CN1745938A - 用于精密熔模铸造中的复合芯 - Google Patents

Abstract

用于熔模铸造过程的复合芯，该芯由陶瓷部分和难熔的金属部分组成，该难熔的金属部分布置为使得执行多个这样的难熔的金属元件的功能。特别是，接附在陶瓷元件的后缘上的难熔的金属元件延伸超出该陶瓷元件的顶部端的平面，使得代替否则从该陶瓷的顶部缘延伸的难熔的金属元件。该难熔的金属元件还在顶部端的方向和后缘的方向上延伸超出要被蜡铸件占据的空间，使得在铸造过程期间促进该芯的改进的放置和固定。进一步的实施例使用单个的难熔的金属元件，其延伸进入翼片部分和其的正交延伸的平台部分。

Description

用于精密熔模铸造中的复合芯

政府利益声明

依照美国空军和United Techno1ogies Corporation之间的合同No.F33615-97-C-2279，美国政府在此发明中具有一定的权利。

技术领域

本发明涉及熔模铸造芯，并且特别是涉及由陶瓷和难熔的金属成分的复合物形成的熔模铸造芯。

熔模铸造是用于形成具有复杂的几何形状的金属部件的常用的技术，诸如用于广泛地用于飞机推进装置、发电、和船舶推进的燃气涡轮发动机的涡轮叶片。

在所有的燃气涡轮发动机应用中，效率是主要的目的。改进的燃气涡轮发动机效率可以通过在更高的温度下运转来获得。然而，通用的运转温度在这样的水平，即，在涡轮部分中，使用的超耐热合金材料具有受限的机械性能。因此，为在燃气涡轮发动机的最热的部分，典型的在涡轮部分中的部件提供空气冷却是通常的惯例。通过使相对冷的空气从发动机的压缩机部分通过在要被冷却的涡轮部件中的通道流动来提供冷却。可以理解，伴随冷却发生的是有关的发动机效率的损失，并且因此，强烈地希望提供增强的特定冷却方法，来最大化自给定的量的冷却空气获得的冷却的量。

虽然涡轮叶片和桨叶为要冷却的最重要的部件中的一部分，其它部件，诸如燃烧室和叶片外部空气密封件，也需要冷却，并且本发明具有对所有冷却的涡轮硬件的应用，并且实际上对所有复杂的铸造物品的应用。

在其中具有空腔的翼片的制造中使用的传统的芯由陶瓷材料制造，但是这样的陶瓷芯是易碎的，特别是用于制造在高级的硬件中的小的复杂的冷却通道的高级的芯。这样的陶瓷芯易于在制造和铸造期间翘曲和破裂。在一些高级的试验的叶片设计中，获得小于10％的铸造产量，这主要地由于芯故障。

传统的陶瓷芯通过使用陶瓷浆和异形模的模制过程生产；注模和传递制技术法两者都可以使用。最通常的模型材料为蜡，虽然塑料、低熔点金属、和诸如尿素的有机化合物也可以使用。壳模通过使用硅胶粘合剂来将陶瓷颗粒粘合在一起形成，陶瓷颗粒可以为氧化铝、硅石、氧化锆和硅酸铝。

简要地描述用于使用陶瓷芯制造涡轮叶片的熔模铸造过程，具有内部冷却通道希望的几何形状的陶瓷芯放置在金属模具中，金属模具的壁围绕该芯，但是通常间隔离开该芯。该模具充满一次性的模型材料，诸如蜡。该模具被除去，剩下嵌入在蜡模型中的陶瓷芯。通过将该模型浸在陶瓷浆中并且随后向浆中施加较大的、干燥的陶瓷颗粒，外部的壳模随后围绕蜡模型形成。此过程术语称为撒砂。随后干燥包含该芯的被撒砂的蜡模型，并且重复撒砂过程以提供希望的壳模壁厚度。这里模子完全地干燥并且加热到高的温度来去除蜡材料并且加强陶瓷材料。

结果为包含陶瓷芯的陶瓷模子，其联合限定了模子腔。可以理解，芯的外部限定了铸件中形成的通道，并且壳模的内部限定了要制造的超耐热合金铸件的外部尺寸。该芯和壳也可以限定铸件部分，诸如铸口和冒口，其是铸造过程必需的，但不是最终的铸造部件的一部分。

在去除蜡以后，熔化的超耐热合金材料灌注到由壳模和芯组件限定的腔内，并且凝固。该模子和芯随后通过机械的和化学方式的联合来从超耐热合金铸件去除，诸如通过浸滤。

如以前提到的，传统的陶瓷芯倾向于限制铸件设计，因为它们的易碎性和关于可接受的铸造产量的限制，特别是关于具有小尺寸的芯。

为了克服该局限性，提出使用难熔的金属元件用于芯。该难熔的金属元件可以通过它们自己或者与陶瓷元件结合来形成复合物来使用。此方法在美国专利出版物No.US2003/0075300A1中描述，其转让给本发明的共同的受让人并且其在这里作为参考引入。

使用难熔的金属元件所遇到的问题之一为，当难熔的金属元件的总的数量增加时，定位并且将它们接附在相关的陶瓷元件上的复杂性也增加。此外，这些难熔的金属元件中的一些是小并且易碎的，使得容易被损坏并且从而降低了收获率。

与这样的复合芯联系在一起的另一个问题为，在将模具充满蜡以前，在模具内适当地定位并且保持它们的位置。迄今这已经通过使用通常所说的“印出物(print out)”或者柄实现，其为陶瓷芯的延伸部分，其延伸超出要充满蜡的腔。通常，由于在悬臂式的布局中所必要的陶瓷材料的脆弱性和易碎性，这些陶瓷印出物的数量和位置已经非常有限。

发明内容

简要地，根据本发明的一个方面，通过将多个难熔的金属元件组成单个难熔的金属元件，减少了在芯中使用的难熔的金属元件的数量。这样，由于减小了难熔的金属元件的数量和减少了它们单独定位并且接附在相关的陶瓷元件上的需要，充分地减少了制造成本。

根据本发明的另一个方面，小的和易碎的难熔的金属元件被其它难熔的金属元件代替，其延伸到它们的位置，使得可充当全部两种难熔的金属元件。在一个实施例中，这通过从陶瓷元件的顶部代替难熔的金属元件来实现，通过在陶瓷元件的后缘延伸该难熔的金属元件以延伸进入与陶瓷元件的顶部相关的区域。

根据本发明的另一个实施例，通过延伸超出腔的区域，难熔的金属元件可以用作印出物，为了制造蜡模型，蜡可以引入该腔内。在一种形式中，多个印出物延伸进入相邻的边缘，以由此改进在蜡铸造过程期间定位和保持芯在适当的位置的过程。

在如下文中描述的图中，示出了优选的实施例；然而，各种各样的其它修改和供替换的结构可以由此在不偏离本发明的真正的精神和范围的情况下实现。

附图说明

图1为根据本发明的一个实施例的蜡铸造之后的复合芯。

图2为示出了其顶部和后缘部分的等距视图。

图3为铸造之前的其顶部和后缘部分的正视图。

图4为其顶视图。

图5为根据现有技术的复合芯的顶部部分。

图6为本发明的替换的实施例。

图7为由使用本发明产生的翼片的等距视图。

图8为沿图7中的线8-8看的其截面图。

图9为本发明的替换的实施例。

图10为沿图9中的线10-10看的其截面图。

图11为沿图9中的线11-11看的其截面图。

具体实施方式

现在参考图1，本发明总的以10示出，应用于复合芯11，其包括陶瓷元件12和难熔的金属元件13。

如对于熔模铸造过程典型的，该芯放置在金属模具内，该金属模具的模子围绕该芯并且它们之间的空间充满蜡。该模具随后被除去，并且复合芯11嵌入在蜡模型14内部，如图1中所示。

如可以在图1-4中看到的，该复合芯元件11具有顶部缘16和相邻的后缘17。如图4中所示，在后缘17内形成槽18，使得容纳难熔的金属元件13的前缘19。难熔的金属元件前缘19通过各种各样的方法中的任意方法，诸如通过粘合剂或类似物固定在槽18内。图3和4示出了在铸造过程之前，陶瓷元件12和难熔的金属元件13的结合，并且图1和2示出了铸造过程之后的结合。

如可以在图2中看到的，难熔的金属元件13的大部分布置在蜡模型14内部，但是存在延伸超出蜡模型14的部分。即，后缘部分21延伸超出蜡模型14的后缘22，并且顶部部分23延伸超出蜡模型14的顶部缘24。该后缘部分21和顶部部分23称作“印出物”并且用于在铸造过程期间定位和固定该复合芯在适当的位置。在这个方面，应该认识到单个难熔的金属元件13提供了后缘部分21和顶部部分23两者，使该两者在大致正交的方向延伸，以用于此目的。这不但提供了改进的定位和保持性能，而且改进了强度性能。

如可以在图1和2中看到的，难熔的金属元件13的顶部部分23包括嵌入在蜡模型14内的部分26，和延伸超出蜡模型14的顶部缘24的另一个部分27。该非嵌入的部分27可用于定位和保持该芯，如在上文描述的。该嵌入的部分26用作陶瓷芯的一部分，当通过浸滤过程或类似过程除去时，其在超耐热合金铸件内形成腔。为了理解此嵌入部分26的重要性，参考如图5中所示的现有技术的设计。

如在图5中示出的为复合芯28嵌入蜡模型29。该复合芯包括陶瓷芯元件31和难熔的金属元件32。该陶瓷芯部分31具有顶部缘33和后缘34。该难熔的金属元件32如示出的在其顶部缘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的后缘34上方悬臂伸出。因此，可以看到现有技术的设计包括易碎的悬臂式部分36，其在铸造过程中非常易被损坏。

再次参考如图1-4中所示的本设计，可以看到，图5中的接附在陶瓷元件顶部缘33上并且包括易碎的悬臂式部分36的难熔的金属元件32被本发明的难熔的金属元件13的嵌入的部分26代替。此部分26为布置在难熔的金属元件13的坚固的主体和其的更坚固的非嵌入的部分27之间的坚固的部分。这样，单个难熔的金属元件13在其后缘提供到陶瓷芯元件的延伸物，同时，延伸超出陶瓷元件12的顶部缘16，以代替难熔的金属元件32，否则难熔的金属元件32将从它的顶部缘32伸出。

应该理解，难熔的金属元件13可以使用各种各样的形状中的任意形状，以在最终的铸件中形成底座、释放带、销、片或其它热传递增强零件。如图1-3中所示，为此目的，一排小圆柱体37从主体伸出。

如图1-3所示，难熔的金属元件13的顶部部分23为单个伸出部分。图6示出了其变化，其中顶部部分23包括一对隔开的延伸物38和39，每个延伸物具有嵌入的和非嵌入的部分，如示出的。

在用超耐热合金材料形成翼片的过程中，在蜡模型已经除去并且被融化的超耐热合金金属代替以后，包括陶瓷元件和难熔的金属元件两者的复合芯通过浸滤过程或类似过程除去。所得的翼片如图7中所示，其中翼片41包括顶部退出槽42，如示出的。从而，冷却空气进入以前被难熔的金属元件13占据的内部腔，并且从顶部退出槽42出去。

在图8中，示出了沿图7中的线8-8看的截面，其中包括了沉孔型零件43，来减小在发动机运转的情况期间，顶部退出槽42被堵住的可能。(即，由于与配合面摩擦接触造成的叶片上的沾污。)

现在参考图9-11，其中示出了本发明的另一个实施例，其中如示出的复合芯元件43结合到用于叶片的蜡模型中，并且具有翼片部分44和平台部分46。当然，该平台部分为用于将叶片固定到诸如盘(没有示出)的旋转部件上的部分。复合芯43包括陶瓷元件47和难熔的金属元件48。形成复合芯元件43的该两者的结合嵌入到蜡模型49内部。

如可以看到的，陶瓷芯元件47为单个元件，其包括翼片部分44和平台部分46。此外，胜于翼片部分44和平台部分46中的每个具有其单独的难熔的金属部分，单个难熔的金属元件49延伸通过陶瓷芯元件47的翼片部分44，并且随后向外在正交的方向延伸，以通过陶瓷芯元件47的平台部分46，如在图10中示出的。这样，单个难熔的金属元件48用于翼片部分44和平台部分46全部两者上，使得最终的叶片将在平台气体通道表面上以及在叶片气体通道表面上都具有退出槽。由于难熔的金属元件48的平台腿可以固定到其叶片部分上，该平台部分可以直接保持到陶瓷芯元件47上，从而增加铸造稳定性。

如在图11中示出的，难熔的金属元件48使得其一端52固定在陶瓷芯元件47的槽53内，随后难熔的金属元件48通过蜡模型49，其将成为翼片壁，并且随后通过蜡模型49伸出来形成延伸物54。随后，当蜡模型49已经被除去并且用超耐热合金金属代替，以及难熔的金属元件48已经被浸滤出去时，留下用于冷却空气从其中流过的通道。

虽然已经参考如在图中示出的优选的和替换的实施例来详细地示出和描述了本发明，应该理解，对于本领域中的普通技术人员，可以在不偏离如通过权利要求书限定的本发明的真正的精神和范围的情况下实现细节上的各种各样的变化。

Claims (16)

1.一种用于在熔模铸造中制造内部腔的复合芯，其包括：

陶瓷元件，其具有布置在平面上的顶部缘和后缘；

难熔的金属元件，其接附在所述陶瓷元件的后缘上，并且延伸通过所述顶部缘平面。

2.如权利要求1中所述的复合芯，其中，所述难熔的金属元件不但延伸通过所述顶部缘平面，而且进一步通过其中将在最终铸造时布置内部腔的空间。

3.如权利要求1中所述的复合芯，其中，所述难熔的金属元件大致通常从所述陶瓷元件的后缘延伸，并且延伸通过其中将在最终铸造时布置内部腔的空间。

4.如权利要求2中所述的复合芯，其中，所述难熔的金属元件大致通常从所述陶瓷元件的后缘延伸，并且延伸通过其中将在最终铸造时布置内部腔的空间。

5.一种用于熔模铸造过程以制造使复合芯嵌入其中的蜡铸件的复合芯，其包括：

陶瓷元件，其具有布置在平面上的顶部缘和后缘；

难熔的金属元件，其接附在所述陶瓷元件的后缘上，并且延伸通过所述顶部缘平面。

6.如权利要求5中所述的复合芯，其中，所述难熔的金属元件不但延伸通过所述顶部缘平面，而且通过所述蜡铸件以提供柄，用于在铸造过程期间放置复合芯。

7.如权利要求5中所述的复合芯，其中，所述难熔的金属元件大致通常从所述陶瓷元件的后缘延伸，并且延伸通过所述蜡铸件以提供柄，用于在铸造过程期间放置复合芯。

8.如权利要求6中所述的复合芯，其中，所述难熔的金属元件大致通常从所述陶瓷元件的后缘延伸，并且延伸通过所述蜡铸件以提供柄，用于在铸造过程期间放置复合芯。

9.如权利要求5中所述的复合芯，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个方向延伸，并且所述第二部分在与其大致正交的方向延伸，并且进一步的，其中，所述难熔的金属元件为大致L形，并且延伸通过所述第一和所述第二部分两者。

10.如权利要求9中所述的复合芯，其中，所述第一部分为翼片部分，并且所述第二部分为平台部分。

11.如权利要求9中所述的复合芯，其中，所述难熔的金属元件不但延伸通过所述复合芯，而且通过所述蜡模型以提供柄，用于在铸造过程期间放置复合芯。

12.一种用于熔模铸造过程以制造使复合芯嵌入其中的蜡铸件的复合芯，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个方向延伸，并且所述第二部分在与其大致正交的方向延伸；并且单个难熔的金属元件接附在所述第一和第二部分两者上。

13.如权利要求12中所述的复合芯，其中，所述难熔的金属元件为大致L形。

14.如权利要求12中所述的复合芯，其中，所述第一部分为翼片部分，并且所述第二部分为平台部分。

15.如权利要求12中所述的复合芯，其中，所述难熔的金属部分通过所述第一和第二部分。

16.如权利要求15中所述的复合芯，其中，所述难熔的金属部分进一步通过所述蜡模型以提供柄，用于在铸造过程中放置复合芯。

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