專利名稱：用于精密熔模鑄造中的復(fù)合芯的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熔模鑄造芯，并且特別是涉及由陶瓷和難熔的金屬成分的復(fù)合物形成的熔模鑄造芯。
熔模鑄造是用于形成具有復(fù)雜的幾何形狀的金屬部件的常用的技術(shù)，諸如用于廣泛地用于飛機(jī)推進(jìn)裝置、發(fā)電、和船舶推進(jìn)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片。
在所有的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用中，效率是主要的目的。改進(jìn)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)效率可以通過在更高的溫度下運(yùn)轉(zhuǎn)來獲得。然而，通用的運(yùn)轉(zhuǎn)溫度在這樣的水平，即，在渦輪部分中，使用的超耐熱合金材料具有受限的機(jī)械性能。因此，為在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的最熱的部分，典型的在渦輪部分中的部件提供空氣冷卻是通常的慣例。通過使相對(duì)冷的空氣從發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮機(jī)部分通過在要被冷卻的渦輪部件中的通道流動(dòng)來提供冷卻?？梢岳斫?，伴隨冷卻發(fā)生的是有關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī)效率的損失，并且因此，強(qiáng)烈地希望提供增強(qiáng)的特定冷卻方法，來最大化自給定的量的冷卻空氣獲得的冷卻的量。
雖然渦輪葉片和槳葉為要冷卻的最重要的部件中的一部分，其它部件，諸如燃燒室和葉片外部空氣密封件，也需要冷卻，并且本發(fā)明具有對(duì)所有冷卻的渦輪硬件的應(yīng)用，并且實(shí)際上對(duì)所有復(fù)雜的鑄造物品的應(yīng)用。
在其中具有空腔的翼片的制造中使用的傳統(tǒng)的芯由陶瓷材料制造，但是這樣的陶瓷芯是易碎的，特別是用于制造在高級(jí)的硬件中的小的復(fù)雜的冷卻通道的高級(jí)的芯。這樣的陶瓷芯易于在制造和鑄造期間翹曲和破裂。在一些高級(jí)的試驗(yàn)的葉片設(shè)計(jì)中，獲得小于10％的鑄造產(chǎn)量，這主要地由于芯故障。
傳統(tǒng)的陶瓷芯通過使用陶瓷漿和異形模的模制過程生產(chǎn)；注模和傳遞制技術(shù)法兩者都可以使用。最通常的模型材料為蠟，雖然塑料、低熔點(diǎn)金屬、和諸如尿素的有機(jī)化合物也可以使用。殼模通過使用硅膠粘合劑來將陶瓷顆粒粘合在一起形成，陶瓷顆?？梢詾檠趸X、硅石、氧化鋯和硅酸鋁。
簡(jiǎn)要地描述用于使用陶瓷芯制造渦輪葉片的熔模鑄造過程，具有內(nèi)部冷卻通道希望的幾何形狀的陶瓷芯放置在金屬模具中，金屬模具的壁圍繞該芯，但是通常間隔離開該芯。該模具充滿一次性的模型材料，諸如蠟。該模具被除去，剩下嵌入在蠟?zāi)Ｐ椭械奶沾尚?。通過將該模型浸在陶瓷漿中并且隨后向漿中施加較大的、干燥的陶瓷顆粒，外部的殼模隨后圍繞蠟?zāi)Ｐ托纬?。此過程術(shù)語稱為撒砂。隨后干燥包含該芯的被撒砂的蠟?zāi)Ｐ停⑶抑貜?fù)撒砂過程以提供希望的殼模壁厚度。這里模子完全地干燥并且加熱到高的溫度來去除蠟材料并且加強(qiáng)陶瓷材料。
結(jié)果為包含陶瓷芯的陶瓷模子，其聯(lián)合限定了模子腔?？梢岳斫?，芯的外部限定了鑄件中形成的通道，并且殼模的內(nèi)部限定了要制造的超耐熱合金鑄件的外部尺寸。該芯和殼也可以限定鑄件部分，諸如鑄口和冒口，其是鑄造過程必需的，但不是最終的鑄造部件的一部分。
在去除蠟以后，熔化的超耐熱合金材料灌注到由殼模和芯組件限定的腔內(nèi)，并且凝固。該模子和芯隨后通過機(jī)械的和化學(xué)方式的聯(lián)合來從超耐熱合金鑄件去除，諸如通過浸濾。
如以前提到的，傳統(tǒng)的陶瓷芯傾向于限制鑄件設(shè)計(jì)，因?yàn)樗鼈兊囊姿樾院完P(guān)于可接受的鑄造產(chǎn)量的限制，特別是關(guān)于具有小尺寸的芯。
為了克服該局限性，提出使用難熔的金屬元件用于芯。該難熔的金屬元件可以通過它們自己或者與陶瓷元件結(jié)合來形成復(fù)合物來使用。此方法在美國專利出版物No.US2003/0075300A1中描述，其轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的共同的受讓人并且其在這里作為參考引入。
使用難熔的金屬元件所遇到的問題之一為，當(dāng)難熔的金屬元件的總的數(shù)量增加時(shí)，定位并且將它們接附在相關(guān)的陶瓷元件上的復(fù)雜性也增加。此外，這些難熔的金屬元件中的一些是小并且易碎的，使得容易被損壞并且從而降低了收獲率。
與這樣的復(fù)合芯聯(lián)系在一起的另一個(gè)問題為，在將模具充滿蠟以前，在模具內(nèi)適當(dāng)?shù)囟ㄎ徊⑶冶３炙鼈兊奈恢?。迄今這已經(jīng)通過使用通常所說的“印出物(print out)”或者柄實(shí)現(xiàn)，其為陶瓷芯的延伸部分，其延伸超出要充滿蠟的腔。通常，由于在懸臂式的布局中所必要的陶瓷材料的脆弱性和易碎性，這些陶瓷印出物的數(shù)量和位置已經(jīng)非常有限。

發(fā)明內(nèi)容
簡(jiǎn)要地，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，通過將多個(gè)難熔的金屬元件組成單個(gè)難熔的金屬元件，減少了在芯中使用的難熔的金屬元件的數(shù)量。這樣，由于減小了難熔的金屬元件的數(shù)量和減少了它們單獨(dú)定位并且接附在相關(guān)的陶瓷元件上的需要，充分地減少了制造成本。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，小的和易碎的難熔的金屬元件被其它難熔的金屬元件代替，其延伸到它們的位置，使得可充當(dāng)全部?jī)煞N難熔的金屬元件。在一個(gè)實(shí)施例中，這通過從陶瓷元件的頂部代替難熔的金屬元件來實(shí)現(xiàn)，通過在陶瓷元件的后緣延伸該難熔的金屬元件以延伸進(jìn)入與陶瓷元件的頂部相關(guān)的區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，通過延伸超出腔的區(qū)域，難熔的金屬元件可以用作印出物，為了制造蠟?zāi)Ｐ?，蠟可以引入該腔?nèi)。在一種形式中，多個(gè)印出物延伸進(jìn)入相鄰的邊緣，以由此改進(jìn)在蠟鑄造過程期間定位和保持芯在適當(dāng)?shù)奈恢玫倪^程。
在如下文中描述的圖中，示出了優(yōu)選的實(shí)施例；然而，各種各樣的其它修改和供替換的結(jié)構(gòu)可以由此在不偏離本發(fā)明的真正的精神和范圍的情況下實(shí)現(xiàn)。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的蠟鑄造之后的復(fù)合芯。
圖2為示出了其頂部和后緣部分的等距視圖。
圖3為鑄造之前的其頂部和后緣部分的正視圖。
圖4為其頂視圖。
圖5為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的復(fù)合芯的頂部部分。
圖6為本發(fā)明的替換的實(shí)施例。
圖7為由使用本發(fā)明產(chǎn)生的翼片的等距視圖。
圖8為沿圖7中的線8-8看的其截面圖。
圖9為本發(fā)明的替換的實(shí)施例。
圖10為沿圖9中的線10-10看的其截面圖。
圖11為沿圖9中的線11-11看的其截面圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參考圖1，本發(fā)明總的以10示出，應(yīng)用于復(fù)合芯11，其包括陶瓷元件12和難熔的金屬元件13。
如對(duì)于熔模鑄造過程典型的，該芯放置在金屬模具內(nèi)，該金屬模具的模子圍繞該芯并且它們之間的空間充滿蠟。該模具隨后被除去，并且復(fù)合芯11嵌入在蠟?zāi)Ｐ?4內(nèi)部，如圖1中所示。
如可以在圖1-4中看到的，該復(fù)合芯元件11具有頂部緣16和相鄰的后緣17。如圖4中所示，在后緣17內(nèi)形成槽18，使得容納難熔的金屬元件13的前緣19。難熔的金屬元件前緣19通過各種各樣的方法中的任意方法，諸如通過粘合劑或類似物固定在槽18內(nèi)。圖3和4示出了在鑄造過程之前，陶瓷元件12和難熔的金屬元件13的結(jié)合，并且圖1和2示出了鑄造過程之后的結(jié)合。
如可以在圖2中看到的，難熔的金屬元件13的大部分布置在蠟?zāi)Ｐ?4內(nèi)部，但是存在延伸超出蠟?zāi)Ｐ?4的部分。即，后緣部分21延伸超出蠟?zāi)Ｐ?4的后緣22，并且頂部部分23延伸超出蠟?zāi)Ｐ?4的頂部緣24。該后緣部分21和頂部部分23稱作“印出物”并且用于在鑄造過程期間定位和固定該復(fù)合芯在適當(dāng)?shù)奈恢?。在這個(gè)方面，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到單個(gè)難熔的金屬元件13提供了后緣部分21和頂部部分23兩者，使該兩者在大致正交的方向延伸，以用于此目的。這不但提供了改進(jìn)的定位和保持性能，而且改進(jìn)了強(qiáng)度性能。
如可以在圖1和2中看到的，難熔的金屬元件13的頂部部分23包括嵌入在蠟?zāi)Ｐ?4內(nèi)的部分26，和延伸超出蠟?zāi)Ｐ?4的頂部緣24的另一個(gè)部分27。該非嵌入的部分27可用于定位和保持該芯，如在上文描述的。該嵌入的部分26用作陶瓷芯的一部分，當(dāng)通過浸濾過程或類似過程除去時(shí)，其在超耐熱合金鑄件內(nèi)形成腔。為了理解此嵌入部分26的重要性，參考如圖5中所示的現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計(jì)。
如在圖5中示出的為復(fù)合芯28嵌入蠟?zāi)Ｐ?9。該復(fù)合芯包括陶瓷芯元件31和難熔的金屬元件32。該陶瓷芯部分31具有頂部緣33和后緣34。該難熔的金屬元件32如示出的在其頂部緣33接附在陶瓷芯元件31上，并且具有部分36，其在陶瓷芯元件31的后緣34上方懸臂伸出。因此，可以看到現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計(jì)包括易碎的懸臂式部分36，其在鑄造過程中非常易被損壞。
再次參考如圖1-4中所示的本設(shè)計(jì)，可以看到，圖5中的接附在陶瓷元件頂部緣33上并且包括易碎的懸臂式部分36的難熔的金屬元件32被本發(fā)明的難熔的金屬元件13的嵌入的部分26代替。此部分26為布置在難熔的金屬元件13的堅(jiān)固的主體和其的更堅(jiān)固的非嵌入的部分27之間的堅(jiān)固的部分。這樣，單個(gè)難熔的金屬元件13在其后緣提供到陶瓷芯元件的延伸物，同時(shí)，延伸超出陶瓷元件12的頂部緣16，以代替難熔的金屬元件32，否則難熔的金屬元件32將從它的頂部緣32伸出。
應(yīng)該理解，難熔的金屬元件13可以使用各種各樣的形狀中的任意形狀，以在最終的鑄件中形成底座、釋放帶、銷、片或其它熱傳遞增強(qiáng)零件。如圖1-3中所示，為此目的，一排小圓柱體37從主體伸出。
如圖1-3所示，難熔的金屬元件13的頂部部分23為單個(gè)伸出部分。圖6示出了其變化，其中頂部部分23包括一對(duì)隔開的延伸物38和39，每個(gè)延伸物具有嵌入的和非嵌入的部分，如示出的。
在用超耐熱合金材料形成翼片的過程中，在蠟?zāi)Ｐ鸵呀?jīng)除去并且被融化的超耐熱合金金屬代替以后，包括陶瓷元件和難熔的金屬元件兩者的復(fù)合芯通過浸濾過程或類似過程除去。所得的翼片如圖7中所示，其中翼片41包括頂部退出槽42，如示出的。從而，冷卻空氣進(jìn)入以前被難熔的金屬元件13占據(jù)的內(nèi)部腔，并且從頂部退出槽42出去。
在圖8中，示出了沿圖7中的線8-8看的截面，其中包括了沉孔型零件43，來減小在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的情況期間，頂部退出槽42被堵住的可能。(即，由于與配合面摩擦接觸造成的葉片上的沾污。)現(xiàn)在參考圖9-11，其中示出了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，其中如示出的復(fù)合芯元件43結(jié)合到用于葉片的蠟?zāi)Ｐ椭?，并且具有翼片部?4和平臺(tái)部分46。當(dāng)然，該平臺(tái)部分為用于將葉片固定到諸如盤(沒有示出)的旋轉(zhuǎn)部件上的部分。復(fù)合芯43包括陶瓷元件47和難熔的金屬元件48。形成復(fù)合芯元件43的該兩者的結(jié)合嵌入到蠟?zāi)Ｐ?9內(nèi)部。
如可以看到的，陶瓷芯元件47為單個(gè)元件，其包括翼片部分44和平臺(tái)部分46。此外，勝于翼片部分44和平臺(tái)部分46中的每個(gè)具有其單獨(dú)的難熔的金屬部分，單個(gè)難熔的金屬元件49延伸通過陶瓷芯元件47的翼片部分44，并且隨后向外在正交的方向延伸，以通過陶瓷芯元件47的平臺(tái)部分46，如在圖10中示出的。這樣，單個(gè)難熔的金屬元件48用于翼片部分44和平臺(tái)部分46全部?jī)烧呱?，使得最終的葉片將在平臺(tái)氣體通道表面上以及在葉片氣體通道表面上都具有退出槽。由于難熔的金屬元件48的平臺(tái)腿可以固定到其葉片部分上，該平臺(tái)部分可以直接保持到陶瓷芯元件47上，從而增加鑄造穩(wěn)定性。
如在圖11中示出的，難熔的金屬元件48使得其一端52固定在陶瓷芯元件47的槽53內(nèi)，隨后難熔的金屬元件48通過蠟?zāi)Ｐ?9，其將成為翼片壁，并且隨后通過蠟?zāi)Ｐ?9伸出來形成延伸物54。隨后，當(dāng)蠟?zāi)Ｐ?9已經(jīng)被除去并且用超耐熱合金金屬代替，以及難熔的金屬元件48已經(jīng)被浸濾出去時(shí)，留下用于冷卻空氣從其中流過的通道。
雖然已經(jīng)參考如在圖中示出的優(yōu)選的和替換的實(shí)施例來詳細(xì)地示出和描述了本發(fā)明，應(yīng)該理解，對(duì)于本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員，可以在不偏離如通過權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的真正的精神和范圍的情況下實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)上的各種各樣的變化。
權(quán)利要求
1.一種用于在熔模鑄造中制造內(nèi)部腔的復(fù)合芯，其包括陶瓷元件，其具有布置在平面上的頂部緣和后緣；難熔的金屬元件，其接附在所述陶瓷元件的后緣上，并且延伸通過所述頂部緣平面。
2.如權(quán)利要求1中所述的復(fù)合芯，其中，所述難熔的金屬元件不但延伸通過所述頂部緣平面，而且進(jìn)一步通過其中將在最終鑄造時(shí)布置內(nèi)部腔的空間。
3.如權(quán)利要求1中所述的復(fù)合芯，其中，所述難熔的金屬元件大致通常從所述陶瓷元件的后緣延伸，并且延伸通過其中將在最終鑄造時(shí)布置內(nèi)部腔的空間。
4.如權(quán)利要求2中所述的復(fù)合芯，其中，所述難熔的金屬元件大致通常從所述陶瓷元件的后緣延伸，并且延伸通過其中將在最終鑄造時(shí)布置內(nèi)部腔的空間。
5.一種用于熔模鑄造過程以制造使復(fù)合芯嵌入其中的蠟鑄件的復(fù)合芯，其包括陶瓷元件，其具有布置在平面上的頂部緣和后緣；難熔的金屬元件，其接附在所述陶瓷元件的后緣上，并且延伸通過所述頂部緣平面。
6.如權(quán)利要求5中所述的復(fù)合芯，其中，所述難熔的金屬元件不但延伸通過所述頂部緣平面，而且通過所述蠟鑄件以提供柄，用于在鑄造過程期間放置復(fù)合芯。
7.如權(quán)利要求5中所述的復(fù)合芯，其中，所述難熔的金屬元件大致通常從所述陶瓷元件的后緣延伸，并且延伸通過所述蠟鑄件以提供柄，用于在鑄造過程期間放置復(fù)合芯。
8.如權(quán)利要求6中所述的復(fù)合芯，其中，所述難熔的金屬元件大致通常從所述陶瓷元件的后緣延伸，并且延伸通過所述蠟鑄件以提供柄，用于在鑄造過程期間放置復(fù)合芯。
9.如權(quán)利要求5中所述的復(fù)合芯，其中，所述陶瓷元件包括第一部分和第二部分，所述第一部分通常在一個(gè)方向延伸，并且所述第二部分在與其大致正交的方向延伸，并且進(jìn)一步的，其中，所述難熔的金屬元件為大致L形，并且延伸通過所述第一和所述第二部分兩者。
10.如權(quán)利要求9中所述的復(fù)合芯，其中，所述第一部分為翼片部分，并且所述第二部分為平臺(tái)部分。
11.如權(quán)利要求9中所述的復(fù)合芯，其中，所述難熔的金屬元件不但延伸通過所述復(fù)合芯，而且通過所述蠟?zāi)Ｐ鸵蕴峁┍?，用于在鑄造過程期間放置復(fù)合芯。
12.一種用于熔模鑄造過程以制造使復(fù)合芯嵌入其中的蠟鑄件的復(fù)合芯，其包括陶瓷元件，其具有第一部分和第二部分，所述第一部分通常在一個(gè)方向延伸，并且所述第二部分在與其大致正交的方向延伸；并且單個(gè)難熔的金屬元件接附在所述第一和第二部分兩者上。
13.如權(quán)利要求12中所述的復(fù)合芯，其中，所述難熔的金屬元件為大致L形。
14.如權(quán)利要求12中所述的復(fù)合芯，其中，所述第一部分為翼片部分，并且所述第二部分為平臺(tái)部分。
15.如權(quán)利要求12中所述的復(fù)合芯，其中，所述難熔的金屬部分通過所述第一和第二部分。
16.如權(quán)利要求15中所述的復(fù)合芯，其中，所述難熔的金屬部分進(jìn)一步通過所述蠟?zāi)Ｐ鸵蕴峁┍?，用于在鑄造過程中放置復(fù)合芯。
全文摘要
用于熔模鑄造過程的復(fù)合芯，該芯由陶瓷部分和難熔的金屬部分組成，該難熔的金屬部分布置為使得執(zhí)行多個(gè)這樣的難熔的金屬元件的功能。特別是，接附在陶瓷元件的后緣上的難熔的金屬元件延伸超出該陶瓷元件的頂部端的平面，使得代替否則從該陶瓷的頂部緣延伸的難熔的金屬元件。該難熔的金屬元件還在頂部端的方向和后緣的方向上延伸超出要被蠟鑄件占據(jù)的空間，使得在鑄造過程期間促進(jìn)該芯的改進(jìn)的放置和固定。進(jìn)一步的實(shí)施例使用單個(gè)的難熔的金屬元件，其延伸進(jìn)入翼片部分和其的正交延伸的平臺(tái)部分。
文檔編號(hào)B22C9/10GK1745938SQ200510076549
公開日2006年3月15日 申請(qǐng)日期2005年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月9日
發(fā)明者J·D·維德默, K·A·桑特萊爾 申請(qǐng)人:聯(lián)合工藝公司