使用光刻模制技術(shù)在部件上制造表面冷卻通道的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開使用光刻模制技術(shù)在部件上制造表面冷卻通道的方法。所述方法包括通過芯段的柔性模具鑄造陶瓷芯件，并且通過第一殼體區(qū)段和第二殼體區(qū)段的對應(yīng)柔性模具鑄造成至少兩個區(qū)段的陶瓷殼體。隨后，通過在所述陶瓷殼體區(qū)段內(nèi)組裝所述陶瓷芯件形成陶瓷鑄造容器。將金屬基底材料鑄造到所述陶瓷鑄造容器中。移除所述陶瓷鑄造容器，使其中設(shè)有內(nèi)部通路、與所述內(nèi)部通路流體連通的一個或多個冷卻通道以及與所述一個或多個冷卻通道流體連通的一個或多個表面凹槽的所述部件的基底露出。
【專利說明】使用光刻模制技術(shù)在部件上制造表面冷卻通道的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體涉及如燃氣渦輪機系統(tǒng)的渦輪機系統(tǒng)，并且更為具體地說，涉及渦輪機系統(tǒng)中的微通道冷卻。
【背景技術(shù)】
[0002]在燃氣渦輪發(fā)動機中，空氣是在壓縮機中進行加壓并且在燃燒器中與燃料混合，用以生成高溫燃燒氣體。從高壓渦輪機(HPT)中的氣體所抽取的能量為壓縮機提供動力，并且從低壓渦輪機(LPT)中的氣體所抽取的能量為渦輪風(fēng)扇飛機發(fā)動機應(yīng)用中的風(fēng)扇提供動力或者為船舶和工業(yè)應(yīng)用中的外軸提供動力。
[0003]在燃氣渦輪發(fā)動機的運行過程中，燃燒氣體溫度可以超過3，000° F，大大高于發(fā)動機的接觸這些氣體的金屬零件的熔融溫度。這些發(fā)動機的在高于金屬零件熔融溫度的氣體溫度下的運行是眾所周知的，并且部分是取決于通過各種方法將冷卻空氣供應(yīng)到金屬零件的外表面。這些發(fā)動機中的金屬零件就是形成燃燒器的金屬零件并且位于燃燒器的后端上，其尤其受到高溫影響，因此要求尤其注意對此類金屬零件的冷卻。
[0004]發(fā)動機的效率隨著燃燒氣體溫度增加。然而，燃燒氣體沿著各自流路加熱各種部件，這又要求冷卻所述部件以便延長發(fā)動機的壽命。通常，熱氣路徑部件通過來自壓縮機的排出空氣來冷卻。由于所述排出空氣并未用于燃燒過程，因此，這個冷卻過程使得發(fā)動機的效率降低。
[0005]燃氣渦輪發(fā)動機冷卻技術(shù)是已經(jīng)成熟的，并且包括針對各種熱氣路徑部件中的冷卻回路和特征的各種方面的多項專利。例如，燃燒器包括徑向外襯和徑向內(nèi)襯，這兩者都要求在運行過程中進行冷卻。渦輪機的噴嘴包括支撐在外帶與內(nèi)帶之間的空心輪葉，它也需要冷卻。渦輪機的轉(zhuǎn)子葉片是空心的并且其中通常包括冷卻回路，所述葉片是由渦輪機防護罩環(huán)繞，所述渦輪機防護罩同樣需要冷卻。熱的燃燒氣體穿過排氣裝置排放出來，所述排氣裝置也可設(shè)有襯墊并且進行適當(dāng)冷卻。
[0006]在所有這些示例性燃氣渦輪發(fā)動機部件中，通常使用高強度超合金金屬制成薄金屬壁來增強耐久性，同時使此類部件的冷卻需要最小化。各種冷卻回路和特征針對發(fā)動機中處于各自環(huán)境中的這些單獨部件進行調(diào)整。例如，可以在熱氣路徑部件中形成一系列的內(nèi)部冷卻通道、即蛇形通道?？梢詫⒗鋮s流體從加壓腔室提供到蛇形通道中，并且所述冷卻流體可以流經(jīng)所述通道，從而冷卻熱氣路徑部件基底以及涂層。然而，這種冷卻策略通常導(dǎo)致傳熱速率相對較低并且導(dǎo)致部件溫度分布不均。
[0007]采用微通道冷卻技術(shù)具有大大降低冷卻要求的潛力。微通道冷卻使冷卻盡可能地接近加熱區(qū)域，由此，在傳熱速率給定情況下，使承載基底材料的熱側(cè)與冷測之間的溫度差值減小。然而，用于形成微通道的現(xiàn)有技術(shù)通常要求使用鑄后加工(post-castingmachining)形成微通道和冷卻劑供送孔。鑄后加工可能涉及損壞過程并且通常要求較長時間。
[0008]因此，將會需要提供一種用于在熱氣路徑部件中形成冷卻通道的方法，所述方法 無需進行鑄后加工。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]在一個實施方案中，公開一種鑄造包括一個或多個表面冷卻通道的部件的方法。所述方法包括通過一個或多個芯段的柔性模具鑄造陶瓷芯件，并且通過第一殼體區(qū)段和第二殼體區(qū)段的對應(yīng)柔性模具鑄造呈至少兩個區(qū)段的陶瓷殼體。接著，通過在所述陶瓷殼體區(qū)段內(nèi)組裝所述陶瓷芯件形成陶瓷鑄造容器。金屬基底材料經(jīng)鑄造成所述陶瓷鑄造容器。隨后，移除所述陶瓷鑄造容器。移除所述陶瓷鑄造容器以使所述部件露出，所述部件其中設(shè)有內(nèi)部通路、與所述內(nèi)部通路流體連通的一個或多個冷卻通道以及與所述一個或多個冷卻通道流體連通的一個或多個表面凹槽。
[0010]如上所述的方法，其進一步包括:
[0011]提供所需陶瓷鑄造容器的模型，所述陶瓷鑄造容器限定所述部件的幾何形狀并且包括所述內(nèi)部通路、與所述內(nèi)部通路流體連通的所述一個或多個冷卻通道以及與所述一個或多個冷卻通道流體連通的所述一個或多個表面凹槽；
[0012]以數(shù)字方式將所述模型劃分成多個區(qū)段，其中所述多個區(qū)段限定所述芯段、第一殼體區(qū)段以及第二殼體區(qū)段；
[0013]將所述多個區(qū)段中的每個區(qū)段轉(zhuǎn)移到母模工具中，其中所述多個區(qū)段包括一個或多個精密金屬插件，用以限定包括所述內(nèi)部通路、所述一個或多個冷卻通道以及所述一個或多個表面凹槽的所述部件的所述幾何形狀；以及
[0014]通過每個母模工具鑄造所述柔性模具。
[0015]如上所述的方法，其進一步包括將涂層設(shè)置在所述基底的表面的至少一部分上，其中所述一個或多個冷卻通道、所述一個或多個表面凹槽以及所述涂層限定用于冷卻所述部件的所述一個或多個表面冷卻通道。
[0016]如上所述的方法，其進一步包括限定穿過所述涂層的至少一個冷卻劑排出口。
[0017]如上所述的方法，其中所述一個或多個表面凹槽是內(nèi)曲形的凹槽。
[0018]在另一實施方案中，公開一種鑄造包括一個或多個表面冷卻通道的部件的方法。所述方法包括提供所需陶瓷鑄造容器模型，所述陶瓷鑄造容器限定所述部件幾何形狀并且包括內(nèi)部通路、與所述內(nèi)部通路流體連通的一個或多個冷卻通道以及與所述一個或多個冷卻通道流體連通的一個或多個表面凹槽。所述模型經(jīng)數(shù)字劃分成多個區(qū)段并且所述多個區(qū)段各自轉(zhuǎn)移到母模工具中，其中所述多個區(qū)段包括一個或多個精密金屬插件，用以限定包括所述內(nèi)部通路、所述一個或多個冷卻通道、所述一個或多個表面凹槽以及一個或多個對準(zhǔn)特征的所述部件的所述幾何形狀。接著，通過每個母模工具鑄造柔性模具。通過對應(yīng)柔性模具鑄造陶瓷芯件。通過對應(yīng)柔性模具鑄造呈至少兩個區(qū)段的陶瓷殼體。通過在所述陶瓷殼體區(qū)段內(nèi)組裝所述陶瓷芯件形成所述陶瓷鑄造容器。接著，金屬基底材料經(jīng)鑄造成所述陶瓷鑄造容器。隨后，移除所述陶瓷鑄造容器以使具有所述內(nèi)部通路、與所述內(nèi)部通路流體連通的所述一個或多個冷卻通道以及與所述一個或多個冷卻通道流體連通的所述一個或多個表面凹槽的所述部件的基底露出。
[0019]如上所述的方法，其進一步包括將涂層設(shè)置在所述基底的表面的至少一部分上，其中所述一個或多個表面凹槽和所述涂層限定用于冷卻所述部件的所述一個或多個表面冷卻通道。
[0020]如上所述的方法，其中所述涂層完全橋接對應(yīng)一個或多個表面凹槽，使所述涂層密封對應(yīng)的一個或多個表面冷卻通道。
[0021]如上所述的方法，其中所述一個或多個表面凹槽是內(nèi)曲形的凹槽。
[0022]如上所述的方法，其中所述母模工具由金屬材料形成。
[0023]如上所述的方法，其中所述金屬材料是鋁。
[0024]如上所述的方法，其中所述多個區(qū)段限定一個或多個芯段和至少兩個殼體區(qū)段。
[0025]如上所述的方法，其中所述精密插件由金屬材料形成。
[0026]如上所述的方法，其中所述金屬材料是經(jīng)過蝕刻的銅。
[0027]如上所述的方法，其中所述一個或多個精密金屬插件進一步限定一個或多個對準(zhǔn)特征，并且其中通過在所述陶瓷殼體內(nèi)組裝所述陶瓷芯件來形成所述陶瓷鑄造容器進一步包括使用所述一個或多個對準(zhǔn)特征。
[0028]在又一實施方案中，公開一種鑄造包括一個或多個表面冷卻通道的部件的方法。所述方法包括:提供所需陶瓷鑄造容器模型，所述陶瓷鑄造容器限定所述部件幾何形狀并且包括內(nèi)部通路、與所述內(nèi)部通路流體連通的一個或多個冷卻通道以及與所述一個或多個冷卻通道流體連通的一個或多個表面凹槽；以及將所述模型數(shù)字劃分成多個區(qū)段。所述多個區(qū)段限定一個或多個芯段和至少兩個殼體區(qū)段。接著，所述多個區(qū)段各自轉(zhuǎn)移到母模工具中。將一個或多個精密金屬插件設(shè)置在所述多個區(qū)段中的一個或多個區(qū)段中，用以限定包括所述內(nèi)部通路、所述一個或多個冷卻通道、所述一個或多個表面凹槽以及一個或多個對準(zhǔn)特征的所述部件的所述幾何形狀。接著，通過每個母模工具鑄造柔性模具。組裝對應(yīng)柔性模具以在兩者之間限定空腔。通過對應(yīng)柔性模具鑄造陶瓷芯件，并且通過對應(yīng)柔性模具鑄造呈至少兩個區(qū)段的陶瓷殼體。通過使用所述一個或多個對準(zhǔn)特征在所述陶瓷殼體區(qū)段內(nèi)組裝所述陶瓷芯件形成陶瓷鑄造容器。接著，金屬經(jīng)鑄造成所述陶瓷鑄造容器。隨后，移除所述陶瓷鑄造容器以使具有所述內(nèi)部通路、與所述內(nèi)部通路流體連通的所述一個或多個冷卻通道以及與所述一個或多個冷卻通道流體連通的所述一個或多個表面凹槽的所述部件的基底露出。最后，將涂層設(shè)置在所述基底的表面的至少一部分上，其中所述一個或多個表面凹槽和所述涂層限定所述一個或多個表面冷卻通道以冷卻所述部件。
[0029]如上所述的方法，其中所述涂層完全橋接對應(yīng)一個或多個表面凹槽，使所述涂層密封對應(yīng)的一個或多個表面冷卻通道。
[0030]如上所述的方法，其中所述一個或多個表面凹槽是內(nèi)曲形的凹槽。
[0031]如上所述的方法，其中所述母模工具中的每個母模工具均由鋁形成。
[0032]如上所述的方法，其中所述精密插件由經(jīng)過蝕刻的銅形成。
[0033]結(jié)合附圖閱讀以下詳細描述，將會更完整地理解本文所討論的實施方案所提供的這些以及另外特征。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]附圖中闡述的實施方案實際上是說明性的，而非意圖限制由權(quán)利要求書所限定的實施方案。結(jié)合附圖進行閱讀之后，將更好地理解對所示實施方案的以下詳細描述，在附圖中，類似結(jié)構(gòu)采用類似參考數(shù)字指示，其中:[0035]圖1是根據(jù)本文所示或所述一個或多個實施例方案的燃氣渦輪機系統(tǒng)的示意圖，該燃氣渦輪機系統(tǒng)包括帶表面冷卻通道的部件；
[0036]圖2是根據(jù)本文所示或所述一個或多個實施例方案的示例性翼片配置的示意截面圖，該示例性翼片配置包括表面冷卻通道；
[0037]圖3是根據(jù)本文所示或所述一個或多個實施例方案的一種制造包括表面冷卻通道的部件的方法的步驟中的截面圖；
[0038]圖4是根據(jù)本文所示或所述一個或多個實施例方案的一種制造包括表面冷卻通道的部件的方法的步驟中的截面圖；
[0039]圖5是根據(jù)本文所示或所述一個或多個實施例方案的一種制造包括表面冷卻通道的部件的方法的步驟中的截面圖；
[0040]圖6是根據(jù)本文所示或所述一個或多個實施例方案的一種制造包括表面冷卻通道的部件的方法的步驟中的截面圖；
[0041]圖7是根據(jù)本文所示或所述一個或多個實施例方案的一種制造包括表面冷卻通道的部件的方法的步驟中的截面圖；
[0042]圖8是根據(jù)本文所示或所述一個或多個實施例方案的一種制造包括表面冷卻通道的部件的方法的步驟中的截面圖；
[0043]圖9是根據(jù)本文所示或所述一個或多個實施例方案的一種制造包括表面冷卻通道的部件的方法的步驟中的截面圖；
[0044]圖10是根據(jù)本文所示或所述一個或多個實施例方案的一種制造包括表面冷卻通道的部件的方法的步驟中的截面圖；
[0045]圖11是根據(jù)本文所示或所述一個或多個實施例方案的一種制造包括表面冷卻通道的部件的方法的步驟中的截面圖；
[0046]圖12是根據(jù)本文所示或所述一個或多個實施例方案的一種制造包括表面冷卻通道的部件的方法的步驟中的截面圖；
[0047]圖13是根據(jù)本文所示或所述一個或多個實施例方案的一種制造包括表面冷卻通道的部件的方法的步驟中的截面圖；
[0048]圖14是根據(jù)本文所示或所述一個或多個實施例方案的一種制造包括表面冷卻通道的部件的方法的步驟中的截面圖；
[0049]圖15是根據(jù)本文所示或所述一個或多個實施例方案的一種制造包括表面冷卻通道的部件的方法的步驟中的截面圖；以及
[0050]圖16是根據(jù)本文所示或所述一個或多個實施例方案的描繪一種制造包括表面冷卻通道的部件的方法的一個實現(xiàn)方式的流程圖。
【具體實施方式】
[0051]本發(fā)明的一個或多個特定實施方案將在下文中進行描述。為了簡述這些實施方案，說明書中可能不會對實際實現(xiàn)方式的所有特征進行描述。應(yīng)當(dāng)了解，在任何此類實際實現(xiàn)方式發(fā)展中，如在任何工程或設(shè)計項目中，必須作出特定于許多實現(xiàn)方式的決策以便實現(xiàn)開發(fā)者的特定目標(biāo)，如符合系統(tǒng)相關(guān)約束和商業(yè)相關(guān)約束，所述約束對于各個實現(xiàn)方式來說可以是不同的。另外，應(yīng)當(dāng)了解，這種發(fā)展工作可能復(fù)雜而且耗時，然而，對受益于本發(fā)明的一般技術(shù)人員而言，它仍然是一種常規(guī)設(shè)計、制作以及制造工作。
[0052]在介紹本發(fā)明的各種實施方案中的元件時，冠詞“一(a)”、“一個(an)”、“該(the)”以及“所述(said)”意圖表示存在一個或者多個所述元件。術(shù)語“包括(comprising)”、“包括(including)”以及“具有(having)”意圖是指包括在內(nèi)并意味著可能存在除了所列舉的元件外的其他另外元件。
[0053]本發(fā)明公開一種在由金屬、陶瓷、聚合物和/或復(fù)合材料系統(tǒng)制成的如翼片的高性能產(chǎn)品中制造表面冷卻通道的方法。所述方法使得能夠制造帶改進冷卻性質(zhì)的翼片設(shè)計，從而無需鑄后加工技術(shù)來制造表面冷卻通道。在實施方案中，可在涂層沉積之后將冷卻劑排出特征放置在所涂覆的涂層上，或者可以將表面冷卻通道定向成從零件邊緣處排出。
[0054]本發(fā)明的制造方法使用基于使用光刻(lithography)以及光刻加工技術(shù)(lithographic machining techniques)的新穎模制或鑄造過程,形成成品翼片三維模型。本文將對所述方法進行更詳細地描述。
[0055]圖1是燃氣渦輪機系統(tǒng)10的示意圖。所述系統(tǒng)10可以包括一個或多個壓縮機
12、燃燒器14、渦輪機16以及燃料噴嘴20。所述壓縮機12以及渦輪機16可以通過一個或多個軸18連接。軸18可以是單軸或連接在一起以形成軸18的多軸節(jié)段。
[0056]該燃氣渦輪機系統(tǒng)10可以包括多個熱氣路徑部件。熱氣路徑部件是系統(tǒng)10的任何部件，其至少部分暴露在通過系統(tǒng)10的高溫氣流中。例如，槳葉組件(也被稱為葉片或葉片組件)、噴嘴組件(也被稱為輪葉或輪葉組件)、防護罩組件、過渡連接件、固定環(huán)以及壓縮機排氣部件都是熱氣路徑部件。但應(yīng)理解，本發(fā)明的熱氣路徑部件并不限于上述實例，而可以是至少部分暴露在高溫氣流中的任何部件。另外，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的熱氣路徑部件并不限于燃氣渦輪機系統(tǒng)10的部件，而可以是其中可能暴露于高溫氣流中的任何機械件或部件。
[0057]當(dāng)熱氣路徑部件暴露在熱氣流中時，熱氣路徑部件由熱氣流加熱，從而可能達到使熱氣路徑部件發(fā)生故障的溫度。因此，為了允許系統(tǒng)10在處于高溫的熱氣流下運行，以便提高系統(tǒng)10的效率和性能，要求一種用于熱氣路徑部件的冷卻系統(tǒng)。
[0058]總體來說，本發(fā)明的冷卻系統(tǒng)包括多個小型冷卻通道，或微通道，所述多個小型冷卻通道在熱氣路徑部件表面中形成。所述熱氣路徑部件可以包括一個或多個凹槽和用以橋(bridge)接在所述凹槽上的涂層，并且形成微通道。可以將冷卻流體從加壓腔室提供到所述微通道中，并且所述冷卻流體可以流經(jīng)該微通道，從而冷卻涂層以及基底。
[0059]現(xiàn)在參照圖2，示出具有翼片配置的熱氣部件30的實例。如圖所示，部件30包括基底32，所述基底帶有外表面34和內(nèi)表面36。所述基底32的內(nèi)表面36限定至少一個空心內(nèi)部空間38。在一個替代實施方案中，熱氣部件30可以包括供應(yīng)空腔，用以代替空心內(nèi)部空間。所述基底32的外表面34限定多個表面冷卻通道40。表面冷卻通道40各自沿著所述基底32的外表面34至少部分延伸，并且經(jīng)由一個或多個冷卻通道41與至少一個空心內(nèi)部空間38流體連通。涂層42是設(shè)置在所述基底32的外表面34的至少一部分上，并且更為具體地說，是設(shè)置在所述基底32的外表面34中形成的一個或多個凹槽44上，從而組合所述涂層42形成表面冷卻通道40。在實施方案中，熱氣部件30可以包括多個涂層42，并且表面冷卻通道40可以在基底32中形成，或者在基底32和一個或多個涂層42中形成。
[0060]如下所述，本文所公開的方法包括光刻以及光刻加工技術(shù)，用以形成成品部件三維模型，并且更為具體地說，用以形成包括多個表面冷卻通道的成品部件的三維模型。最初，如翼片的部件的數(shù)字模型是使用計算機化系統(tǒng)設(shè)計，所述計算機化系統(tǒng)的用途在本領(lǐng)域中眾所周知。此后，將所述數(shù)字模型劃分成多個鑄件零件。多個鑄件最終組裝到由合金鑄造的鑄造容器之中。最后，移除陶瓷鑄造容器以使冷卻結(jié)構(gòu)露出，所述冷卻結(jié)構(gòu)具有內(nèi)部通路以及與所述內(nèi)部通路流體連通的一個或多個冷卻通道，還有一個或多個表面冷冷卻通道。所述方法能夠不要求鑄后加工即可形成開放表面冷卻通道的部件。
[0061]如前所述，根據(jù)本文所公開的方法所制造的示例性實施方案是一種燃氣渦輪機翼片，所述燃氣渦輪機翼片包括與多個表面冷卻通道流體連通的空心內(nèi)部通路。
[0062]更具體地參照圖3至16，公開的是一種制造部件30的方法中的步驟。更為具體地說，公開的是一種用于制造陶瓷鑄造容器(ceramic casting vessel) 56的陶瓷芯件52和陶瓷殼體54的方法中的步驟，所述陶瓷鑄造容器將在其中設(shè)有部件30的內(nèi)部通路、一個或多個冷卻通道以及一個或多個表面冷卻通道。
[0063]如圖所不，所述方法用于在熱氣部件30的外表面34中形成(如圖2最佳所不)與內(nèi)部通路38流體連通的一個或多個表面通道、即凹槽44。對于所示實例，多個凹槽44在該外表面34中形成。所述凹槽44各自沿著所述部件30的表面34至少部分延伸。在實施方案中，例如，如圖3所示，最初提供所需陶瓷鑄造容器56模型50，所述陶瓷鑄造容器限定所述部件30并且包括多個插件(如本發(fā)明所述)，用以限定內(nèi)部通路38 (圖2)、一個或多個冷卻通道41 (圖2)以及一個或多個表面凹槽44 (圖2)。如圖4所示，將所述模型數(shù)字劃分成多個區(qū)段。更為確切地說，劃分所述模型數(shù)字以便限定其中示出單個芯段60，以及至少兩個殼體區(qū)段62和64。注意，在所示實施方案中，盡管芯段60如單個芯段所限定那樣示出，但芯段也可能過于復(fù)雜而難形成單個區(qū)段，并且可替代地形成多個芯段(core sections).在實施方案中，將芯件以及殼體各自劃分成一個以上區(qū)段可以使得制造變得容易并且允許獲得更精確的細節(jié)。
[0064]現(xiàn)在參照圖5，接著，將多個區(qū)段的每一個、并且更具體地說是芯段60和多個殼體區(qū)段62和64各自轉(zhuǎn)移到母模工具66中。母模工具66通過使用眾所周知的加工過程從數(shù)字模型50產(chǎn)生，以便將每個區(qū)段60、62、64轉(zhuǎn)移到對應(yīng)母模工具66。所述多個區(qū)段60、62以及64中的至少一者包括多個精密金屬插件70，用以限定包括一個或多個冷卻通道41和一個或多個表面凹槽44的部件30的幾何形狀。在考慮此類零件三維特性而非圖中所示二維截面情況下，在實施方案中，金屬插件70可以由多個層自身形成，該層如蝕刻的銅薄片，這些蝕刻的銅薄片隨后堆積或鎖定到適當(dāng)位置。另外，可以包一個或多個精密金屬插件70以限定一個或多個對準(zhǔn)特征結(jié)構(gòu)72。更為確切地說，如圖5所示，將芯段60轉(zhuǎn)移到兩個相配合的母模工具67和69之中，從而最終形成陶瓷鑄造容器56的陶瓷芯件52。母模工具66各自是由能夠加工的任何軟穩(wěn)定性金屬或金屬合金形成。在優(yōu)選實施方案中，鑒于成本較低和加工容易的優(yōu)點，母模工具66是由鋁材形成。更為具體地說，母模工具66、并且更具體地是母模工具67和69各自并入加工表面68、精密金屬插件70以及對準(zhǔn)特征72，并且反映要鑄造的部件的期望的形狀。在優(yōu)選實施方案中，精密金屬插件70是由蝕刻的銅形成，并且反映了最終一個或多個冷卻通道41 (圖2)和一個或多個表面凹槽44的幾何形狀。銅是用于精密金屬插件70的優(yōu)選材料，因為這種材料易于通過蝕刻或光刻技術(shù)來加工，但是適于這些技術(shù)的任何金屬或合金都將適用。例如，如圖3所示，凹槽44各自的最終幾何形狀具有基部46和頂部48，其中基部46寬于頂部48，以使凹槽44各自包括內(nèi)曲形(re-entrantshaped)的凹槽44。例如,如圖3所指示,所述方法進一步地包括形成連接到凹槽44中的一個對應(yīng)凹槽的基部46的一個或多個冷卻通道56，以在凹槽44與一個或多個空心內(nèi)部空間38之間形成流體連通。一個或多個冷卻通道56通常是截面呈圓形或橢圓形的。一個或多個冷卻通道56可以與對應(yīng)凹槽44 (如圖3所示)的基部46垂直，或者，大體來說，可以相對于凹槽44的基部46成范圍在20度至90度的角度而來形成。盡管凹槽44在本文中被描述為內(nèi)曲形的凹槽，但是制造開放式的凹槽44也是本文所預(yù)期的。母模工具66的所得總體表面幾何形狀74是加工表面68與精密金屬插件70的組合，并且指示陶瓷芯件52最終形狀。
[0065]現(xiàn)在參照圖6，接著通過母模工具66、并且更具體地通過母模工具67和69鑄造多個柔性模具80。柔性模具80將使每個母模工具66各自所得表面幾何形狀74能夠進行復(fù)制，并且更為具體地說，使得母模工具67和69各自的精密金屬插件70、加工表面68能夠進行復(fù)制。
[0066]如圖1最佳所示，固化之后，移除母模工具67和69以使柔性模具80露出。柔性模具80相對彼此進行定位并且對準(zhǔn)，從而在其之間限定空腔82。空腔82指示陶瓷芯件52的形狀。在實施方案中，對準(zhǔn)插件84用于所形成的對準(zhǔn)特征72，從而幫助使柔性模具80的每個半部彼此正確對準(zhǔn)。
[0067]現(xiàn)在參照圖8，在使柔性模具80的兩個半部對準(zhǔn)之后，將空腔82填充有陶瓷鑄造材料86。固化(curing)之后，移除柔性模具80以使陶瓷芯件52露出，所述陶瓷芯件包括精密特征，所述緊密特征將會形成一個或多個冷卻通道41和一個或多個表面凹槽44，從而最終形成一個或多個表面冷卻通道40。
[0068]除了制造陶瓷芯件52之外，陶瓷鑄造容器56進一步地包括陶瓷殼體54。因此，接著，鑄造呈至少兩個區(qū)段62和64的陶瓷殼體54，所述至少兩個區(qū)段可聯(lián)接在一起并與陶瓷芯件52組合，從而能夠制造包括一個或多個表面凹槽44的部件30。如前所述，在制造如圖2所不翼片30的翼片的優(yōu)選實施方案中，殼體區(qū)段62和64基于陶瓷殼體54的數(shù)字模型50 (圖3和5)制造。在優(yōu)選實施方案中，將數(shù)字模型50、更具體地說是陶瓷鑄造容器56劃分成吸入側(cè)和壓力側(cè)。承認(rèn)的是，本文對用于分割陶瓷鑄造容器56的替代位置是預(yù)期的，并且所述替代位置是取決于設(shè)計參數(shù)，該設(shè)計參數(shù)包括形狀以及在一些零件可能要求兩個以上殼體區(qū)段情況下的制造容易程度。
[0069]現(xiàn)在參照圖9和11，母模工具各自針對包括陶瓷鑄造容器56的陶瓷殼體54的殼體區(qū)段62和64進行制造。更為具體地說，如圖所示，第一母模工具90和第二母模工具92通過與上文針對芯段60所描述的大體相同的方式用于制造每個殼體區(qū)段62和64。圖9示出殼體區(qū)段62的外側(cè)94的第一母模工具90，所述第一母模工具用于對外側(cè)94的柔性模具進行后續(xù)鑄造。圖11示出殼體區(qū)段62的內(nèi)側(cè)96的第二母模工具92，所述第二母模工具用于對內(nèi)側(cè)96的柔性模具進行后續(xù)鑄造。盡管并未示出，但是可以通過相同方式制造另外母模工具以供用于殼體區(qū)段64，從而能夠同時描述殼體區(qū)段64的內(nèi)側(cè)和外側(cè)。在實施方案中，母模工具90和92是由軟金屬材料或金屬合金形成，如鋁。如前詳細描述，在其中要求精確工具加工的實例中，類似于圖3至8所示精密金屬插件70的精密金屬插件(未示出)可以插入母模工具90和92之中。另外，在實施方案中，相配合的對準(zhǔn)特征98可以包括在每個母模工具90和92中，以便在后續(xù)柔性模具制造步驟中使得母模工具90和92對準(zhǔn)。
[0070]接著，針對每個母模工具90和92來制造柔性模具。更為確切地說，如圖10和12所示，柔性模具100通過母模工具90形成，并且柔性模具102通過母模工具92形成。柔性模具100和102大體上通過上文關(guān)于芯段60的柔性模具80描述的方式形成。另外，通過相同方式制造另外柔性模具以供用于殼體區(qū)段64，這種方式能夠同時描述殼體區(qū)段64的內(nèi)側(cè)和外側(cè)。
[0071]接著，如圖13最佳所示，針對殼體區(qū)段62制造出的柔性模具100和102經(jīng)定位并且對準(zhǔn)后在其之間限定空腔82。在所示實施方案中，空腔104指示最終陶瓷殼體54形狀的一部分。對準(zhǔn)插件106可以用于所形成的對準(zhǔn)特征98，以便幫助使柔性模具100和102的每個半部彼此正確對準(zhǔn)。在使柔性模具100和102的兩個半部對準(zhǔn)之后，將空腔104填充有陶瓷鑄造材料108。固化之后，移除柔性模具100和102以使陶瓷鑄造容器56的一部分，特別的是陶瓷殼體54的一個半部露出。重復(fù)進行過程，以便制造所述陶瓷鑄造容器56的陶瓷殼體54的另一半部。
[0072]現(xiàn)在參照圖14，接著，通過在兩個陶瓷殼體54內(nèi)組裝陶瓷芯件52形成陶瓷鑄造容器56，并且由此限定組件30的完整模具。陶瓷鑄造容器56其中限定有多個空腔112。在實施方案中，至少兩個殼體區(qū)段62和64中可以存在定位特征，并且因此所得兩個陶瓷殼體54中可以存在定位特征，以便對齊并且通過一個或多個芯段60的頂部開口位置插入，并且因此所得陶瓷芯件52。這些定位特征允許“鎖定”芯件以及外殼兩者，由此保持表面通道打開，并且保持熔融金屬在陶瓷芯件52與陶瓷外殼54之間橋接形成網(wǎng)絡(luò)。
[0073]陶瓷鑄造容器56隨后使用本領(lǐng)域中眾所周知的過程來將熔融金屬110收納到陶瓷鑄造容器56中、并且更具體地說是收納到其中所涉空腔112中，以便形成包括多個表面凹槽44的鑄造燃氣渦輪機葉片30。在優(yōu)選實施方案中，如梅爾韋林.R.杰克遜(MelvinR.Jackson)等人的美國專利第5, 626, 462號“雙壁翼片(Double-wall airfoil)”中所討論，熔融金屬110可以包括任何合適金屬材料，上述專利通過以其全文并入本文。根據(jù)部件30所期望的應(yīng)用，這可包括鎳基(N1-base)、鈷基(Co-base)和鐵基超級合金(Fe_basesuperalloys).鎳基超級合金可為那些包含Y和Y’相的材料，尤其是那些含有Y和Y’相的鎳基超級合金，其中Y’相占據(jù)所述超級合金總量的至少40%。由于此類合金同時具有包括高溫強度和高溫抗蠕變性在內(nèi)的各種理想特性，因此是有利的。金屬材料110還可包括鈮鋁金屬間合金，因為眾所周知，這些合金具有包括高溫強度和高溫抗蠕變性在內(nèi)的多種優(yōu)良特性，這使此類合金在用于飛機的渦輪發(fā)動機應(yīng)用中是有利的。在使用鈮基合金情況下，將會優(yōu)選具有優(yōu)良抗氧化性的經(jīng)涂布(coated)的鈮基合金，尤其包括Nb- (27-40)T1-(4.5-10.5) Al-(4.5-7.9) Cr-(1.5-5.5)Hf-(0-6) V 的那些合金，其中組分范圍以原子百分比表示。金屬材料還可包括鈮基合金，所述鈮基合金包含至少一個次生相，例如，包括硅化物、碳化物或硼化物的含鈮金屬間化合物。此類合金是具有塑性相(即，鈮基合金)和強化相(即，含鈮金屬間化合物)的復(fù)合物。對于其他布置，金屬材料包括鑰基合金，如具有帶有Mo5SiB2和/或Mo3第二相的鑰基合金(固溶體)。對于其他配置，金屬材料包括陶瓷基復(fù)合物(CMC)，如用SiC纖維強化的碳化硅(SiC)基材。對于其他配置，金屬材料包括鈦鋁基金屬間化合物。
[0074]接著，移除所述陶瓷鑄造容器56以使部件30露出，該部件30具有所述內(nèi)部通路38、與所述內(nèi)部通路38流體連通的所述一個或多個冷卻通道41以及與所述一個或多個冷卻通道41流體連通的所述一個或多個表面凹槽44,所述部件的一部分如圖15所示。例如，如圖15所指示，所述方法進一步包括將涂層42設(shè)置在部件30的基底32的表面34的至少一部分上。更為具體地說，在實施方案中，將涂層42沉積在基底32的表面34的至少一部分上，直接位于一個或多個凹槽44中的一個開放凹槽上方。本文所用術(shù)語“開放”是指凹槽44為空，S卩，這些凹槽并未填充犧牲性填充物。例如，如圖15所示，凹槽44與涂層42限定多個內(nèi)曲形的通道40以供冷卻部件30?；?2和涂層42還可以進一步地限定多個薄膜出孔(未示出)。美國專利第5，640，767號和美國專利第5，626，462號中提供實例涂層42，上述專利通過引用以其全部內(nèi)容并入本文。如美國專利第5，626，426，號中所討論，涂層42粘接到基底32的表面34的部分上。
[0075]有益地是，通過形成內(nèi)曲形的凹槽44，則不必再使用犧牲性填充物(未示出)來將涂層42涂覆到基底32上。這就無需一種填充過程并且無需較困難的移除過程。通過形成帶有狹窄開口 48 (頂部)，例如帶有寬度范圍在約10至12毫米的開口 48的內(nèi)曲形的凹槽，開口 48可以通過涂層42進行橋接而不使用犧牲性填充物，因此，無需超出之前針對常規(guī)通道形成技術(shù)所描述的不需要的后加工步驟的另外過程步驟(填充以及浸出)。對于圖15所示實例配置，涂層42完全橋接對應(yīng)凹槽44，以使涂層42密封對應(yīng)表面冷卻通道40。另外，在實施方案中，可以限定至少一個冷卻劑排出口 45穿過涂層42。
[0076]現(xiàn)在參照圖16，其中示出根據(jù)本文所示或所述一個或多個實施例方案的描繪一種制造包括表面冷卻通道40的部件30的方法150的一個實現(xiàn)方式的流程圖。所述方法150包括在步驟152中通過提供限定所述部件30的所需陶瓷鑄造容器的模型來鑄造部件30，使其最終包括一個或多個表面冷卻通道40。所述模型包括所述內(nèi)部通路、與所述內(nèi)部通路流體連通的一個或多個冷卻通道以及與所述一個或多個冷卻通道流體連通的一個或多個表面凹槽。接著，在步驟154中，將模型數(shù)字地劃分成多個區(qū)段，其中包括芯段以及多個殼體區(qū)段。在步驟156處，將所述多個區(qū)段各自轉(zhuǎn)移到金屬母模工具。所述多個區(qū)段可以包括多個精密金屬插件，用以限定包括所述內(nèi)部通路、所述一個或多個冷卻通道、所述一個或多個表面凹槽以及一個或多個對準(zhǔn)特征的所述部件的所述幾何形狀。接著，在步驟158中，使得母模工具對準(zhǔn)，以便通過每個金屬母模工具鑄造柔性模具。固化柔性模具之后，移除母模工具以使柔性模具露出，所述柔性磨具隨后進行對準(zhǔn)并且用于通過對應(yīng)柔性模具在步驟160中鑄造陶瓷芯件并且在步驟162中鑄造陶瓷殼體。接著，在步驟164處，通過在所述陶瓷殼體區(qū)段內(nèi)組裝所述陶瓷芯件形成陶瓷鑄造容器，其中所述組裝可以包括使用一個或多個對準(zhǔn)特征。隨后，在步驟166處，金屬基底材料經(jīng)鑄造成所述陶瓷鑄造容器。冷卻之后，在步驟168處，移除所述陶瓷鑄造容器以使具有所述內(nèi)部通路、與所述內(nèi)部通路流體連通的所述一個或多個冷卻通道以及與所述一個或多個冷卻通道流體連通的所述一個或多個表面凹槽的部件露出。
[0077]盡管所公開的方法僅僅結(jié)合有限數(shù)量的實施方案來進行詳細描述，但應(yīng)易于理解，所公開的方法并不限于此類所公開的實施方案。相反，所述方法可經(jīng)修改以并入在此之前并未描述但與本發(fā)明的精神和范圍相符的任何數(shù)量的變化、更改、替換或者等效布置。另夕卜，盡管已經(jīng)對所述方法的各種實施方案進行描述，但將理解，所述方法的方面可僅僅包括所述實施方案中的一些實施方案。因此，所公開的方法不應(yīng)視為受到前述描述限制，而僅受到所附權(quán)利要求書的范圍限制。
【權(quán)利要求】
1.一種鑄造包括一個或多個表面冷卻通道的部件的方法，所述方法包括: 通過一個或多個芯段的柔性模具鑄造陶瓷芯件； 通過至少兩個殼體區(qū)段的對應(yīng)柔性模具分至少兩段鑄造陶瓷殼體； 通過在所述陶瓷殼體區(qū)段內(nèi)組裝所述陶瓷芯件形成陶瓷鑄造容器； 將金屬基底材料鑄造到所述陶瓷鑄造容器中；以及 移除所述陶瓷鑄造容器，使所述部件露出，所述部件其中設(shè)有內(nèi)部通路、與所述內(nèi)部通路流體連通的一個或多個冷卻通道以及與所述一個或多個冷卻通道流體連通的一個或多個表面凹槽。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進一步包括: 提供所需陶瓷鑄造容器的模型，所述陶瓷鑄造容器限定所述部件的幾何形狀并且包括所述內(nèi)部通路、與所述內(nèi)部通路流體連通的所述一個或多個冷卻通道以及與所述一個或多個冷卻通道流體連通的所述一個或多個表面凹槽； 以數(shù)字方式將所述模型劃分成多個區(qū)段，其中所述多個區(qū)段限定芯段、第一殼體區(qū)段以及第二殼體區(qū)段； 將所述多個區(qū)段中的每個區(qū)段轉(zhuǎn)移到母模工具中，其中所述多個區(qū)段包括一個或多個精密金屬插件，用以限定包括所述內(nèi)部通路、所述一個或多個冷卻通道以及所述一個或多個表面凹槽的所述部件的所述幾何形狀；以及通過每個母模工具鑄造所述柔性模具。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進一步包括將涂層設(shè)置在所述基底的表面的至少一部分上，其中所述一個或多個`冷卻通道、所述一個或多個表面凹槽以及所述涂層限定用于冷卻所述部件的所述一個或多個表面冷卻通道。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進一步包括限定穿過所述涂層的至少一個冷卻劑排出口。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述一個或多個表面凹槽是內(nèi)曲形的凹槽。
6.一種鑄造包括一個或多個表面冷卻通道的部件的方法，所述方法包括: 提供所需陶瓷鑄造容器的模型，所述陶瓷鑄造容器限定所述部件的幾何形狀并且包括內(nèi)部通路、與所述內(nèi)部通路流體連通的一個或多個冷卻通道以及與所述一個或多個冷卻通道流體連通的一個或多個表面凹槽； 以數(shù)字方式將所述模型劃分成多個區(qū)段； 將所述多個區(qū)段中的每個區(qū)段轉(zhuǎn)移到母模工具中，其中所述多個區(qū)段包括一個或多個精密金屬插件，用以限定包括所述內(nèi)部通路、所述一個或多個冷卻通道、所述一個或多個表面凹槽以及一個或多個對準(zhǔn)特征的所述部件的所述幾何形狀； 通過每個母模工具鑄造柔性模具； 通過對應(yīng)柔性模具鑄造陶瓷芯件； 通過對應(yīng)柔性模具分至少兩段鑄造陶瓷殼體； 通過在所述陶瓷殼體區(qū)段內(nèi)組裝所述陶瓷芯件來形成所述陶瓷鑄造容器； 將金屬鑄造到所述陶瓷鑄造容器中；以及 移除所述陶瓷鑄造容器，使具有所述內(nèi)部通路、與所述內(nèi)部通路流體連通的所述一個或多個冷卻通道以及與所述一個或多個冷卻通道流體連通的所述一個或多個表面凹槽的所述部件的基底露出。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其進一步包括將涂層設(shè)置在所述基底的表面的至少一部分上，其中所述一個或多個表面凹槽和所述涂層限定用于冷卻所述部件的所述一個或多個表面冷卻通道。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述涂層完全橋接對應(yīng)一個或多個表面凹槽，使所述涂層密封對應(yīng)的一個或多個表面冷卻通道。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述一個或多個表面凹槽是內(nèi)曲形的凹槽。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述母模工具由金屬材料形成。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述金屬材料是鋁。
12.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述多個區(qū)段限定一個或多個芯段和至少兩個殼體區(qū)段。
13.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述精密插件由金屬材料形成。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述金屬材料是經(jīng)過蝕刻的銅。
15.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述一個或多個精密金屬插件進一步限定一個或多個對準(zhǔn)特征，并且其中通過在所述陶瓷殼體內(nèi)組裝所述陶瓷芯件來形成所述陶瓷鑄造容器進一步包括使用所述一個或多個對準(zhǔn)特征。
16.一種鑄造包括一個或多個表面冷卻通道的部件的方法，所述方法包括: 提供所需陶瓷鑄造容器的模型，所述陶瓷鑄造容器限定所述部件的幾何形狀，并且包括內(nèi)部通路、與所述內(nèi)部通路流`體連通的一個或多個冷卻通道以及與所述一個或多個冷卻通道流體連通的一個或多個表面凹槽； 以數(shù)字方式將所述模型劃分成多個區(qū)段，其中所述多個區(qū)段限定一個或多個芯段和至少兩個殼體區(qū)段； 將所述多個區(qū)段中的每個區(qū)段轉(zhuǎn)移到母模工具中，并且將一個或多個精密金屬插件設(shè)置在所述多個區(qū)段中的一個或多個區(qū)段中，用以限定包括所述內(nèi)部通路、所述一個或多個冷卻通道、所述一個或多個表面凹槽以及一個或多個對準(zhǔn)特征的所述部件的所述幾何形狀； 通過每個母模工具鑄造柔性模具； 組裝對應(yīng)柔性模具以在兩者之間限定空腔； 通過對應(yīng)柔性模具鑄造陶瓷芯件； 通過對應(yīng)柔性模具分至少兩段鑄造陶瓷殼體； 通過使用所述一個或多個對準(zhǔn)特征在所述陶瓷殼體區(qū)段內(nèi)組裝所述陶瓷芯件來形成所述陶瓷鑄造容器； 將金屬鑄造到所述陶瓷鑄造容器中； 移除所述陶瓷鑄造容器，使具有所述內(nèi)部通路、與所述內(nèi)部通路流體連通的所述一個或多個冷卻通道以及與所述一個或多個冷卻通道流體連通的所述一個或多個表面凹槽的所述部件的基底露出；以及 將涂層設(shè)置在所述基底的表面的至少一部分上，其中所述一個或多個表面凹槽和所述涂層限定用于冷卻所述部件的所述一個或多個表面冷卻通道。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述涂層完全橋接對應(yīng)一個或多個表面凹槽，使所述涂層密封對應(yīng)的一個或多個表面冷卻通道。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述一個或多個表面凹槽是內(nèi)曲形的凹槽。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述母模工具中的每個母模工具均由鋁形成。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述精密插件由經(jīng)過蝕刻的銅形成。
【文檔編號】B22C9/08GK103722128SQ201310473131
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月12日
【發(fā)明者】R.S.班克 申請人:通用電氣公司