[发明专利]用于压铸高熔点材料的装置

说明书

本发明一般涉及压铸，更具体地说涉及一种压铸高熔点如超过2000°F(1093℃)的材料的装置。

高熔点材料，如镍基超耐热合金和钛基合金普遍应用于各种行业。通常，词语“超耐热合金”是指在高温如900°F及以上温度下具有高强度的材料。这样的典型材料是镍基合金、钴基合金和/或铁基合金。钛合金在要求重量轻和高度强-重量比的应用中采用。这些合金具有良好的耐腐蚀性及在达到如1000°F(538℃)的中等温度下保持良好的强度。

例如在燃气轮机中，一般在涡轮部分采用高熔点材料如镍基和钴基超耐热材料，有时在发动机的压缩机部分的后部，包括但不限于螺旋桨例如桨片和叶片，以及静止的和结构部件如塞环、壳体和密封圈也采用高熔点材料。这些材料的熔点一般超过2500°F(1371℃)。一种普遍应用于燃气轮机的镍基超耐热合金是因科镍合金718(IN718)，其主要成分重量百分比为：碳(C)0.01-0.05、铬(Cr)13-25、钼(Mo)2.5-3.5、钶(Cb)(也指铌(Nb)+钽(Ta)为5.0-5.75、钛(Ti)0.7-1.2、铝(Al)0.3-0.9、铁(Fe)约21、其余基本上是镍(Ni)。IN718的熔点为2450°F(1343℃)。

一般也在发动机的冷却器部分如压缩机部分采用钛合金，包括但不限于螺旋桨如桨片和叶片，以及在静止的和结构部件如中部、压缩机壳体和压缩机隔板上采用钛合金。一般钛合金的熔点超过3000°F(1649℃)。一种广泛应用于燃气轮机上的钛合金是Ti6Al-4V(“Ti6-4”)，其成分为：4-8w/o(重量百分比)的铝、3-5w/o的钒，其余为钛。对于较高温度的应用，如果需要改进其高温蠕变性能，可以使用Ti6Al-2Sn-4Zr-2Mo(“Ti6-2-4-2”)，其成分为：5-7w/o(重量百分比)的铝、1.5-2.5w/o的锡(tin)、3.0-5.0w/o的锆、1.5-2.5w/o的钼，其余一般为钛。其它钛合金包括Ti8-1-1和铝化钛。Ti8-1-1的成分为：7-8.5w/o的铝、0.5-1.5w/o的钼和0.5-1.5w/o的钒，其余一般为钛。通常，铝化钛主要是按化学分子式计算的钛和铝量组成的，如TiAl和TiAl3。除了上述性能外，这些材料应该至少能够形成相对复杂、三维形状如螺旋桨，并且特别在中等温度下应该抗氧化。

在燃气轮机行业，用锻造来生产具有复杂三维形状的部件如桨片和叶片。

简要来说，为了锻造像螺旋桨这样的部件，将材料锭坯变成坯段形状，对于桨片和叶片来说一般是圆柱形，为了使材料塑性变形成为所要求的部件形状，然后进行热加工处理，如在模具和/或锻锤之间加热和冲压几次，逐渐形成类似于所要求的形状。一般锻压模具可以加热。每个部件通常进行热处理以得到所要求的性能，如硬度/强度、消除应力、阻止裂纹伸展和特定水平的HCF抗力，如需要提供精密形状、几何尺寸和/或表面性能的部件的话，也可进行精加工，如机加工、化学研磨和/或介质抛光。

通过锻造方法生产部件是一种昂贵、费时的工艺，因而它一般仅保证要求有特别平衡性能的部件，如在室温和中温两种情况下的高强度、低重量和耐久性。至于得到锻造材料，某些材料要求长的交货时间。一般锻造包括一系列操作，每个操作要求单独的模具和相关的设备。锻后进行精整操作如机加工桨片的根部和进行适当的表面处理，构成生产锻件总成本的重要部分，包括必须丢弃锻件的重要部分。

在锻造锻件期间，许多原料(达85％，这取决于锻造尺寸)被去掉，没有成为最终锻件的一部分，即，加工损耗。生产的锻件形状的复杂性仅仅增加了工作量和所要求制造的部件的费用，这对于具有特别复杂形状的燃气轮机部件正是需要考虑的问题。一些合金也具有弹性。锻造期间的特性在锻造期间应该计算进去，也就是说，锻件应该进行“过度锻造”(“overforged”)。如上所述，最终锻件可能仍然需要大量的锻后处理。此外，如果应用计算机软件来进行计算流体动力分析，产生更具空气动力效力的螺旋桨形状，这样的螺旋桨和部件甚至具有更复杂的三维形状。将钛合金精密地锻造成这些先进的更复杂的形状是很困难或不可能的，复杂形状还增加部件的成本或使得部件昂贵，在使用发动机的某些先进技术方面是不经济的，或者对一些部件形状采用特殊合金。

锻件可能含有难于检查的锻造缺陷。而且，也应考虑精确再现性-锻造不能使锻件与锻件之间的尺寸精确相同。在检查后，许多锻件还必须重新加工。通常，锻件必须报废或约20％的时间重新加工。此外，较新的、较先进的或高合金材料将增加锻造的困难(如果不是不可能的话)，并且相应地增加锻造费用。这些将仅涉及到采用较复杂的三维螺旋桨的几何形状。