專利名稱：鑄造工件的裝置和方法以及工件的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種鑄造一種工件、尤其是內(nèi)冷式透平葉片的裝置，它具有一澆鑄空腔，在該空腔中放置有一些鑄造型芯，可構(gòu)造出穿透工件的通道，本發(fā)明還涉及一種具有權(quán)利要求16前序部分特征、用于鑄造工件的方法以及一種具有權(quán)利要求18前序部分特征的工件。
承受熱煙氣沖擊的內(nèi)冷式透平葉片通常通過一種所謂的膜式冷卻法來冷卻。按照這種膜式冷卻法，冷卻空氣通過開孔從葉片葉型中流到外面。在葉型外壁的外側(cè)形成一空氣薄膜層，它對葉片起到冷卻作用。所述開孔要么直接通過澆鑄一同形成，要么事后鉆孔形成。對于通過澆鑄形成開孔而言，需把相應的用于鑄造出所述通孔的圓柱狀鑄造型芯固定在兩個分別用于形成葉型外壁內(nèi)外側(cè)的鑄型部件中，由此形成一些相互間隔相當遠的大孔徑開孔。因此，在膜式冷卻開孔之間到處都存在冷卻不良的區(qū)域。這一點可由此得到彌補，即，通過采用比原本所需更大的冷卻劑流量，以便能對那些冷卻不良的區(qū)域進行充分的冷卻。
因此，本發(fā)明的目的在于建議一種鑄造裝置，用它鑄造出的工件、尤其是內(nèi)冷式透平葉片上沒有不良冷卻區(qū)域，進而提供一種在低冷卻劑消耗的情況下進行充分地膜式冷卻的可能性。
上述目的由此來實現(xiàn)，即，將所述鑄造型芯相互松散鄰靠地安設在鑄造空腔中。
通過所述鑄造型芯相互間的松散鄰靠，可以視鑄造型芯的不同尺寸和形狀，對鑄造型芯進行不同緊密程度的(堆積)排放，以將鑄造型芯之間的接觸部位處所填充的澆鑄材料排擠出。澆鑄完成之后，再用化學方法(例如通過堿液浸洗)將鑄造型芯材料從工件中去除。這樣就形成穿透工件的通道，這些通道近似于經(jīng)過統(tǒng)計似的在用鑄造型芯填充過的區(qū)域內(nèi)分布，其中，通道的緊密度視鑄造型芯的不同尺寸和形狀與鑄造型芯的緊密度成預定的比例。所述通道在工件的兩側(cè)具有開孔，這是因為在相互松散鄰靠的鑄造型芯中，幾乎每一個鑄造型芯都具有至少一個與之接觸的鄰居，該相鄰的鑄造型芯又有一個鄰居…如此反復直至一個相連接的鑄造型芯接觸到工件的另一外側(cè)。
利用所述方法，也可采用耐高溫的鑄造材料來制造膜式冷卻的透平葉片，以及蓋板和(隔)熱屏。通過選擇小尺寸鑄芯和適當?shù)蔫T芯形狀，可鑄造出大量的小通道開孔。一個穿透工件的通道一般具有多個緊鄰的開孔作為出口。若在這樣一個工件上采用膜式冷卻，則(其上帶有許多開孔的)該工件表面的所有區(qū)域都能實現(xiàn)膜式冷卻。同時，被諸多通道穿透的該工件基于其固態(tài)的鑄造材料以及通過對鑄造型芯尺寸和形狀的專門選擇(這一點在下面還要詳細說明)也足夠堅固。此外，該鑄造裝置的制造也很簡單，因為所述鑄造型芯相互貼靠支撐，因而不必將它們分別單獨固定在周圍的鑄模壁上。
若由至少兩個鑄造型芯相互鄰靠形成一個穿透工件的通道，則通過所述鑄芯的相互鄰靠在鑄造完成之后可形成適當?shù)囊恍┚哂泻苄⊥ǖ莱隹谥睆降耐ǖ馈?br> 當鑄芯的最大外部尺寸小于鑄造空腔最小的內(nèi)部尺寸時，可保證在鑄造空腔中的任一位置都能使至少兩個或更多的鑄芯相互接觸鄰靠地分布在鑄造空腔的橫斷面上。由此根據(jù)鑄芯的尺寸、形狀和排放緊密度形成很小的分叉的通道結(jié)構(gòu)。
當鑄造型芯可傾倒注入鑄造空腔中時，可顯著簡化對整個鑄模的設置。由此即使是鑄模中窄小、卷繞的區(qū)域也可被鑄芯襯砌到(belegen)。
若鑄芯近似為圓形和/或橢圓體形，則它可很好地傾倒注入到鑄模中并很好地分布在鑄模中，而不會剩下大的自由容積。所述鑄芯具有一個很大的表面來形成與其它相鄰鑄芯的接觸部位，由此使鑄造出的工件中有很高的通道緊密度。尤其當接觸部位位于橢圓體的最大橫向尺寸處時，利用橢圓體形的鑄芯可制造出長條形的通道段，同時有高的通道緊密度。
當所述鑄芯有近似相同的尺寸時，可由此形成十分均勻且可事先良好預定的通道結(jié)構(gòu)。
當鑄芯的直徑在近似0.1mm至2mm之間時，尤其在通常的透平葉片壁厚情況下，可制造出足夠數(shù)量的通道來實現(xiàn)最佳的膜式冷卻。這樣一種鑄芯因而既不要太小(這會隨之帶來澆注困難)也不要太大(由此只有利用一個高的冷卻劑流量才能實現(xiàn)對工件的冷卻)。
當鑄芯具有澆鑄材料可澆注入其中的一些挖空槽時，工件具有足夠的強度(盡管其為多孔結(jié)構(gòu))。鑄芯通過其中的挖空槽相對于其體積尺寸而言具有一個大的表面。鑄造出的工件中的澆鑄材料成分也由此增大。
若所述挖空槽是通過鑄芯的中心延伸的孔時，所述工件在每個型芯的局部范圍內(nèi)也都具有特別好的強度，因為所述鑄芯在澆鑄完成之后通過堿液被浸洗出并由此分別留下一個由澆鑄材料形成的中央支桿，它保證工件有足夠的強度。
當工件鑄模中只有一預定部分被鑄芯填充時，工件的一部分可制造成具有通道，另一部分可制成實心。這尤其可應用在透平葉片上，其中，鑄芯僅僅被填充到鑄模形成外壁的區(qū)域內(nèi)。這樣僅僅一個外壁上設有多個開孔，而葉片的其余部分都保持用鑄造材料制出的原有形狀。外壁可借助一個優(yōu)化成本的膜式冷卻法來冷卻。
當鑄芯借助一振動裝置被振得更密實時，即便鑄芯相互間并不均勻一致也可形成非常窄細的通道結(jié)構(gòu)，從而可校正對鑄模的不均勻澆注。
若安放在鑄造空腔中的鑄芯被束合(zusammengehalten)在一起，則可由此防止在澆注時鑄芯飄浮起來。
若鑄芯用網(wǎng)束合在一起，則一方面可防止鑄芯漂浮起來，另一方面可同時收集可能在鑄造材料上聚集起來的渣子。為此，網(wǎng)格寬度一方面要小于鑄芯的直徑，但另一方面又要足夠大，以便讓鑄渣通過。
通道的尺寸可由此進一步調(diào)節(jié)，即，在將鑄芯安放在鑄造空腔中之后，在這些鑄芯上涂上一層可粘附其上且耐抗?jié)茶T的材料。這些抗?jié)茶T材料不但粘附在表面上還尤其粘附在兩個鑄芯之間的接觸部位上。由此加強該接觸部位并使鑄芯獲得一個更大的直徑，這對通道直徑又有影響。此外，當鑄芯事先相互非常鄰近地排放但相互間又沒有接觸時，通過涂覆上述材料可使鑄芯間產(chǎn)生附加的接觸點。另外，所述鑄芯通過包皮可更好地相互束合在一起，同時還能防止鑄芯在澆注入的鑄造材料中漂浮起來。
鑄模與一個抽真空裝置相連接，則鑄造材料在澆注時也可被引到鑄模中非常小的空腔內(nèi)，尤其是鑄芯之間的最小空腔內(nèi)。從而可避免形成無鑄造材料的區(qū)域。另外，還能加速鑄造過程。通過采用阻止裝置(例如網(wǎng))則可阻止鑄芯和鑄造材料一起沿抽真空方向被抽走。
為實現(xiàn)本發(fā)明有關(guān)改進鑄造方法的目的，建議，將所述鑄造型芯相互間松散鄰靠地安設在鑄造空腔中。按照這種鑄造方法可方便地形成貫通通道，通過適當?shù)剡x擇鑄芯的尺寸，很容易改變這些通道的尺寸，并且對于鑄造這樣的貫通通道而言，無需費勁地準備鑄模。
若在將鑄芯安放在鑄造空腔中之后，在這些鑄芯上涂上一層可粘附其上且耐抗?jié)茶T的材料，則可保持這些鑄芯的形狀，而不必采用其它昂貴的裝置。視通道的最終尺寸，這樣的涂覆過程可反復進行，以改善鑄芯之間的定位固定或者在鑄芯之間形成新的連接。
為實現(xiàn)本發(fā)明有關(guān)改進工件的目的，建議，工件上帶有許多呈空間柵格狀地透穿它的通道。這樣一種工件通過冷卻空氣被貫通地從工件一側(cè)引至其另一側(cè)在冷卻空氣流很小時就能得到足夠冷卻。，在這種空間柵格狀布置中，通道的直徑可根據(jù)鑄芯的形狀和布置情況變化，且大多具有許多分支和多個開孔。
當均勻分布的通道孔的面積實際上分攤占到工件一側(cè)的整個表面積的四分之一時，工件就能獲得非常好的冷卻特性一方面，在被通道透穿的工件側(cè)面上實際上不再存在冷卻不良的部位，這是因為在膜式冷卻時，在通道開孔之后會形成一個受到良好冷卻的區(qū)域，該區(qū)域的寬度是通道開孔寬度的三倍；另一方面，工件側(cè)面上所有被通道透穿的區(qū)域都會被均勻冷卻。同時，工件在其被通道透穿的區(qū)域還具有足夠的強度。
當通道孔直徑在近似0.1mm和近似2mm之間時，采用膜式冷卻就能保證對通常的內(nèi)冷式透平葉片尤其被通道透穿的外壁進行最佳的冷卻。
下列附圖示出本發(fā)明的一實施方式，附圖中

圖1a、1b為一透平葉片鑄模局部的剖示圖；圖2a、2b、2c為不同鑄造型芯的立體示圖；圖3為透平葉片被通道透穿的外壁的局部剖示圖。
圖1a示出一個透平葉片鑄模10的一個局部的剖面。一個鑄造空腔1用于制造一個如圖3所示內(nèi)冷式透平葉片的外壁14。通過該外壁14，冷卻劑從一個被冷卻劑流過的內(nèi)腔向外側(cè)流出，使得葉片外側(cè)15被一冷卻劑膜層覆蓋，進而受到冷卻。為形成這種通道3，在鑄造空腔1中有大量的鑄造型芯2，它們在鑄造空腔1中松散地相互堆放在一起。為圖示簡化起見，圖中示出的這些鑄芯其橫截面為橢圓形且大小相同，同時也沒有示出其上的造型或挖空槽。圖2a、2b、2c為鑄芯2的詳細示圖。
通過鑄芯2絕大多數(shù)地相互接觸，在澆鑄完成以及隨后化學去除鑄芯2之后，形成許多穿透工件如圖3所示的通道3。為防止鑄芯2在澆注過程中飄浮起或被帶到其它工件區(qū)域中，鑄芯2借助一個裝置，例如一張網(wǎng)8被束合在一起。所述鑄芯2在本實施方式中有近似相同的尺寸和橢圓體形(近似為球形)且相互緊密地鄰靠。它們可傾倒到鑄模10中，這使制造變得容易。為使它們更密實還可以采用一個振動裝置，它在重力的作用下使鑄芯2排放更緊密。鑄造型芯2在此優(yōu)選由一種通常的鑄芯陶瓷制成，這樣，只要這些鑄芯2相連通到工件外側(cè)15，在澆注過程完成之后，可通過用堿液將它們從工件中浸洗出，而完全被澆鑄材料包圍起來的內(nèi)部鑄芯2則會留在鑄造毛坯中。然而一個鑄芯2根本不與其它鑄芯接觸-這樣的概率太小。由于在每個鑄芯2僅有一個接觸部位的情況下多半便足以從外壁一側(cè)的任一位置連通到另一側(cè)(如圖1a、1b中虛線13所示)，因此在通過堿液浸洗后，可形成一個大量分叉的通道系統(tǒng)，它使冷卻劑可通流。通道的寬度16可通過以后更強的浸蝕進一步擴寬。
圖1b簡略示出在一個鑄造空腔1中設置的鑄造型芯2，這些鑄芯2在將一種耐澆鑄(gieβresistent)的材料，例如一種稀的陶瓷液(它可粘附在鑄芯2的表面21上)注入鑄模10中后被包封起來，然后通過干燥和/或加熱被覆蓋上一層具有澆鑄穩(wěn)定性(gieβstabil)的涂層。通過這種后來添加的包封層22，擴大了鑄芯2之間連接部位11的接觸面，同時還可能在一個鑄芯2與鑄造空腔1的外側(cè)或另一個鑄芯2之間建立起附加的接觸部位18。由此形成的通道3的數(shù)量也增多。由于粘附在鑄芯上的包封層22在連接部位11的區(qū)域內(nèi)基于表面張力寧可制作得比其它區(qū)域更厚一些，通道的寬度16也變得更均勻一致。這種用于包封鑄芯2的陶瓷材料以后可連同鑄芯2一起從鑄造工件20中浸洗出。
圖2a、2b、2c為不同鑄芯2的立體示圖。其中的鑄芯2上都具有挖空槽。在圖2a中，一個中心孔19形式的挖空槽通過一幾乎球形的鑄芯2的中心7。該孔19在澆鑄過程中用澆鑄材料充填，并且在澆鑄完成和隨后通過堿液浸洗去除鑄芯2之后，留下一中央澆鑄材料支桿，它大大地有助于強化其所在區(qū)域。同時，通過引入挖空槽還減小了鑄芯容積，有助于增大澆鑄材料容積。
圖2b示出一個橢圓體形的(幾近于盤狀的)鑄芯2，它帶有一近乎于中央的通孔19，但該通孔19在一側(cè)具有一附加開口，由此形成一側(cè)向開口的環(huán)。鑄造材料因此可更容易地進入該孔19形挖空槽中，從而由鑄造材料附加地形成一側(cè)向穩(wěn)定支桿。
圖2c示出一個帶有三個中央孔19的球形鑄芯2，這三個孔會集在鑄芯2的中心7。因此，澆鑄材料可從三個側(cè)面進入鑄芯2中。鑄芯2由此在具有很大表面的同時具有很小的容積，從而提高了工件20的穩(wěn)定性。
為了使鑄芯2的整個表面和鑄模10的所有區(qū)域都被鑄造材料充填到，將鑄模10與一個圖中未示出的抽真空裝置連接。由此使鑄造材料能穿透過鑄模10被引導到鑄模10中鑄芯2之間最狹窄緊密的區(qū)域中。
圖3示出一透平葉片被通道透穿的外壁14的斷面。從中可看出，鑄芯2已從工件20中浸洗出，由此留下的空腔在鑄芯2之間的接觸部位11處相互連通，從而形成穿透外壁14在該外壁的內(nèi)側(cè)17和外側(cè)5之間延伸的通道3。圖3中的通道3為圖示清晰起見被簡化示出。原則上它們更緊密并具有更多的分叉和開孔6。所有的通道3具有不同的長度和不同的分叉，并且根據(jù)對鑄芯2的尺寸和形狀的選擇，以其開孔6非常緊密地設在外側(cè)15上。由此，在透平葉片外壁14的外側(cè)面的每個區(qū)域上可實現(xiàn)膜式冷卻，并且即便在冷卻劑流量很小時，也能保證對外壁14的足夠冷卻。
權(quán)利要求
1.一種鑄造一種工件、尤其是內(nèi)冷式透平葉片的裝置，它具有一澆鑄空腔(1)，在該空腔(1)中放置有一些鑄造型芯(2)，利用它們可構(gòu)造出穿透工件的通道(3)，其特征在于，這些鑄造型芯(2)相互松散鄰靠地被安設在鑄造空腔(1)中。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，至少有兩個鑄芯(2)相互鄰靠，形成一個穿透工件的通道(3)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述鑄芯(2)的最大外部尺寸小于鑄造空腔(1)的最小內(nèi)部尺寸。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的裝置，其特征在于，所述鑄芯(2)可傾倒到鑄造空腔(1)中。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項所述的裝置，其特征在于，所述鑄芯(2)為近似的球形和/或橢圓體形。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的裝置，其特征在于，所述鑄芯(2)有近似相同的大小。
7.如權(quán)利要求1至6中任一項所述的裝置，其特征在于，所述鑄芯(2)的直徑(5)在近0.1mm和近2mm之間。
8.如權(quán)利要求1至7中任一項所述的裝置，其特征在于，所述鑄芯(2)上具有可用鑄造材料填充的挖空槽。
9.如權(quán)利要求1至8中任一項所述的裝置，其特征在于，所述挖空槽是通過鑄芯(2)的中心(7)延伸的一個孔(19)。
10.如權(quán)利要求1至9中任一項所述的裝置，其特征在于，所述工件鑄模(10)中只有一預定部分被鑄芯(2)填充。
11.如權(quán)利要求1至10中任一項所述的裝置，其特征在于，所述鑄芯(2)可通過一個振動裝置被振得更密實。
12.如權(quán)利要求1至11中任一項所述的裝置，其特征在于，所述安放在鑄造空腔(1)中的鑄芯(2)被束合在一起。
13.如權(quán)利要求1至12中任一項所述的裝置，其特征在于，所述鑄芯(2)被網(wǎng)(8)束合在一起。
14.如權(quán)利要求1至13中任一項所述的裝置，其特征在于，在所述安放在鑄造空腔(1)中的鑄芯(2)上可事后涂覆一層粘附在其上且抗?jié)茶T的材料(22)。
15.如權(quán)利要求1至14中任一項所述的裝置，其特征在于，所述鑄模(10)與一個抽真空裝置連接。
16.一種用于鑄造工件、尤其是一種內(nèi)冷式透平葉片的方法，其中，將多個鑄芯(2)安放到一個鑄造空腔(1)中，以形成多個穿透工件、尤其具有權(quán)利要求1至15中任一項所述特征的通道(3)，其特征在于，將這些鑄造型芯(2)相互松散鄰靠地安設在鑄造空腔(1)中。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，在所述安放在鑄造空腔(1)中的鑄芯(2)上可事后涂覆一層粘附在其上且抗?jié)茶T的材料(22)。
18.一種尤其利用如權(quán)利要求1至15中任一項所述裝置按照權(quán)利要求16或17所述方法制出的工件，尤其是內(nèi)冷式透平葉片，它帶有多個穿透其自身的通道，其特征在于，該工件(20)被這些通道(3)呈空間柵格狀地穿透。
19.如權(quán)利要求18所述的工件，其特征在于，均勻分布的所述通道孔(6)的面積實際上分攤占到工件一側(cè)的整個表面積的四分之一。
20.如權(quán)利要求18或19所述的工件，其特征在于，所述通道孔(6)的直徑(9)在近似0.1mm和近似2mm之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鑄造一種工件、尤其是內(nèi)冷式透平葉片的裝置，它具有一澆鑄空腔(1)，在該空腔(1)中放置有一些鑄造型芯(2)，利用它們可構(gòu)造出穿透工件的通道(3)，為了改進這種裝置，使鑄出的改進中沒有冷卻不良的區(qū)域，本發(fā)明建議，將這些鑄造型芯(2)相互松散鄰靠地安設在鑄造空腔(1)中。
文檔編號B22C9/22GK1406160SQ01805622
公開日2003年3月26日 申請日期2001年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月25日
發(fā)明者彼得·蒂曼 申請人:西門子公司