[发明专利]用于在熔模铸造中使用的芯的组合物

说明书

本公开通常涉及主要包含莫来石的陶瓷芯，其来源于包含氧化铝颗粒和硅氧烷粘合剂的前体。游离氧化硅存在于所述陶瓷体中，但大部分不与在熔模铸造中使用的金属合金反应。还公开了制造铸造金属制品的方法。

技术领域

本公开通常涉及用于熔模铸造芯的组合物及其制造方法。在一些特定的实施方案中，本公开涉及芯，所述芯包含氧化铝、氧化硅、莫来石和在一些情况下在所述芯的表面上的氧化物。

背景技术

熔模铸造常常利用芯以在铸造金属内产生内部通道。将熔融金属或合金注入含有芯的铸模中。在金属凝固之后，移除芯，留下内部通道。内部通道的构造由芯的特点决定。

通过注射成型及其他常规方法形成的芯可产生简单的中空通道结构。然而，在一些应用中，诸如用于燃气涡轮机的铸造叶片，由于其改善的叶片性能而需要更复杂的通道几何形状，其中空气吹过铸造叶片的中空通道以便冷却。改善的叶片冷却性能可采用减少冷却气流的形式，这允许增加用于燃烧的空气的利用度且因此增加发动机推力。较高的叶片冷却性能允许燃烧器操作温度增加且热力学效率改善，这产生较好的燃料比耗，同时仍然维持涡轮机叶片部件温度在耐用性的可接受范围内。用于涡轮机叶片冷却回路的尤其有用的通道几何形状例如描述在US 5,660,524、US 6,036,441、US 6,168,381、US 6,595,748和US 6,832,889中。对于在涡轮机叶片中的这些代表性冷却回路的商业实施的主要限制在于不能通过常规模制技术将必要的陶瓷芯作为单件式制品产生。对所关注的冷却回路几何形状的检查显示不存在单个分型线，其允许可分离半模的构造能够在不破坏所形成结构的部件的情况下移除模制部件。因此，用以产生这些复杂冷却回路的芯的生产需要精心设计的多步方法，其中几何形状分解成若干可模制部分，其各自拥有分开的模制工具。随后单独模制部分在模制并焙烧之后组装，其中伴随着用于精确熔模铸造的芯产率降低，这归因于在部件之间的配准(registry)损失。由于多个模制工具的资金成本、芯修整和组装所需要的手工作业及由于在多件芯组合件的铸造期间较差的尺寸公差和机械稳定性引起的净铸成率的进一步降低，多件方法也更加昂贵。

产生具有简单通道构造和复杂通道构造两者的芯的一种方法是用在例如US 7,487,819中描述的一次性芯模(DCD)。该芯通过将含有陶瓷颗粒和有机粘合剂的浆料注入一次性芯模中形成。随后将浆料固化且随后焙烧以产生凝固的陶瓷芯。该一次性芯模可在芯焙烧过程之前或期间或之后例如通过化学、热或机械方法移除。

在熔模铸造工业中使用的陶瓷芯材料常常主要由氧化硅(SiO₂)制造。氧化硅由于其低热膨胀系数、高温尺寸稳定性及其自铸件中移除的容易性而成为在熔模铸造中常用的芯材料。通过熔模铸造制造的制品为铸造金属或金属合金。在一些情况下，该金属可与常规的基于氧化硅的陶瓷芯反应。因此，已知使用含有氧化硅的芯材料来铸造反应性金属是成问题的，因为氧化硅可在铸造过程期间与某些金属反应。

将钇加到合金中是改善镍基超合金在涡轮机翼面的工作温度下的抗氧化性的一种方法。然而，钇可在铸造期间与氧化硅反应，引起在合金中的钇消耗并将折损(debit)机械性质的组分引入合金中。在使用氧化硅芯来铸造这些(反应性)镍基超合金方面存在重大限制。

氧化铝和氧化钇材料已经用于铸造，以降低或消除该反应性问题。例如，氧化铝的反应性不如氧化硅。然而，针对加工所需要的较高温度而言，氧化铝比氧化硅材料更难加工。由于相对于氧化硅而言的较高热膨胀系数，这引入了尺寸公差的问题。氧化铝芯由于其较低溶解度和/或浸出率也可需要更极端的浸出条件以便在铸造之后将其移除。这些约束同样适用于通过诸如注射成型的常规方法形成的陶瓷芯以及通过DCD方法形成的那些。