專利名稱：感應攪拌、超聲修改的熔模鑄件和產生設備的制作方法
技術領域：
本發明大體上致力于用于產生帶有預選晶粒結構的熔模鑄件(investmentcasting)的設備，且具體而言致力于通過控制固化過程而在熔模鑄件中產生預選晶粒結構。
背景技術：
熔模鑄造加工特別適用于精密公差或設計復雜性為考慮因素的鑄件。一個示例為諸如渦輪葉片和靜葉的翼型件的鑄件，其由特殊合金制成且經受高溫環境。熔模鑄造允許鑄造薄區段，諸如渦輪葉片的翼型部分。包括熔模鑄件的鑄件的固化通常在從鑄件提取熱時通過模具壁發生。這種固化通常通過將熱從鑄件中的熔融金屬傳遞至周圍大氣的模具壁發生。在提取熱時，成核部位形成于模具壁上且固化前沿作為枝晶生長到熔融金屬內。由于在固體/液體界面的前沿中的固體片段，晶粒也不均一地成核。這些固體片段的數量與過冷量成比例。成核晶粒的形態由在任何給定時間的熱通量的方向和量來決定。需要一種鑄造系統，其允許在固化期間對金屬或金屬合金的固化的額外控制，以在需要時在鑄件中均化溫度分布，減小偏析和破壞/分布鑄件中的體積缺點。

發明內容
闡述了用于產生感應攪拌、超聲修改的熔模鑄件的鑄造單元。該鑄造單元包括具有模具腔的熔模鑄造模具。該鑄造單元還包括爐。爐的第一區包括用于在模具被提供熔融金屬時在熔融金屬中生成對流的裝置。第一區接納熔模鑄造模具。耐火(耐熱，refractory)分隔件限定包圍工作區的第一區。然而，能量可跨過分隔件轉移到第一區/自第一區轉移。第一區還由絕熱物包圍，使得跨過爐邊界到周圍環境的快速傳熱不發生。用于在模具腔被提供熔融金屬時將超聲脈沖傳送到模具腔內的超聲源被定位成與模具的底部接觸。第一加熱元件在耐火分隔件與熔模鑄造模具之間位于第一區內。由于高的預熱溫度，這些加熱元件為非金屬的且在耐火分隔件與熔模鑄造模具之間位于第一區內。還提供一種用于制造等軸鑄件的方法。該方法包括以下步驟:提供爐，其具有接納熔模鑄造模具的第一區或工作區。還提供用于在模具被提供熔融金屬時在模具中生成對流的裝置。耐火分隔件包圍第一區。絕熱物包圍該爐的第一區，減緩了從爐到包圍該爐的周圍環境的傳熱。第一加熱兀件定位于耐火分隔件的內側上，在耐火分隔件與熔模鑄造模具之間。第一加熱元件使熔模鑄造模具能夠被預熱(若需要)，使得熔融金屬的溫度在引入后不急劇降低且可在固化過程中允許對爐的第一區中的熔融金屬溫度的一些控制。定位成與模具接觸的超聲源供以在熔融金屬被引入到模具腔內時將超聲脈沖傳送到模具腔內。具有模具腔的熔模鑄造模具定位于爐的第一區內。熔融金屬被引入到熔模鑄造模具的模具腔內。第一加熱元件允許在將熔融金屬弓I入模具腔內之前預熱熔模鑄造模具，并且可用于在固化過程中調節模具中熔融金屬的溫度。一旦引入到模具腔內，熔融金屬便將開始固化，通常處于從模具表面生長到熔融金屬內的枝晶的形式。超聲脈沖從超聲源引入到熔融金屬內，生成用于使枝晶分裂為片段的超聲脈沖或波。這些片段通過對流分布在熔融金屬中且然后用作用于額外晶粒形成的核。對流由來自超聲源的波生成或者從低輸出感應線圈生成，或兩者。低輸出感應線圈在從約20 Hz至約10 kHz的范圍內操作，用于生成對流的目的。超聲脈沖還可施加到熔模鑄造模具以干擾枝晶的形成，枝晶通常從熔模鑄造模具的側部生長，如上文所討論的。超聲脈沖還對液體合金的成分提供混合效果且在促進從液體金屬內的成核部位生長時促進等軸晶粒的形成。當枝晶從模具的側部破裂時，它們由液體內的脈沖和由用于生成對流的裝置生成的對流兩者混合，且到它們未完全熔化的程度，它們還形成額外成核部位用于等軸晶粒的形成。可通過該工藝來制成具有等軸晶粒結構的熔模鑄件。根據結合附圖對優選實施例的下列更詳細描述，本發明的其它特點和優點將是顯而易見的，附圖以示例方式示出本發明的原理。


圖1描繪了本發明的設備，其中，熔融金屬已被引入到澆口杯或熔爐內，但未到位于爐工作區中的熔模鑄造模具內，熔模鑄造模具包括成核劑和熱穩定的分散劑兩者。圖2描繪了圖1的設備，其中，熔融金屬已從澆口杯轉移到熔模鑄造模具內。圖3描繪了圖1的設備，其中，熔融金屬已被引入到澆口杯內，但未到位于爐工作區中的熔模鑄造模具內，熔模鑄造模具僅包括成核劑。圖4描繪了圖3的設備，其中，熔融金屬已從澆口杯轉移到熔模鑄造模具內。
具體實施例方式闡述了一種鑄造系統，其允許在固化期間對熔融金屬或金屬合金的固化的額外控制，以在固化期間穩定等軸微結構的形成。該系統還在固化進行時提供鑄件的未固化熔融部分中富含溶質的金屬的混合，允許控制組成梯度和溫度梯度兩者以允許更均勻的固化。如本文所用的，金屬或熔融金屬意指金屬或合金，或者熔融金屬或合金，除非另外具體地規定。現在參照圖1，鑄造單元10包括爐20。該爐包括工作區22，工作區22包括第一加熱元件25。爐20由絕熱物26包圍以減小從內部爐20通過爐壁28到周圍環境的傳熱。耐火分隔件30分開第一加熱兀件與低輸出感應線圈24,耐火分隔件30形成被稱作工作區22的結構的任意邊界，在耐火分隔件30的邊界內的區域在本文中被限定為工作區22。工作區22足夠大以容納諸如通過熔模模制工藝所制成的精密模具。如在本文中所用的，這種模具被稱作熔模鑄造模具，但任何其它模具可插入工作區22內。熔模鑄造模具32由形成模具腔35的陶瓷殼34形成，模具腔35任選地可內襯有成核劑。陶瓷殼34是否內襯有成核劑取決于將用于形成鑄件的金屬合金。第二工作區或熔化區38附連到第一區22的頂部36。熔化區可永久地附連到爐頂36或者可移除地附連到爐20。優選地，熔化區38可移除地附連以方便便于維修熔化區以及第一區22兩者且使得能夠接近第一區22。在一備選實施例中，熔化區38可包括基本上永久附連的結構且熔化區的襯里是可移除且可替換的。熔化區38的具體構造和其到爐頂36的附連并非本發明的重要方面。熔化區由第二加熱元件40包圍。熔化區38和爐頂36還各自包括孔口 42、44，其提供在澆口杯38與熔模鑄造模具32之間的流體連通，使得熔融金屬可從澆口杯38通過熔化區孔口 42和爐孔口 44流到模具腔35內。在圖1的優選實施例中，熔化區孔口 42和爐孔口 44被描繪為同軸的。然而，雖然孔口 42和44必須提供在熔化區38與模具32之間的流體連通，但它們的構造并不限于圖1至圖4中闡述的構造。塞子(st0pper)46用于調節熔融金屬在熔化區38與模具腔35之間的流動。塞子46可以可移除地插入熔化區孔口 42和/或爐頂孔口 44內，用于這樣的流動調節。系統可設有用于維持工作區22內的氣氛的裝置。該氣氛可為在爐20的工作區22內的保護性氣氛，例如非反應性氣體或諸如Ar、He等的惰性氣體的氣氛，或者在工作區22內提供真空48。真空系統48優選為在熔融金屬澆注到熔模鑄造模具32內時允許工作區22的除氣，從而減少由于多孔性造成的缺陷的形成。然而，提供保護性氣氛或真空的系統的包括是任選的。此外，若需要，則整個爐20，包括爐頂36、第二熔化區38和第二加熱元件40，可放置到選定氣氛內。在熔模鑄造模具32擱置于爐20的相對或內部側上時，超聲源50在爐20的外側上與爐20的底部52接觸。超聲源50是將電信號轉換為機械信號的換能器。為了超聲源將電信號適當地轉換為機械信號或超聲波，由壓電材料組成的換能器必須維持低于其居里溫度。因此，換能器必須被冷卻或與爐20分開足夠的距離以便保持較冷。而且，為了以最小損失跨過界面邊界傳輸機械信號，這些邊界出現在至少換能器/爐界面和爐/模具界面處，需要使用液體耦合劑，因為超聲波有效地通過液體和許多固體轉移，但并不那么有效地(如果可能)跨過空氣或氣體轉移。這些問題的解決方案并非本發明的部分，雖然解決方案為本領域技術人員可得到的且已知的。例如，可用鋼或鎳超合金棒或其它高熔點金屬棒將超聲源50與爐底部52間隔開，使得超聲源50保持低于其居里溫度。超聲源50可用標準耦合劑耦合到棒，且該棒將有效地傳輸超聲波。若需要，可由任何合適裝置來冷卻金屬棒。在另一實施例中，使用銅冷卻(copper chill)的水套可用在超聲源50與爐底部52之間，以維持超聲源50低于其居里溫度，同時維持在水套與爐底部之間的第二耦合劑處于足以維持在超聲源與爐底部之間的界面傳輸超聲脈沖的溫度，第一耦合劑將超聲源50耦合到水套。耦合劑的溫度被維持足夠低以防止耦合劑的汽化或氧化，使得它保持在其液態。在工作區22內，通過使用熔化溫度低于被鑄造金屬或合金的熔化溫度且汽化溫度高于被鑄造金屬或合金的熔點的金屬或合金薄層，可在爐底部與熔模鑄造模具之間提供第三耦合劑。例如，對于鑄造鎳基超合金，銅、錫或鉛可為在爐底部與模具底部之間的有效耦合劑。如先前指出的，選為耦合劑的金屬或合金被選擇為使得鑄造金屬或合金的熔化溫度落在金屬耦合劑的熔點與金屬耦合劑的汽化溫度之間。此外，選為耦合劑的金屬或合金不應與熔模鑄造模具或爐底部起反應。在熔模鑄造模具為可消耗的且爐底部可為可替換的時，一些反應可為可接受的。在又一實施例中，爐可為無底的且熔模鑄造模具可使用可移動的工作臺或平臺被插入模具內。熔模鑄造模具包括螺旋晶粒選擇器和啟動器塊。熔模鑄造模具擱置在與超聲源50接觸的水冷冷卻器(water cooled chill)上。如先前所討論的那樣提供高溫稱合劑。在該實施例中，通過水冷冷卻器從模具的底部提取熱。按正常固化的說法，通過模具底部從金屬提取熱的水冷冷卻器的使用將產生定向固化(DS)晶粒。螺旋晶體選擇器的使用將通常產生單晶(SX)晶粒。然而，認為超聲脈沖將破壞前移的固化前沿，使得標準DS晶粒或SX晶粒均不會形成。不希望受到理論限制，由于熱優先從熔模鑄造模具的底部提取，因而認為鑄造產物將為多晶粒結構，其具有在遠離熱移除方向的方向上延伸的晶粒結構。耐火分隔件30分隔低輸出感應線圈24與第一加熱元件25且限定爐20的工作區22。耐火分隔件30可由耐受熱沖擊且在較寬溫度范圍內結構穩定的任何材料制成。耐火分隔件30可由任何耐火材料組成，諸如氧化鋁、氧化鋯、碳化硅，這些材料的復合物或者其它材料及其組合，等等。熔化區38提供用于熔模鑄造模具的熔融金屬。熔化區38可接納處于其固態的金屬裝料，或者它可從單獨爐、澆包或其它澆注裝置接納熔融金屬。當提供固體金屬裝料時，可使用第二加熱元件40來使之熔化。當向熔化區38提供熔融金屬時，可使用第二加熱元件40來維持溫度(如果需要金屬的進一步精煉)或者維持熔融金屬的溫度處于該金屬或合金的澆注溫度范圍內的溫度。除了具有耐火分隔件的性質之外，該性質包括耐受熱沖擊和在較寬溫度范圍內的結構穩定性，熔化區38應當不與其將接觸的熔融金屬起反應。理想地，熔化區38應當為抗腐蝕性的。適于熔化區應用的耐火材料的一些示例包括莫來石、氧化鋁、堇青石和硅酸鋁，如本領域中已知的。塞子46可為不會與熔融金屬或合金起反應的任何高溫材料。例如，塞子可為高溫陶瓷桿或管，其可從第一位置移動到第二位置，在第一位置，澆口杯38與模具腔35之間的連通可用于接受熔融金屬的流動，在第二位置，澆口杯38與模具腔35之間的連通被關閉以防止熔融金屬從澆口杯38到模具腔35內的流動。雖然示出為桿，但塞子可為接合或阻擋開口 42、44的盤，諸如陶瓷或CMC盤。一旦插入到孔口 42、44內，塞子還提供密封，使得可通過真空系統48抽出真空，或者使得(在包括時)任選的惰性或還原氣氛可維持在工作區22內。當被鑄造的金屬或合金為諸如銅及其合金的低溫材料時，塞子可由諸如鋼的更高熔點合金組成。鑄造單元10包括低輸出感應線圈24和第二加熱元件40。第二加熱元件40期望地為高輸出感應線圈。如先前提到的，第二加熱元件40的目的是為了熔化以固態提供的金屬裝料和/或維持熔融金屬處在高于其熔化溫度的溫度且處于或高于其澆注溫度。若需要，這還允許在熔化區38中對熔融金屬的額外精煉。第二加熱元件40也可用于預熱熔化區38，使得在熔融金屬從二級熔化源澆注至熔化區38內時熔融金屬的溫度降低減小。如果熔融金屬未立即從熔化區38轉移到熔模鑄造模具32內，則可利用第二加熱元件40來維持熔融金屬的溫度高于其熔點且處于或接近其澆注溫度，直到完成了澆注。對于本領域技術人員而言應顯而易見的是，熔化區38和第二加熱元件40為本發明中的任選項。對于空氣熔化超合金鑄件，可在不使用熔化區38和第二加熱元件40的情況下實現等軸晶粒，因為熔融金屬可澆注至熔模鑄造模具32內且可在第一區22內實現等軸晶粒，如所述那樣。備選地，熔模鑄造模具可在鑄造單元10外部澆注和填充且然后在仍然熔融時轉移到第一區22內。低輸出感應線圈24定位成鄰近工作區22。它們的主要目的是在模具32內促成熔融金屬對流。若需要，低輸出感應線圈24可沿著爐的豎直高度分區，且每個區可獨立地受控以調整沿著爐20的工作區22的對流。第一加熱元件25可為與第二加熱元件40分開的元件，或者第一和第二加熱元件25、40可為相同加熱元件的不同部分，但每個部分由單獨的控制器控制。第一加熱元件25在熔模鑄造模具32內提供熔融金屬的一些溫度控制。再次參照圖1，模具腔任選地設有熱穩定的分散劑，其可包括用于氧化物分散強化(ODS)的表面處理氧化物。可添加這些分散劑以使第二相粒子分散且均勻地分散成核晶粒。除分散劑之外或作為替代，還可提供細粒變質劑。任選的成核劑54可在形成殼34時形成于殼34上，或者隨后施加。是否利用成核劑54取決于被鑄造的合金。例如，對于鑄鐵，可添加硅鐵作為成核劑來促進更細的晶粒結構。對于不同的合金，可包括其它成核劑54。當鑄造延性鐵時，使用硅來促進第二相的形成，同時其用于促進鑄鐵中的石墨化。可添加硼和鋯以促進鎳基超合金中等軸晶粒的成核。現在參照圖2，熔融金屬從熔化區38流動而用熔融金屬裝填熔模鑄造模具32。在圖1中插入的塞子46也在圖2中插入以密封工作區22，使得任選的真空系統能夠有效地排空工作區22中的任何空氣以及從正固化金屬移出的任何氣體。當然，必須提供到爐20的工作區的接近以使得能夠向爐20的工作區22插入和移除熔模鑄造模具32。通過將超合金金屬裝填到熔化區38內，可在連續的基礎上執行熔化，并且額外的熔模鑄造模具32可置于熔化區孔口下方。當完成鑄造時，殘余模具可置于熔化區孔口下方以捕獲剩余熔融金屬。在圖2中，模具32中的金屬處于熔融狀態，并且如圖1中那樣描繪的鎳薄板56已經被熔融金屬熔化。鎳板必須與被鑄造的合金在化學上兼容。當鑄造合金組成改變時，將提供不同金屬組成的板56，所提供的金屬組成可與被鑄造的合金兼容。因此，在圖1和圖2所描繪的實施例中，鑄造合金為鎳基合金，且圖1中的板為鎳板。本領域技術人員理解，當鑄造不同合金時，提供與該合金兼容的金屬板。在板熔化后，如圖1所示定位于模具32底部的熱穩定分散劑和成核劑內襯的殼34現在遍及熔融金屬而分布。可通過用第一加熱兀件25施加熱來控制熔融金屬的固化。取決于這種加熱元件的能力和被熔化合金的固化溫度，若需要，用第一元件施加熱可延遲或甚至反轉固化，并且在熔融金屬中的對流中促成對流，對流使分散劑和成核劑二者循環。當第一加熱元件25分區成使得熱可以受控方式施加到工作區22的選定部分上時，這可能特別有效。最終，熔融金屬必然固化，其可通過將熱從熔融金屬經殼傳遞到工作區來實現。當金屬在固化上不變地冷卻時，成核發生在殼34上且枝晶生長到模具32內部中的熔融金屬內。金屬中的對流可能不足以破壞這些前移的枝晶，枝晶可能不利地影響晶粒結構。為了防止將優先在殼上成核的此類枝晶的前移，本發明將超聲脈沖從超聲源50施加到熔融金屬。如先前所討論的，超聲源50定位在爐20的外部且定位成使得在固化發生時它保持較冷，通過使用冷卻器或通過距離。超聲脈沖可具有任何頻率和任何波形，不同于用于測試和缺陷評估的謹慎控制的超聲束。向熔模鑄造模具32施加超聲脈沖的方向不應該為考慮因素。如在圖1和圖2中所示，超聲源被定位成使得縱向脈沖將在枝晶從殼34的側壁生長的基本橫向方向上傳送。但本領域技術人員將認識到，可修改超聲源來以各種角度將橫向脈沖傳送到模具32內，特別是在指向從殼34的側壁生長的枝晶的45°與60°之間。當然，可使用多于一個超聲源來從多于一個方向傳送脈沖，或者換能器陣列可以以規劃好的樣式傳送脈沖。然而，超聲脈沖必須有足夠的振幅以破壞枝晶，即，在枝晶前移到熔融金屬內之前使枝晶與殼分離，或者破壞枝晶。超聲脈沖的一額外優點在于，它還將提供熔融金屬的混合；因此，在枝晶與殼34分離時，它們將與熔融金屬混合且在正固化金屬中用作生長晶粒的核。雖然本發明的優選實施例利用單獨的低輸出感應線圈24來生成傳導電流，但本領域技術人員將理解，超聲源50可提供與低輸出感應線圈相同頻率的超聲脈沖，使得超聲源50可充當對流的唯一源以及如上文所討論的振幅足以使枝晶破裂的能量源，并且，用于生成對流的裝置包括超聲源50、低輸出感應線圈24或兩者。第一加熱元件25也可促成對流，雖然到小得多的程度。超聲脈沖可以以任何頻率施加，只要振幅足以將枝晶從模具壁分離和/或破壞枝晶。可利用15 kHz至25 MHz的頻率范圍，雖然在約19 kHz至400 kHz的范圍中的脈沖是優選的，且處于約60 kHz的特定選擇是最優選的。生成超聲脈沖的重要因素為所生成振幅的充分性。脈沖的振蕩振幅決定加速的強度，其為控制空化(cavitation)的最重要因素。更高的振幅造成更有效的空化。單向移動也有助于有效的空化。優選振幅在約20微米至約110微米之間，且65微米為最優選的。功率輸出/表面積得到強度，其為振幅、壓力、模具體積、溫度、熔融金屬粘度和其它因素的函數。總功率輸出為強度與表面積的乘積。總能量為功率輸出與暴露時間的乘積。因此可看出，能量值將取決于所有參數而變化。然而，優選的功率密度落在30-400 ff/ml (模具體積)的范圍內。超聲源50可連續地運行或者可在基本形成第二頻率的較短時間間隔循環開和關。超聲源50連續地運行是優選的。當然，超聲脈沖會在熔模鑄造模具32中的金屬中生成熱，但由超聲脈沖生成的熱與熔融金屬的溫度或可由第一加熱元件25添加的熱相比較小。超聲脈沖可被布置成通過控制器連同一個或更多熱電偶來操作，熱電偶決定熔模鑄造模具32中的熔融金屬的溫度。由于已知組成的金屬的固化在一溫度或溫度范圍上發生且為放熱的，因而可控制超聲脈沖在該溫度或溫度范圍(包括在該溫度或溫度范圍周圍的預選公差帶)上操作。由于熔融金屬可混合，因而來自超聲源50、低輸出感應線圈24和第一加熱元件25的入射超聲脈沖促成對流，同時防止枝晶的形成和前移。熔融金屬的這種混合和熱的施加提供其它優點。其均勻地分布核，當核發展時其將形成晶粒。其在合金固化時提供包括合金的元素的混合，使得在晶粒生長時剩余的熔融金屬具有更均勻的組成。混合還在合金混合時提供更均勻的溫度分布。如先前所討論的，當剩余熔融金屬的溫度未過冷也未緩慢冷卻時，更有益于等軸晶粒的形成和生長，從而生成尺寸均勻的等軸晶粒。在此，因為混合提供更均勻的溫度分布，所以不存在將有益于柱狀晶粒生長的溫度梯度。最終，首先形成于熔融金屬中的任何沉淀物將由于混合而均勻地分布，并且形成于固化金屬基質中的任何沉淀物也將更均勻地分布，因為固化金屬將具有更均勻的組成。由于鑄件的特定用途，如果有必要均化鑄件以消除由于偏析造成的組成差異，則通過本發明的設備和方法所形成的鑄件在高溫下將需要更少的均化時間，因為在固化過程中合金的混合提供了更好的元素分布。因此，由于可減少高溫下的均化時間而在能量使用中存在成本節省。圖3和圖4類似于圖1和圖2，但示出了其中殼包括成核劑但不包括具有熱穩定分散劑的金屬板56的鑄造單元。如圖3和圖4所示，這些成核劑被示出內襯殼。在制造殼時，可將這些試劑添加到殼。但是，成核劑并不需要與殼一起制造。成核劑可在澆注之前添加到熔模鑄造模具32，因為源自超聲源50所引入的超聲脈沖的混合和對流、源自低輸出感應線圈24所建立的對流的對流以及由熔融金屬到模具32內的初始澆注導致的湍流的組合應提供充分的混合，以在熔融金屬中分布成核劑。成核劑還可在熔化之前與固體金屬一起與引入熔融金屬同時引入到爐20的第二工作區或熔化區38內，或者當使用熔融金屬的第二源在爐20中引入熔融金屬時在轉移到第二工作區38內之前引入到熔融金屬內。超聲脈沖、由低輸出感應線圈24建立的對流以及源自澆注的湍流應以相同方式起作用以在熔融金屬中分布成核劑，雖然將成核劑引入熔融金屬內的時機稍稍不同。在其它方面，在圖3和圖4所示的實施例中用以產生等軸晶粒結構的澆注和固化控制與在先前針對圖1和圖2所述的基本相同。使用超聲源50將超聲脈沖引入到熔融金屬內有助于提供具有更細等軸晶粒尺寸的鑄件。低輸出感應線圈遍及熔融金屬分布成核晶粒和分離的枝晶。使用熱源(在圖中描繪為第一加熱元件25)控制溫度分布同時避免過熱也促成等軸微結構的形成。當然，其它益處為在所得鑄件中減小的組成差異，即減小的微偏析。其它優點包括缺陷的減少。由于可通過第一加熱元件25的使用來控制固化速率，并且可通過超聲脈沖來攪動熔融金屬，因而將另外由正固化金屬產生且截留在其中的氣體可由任選的真空系統(在采用時)移除。可減少諸如收縮的其它鑄件缺陷的影響，因為諸如收縮的缺陷可為更小尺寸的更均勻分布的體積缺點。當存在時，可操縱此類缺陷的位置。當然，通過文中闡述的設備和工藝所產生的精制的晶粒尺寸將產生具有更高強度的鑄件，其將導致具有更長壽命的部件。這繼而將在利用這些部件的系統中降低壽命周期成本。先前描述的部件將在渦輪應用中使用，但通過該工藝制成的不同部件確實可在其它應用中找到用途。在渦輪應用中，具有更長壽命的部件可提供源于此類部件的維修或替換停機之間的更長平均時間。雖然已參考優選實施例描述了本發明，但本領域技術人員將理解，在不偏離本發明的范圍的情況下，可做出各種改變且等同物可用于代替本發明的元件。此外，可做出許多修改，以在不偏離本發明的實質范圍的情況下使特定的情形或材料適應本發明的教導。因此，本發明并不意圖限于作為用于執行本發明所設想的最佳模式而公開的特定實施例，而是，本發明將包括落在所附權利要求的范圍內的所有實施例。
權利要求
1.一種鑄造單元,包括: 熔模鑄造模具，其具有模具腔； 爐，其具 有: 第一區，其接納所述熔模鑄造模具； 用于在所述模具被提供熔融金屬時在所述模具中的熔融金屬中生成對流的裝置； 耐火分隔件，其包圍且限定所述第一區； 絕熱物，其包圍所述第一區；以及 超聲源，其用于在所述腔被提供熔融金屬時將超聲脈沖傳送到所述模具腔內，并且被定位成與所述模具的底部接觸。
2.根據權利要求1所述的鑄造單元，其特征在于，所述用于生成對流的裝置包括低輸出感應線圈。
3.根據權利要求1所述的鑄造單元，其特征在于，還包括第一加熱元件，其在所述熔模鑄造模具與所述耐火分隔件之間定位于所述第一區內。
4.根據權利要求1所述的鑄造單元，其特征在于，還包括在所述爐上方的爐頂。
5.根據權利要求4所述的鑄造單元，其特征在于，所述爐頂包括熔化區，所述熔化區與所述模具腔流體連通。
6.根據權利要求5所述的鑄造單元，其特征在于，還包括包圍所述熔化區的第二加熱元件。
7.根據權利要求1所述的鑄造單元，其特征在于，還包括用于維持所述第一區內的氣氛的裝置。
8.根據權利要求7所述的鑄造單元，其特征在于，用于維持所述第一區內的氣氛的所述裝置包括在所述第一區上抽真空的真空系統。
9.根據權利要求7所述的鑄造單元，其特征在于，用于維持所述第一區內的氣氛的所述裝置包括在所述爐上抽真空的真空系統。
10.根據權利要求7所述的鑄造單元，其特征在于，用于維持所述第一區內的氣氛的所述裝置包括用于所述第一區的非反應性氣體氣氛。
11.根據權利要求7所述的鑄造單元，其特征在于，用于維持所述第一區內的氣氛的所述裝置包括用于所述爐的非反應性氣體系統。
12.根據權利要求4所述的鑄造單元，其特征在于，還包括塞子，其用于調節熔融金屬在所述熔化區與所述模具腔之間的流動。
13.一種鑄造單兀，包括: 熔模鑄造模具，其具有模具腔； 爐，其具有: 工作區，其接納所述熔模鑄造模具； 低輸出感應線圈，其包圍所述工作區； 耐火分隔件，其分隔所述工作區與包圍所述工作區的所述低輸出感應線圈； 第一加熱元件，其包圍所述熔模鑄造模具且定位在所述熔模鑄造模具與所述耐火分隔件之間； 絕熱物，其包圍所述工作區；熔化區； 在所述熔化區與所述熔模鑄造模具之間的流體連通通道； 第二加熱元件，其包圍所述熔化區； 塞子，其用以調節熔融金屬從所述熔化區通過所述流體連通通道且到所述工作區中的所述熔模鑄造模具內的流動； 超聲源，其用于在所述模具腔被提供熔融金屬時將超聲脈沖傳送到所述模具腔內，并且被定位成與所述模具的底部接觸；以及 用于維持所述爐的工作區中的氣氛的裝置。
14.一種用于制造等軸鑄件的方法，包括以下步驟: 提供具有模具腔的熔模鑄造模具； 提供爐，其具有: 工作區，其接納所述熔模鑄造模具； 用于生成對流的裝置； 耐火分隔件，其包圍所述工作區； 絕熱物，其包圍所述工作區； 第一加熱元件，其定位于所述工作區內且定位于所述耐火分隔件與所述模具腔之間；以及 超聲源，其用于在所述模具腔被提供熔融金屬時將超聲脈沖傳送到所述模具腔內，并且被定位成與所述模具的底部接觸； 將所述熔模鑄造模具放置到所述工作區內: 向所述熔模鑄造模具提供熔融金屬; 當所述熔融金屬在所述模具腔中開始固化時，向所述熔模鑄造模具施加超聲脈沖，所述脈沖具有充分的振幅以干擾在所述熔模鑄造模具內生長的枝晶的形成，所述脈沖還混合熔融合金； 繼續向所述熔模鑄造模具施加所述超聲脈沖，以在所述熔融金屬固化時干擾枝晶的形成、混合所述熔融合金且促進等軸晶粒的形成。
15.一種用于制造等軸鑄件的方法，包括以下步驟: 提供具有模具腔的熔模鑄造模具； 提供爐，其具有: 工作區，其接納所述熔模鑄造模具； 用于生成對流的裝置，用于生成的所述裝置包圍所述工作區； 耐火分隔件，其分隔所述工作區與所述用于生成對流的裝置； 絕熱物，其包圍所述工作區； 第一加熱元件，其定位于所述工作區內，所述耐火分隔件定位在所述用于生成對流的裝置與所述第一加熱元件之間； 熔化區，其用于接納金屬； 流體連通通道，其在所述熔化區與所述熔模鑄造模具之間； 第二加熱元件，其包圍所述熔化區； 塞子，其用以調節熔融金屬從所述熔化區通過所述連通通道到所述熔模鑄造模具內的流動； 超聲源，其用于在所述模具腔被提供熔融金屬時將超聲脈沖傳送到所述模具腔內，且被定位成與所述模具的底部接觸；以及 用于維持所述爐的工作區內的氣氛的裝置； 將所述熔模鑄造模具放置到所述工作區內且定位成與所述熔化區流體連通以接納熔融金屬； 從所述熔化區提供熔融金屬； 任選地用所述第二加熱元件將所述熔化區中的金屬加熱到第一預定溫度； 在維持所述爐的工作區內的氣氛的同時將熔融金屬提供給所述熔模鑄造模具； 當所述熔融金屬在所述模具腔中開始固化時，向所述熔模鑄造模具施加超聲脈沖，所述脈沖具有充分的振幅以干擾在所述熔模鑄造模具內生長的枝晶的形成，所述脈沖還混合熔融合金； 繼續向所述熔模鑄造模具施加所述超聲脈沖，以干擾枝晶的形成、混合所述熔融合金且促進等軸晶粒的形成。
16.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，所述用于生成對流的裝置包括低輸出感應線圈。
17.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，所述用于生成對流的裝置還包括所述超聲源。
18.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，所述用于維持氣氛的裝置選自由非反應性氣氛和真空組成的組。
19.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，在從15kHz至25 MHz的頻率范圍內生成所述超聲脈沖。
20.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，所述金屬最初以未熔化狀態提供給所述熔化區，并且所述金屬由所述熔化區中的所述第二加熱元件來熔化。
21.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，所述金屬以熔融狀態從單獨源提供給所述熔化區。
22.—種通過權利要求15所述的工藝制成的熔模鑄件。
全文摘要
本發明涉及感應攪拌、超聲修改的熔模鑄件和產生設備。一種用于制作等軸熔模鑄件的方法。該方法利用超聲發生器將超聲脈沖發送到熔模鑄造模具中的熔融金屬內。熔模鑄造模具定位于爐的工作區內，爐具有低輸出感應線圈以在熔融金屬中生成對流。超聲脈沖分離從模具的面向內生長到熔融金屬內的枝晶。替代地，等軸晶粒可在熔融金屬內成核。此外，當從正固化的等軸晶粒排斥溶質時，超聲脈沖和低輸出感應線圈使熔融金屬循環。混合減小了在正固化合金中的偏析效果且有助于使等軸晶粒成核。
文檔編號B22D27/20GK103170577SQ20121055776
公開日2013年6月26日 申請日期2012年12月20日 優先權日2011年12月20日
發明者樸埈永, J.R.帕羅利尼, I.尤科克 申請人:通用電氣公司