本發(fā)明涉及在具有氣膜冷卻通道的中空部分的熔模鑄造期間的壁厚控制。

背景技術(shù)：

熔模鑄造可以用于生產(chǎn)具有內(nèi)部冷卻通道的中空部分。在熔模鑄造過程期間，蠟被注射進(jìn)入蠟腔體以在芯部和蠟?zāi)＞咧g形成蠟圖案。移除蠟?zāi)＞?，將芯部和蠟圖案浸入陶瓷漿以在蠟圖案周圍形成陶瓷殼體。將蠟圖案熱移除，留下模具腔體。熔化的金屬在陶瓷芯部和陶瓷殼體之間鑄造，所述陶瓷芯部和陶瓷殼體隨后被移除以顯露出完成的部分。

在陶瓷芯部和蠟?zāi)＞咧g的任何移動(dòng)可能產(chǎn)生扭曲的蠟圖案。由于陶瓷殼體在蠟圖案周圍形成，陶瓷殼體形成用于最終部分的模具腔體，這一相對(duì)移動(dòng)可能產(chǎn)生不可接受的部分。相似地，當(dāng)鑄造翼型件自身時(shí)，在陶瓷芯部和陶瓷殼體之間的任何移動(dòng)可能產(chǎn)生不可接受的部分。特別地，形成在完成部分的壁中的冷卻通道要求由模具腔體形成的壁滿足嚴(yán)格的制造公差。當(dāng)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)進(jìn)步時(shí)，也需要更復(fù)雜的冷卻體系。這些復(fù)雜的冷卻體系可以生產(chǎn)從相對(duì)小到相對(duì)大的尺寸范圍的通道，因此制造公差在部件的設(shè)計(jì)中變得更加重要。

在操控和多個(gè)鑄造操作期間，兩個(gè)分立的部分必須保持處于單個(gè)位置關(guān)系的熔模鑄造過程的本質(zhì)使得保持公差是困難的。此外，陶瓷芯部自身相比于蠟?zāi)＞吆吞沾蓺んw是相對(duì)長(zhǎng)和薄的。因此，當(dāng)加熱時(shí)，陶瓷芯部會(huì)從其原始預(yù)期的形狀扭曲。相似地，陶瓷芯部可能不會(huì)完全以與蠟?zāi)＞吆?或陶瓷殼體同樣的方式在所有的尺度膨脹。此相對(duì)移動(dòng)也可能改變模具腔體并使最終的部分不可接受。

為了克服此相對(duì)位移，Caccavale等人的美國專利號(hào)5296308描述了在陶瓷芯部上具有緩沖器的陶瓷芯部，所述緩沖器在蠟圖案澆注期間接觸或幾乎接觸蠟?zāi)＞?。這控制了陶瓷芯部和蠟?zāi)＞咧g的間隙，相似地控制了陶瓷芯部和陶瓷殼體之間的間隙。對(duì)間隙的控制最小化陶瓷芯部和陶瓷殼體之間的位移，這提高了對(duì)翼型件壁厚的控制。緩沖器被定位在關(guān)鍵應(yīng)力區(qū)域以阻礙扭曲。最終部分在內(nèi)部冷卻通道和翼型件表面之間可能有定位緩沖器的孔，所述孔允許冷卻流體從內(nèi)部冷卻通道泄漏。

附圖說明

本發(fā)明基于附圖在下文的描述中說明，附圖示出：

圖1示出了具有氣膜冷卻布置的葉片的壓力側(cè)。

圖2示出了圖1所示葉片的吸力側(cè)。

圖3示出了用來形成圖1所示葉片的芯部的壓力側(cè)。

圖4示出了用來形成圖1所示葉片的芯部的吸力側(cè)。

圖5示出了圖3所示芯部的葉尖的特寫。

圖6示出了圖3所示芯部的特寫。

圖7示出了圖5的氣膜孔突起的特寫。

圖8-14示出了描述鑄造過程的橫截面。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明者發(fā)明了創(chuàng)新性的陶瓷芯部，所述創(chuàng)新性的陶瓷芯部將允許壁厚控制，而沒有與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)的不期望的冷卻空氣泄漏。特別地，本文公開的芯部以傳統(tǒng)的方式形成典型的迂回冷卻通道，但進(jìn)一步包括從傳統(tǒng)芯部延伸的氣膜孔突起。氣膜孔突起被構(gòu)造以將陶瓷芯部與蠟?zāi)＞吆吞沾蓺んw保持處于固定位置關(guān)系的方式鄰靠蠟?zāi)＞叩膬?nèi)部表面，于是鄰靠陶瓷殼體的內(nèi)部表面。每個(gè)氣膜孔突起將會(huì)在隨后的鑄造翼型件中產(chǎn)生相應(yīng)孔。然而，不同于相關(guān)聯(lián)的孔被最小化或全部被避免以最小化冷卻空氣泄漏的現(xiàn)有技術(shù)，與此處公開的氣膜孔突起相關(guān)聯(lián)的孔卻被設(shè)定尺寸并成形以成為氣膜冷卻孔，并被定位以成為在氣膜冷卻布置中的氣膜冷卻孔的圖案的部分（如果不是全部）。通過這樣的方式將氣膜孔突起設(shè)定尺寸、成形和定位，就不會(huì)有不期望的冷卻流體損失。相反地，產(chǎn)生的孔和流動(dòng)通過其的相關(guān)聯(lián)的冷卻流體創(chuàng)新性地用作氣膜冷卻布置的部分。

圖1示出了用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)（未示出）的具有翼型件12的葉片10，所述翼型件具有葉根14、葉尖16、前緣18、后緣20、壓力側(cè)22和吸力側(cè)24。氣膜冷卻布置30可以具有氣膜冷卻孔34的多個(gè)組32。每個(gè)組32可以形成其自己的圖案，例如在此示例實(shí)施例中可見的排36。然而，其他圖案是可以想象的，并且被認(rèn)為在本公開的范圍內(nèi)。這些氣膜冷卻孔34中的每個(gè)被構(gòu)造以噴射冷卻流體的獨(dú)立流，例如空氣。獨(dú)立流互相合并且沿著翼型件的表面38在熱氣體和翼型件表面38之間流動(dòng)，從而保護(hù)翼型件表面38以防熱氣體。氣膜冷卻孔34的出口40可以被成形以加強(qiáng)表面覆蓋范圍。所述形狀可以包括擴(kuò)散器的形狀，所述擴(kuò)散器使從氣膜冷卻孔34逸出的空氣減速。在一個(gè)示例實(shí)施例中，所述形狀可以采用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的10-10-10構(gòu)造。圖2示出了翼型件12的吸力側(cè)24。

圖3示出了可以由陶瓷制成的芯部50的示例實(shí)施例。芯部50從芯部50的壓力側(cè)62包括芯部葉根52、芯部葉尖54、芯部前緣56、芯部后緣58和芯部通道結(jié)構(gòu)60。在葉片10中，芯部通道結(jié)構(gòu)60形成運(yùn)送冷卻流體通過部件的內(nèi)部通道（未示出）。多個(gè)氣膜孔突起64從芯部通道結(jié)構(gòu)60延伸?？梢钥闯?，多個(gè)氣膜孔突起64被定位以與圖1和2中的氣膜冷卻孔34一致。特別地，位于芯部葉尖54的氣膜孔突起64被定位從而其形成氣膜冷卻孔34，所述氣膜冷卻孔成為平行于圖1中的翼型件12的葉尖16布置的圖案/排36的部分。在此示例實(shí)施例中，相比于位于葉尖16的氣膜冷卻孔34，位于芯部葉尖54的氣膜孔突起64更少。在此示例實(shí)施例中，不由氣膜孔突起64形成的在葉尖16處的其余所需氣膜冷卻孔34將需要通過第二機(jī)加工操作形成。在替代示例實(shí)施例中，可以有與所需一樣多的氣膜孔突起64，以在葉尖16處形成排36中的所有氣膜冷卻孔34。相似地，在整個(gè)翼型件12上，相比于氣膜冷卻孔34，有更少的氣膜孔突起64，這將要求隨后的機(jī)加工以產(chǎn)生其余所需氣膜冷卻孔34，或者可以有與整個(gè)翼型件12上有的氣膜冷卻孔34一樣多的氣膜孔突起64。在圖3所示的示例實(shí)施例中，氣膜孔突起64的位置被選擇為與期望的氣膜冷卻孔位置和將在蠟?zāi)＞邇?nèi)幫助保持芯部50形狀的位置這兩者一致。

圖4示出了圖3中的芯部50的吸力側(cè)66，以及從芯部通道結(jié)構(gòu)60延伸的更多氣膜孔突起64。氣膜孔突起64可以從壓力側(cè)62、吸力側(cè)66、芯部葉根52和芯部葉尖54中的任一個(gè)或所有延伸：在任何需要?dú)饽だ鋮s孔的地方。相似地，氣膜孔突起64不需要形成氣膜冷卻孔，但是可以形成，例如柄式?jīng)_擊冷卻孔（shank impingement cooling hole）。氣膜孔突起64可以定位在任何存在用于冷卻葉片10表面的布置的位置。

圖5示出了從芯部通道結(jié)構(gòu)60延伸并接觸蠟?zāi)＞?8的氣膜孔突起64的特寫。每個(gè)氣膜孔突起64由具有端部面72的本體70形成，所述端部面相對(duì)于本體70可以被擴(kuò)大。本體70和端部面72可以被成形以形成具有成形出口40的氣膜冷卻孔34。示例的成形出口40可以包括本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的10-10-10構(gòu)造。圖6示出了從接近翼型件的葉根14的芯部通道結(jié)構(gòu)60中的一個(gè)延伸的氣膜孔突起64和從葉根14和葉尖16之間大約半路延伸的氣膜孔突起64的特寫。然而，可以選擇氣膜冷卻孔34將要形成的任何位置。

如圖8中所見，氣膜孔突起64可以從芯部50的表面74延伸，從而在芯部50外側(cè)的本體70的延伸軸線76與芯部表面74形成銳角。結(jié)果是從芯部50的芯部表面74延伸的本體70相對(duì)于芯部表面74懸臂。換句話說，端部面72沿著芯部表面74相對(duì)于本體70接觸芯部50的地方側(cè)向偏移。

如圖8中所見，端部面72支撐在蠟?zāi)＞?8的內(nèi)部表面80上并與之齊平（即與之相符合）。隨后共同地，端部面72限定與蠟?zāi)＞?8的內(nèi)部表面80限定的輪廓相符合的輪廓，以在兩者之間實(shí)現(xiàn)貼合配合（conforming fit）。通過與內(nèi)部表面齊平地支撐，沒有（或者很少）蠟可以到達(dá)端部面72和內(nèi)部表面80之間。這產(chǎn)生了干凈的冷卻孔出口40，不需要通過隨后的機(jī)加工消除來自于鑄造過程的溢料（flashing）。

在操控和鑄造操作期間，蠟?zāi)＞呦蚨瞬棵?2施加摩擦力和法向力。由于布置的懸臂本質(zhì)，這繞著本體70和芯部50接觸的地方產(chǎn)生彎矩。此懸臂布置使得本體70更加不能抵抗通過蠟?zāi)＞叩膬?nèi)部表面80施加到其上的力。由于這個(gè)原因，必須小心以防止對(duì)氣膜孔突起64的損害。然而，此折中認(rèn)為是可接受的，從而產(chǎn)生被導(dǎo)向以引導(dǎo)冷卻流體的氣膜冷卻孔34，從而所述冷卻流體與熱氣體一起移動(dòng)，或者可替代地，所述冷卻流體與熱氣體逆向流動(dòng)。

為了抵抗此彎矩，同時(shí)仍然保持芯部50和蠟?zāi)＞?8之間（并隨后在芯部50和陶瓷殼體之間）的位置關(guān)系，本體70和芯部50不僅必須要足夠強(qiáng)大以抵抗破壞，而且必須被構(gòu)造以允許期望量的彎曲，同時(shí)還要減輕任何不希望的彎曲。在允許一些彎曲的示例實(shí)施例中，由氣膜孔突起64保持的位置關(guān)系本質(zhì)上是具有可允許公差的單個(gè)固定位置關(guān)系。在示例實(shí)施例中，可優(yōu)選地減少和/或消除任何彎曲。在不允許彎曲的示例實(shí)施例中，由氣膜孔突起64保持的位置關(guān)系本質(zhì)上是不具有可允許公差的單個(gè)固定位置關(guān)系。

還可以看出，本體70可以包括第一幾何形體82（限定延伸軸線76）和更大和/或增大橫截面積的第二幾何形體84。第二幾何形體84可以限定隨后形成的氣膜冷卻孔34的擴(kuò)散器部分。因此，由第一幾何形體82和第二幾何形體84限定的氣膜孔突起64（即本體70在芯部表面74外部的部分），當(dāng)其離芯部表面74更遠(yuǎn)時(shí)可以實(shí)際上增加橫截面積。此外，圖8示出了替代示例實(shí)施例，其中本體70包括延伸進(jìn)入芯部10的第三幾何形體86。當(dāng)本體70是分立部件并被插入芯部10時(shí)，例如當(dāng)芯部50是生坯本體時(shí)，此第三幾何形體86可以存在。在此種示例實(shí)施例中，本體70可以是石英或者燒結(jié)或未燒結(jié)的（生坯本體）粉末冶金結(jié)構(gòu)。芯部50可以與本體70燒結(jié)，所述本體安裝在期望的位置以形成具有從其延伸的氣膜孔突起64的燒結(jié)芯部10。

可替代地，具有第三幾何形體86的本體70可以通過例如將第三幾何形體86插入凹部并將本體70結(jié)合到芯部50而結(jié)合到完成的芯部。此結(jié)合可以通過本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的方式完成，例如通過使用粘合劑或者錫焊、銅焊或焊接等。例如，石英本體70可以被插入在壓力側(cè)62和/或吸力側(cè)66的凹部。如果分立本體70被組裝到芯部中，分立本體70可以任選地構(gòu)造以形成不同于機(jī)加工到鑄件中的其他冷卻孔的冷卻孔34。例如，分立本體70可以更大以便于操控/組裝。由擴(kuò)大的分立本體70產(chǎn)生的相對(duì)更大的氣膜冷卻孔可以僅僅比其他機(jī)加工的冷卻孔更大，或者可替代地，可以提供額外的功能，例如被設(shè)定尺寸以允許將灰塵從部件的內(nèi)部冷卻通道噴出。

盡管圖8示出了從芯部50的壓力側(cè)62上的芯部表面74延伸的氣膜孔突起64的橫截面，另一個(gè)或者多個(gè)其它氣膜孔突起64可以從芯部50的吸力側(cè)66延伸。在此種布置中，芯部50隨后可以與蠟?zāi)＞?8保持處于固定位置關(guān)系。這將限定芯部50和蠟?zāi)＞?8之間的間隙90，所述間隙90最終限定翼型件12的壁厚。氣膜孔突起64具有足夠的強(qiáng)度，從而當(dāng)芯部50由于熱應(yīng)力試圖改變其形狀時(shí)可以承受由芯部50產(chǎn)生的力。因此，芯部50的形狀被保持，且所述芯部相對(duì)于蠟?zāi)＞?8被保持在其合適的位置。這意味著間隙90的相應(yīng)尺寸在芯部50的所有周圍被保持，且這保持了蠟圖案腔體92的尺寸控制。由于間隙90限定了翼型件12的壁厚，使用此構(gòu)造保持更好的壁厚尺寸控制。

圖9-14繼續(xù)描述使用此處公開結(jié)構(gòu)的熔模鑄造過程。在圖9中，蠟被引入蠟圖案腔體92，蠟圖案94在芯部50和蠟?zāi)＞?8之間形成。在蠟圖案94的鑄造期間，氣膜孔突起64在芯部50和蠟?zāi)＞?8之間保持單個(gè)位置關(guān)系。在圖10中，蠟?zāi)＞?8被移除，留下芯部50和周圍的蠟圖案94。任何可能在端部面72上存在的蠟可以在此步驟中被移除，以保證端部面72和陶瓷殼體之間的良好接觸。在圖11中，芯部50和蠟圖案94被浸入陶瓷漿以形成陶瓷殼體96。端部面72暴露于陶瓷漿并因此與陶瓷殼體96相接，從而形成橋接芯部50和陶瓷殼體96的結(jié)構(gòu)。在示例實(shí)施例中，陶瓷殼體96結(jié)合到端部面72，從而形成整體式芯部50和陶瓷殼體96的布置。在此構(gòu)造中，其中芯部和陶瓷殼體兩者互相結(jié)合，不僅間隙90被保持，而且端部面72沿著陶瓷殼體96的內(nèi)部表面80的側(cè)向移動(dòng)也被阻止。這阻止了芯部50相對(duì)于內(nèi)部表面80的移動(dòng)，例如在圖11中向上或向下移動(dòng)，且因此在其之間保持更加嚴(yán)格的位置關(guān)系。

在圖12中，蠟圖案94從芯部50和陶瓷殼體96之間移除。這可以熱完成，或者經(jīng)由本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何方式完成。這留下了芯部50、陶瓷殼體96和在其之間限定的模具腔體98，其中模具腔體98通過氣膜孔突起64橋接。通過橋接此模具腔體98，氣膜孔突起64繼續(xù)保持芯部50與陶瓷殼體96處于單個(gè)位置關(guān)系。在圖13中，熔化金屬被注入模具腔體98中和氣膜孔突起64周圍。一旦凝固，這形成翼型件12的壁100。氣膜孔突起64再次保持芯部50和陶瓷殼體96處于固定位置關(guān)系，盡管當(dāng)相對(duì)熱的熔化金屬被澆注（或強(qiáng)制注入）到模具腔體98時(shí)可能產(chǎn)生熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。

在圖14中，芯部50和陶瓷殼體96通過化學(xué)浸出或者本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何其他技術(shù)移除。留下的是具有鑄造翼型件12的鑄造葉片10，所述鑄造翼型件具有壁100，在氣膜孔突起64先前定位的地方，所述壁具有鑄造氣膜冷卻孔102，所述鑄造氣膜冷卻孔具有成形的出口40。在此示例實(shí)施例中所示的鑄造氣膜冷卻孔102包括本體70的第二幾何形體84所布置處的擴(kuò)散器104。鑄造氣膜冷卻孔102或者通過此鑄造過程形成的孔可以只構(gòu)成形成氣膜冷卻孔34的圖案（即，排）所需要的氣膜冷卻孔34的部分，所述氣膜冷卻孔的圖案可以是更大的氣膜冷卻孔布置30的部分。完成期望圖案所需要的其余氣膜冷卻孔34可以在鑄造操作之后被機(jī)加工。換一種說法，在翼型件12中的氣膜冷卻孔34的圖案可以包括一個(gè)或更多個(gè)鑄造氣膜冷卻孔102以及在鑄造操作之后機(jī)加工到翼型件12中的氣膜冷卻孔。要讓此發(fā)生，氣膜孔突起64的選擇位置必須至少實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目標(biāo)。第一，必須保持處于固定位置關(guān)系。第二，由氣膜孔突起64的存在產(chǎn)生的鑄造氣膜冷卻孔102需要被布置為自然地形成預(yù)先計(jì)劃的氣膜冷卻孔圖案的部分。

使用鑄造冷卻孔和隨后機(jī)加工的冷卻孔的組合形成圖案的一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于，不止一個(gè)圖案和相關(guān)聯(lián)的氣膜冷卻布置30可以由單個(gè)鑄造構(gòu)造制造。例如，如果確定隨后的機(jī)加工冷卻孔應(yīng)當(dāng)具有減小或增大的直徑，此變化可以使用相同的芯部50適應(yīng)。例如當(dāng)給定的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)被升級(jí)以在更高的溫度下運(yùn)行從而提高效率時(shí)，可以期望增加的冷卻。在此情形中，葉片保持不變，但需要更多的冷卻。完成的升級(jí)葉片所需要的更多的冷卻可以通過在相同的鑄件中機(jī)加工不同或者更多的氣膜冷卻孔完成，所述相同的鑄件可以在升級(jí)之前用來制造用于發(fā)動(dòng)機(jī)的完成葉片。此外，如果確定需要更少的機(jī)加工氣膜冷卻孔，可以簡(jiǎn)單地不鉆不想要的孔。因此，此處公開的布置和方法提供了增加的靈活性。

從上文可以看出，發(fā)明者發(fā)明了一種獨(dú)特和創(chuàng)造性的定位布置，所述定位布置改進(jìn)了模具腔體的尺寸控制，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生從產(chǎn)生的翼型件的冷卻通道中泄漏空氣的結(jié)構(gòu)。結(jié)果是翼型件壁厚的改進(jìn)尺寸控制，以及形成氣膜冷卻孔所需的更少隨后機(jī)加工。因此，這代表了現(xiàn)有技術(shù)中的改進(jìn)。

盡管本發(fā)明的各種實(shí)施例在此被展示和描述，清楚的是，這些實(shí)施例僅通過示例的方法提供。可以在不偏離本發(fā)明的情況下做出各種變化、改變和替換。因此，本發(fā)明旨在僅被所附權(quán)利要求的精神和范圍限制。