一次性薄壁芯模、其制造方法以及由其制造出的产品
阅读：2发布：2020-09-06
专利汇可以提供一次性薄壁芯模、其制造方法以及由其制造出的产品专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种一次性薄壁芯模、其制造方法以及由其制造出的产品，所述制造方法包括将在剪切率为最高70秒-1并且流动指数小于0.6时在室温下测定的 粘度 为约1至约1000帕斯卡-秒的浆料在压 力 为最高大约每平方厘米7千克力的情形下注入到薄壁型一次性芯模(100)中；其中该薄壁型一次性芯模(100)的平均壁厚为约1.5至约10毫米；使浆料硬化以形成硬化的陶瓷芯；从硬化的陶瓷芯(90)上除去该薄壁型一次性芯模(100)；以及烧制硬化的陶瓷芯以形成 固化 陶瓷芯(90)。，下面是一次性薄壁芯模、其制造方法以及由其制造出的产品专利的具体信息内容。
1. 一种形成固化陶瓷芯的方法，包括：
-1
将在剪切率最高为70秒 并且流动指数小于0.6时在室温下测定的粘度为1至1000帕斯卡-秒的浆料注入到薄壁型一次性芯模中，该注入是在每平方厘米0.07千克力至7千克力的静水压力下进行的；其中该薄壁型一次性芯模的平均壁厚为1.5至10毫米；
解除所述静水压力，将所述薄壁型一次性芯模回复至其原始位置；
使浆料硬化以形成硬化的陶瓷芯；
从硬化的陶瓷芯上除去该薄壁型一次性芯模；以及
烧制硬化的陶瓷芯以形成固化陶瓷芯。
2. 权利要求1所述的方法，其中所述薄壁型一次性芯模的平均壁厚为2至8毫米。
3. 权利要求1所述的方法，进一步包括将所述固化陶瓷芯放置到蜡模内；其中所述蜡模包含金属。
4. 权利要求3所述的方法，进一步包括在所述固化陶瓷芯和蜡模之间注入蜡。
5. 权利要求4所述的方法，进一步包括冷却所注入的蜡以形成其中包封着所述固化陶瓷芯的蜡制部件。
6. 权利要求5所述的方法，进一步包括将所述蜡制部件浸入到浆料中；其中所述浆料包含陶瓷颗粒。
7. 权利要求6所述的方法，进一步包括对蜡制部件进行烧结以产生陶瓷外壳。
8. 权利要求7所述的方法，进一步包括在烧制过程中从所述蜡制部件上除去蜡。
9. 权利要求7所述的方法，进一步包括将熔融金属放置到陶瓷外壳中以形成所需要的金属部件。
10. 权利要求9所述的方法，其中所述金属部件为翼面。
一次性薄壁芯模、其制造方法以及由其制造出的产品
技术领域
[0001] 本发明涉及一种一次性薄壁芯模、其制造方法以及由其制造出的产品。
背景技术
[0002] 很难采用目前商业上的方法来铸造具有复杂几何形状的部件，如其中带有内部通道和孔穴的部件。用于制造这些部件的模具昂贵且费时，例如需要很长的交付周期。传统模子的性质会加剧如上所述的情形，这种传统的模子包括壳体和一个或多个分离的成型芯，其中芯在铸造过程中有偏移的倾向，导致低的铸造公差和低的铸造效率(产量)。具有复杂的几何形状，很难用传统的方法铸造出来的部件的实例包括用于燃气涡轮发动机的中空翼面，以及特别是相对较小的双壁型翼面。用于燃气涡轮发动机的这种翼面的实例包括涡轮和压缩机部分的转子叶片和定子叶片、或者需要内部冷却的任何部件。
[0003] 在目前用于铸造中空部件的方法中，陶瓷芯和外壳是单独制造出来的。首先通过把包含陶瓷的浆料浇注到金属芯模中来制造陶瓷芯(用于提供中空部件的中空部分)。在硬化和焙烧之后，浆料凝固成陶瓷芯。然后用蜡封住陶瓷芯，并且在蜡模周围形成陶瓷壳体。接下来除去封住陶瓷芯的蜡，形成陶瓷模。这种陶瓷模可用于铸造金属部件。
[0004] 用于制造陶瓷芯的浆料通常具有相对较高的粘度，在室温下测量其粘度大为约5 8
10 至大约10 帕斯卡-秒(Pa-s)。为了确保高粘度的浆料填满存在于金属芯模中的所有通道和间隙，采用大于或等于约35千克力每平方厘米的压力将浆料注入到芯模中。采用这样的大压力促进了其壁厚大于或等于约15毫米的金属芯模的使用。这种金属芯模很重，生产费用昂贵，并且制造方法通常较为费时。因此期望改进芯模的设计，以使芯模的重量比能够制造出来的金属芯模轻。还期望这些芯模具有薄壁，从而利用低粘度的浆料(因此只需要较低的操作压力)来制造具有复杂内部形状的结构。
10 至大约10 帕斯卡-秒(Pa-s)。为了确保高粘度的浆料填满存在于金属芯模中的所有通道和间隙，采用大于或等于约35千克力每平方厘米的压力将浆料注入到芯模中。采用这样的大压力促进了其壁厚大于或等于约15毫米的金属芯模的使用。这种金属芯模很重，生产费用昂贵，并且制造方法通常较为费时。因此期望改进芯模的设计，以使芯模的重量比能够制造出来的金属芯模轻。还期望这些芯模具有薄壁，从而利用低粘度的浆料(因此只需要较低的操作压力)来制造具有复杂内部形状的结构。
发明内容
[0005] 这里公开了一种方法，包括将在剪切率为最高70秒-1并且流动指数小于0.6时在室温下测定的粘度为约1至约1000帕斯卡-秒的浆料在压力最高为每平方厘米约7千克力的情形下注入到薄壁型一次性芯模中；其中该薄壁型一次性芯模的平均壁厚为约1.5至约10毫米；使浆料硬化以形成硬化的陶瓷芯；从硬化的陶瓷芯上除去该薄壁型一次性芯模；以及烧制硬化的陶瓷芯以形成固化陶瓷芯。
[0007] 图1示出了能够用于制造涡轮翼面的薄壁型一次性芯模的示例性实施方案；
[0008] 图2示出了经过烧制后形成固化陶瓷芯的硬化的陶瓷芯；
[0009] 图3示出了包含有固化陶瓷芯的蜡模；
[0010] 图4示出了通过在陶瓷浆料中浸入蜡制翼面而形成的陶瓷壳体；以及[0011] 图5是一示例性的视图，示出了除去陶瓷壳体后的翼面(模制部件)和完整的铸芯。
具体实施方式
[0012] 这里公开的是薄壁型一次性芯模，其壁厚为大约1.5至大约10毫米。这种薄壁型一次性芯模的壁厚能够有效地承受施加于低粘度浆料的压力，从而能够使浆料流入到该一次性芯模的所有通道和空隙中。此外，该一次性芯模的薄壁具有能够有效地承受所施加的压力的弹性模量和挠曲强度而不会产生任何永久变形。在一个实施方案中，这种一次性芯模的薄壁具有能够有效地承受所施加的压力的弹性模量和挠曲强度而不会产生任何变形。
[0013] 有利的是，这些薄壁型一次性芯模由有机聚合物制成，并且能够以快速原型制作的工艺迅速地制造出来。在制造出陶瓷芯后能够容易地从陶瓷芯上除去该薄壁型一次性芯模。通常通过化学、加热或机械处理来执行该除去步骤。
[0014] 在一个实施方案中，利用薄壁型一次性芯模制造部件的方法包括将低粘度浆料浇注到薄壁型一次性芯模中。然后使浆料硬化形成硬化的陶瓷芯。接下来从硬化的陶瓷芯上除去薄壁型一次性芯模，然后烧制硬化的陶瓷芯以制造出固化的陶瓷芯。
[0015] 然后将这种固化的陶瓷芯放置到蜡模内。蜡模由金属制成。将蜡注射到固化的陶瓷芯和金属蜡模之间并使其冷却。接着除去蜡模，留下蜡制部件和封闭在蜡制部件中的陶瓷芯。然后对蜡模部件进行熔模铸造，在熔模铸造工艺中，将蜡模反复地浸没到陶瓷浆料中从而形成了陶瓷浆料外壳，其内表面对应于所需要部件的外表面的几何形状。接下来对设置在陶瓷浆料外壳中的蜡制部件进行烧制，在烧制工艺中，除去蜡留下陶瓷模。然后将熔融金属浇注到陶瓷模中以形成所需要的金属部件。如上所述，所述部件可以是涡轮部件，如涡轮的翼面。
[0016] 图1示出了能够用于制造涡轮翼面的示例性薄壁型一次性芯模100的一个实施方案。如上所述，将含有陶瓷颗粒的浆料注入到薄壁型一次性芯模100的空隙和通道中。关于浆料的细节在美国申请序列号No.10/675374和No.11/256823中公开，它们的全部内容并入本文作为参考。接着使浆料硬化以形成硬化的陶瓷芯。还要除去薄壁型一次性陶瓷芯模100，留下如图2所示硬化的陶瓷芯。图2示出了经烧制形成固态陶瓷芯90后的硬化陶瓷芯。可以采用化学、热、机械方法或包括至少一种上述方法的组合来除去所述一次性芯模。这种方法例如包括化学溶解、化学降解、机械磨蚀、熔融、热降解或包含有上述除去方法中的至少一种方法的组合。
[0017] 然后根据芯的组成在大约1000至大约1700℃的温度下对陶瓷芯进行烧制，以形成固化的陶瓷芯90。烧制温度例如为大约1090至大约1150℃。
[0018] 现在参照图3，将固化的陶瓷芯90插入到蜡模92中。蜡模92具有与所需要的涡轮翼面的外表面相对应的内表面94。然后将熔融的蜡96浇注到图3所示的蜡模中。在蜡刚一凝固时，就从蜡模92中取出如图4所示的蜡制翼面102，并且如图4和图5所示，将其再次浸入到陶瓷浆料中以形成陶瓷壳体98。然后通过使蜡制翼面102中的蜡熔融，并允许其从包含固化陶瓷芯90的陶瓷壳体98中流出，从而将其除去。除去蜡之后，可将熔融的金属浇注到包含固化陶瓷芯90的陶瓷壳体98中。在一示例性实施方案中，将熔融的金属浇注到陶瓷壳体98中以形成如图5所示的翼面。图5示出了熔融金属被设置于其内之后的陶瓷壳体98。随着金属的冷却和凝固，打碎陶瓷壳体98以取出所需要的翼面。然后通过化学淋滤从所需要的翼面中除去固化陶瓷芯。
[0019] 如上所述，薄壁型一次性芯模通常由包含有机聚合物的浇铸组合物制成。有机聚合物可以从宽范围的各种热塑性聚合物、热固性聚合物、热塑性聚合物的混合物、或热塑性聚合物与热固性聚合物的混合物中选择。有机聚合物可以包括均聚物、诸如星形嵌段共聚物、接枝共聚物、交替嵌段共聚物或无规共聚物之类的共聚物、离聚物、树枝状聚合物、或包括至少一种上述有机聚合物类型的组合物。有机聚合物还可以是聚合物、共聚物、三元共聚物等的混合物或包括至少一种上述有机聚合物类型的组合物。通常以快速原型制作工艺来制造所述一次性芯模。
[0020] 例如，适宜的有机聚合物可以是天然的和合成的蜡，以及脂肪酸酯、聚缩醛、聚烯烃、聚酯、聚芳酰胺、多芳基化合物、聚醚砜、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚醚酮、聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚苯并 唑、聚丙烯酸类、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚酰胺酰亚胺、多芳基化合物、聚氨酯、聚芳砜、聚醚砜、聚芳撑硫、聚氯乙烯、聚砜、聚醚酰亚胺等，或者包括至少一种上述聚合树脂的组合。
[0021] 另外也可以采用有机聚合物的混合物。例如适宜的有机聚合物的混合物包括丙烯腈-丁二烯苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯/尼龙、聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚亚苯基醚/聚苯乙烯、聚亚苯基醚/聚酰胺、聚碳酸酯/聚酯、聚亚苯基醚/聚烯烃，以及包括至少一种上述有机聚合物的混合物的组合。
[0022] 例如，有机聚合物可以是丙烯腈-丁二烯苯乙烯(ABS)、天然和合成的蜡和脂肪酸酯、以及紫外线(UV)固化的丙烯酸酯。例如，适宜的合成蜡包括正链烷烃、酮、仲醇、β-二酮、单酯、伯醇、醛、醇酸、二羧酸、含有大约10到大约38个碳原子的ω-羟基酸。适宜的天然蜡包括动物蜡、植物蜡和矿物蜡等，或者包括至少一种上述蜡的组合物。例如，动物蜡可以是蜂蜡、白蜡(虫蜡)、紫胶蜡、鲸蜡、羊毛脂等，或者包括至少一种上述动物蜡的组合物。例如植物蜡可以是巴西棕榈蜡、椰子蜡、西蒙得木蜡、小烛树蜡、日本蜡、米糠油等，或者包括至少一种上述蜡的组合物。例如矿物蜡可以是地蜡、褐煤蜡等，或者包括至少一种上述蜡的组合。
[0023] 如上所述，一次性芯模能够由热固性聚合物或交联聚合物如UV固化的丙烯酸酯制成。交联聚合物例如包括可辐射固化或可光致固化的聚合物。可辐射固化的组合物包括含有可辐射固化官能团如烯属不饱和基团、环氧化物等的可辐射固化材料。适宜的烯属不饱和基团包括丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、乙烯基、烯丙基或其它烯属不饱和官能团。在此所使用的“(甲基)丙烯酸酯”既包括丙烯酸酯又包括甲基丙烯酸酯官能团。材料可以表现为单体、低聚体和/或聚合物或它们的混合物的形式。材料还能够是单官能的或多官能的，如双官能、三官能、四官能以及更多官能的材料。这里所用的单官能、双官能、三官能和四官能材料指分别具有一个、两个、三个和四个可辐射固化的官能团的化合物。
[0024] 示例性的(甲基)丙烯酸酯包括丙烯酸甲酯、丙烯酸叔丁酯、丙烯酸新戊酯、丙烯酸十二烷基酯、丙烯酸十六烷基酯、丙烯酸环己酯、丙烯酸异冰片酯、苯烯酸苯酯、丙烯酸苄酯、邻甲苯甲酰丙烯酸酯、间甲苯甲酰丙烯酸酯、对甲苯甲酰丙烯酸酯、2-萘基丙烯酸酯、4-丁氧基羰基苯基丙烯酸酯、2-甲氧基-羰基苯基丙烯酸酯、2-丙烯酰氧基乙基-2-羟基丙基邻苯二甲酸酯、2-羟基-3-苯氧基-丙基丙烯酸酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸正丁酯，甲基丙烯酸仲丁酯、甲基丙烯酸异丁酯、甲基丙烯酸丙酯，甲基丙烯酸异丙酯、甲基丙烯酸正硬脂酯、甲基丙烯酸环己酯、4-叔丁基环己基甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸四氢糠酯、甲基丙烯酸苄酯、甲基丙烯酸苯乙酯、甲基丙烯酸-2-羟乙酯、甲基丙烯酸-2-羟丙酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯等，或者包括至少一种上述(甲基)丙烯酸酯的组合。
[0025] 有机聚合物可以包括与另一单体共聚合的丙烯酸酯单体，所述另一单体具有可共聚合丙烯酸酯单体的不饱和键。例如，这种可共聚的单体包括苯乙烯衍生物、乙烯基酯衍生物、N-乙烯基衍生物，(甲基)丙烯酸酯衍生物、(甲基)丙烯腈衍生物、(甲基)丙烯酸、马来酐、马来酰亚胺衍生物等，或者包括至少一种上述单体的组合。
[0026] 可以将引发剂添加到浇铸组合物中以激活所存在的任何单体的聚合。所述引发剂可以是自由基引发剂。例如，适宜的自由基引发剂包括过硫酸铵、过硫酸铵和四甲基乙二胺的混合物、过二硫酸钠、过二硫酸钠和四甲基乙二胺的混合物、过硫酸钾、过硫酸钾和四甲基乙二胺的混合物、偶氮双[2-(2-咪唑啉-2-基)丙烷]HCl(AZIP)，以及偶氮双(2-脒基丙烷)HCl(AZIP)，4，4’-偶氮-双-4-氰基戊酸，偶氮双异丁酰胺、偶氮双异丁基脒二盐酸盐、2-2’-偶氮-双-2-(甲基羧基)丙烷，2-羟基-1-[4-(羟基乙氧基)苯基]-2-甲基-1-丙酮，2-羟基-2-甲基-1-苯基1-丙酮等，或者包括至少一种上述自由基引发剂的组合物。一些添加剂或共聚用单体也能够引发聚合，在这种情况下，单独的引发剂可能是不期望的。除引发反应之外，引发剂还能够控制反应。引发剂的用量大约为浇铸组合物重量的0.005重量％至0.5重量％。
[0027] 除自由基引发剂体系外，还可以在浇铸组合物中使用其它的引发剂体系。这些包括紫外线(UV)、x-射线、γ-射线、电子束或其它能够用作适宜聚合引发剂的辐射形式。既可以在浇铸组合物的制造过程中也可以在浇铸之前将引发剂添加到浇铸组合物中。
[0028] 还可以任选地将分散剂、凝聚剂和悬浮剂添加到浇铸组合物中来控制组合物的流动特性。分散剂可以使组合物流动更加容易，凝聚剂可以使组合物流动较为不容易，而悬浮剂会防止颗粒从组合物中沉淀出来。
[0029] 在一个实施方案中，通过快速原型制作来制造薄壁型一次性芯模。快速原型制作采用虚拟的设计(来自计算机辅助设计(CAD)或来自动画模型软件)，将这些设计转化成仍为虚拟的横截面，然后一个接一个地将每个横截面建立在实际空间直到完成建模。这就是WYSIWYG(所见即所得)方法，其中虚拟模型和物理模型几乎完全对应。
[0030] 在辅助(additive)制造过程中，机器从CAD制图中读取数据，然后敷设液态材料或粉末材料的连续层，以这种方式由一系列横截面建立起薄壁型一次性芯模。与来自于CAD模型的虚拟横截面相对应的这些层被粘合在一起或自动熔合(通常利用激光)从而形成最终的形状。辅助结构的主要优点在于其几乎能够产生任意的几何形状(不包括负的捕捉体积(trapped negativevolumes))。如果需要可以并行地制造多个薄壁型一次性芯模。在一示例性实施方案中，通过偏移边界计算所需要减少的厚度以便由陶瓷芯的UG(UNIGRAPHICS )模型制造出所述薄壁型一次性芯模。
[0031] 如上所述，该薄壁型一次性芯模的平均壁厚为约0.5至约10毫米，特别是约2至约8毫米，更优选是约3至约7毫米。当采用光聚合物来制造薄壁型一次性芯模时，其平均壁厚为约1.5毫米至约3.5毫米。当采用蜡来制造薄壁型一次性芯模时，其平均壁厚为约4.5至约7.5毫米。
[0032] 在一示例性实施方案中，所述薄壁型一次性芯模的平均壁厚为其它商用金属芯模的平均壁厚的约10％至约20％。在一示例性实施方案中，所述薄壁型一次性芯模的平均壁厚约为其它商用金属芯模平均壁厚的15％。
[0033] 在剪切率为最高70秒-1以及流动指数小于0.6时测试时，在室温下在薄壁型一次性芯模中用于形成陶瓷芯的浆料粘度为约1至约1000帕斯卡-秒。例如，在剪切率为最高-170秒 测试时，在室温下浆料的粘度约为500帕斯卡-秒。
[0034] 对于浆料而言，还需要硬化温度小于薄壁型一次性芯模的熔点或降解温度。在一个实施方案中，需要在小于或等于约50℃的温度，特别是小于或等于约30℃的温度，更特别是在小于或等于约20℃的温度下使浆料经受最高约90摩尔％(mol％)的硬化。在另一实施方案中，需要在小于或等于约50℃，特别是小于或等于约30℃，更特别是在小于或等于约20℃的温度下使浆料经受最高约95mol％的硬化。而在又一实施方案中，需要在小于或等于约50℃，特别是小于或等于约30℃，更特别是在小于或等于约20℃的温度下使浆料经受约98mol％的硬化。
[0035] 在一个实施方案中，在承受最高约90mol％硬化时，需要浆料具有小于或等于约为1体积百分比(vol％)的收缩量，特别是具有小于或等于约0.75vol％的收缩量，更特别是具有小于或等于约0.5％vol的收缩量。在另一实施方案中，在承受最高约95mol％硬化时，需要浆料具有小于或等于约为1vol％的收缩量，特别是具有小于或等于约0.75vol％的收缩量，更特别是具有小于或等于约0.5vol％的收缩量。在又一实施方案中，在承受最高约
98mol％硬化时，需要浆料具有小于或等于约为1vol％的收缩量，特别是具有小于或等于约
0.75vol％的收缩量，更特别是具有小于或等于约0.5vol％的收缩量。
98mol％硬化时，需要浆料具有小于或等于约为1vol％的收缩量，特别是具有小于或等于约
0.75vol％的收缩量，更特别是具有小于或等于约0.5vol％的收缩量。
[0036] 在硬化处理之前施加给浆料用以形成陶瓷芯的静水压力通常为每平方厘米约2 2
0.07至约7千克力(kg/cm)，特别是为约0.1至约6kg/cm，更特别是为约0.5至约5.5kg/
2 2
cm，最优选是为约1至约5kg/cm。在一个实施方案中，该薄壁型一次性芯模具有的弹性模量有效地使壁在撤去静水压力后回复到原始位置。在另一实施方案中，该薄壁型一次性芯模具有的弹性模量在施加静水压力时有效地防止壁出现永久变形。
0.07至约7千克力(kg/cm)，特别是为约0.1至约6kg/cm，更特别是为约0.5至约5.5kg/
2 2
cm，最优选是为约1至约5kg/cm。在一个实施方案中，该薄壁型一次性芯模具有的弹性模量有效地使壁在撤去静水压力后回复到原始位置。在另一实施方案中，该薄壁型一次性芯模具有的弹性模量在施加静水压力时有效地防止壁出现永久变形。
[0037] 该薄壁型一次性芯模具有多项优点。能够在用于制造涡轮翼面的铸造过程中大量生产和使用这种芯模。还能够以低成本大量生产这种薄壁型一次性芯模，并制成简单或复杂的形状。采用这种薄壁型一次性芯模能够促进陶瓷芯的生产而不需要额外的组件或制造步骤。使用这种薄壁型一次性芯模还能够省去用于制造涡轮翼面的芯组件。
[0038] 由于形成薄壁型一次性芯模所需要的快速原型制作材料的用量较少，所以其工艺要大大快于厚壁型芯模设计。与除去厚壁型一次性芯模相比，除去薄壁型一次性芯模的工艺也相对较快。因此采用薄壁型一次性芯模能够加快周转时间，降低制造成本。
[0039] 尽管参照示例性实施方案对本发明进行了描述，但本领域技术人员应当认识到可以在不脱离本发明的范围内作各种改变和部件的等同替代。此外，还可以在不脱离本发明实质范围的情形下作出更改以适应特定的情形或材料。因此，本发明并不限于这里公开的作为实施本发明最佳模式的特定实施方案。
[0040] 部件列表
[0041] 固化陶瓷芯 90
[0042] 蜡模 92
[0043] 内表面 94
[0044] 熔融的蜡 96
[0045] 陶瓷外壳 98
[0046] 薄壁型一次性芯模 100
[0047] 蜡制翼面 102
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