本發(fā)明涉及鑄造方法，且更具而言，涉及鑄造型芯設(shè)備和用于移除鑄造型芯的方法。

背景技術(shù)：

諸如渦輪翼型件的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)構(gòu)件通常使用熔模鑄造過程來制造，在熔模鑄造過程中，熔化的金屬合金被引入在陶瓷殼和陶瓷型芯之間限定的模具腔中，且被允許凝固，從而形成完成的鑄件。

制造過程中的耗時(shí)的步驟是在鑄造完成之后移除型芯。這涉及利用苛性溶液(通常是溶于水的氫氧化鈉或氫氧化鉀)溶濾出陶瓷材料。將來，由于將使用更高的溫度、含釔的合金，從而需要無反應(yīng)性的鑄造型芯材料，諸如基于氧化鋁或基于氧化鋯的陶瓷，因而該挑戰(zhàn)將被放大。這些型芯材料比目前使用的基于硅石的材料溶濾得慢得多。

因此，仍然需要可容易溶濾出的型芯。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

該需要通過包括外皮和內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)的鑄造型芯來解決，該內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)包含空隙，以有助于溶濾劑的輸送。型芯可使用添加制造方法來制造。

本發(fā)明的第一技術(shù)方案提供了一種鑄造模具設(shè)備，包括：整體陶瓷型芯，其包括：外皮，其限定外表面；以及內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)，其配置在所述外皮的內(nèi)側(cè)，所述內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)限定多個(gè)空隙，所述多個(gè)空隙構(gòu)造成讓流體進(jìn)入所述型芯。

本發(fā)明的第二技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，所述型芯的所述內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)造為適應(yīng)所述型芯的熱膨脹和收縮。

本發(fā)明的第三技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，所述陶瓷材料是基于氧化鋁或基于氧化鋯的。

本發(fā)明的第四技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，所述內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)包括互連的壁的格柵。

本發(fā)明的第五技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，所述型芯具有翼型件形狀，且所述空隙相對于所述翼型件形狀沿翼展方向延伸穿過所述型芯。

本發(fā)明的第六技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，所述外表面是至少75%密實(shí)的。

本發(fā)明的第七技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，所述外表面是大于90%密實(shí)的。

本發(fā)明的第八技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，還包括：陶瓷材料的殼，其配置為至少部分地包圍所述型芯，使得為構(gòu)件形狀的模具腔限定在所述殼與所述型芯之間。

本發(fā)明的第九技術(shù)方案提供了一種形成用于鑄造金屬構(gòu)件的模具的方法，包括：使用添加制造過程，形成陶瓷材料的整體型芯，所述整體型芯包括外皮和配置在所述外皮內(nèi)側(cè)的內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)，所述內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)限定多個(gè)空隙，所述多個(gè)空隙構(gòu)造成讓流體進(jìn)入所述型芯。

本發(fā)明的第十技術(shù)方案是在第九技術(shù)方案中，所述添加制造過程包括立體光刻。

本發(fā)明的第十一技術(shù)方案是在第九技術(shù)方案中，所述陶瓷材料包括氧化鋁或氧化鋯中的至少一種。

本發(fā)明的第十二技術(shù)方案是在第九技術(shù)方案中，所述外表面是至少75%密實(shí)的。

本發(fā)明的第十三技術(shù)方案是在第九技術(shù)方案中，所述外表面是大于90%密實(shí)的。

本發(fā)明的第十四技術(shù)方案是在第九技術(shù)方案中，在所述添加制造過程期間，利用支撐材料填充所述空隙，所述支撐材料在當(dāng)所述添加制造過程完成之后被移除。

本發(fā)明的第十五技術(shù)方案是在第十四技術(shù)方案中，所述支撐材料是未固化的陶瓷材料。

本發(fā)明的第十六技術(shù)方案是在第九技術(shù)方案中，還包括：形成陶瓷材料的殼；以及將所述殼定位在至少部分地包圍所述型芯的位置，使得為構(gòu)件形狀的模具腔限定在所述殼與所述型芯之間。

本發(fā)明的第十七技術(shù)方案是在第十六技術(shù)方案中，還包括：將熔化的金屬合金引入到所述模具腔中；允許所述金屬合金冷卻和凝固；以及通過將苛性材料引入到所述型芯的所述空隙中來移除所述型芯。

本發(fā)明的第十八技術(shù)方案是在第十七技術(shù)方案中，所述苛性材料包括氫氧化鈉和氫氧化鉀中的至少一種。

附圖說明

可通過參照結(jié)合附圖作出的下列描述來最好地理解本發(fā)明，在附圖中：

圖1是燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的高壓渦輪葉片的示意透視圖；

圖2是用于鑄造圖1的渦輪葉片的模具的示意截面圖；

圖3是圖2中示出的型芯的放大圖；以及

圖4是備選型芯和渦輪葉片的透視、部分剖開視圖。

部件列表

10渦輪葉片

12燕尾件

14柄部

16平臺

18翼型件

20根部

22末梢

24壓力側(cè)壁

26吸力側(cè)壁

28前緣

30后緣

32后緣冷卻孔

34末梢帽

36聲響器末梢

38吸力側(cè)末梢壁

40壓力側(cè)末梢壁

44膜冷卻孔

46模具

48型芯

50殼

52模具腔

54石英棒

56外表面

62空隙

58外皮

60內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)

64壁

66相交處

48'型芯

10'渦輪葉片

58'外皮

60'內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)

64'支柱

62'空隙。

具體實(shí)施方式

參考附圖，在附圖中，相同的參考標(biāo)號貫穿各種視圖指示相同的元件，圖1例示示例性渦輪葉片10。在本文中描述了用于鑄造金屬構(gòu)件(諸如渦輪葉片10)的方法和設(shè)備、需要內(nèi)部去型芯以形成內(nèi)部特征的過程。渦輪葉片10是可利用本發(fā)明的原理來制造的需要此種去型芯的多種構(gòu)件的僅一個(gè)示例。

渦輪葉片10包括常規(guī)燕尾件12，該燕尾件12可具有任何合適的形式，包括柄腳(tang)，該柄腳接合轉(zhuǎn)子盤(未示出)中的燕尾槽道的互補(bǔ)的柄腳，以用于在葉片10在操作期間旋轉(zhuǎn)時(shí)將葉片10固持于盤。葉片柄部14從燕尾件12徑向向上延伸，且在平臺16中終止，平臺16從柄部14側(cè)向向外突出且圍繞柄部14。中空翼型件18從平臺16徑向向外延伸且延伸到熱氣體流中。翼型件具有在平臺16和翼型件18的結(jié)合處的根部20，和在其徑向外端處的末梢22。翼型件18具有在前緣28處和在后緣30處連結(jié)在一起的凹入的壓力側(cè)壁24和凸出的吸力側(cè)壁26。翼型件18可采用適用于從熱氣體流提取能量且導(dǎo)致轉(zhuǎn)子盤旋轉(zhuǎn)的任何構(gòu)造。翼型件18可并入多個(gè)后緣冷卻孔32，或者其可并入在翼型件18的壓力側(cè)壁24上的多個(gè)后緣泄放槽道(未示出)。翼型件18的末梢22由末梢帽34封鎖，末梢帽34可與翼型件18一體或分開地形成且附接于翼型件18。豎立的聲響器末梢(squealertip)36從末梢帽34徑向向外延伸，且在組裝后的發(fā)動機(jī)中配置在靜止護(hù)罩(未示出)的附近，以便使經(jīng)過末梢22的空氣流損失最小化。聲響器末梢36包括以與壓力側(cè)末梢壁40間隔開的關(guān)系配置的吸力側(cè)末梢壁38。末梢壁40和38與翼型件18一體且分別形成壓力和吸力側(cè)壁24和26的延伸部。壓力和吸力側(cè)末梢壁40和38的外表面分別與壓力和吸力側(cè)壁24和26的外表面形成連續(xù)的表面。多個(gè)膜冷卻孔44經(jīng)過翼型件18的外部壁。膜冷卻孔44與翼型件18的中空內(nèi)部空間(未示出)連通，該中空內(nèi)部空間可包括由內(nèi)部壁限定的復(fù)雜的冷卻通道布置，諸如蛇形構(gòu)造。

為了具有足夠的蠕變破裂和疲勞強(qiáng)度，且為了對抗熱腐蝕和氧化，渦輪葉片10可由通常稱為“超級合金”的具有良好的高溫蠕變抗性的材料(諸如鎳基合金和鈷基合金)制成。

參照圖2，渦輪葉片10可使用鑄造方法來形成，在該方法中，模具46被組裝為包括型芯48和殼50，它們協(xié)作以在其間限定模具腔52。型芯48和殼50可使用石英棒54或其他適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)來跨過其間的間隙，從而相對于彼此固定在合適的位置中。在準(zhǔn)備模具46之后，將熔化的金屬引入模具腔52中，且然后允許其冷卻和凝固。然后，通過破碎、溶解、或溶濾來移除模具46。一般來說，型芯48對于破碎而言是無法物理地接近的，且因此，可通過溶濾，通過使型芯與苛性材料接觸來移除。苛性材料的非限制性示例包括溶于水的氫氧化鈉和氫氧化鉀。

圖3更詳細(xì)地例示了型芯48。型芯48是具有外表面56的一體或整體結(jié)構(gòu)，外表面56限定期望構(gòu)件的形狀(或者換言之，為期望的正構(gòu)件的負(fù)形式)。在該具體示例中，型芯48大體上是翼型件形的。優(yōu)選地，外表面56具有平滑的表面光潔度，由此需要所得的構(gòu)件的表面的較少的鑄造后精整，或者不需要鑄造后精整。為了最好的表面光潔度，外表面56優(yōu)選地為高度密實(shí)的，即，其具有低孔隙度。外表面56可接近100%密實(shí)。例如，外表面可大于90%密實(shí)(即，小于10%孔隙度)。適用于此過程的至少一種已知的陶瓷材料具有大于95%的表面密實(shí)度。在低于近似75%密實(shí)度的情況下，所得的鑄件的表面光潔度將是顯著更粗糙的，但溶濾速率將更高。取決于特定的應(yīng)用，低如近似50%的表面密實(shí)度可帶來可接受的表面光潔度。

型芯48的遠(yuǎn)離外表面56的內(nèi)部并入受控的大孔隙度。如在本文中所使用的，“大孔隙度”指大水平孔隙、腔、通路、孔、或其他空隙62的存在?？障?2的目的是在型芯移除期間促進(jìn)液體形式的苛性溶濾劑的滲透。為了有效，溶濾劑必須直接接觸陶瓷材料。因此，空隙62可布置成使得型芯48的任何部分都不具有比預(yù)先限定的尺寸“t”大的壁厚，其中厚度t是基于溶濾劑的作用速率和完成溶濾過程期望的時(shí)間來選擇的。

型芯48還可以描述為具有外皮58和內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)60。外皮58限定外表面56，且足夠厚以耐受鑄造過程期間的扭曲和損傷。內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)60配置在外皮58的外圍內(nèi)側(cè)，且包括限定空隙62的結(jié)構(gòu)元件。

在例示的示例中，內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)60構(gòu)造為跨過外皮56的內(nèi)部且在多個(gè)相交處66相遇的多個(gè)間隔件或壁64。在該示例中，壁64和空隙62沿翼展方向延伸，從而允許在與翼型件18的根部20或末梢22對應(yīng)的部位處引入溶濾劑，且允許溶濾劑遍布型芯48的翼展方向范圍流動。

除了有助于液體溶濾劑到型芯48中和離開型芯48的輸送，內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)60可構(gòu)造為對型芯48提供結(jié)構(gòu)支撐，包括確保在鑄造過程期間經(jīng)歷高應(yīng)力的區(qū)域中的機(jī)械支撐，并且/或者控制型芯48在鑄造過程期間的熱膨脹。內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)60可采取任何適合的形式，包括壁、間隔件、棒、支柱、或梁的二維或三維陣列。內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)60的元件可布置為格柵或結(jié)構(gòu)桁架。圖4例示由渦輪葉片10'的一部分包圍的型芯48'的示例。型芯48'包括外皮58'和內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)60'，內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)60'包括支柱64'的三維格柵，從而限定空隙62'。

型芯48由當(dāng)暴露于處于高溫的熔化的金屬合金時(shí)能夠維持結(jié)構(gòu)整體性的耐火材料構(gòu)造成。例如，型芯48可由實(shí)心陶瓷材料形成。陶瓷的非限制性示例包括基于硅石、氧化鋁、和氧化鋯的那些。諸如基于氧化鋁和基于氧化鋯的陶瓷的材料被認(rèn)為與上述金屬合金不反應(yīng)。

型芯48可使用添加制造過程來建造?！疤砑又圃臁笔窃诒疚闹杏糜诿枋鋈缦逻^程的用語，該過程涉及一層一層構(gòu)造或添加制作(與和常規(guī)加工過程一樣的材料移除相反)。此種過程還可稱為“快速制造過程”。添加制造過程包括但不限于：激光近凈成形制造(lnsm)、電子束燒結(jié)、選擇性激光燒結(jié)(sls)、3d打印(諸如通過噴墨打印機(jī)和激光打印機(jī)、微筆沉積)、立體光刻(sla)、電子束熔化(ebm)、和激光工程化近凈成形(lens)。在這些過程之中，sla尤其已知用于產(chǎn)生良好的表面光潔度，即，具有低表面粗糙度的表面。

在型芯48的建造過程期間，可用支撐材料填充空隙62。例如，諸如蠟或熱塑性塑料的材料可與陶瓷材料同時(shí)地或交替地沉積。備選地，支撐材料可包括保持未固化的陶瓷材料。在任一情況下，應(yīng)在制造過程完成之后移除支撐材料，從而留下空隙62?？蛇x地，型芯48和殼50可作為單個(gè)添加建造周期的一部分同時(shí)地建造。

上述設(shè)備和方法具有若干優(yōu)點(diǎn)。利用添加制造方法直接生產(chǎn)核心允許密實(shí)度的受控的變化。具有相對空閑的格柵狀內(nèi)部的密實(shí)皮的設(shè)置提供機(jī)械強(qiáng)度以及用于浸漬溶濾劑的路徑二者。這通過加速在鑄造完成之后溶濾出型芯的過程而具有與現(xiàn)有技術(shù)方法相比顯著地減少過程周期時(shí)間的潛能。

前面已描述了鑄造型芯設(shè)備和鑄造方法。在本說明書(包括任何所附權(quán)利要求、摘要和圖)中公開的所有特征，和/或由此公開的任何方法或過程的所有步驟，可以以任何組合方式(除了此種特征和/或步驟中的至少一些互斥的組合方式之外)組合。

在本說明書(包括任何所附權(quán)利要求、摘要和圖)中公開的各特征可由用于相同、等同或類似目的的備選特征替換，除非另外明確地聲明。因此，除非另外清楚地聲明，否則公開的各特征僅是等同或類似特征的通用系列的一個(gè)示例。

本發(fā)明不限于前述(多個(gè))實(shí)施例的細(xì)節(jié)。本發(fā)明擴(kuò)展至在本說明書(包括任何所附權(quán)利要求、摘要或圖)中公開的特征中的任一新穎特征或任何新穎的組合，或者擴(kuò)展至由此公開的任何方法或過程的步驟中的任一新穎特征或任何新穎的組合。