铸造型芯设备和铸造方法 |
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| 申请号 | CN201610866335.0 | 申请日 | 2016-09-30 | 公开(公告)号 | CN106994499A | 公开(公告)日 | 2017-08-01 |
| 申请人 | 通用电气公司; | 发明人 | S.A.戈德; | ||||
| 摘要 | 一种 铸造 模具 设备包括整体陶瓷型芯(48)，该陶瓷型芯(48)包括：外皮(58)，其限定外表面(56)；以及内部 支撑 结构(60)，其配置在外皮(58)内侧，内部支撑结构(60)限定多个空隙(62)，多个空隙(62)构造成让 流体 进入型芯(48)。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种铸造模具设备，包括： |
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| 说明书全文 | 铸造型芯设备和铸造方法技术领域[0001] 本发明涉及铸造方法，且更具而言，涉及铸造型芯设备和用于移除铸造型芯的方法。 背景技术[0003] 制造过程中的耗时的步骤是在铸造完成之后移除型芯。这涉及利用苛性溶液(通常是溶于水的氢氧化钠或氢氧化钾)溶滤出陶瓷材料。将来，由于将使用更高的温度、含钇的合金，从而需要无反应性的铸造型芯材料，诸如基于氧化铝或基于氧化锆的陶瓷，因而该挑战将被放大。这些型芯材料比目前使用的基于硅石的材料溶滤得慢得多。 [0004] 因此，仍然需要可容易溶滤出的型芯。 发明内容[0005] 该需要通过包括外皮和内部支撑结构的铸造型芯来解决，该内部支撑结构包含空隙，以有助于溶滤剂的输送。型芯可使用添加制造方法来制造。 [0006] 本发明的第一技术方案提供了一种铸造模具设备，包括：整体陶瓷型芯，其包括：外皮，其限定外表面；以及内部支撑结构，其配置在所述外皮的内侧，所述内部支撑结构限定多个空隙，所述多个空隙构造成让流体进入所述型芯。 [0007] 本发明的第二技术方案是在第一技术方案中，所述型芯的所述内部支撑结构构造为适应所述型芯的热膨胀和收缩。 [0008] 本发明的第三技术方案是在第一技术方案中，所述陶瓷材料是基于氧化铝或基于氧化锆的。 [0009] 本发明的第四技术方案是在第一技术方案中，所述内部支撑结构包括互连的壁的格栅。 [0010] 本发明的第五技术方案是在第一技术方案中，所述型芯具有翼型件形状，且所述空隙相对于所述翼型件形状沿翼展方向延伸穿过所述型芯。 [0011] 本发明的第六技术方案是在第一技术方案中，所述外表面是至少75%密实的。 [0012] 本发明的第七技术方案是在第一技术方案中，所述外表面是大于90%密实的。 [0013] 本发明的第八技术方案是在第一技术方案中，还包括：陶瓷材料的壳，其配置为至少部分地包围所述型芯，使得为构件形状的模具腔限定在所述壳与所述型芯之间。 [0014] 本发明的第九技术方案提供了一种形成用于铸造金属构件的模具的方法，包括：使用添加制造过程，形成陶瓷材料的整体型芯，所述整体型芯包括外皮和配置在所述外皮内侧的内部支撑结构，所述内部支撑结构限定多个空隙，所述多个空隙构造成让流体进入所述型芯。 [0016] 本发明的第十一技术方案是在第九技术方案中，所述陶瓷材料包括氧化铝或氧化锆中的至少一种。 [0017] 本发明的第十二技术方案是在第九技术方案中，所述外表面是至少75%密实的。 [0018] 本发明的第十三技术方案是在第九技术方案中，所述外表面是大于90%密实的。 [0019] 本发明的第十四技术方案是在第九技术方案中，在所述添加制造过程期间，利用支撑材料填充所述空隙，所述支撑材料在当所述添加制造过程完成之后被移除。 [0020] 本发明的第十五技术方案是在第十四技术方案中，所述支撑材料是未固化的陶瓷材料。 [0022] 本发明的第十七技术方案是在第十六技术方案中，还包括：将熔化的金属合金引入到所述模具腔中；允许所述金属合金冷却和凝固；以及通过将苛性材料引入到所述型芯的所述空隙中来移除所述型芯。 [0024] 可通过参照结合附图作出的下列描述来最好地理解本发明，在附图中：图1是燃气涡轮发动机的高压涡轮叶片的示意透视图； 图2是用于铸造图1的涡轮叶片的模具的示意截面图； 图3是图2中示出的型芯的放大图；以及 图4是备选型芯和涡轮叶片的透视、部分剖开视图。 [0025] 部件列表10 涡轮叶片 12 燕尾件 14 柄部 16 平台 18 翼型件 20 根部 22 末梢 24 压力侧壁 26 吸力侧壁 28 前缘 30 后缘 32 后缘冷却孔 34 末梢帽 36 声响器末梢 38 吸力侧末梢壁 40 压力侧末梢壁 44 膜冷却孔 46 模具 48 型芯 50 壳 52模具腔 54 石英棒 56 外表面 62 空隙 58 外皮 60 内部支撑结构 64 壁 66 相交处 48' 型芯 10' 涡轮叶片 58' 外皮 60' 内部支撑结构 64' 支柱 62' 空隙。 具体实施方式[0026] 参考附图，在附图中，相同的参考标号贯穿各种视图指示相同的元件，图1例示示例性涡轮叶片10。在本文中描述了用于铸造金属构件(诸如涡轮叶片10)的方法和设备、需要内部去型芯以形成内部特征的过程。涡轮叶片10是可利用本发明的原理来制造的需要此种去型芯的多种构件的仅一个示例。 [0027] 涡轮叶片10包括常规燕尾件12，该燕尾件12可具有任何合适的形式，包括柄脚(tang)，该柄脚接合转子盘(未示出)中的燕尾槽道的互补的柄脚，以用于在叶片10在操作期间旋转时将叶片10固持于盘。叶片柄部14从燕尾件12径向向上延伸，且在平台16中终止，平台16从柄部14侧向向外突出且围绕柄部14。中空翼型件18从平台16径向向外延伸且延伸到热气体流中。翼型件具有在平台16和翼型件18的结合处的根部20，和在其径向外端处的末梢22。翼型件18具有在前缘28处和在后缘30处连结在一起的凹入的压力侧壁24和凸出的吸力侧壁26。翼型件18可采用适用于从热气体流提取能量且导致转子盘旋转的任何构造。翼型件18可并入多个后缘冷却孔32，或者其可并入在翼型件18的压力侧壁24上的多个后缘泄放槽道(未示出)。翼型件18的末梢22由末梢帽34封锁，末梢帽34可与翼型件18一体或分开地形成且附接于翼型件18。竖立的声响器末梢(squealer tip)36从末梢帽34径向向外延伸，且在组装后的发动机中配置在静止护罩(未示出)的附近，以便使经过末梢22的空气流损失最小化。声响器末梢36包括以与压力侧末梢壁40间隔开的关系配置的吸力侧末梢壁 38。末梢壁40和38与翼型件18一体且分别形成压力和吸力侧壁24和26的延伸部。压力和吸力侧末梢壁40和38的外表面分别与压力和吸力侧壁24和26的外表面形成连续的表面。多个膜冷却孔44经过翼型件18的外部壁。膜冷却孔44与翼型件18的中空内部空间(未示出)连通，该中空内部空间可包括由内部壁限定的复杂的冷却通道布置，诸如蛇形构造。 [0028] 为了具有足够的蠕变破裂和疲劳强度，且为了对抗热腐蚀和氧化，涡轮叶片10可由通常称为“超级合金”的具有良好的高温蠕变抗性的材料(诸如镍基合金和钴基合金)制成。 [0029] 参照图2，涡轮叶片10可使用铸造方法来形成，在该方法中，模具46被组装为包括型芯48和壳50，它们协作以在其间限定模具腔52。型芯48和壳50可使用石英棒54或其他适当的结构来跨过其间的间隙，从而相对于彼此固定在合适的位置中。在准备模具46之后，将熔化的金属引入模具腔52中，且然后允许其冷却和凝固。然后，通过破碎、溶解、或溶滤来移除模具46。一般来说，型芯48对于破碎而言是无法物理地接近的，且因此，可通过溶滤，通过使型芯与苛性材料接触来移除。苛性材料的非限制性示例包括溶于水的氢氧化钠和氢氧化钾。 [0030] 图3更详细地例示了型芯48。型芯48是具有外表面56的一体或整体结构，外表面56限定期望构件的形状(或者换言之，为期望的正构件的负形式)。在该具体示例中，型芯48大体上是翼型件形的。优选地，外表面56具有平滑的表面光洁度，由此需要所得的构件的表面的较少的铸造后精整，或者不需要铸造后精整。为了最好的表面光洁度，外表面56优选地为高度密实的，即，其具有低孔隙度。外表面56可接近100%密实。例如，外表面可大于90%密实(即，小于10%孔隙度)。适用于此过程的至少一种已知的陶瓷材料具有大于95%的表面密实度。在低于近似75%密实度的情况下，所得的铸件的表面光洁度将是显著更粗糙的，但溶滤速率将更高。取决于特定的应用，低如近似50%的表面密实度可带来可接受的表面光洁度。 [0031] 型芯48的远离外表面56的内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。空隙62的目的是在型芯移除期间促进液体形式的苛性溶滤剂的渗透。为了有效，溶滤剂必须直接接触陶瓷材料。因此，空隙62可布置成使得型芯48的任何部分都不具有比预先限定的尺寸“t”大的壁厚，其中厚度t是基于溶滤剂的作用速率和完成溶滤过程期望的时间来选择的。 [0032] 型芯48还可以描述为具有外皮58和内部支撑结构60。外皮58限定外表面56，且足够厚以耐受铸造过程期间的扭曲和损伤。内部支撑结构60配置在外皮58的外围内侧，且包括限定空隙62的结构元件。 [0033] 在例示的示例中，内部支撑结构60构造为跨过外皮56的内部且在多个相交处66相遇的多个间隔件或壁64。在该示例中，壁64和空隙62沿翼展方向延伸，从而允许在与翼型件18的根部20或末梢22对应的部位处引入溶滤剂，且允许溶滤剂遍布型芯48的翼展方向范围流动。 [0034] 除了有助于液体溶滤剂到型芯48中和离开型芯48的输送，内部支撑结构60可构造为对型芯48提供结构支撑，包括确保在铸造过程期间经历高应力的区域中的机械支撑，并且/或者控制型芯48在铸造过程期间的热膨胀。内部支撑结构60可采取任何适合的形式，包括壁、间隔件、棒、支柱、或梁的二维或三维阵列。内部支撑结构60的元件可布置为格栅或结构桁架。图4例示由涡轮叶片10'的一部分包围的型芯48'的示例。型芯48'包括外皮58'和内部支撑结构60'，内部支撑结构60'包括支柱64'的三维格栅，从而限定空隙62'。 [0035] 型芯48由当暴露于处于高温的熔化的金属合金时能够维持结构整体性的耐火材料构造成。例如，型芯48可由实心陶瓷材料形成。陶瓷的非限制性示例包括基于硅石、氧化铝、和氧化锆的那些。诸如基于氧化铝和基于氧化锆的陶瓷的材料被认为与上述金属合金不反应。 [0036] 型芯48可使用添加制造过程来建造。“添加制造”是在本文中用于描述如下过程的用语，该过程涉及一层一层构造或添加制作(与和常规加工过程一样的材料移除相反)。此种过程还可称为“快速制造过程”。添加制造过程包括但不限于：激光近净成形制造(LNSM)、电子束烧结、选择性激光烧结(SLS)、3D打印(诸如通过喷墨打印机和激光打印机、微笔沉积)、立体光刻(SLA)、电子束熔化(EBM)、和激光工程化近净成形(LENS)。在这些过程之中，SLA尤其已知用于产生良好的表面光洁度，即，具有低表面粗糙度的表面。 [0037] 在型芯48的建造过程期间，可用支撑材料填充空隙62。例如，诸如蜡或热塑性塑料的材料可与陶瓷材料同时地或交替地沉积。备选地，支撑材料可包括保持未固化的陶瓷材料。在任一情况下，应在制造过程完成之后移除支撑材料，从而留下空隙62。可选地，型芯48和壳50可作为单个添加建造周期的一部分同时地建造。 [0038] 上述设备和方法具有若干优点。利用添加制造方法直接生产核心允许密实度的受控的变化。具有相对空闲的格栅状内部的密实皮的设置提供机械强度以及用于浸渍溶滤剂的路径二者。这通过加速在铸造完成之后溶滤出型芯的过程而具有与现有技术方法相比显著地减少过程周期时间的潜能。 [0039] 前面已描述了铸造型芯设备和铸造方法。在本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和图)中公开的所有特征，和/或由此公开的任何方法或过程的所有步骤，可以以任何组合方式(除了此种特征和/或步骤中的至少一些互斥的组合方式之外)组合。 [0040] 在本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和图)中公开的各特征可由用于相同、等同或类似目的的备选特征替换，除非另外明确地声明。因此，除非另外清楚地声明，否则公开的各特征仅是等同或类似特征的通用系列的一个示例。 [0041] 本发明不限于前述(多个)实施例的细节。本发明扩展至在本说明书(包括任何所附权利要求、摘要或图)中公开的特征中的任一新颖特征或任何新颖的组合，或者扩展至由此公开的任何方法或过程的步骤中的任一新颖特征或任何新颖的组合。 |
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