[发明专利]铸造方法、材料和设备以及由其制造的铸件

说明书

发明背景

本发明主要涉及铸造方法和用于铸造方法的设备与材料。更具体地讲，本发明涉及适合于在经所述方法制造的铸造产品中同时形成抗氧化表面区域的金属铸造方法，其另外可为常规铸造方法比如(但不限于)铁基合金铸造和砂模铸造方法。

燃气轮机，包括用于发电和航空器产业的燃气轮机发动机，内部元件必须能够在高温下操作，通常高于1000EF(约540EC)。因为燃气轮机的效率取决于其操作温度，持续需要具有较高耐热能力的燃气轮机元件。因为用于燃气轮机元件的材料需求已经增大，已经开发了各种加工方法、合金化成分和涂层以提高燃气轮机元件的机械、物理和环境性能。

为了促进抗氧化性和可接受的操作寿命，燃气涡轮发动机的内部元件通常作为铸件由高合金不锈钢、镍钴合金钢、钴基合金和镍基合金制造。这些合金依赖铬和/或镍作为合金添加剂，形成抗氧化的氧化皮(scale)作为能够保护合金免于燃气轮机内高温和氧化条件的表面涂层。因为这些钢的铬和镍含量，例如在奥氏体不锈钢中为约18重量％或者更多的铬和约8重量％或者更多的镍，在镍钴合金钢、钴基合金和镍基合金中为约20重量％或者更多的铬，和在镍基合金中为约50重量％或者更多的镍，氧化皮主要地为氧化铬(氧化铬；Cr₂O₃)和氧化镍(NiO)。氧化皮有效地钝化元件表面，防止元件表面处的进一步腐蚀和抑制表面下面的腐蚀。尽管提供抗氧化性的优点，这些合金通常比通常含有少于10重量％铬和很少镍(如果有的话)的低合金钢和铁昂贵得多。

熟知氧化铝(氧化铝；Al₂O₃)氧化皮可在许多高温应用中提供超过氧化铬和氧化镍的优良防护。某些镍基超合金例如RenéN5(美国专利第6074602号)含有足够量的铝以促进稳定氧化铝氧化皮的生长。然而，在最初制造过程期间向熔融钢合金中加入铝是困难的，并且通常不实用或者不经济。

作为备选，可使用扩散过程，比如包渗法(pack cementation)、蒸气相(气相)铝化(VPA)或化学气相沉积(CVD)，将铝扩散至元件的表面。这样的扩散过程通常必需使元件表面与含铝蒸气反应以形成在元件表面处的附加层和在附加层下面的扩散区。附加层通常含有耐环境的金属间相MAl(其中M为铁、镍或钴，取决于基底材料)，扩散区通常含有铝与存在于基底中的元素的多种金属间相和亚稳相。尽管有效，扩散铝化物过程在铸造之后需要包括热处理的另外的处理步骤，其对一些应用为不切实际的，并且在所有情况中均招致额外的成本和时间。

鉴于以上，持续希望制造铁基合金铸造产品，其含有相对低水平的合金化成分，然而能够对于用于如燃气涡轮发动机内部元件的情况的高温氧化环境呈现足够的抗氧化性。

发明内容

本发明提供用于制造铸造产品的铸造方法，其中所述方法在铸造产品中形成含铝表面区域，其能够在产品表面上形成抗氧化的含氧化铝的氧化皮。本发明还提供适合于实施所述方法的面涂层和设备，以及通过所述方法制造的铸造产品。

根据本发明的第一方面，铸造方法必需提供具有型腔的铸模和在具有型腔内铸模表面上的连续固体面涂层。固体面涂层含有至少15重量％的含有金属铝和任选的活化剂的粉末。将熔融量的金属合金引入到铸模型腔中，使熔融的合金接触固体面涂层。然后使铸模冷却以使熔融量的合金凝固并形成合金的铸造产品。在铸造过程期间，固体面涂层中的至少一部分金属铝扩散到表面中，以在铸造产品中形成含铝表面区域。如果在固体面涂层中存在，活化剂通过与粉末反应以形成挥发性铝化合物，其然后在熔融合金的表面和/或接触固体面涂层的铸造产品反应以使金属铝注入到表面中，而促进金属铝扩散到表面中。在自铸模去除铸造产品之后，由于铸造产品表面区域的氧化，氧化皮能够在铸造产品表面上生长。由于在铸造过程期间注入到铸造产品表面区域中的铝的氧化，因而氧化皮含有氧化铝。

本发明的另外方面包括用于形成以上所描述固体面涂层的面涂层凝胶，以及通过以上所描述方法制造的铸造产品。氧化铝氧化皮在铸造产品的表面足够连续，并且以足以起抑制铸造产品表面氧化和腐蚀的钝化层作用的量存在。

本发明的又一方面为用于以上所描述铸造方法的固体面涂层，并且特别是利用铸模的铸造设备和铸模的铸模型腔表面上的连续固体面涂层。固体面涂层含有至少15重量％的含有金属铝和任选的活化剂的粉末。铸模的型腔适应于接受熔融量的金属合金，以使熔融合金接触固体面涂层。