[发明专利]铸造合金中的受控晶粒微观结构

说明书

提供了用于创建铸造部件的方法以及所得到的铸造部件。该方法可提供在所得铸造部件中的受控晶粒结构。该方法可以包括在受控条件下诸如当模具的第一部分埋在陶瓷粉末中时加热至少第一部分模具。

优先信息

本申请要求2018年10月5日提交的美国临时专利申请序列号62/741,794和在2019年3月14日提交的美国临时专利申请序列号62/818,247的优先权，这些公开内容以引用的方式并入到本文中。

技术领域

本公开总体上涉及金属部件以及用于制造这些部件的方法。在一些具体实施例中，本公开涉及铸造金属制品，通常由镍基或钴基超合金形成；以及相关的专门铸造方法。

背景技术

就强度、抗氧化性和/或耐高温性而言，许多金属和金属合金被采用于要求苛刻的应用中。示例包括钛、钒、钼和基于镍、钴或铁的超合金。这种超合金特别适合于高温应用，诸如例如飞机发动机和发电设备的燃气涡轮发动机部件。很通常地，这些部件是通过铸造过程例如熔模铸造制造的。虽然金属铸造已经实践了几千年，但在现代技术已经变得相当复杂，部分原因是铸造零件(诸如喷气发动机叶片)需要高水平的完整性。

金属部件的完整性和整体品质部分由其晶体结构，例如，部件中晶粒的晶粒尺寸和取向决定。期望的晶粒结构继而通常取决于零件的计划操作温度。例如，在燃气涡轮部件由各种超合金形成的情况下，涡轮部段中的涡轮叶片可暴露于极热的温度，并且可具有定向凝固(DS)的柱状晶粒结构或单晶结构，以抵抗高温蠕变失效和其他退化效应。

相反，经受较低操作温度的发动机部件通常受益于非常不同的晶粒结构。例如，燃气涡轮叶轮和盘虽然有自己的一套性能要求，但通常在比热气路径中遇到的温度低得多的温度下操作。在许多情况下，非常希望这些部件具有细等轴晶粒结构。

虽然细等轴晶粒结构通常在小铸件中获得，但是它们在大型复杂零件诸如燃气涡轮翼型件和结构部件中相对难以生产。熔模铸造技术通常生产具有柱状和等轴晶粒混合物的铸造部件。对于具有厚部段(例如，厚度超过约10mm的部段)的大部件常常是这种情况。如果部件具有复杂的几何形状，且部段厚度变化很大，则获得期望需的细晶粒结构会特别困难。

不均匀的晶粒形态和晶粒尺寸会导致铸造部件的品质和性能出现问题。在许多情况下(尽管不是全部)，在给定的操作温度下，大的晶粒尺寸会导致低的强度。此外，柱状晶粒结构虽然对于在特定温度状况下操作的部件是理想的，但是对于上面提及低温部件可能是有害的。柱状晶粒形态的特征是连续的粒间边界，沿此边界有时会出现裂纹和“热撕裂”。此外，当在使用过程中横向于应力方向定向时，柱状晶粒边界会变弱，这继而会导致部件过早失效。

备选地，某些部件可以以在使用中将铸造部件的不同部段暴露于不同使用环境的方式使用。在这种部件中，可能希望部件的不同部段具有不同的晶粒性质。目前难以在单个过程中生产具有多种材料结构的部件。在许多情况下，具有不同结构的单独零件被联结在一起以产生结构。

考虑到这些一般因素，铸造高性能合金的新方法将在本领域受到欢迎。该技术应该特别适合于制造需要受控微观结构的部件，诸如在部件的不同部段中的细等轴晶粒结构或多类型晶粒结构。此外，新的发展也应该适合于铸造具有复杂几何形状的相对较大的部件。此外，该技术不应要求对当前的铸造操作进行会导致制造成本显著增加的显著改变。

发明内容

方面和优点将在下面的描述中部分阐述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过本发明的实践来了解。

大体上提供用于由具有固相线温度和液相线温度金属材料创建铸造合金部件的方法。在一个实施例中，该方法包括：将模具的至少第一部分埋在陶瓷材料粉末中；加热陶瓷材料粉末内的模具；此后，在第一部分埋在陶瓷材料粉末中的同时，将熔融金属材料浇注到模具中；并且此后，在第一部分埋在陶瓷材料粉末内的同时，允许熔融金属材料在模具内形成铸造合金部件。