CN104139175B - 用于bridgman熔模铸造过程中的晶粒启动机的复合材料几何设计 - Google Patents

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Abstract

用于BRIDGMAN熔模铸造过程中的晶粒启动机的复合材料几何设计。本发明提供了一种用于熔融金属材料的凝固以形成具有定向晶粒结构的制品的晶粒启动机，以及一种用于凝固具有定向晶粒结构的制品而基本上不存在杂散晶粒的方法。所述晶粒启动机包括晶粒起始材料，所述晶粒起始材料引发熔融金属材料中在预选结晶学方向上的晶粒生长。所述晶粒起始材料具有比形成所述制品的金属材料更高的熔融温度，以免通过与熔融材料接触而改变所述晶粒启动机。所述晶粒启动机还包括下述特征，所述特征改变与其接触的金属材料的热传递特性以制备具有在预选结晶学取向上取向的晶粒的制品，并改变前进的凝固前沿的轮廓。所述制品基本上不含未在预选结晶学方向上取向的杂散晶粒。

Description

用于BRIDGMAN熔模铸造过程中的晶粒启动机的复合材料几何 设计
技术领域
本发明通常涉及用于熔模铸造的Bridgman方法，更具体地涉及用于控制前进的凝固界面的冷却速率的晶粒启动机(grain starter)。
背景技术
Bridgman方法用于通过熔模铸造而制备制品，如涡轮机叶片。使用Bridgman熔模铸造过程制得的制品的特征在于定向凝固的单粒结构或定向凝固的柱状晶粒。具有这种定向凝固的晶粒结构的制品特别适于其中制品所经受的主应力平行于定向凝固晶粒结构的用途。
熔模铸造涉及使用蜡模复制待铸造的制品。可将蜡注入金属或塑料模具中，所述金属或塑料模具具有制品形状的腔体。蜡模也复制浇注/冒口/浇道***，所述浇注/冒口/浇道***用于进料熔融金属以形成制品。然后围绕蜡模构建陶瓷外壳。可通过将蜡模多次浸入一种或多种陶瓷浆料而构建外壳。所述一种或多种陶瓷浆料包含粘结剂/添加剂以协助将浆料固定至蜡模。当然，首先施用的陶瓷层或表面涂层是关键的，因为其在铸造时决定制品的表面光洁度。氧化铝/锆石陶瓷粒子通常用于形成表面层，以提供改进的表面光洁度。
将蜡模多次浸入陶瓷层中，例如直至12层，且在施用另外的陶瓷浆料之前，使陶瓷干燥。随着与表面涂层的距离增加，可在随后施用的层中使用具有不同组成的更大的陶瓷粒子，例如二氧化硅。
在已完成熔模或外壳构建之后，随后在高温下的高压釜中将组件脱蜡，以从陶瓷外壳去除蜡。接着，预热模具以燃尽任何粘结剂，同时模具的陶瓷壁产生足够的强度以承受浇铸操作。接着检查外壳模具的裂纹和可能已分离的碎片，因为这种剥落的外壳碎片可在浇铸制品中导致缺陷。
可将陶瓷包裹垫施用于预定位置，以改进金属的进料。然后预热模具，通常比将被浇注以填充模具的金属或合金的浇注温度低50-150°F。可随后将金属或合金浇注至模具中，当金属或合金冷却时，其形成制品。在凝固完成之后，可随后去除陶瓷模具。
Bridgman过程使用上述熔模铸造过程。将经预热的陶瓷模具转移至浇铸机的模具室，并固定至冷硬板。在抽真空之后，将模具升高至热室中，所述热室由感应线圈、电阻丝或MoSi2棒电加热。在Bridgman过程中，将形成制品的金属或合金在惰性陶瓷坩埚(更常见地，氧化锆或氧化铝坩埚)中熔融。涡轮机叶片由例如镍基(Ni基)高温合金形成。这些Ni基高温合金在坩埚中过热至在合金的熔融温度以上200-300°F的温度。当熔融温度稳定时，将熔融金属浇注至模具腔体中。随后将填充有熔融合金的模具和支撑所述模具的设置于热室下方的冷硬板从保持在金属熔点以上的热室中缓慢取出。随着填充有熔融金属或合金的模具从热室取出进入冷室，热通过冷硬板从模具中排放，从而产生起始于冷硬板的在模具中的金属晶体的定向生长，且定向凝固前进至熔融金属。热也通过从模具表面辐射而散发，使得接近模具的熔融金属比在冷硬板上方给定模具高度处的模具表面内的熔融金属更快冷凝。从加热炉室中取出模具的速率取决于制品的具体特征，但通常为数英寸/小时，并可根据凝固中的制品的几何结构而变化。在凝固完成之后，可去除外壳和可能已***模具中的任何芯体。
Bridgman方法成功制得具有薄壁的具有基本上规则的横截面的定向凝固的单晶制品。规则横截面包括其中以几乎均匀的方式从前进凝固前沿排放热，从而制得具有单晶或定向凝固的柱状晶粒的制品的所有横截面。然而，在具有横截面的显著增加的制品中，必须去除的热量突然增加，这减慢了凝固界面的前进，从而导致界面远离模具侧面至更进一步落后于邻近模具的熔融界面。
伴随制品横截面的突然增加的热流的改变可导致前进的凝固前沿前方的熔融金属区域的过冷。熔融金属的过冷可使杂散晶粒成核，所述杂散晶粒在与所需定向凝固的晶粒的方向不同的方向上生长。这些杂散晶粒通常形成大角度晶界，所述大角度晶界基本上垂直于所需柱状晶粒，以及基本上垂直于制品在用于其预期用途(如安装于涡轮机中的涡轮机叶片)时所经受的主应力。已证实与这些杂散晶粒相关的晶界为裂纹引发的来源，从而不利地影响蠕变寿命/疲劳寿命，并导致定向凝固的制品在其中制品的蠕变/疲劳性质重要的环境中过早疲劳。
需要一种创新性的晶粒启动机设计，其改变前进的凝固前沿，从而显著降低或消除使杂散晶粒成核的可能性，由此抑制杂散晶粒的形成以及与这种晶粒相关的不利的大角度晶界。
发明内容
本发明涵盖一种晶粒启动机，其用于熔融金属材料的凝固，从而形成具有定向晶粒结构的制品。所述制品的特征还可在于具有其轮廓的改变。所述晶粒启动机通过包括至少一种几何特征而引发在熔融金属材料中在预选结晶学方向上的晶粒生长，以制得具有在预选结晶学方向上取向的晶粒的制品，所述至少一种几何特征改变与其接触的金属材料的热传递特性。制得的制品基本上不含杂散晶粒，所述杂散晶粒不在所述预选结晶学方向上取向，特别是在制品轮廓变化处。用于改变并获得所需热传递特性的所述至少一种几何特征仅为晶粒启动机的特征，而非制品或模具的特征。可通过在模具中的制品凝固之后从制品上分离晶粒启动机而去除用于改变体系的热传递特性的结构和至少一种几何特征。
本发明还包括一种用于形成具有定向凝固的晶粒的制品的方法。尽管所述制品具有在预选结晶学方向上凝固的晶粒，但所述制品基本上不含杂散晶粒。用于形成制品的方法包括提供模具和提供晶粒启动机的步骤，所述晶粒启动机包括用于从晶粒启动机传走热的装置。所述晶粒启动机附接至模具。将熔融金属供应至模具，提供热源以将模具中的熔融金属保持在发生凝固的预选温度范围内。将填充有熔融金属的模具从热源通过陶瓷挡板缓慢取出并进入与热源相邻的冷区。晶粒启动机引发在预选结晶学方向上的成核和晶粒生长，当在将模具从热区取出进入冷区中时通过模具以及通过前进的凝固区域而从熔融金属中去除热时，所述成核和晶粒生长在熔融金属内形成前进的凝固前沿。利用Bridgman过程的Bridgman炉(如上所述)为定向凝固这种制品的一种方式，尽管其他方法也可为合适的。尽管本发明的方法可使用标准Bridgman炉，但不同于标准Bridgman过程，本发明进而提供了用于从晶粒启动机传走热的装置，由于排热路径被改变，所述装置改变了如可在标准Bridgman过程中所发生的那样的模具内熔融金属的前进的凝固前沿的轮廓。当通过晶粒启动机和用于从晶粒启动机传走热的装置排放热时，含熔融金属的模具则继续被从热源缓慢取出。所形成的晶粒在由晶粒启动机确定的预选结晶学方向上前进至熔融金属中。所述固化过程的特征在于，在前进的凝固前沿的前方的熔融金属中基本上不存在杂散晶粒的成核和生长。所述过程继续，直至模具中的熔融金属完全凝固，结构包括制品和可随后移除的附接的晶粒启动机。
本发明包括一种使用所述修改的凝固方法通过晶粒启动机而形成的结构。结构包括晶粒启动机和附接至所述晶粒启动机的制品。所述晶粒启动机包括晶粒启动材料，而所述制品特征在于定向凝固的晶粒，所述晶粒在预选结晶学方向上排列。所述制品的特征还在于基本上不存在以相对于所述预选结晶学方向成角度取向的杂散晶粒。提供了一种用于从所述晶粒启动机传走热的装置。所述用于从晶粒启动机传走热的装置改变了来自晶粒启动机的热流。所述从晶粒启动机传走热的装置为晶粒启动机的几何特征，且不是需要从制品上去除的制品的特征。
根据与以举例的方式说明本发明的原理的附图结合的如下优选实施例的更详细的描述，本发明的其他特征和优点将显而易见。
附图说明
图1显示了现有技术的晶粒启动机的凝固前沿。
图2显示了预计的晶粒结构，其源自由现有技术的晶粒启动机所形成的图1的凝固前沿。
图3显示了在临界Z切口(critical Z-notch)位置处使用现有技术的晶粒启动机所形成的浇铸涡轮机叶片尖端护罩晶粒结构(经蚀刻的)。
图4为经过退出服务的浇铸涡轮机叶片尖端的在临界Z切口处的截面，其显示了在临界Z切口处引发，并沿着晶界与蠕变空隙的连接一起扩展的晶界裂纹。
图5显示了根据本发明的晶粒启动机设计。
图6显示了本发明的晶粒启动机的凝固前沿。
图7显示了在临界Z切口区域处使用图5的晶粒启动机所形成的涡轮机叶片的预计晶粒结构。
图8为垂直Bridgman方法的通用表示，其显示了从保持于Bridgman炉的炉部分中的熔融金属中部分取出的制品。
具体实施方式
本发明使用晶粒启动机以引发制品(如涡轮机叶片、护罩或喷嘴)的凝固，当熔模铸造使用诸如Bridgman方法的过程时，所述制品具有定向凝固(DS)晶粒或单晶(SC)。除了引发凝固之外，所述晶粒启动机还改变排热途径，以消除在凝固前沿前进至熔融金属中时轮廓突然变化处的杂散晶粒。热流路径的改变消除了在前进的凝固前沿前方的熔融金属的过冷，由此去除了杂散晶粒成核的驱动力，所述杂散晶粒可以以显著偏离预选结晶学方向(如镍基高温合金浇铸中的<001>方向)的角度生长。使用本发明的晶粒启动机形成的制品基本上不含杂散晶粒。如本说明书所用，杂散晶粒意指在制品凝固时在制品的较大截面的边缘和拐角处成核(如可在轮廓改变处发生)，并且可以以显著偏离预选结晶学方向的角度生长的晶粒。“基本上不含杂散晶粒”意指不存在破坏柱状晶粒或单晶的生长同时产生充当制品中的缺陷起源部位的晶界的杂散粒子。如本说明书所用，附接至模具包括附接至模具底部或者在凝固从模具底部发生时“原位”形成的晶粒启动机。如本说明书所用，预选结晶学方向也包括由于从前进的凝固前沿传走热而产生的自然选择的结晶学方向。
图1表示来自现有技术的晶粒启动机12的典型的凝固前沿。在图1中，示意图不包括通常将金属围绕于模具腔体中的陶瓷模具，所述金属由区域14、位于晶粒启动机12上方的暗区域表示，在其中应为涡轮机叶片的机翼区域。在晶粒启动机12和熔融金属区域14之间为前进的凝固前沿16。在图1中，当凝固前沿16前进至叶片的机翼部分22中的熔融金属区域14中时，前进的凝固前沿16相对于晶粒启动机12具有凹型轮廓。
图8显示了典型的Bridgman炉设置，其中通用晶粒启动机6从炉中缓慢取出。通用制品9从炉中的熔融金属8中取出。热通过如下方式从制品9和前进的凝固前沿(未显示)导出：通过传导而将热垂直向下传导至冷硬板7，并通过辐射而将热通过模具表面和晶粒启动机的侧面横向传导。来自前进的界面的所得热流的方向为由围绕制品9的空气而产生的箭头所表示的方向。这导致在与熔融金属的界面(即前进的凝固界面)处制品如下的温度分布：所述温度分布在冷区中的制品/模具界面处为最低，且在制品的中心处为最高。
再次参照图1，晶粒启动机12具有所示形状。如图8中那样，前进界面的温度分布在冷段中的制品/模具界面处具有最低温度，并在中心处具有最高温度。因此，在前进的凝固前沿16前进至模具中的熔融金属14中的时间过程中，当模具被取出至炉的冷区时，前进的凝固前沿16具有相对于晶粒启动机12的凹形形状。
在叶片尖端护罩20与叶片24的机翼部分22之间的界面处，横截面的显著改变进一步加重了在前进的凝固前沿16上的排热。叶片尖端护罩的边缘可比在前进的凝固前沿前方的熔融金属明显更冷，使得前进的凝固前沿和相关的等温线变得甚至更凹形。作为结果，具有增加的质量的远侧拐角(如图1中的尖端护罩20)可过冷，从而可能发生晶粒的多相成核，且这种晶核可快速向内生长而妨碍从下方生长的柱状晶粒。来自这样的一种或多种杂散晶粒的所得晶界基本上垂直于叶片机翼长度的方向。此外，在更大部段(如叶片尖端护罩20)处的多个成核活动可形成更大角度的晶界。Z切口中的轮廓的改变进一步有助于在轮廓处局部排热，从而由于在轮廓改变处的另外的排热而产生另外的显著温差，并进一步增加了杂散晶粒成核和生长的可能性。
图2显示了预计的晶粒结构，其源自由现有技术的晶粒启动机12所形成的图1的凝固前沿。可以看出，在远离边缘的晶粒启动机12处形成的定向晶粒30中的大多数继续进入叶片24的机翼部分22中。然而，在叶片尖端护罩20的Z切口26中形成杂散晶粒，由于在该更冷区域中晶粒的多相成核，所述杂散晶粒偏离定向凝固(DS)晶粒的<001>方向。
杂散晶粒的形成在图3中更明显，图3显示了使用现有技术的晶粒启动机12在接近叶片尖端护罩20处和Z切口26区域(经蚀刻的)处形成的浇铸涡轮机叶片晶粒结构。至少一个杂散晶粒32的形成已生长至明显的尺寸。由于该区域在涡轮机操作过程中经受高离心力和高温，在Z切口26区域中形成的杂散晶粒32(如图3所示)为有害的并且为叶片24的弱区。DS晶粒在经受最高应力的方向上形成，这是由于DS晶粒能够处理在正常涡轮机操作过程中所经受的这些高应力。然而，以相对于DS晶粒成角度形成的杂散晶粒承受这些应力的能力较低。作为结果，破坏往往在Z切口处引发(如图4所示)，其为经过退出服务的实际浇铸涡轮机叶片尖端的截面。如可从图4中看出，晶界裂纹34在临界Z切口区域中引发，并通过沿着大角度晶界形成的蠕变空隙的连接而扩展至叶片24中。这些裂纹的引发以及借助蠕变空隙的连接的裂纹的扩展(从而导致过早裂化)为涡轮机叶片中的主要损坏模式。
由于杂散晶粒的生长而导致的大角度晶界也增加了涡轮机叶片24的后浇铸加工的难度，这可导致叶片的Z切口区域中的破裂以及随后的叶片报废。
本发明提供了一种用于晶粒启动机的新设计，以去除有益于杂散晶粒的形成的条件。现在参照图5，显示了根据本发明的晶粒启动机113。晶粒启动机113包括至少一个几何特征，所述至少一个几何特征附接至晶粒启动机113或与晶粒启动机113一体。在一个优选实施例中，所述几何特征为附接至晶粒启动机113的多个翅片129。图5还显示了晶粒启动机113的另一几何特征。在该图中，晶粒启动机113具有如下几何形状：所述几何形状在晶粒启动机/制品界面135处的横截面积大于在其底部137处的与晶粒启动机/制品界面相对的横截面积。晶粒启动机的形状由将晶粒启动机/制品界面连接至相对的横截面界面的弓形过渡限定。在图5中，该形状提供了作为梯形基座133的实施例，尽管如上所述的形状并不限于此。梯形基座133具有与晶粒启动机/制品界面135处的制品相同的横截面形状，但具有窄基底137和成角度的部段139，所述成角度的部段139在窄基底137和晶粒启动机/制品界面135之间并连接这些特征。相比于现有技术的晶粒启动机12上存在的基底，基底137为“窄”的。梯形基座133凭借其形状而改变从凝固制品排热，从而允许沿着其边缘更少排热，同时更多的热通过冷硬板(未显示)传导通过基底137。相比于之前的晶粒启动机，梯形基座133的形状提供了不同的排热轮廓。可进一步了解，几何特征(如翅片129)的形状、尺寸、数量和位置和梯形基座133的形状将取决于实际部件的几何形状而变化，只要这些几何特征改变通过晶粒启动机的热传递，使得在前进的凝固前沿16前方的温度不有益于杂散晶粒的成核。对于如图所示的涡轮机叶片，“窄”基底137可具有约1英寸的高度，从而充当用于消除大多数偏离所需取向的晶粒的主要障碍，其确保了进入梯形基座133中的晶粒具有极接近于<001>结晶学方向的取向。
在晶粒启动机/制品界面下方的梯形基座133的形状对于排热是关键的。由于与梯形表面接触的陶瓷模具材料具有比固体金属小得多的热导率，因此相比于现有技术的晶粒启动机12的简单矩形形状，梯形基座设计显著改变了从梯形基座的中间成角度的部段139下方至冷硬板的轴向热流。更重要地，梯形的横截面的逐渐改变自然使得晶粒在由倾斜表面突出的区域上方生长。一旦凝固界面从基底139前进至中间成角度的部段139，在拐角处成核的晶粒可横向伸展它们的侧臂，以占据梯形的逐渐扩大的横向空间。横向伸展生长的该自然作用确保了在楔形突出区域中(例如，在接近于叶片尖端护罩20的Z切口区域的区域中)存在单粒。
梯形基座133的实际设计使得其接触熔模铸造模具中的熔融金属，因此其形状取决于浇铸制品的局部几何形状。基底137通过中间成角度的部段139连接至晶粒启动机/制品界面135。中间成角度的部段139的角度()与横向尺寸ΔX、梯形基座133的高度(H)密切相关，同样可能与制造过程相关。据建议，对于如图所示的涡轮机叶片24，梯形基座的高度应该为1～2”。根据所有参考信息，基底137的最大长度应该比梯形的上基底小～2ΔX。
晶粒启动机可为预加工的或原位生长的。在任一形式中，晶粒启动机在熔融金属材料中引发预选结晶学方向上的成核/晶粒生长。当晶粒启动机为预加工的时，将其预加工为使得晶粒的成核和生长在预选结晶学方向或取向上，如镍基高温合金的<001>方向。选择晶粒启动机材料，使得其具有比包含制品的金属材料的熔融温度略高的熔融温度，以免晶粒启动机通过与起始材料接触而改变。晶粒启动机也可作为原位生长的晶粒启动机提供，所述原位生长的晶粒启动机用于引发极接近于预选结晶学方向的晶粒生长。当完成凝固时，制品的特征在于定向凝固的柱状晶粒。定向凝固的晶粒自然在预选结晶学方向上排列。制品的特征还在于基本上不存在以相对于所述预选结晶学方向成角度取向的杂散晶粒。
在一个优选实施例中，由附接至晶粒启动机113的多个翅片129所表示的几何特征是用于控制热流的非常重要的特征。该几何特征附接至晶粒启动机113以改进接近叶片24中间的热传递。所述翅片提高通过晶粒启动机113的边缘之间的中点的热传递，同时由于梯形基座133的形状而减少接近边缘的热传递，从而在前进的凝固前沿16前方的熔融金属中提供更均匀的温度分布。具有翅片129的梯形基座133可改变凝固界面形状，使得凝固界面形状为凸状，如图6所示。翅片129或多个翅片129可附接至晶粒启动机113，或者翅片129或多个翅片129可作为晶粒启动机113的部分一体形成。无论几何特征相对于晶粒启动机的设置如何，该几何特征的功能都是改变热流通过晶粒启动机113的路径，所述几何特征改进了接近其所处位置的热传递，同时也改变了在凝固过程中熔融金属中的前进的凝固前沿。
对于图5的叶片125，多个翅片129(在图5中两个翅片129)对称附接至晶粒启动机113的中间，在此处前进的凝固前沿在不包括这种几何特征时确定为最滞后。可分析确定前进的凝固前沿16在哪里滞后，如通过使用计算机程序、通过实际温度测量或经验地通过观察浇铸制品上的晶粒图案。翅片129与图6的冷硬板11和晶粒启动机113热传递接触，以改进从前进的凝固前沿16的热的传出，此处在不存在诸如翅片129的几何特征的情况下前进的凝固前沿16为滞后的。在一个优选实施例中，对称应用翅片129，以避免前进的凝固前沿16的任何倾斜或不利的再取向。
翅片129优选不长于晶粒启动机113的全高度，从而不需要额外的后浇铸材料去除。优选地，翅片厚度应该不超过梯形基座133的局部厚度的60％，且翅片长度应该为翅片厚度的至少两倍，其中翅片高度指在基本上垂直于冷硬板11的基本上垂直方向上延伸的翅片的尺寸，翅片长度指远离梯形基座133延伸的翅片的尺寸，翅片厚度指沿着其高度的翅片的宽度，在沿着其高度的任意点处的厚度平行于冷硬板11。这种翅片设计可至少将冷却提高到至少4.0倍。优选地，选择翅片尺寸(高度、长度和宽度)用于特定的浇铸/晶粒启动机设计，以提供至少10.0倍的局部传递提高。
现在参照图6，示出了在本发明的晶粒启动机113上方的计算的前进的凝固前沿116。晶粒启动机113包括一对翅片129，且晶粒启动机附接至冷硬板11。随着凝固进行，前进的凝固前沿116移动至熔融金属14中。前进的凝固前沿116与图1的前进的凝固前沿16的比较表明，图6的前进的凝固前沿116相比于图1所示的前进的凝固前沿16具有明显不同的轮廓。当模具被取出至炉的冷区中时，凝固前沿116的轮廓相对于晶粒启动机113为凸状的，这与图1的凝固前沿16相反(当模具被取出至炉的冷区中时，图1的凝固前沿16相对于现有技术的晶粒启动机12为凹状的)。这归因于晶粒启动机113中的翅片129以及基座133的梯形形状。翅片129为散热器，所述散热器允许将热从前进的凝固前沿116传递至翅片129中，在所述翅片129中可通过传导而更有效地排热。由于前进的凝固前沿的轮廓改变，且朝向叶片125的中心的凝固前沿在沿着叶片125的边缘131的凝固前沿的前方，因此不存在杂散晶粒沿着边缘和在拐角处(如z切口)成核的驱动力，从而使得柱状晶粒继续定向生长至尖端护罩20的边缘和拐角。即使当凝固前沿前进通过Z切口26时，该热传递机制连同定向生长一起也得以保持。这是重要的，因为更多的金属质量存在于叶片尖端护罩区域20中，这意味着更多的熔融金属需要排热路径，所述排热路径由翅片129提供。
当前进的凝固前沿116进一步移动至机翼部分22中时，翅片对前进的凝固前沿116的影响降低，且其形状可改变。这是因为多个理由。在叶片125的机翼部分22中，由于机翼部分更薄，因此叶片125的横截面减小。薄的横截面具有更少的金属质量和当模具移动至冷区中时更大的暴露于炉的冷区的面积。另外，当前进的凝固区进一步远离叶片尖端护罩20和翅片129时，通过翅片129的排热变得效率更低，因为现在热传递优先从机翼部分22的大表面区域至周围的冷区极快速地发生，且当前进的凝固前沿116快速移动至机翼部分22中时，晶粒易于定向生长至该区域中。
图7显示了使用图5的晶粒启动机113形成的包括尖端护罩20的临界Z切口区域26的涡轮机叶片125的预计晶粒结构。在图中，几乎均匀的暗灰色表示结晶学生长基本上在预选方向上发生。由于前进的凝固前沿116在前进通过Z切口区域26时保持凸状形状，因此基本上消除了杂散晶粒成核和朝向边缘131生长的的可能性。在不存在妨碍前进的凝固前沿116的前进的杂散晶粒的情况下，在前进的凝固前沿116后方形成的由晶粒启动机113引发的定向晶粒在引发它们的方向上(在该实例中在<001>方向上)继续前进至熔融金属中。重要地，在临界Z切口区域中，存在单个柱状晶粒。据信在该Z切口区域中柱状晶粒的存在是由于梯形基座133的形状的作用，所述形状有利于在该区域中仅生长单个柱状晶粒。这消除了在该位置处杂散晶粒的成核和生长，在该位置处杂散晶粒的成核和生长为导致破坏的叶片中的裂纹的来源。
本发明的晶粒启动机113包括用于在前进的凝固前沿前进至熔融金属中时控制来自前进的凝固前沿的热流的装置。控制热流防止了以偏离由晶粒启动机113引发的预选方向的角度取向的杂散晶粒的成核。在如上提供的实例中，在图1-7中所示的涡轮机叶片中该优选方向为<001>方向，然而可根据需要通过具有预选取向的晶粒启动机113改变所述方向，使得晶粒例如在<111>方向上或在<110>方向上引发和生长。控制热流特别地防止了在涡轮机叶片125的轮廓改变处杂散晶粒的形成，这在不存在所述控制的情况下可在Z切口区域26中发生。在涡轮机叶片125中，Z切口区域26包括轮廓改变，在所述轮廓改变处热可快速排放。在Z切口区域26中，涡轮机叶片125也经历横截面积的显著改变。
将翅片129添加至晶粒启动机113，以在前进的凝固前沿116前进至熔融金属中时改变模具的热传递特性，从而控制定向凝固。提供晶粒启动机113本身以引发在预选结晶学方向上的晶粒生长，所述晶粒启动机113本身是预加工为具有预选取向的或在冷硬板上原位形成的。晶粒启动机113不形成涡轮机叶片125的部分，并在叶片凝固之后从涡轮机叶片125上去除。当翅片129为晶粒启动机的部分时，也将翅片129从涡轮机叶片125上去除。
当晶粒启动机为预加工的时，其可为如下任何金属材料：所述金属材料可赋予熔融金属定向凝固，并同时具有比用于形成制品的待定向凝固的合金的熔融温度更高的熔融温度。尽管在本说明书描述涡轮机叶片作为使用可改变凝固过程以产生不含杂散晶粒的定向凝固的晶粒结构的晶粒启动机113而形成的产品，然而可使用本发明的晶粒启动机来凝固需要定向取向的结晶学晶粒结构的任何制品(由于杂散晶粒的成核和生长，所述制品在特定区域中产生缺陷，特别是在存在轮廓改变处)以消除杂散晶粒的形成。尽管涡轮机叶片通常由高温镍基高温合金形成，但本发明可用于形成例如(在用于制备优选具有定向凝固的晶粒结构的浇铸制品的其他可得的金属材料中)钴基高温合金、铁基高温合金、铁钴镍基高温合金的组合、镍基合金、钢(包括不锈钢和工具钢)、钛及其合金的定向凝固的制品。
尽管参照优选实施例描述了本发明，但本领域技术人员应了解，在不偏离本发明的范围下，可进行各种改变，且等同物可替代本发明的元件。另外，在不偏离本发明的基本范围下，可进行许多修改以使特定的情况或材料适合本发明的教导。因此，本发明不旨在局限于作为进行本发明的预期最佳模式而公开的特定实施例，而本发明将包括落入所附权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims (20)

1.一种用于熔融金属材料的凝固以形成具有定向晶粒结构的制品的晶粒启动机，
所述晶粒启动机引发熔融金属材料中在所述晶粒启动机与所述熔融金属材料之间的界面处在预选结晶学方向上的晶粒生长；
所述晶粒启动机包括从所述晶粒启动机延伸的至少一个几何特征，所述至少一个几何特征改变与其接触的凝固的金属材料的热传递特性，以在制品的轮廓改变处保持在预选结晶学方向上的晶粒生长；且
其中通过所述晶粒启动机和远离所述晶粒启动机延伸的几何特征改变热传递特性消除了轮廓处的杂散晶粒，以制备具有在预选结晶学方向上取向的晶粒的制品。
2.根据权利要求1所述的晶粒启动机，其特征在于，所述晶粒启动机为预加工的金属材料，所述预加工的金属材料具有比形成所述制品的金属材料的熔融温度更高的熔融温度。
3.根据权利要求1所述的晶粒启动机，其特征在于，改变热传递特性的从所述晶粒启动机延伸的所述至少一个几何特征包括附接至所述晶粒启动机的外部翅片。
4.根据权利要求1所述的晶粒启动机，其特征在于，改变热传递特性的所述至少一个几何特征为形成所述晶粒启动机的一体部分的外部翅片。
5.根据权利要求1所述的晶粒启动机，其特征在于，所述晶粒启动机的形状为在晶粒启动机/制品界面处的区域中的横截面，所述横截面比与所述晶粒启动机/制品界面相对的横截面积更大，所述晶粒启动机从所述晶粒启动机/制品界面至相对的横截面界面弓形过渡。
6.根据权利要求5所述的晶粒启动机，其特征在于，所述晶粒启动机形状为梯形。
7.根据权利要求1所述的晶粒启动机，其特征在于，所述预选结晶学方向为<001>方向。
8.根据权利要求1所述的晶粒启动机，其特征在于，所述晶粒启动机包括冷硬板且在模具下方的所述冷硬板上原位形成。
9.一种使用凝固方法通过晶粒启动机形成的结构，其包括：
晶粒启动机，其中所述晶粒启动机包括晶粒起始材料；
附接至所述晶粒启动机的制品，其中所述制品的特征在于定向凝固的晶粒，所述晶粒在预选结晶学方向上排列，所述制品的特征还在于基本上不含相对于所述预选结晶学方向成角度取向的杂散晶粒；以及
用于从所述晶粒启动机传走热的装置，其中所述用于从所述晶粒启动机传走热的装置改变来自所述晶粒启动机的热流，所述用于从所述晶粒启动机传走热的装置仅为所述晶粒启动机的特征。
10.根据权利要求9所述的结构，其特征在于，所述用于从所述晶粒启动机传走热的装置包括外部翅片。
11.根据权利要求10所述的结构，其特征在于，所述外部翅片附接至所述晶粒启动机。
12.根据权利要求10所述的结构，其特征在于，所述外部翅片形成所述晶粒启动机的一体部分。
13.根据权利要求9所述的结构，其特征在于，所述晶粒启动机的形状为在晶粒启动机/制品界面处的区域中的横截面，所述横截面比与所述晶粒启动机/制品界面相对的横截面积更大，所述晶粒启动机从所述晶粒启动机/制品界面至相对的横截面界面弓形过渡。
14.根据权利要求13所述的结构，其特征在于，所述晶粒启动机的几何形状为梯形。
15.根据权利要求9所述的结构，其特征在于，所述制品为涡轮叶片、喷嘴或护罩。
16.根据权利要求9所述的结构，其特征在于，所述预选结晶学方向平行于所述制品中最大应力的方向。
17.一种用于形成具有定向凝固的晶粒的制品的方法，其包括如下步骤：
提供模具；
提供晶粒启动机，所述晶粒启动机包括用于从所述晶粒启动机传走热的装置；
将所述晶粒启动机附接至所述模具；
将熔融金属提供至所述模具；
提供热源以将所述模具中的熔融金属保持在预选温度范围内；
将含熔融金属的模具从所述热源缓慢取出至与所述热源相邻的冷区中，同时随着热从所述模具内的熔融金属中排放而在熔融金属内形成前进的凝固前沿，同时所述晶粒启动机引发晶粒在预选结晶学方向上形成，其中所述用于从所述晶粒启动机传走热的装置改变所述模具内前进的凝固前沿的轮廓；
随着热通过所述晶粒启动机和所述用于从所述晶粒启动机传走热的装置排放，继续从所述热源缓慢取出所述含熔融金属的模具，从而使得形成的晶粒在预选冶金学方向上前进至熔融金属中，且在所述前进的凝固前沿前方的熔融金属中基本上不存在杂散晶粒的成核和生长；以及
在所述模具中完成熔融金属的凝固。
18.根据权利要求17所述的方法，其还包括提供冷硬板，并将所述冷硬板附接至所述晶粒启动机的底部。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述提供模具的步骤包括提供熔模铸造模具。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述提供熔融金属的步骤包括提供选自由镍基高温合金、钴基高温合金、铁基高温合金和它们的组合组成的集合的熔融金属。
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