各种金属部件被使用于高温环境下。涡轮发动机零件是代表这些 种类部件的例子。这些零件通常由熔模铸造方法制造。
为了运转效率，沿着涡轮机热气通道出现的峰值温度通常保持尽 可能高。发动机的涡轮叶片和其它元件通常由金属合金(例如超合金) 制成，这些合金能耐受高温环境。超合金通常具有大约为1000-1150℃ 的工作温度限制。超过该温度的情况下的工作可能造成不同涡轮元件 的失效及发动机的损坏。
涡轮机的热气通道部件通常采用多种内部通道，冷却流体(比如 空气)穿过这些通道。冷却流体的使用将部件的总体温度保持在可接 受温度下。美国专利6644921(Bunker等人)论述了各种部件中的冷 却通道的使用，例如涡轮叶片。美国专利5690472(Lee)描述了一种 用于涡轮翼片的内部网眼冷却孔装置。
许多不同类型的冷却通道可用于各种情况。这些内部通道通常由 熔模铸造过程中的陶瓷芯来成型。从最后的铸造中去掉该芯产生了期 望的中空通道，这通常是一种用于冷却流体的复杂且精确限定的内部 流动网络。
通常，冷却通道包含着能极大增强部件冷却效率的表面特征。例 如，该通道可包含紊流装置(turbulation)。Bunker等人的相关专利 提及了这种形式为横向肋突起的紊流装置中的应用。所获得的冷却效 率的增强明显降低了涡轮部件的工作温度。
紊流对增强沿热气通路的冷却效率可以是非常有效的。然而，在 一些场合下，有一些缺点与这种特性有关。例如，在翼片表面的一些 区域上应用紊流可能造成不希望的极大压力损失，其原因在于摩擦效 应。
在某种程度上由于采用紊流的偶然缺点，其它类型的表面特性引 起了极大兴趣。正如美国专利6644921所描述的，冷却通道中各种类 型的表面凹陷或“凹部”的应用也能改进元件的热传递特性。在一些例 子中，总体冷却流体以螺旋方式在选定图案的凹部上移动。螺旋运动 的目的是使得中间冷却流体循环至热交换表面。在这种方式下，与利 用紊流的过程相比，热交换过程更为有效。
不利的是，在金属部件的一些内部区域形成凹部通常是极其困难 的。例如，可能没有在气体涡轮叶片的一些内部流动网络区域上形成 凹部的实用方法。而且，在这些区域中形成尺寸精确的特定图案的凹 部经常是不可能的。凹部经常因太小而无法铸造，例如，无法通过用 于对部分造型的熔模铸造技术来铸造。铸造凹部的尝试也可能带来其 它问题，比如模具的过早磨损。
诸如电化学加工和放电加工(EDM)的技术有时可用于在材料的 暴露表面形成凹部和其它特征。然而，这些技术不容易用于在封闭的 内部区域形成所述特征，因为难于接近封闭的内部区域。
因此，清楚的是，在金属部件中形成凹部的新方法在本领域中是 所希望的。特别有利的方法将能够在复杂部分的内部区域中形成凹 部，例如，在复杂的蛇形冷却的涡轮叶片的内部区域中；根据任何需 要的图案，使得凹部的形成具有非常精确的尺寸；并通常与用于形成 金属部件部分的其它步骤例如各种铸造技术是相容的。

本发明一实施例涉及一种改变陶瓷芯的表面的方法，其包括根据 预定图案，采用直接写技术将陶瓷基材料沉积在陶瓷芯的表面上的步 骤。
本发明另一实施例涉及一种将突出特征部的图案施加到陶瓷芯 的表面上的方法，其用于熔模铸造过程以便形成具有内部冷却通道的 涡轮发动机翼片，该内部冷却通道包含与该突出特征部相反的凹部， 该方法包括根据用于该突出特征部的预定图案，采用直接写技术将陶 瓷基材料沉积在陶瓷芯的表面上的步骤。
关于本发明的各种特征的进一步细节在说明书其它部分和相应 附图中进行描述。

图1是一沉积在内芯表面的陶瓷芯锥体的横截面说明图，带有由 金属铸造过程中内芯的使用造成的相应凹部。
图2是一用于将突出特征部应用到内芯表面的直接写笔系统的总 说明图。
图3是一模拟机器人式多轴笔系统的示意表示图，该系统用于把 突出特征部直接写至内芯表面。
图4是一中空翼片的部分横截面说明图，该翼片带有布置在网格 冷却孔装置中的凹部。
图5是另一布置在网格冷却孔装置中的凹部的示意图。
图6是一陶瓷材料的一部分的照片，一种陶瓷特性的图案沉积在 该材料上。

多种金属部件可用于本发明。金属的非限制性示例为：钢、铝、 高熔点金属如钛、铌；以及超合金如基于镍、钴或铁的那些金属。这 些部件通常是那些暴露在高温下且需要冷却的物体。这些部件也可以 是需要某种内部通道的物件。如前所述，涡轮发动机翼片是一个主要 例子。
用于形成金属部件的内部通道的陶瓷芯在本领域是公知的。它们 经常被用于方向性凝固的共晶体和超合金材料的熔模铸造中。关于熔 模铸造、内芯和陶瓷外壳铸模的资料是广泛可得的。示范性的有用资 料来源列举如下：“Kirk-Othmer化学技术百科全书”，第3版，第7 卷，798页以及下列等等；“现代金属工艺(Mordern Metalworking)”， J.R.Walker著，Goodheart-Willcox公司，1965年；以及“外壳铸模和 外壳铸模铸造(Shell Molding and Shell Mold Castings)”，T.C.Du Mond 著，Reinhold出版公司，1954年。
本领域普通技术人员对影响内芯材料和处理条件的选择的各种 因素是很熟悉的。一般来说，陶瓷内芯在高铸造温度下必须保持物理 和化学稳定性。也必须与形成金属部件的熔融金属不相对发生反应。 而且，内芯必须能在处理完成后从铸件中去除，例如通过在商业性的 合理时间内进行的溶浸处理使内芯去掉。
涉及内芯及其制造的专门知识也在一些参考文件中提及。非限制 性的举例有美国专利5014763(Frank)；4141781(Greskovich等)； 4097292(Huseby等)；以及3654984(Mellen，Jr.，等)，上述所有 文献合并于此作为参考。通常由陶瓷基材料制造的内芯一般包含从氧 化铝、氧化铝-铝；氧化硅(例如熔融氧化硅)，碳化硅，氮化硅，氧 化镁；硅酸盐(例如硅酸铝和硅酸锆)；氧化钇；氧化锆，和氧化硅 -锆石(silica-zircon)的组中选择的至少一种组分。正如本领域技术人 员所清楚的，各种粘结剂也能用于内芯的形成。例子包括硅酸乙酯， 胶体氧化铝，硅酸钠，胶体氧化锆以及硅胶。这些粘结剂经常是基于 有机的，例如可聚合的单体，如丙烯酰胺，丙烯酸酯及其组合物。
正如本领域技术人员所理解的，内芯有时由喷射模制或传递模塑 技术制造。在许多例子中，内芯是由瓷浆配制而成的。举一个非限定 性的例子，在Frank的参考文献中描述过，内芯可以由可冻液体、瓷 粉及胶凝剂组成的瓷浆配制而成。该浆状成分可倒入一内芯形的模制 腔中，然后进行冷冻和凝胶步骤。成形的“料坯(未加工)”主体再根 据合适温度和时间表被加热，从而得到一烧结的陶瓷芯。
如上所述，当该陶瓷芯设置在一用于熔模铸造或类似过程的壳模 内时，它就提供了一金属部件的内部“中空”区域。根据本发明，沉积 在陶瓷芯上的突出特征部(即，突起于表面上的特征)(positive feature) 在部件的内部区域中提供了所需凹部。图1以简单形式描述了本发明 的这一方面。陶瓷材料作为一系列突出特征部12沉积在陶瓷芯16的 表面14上。在图中所示为锥形。沉积后，陶瓷材料进行如下所述的 热处理，以便使材料烧结并稳固地粘合到陶瓷芯表面14上。
图1的右侧描述了一金属铸件18，该金属铸件是采用熔模铸造工 艺的内芯16制成的。从铸件中移去陶瓷芯就形成凹部20。这些凹部， (本例中的凹陷)以相反形式精确地复制了突出特征部12的图案。
根据所需的与其形状相反的凹部，陶瓷材料能以多种多样的形状 和尺寸沉积为突出特征部。突出特征部的非限制性例子包括：菱形， 锥形，半球形，半球部分，圆销形及它们的组合。在翼片的例子中， 有时需要以某种细长六面体的形状沉积一些或所有的特征。这样的突 出特征部将用于形成一带有基本扁平、矩形底部的凹槽或沟道。在另 一个例子中，半球面可类似于细长的半圆柱形，(例如，“半圆拱形活 动房屋”)，它可以最终形成一带有圆形底部的凹槽。
如上所述，直接写(direct-write)技术可用于沉积陶瓷材料，该 材料在陶瓷芯表面形成突出特征部。直接写技术是本领域中熟知的， 在许多参考文献中描述过。其例包括：美国专利6660680 (Hampden-Smith)，其被合并于此作为参考。还有一段指导性的文字： “用于快速原型成型应用的直接写技术”，A.Pique和D.B.Chrisey编， Academic Press出版社，2002年。
此处应用的“直接写”技术是一种方法，其中使用一合适的直接写 工具，通过一孔将液体、悬浮液、或浆糊(更高的装料量)向表面上 喷射，从而沉积到该表面上。通常，工具本身与该表面无实质性接触。 直接写工具最好相对于印刷表面在x-y网格上可控制(即，基质和装 置其中的一个或两个可以移动)。
一般而言，用于直接写技术的沉积材料可包括各种各样的金属、 陶瓷、或聚合粉末。在本例中，沉积材料为陶瓷粉末，通常与形成内 芯的材料类似或相同(那些材料在上面已详细描述)。该粉末均匀地 分布在溶剂中，以形成浆液(作为直接写处理的技术术语经常被称为 “墨水”)。各种添加剂也可使用。例如，可加入不同种类的表面活性 剂以便为浆液带来合适的流体特性。而且，诸如淀粉或纤维素的粘接 剂也可经常用于在热处理之前增加沉积材料的完整性。依赖各种因 素，浆液可有一定范围的粘性，例如从水到焦油。该因素包括应用的 直接写技术的类型；及形成特性的类型，例如，其尺寸，形状和所需 完整性。在自动技术中，浆液或墨水直接用在任何类型的基质上。通 常，CAD/CAM界面用于绘制想要的沉积图案。
关于浆液形成的许多一般细节是本领域公知的，不需要在此详细 描述。可参考各种陶瓷处理的资料源，例如“Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology”，第4版，第5卷，610-613页，以及美国专利 6613445和5985368(作者都是Sangeeta等，合并于此作为参考)。 而且，上面提及的直接写的正文部分(Pique和Chrisey)讲述了许多 用于直接写墨水和浆糊形成的所希望的特性。
简而言之，浆液最好散布均匀，没有气泡和发泡。通常浆液具有 根据应用的特定直接写技术的需要进行调整的流变特性。(例如，如 下所述，当应用不同笔技术时，陶瓷浆液经常具有牙膏的一致性)。 浆液中固体颗粒沉淀率越低越好。浆液的化学性应该稳定。进一步， 当干燥后，沉积陶瓷材料应保持其形状及足够强度以便承受接下来步 骤，如在烘烤之前的完成和处理。
浆液中可存在多种添加剂，以便提供必要特性。非限制性例子(对 上述粘结剂和表面活性剂的补充)包括：增稠剂，分散剂，悬浮剂， 抗沉淀剂，可塑剂，缓和剂，润滑剂，表面活性剂和抗发泡剂。本领 域技术人员能够挑选使用最合适的添加剂而不需不必要的试验。浆液 可由任何传统混合技术制备。非限制性例子包括使用高速搅拌器，螺 旋叶片式混合器，旋转罐，以及剪切混合器，例如碾磨装置。
如前暗示的，可用于本发明的直接写技术是本领域公知的。例如， 上面提及的热喷技术来源于传统处理，如Pique/Chrisey文中所述(例 如265-293页)。非限制性例子包括高速氧燃料(HVOF)技术，以 及诸如真空等离子沉积(VPS)的等离子处理。HVOF是持续燃烧处 理，其中粉末以高速喷入喷枪的射流中。本领域普通技术人员对各种 HVOF细节是熟悉的，诸如主要气体，次要气体(如果需要)和冷却 气体；气流速率；粉末等级；涂布粒子尺寸及类似因素的选择。
在典型的等离子处理中，采用一通用DC(直流)热等离子火焰， 在阴极和环形水冷铜阳极之间提供稳定的电弧。等离子气体(经常是 氩或另一惰性气体)被引入喷枪内部的背部。气体在漩涡中转动，然 后从阳极喷嘴的前面排出。从阴极到阳极的电弧使电路闭合，形成一 射出的等离子火焰。
熟悉等离子喷射技术的人可理解，等离子温度可以很高，例如传 统直流火焰运转于40kW时达到15000K。沉积在基质上的陶瓷材料以 粉末形式供应。该粉末引入等离子火焰中。粉末颗粒在火焰中加速并 熔化，在高速通向基质的通道中，它们撞击并经受快速凝固。本领域 技术人员对普通等离子喷射处理的变化和将该处理应用到各种沉积 材料的技术是熟悉的。在本例中，等离子处理和其它的热喷射技术经 过变型以提供一计算机界面。这种类型的处理被广泛描述，例如，在 美国专利6576861中，其合并于此作为参考。
另一个合适的直接写技术是激光化学气相淀积(LCVD)，在 Pique/Chrisey文中也有描述。LCVD是一用于薄膜生长的热技术。简 单说，激光用作光解、热解、或振动/旋转激发的陶瓷的前体的激活剂。 通过“质量增加”，该技术可用于形成基质上的复杂结构。材料沉积可 在计算机化运动控制下执行，正如在其它直接写处理中一样。美国专 利5154945和5060116也讨论了LCVD的各个方面，并合并于此作为 参考。
另一种很常见的直接写处理基于墨水喷射技术。在Pique/Chrisey 文中(例如第7章)广泛描述了该技术，而且在其它许多参考文献， 例如，“Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology”，第4版 (1996)，第20卷，112-119页。可应用各种墨水喷射系统，例如， 连续模式系统和要求模式的(如脉冲)系统。在后一种类中，也有各 种脉冲系统，如，压电系统和热脉冲系统。墨水喷射系统的电控装置 在本领域也是广为人知的，可应用各种计算机控制系统，例如，采用 一CAD/CAM界面，所需沉积图案可在该界面上编制。
本领域技术人员对墨水成分的要求是熟悉的，通常是含水的或基 于溶剂的。除了上述一些添加剂外，墨水喷射成分可包括其它对本沉 积方法有点特别的成分。例如，保湿剂和所选的共溶剂可用于抑制墨 水在喷嘴处的干燥。根据本发明应用的陶瓷浆的成分可被适当调节为 与墨水喷射沉积相兼容。
另一可用于本发明的直接写处理是激光导向直接写(LGDW)。 在这类型的一典型处理中，产生一沉积颗粒流，如Pique/Chrisey文中 所述(如，第10页和646-648页)。激光束迫使该颗粒直接引射至基 质的所选区域上。颗粒经常作为悬浮物而产生，例如，悬浮在水中。 在某些例子中，采用超声波雾化法来分散大气中的颗粒，以便与激光 束接触。
激光颗粒导向系统和相关细节也在美国专利6636676和6268584 中谈及，该文献合并于此作为参考。如后一专利文献中所述，典型激 光颗粒导向系统包括各种计算机驱动的指示沉积图形的定位装置。某 些LGDW系统可从Albuquerque，NM的Optomec Design公司购买。
“MAPLE”技术是适合本发明的直接写处理的另一实例。(首字母 缩写表示“矩阵辅助的脉冲激光蒸发”)。MAPLE技术在Pique/Chrisey 文中有相当详细的描述，(如138-139页；521页以及下列等等)。 该技术也在美国专利6660343和6025036中描述，两者合并于此作为 参考。
简单说，MAPLE技术使用聚焦的紫外线激光器脉冲来将材料从 载体上的涂层转移至基质上。在一种MAPLE系统中，激光撞击材料， 使之通过载体(通常是透明的)从载体材料界面的背面转移出来。该 材料设计为吸收激光能量，以便导致界面的局部蒸发。因此沉积材料 的不连续“包裹”形式根据计算机控制的图案被推向基质。在移动载体 和基质中的一个或两个时，通过应用一串激光脉冲，使得所需图案被 直接写上。
本领域技术人员可以调节此处所用陶瓷成分的特性(例如，颗粒 尺寸和流变性)，以与MAPLE处理相兼容。多种其它处理参数也可 由熟悉MAPLE的人员进行调节。参数的举例包括入射波束能量，脉 冲激光率等。
笔分配系统代表另一类直接写技术，本发明通常是优先选择该系 统的。该系统经常使用自动喷射器(syringes)，有时总称为“微笔印 刷”方法。Pique/Chrisey的参考文献提供了该系统的总体说明(如第8 章)；该系统还在前述参考的Hampden-Smith的专利中提到。前述一 些处理因素在此也是相关的，诸如印刷胶或墨水的流变性，以及润湿 和粘合特性。商业上的笔分配系统可通过各种来源购买。例如， Micropen TM工具可从Honeoye Falls，NY的Ohmcraft公司买到， Dotliner TM计量系统从Huntingdon Valley，PA的Manncorp公司买到。
示范性的笔式沉积处理在R.Bunker等人于2003年6月30日递 交的共同未决申请S.N.10/611745(Docket No.121278-2)中描述了， 合并于此作为参考。如图2所示，沉积材料的混合物50通过一喷嘴 或“笔”52转移到内芯/工件56的表面54上。混合物50通常是陶瓷浆， 其包括分配至液态介质58的陶瓷粉57。(如前所述，浆液的粘性有 时很高)。迫使混合物50以控制速率通过喷嘴52，获得突出特征部 60的所需形状和尺寸。可在表面上使笔具有一个或多个行程。对喷嘴 口的尺寸(以及下面提及的其它因素)进行选择，以提供所需每一行 程的尺寸。
在材料沉积过程中，喷嘴52相对于内芯表面54转移，以便形成 预定形状的特征60。(如前暗示的，预定形状在计算机中生成和存储， 例如作为CAD/CAM文件)。在计算机控制下，“移动”通过移动喷嘴 或内芯表面或两者同时移动来执行。示范性的控制器通常描述为元件 62。沉积到内芯上的特征的高度和形状部分地由所分配的材料流的流 动率以及写操作时笔尖和工件的相对移动速度来确定。
在许多例子中，部分地由于金属部件内形成的复杂内部区域，内 芯表面可能有相当大的曲率。前述笔处理能有效地将所需陶瓷材料沉 积到这些弯曲表面的绝大部分区域及任何不规则表面上。然而，有时 希望使用其它笔系统，以便有效将所需材料沉积到内芯的许多附加表 面区域上。
S.Rutkowski等人在2003年7月17日递交的S.N.10/622063 (Docket No.126762)的共同未决申请中描述了一种有效将沉积材料 运用到具有复杂3D外形和不同曲率的内芯上的笔系统，该文献合并 于此作为参考。被通俗称为“机器人笔”的该系统由电脑控制。它包括 一用于安放工件(即，本例中的内芯)的多轴台，及一用于提供工件 垂直运动的协作升降机。通常，笔尖可旋转地安放在升降机上。一供 应沉积材料的分配器与笔尖流体连通地连接。当工件相对于笔运动 时，该分配器将一股材料喷向工件表面。
图3概括描述了机器人笔系统100，其配置为将任何合适材料102 以流束形式分配到任何合适工件104的表面上，即，分配到陶瓷芯的 表面上。该陶瓷内芯可有简单的诸如平板状的两维(2D)外形，但更 常见的是在其三个轴向有曲率变化和轮廓改变的复杂3D外形。内芯 还可包括各种内部区域，例如，凹穴，孔洞，缺口及类似物。为了说 明的目的，内芯描述为相对简单的形状。
图3表示的机器人笔系统是在用于内芯表面上进行精确写操作的 集成仪器或系统中的主要传统元件进行适当变型的一种装置。(在 S.N.10/622063文献中描述过，这种系统可通过使得在商业上购买的 研磨机器进行变型而获得，例如，复杂的多轴计算机数控(CNC)机 器。)。
图3的笔系统包括安装内芯/工件104，进行两轴(X，Y)相互 精确移动和精确旋转(A)的三轴台108。系统机器还包括传统升降 机120，其上安装了传统旋转主轴122。升降机产生相对于工件台108 的垂直轴向(Z)的移动，工作台具有三个平移轴(X，Y，Z)和一 旋转轴(A)。这种多轴向运动能力典型地用于执行各种3D工件的研 磨操作。然而，在机器人笔系统中，去掉了旋转轴，用旋转的笔尖/ 喷嘴124代替，其可旋转地接近升降机120。
传统分配器126(或类似功能的装置)适当地与笔尖124流体连 通，从而将材料102(液体、浆糊、或浆液)喷射到工件的表面127。 (材料102可以呈液体，浆糊或浆液状)。如前所暗示，材料102的 沉积是在笔尖与安装工件的相对运动下按所需图案执行。
如图3所示，工作台108可以是任何传统构形的。示意地说，工 作台可包括用于沿第一直线轴X移动工件的第一桌128。用于沿第二 直线轴Y移动第一桌和工件108的第二桌130可位于第一桌128下面。 第二直线轴Y与第一轴X正交，以用于双平面安装及工件以传统方式 的移动。笔系统进一步包括精确驱动的旋转轴132。该轴可适当安装 于第一桌128，可允许工件沿第一旋转轴A精确旋转。
笔尖124可以任意合适方式安装于垂直升降机120，以用于沿第 三直线轴Z方向移动。Z轴与X、Y轴正交。笔尖也可安装于用于沿 第二旋转轴B旋转的升降机上。这样可允许笔的360度运动，可触及 到工件104的最外和最内区域。工作台108和升降机120可用一常见 结构架134相连，该架允许笔尖和工件间的相对运动。
图3的机器人笔系统还包括传统数字程序化计算机或控制器136。 如上所述，计算机136通常软件进行传统编程，以用于控制机器的所 有轴向运动。当沉积材料流102从笔尖分配出来时，笔尖124和工件 104的相对运动。特别地，计算机/控制器136可有效控制和调整沿三 个直线轴X，Y，Z和两个旋转轴A，B的相对运动。旋转轴允许笔尖 在工件的不同3D表面的准确对齐和定位，沉积材料流按所需图案写 在该工件表面上。计算机/控制器136在软件中可配置成适合于工件三 维几何形状或外形138以及笔尖在工件上的相应预定路径或图形。其 它关于笔和沉积图形的计算机控制的细节在Rutkowski等的申请S.N. 10/622063中提及。例如，笔尖通常保持非常接近但不接触工件表面， 两者之间有一合适间隙。另一例中，可选择地安装传统的电荷耦合装 置(CCD)照相机146，其用于在工作时视觉观测笔尖与工件104之 间的间隙，并与一观察监视器48相连，该监视器允许机器操作者在 安装机器和控制其操作时可观察笔尖和间隙。通常，笔尖大致定向成 与工件表面垂直。
关于分配器126及其操作的细节也在Rutkowski等的专利申请中 提及。该分配器可具有任何传统结构，通常包括一具有储存所需涂写 材料102的适当容器的喷射器140。该喷射器与笔尖24是流体连通的， 例如通过一软管。分配器也可包括用于精确泵压喷射器，使沉积材料 通过该软管分配以便从笔尖124喷射的装置142。分配器可选择地由 本身的数字处理器或控制器，例如个人电脑144控制。正如Rutkowski 等的申请中提及，分配器和被分配材料流的精确控制有助于确保沉积 材料各部分的精确高度和宽度。
其它关于机器人笔系统及其优化特性的细节也在中请S.N. 10/622063中提及，无须在此多加讨论。例如，可应用传统开环控制 或闭环反馈机构，以便确保笔尖与工件表面的特定间隙。反馈控制可 在各种测量仪器，例如激光，声波，以及照相机控制的装置的帮助下 实现。而且，笔尖可依据处理的工件的需要调节其长度。更换其它外 形和长度的笔尖的机构也已在Rutkowski等的申请中提及。笔尖的定 位可使之在任何中空工件的内表面进行涂写，即，如前所述的带有内 部区域的内芯。
在沉积材料施加到内芯表面上之后，要进行热处理，以便去除所 有挥发性物质(如粘接剂、溶剂等)，同时加固和加强该材料。沉积 材料可单独进行热处理也可与内芯同时进行。示范性的热处理包括诸 如等离子，激光，电子束加热的聚焦能量源，或用某些其它本地热源 加热。可选择地，如果温度足够低至避免内芯损坏的话，可在熔炉中 进行热处理。热处理可在预设“焙烧”温度进行，或根据任何阶段进度 表进行。而且，当材料沉积超过一层时，热处理可在每一次沉积之间 进行。
热处理温度和时间都依赖于各种因素，如沉积材料的类型、尺寸、 基质的成分。在沉积如上所述的典型的陶瓷材料(例如氧化铝基或氧 化铝/硅基的材料)时，热处理时间进度设置成足以烧掉挥发性成分， 同时也促进其加固。后一现象为本领域技术人员公知的，通常包括诱 导陶瓷粉末形成颗粒或微粒，以实现内部颗粒烧结机理，该机理使得 颗粒或微粒彼此连接并与基质连接。陶瓷材料的典型加热温度大约为 1500-1550℃的范围。然而，该范围可适当改变，也可包括主要去除 挥发物的低温阶段。
在一代替实施例中，当内芯仍处于未燃或“未处理”状态时，突出 特征部所用的沉积材料就可写至内芯上。然后，带有写上的突出特征 部的内芯可按常用方式加热。而且，在热处理之前，该特征可写在仍 处于未处理状态且随后(用传统技术)彼此相连的不同内芯或内芯区 域上。在另一代替实施例中，热处理至少在沉积处理的一段中使用。 这种热处理可以通过如下方式完成，例如用激光或优质等离子源跟随 喷嘴52，并可以在未处理内芯或预先加热的内芯上使用。
如前所述，内芯可用于生产金属部件的任何传统铸造处理中，主 要例子是熔模铸造。使用内芯本身可以制造部件的内部区域。本发明 中施加到内芯的突出特征部主要提供了设置在内部区域中的凹部。 (在铸造后去除内芯的技术是本领域公知的，如上面引用的某些专利 中所述，通常包括用合适溶剂的滤去处理)。
图4是一具有凹部的涡轮发动机部件的示意图。通过使用根据本 发明改变的陶瓷芯，该部件一般由熔模铸造工艺制备。图中描述了中 空翼片150的部分横截面。相对壁152和154限定出两者之间的冷却 网络155。侧壁152表示高温或“热”壁。该热壁一般面对温度至少在 1000℃的燃烧气体，更常见的是至少1400℃。在该图中，侧壁152 由保护性的热屏障涂层156(TBC)覆盖。侧壁154(翼片的内壁)通 常称为“冷表面”或“冷却表面”。
在这种传统翼片中，侧壁的轴向上游末端通常都沿叶片前缘连接 在一起，相反方向的轴向下游端沿叶片后缘(未示出)连接在一起。 冷却空气通常从压缩机(未示出)排出，然后直接通过冷却网络155， (按流体箭头所示的方向)。
图4展示了一种内部网孔冷却装置。如前述Lee的专利(美国 5690472，合并于此作为参考)所述，“网孔”通常由交叉冷却孔形成。 在本例中，一组冷却孔交叉以便限定出空间分离的内部实心节点158。 如Lee的文献所述，“网孔”装置使得翼片侧壁之间形成更多紊流气流， 从而增强了热传递。
根据本发明，即，使用改变过的内芯，使得凹部160在节点158 之间按预先确定的图案形成。正如前面讨论过的，虽然图4中将凹部 描述为凹陷，实际它们可以制成任何形状或尺寸。通过沿热传递表面 产生和保持大量流体运动，该凹部可进一步提高网孔冷却系统的热传 递特性。而且，可得到增强的冷却效果而没有这类冷却系统中有时因 紊流特性的应用而伴随产生的一些缺点。
与如上所述的情况相似，图5是一典型的涡轮翼片内部的冷却装 置的简单示意图。菱形网孔节点170产生了连接区172。通过在铸造 过程中用以形成内部区域的内芯上提供与突出特征部相反的形状，凹 部或凹陷174在该连接区中形成。该处理不需要掩膜步骤和其它表面 制备步骤，而这些步骤在过去常常是为翼片表面提供特征所需的。而 且，先前使用的传统技术一般不能在复杂的冷却通道中提供精确的凹 部图案，而根据本发明就可获得。
但是必须强调，根据本发明形成的凹部不是必须设置在网孔冷却 内的结构。它们可形成于多种多样的翼片表面，该表面可以有或者也 可以没有任何其它种类的特定冷却特征。事实上，该凹部可形成于任 何由铸造过程制造的金属部件的表面。
举例
以下例子是为解释而提供的，不应被视为对本发明范围的任何类 型的限定。
本例使用Honeoye Falls，N.Y.的Ohmcraft公司生产的MicropenTM 装置(400型)。笔尺寸为外径10mils(0.25mm)，内径7mils(0.18 mm)。
本例采用一块电子级的氧化铝作为工件/基质。其尺寸为2英寸×1 3/8英寸(5.1厘米×3.5厘米)，厚度约为1毫米。工件置于装置上一 可通过计算机控制沿X和Y轴移动的平台上。工件由真空保持其位置。
沉积材料为铝/镁氧化物(重量为10％的MgO，基于AL2O3和 MgO混合)。由两种氧化物的干混合粉末制备，然后添加溶剂(松油 醇)，进行额外的混合。(溶剂包括少量纤维素粘合剂)。添加的溶 剂量足以为混合物提供大致与牙膏粘性等同的粘性。成分如下：
82.9克heraeus松油醇
4.4克MgO颗粒(35nm)
0.34克甘油
44克TM-DAR氧化铝
将沉积材料加入装置的分配器中，该分配器根据指令将材料泵压 到笔中。该装置根据#46的横截面图形，即，装置上的预定设置进行 编程涂写。然后进行直接写的初始化。经过工件样品的笔速大约为每 秒50mils(1.27mm)。涂写时，笔尖与工件表面基本垂直，并保持在 小于10mils(254microns)的距离。
涂写由三个步骤进行，以获得所需厚度。各步骤之间平均空气干 燥时间大约为2小时。沉积的交叉格(定义为菱形图案)的最后平均 高度大约是60mil(1.52mm)。
图6为直接写完成后的工件的放大照片。从照片中清楚看到，交 叉对角线(即，交叉格)精确地涂写在基质上。该基质表示内芯表面。 在如上所述的热处理之后，菱形图案与内芯表面结合在一起。然后内 芯进行制壳处理，以便提供对菱形图案作反向复制的凹部。
本发明根据特定实施例和举例进行描述。然而，本领域技术人员 在不脱离本发明概念所要求的精神和范围外，可进行各种变型，改变 和替换。前面提及的所有专利，文章和文字都合并于此作为参考。
本申请是申请号为200510078885.8、申请日为2005年5月8日、 发明名称为“在金属部件表面形成凹部的方法和相关过程以及部件” 的发明专利申请的分案申请。