铸件单向凝固的方法和相关设备

摘要

熔融金属以可控的速率按照水平或竖直方向从进料腔均匀地注入铸模，并直接流到铸模中已有金属的顶部。冷却介质施加到基底的底面上，在铸造过程中，冷却介质的类型和流量发生改变，以产生可控的冷却速率。注入熔融金属的速率和冷却介质的流量都是被控制的，以便铸模内达到相对均匀的凝固速率，从而在铸件内生成均匀的微观组织结构以及低应力。本发明还提供了多层铸锭产品，该种铸锭产品包括基合金层和至少第一附加合金层，这两种合金层具有不同的合金成分，当基合金的表面温度低于其液相线温度并高于其共晶温度-50摄氏度时，通过将熔融状态的第一合金施加到基合金的表面，第一附加合金层就被直接结合在了基合金层上。

权利要求

1.一种用于铸造熔融金属的铸模，该铸模包括：多个侧壁，它们限定了模腔；

底部；

与其中一个侧壁相邻的至少一个金属进料腔；

位于进料腔和模腔之间的至少一个闸门，该闸门被构造成用于控制被引入模腔内的熔融金属的流量，其中，所述底部包括具有多个孔的基底，孔足够大以便允许冷却介质从中流过，又足够小从而阻止熔融金属流过。

2.根据权利要求1所述的铸模，其中，孔的直径在1/64英寸到1英寸之间。

说明书

铸件单向凝固的方法和相关设备

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本发明是于2005年7月12号提交的美国申请11/179835的继续部分申请，该申请的全部内容在此引为参考。

技术领域

[0003] 本发明涉及铸造方法，更具体的是，本发明提供了一种单向凝固铸件的设备和方法，以提供均匀的凝固速率，并因此提供了一种具有均匀的微观组织结构和较低内应力的铸锭。

背景技术

[0004] 为了改进铸件性能，已经尝试了各种使铸模内的铸件定向凝固的方法。

[0005] 目前的定向凝固方法的一个实例包括于1980年7月1日授予M.Ruhle的美国专利4210193，该专利公开了制造铝硅合金铸件的方法。熔融金属被注入底部由锡板制成的铸模中，水流施加到锡板的底部，穿过锡板插入铸件的热电偶用于监测铸件的温度，并因此适当地控制冷却流。当铸模底部的温度从575华氏度降低到475华氏度时停止冷却，直到来自于周围熔融金属的热量使得该区域的温度上升到540华氏度为止。当把铝硅合金从铸模中取出时，锡板已经成为了铸件的一部分。结果是使铸件的下部获得细小的晶粒结构，但该方法不能产生具有低应力的均匀的组织结构，并且如果锡板不构成最终铸件的一部分时，必须切除锡板，因此可能导致浪费。

[0006] 1986年4月29日授予H.Kawai等人的美国专利4585047公开了一种用于冷却铸模内熔融金属的设备。该设备包括铸模内部的供冷却液流过的管子，管子设置在铸模的下部，这样就导致了从铸模底部到顶部的金属定向凝固。一旦铸件凝固，就从铸件上将多余部分切掉，然后将它们融化以与管子分离，以便管子能再使用。必须切掉包围在管子周围的那部分铸件导致增加了制造工序和浪费，此外，该设备不能在铸件内产生由定向凝固提供的均匀的组织结构或低应力。

[0007] 1990年11月13日授予Eric L.Mawer的美国专利4969502公开了一种铸造金属的设备，该设备包括构造成用来往竖直的板上浇注熔融金属的伸长的浇注装置，因此耗散了流动的熔融金属的能量。可替代的是，一对伸长的浇注装置被用于相向地浇注熔融金属，这样相向流动的两种金属流的交互作用耗散了金属的能量，其结果是降低了铸模内的波动作用，因此冷却的铸件具有更均匀的厚度，但该设备不能在铸件中产生均匀的组织结构，也不能使铸件内的应力低。

[0008] 1991年6月4日授予M.K.Aghajanian等人的美国专利5020583公开了金属基复合材料的定向凝固方法。该方法包括把金属锭放置在大量填充材料之上，然后熔化金属，使得金属渗透到填充材料中。可以用例如镁的渗透加强物来使金属合金化，并且可以在氮气环境下进行加热，从而进一步促进渗透。渗透后，所产生的金属基体被放置在热沉顶部上进行冷却，并在正冷却的金属基体周围放置绝热物，这样使熔融合金产生定向凝固。该专利不能控制凝固的速率，也不能在铸件内生成均匀的组织结构或低应力。

[0009] 1991年12月24日授予A.Ohno的美国专利5074353公开了水平连铸金属的设备和方法。该系统包括连接到热铸模上的保温炉，其中热铸模的进口端具有开口部分。围绕热铸模侧壁和底部的加热元件将铸模至少加热到铸造金属的凝固温度。冷却喷流施加到热铸模的顶部。在上下夹辊之间的引锭件(dummy member)往复出入铸模的出口端，以当金属凝固时就把它拉出。由于需要将铸件从无用金属(dummymetal)分离，该专利的方法可能导致浪费，此外，该设备不能在铸件内产生由定向凝固导致的均匀的组织结构或低应力。

[0010] 因此，需要一种可提供相对均匀、可控的冷却速率的单向凝固铸件的改进的设备和方法，这种方法可以在铸件的晶体结构内产生更大的均匀度，并使铸件内应力更低，减少产生裂纹的倾向。

发明内容

[0011] 本发明提供了一种通过以可控的凝固速率沿铸件厚度方向单向凝固铸件的方法形成的多层铸锭，该方法特别适用于铸造在2xxx系列的铝合金外覆有1xxx合金以及在3xxx合金外覆有4xxx合金的商业规格的铸锭。为了便于描述，这里所说的厚度指铸件最薄的尺寸。

[0012] 根据本发明的铸模优选为基本水平定向，具有四个侧壁和可构造成选择性地允许或阻止冷却剂喷射效果的底部。一种底部构造是带有孔的基底，而孔的大小可使冷却剂进入，同时可阻止熔融金属离开，这种孔的直径优选至少为约1/64英寸，但是不超过约1英寸。另一种底部构造是具有实心部分和网状部分的输送带。其它的底部构造包括有在铸模底部的熔融金属的已凝固后可从铸模的其余部分移走的结构，而网、布或其它可渗透结构保留以支撑铸件。

[0013] 用于将熔融金属从炉输送的进料槽在铸模的一侧终止，它被构造成从炉或其它容器将熔融金属输送到沿铸模一侧布置的熔融金属进料腔。在另一个实施例中，熔融金属进料腔沿铸模一侧的顶部布置，这样就可以按照可控的方式将熔融金属竖直地注入模腔的顶部。熔融金属进料腔和铸模被一个或多个闸门互相隔离开。一种优选的闸门是圆柱状、可旋转地安装的闸门，闸门中限定了螺旋槽，这样随着闸门旋转，熔融金属就仅在铸模内熔融金属顶部的水平面水平地释放入铸模。另一种优选闸门仅仅是在隔离铸模和进料腔的壁的不同高度处的狭槽，这样熔融金属添加到进料腔中的速率就决定了熔融金属进入铸模的速率和高度。还有一种优选的闸门是位于铸模和进料腔之间的流动通道，其中流动通道的每端具有竖直的滑动件，这样竖直滑动件阻止了熔融金属流过铸模和进料腔中的狭槽，而允许熔融金属流过流动通道。因此，通过设定通道的高度，就把熔融金属的流动限定在铸模内的所需高度。

[0014] 在一些实施例中，可以在铸模的另一侧设置第二进料槽和熔融金属进料腔，因而可以在铸造第一合金时将第二合金引入铸模，例如在为铸件施加覆层时。这个过程可以扩展到制造具有至少两种不同合金层的多层铸锭产品中。铸模的侧壁优选是绝热的。铸模的下面设置了多个冷却喷嘴，例如空气/水喷嘴，它们构造成往铸模的底面喷射冷却剂。

[0015] 熔融金属基本上均匀地通过闸门被引入，同时，冷却介质均匀地施加到铸模的底部区域。熔融金属流入铸模的速率，以及冷却剂施加到铸模的速率都是可控的，以便提供相对恒定的凝固速率。冷却剂可以开始是空气，然后逐渐由空气转变为空气-水雾，最后全部变为水。当铸模底部的熔融金属凝固后，基底的底部可以移动，这样铸模下方的实心部分被具有开口的部分替换掉，因此冷却剂就可以直接接触到已经凝固的金属，并维持所需的冷却速率。对于穿孔板的基底，不需要移走铸模底部。

[0016] 因此，本发明的目的是提供一种在冷却过程中定向凝固铸件的改进方法。

[0017] 本发明的另一个目的是提供一种在铸件凝固过程中维持相对恒定凝固速率的方法。

[0018] 本发明的另一个目的是提供最少浪费的铸造方法。

[0019] 本发明的另一个目的是提供一种在材料中产生均匀晶体结构的铸造方法。

[0020] 本发明的另一个目的是提供一种使铸件中应力较低、开裂和/或缩孔的可能性减小的铸造方法。

[0021] 本发明的另一个目的是提供具有更均匀结构的铸件。

[0022] 本发明的另一个目的是提供一种用于在铸件周围制造覆层的设备和方法，该覆层比现有的覆层具有更好的附着力。

[0023] 本发明的另一个目的是提供一种制造具有至少两层的多层铸锭产品的设备和方法。

[0024] 通过下面的说明和图例，可以更清楚本发明的上述和其它目的。

附图说明

[0025] 本专利或申请包含至少一张彩色制图，在向专利局请求并支付所需费用后，由专利局提供有彩色制图的本专利或专利申请公开的副本。

[0026] 图1是依据本发明的铸模的顶视等轴测图，该图显示了在铸模下方的输送带的实心部分。

[0027] 图2是依据本发明铸模的部分截面的顶视等轴测图，该图沿图1中的2-2线截取。

[0028] 图3是依据本发明铸模的顶视等轴测图，该图显示了在铸模下方的输送带的网状部分。

[0029] 图4是依据本发明铸模的部分截面的顶视等轴测图，该图沿图3中的4-4线截取。

[0030] 图5是依据本发明的闸门的顶视图。

[0031] 图6是依据本发明的闸门的前视图。

[0032] 图7是依据本发明的闸门的侧视图。

[0033] 图8是依据本发明的另一种铸模实施例的部分剖切的侧视等轴测图。

[0034] 图9是依据本发明的另一种可替换的铸模实施例的剖切侧视等轴测图。

[0035] 图10是根据图9的铸模的侧视等轴测图。

[0036] 图11所示是在实例凝固过程中铸件温度随时间变化的曲线图。

[0037] 图12是沿依据本发明所制造铸锭的横截面应力分布图。

[0038] 图13所示是采用现有技术方法制造的铸锭内部不同部位的应力图。

[0039] 图14是依据本发明的另一种实施例的铸模和输送腔的剖视等轴测视图。

[0040] 图15是依据本发明的铸模模腔的剖视前视等轴测图。

[0041] 图16是依据本发明另一个实施例的铸模的顶视等轴测图，该图显示了铸模下方的输送带的穿孔部分。

[0042] 图17所示是图16中铸模的部分截面等轴测顶视图，该图沿图16中的16-16线截取。

[0043] 图18所示是图16中铸模的部分截面等轴测顶视图，其中铸模下方是输送带的网状部分。

[0044] 图19A所示是一种具有三层的多层铸锭的透视图，该铸锭用于一种在两层1050合金中夹有2024合金的面板产品。

[0045] 图19B是图19A中方框内部分的显微照片，显示了在2024合金和1050合金之间的界面。

[0046] 图20A是用于在两层4343合金之间夹有3003合金的钎焊板产品的三层的多层式铸锭的透视图。

[0047] 图20B是图20A中方框内部分的显微照片，显示了在3003合金和4343合金之间的界面。

[0048] 各图中，类似的附图标记表示类似元件。

具体实施方式

[0049] 本发明提供了一种铸件单向凝固的设备和方法，同时还提供了可控、均匀的凝固速率。

[0050] 参见图1-4，铸模10包括四个侧壁12、14、16和18，它们之中限定了模腔19。侧壁12、14、16、18优选是绝热的。底部20可以由具有实心部分22和网状部分24的输送带构成，输送带20是连续的，它包裹在辊子26、28、30和32上，这样不管是实心部分22还是网状部分24都可以可选择地置于侧壁12、14、16、18的下方。输送带可以采用具有高热传导率的刚性材料制造，例子包括铜、铝、不锈钢和Inconal合金。注意：网状部分24是具有孔的部分。

[0051] 由侧壁36、38、40限定的熔融金属进料腔34是沿侧壁12限定的，与此类似，相似的熔融金属进料腔42是沿侧壁16由侧壁44、46、48限定的。本发明的一些实施例可以只具有一个熔融金属进料腔，而其它的实施例可以具有多个熔融金属进料腔。进料槽50和52从熔融金属的炉(图中未显示，在铸造领域是众所周知的)分别延伸到每个熔融金属进料腔34、42正上方的位置。流嘴54从进料槽50延伸到熔融金属进料腔34内，与此类似，流嘴56从进料槽52延伸到熔融金属进料腔42内。

[0052] 侧壁12包括一个或多个用于控制熔融金属从进料腔34流入模腔19的闸门58、60，与此类似，侧壁16也包括用于控制熔融金属从进料腔42流入模腔19的闸门62和64。
闸门58、60、62、64基本上是相同的，图5-7对此进行了详细图示。闸门58包括一对壁66和68，在它们之间限定了一个大致呈圆柱状的通道70。在壁66和68的相对面上，通道70包括开口侧壁72和74。在通道70内设有圆柱形闸门部件76，该圆柱形闸门部件76基本上是实心的，且围绕其圆周限定有螺旋槽78。通道70、圆柱状闸门部件76以及螺旋槽78被构造成一定结构，以使得熔融金属可以流经与壁66和68中的一个紧邻的一部分螺旋槽
78，而不能从闸门58的任何其它部分通过。驱动机构80与圆柱状闸门部件76有效连接，用于控制圆柱状闸门部件76的旋转。对于本领域技术人员来说，合适的驱动机构80是已经熟知的，因此这里不再赘述。例如，驱动机构80可以包括通过齿轮传动系统连接到圆柱状闸门部件76上的电机，该电机既可以通过操作员观察铸造进程而手动切换来控制，也可以利用适当的微处理器控制。

[0053] 再次参考图1-4，输送带20内布置有冷却剂集流腔82，用于往模腔19的底部表面22、24喷射冷却剂。根据所需的冷却速率，优选的冷却剂集流腔82可以提供空气、水或它们的混合物。

[0054] 使用时，输送带20将处于图1-2所示的位置，实心部分22直接位于模腔19的下方。熔融金属通过流嘴54从进料槽50引入进料腔34。然后闸门58和60的圆柱状闸门部件76旋转，使得螺旋槽78的最低部分与壁66或壁68相邻，从而允许熔融金属通过大体水平地流动到输送带表面22，从而进入模腔19。同时，空气从冷却剂集流腔82喷射到输送带表面22的底侧。当模腔19充满熔融金属后，圆柱状闸门部件76旋转，使得螺旋槽78的逐渐提升部分与壁66或壁68相邻，因此当模腔19内的金属水平面升高时，允许熔融金属通过的螺旋槽78的部分也升高相应的量，从而从进料腔34流入模腔19的熔融金属流始终保持水平，并总是处于已流入模腔19内金属的顶部。金属水平地流入模腔19使得熔融金属能够正确找到它自己的水平面，因此确保了在模腔19内熔融金属大致均匀的厚度。

[0055] 当更多的金属被注入模腔19时，模腔19内的金属冷却速率将减慢。为维持基本恒定的冷却速率，来自于冷却剂集流腔82的冷却剂混合物将由空气转变为空气-水的雾，且所含的水量逐渐增多，直至最后全部变为水，此外，当模腔19底部的金属凝固时，输送带20将前进，使得网状部分24而非实心部分22构成铸模10的底部，这样冷却剂就可以直接与凝固的金属接触，如图3-4所示。另外，通过控制闸门58、60的圆柱状闸门部件76的旋转，以及/或者控制金属由进料槽50引入进料腔34的速率，就可以减缓金属添加到模腔19中的速率。典型情况下，冷却速率保持在约0.5华氏度/秒到约3华氏度/秒之间，并且冷却速率一般从铸造开始时的3华氏度/秒降低到铸造结束时的约0.5华氏度/秒。与此类似，随着铸造的进行，熔融金属引入模腔19的速率一般将从约4英寸/分钟的初始速率减慢到0.5英寸/分钟的最终速率。

[0056] 如果需要的话，可以从进料槽52通过流嘴56将第二合金引入进料腔42，第二合金可被用于形成围绕在第一合金周围的覆层，例如，覆层可以是耐蚀层。形成覆层的一个例子可以是，首先通过旋转闸门62、64的圆柱状闸门部件76，这样金属从闸门中的螺旋状通道78的底部流入模腔19，从而就将合金从进料腔42通过闸门62、64引入了模腔19，然后关闭闸门62和64。接着旋转闸门58和60的圆柱状闸门部件76，使熔融金属可以在螺旋槽78的逐步升高的部分从进料腔34流入到模腔19，直到模腔19几乎被一直充满到顶部为止，这时关闭闸门58和60。接着，闸门62和64的圆柱状闸门部件76旋转，以允许金属在闸门62和64的圆柱状闸门部件76内的狭槽78的最高部分从进料腔42流入到模腔19中，从而允许该熔融金属流到铸模中已有金属的顶部。这样，由进料腔34中的合金所形成的基底的顶部和底部将具有由进料腔42中的合金所生成的覆层。

[0057] 为了确保在任意两个连续层的界面的适当结合，必须遵循下面的规程：在引入了与基层具有不同成分的新后续层后，基层的表面温度必须低于液相线温度(Tliq)并高于共晶温度(Teut)-50℃，其中Tliq是基层的液相线温度，Teut是基层的共晶温度。该规程并不仅限于覆层。该规程能够顺序地铸造多种合金，以生成多层铸锭产品。

[0058] 另一种实施例的铸模84如图8所示，该铸模84包括四个侧壁，图中显示了其中的三个侧壁86、88、90。侧壁86、88、90和第四个大致相同但未显示的侧壁可以是绝热的。铸模84的底部由布92构成，布92可以采用与前面实施例铸模10的底部输送带20相同的材料制成。底部的基底94被构造成可以在图8中实线所示的上位和图8中虚线所示的下位之间移动，其中在上位时它支撑着布92，而在下位时基底94从布92移开足够距离，这样可以将喷射箱96和98放置在上下位之间。喷射箱96和98被构造成可从布92下方的位置移动到允许基底94在其上、下位之间移动的位置。取决于基底94是位于喷射箱96和98的上方还是下方，喷射箱96和98将据此往基底94的底部或者布92的底部供应空气、水或两者的混合物，或者也可能喷射其它冷却剂。

[0059] 使用时，基底94将处于其上位，支撑着布92。熔融金属将被引入铸模84，而空气被施加到基底94的底部以进行冷却。当铸模84充满熔融金属并且在底部的熔融金属凝固时，暂时将喷射箱96、98从基底94下方的位置撤开，从而可以将基底94从其位于布92下方的位置移走。然后再将喷射箱96、98放回布92的下方，这样喷射箱可以往布92的底部喷射空气、空气/水混合物或水，并且随着铸造进行，越来越多的水喷射到布92底部。

[0060] 图9和图10所示是另一种实施例的铸模100，它可以使用于本发明的方法。该铸模100包括可以被绝热的侧壁102、104、106和108，铸模底部包括固定的底板110，该底板110限定了在侧壁102、104、106和108下方的开口，其中可以插入可移除的底板112。可移除底板112可以用例如铜之类的材料制作。在一些实施例中，固定底板110可以限定用于接收可移除底板112边缘的插槽114，从而支撑可移除底板112。侧壁102、104、106、108以及可移除底板112内限定了模腔116。

[0061] 熔融金属进料腔118由壁120、122、124以及侧壁108和固定底板110限定。闸门126被限定于侧壁108内，在图示的实施例中，它由一对位于侧壁108内的狭槽构成。进料槽128从熔融金属炉延伸到直接在熔融金属进料腔118上方的位置，流嘴130从进料槽128延伸到熔融金属进料腔118内。

[0062] 冷却剂集流腔132位于可移除底板112的下方，该冷却剂集流腔132优选配置成可选择地往可移除底板112上喷射空气、水或空气和水的混合物。图示的实施例还包括位于进料腔118下方的收集盘134，整个铸模100被支撑在基座136上。

[0063] 使用时，可移除底板112将被容纳在插槽114中，熔融金属将由进料槽128引入进料腔118，直至进料腔118中熔融金属的水平面达到狭槽126的底部。狭槽126以及以适当选择的进料速率向进料腔118中注入，确保了熔融金属进入模腔116的进料速率受控。随着模腔116中的熔融金属水平面升高，可以调节熔融金属注入进料腔118的进料速率，从而使熔融金属流出狭槽126直接流到模腔116内熔融金属的顶部，因此确保了熔融金属基本水平地流入模腔116。冷却剂通过冷却剂集流腔132喷射到可移除底板112上，开始时为空气，然后切换成空气/水混合物，最后全部是水。当模腔116底部的熔融金属凝固时，就可以将可移除底板112移开，从而使冷却剂可以直接与模腔116内的铸锭底侧接触。

[0064] 在根据本发明铸造过程的一个实例中，采用图9～10的铸模100将7085铝合金铸造成9″×13″×7″的铸锭。金属的初始温度是1280华氏度。可移除底板112是用0.5″厚的不锈钢板制成的。沿着铸锭中心线在离可移除底板112距离为0.25英寸、0.75英寸、2英寸和4英寸处放置热电偶。模腔116的初始填充速率是每30秒钟2英寸，并且填充速率随铸造进行而减慢。初始的水流量是每分钟0.25加仑，其形式是空气/水的混合物。当离可移除底板112的距离为0.25英寸的热电偶读数是1080华氏度时，移开可移除底板112，此时，将水的流量提高到每分钟1加仑。

[0065] 图11所示是四个热电偶的每个处的冷却速率。从图中可以看出，冷却速率在1.5～2.12华氏度/秒的范围内，是大致均匀的冷却速率。

[0066] 图12所示是铸锭整个横截面上的残余应力，该数据是这样采集的：在9″的方向对半切开铸锭，然后当材料内的应力松弛时测量所产生的表面变形。除了图12左下角的一个拉应力和中下部的一个压应力之外，整个铸锭的应力大小为0.6～3ksi。因为压应力通常不会导致裂纹，所以铸锭底部中央的较大的压应力无关紧要。该处高的压应力和左下角的高的拉应力可能是由于熔融金属首先在这些位置冲击基底，从而导致冷珠以及可能的其+02它缺陷的形成。最高的拉应力值是+6e PSI。

[0067] 参见图13，该图显示了在4英寸乘13英寸7085铝合金直冷铸锭的横截面上的残余应力。如图所示，目前的直冷铸造所产生的残余应力能够高达10ksi。然而，由于在测量应力时铸锭已经具有纵向裂纹，这会使应力已经松弛，因此该铸锭中的应力可能甚至更高。图13中的sigma指拉应力或压应力，tau指剪切应力，LT指大致平行于长度的方向，ST指大致平行于厚度的方向。

[0068] 将冷却剂施加到铸模的底部，以及在一些优选实施例中侧壁12、14、16和18上的绝热，从而使得从模腔19的底部到顶部产生铸件定向凝固。优选地，熔融金属引入模腔19的速率以及冷却速率将被控制，从而维持任意给定时刻模腔19内的熔融金属为约0.1英寸(2.54mm)到约1英寸(25.4mm)。在一些实施例中，熔融金属和已凝固金属之间的固液两相区也可以保持在大致均匀的厚度。定向凝固、均匀的温度、薄剖面的熔融金属和固液两相区的结果是基本上减少或消除了宏观偏析现象。

[0069] 参见图14，该图显示了另一种铸模组件138。铸模组件138包括侧壁140、142、144以及在剖视图中未显示出并与侧壁142相对的第四侧壁。侧壁140、142、144和未显示出的侧壁这四个侧壁都是绝热的，优选的绝热材料采用石墨。铸模138还包括底部146，并且底部146优选包括许多孔148(见图15)，孔的直径要足够大，以允许诸如空气或水的典型冷却剂通过，同时又要足够小，从而防止熔融金属通过。孔148的优选直径约为1/64英寸到约1英寸。模腔150由侧壁140、142、144、第四个侧壁和底部146限定而成，侧壁144中限定有狭槽，狭槽的边缘152在图14中可见。

[0070] 熔融金属进料腔154由侧壁156、158、160、第四个未显示的侧壁和底部162限定而成。进料槽164从熔融金属炉延伸到直接在熔融金属进料腔154上方的位置，流嘴166从进料槽164延伸到熔融金属进料腔154。

[0071] 闸门168是H型结构，具有一对竖直的狭槽闭合部件170和172，狭槽部件170和172被水平部件174连接起来，而水平部件174限定了穿过其的通道176。狭槽闭合部件
170被构造成可基本上封闭模腔150侧壁144中的狭槽，而闭合部件172则被构造成可基本上封闭熔融金属进料腔154侧壁156中限定的狭槽。闸门168被构造成可在下位与上位之间滑动，在下位时，通道176与模腔150的底部146相邻，而上位与模腔150顶部相应。狭槽闭合部件170、172被构造成用于阻止熔融金属在任意时刻从侧壁144、156中限定的狭槽流过，而只是从通道176流过，不管闸门168处于什么位置。

[0072] 冷却剂集流腔178设置于底部146的下方，冷却剂集流腔178优选设置成可选择地向底部146喷射空气、水或空气和水的混合物。

[0073] 激光传感器180设置在模腔150的上方，并且优选被构造成用于监测模腔150内熔融金属的水平面。

[0074] 使用时，熔融金属通过进料槽164引入进料腔154，然后熔融金属可通过通道176流入模腔150。随着模腔150内的熔融金属水平面上升，闸门168也提升，使熔融金属总是从进料腔154水平地直接流动到模腔150中已有熔融金属的顶部。熔融金属进入模腔150的进给速率可以随冷却进行而减慢，从而控制冷却速率。另外，从冷却剂集流腔178流出的冷却剂随着铸造进行将从空气转变为空气/水的混合物直至全部为水，从而控制进料腔150中熔融金属的冷却速率。由于冷却剂可以直接冲击进料腔150中的金属，因此在铸造过程中不需要移开底部146。

[0075] 图16所示是本发明另一种实施例的铸模的等轴测顶视图，该图显示了铸模下方输送带的穿孔部分。图16的所有元件都是与图1所示相同，并用相同附图标记表示。铸模10包括四个侧壁12、14、16、18，它们限定了模腔19。侧壁12、14、16、18优选是绝热的。底部20可以由具有穿孔部分22和网状部分24的输送带构成。输送带20是连续的，绕在辊子26、28、30和32上，这样就可以有选择性地将穿孔部分22或网状部分24置于侧壁12、
14、16和18的下方。输送带可以用具有高的热传导率的刚性材料制造，例如铜、铝、不锈钢和Inconal合金。

[0076] 图17所示是图16中铸模的部分截面等轴测顶视图，该图沿图16中的线16-16截取。

[0077] 图18所示是图16中铸模的部分截面等轴测顶视图，其中输送带的网状部分位于铸模之下。

[0078] 图16、17、18与图1、2、4类似，它们之间主要的不同在于图1、2和4分别显示了铸模下方的输送带的实心部分和网状部分，而图16、17和18则分别显示了铸模下方的输送带的穿孔部分和网状部分。

[0079] 图19A所示是一种三层的多层式铸锭，该铸锭用于一种在两层1050合金之间夹有2024合金的面板产品。这里，2024合金的液相线温度是1180华氏度，共晶温度是935华氏度，而1050合金的液相线温度是1198华氏度，共晶温度是1189华氏度。在本例中，在铸造了层厚0.75英寸的1050合金的第一覆层后，以0.7ipm(英寸/每分钟)的控制速率浇注
3.5英寸厚的芯部合金2024，确保界面温度上升到1148华氏度和1189华氏度之间的值，芯部金属铸造完毕后，再浇注0.75英寸厚的第二合金覆层，确保界面温度上升到885华氏度和1180华氏度之间的值。

[0080] 图19B所示是图19A中三层的多层式铸锭在方框内部分的2024合金和1050合金之间界面的显微照片，显示出2024合金和1050合金之间界面结合良好。

[0081] 图20A所示是三层的多层式铸锭，该铸锭用于一种在两层4343合金中夹有3003合金的钎焊板产品。这里，3003合金的液相线温度是1211华氏度，共晶温度是1173华氏度，而4343合金的液相线温度是1133华氏度，共晶温度是1068华氏度。在本例中，在铸造了层厚0.75英寸的4343合金的第一覆层后，以0.7ipm(英寸/每分钟)的控制速率浇注5.5英寸厚的芯部合金3003，确保界面温度上升到1018华氏度和1083华氏度之间的值，芯部金属铸造完毕后，再浇注0.75英寸厚的第二合金覆层，确保界面温度上升到1123华氏度和1211华氏度之间的值。

[0082] 图20B所示是图20A中三层的多层式铸锭在方框内部分的3003合金和4343合金之间界面的显微照片，显示出3003合金和4343合金之间的界面结合良好。

[0083] 本发明中的多层铸锭产品并不限于两层或三层合金，也可以具有超过三层合金。

[0084] 因此，本发明提供了一种用于生产定向凝固铸锭并以可控的且相对恒定的冷却速率冷却铸锭的设备和方法。本发明可以在无需应力释放的情况下铸造无裂纹铸锭。本发明的方法减少或消除了铸锭组织的宏观偏析，因此铸锭具有均匀的微观结构。本发明还能生产具有大致均匀厚度的铸锭，并且本发明生产的铸锭可以比采用其它铸造方法得到的铸锭更薄。与冷却剂接触的更大表面积可得到相对更快的冷却，从而提高产量。

[0085] 虽然本发明对特殊的实施例进行了详细说明，但本领域技术人员可以理解的是，在本发明公开的启发下，可以对那些细节做出各种修改和替代，因此，本发明的特殊的实例仅仅是为了进行说明，并不意味着限制本发明的范围，本发明的范围由权利要求书中以及任意和所有的等同来涵盖。