成的重大收得率損失。盡管在高溫作業中可以減少噴射成形件中的氣孔，但在隨后的高溫熱處理中又會出現氣孔。這種現象的一個實例是由于在超耐熱合金中俘獲的氬氣而產生的多個氣孔，這種氣孔可能出現在熱致氣孔(TIP)實驗過程中，其可以作為低循環疲勞端面的帶核部位。
當形成大直徑預型件時，噴射成形的實用性受到限制。在這種情況下，整個時間段在噴射表面必須保持一個半液體層，以獲得令人滿意的鑄件。這需要正在被噴射成形的表面的任何給定部分在其從噴射錐出來到隨著繞收集器旋轉軸的收集器旋轉到再進入噴射錐這段時間內絕對不能被固化。這種限制(結合由離心力施加的旋轉速度方面的限制)已經限制了可被噴射成形的預型件的直徑。例如，帶有單個噴嘴的噴射成形裝置可以僅成形直徑不大于約12英寸的預型件。在本發明中，發明人已經發現，帶核鑄造的使用大大增加了鑄件的尺寸，這種鑄件通過由所述熔化和精煉裝置與傳送裝置的結合而制備的熔化金屬材料形成。因為，相對于噴射成形，帶核鑄造方法可以被制成能均勻地將所供應的小滴分配到鑄模中，并能夠迅速地接著發生固化，預型件中的任何殘留氧化物和碳氮化物將很小，并細碎地分散在預型件微觀結構中。在帶核鑄造過程中，通過例如rastering一個或多個液滴噴嘴和/或以適當方式相對于液滴噴射平移和/或轉動鑄模，可以實現小滴的均勻分配。
圖2表示按照本發明制成的精煉和鑄造裝置10的圖解示意圖。裝置10包括呈ESR裝置20形式的熔化和精煉裝置、呈CIG裝置40形式的傳送裝置和一個帶核鑄造裝置60。ESR裝置20包括一個電源22，其與要被鑄造的金屬材料的一個熔化電極24電連接。電極24與沉積在底部帶開口的水冷容器26內的渣28接觸，該容器例如可由銅或其它合適材料制成。電源22給包括電極24、渣28和容器26的電路提供大電流低電壓的的電流。電源22可以是直流電源也可以是交流電源。當電流通過電路時，渣28上的電阻熱使其溫度增加到一個足以熔化與渣28接觸的電極24的端部的水平。當電極24開始熔化時，熔化材料液滴形成，當電極熔化時采用一個未示出的電極送進機構將電極24送進到渣28中。熔化材料液滴穿過加熱后的渣28，渣28從材料中排除氧化物夾渣和其它不純物。當穿過渣28時，精煉熔化材料30在容器26的較低端形成熔池。然后精煉熔化金屬材料30的池在重力作用下穿過CIG裝置40內的一個通道41。
CIG裝置40與ESR裝置20密切相關，例如，CIG裝置40的上端可以直接與ESR裝置20的下端相連。在裝置10中，容器26形成ESR裝置20的底端和CIG裝置40的上端。這樣，本發明精煉鑄造裝置的熔化精煉裝置、傳送裝置和帶核鑄造裝置試圖共享一個或多個件。CIG裝置40包括一個由現有輸送線圈42包圍的漏斗形傳送部分44。由一個交流電源(未示出)為線圈42提供電流。線圈42作為感應加熱線圈并且用來有選擇地加熱穿過傳送部分44的精煉熔化材料30。通過循環適當的冷卻劑如穿過與傳送部分44結合的管道流動的水冷卻線圈42。冷卻劑的冷卻作用也引起被凝固材料出現硬殼，形成傳送部分44的內壁。傳送部分44的加熱和/或冷卻的控制可用于控制穿過CIG裝置40的熔化材料30的流動速度，或完全阻斷其流動。優選地，CIG裝置40與ESR裝置20緊密結合，以便保護在ESR裝置20中的熔化精煉材料不受大氣污染，例如，不被氧化。
熔化材料從CIG裝置40的底部小孔46出來進入帶核鑄造裝置60。在帶核裝置60中，將供應的適當惰性霧化氣體61傳送到霧化噴嘴62。從霧化噴嘴62出來的氣體流61撞擊熔化材料流30并將其撞成小滴64。形成的小滴64錐形體被導引至包括側壁66和基部67的一個鑄模65中。當材料被沉積在模65中時，基部67可旋轉，以更好地保證小滴的均勻沉積。由裝置10產生的小滴64大于通常噴射鑄造的小滴。較大的小滴64優于普通噴射鑄造之處在于它們具有減小的含氧量，并且需要較少的霧化氣體消耗量。而且，由帶核鑄造裝置60產生的小滴的氣體與金屬比可以少于在噴射鑄造中通常量的一半。調節氣體61的流速和小滴64的飛行距離以在鑄模66中提供一種所需的固體與液體比率的半固體材料。所需的固體與液體比率在5％-40％范圍內(單位體積中的體積)。被導引至鑄模66中的相對較少的小滴固體部分形成低粘度半固體材料68的沉積，當其充填沉積時形成的形狀與鑄模66的形狀一致。
噴射小滴64的撞擊在預型件72的最上端表面70形成紊流區域。紊流區域的深度取決于霧化氣體61的粘度和小滴64的體積和粘度。當小滴64開始凝固時，固體小顆粒在具有給定材料晶格結構特征的液體中形成。開始在每一小滴中形成的固體小顆粒隨后作為一個核，鄰近的其它原子趨向于附著在它們上面。在小滴64固化期間，在各個位置獨立形成許多核，這些核具有隨意的取向。隨后原子的重復附著導致晶體的生長，所述晶體由相同的基本模式構成，其從各自的核向外延伸直至該晶體與其它晶體相互交叉。在本發明中，足夠多的核在每一小滴64中以細碎的樹枝狀結構出現，以便最后形成的預型件72由均勻的等軸晶粒結構組成。
為了在沉積于鑄模66內的材料中保持所需的固體部分，霧化點和預型件72的上表面70之間的距離就要被控制。這樣，本發明的裝置10也可以包括調節這一距離的裝置，該裝置包括附著在模65基部67的可收縮桿75。當材料被沉積并與側壁66相一致時，基部67連續向下收縮，以便霧化噴嘴62和預型件72的表面70之間的距離得到保持。基部67的向下收縮暴露了模65側壁66下方的已固化預型件的壁的一部分。
盡管在裝置10中僅包括單獨一個CIG裝置和帶核鑄造裝置的結合，但送進到一個鑄模的多個霧化噴射裝置或帶有霧化噴射裝置的多個熔化和精煉裝置(如ESR裝置)的結合會是更好的。例如，在單個ESR裝置下游使用多個傳送裝置/霧化噴嘴結合的系統將準許生產更大直徑的鑄錠，這是由于多個霧化噴射會覆蓋模內更大的區域。此外，鑄造速度增加成本降低。可替換地，單個或多個ESR裝置或其它熔化精煉裝置可以送進多個被導引至若干個模的霧化噴嘴，以便由單獨一個供應到熔化精煉裝置的送進電極生產多個預型件。
對于本發明的上述裝置10的其它可能的改進包括改變帶核鑄造裝置60使其在生產處理過程期間旋轉帶核鑄造預型件72，以獲得一個在大的表面上更加均勻的小滴噴射分布；使用多個送進到一個模中的霧化噴嘴；裝備裝置10使得一個或多個霧化噴嘴能夠震蕩。如上面表示的那樣，一個VAR裝置是一個熔化精煉裝置，其可用于替代ESR裝置20來熔化熔化電極24。在VAR裝置中，利用直流電流而不通過導電渣熔化熔化電極。
對于裝置10的其它可能的修改包括一個替代CIG裝置40的件作為傳送裝置來將在ESR裝置20(或其它熔化精煉裝置)中熔化的材料傳送到帶核鑄造裝置60中，穿過所述件有一個通道，該件由陶瓷壁或其它合適的耐火材料制成。在這種情況下，傳送裝置中的通道與穿過其中而加熱材料的裝置相連，因此，在調節流動到帶核鑄造裝置60的熔化金屬材料流中將有較小的浮動。
裝置10也可適合于改變預型件72的收回方式，以保持在預型件72上具有令人滿意的成形表面。例如，可以這樣制造裝置10，即鑄模65往復運動(即模上下移動)，鑄模65震蕩，和/或預型件72以類似于通用連續鑄造技術中采用的方式往復運動。另外的可能修改是使得裝置適合于一個或多個霧化噴嘴活動而移動噴射以增加在預型件表面的覆蓋面積。也可以件個該裝置設計成以任何合適的方式移動一個或多個噴嘴。
而且，為了保證減少在預型件中的氣孔，帶核鑄造腔室可以保持部分真空，如有1/3到2/3的大氣。將腔室保持部分真空也有利于更好地保持被鑄造材料的純度。材料的純度也可以通過給鑄件導入保護氣體氣氛。合適的保護氣體包括例如氬氣、氦氣、氫氣和氮氣。
盡管對鑄造裝置10的上述描述指的是ESR裝置20、傳送裝置CIG 40和帶核鑄造裝置60作為相對不連續的順序連接裝置，但可以理解，裝置10不必以這樣的方式構造。本裝置制成不連續的構造，不相連接的熔化/精煉、傳送和鑄造裝置，所述裝置10可以包括每一個這些裝置的必要特征，而不是能夠拆解成這樣的不連續和單個操作裝置。這樣，參考后面熔化精煉裝置、傳送裝置和帶核鑄造裝置的權利要求，其不能被解釋為工作時不同的裝置可以不與權利要求中的裝置發生聯系。
下面的計算機模擬和實際實施例使得本發明的裝置和方法的優點進一步得到確認。
實施例1-計算機模擬計算機模擬表示出由本發明裝置10制成的預型件將比采用通常加工方法生產的鑄錠冷卻得快很多。圖3(0.065kg/秒的質量流速或約8.5Ib/分)和圖4(0.195kg/秒的質量流速)表示在溫度和由采用下列表1的參數的本發明裝置10鑄造的預型件的液體體積部分上的計算效果。
表1-模擬鑄件系數預型件幾何尺寸·20英寸(508毫米)直徑的圓柱體預型件·流入區域構成預型件的整個頂部表面帶核鑄造裝置工作條件·0.065kg/秒的質量流速(下面腳注為對比的VAR處理)(圖3)和0.195kg/秒的質量流速(圖4)，模中冷卻水的平均溫度是324°K(51℃)。
·324°K(51℃)有效下降溫度為鑄錠頂部表面的輻射熱損失·流入模中的合金在合金的液相線溫度·與預型件頂面的熱對流損失系數如per E.J.Lavernia和Y.Wu的“噴射霧化和沉積”(John Wiley & Sons.，1996)，pp.311-314，氣體與金屬比例為0.2，側表面0W/m2K。.Lavernia和Wu披露的內容在此僅作為參考預型件材料和熱物理特性·718合金·液相線溫度和固相線溫度分別為1623°K和1473°K，(如在腳注中公開的那樣)·0.05(頂面)和0.2(側面)的輻射系數模的熱傳輸模型·模的熱傳輸模型如在n.1中描述得那樣，其中熱傳輸臨界條件從大于液相線溫度的預型件表面溫度的完全接觸條件到表面溫度小于固相線溫度的間隙熱傳輸線性變化腳注L.A.Bertram等人的“超耐熱合金VAR鑄錠的宏觀模擬”，1997年在液體金屬加工和鑄造上的國際研討會學報，A.Mitchell and P.Auburtin，eds.(Am.Vac.Soc.，1997)該內容在此僅作為參考。
·直徑為20英寸(508毫米)的模在圖3和圖4中圖解提供的等溫線數據表示在模擬預型件中產生的表面溫度低于合金的液相線溫度。圖3和圖4計算出的最高預型件溫度分別是1552°K和1600°K。所以，噴射池呈半液狀態，池中的半固體性質由在圖3和圖4中圖解表示出的液體部分數據表示。
下面表2比較n.1參考內容中記錄的類似尺寸的計算機模擬預型件的結果和通常由VAR鑄造預型件的結果。表2表示本發明裝置10制備的預型件表面的材料池會是半固體狀，而由通常VAR方法生產的預型件表面的材料池為直到表面6英寸下仍完全為液體。這樣，對于一個給定的預型件尺寸，實質上有較少的潛在熱從由本發明裝置鑄造的預型件凝固區域釋放。結合材料池的半固體特性，這將減少微觀偏析和斑點形成的可能性，以及減小中心偏析和其它有害宏觀偏析的形成。此外，本發明完全消除了白點缺陷的出現，而這一缺陷在VAR處理方法中是不可避免的。
表2——本發明與VAR鑄錠的比較

實施例2——實驗性鑄造現在描述采用本發明制成的裝置的實驗性鑄造。圖5圖解性地表示出裝置100，為了了解其比例尺，該裝置的總體高度約30英尺。裝置100通常包括ESR頭110、ESR熔爐112、CIG裝置114、帶核鑄造裝置116和用于支持和操縱模120的材料支撐裝置118，在所述模120內生產鑄件。裝置100還包括為熔化電極124供電的ESR電源122和為CIG裝置114的感應加熱線圈供電的CIG電源126。
ESR頭110控制在ESR熔爐112內的電極124的移動。ESR熔爐124具有典型的設計并被制成支撐約4英尺長直徑為14英寸的電極。在實驗性鑄造中使用的合金的情況下，這種電極重約2500磅。ESR熔爐112包括具有觀察孔128和130的中空圓柱形銅容器126。觀察孔128和130用于在ESR熔爐112內加渣(通常表示為132)并估計其內的溫度。CIG裝置114縱向長度約10”，具有標準的設計，其包括帶有冷卻劑循環通道的銅壁圍成的熔化材料通道的中心孔。反過來，所述銅壁由感應加熱線圈包圍，用來調節穿過CIG裝置114的材料的溫度。
帶核鑄造裝置116包括包圍模120的腔室136。腔室136用保護氮氣氛包圍其中進行鑄造的模120。在圖5中腔室136的壁表示為透明狀，用來觀察模120和與其有關的在腔室136內的設備。模120被支撐在材料支撐裝置118的機械手138端部。機械手設計用來支撐并相對于用140表示的從帶核鑄造裝置116的噴嘴噴射的熔化材料噴霧進行平移。然而在實驗性鑄造中，在鑄造期間機械手138不能平移模120。腔室136的另一個優點是收集任何在鑄造期間產生的超范圍噴涂物。
所供應的熔化儲料是一個鑄件，表面直徑為14英寸的VIM電極具有表3中所示的鋼水化學成分。采用圖5中的裝置100以331bs./分的送進速度電渣再熔化所述電極。ESR熔爐112中使用的渣具有下列成分(重量百分比)50％CaF2，24％CaO，24％Al2O3，2％MgO。由ESR裝置處理后的熔化精煉材料穿過CIG裝置114進入帶核鑄造裝置116。CIG裝置114使用氣體和再循環以調節CIG裝置114內的熔化材料溫度。利用氫氣霧化在帶核鑄造裝置116內產生小滴噴霧。可采用最小的0.3氣體與金屬比率與合并在帶核鑄造裝置116內的霧化噴嘴。霧化小滴沉積在模120的中心，所述模是直徑為16英寸，深度為8英寸(內部尺寸)，1英寸厚的未冷卻的鋼模，并用Kawool絕緣材料蓋住模底板。如上所述，當鑄造預型件時，模120不能rastered，噴射錐也不能rastered。
從鑄造預型件上切下中心線板并進行分析。此外，從中徑位置，在1950°F預鍛5英寸到1.7英寸高的2.5×2.5×5？英寸鑄件部分，以加強宏觀偏析蝕刻檢查。表3中提供了在兩個位置的鑄造預型件化學成分。
表3——澆包和鑄造預型件化學成分

在15分鐘噴射鑄造的第14分鐘在熔化的ESR池中加入錫添加物，標記液相池深度。沉積后每0.25英寸測量錫含量。液相和固相分界線之間的測量距離估計為4-5英寸。這證實了由實施例1中描述模型所示的淺熔化池。預型件的視覺檢測顯示出一些缺陷，表示出被沉積材料需要增加流動性以填補整個模。通過減少氣體與金屬比率或在不霧化情況下澆鑄金屬材料流而不用在預型件上加冒口。
圖6和圖7分別是由上述帶核鑄造方法生產的預型件的類似噴射結構顯微圖，和由相同材料制成的20英寸直徑VAR鑄錠的類似鑄件的顯微結構圖。圖6中的帶核鑄造(NC)預型件具有均勻的ASTM 4.5等軸晶粒結構，在晶粒邊界出現Laves相，在一些晶粒邊界也出現δ相，對鑄造預型件材料進行退火處理期間這些相或許可以消失。VAR鑄錠包括大的晶粒尺寸，比噴射鑄造材料較大的Laves相體積和較大的Laves相顆粒(VAR鑄造＞40μm，而噴射鑄造＜20μm)。
在預型件中沒有觀察到如白點和斑點這樣的與宏觀偏析有關的缺陷。預鍛加工以改進晶粒結構并有助于缺陷的檢測。所述鍛造件沒有顯示出任何宏觀缺陷。相對于VAR鑄錠材料，預型件材料中的氧化物和碳化物分散得非常精細，并與在噴射成形材料中發現的類似。預型件中碳化物尺寸小于2微米，氧化物尺寸小于10微米。通常，由常規VAR鑄造的直徑為20英寸的718合金預型件的顯微結構具有6-30微米大的碳化物和1-3微米到300微米大的氧化物。本發明材料鑄件中看到的碳化物和氧化物是噴射成形中看到的碳化物和氧化物的典型類型，但是比其它熔化處理方法如VAR裝置生產的鑄件中看到的碳化物和氧化物更細。這些觀察結果證實本發明方法中熔化材料的固化速度比同等尺寸鑄錠的常規VAR鑄錠熔化材料的固化速度更快，即使本發明方法有代表性地使用比VAR方法高得多的鑄造速度也是如此。
表3中所示的化學成分分析沒有顯示任何元素梯度變化。特別是在預型件中沒有檢測到鈮元素梯度變化。鈮具有特別的重要性，這是由于該元素從預型件表面到中心的移動變化在噴射成形鑄錠中已經被檢測到。表3沒有表示出預型件澆包化學成分和鑄錠化學成分之間的不同。這些不同歸結為在XRF生產過程中使用的預型件樣品的多孔性，而不是實際化學成分的不同。
根據實驗鑄件的結果，較低的氣體對金屬比率在加強模充填性和抑制多孔出現方面是理想的。采用較多的流體噴射會將微觀偏析降低到一定程度，但在VAR裝置實驗中呈現的寬的有益范圍將適合于任何方面的增加？。隨著流動性的增加顆粒尺寸也會增加，但新出現小滴的持續撞擊提供了顆粒核位置的高密度，阻止了在預型件內大顆粒或柱狀晶的形成。較大的噴射流動性將大大增加小滴填充鑄模的能力，并且一個較大的流體撞擊區域將減少側壁回彈沉積作用。一個更大的流體撞擊區域的額外優點是霧化氣體將更容易從材料中選出，并且氣孔減少。為了增加預型件表面的霧化氣體的除氣作用，鑄件可以在部分真空條件下進行，例如1/2大氣壓下進行。希望由于氣體與金屬比率的減少而引起的碳化物和氧化物尺寸的任何增加是輕微的。這樣，希望小滴噴霧流動性的有利增加對晶粒結構和二次相分散僅具有較小的影響。
因此，本發明的裝置和方法彌補了現有的由易于偏析的合金鑄造大直徑預型件的方法中的重大缺陷。本發明的熔化精煉裝置提供了一個實質上沒有劣質氧化物的精煉熔化后合金的來源。本發明的傳送裝置提供了一種氧化污染可能性減小的將熔化精煉后合金傳送到帶核鑄造裝置中的方法。帶核鑄造裝置可被用來有利地由易偏析合金形成小顆粒、大直徑鑄錠，而不會出現與VAR和/或噴射鑄造有關的缺陷。
可以理解，本發明的現有描述使得對本發明有一個更清楚的理解。本發明的一些方面對于本領域的普通技術人員來說將是清楚的，所以，為了簡明扼要，不需要作出進一步的說明。雖然已經用一些實施例的方式對本發明進行了描述，但本領域普通技術人員根據前述說明可以認識到，可以對本發明進行許多修改和變化。所有的這些修改和變化均在本發明的前述描述范圍內，并且也包含于本發明的下列權利要求保護范圍內。
權利要求
1.一種生產預型件的方法，該方法包括提供一個金屬材料熔化電極；熔化并精煉該熔化電極以提供一種被熔化精煉的材料；至少一部分熔化精煉后的材料穿過一個保護其不與周圍空氣中的氧氣接觸而受污染的通道；通過撞擊從所述通道中出現的熔化精煉材料流上的一種氣體而形成被熔化精煉材料的噴霧小滴，其中該氣體以單位質量氣體與單位質量熔化精煉材料之比以小于1的比率被供應到熔化精煉材料流上；在一個模內沉積并固化熔化精煉材料小滴噴霧以形成一預型件。
2.一種如權利要求1所述的方法，其特征在于，熔化和精煉所述熔化電極包括下述之一電渣再熔化所述熔化電極以提供熔化精煉材料；真空電弧再熔化所述熔化電極以提供熔化精煉材料。
3.一種如權利要求2所述的方法，其特征在于，電渣再熔化所述熔化電極包括提供一個含有渣的底部開口的容器；在底部開口容器中將熔化電極接觸渣；對包括熔化電極、渣和所述容器的電路通電，以電阻加熱電渣，導致在電極與渣的接觸點的熔化電極材料的熔化，由此形成熔化材料小滴；以及讓所述熔化材料小滴穿過被加熱的渣。
4.一種如權利要求3所述的方法，其特征在于，電渣再熔化所述熔化電極進一步包括控制熔化電極向容器內的傳送，保持所述電極于加熱電渣之間的接觸。
5.一種如權利要求2所述的方法，其特征在于，真空電弧再熔化所述熔化電極包括在部分真空條件下將熔化電極接觸直流電弧以加熱電極，由此形成熔化材料小滴。
6.一種如權利要求1所述的方法，其特征在于，至少一部分熔化精煉后的材料穿過一個通道包括提供一個冷感應導引裝置；在所述冷感應導引裝置中收集熔化精煉后的材料；以及將至少一部分熔化精煉后的材料穿過一個在所述冷感應導引裝置內的通道，同時，在所述通道內感應加熱所述熔化精煉后的材料。
7.一種如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述冷感應導引裝置包括一個熔化后材料收集區域；包括一個終止于一小孔的通道的一個傳送區域；至少一個與所述傳送區域相關的導電線圈；以及至少一個與所述傳送區域有關的冷卻劑循環通道。
8.一種如權利要求7所述的方法，其特征在于，將至少一部分熔化精煉后的材料穿過一個通道包括在熔化材料收集區域接收熔化精煉后的材料；以及將至少一部分熔化精煉后的材料穿過傳送區域內的一個通道，同時保持電流通過導電線圈，并將冷卻劑穿過冷卻劑循環通道。
9.一種如權利要求1所述的方法，其特征在于，將至少一部分熔化精煉后的材料穿過一個通道包括將至少一部分熔化精煉后的材料穿過一個通道，該通道的壁帶有耐火性材料的襯，并且沒有感應加熱源。
10.一種如權利要求1所述的方法，其特征在于，沉積并固化小滴噴霧的步驟包括通過撞擊氣體和熔化精煉材料小滴的撞擊，在預型件表面產生一個紊流區域。
11.一種如權利要求1所述的方法，其特征在于，沉積并固化小滴噴霧的步驟包括在部分真空條件和有保護氣體氣氛條件中的至少一個條件下，在一個模內沉積并固化熔化精煉材料的小滴噴霧。
12.一種如權利要求1所述的方法，其特征在于，氣體與金屬的質量之比小于0.3。
13.一種如權利要求1所述的方法，其特征在于，在形成小滴噴霧的過程中，熔化精煉材料的小滴部分被固化，以至于平均計算，每一小滴中5％到40％的體積部分被固化。
14.一種如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述金屬材料是鎳基、超耐熱合金、鈦合金、鋼和鈷基合金中的一種。
15.一種如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述金屬材料是選自合金706、合金718、合金720和雷內88這些材料中的一種鎳基超耐熱合金。
16.一種如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述金屬材料是選自Ti(6-4)和Ti(17)中的一種鈦合金。
17.一種如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述預型件直徑至少為12英寸。
18.一種生產預型件的方法，該方法包括提供一種裝置包括選自電渣再熔化裝置和真空電弧再熔化裝置中的一種熔化再精煉裝置，一個包括一從其中穿過的終止于一小孔的通道的傳送裝置，該傳送裝置與所述熔化精煉裝置流體連通，以及一個包括一個模的帶核鑄造裝置，該帶核鑄造裝置與所述傳送裝置流體連通；提供一個金屬材料熔化電極；在所述熔化精煉裝置中熔化并精煉所述熔化電極；將所述熔化精煉后的材料穿過所述傳送裝置；將所述熔化精煉后的材料提供給帶核鑄造裝置，并通過撞擊在穿過通道流動的熔化精煉材料流上的氣體而形成熔化精煉后材料的小滴噴霧，其中氣體以單位質量氣體與單位質量熔化精煉材料之比小于1的比率被供應到熔化精煉材料流上；以及在所述模內沉積并固化熔化精煉后材料的小滴噴霧，以形成所述預型件。
19.一種提供金屬材料預型件的裝置，該裝置包括選自電渣再熔化裝置和真空電弧再熔化裝置中的一種熔化再精煉裝置；一個包括一從其中穿過的終止于一小孔的通道的傳送裝置，該傳送裝置與所述熔化精煉裝置流體連通；以及一個帶核鑄造裝置，該帶核鑄造裝置與所述傳送裝置流體連通。
20.一種如權利要求19所述的裝置，其特征在于，所述電渣再熔化裝置包括其上具有一個小口的底部開口容器；一個與所述容器連接的電源；一個在所述容器內的導電槽；以及一個適合于將所述熔化電極送進到容器內的送進機構。
21.一種如權利要求19所述的裝置，其特征在于，所述真空電弧再熔化裝置包括一個真空腔室；一個在所述真空腔室內其上帶有一個小口的底部開口容器；以及一個與所述腔室連接的電源。
22.一種如權利要求19所述的裝置，其特征在于，所述傳送裝置包括一個冷感應導引裝置。
23.一種如權利要求22所述的裝置，其特征在于，所述冷感應導引裝置包括與所述底部帶開口容器的小口流體連通的一個熔化材料收集區域；一個包括終止于一小孔的通道的傳送區域；至少一個與所述傳送區域相關的導電線圈；以及至少一個與所述傳送區域相關的冷卻劑循環通道。
24.一種如權利要求19所述的裝置，其特征在于，所述傳送裝置包括一個帶有耐火材料內襯的壁并且沒有感應加熱源的通道，所述通道終止于一個小孔。
25.一種如權利要求19所述的裝置，其特征在于，所述帶核鑄造裝置包括一個與所述內部空間的小孔流體連通的霧化噴嘴；一個與所述噴嘴連通的霧化氣體源；以及一個位于所述霧化噴嘴下方包括側壁和底部的一個模，所述底壁相對于霧化噴嘴的位置是可以調節的。
26.一種通過一方法生產的產品，該方法包括提供一個金屬材料熔化電極；熔化和精煉所述熔化電極以提供一種熔化精煉后的材料；將至少一部分熔化精煉后材料通過一個防止與大氣接觸的通道；通過撞擊在穿過通道流動的熔化精煉材料流上的氣體而形成熔化精煉后材料的小滴噴霧，其中氣體以單位質量氣體與單位質量熔化精煉材料之比小于1的比率被供應到熔化精煉材料流上；以及在所述模內沉積并固化熔化精煉后材料的小滴噴霧。
27.一種如權利要求26所述的產品，其特征在于，熔化精煉所述熔化電極包括下列之一電渣再熔化所述熔化電極以提供熔化精煉后材料；以及真空電弧再熔化所述熔化電極以提供熔化精煉后材料。
28.一種如權利要求27所述的產品，其特征在于，電渣再熔化所述熔化電極包括提供一個包含有渣的底部帶開口容器；在底部帶開口容器內將熔化電極與渣接觸；給一個電路通電，所述電路包括熔化電極、渣以及所述容器，以使得電阻熱加熱渣形成與渣接觸的電極端的熔化電極材料的熔化，由此形成所述熔化材料小滴；以及讓所述熔化材料小滴穿過所述加熱渣。
29.一種如權利要求28所述的產品，其特征在于，所述電渣再熔化所述熔化電極進一步包括控制進入所述容器內的熔化電極傳送，以保持電極與加熱渣之間的接觸。
30.一種如權利要求27所述的產品，其特征在于，真空電弧再熔化所述熔化電極包括在真空條件下將熔化電極與一DC電弧接觸以加熱電極，由此形成熔化材料小滴。
31.一種如權利要求26所述的產品，其特征在于，至少一部分熔化精煉后材料穿過所述通道進一步包括提供一個冷感應導引裝置；在所述冷感應導引裝置內收集熔化精煉后的材料；以及將至少一部分熔化精煉后材料穿過在所述冷感應導引裝置內的通道，同時在所述通道內感應加熱所述熔化后精煉材料。
32.一種如權利要求31所述的產品，其特征在于，所述冷感應導引裝置包括一個熔化材料收集區域；一個包括終止于一個小孔的通道的傳送區域；至少一個與所述傳送區域相關的導電墊圈；以及至少一個與所述傳送區域相關的冷卻劑循環通道。
33.一種如權利要求32所述的產品，其特征在于，至少一部分熔化精煉后材料穿過一個通道進一步包括在熔化材料收集區域接收熔化精煉后材料；以及將至少一部分熔化精煉后材料穿過一個在傳送區域的通道，同時保持電流通過導電線圈，并將冷卻劑穿過所述冷卻劑循環通道。
34.一種如權利要求26所述的產品，其特征在于，至少一部分熔化精煉后材料穿過一個通道包括將至少一部分熔化精煉后的材料穿過一個通道，該通道的壁帶有耐火性材料的襯，并且沒有感應加熱源。
35.一種如權利要求26所述的產品，其特征在于，沉積和固化所述小滴噴霧包括通過熔化精煉后材料小滴與碰撞氣體的碰撞在預型件表面產生紊流區域。
36.一種如權利要求26所述的產品，其特征在于，沉積和固化所述小滴噴霧包括在部分真空條件和有保護氣體氣氛條件中的至少一個條件下，在一個模內沉積并固化所述熔化精煉材料的小滴噴霧。
37.一種如權利要求26所述的產品，其特征在于，所述氣體與金屬質量之比小于0.3。
38.一種如權利要求26所述的產品，其特征在于，在形成小滴噴霧的過程中，熔化精煉材料的小滴部分被固化，以至于平均計算，每一小滴中5％到40％的體積部分被固化。
39.一種如權利要求25所述的產品，其特征在于，所述金屬材料是鎳基、超耐熱合金、鈦合金、鈷基合金和鋼中的一種。
40.一種如權利要求26所述的產品，其特征在于，所述金屬材料是選自合金706、合金718、合金720和雷內88這些材料中的一種鎳基超耐熱合金。
41.一種如權利要求26所述的產品，其特征在于，所述金屬材料是選自Ti(6-4)和Ti(17)中的一種鈦合金。
42.一種如權利要求26所述的產品，其特征在于，所述產品是直徑至少為12英寸的預型件。
43.一種如權利要求26所述的產品，其特征在于，所述產品是一種適合于在航空和陸地渦輪機的其中一種中使用的旋轉件；在一個模內沉積并固化所述熔化精煉后材料的小滴噴霧，提供一個預型件；以及該方法進一步包括加工處理預型件而提供所述旋轉件。
44.通過一方法生產的一種產品，該方法包括提供一種裝置包括選自電渣再熔化裝置和真空電弧再熔化裝置中的一種熔化再精煉裝置，一個包括一從其中穿過的終止于一小孔的通道的傳送裝置，該傳送裝置與所述熔化精煉裝置流體連通，以及一個包括一個模的帶核鑄造裝置，該帶核鑄造裝置與所述傳送裝置流體連通；提供一個金屬材料熔化電極；在所述熔化精煉裝置中熔化精煉所述熔化電極；將所述熔化精煉后的材料穿過所述傳送裝置；將所述熔化精煉后的材料提供給帶核鑄造裝置，并通過撞擊在穿過通道流動的熔化精煉材料流上的氣體而形成熔化精煉后材料的小滴噴霧，其中氣體以單位質量氣體與單位質量熔化精煉材料之比小于1的比率被供應到熔化精煉材料流上；以及在所述模內沉積并固化熔化精煉后材料的小滴噴霧。
45.如權利要求44所述的產品，其特征在于，所述產品是直徑至少為12英寸的預型件和適合于在航空渦輪機或陸地渦輪機中使用的旋轉件中的其中之一。
全文摘要
一種精煉和鑄造金屬和金屬合金的方法，包括熔化和精煉一種金屬材料，然后通過一種帶核鑄造工藝鑄造所述精煉熔化后材料。將熔化精煉后的材料通過一種傳送裝置提供到帶核鑄造裝置的霧化噴嘴中，所述傳送裝置適合于保持熔化精煉后材料的純度。本發明還公開了一種裝置，該裝置包括一個熔化精煉裝置，一個傳送裝置和一個帶核鑄造裝置，這些裝置之間順序流體連通。
文檔編號B22D27/02GK1483299SQ01819972
公開日2004年3月17日 申請日期2001年11月13日 優先權日2000年11月15日
發明者瓊斯·R·M·福布斯, 理查德·L·肯尼迪, 拉梅什·S·米尼桑德拉姆, L 肯尼迪, S 米尼桑德拉姆, 瓊斯 R M 福布斯 申請人:Ati資產公司