[发明专利]用于铸塑钛和铝化钛合金的模具和表面涂层组合物以及方法

说明书

背景技术

对于可靠性、重量、功率、经济和操作使用寿命而言，现代燃气轮机或燃气涡轮必须满足最高要求。在开发这样的涡轮中，除了别的以外，材料选择、对新的合适的材料的搜寻以及对新的生产方法的搜寻在满足标准和满足该要求中起到重要的作用。

用于燃气轮机的材料可包括钛合金、镍合金(也称为超合金)和高强度钢。对于飞机发动机，钛合金通常用于压缩机零件，镍合金适用于飞机发动机的热零件，而高强度钢例如用于压缩机壳体和涡轮壳体。高度载荷或受应力的燃气轮机部件，例如用于压缩机的部件，例如通常为锻造的零件。另一方面，用于涡轮的部件，通常体现为熔模铸造零件。

虽然熔模铸造不是新的工艺，但是随着更加错综复杂零件的要求提高，熔模铸造市场持续增长。由于对高品质精密铸件的高要求，持续需要开发新的方式来更加快、有效、廉价地制备具有更高品质的熔模铸件。

用于铸塑珠宝和牙齿假体行业的由熔融二氧化硅、方石英、石膏等组成的常规的熔模铸造模具化合物(investment mold compound)通常不适于铸塑反应性合金，例如钛合金。一个原因是因为在模塑钛和熔模铸造模具之间存在反应。

需要一种与钛和铝化钛合金不显著反应的简单的熔模铸造模具。以前已采取使用陶瓷外壳模具用于钛合金铸件的方法。在先前实例中，为了降低常规的熔模铸造模具化合物的限制，已开发若干另外的模具材料。例如，开发了氧化膨胀类型的熔模铸造化合物，其中氧化镁或氧化锆用作主要成分，并且将金属锆加入到主要组成中，以补偿由于铸塑金属的凝固引起的收缩。因此，还需要简单和可靠的熔模铸造方法，其允许从不与金属或金属合金显著反应的熔模铸造模具容易提取近净形状(near-net-shape)金属或金属合金。

发明概述

本公开的多方面提供克服常规技术的限制的铸塑模具组合物、铸塑方法和铸塑制品。虽然本公开的一些方面可涉及制造航天行业的部件，例如，发动机涡轮叶片，但是本公开的多方面可用于在任何行业中制造任何部件，特别是，含钛和/或钛合金的那些部件。

本公开的一方面为一种用于铸塑含钛制品的模具，所述模具包含：包含单铝酸钙、二铝酸钙和钙铝石的铝酸钙水泥，其中在模具的主体和模具腔之间，所述模具具有约10微米-约250微米的内在表面涂层。在一个实施方案中，表面涂层为连续的内在表面涂层。在一个实施方案中，所述模具还包含二氧化硅，例如，胶态二氧化硅。

在一个实例中，模具包含模具的主体和内在表面涂层，其中模具的主体和内在表面涂层具有不同的组成，并且内在表面涂层包含粒度小于约50微米的铝酸钙。在另一个实施方案中，模具包含模具的主体和内在表面涂层，其中模具的主体和内在表面涂层具有不同的组成，并且其中所述模具的主体包含大于约50微米的氧化铝颗粒。在另一个实例中，模具包含模具的主体和内在表面涂层，其中所述模具的主体包含大于约50微米的氧化铝颗粒，并且所述内在表面涂层包含尺寸小于约50微米的铝酸钙颗粒。

在某些实施方案中，比起模具的主体，内在表面涂层中单铝酸钙的重量分数多至少20％。在一个实施方案中，比起模具的主体，内在表面涂层中氧化铝的重量分数少至少20％。在另一个实施方案中，比起模具的主体，内在表面涂层中铝酸钙的重量分数多至少20％，氧化铝的重量分数少至少20％，并且钙铝石的重量分数少至少50％。

在一个实例中，在内在表面涂层中单铝酸钙的重量分数多于0.60，并且钙铝石的重量分数小于0.10。在一个实施方案中，在模具的主体中单铝酸钙的重量分数为约0.05-0.95，而在内在表面涂层中单铝酸钙的重量分数为约0.10-0.90。在另一个实施方案中，在模具的主体中二铝酸钙的重量分数为约0.05-约0.80，而在内在表面涂层中二铝酸钙的重量分数为约0.05-0.90。在又一个实施方案中，在模具组合物的主体中钙铝石的重量分数为约0.01-约0.30，而在内在表面涂层中钙铝石的重量分数为约0.001-0.05。在一个具体的实施方案中，在模具的主体中单铝酸钙的重量分数为约0.05-0.95，而在内在表面涂层中单铝酸钙的重量分数为约0.1-0.90；在模具的主体中二铝酸钙的重量分数为约0.05-约0.80，而在内在表面涂层中二铝酸钙的重量分数为约0.05-0.90；并且其中在模具组合物的主体中钙铝石的重量分数为约0.01-约0.30，而在内在表面涂层中钙铝石的重量分数为约0.001-0.05。