专利名称：用于浇铸冷却通道和加强件定形的定形型芯的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种预制的难熔金属型芯，以及采用这样一种型芯来浇铸冷却通道的方法。更具体的，本发明涉及将这样一种难熔金属型芯应用于铸造过程的方法，该难熔金属型芯由可移动翼片(tabs)和基体组成，从而提供一种具有冷却通道和确定结构的铸造部件。
由于由难熔金属所形成的冷却通道用于热量的消散和/或移除，该热量在与这种通道一体的操作部件内，因而使这种操作部件的表面具有一种孔图案通常是有益的，该孔自操作部件的外侧或内侧起、穿过该部件的厚度延伸入该部件内，由此就可通过提供冷却流来消散热量。这样一种孔图案可通过后加工操作来实现，该后加工操作包括冷却孔的激光钻孔。通过激光钻孔和放电加工(EDM)进行再铸造的冷却通道/孔易于形成先期裂缝，并缩短使用年限/寿命。另外，通过这种钻孔方法生成的冷却通道，其剖面的几何形状难以改变。由于操作部件的不同区域可能经受不同的力和热量，因此优选的是，能够改变冷却通道的剖面几何形状，该冷却通道被钻入一部件的不同区域内。
另外，许多部件的复杂形状导致了某些区域通过钻孔很难或不可能到达，因而必然难以提供有效的冷却。这些区域包括但并不限于，连接销/钩与燃烧室面板的暴露面之间的空间，轨道附近，部件边缘，以及金属孔眼。
同样，理想的是特制冷却(tailored cooling)。除了可提高冷却效率外，这种特制可适应空气动力性能。
因此，需要一种采用难熔金属来浇铸部件的方法，该部件的表面具有冷却通道或孔的图案，经由该冷却通道或孔可消散热量。理想地，这种孔的剖面几何形状应该是可设置的，以使该孔的热量消散及空气动力性能通常与其在部件上的定位要求相对应。另外，需将这种冷却通道定位放置于一部件上，该部件的几何形状避免了钻这种孔。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种在工件内浇铸冷却通道的方法。
本发明的另一个目的是提供一种底基型芯，其用于在工件内浇铸冷却通道。
依照本发明，一种用于浇铸工件的方法包括下列步骤将一底基型芯涂覆一保护层，围绕底基型芯的翼片喷注模制物质；将底基型芯封装在一壳内；除去模制物质；围绕底基型芯进行浇铸；除去底基型芯；所述底基型芯包括一金属条，包含一通常为平面的扩展面；在金属条上以重复图案排列的多个翼片，每个翼片包括一基端；一终端；以及一自基端延伸至终端的翼片轴；其中，每个翼片可围绕每个翼片的基端改变角度。
依照本发明，一种用于在工件内浇铸冷却通道的底基型芯，包括一金属条，包括通常为一平面的扩展面；在金属条上以一图案排列的多个翼片，每个翼片包括一基端；一终端；以及一自基端延伸至终端的翼片轴；其中，每个翼片可围绕每个翼片的基端独立地改变角度，弯曲底基型芯以形成一种折回型芯(hard back core)。
图1(a)为翼片的一种优选重复图案的示意图，该翼片组成本发明的型芯。
图1(b)为翼片的另一种优选重复图案的示意图，该翼片组成本发明的型芯。
图1(c)为本发明型芯的透视图，其中翼片可变换角度。
图2为浇铸前本发明型芯的剖面示意图。
图3为浇铸后本发明型芯的透视示意图。
具体实施例方式
本发明的底基型芯不同于浇铸过程中现行使用的难熔金属型芯，在这方面该底基型芯与在浇铸初始阶段所使用的模具的内表面形状一致，并在去壳/浇铸过程中具备结构强度和形状。此外，如以下将要更详细描述的，本发明的底基型芯由机械弯曲的翼片组成，该翼片反过来又整体地形成了浇铸冷却通道或冷却孔。
结构折回型芯可由金属箔形成，该金属箔由经过切削操作的难熔金属组成。该切削操作包含经由激光加工、光刻或化学蚀刻、直接浇铸或锻造、传统机械加工、或冲压而将一定结构切削为金属箔。在本发明中，将由这种金属箔制成的难熔型芯机械弯曲，以与模具的弯曲部分紧密配合，该模具的内容积与以下部件的形状相对应，但并不限于，这些部件为燃烧室炉衬/面板/隔热屏/燃料-空气系统/涡轮翼面/叶片/气封装置/端墙/平台，以及燃气涡轮排气部件。这样形成的、与模具紧密配合的难熔型芯就形成了底基型芯。初始的弯曲操作可在切削操作之前，同时或之后进行。
由于切削操作，矩形小翼片在底基型芯内被切削形成指状冷却通道或孔的负件(negatives)。该底基型芯作为提供部件弯曲部分的结构件。保持该指状物与底基型芯连接，并将其机械弯曲从而自该底基型芯形成翼片或材料的伸出部分。由此，在浇铸部件中这些伸出部分形成了冷却通道或孔。在一优选实施例中，在弯曲金属箔之后，在底基型芯与模具紧密配合之前，弯曲该型芯的翼片。对于传统的熔模铸造，在向模具内浇注模材料例如蜡之前，将型芯置于模具内。接着，铸模进行去壳处理，所述铸模具有与该铸模一体的型芯。取出该模制材料从而在壳内形成空壳体，而型芯保持与该壳连接。
在浇铸过程的最后阶段，将金属注入或喷入该底基型芯周围的模制壳中以形成一部件。被喷入的金属的温度可足够高从而局部氧化该底基型芯。因此，为防止难熔金属型芯在高温下熔解和氧化，例如，在铸造过程中，给预制的型芯提供一保护层。在一优选实施例中，保护层包括但并不限于陶瓷。本发明广泛包括任何一种这样的涂层，从而在铸造过程中有效防止金属型芯熔解和氧化。该涂层还保证了所述部件及冷却通道/孔的表面质量。
参照图1(a)-(b)，其示出了金属箔19的两种优选实施例，该金属箔19形成了本发明的底基型芯10。金属箔19包括多个以重复图案排列的翼片17。每个翼片17具有一基端11，一终端13以及一自该基端11起延伸至该终端13的翼片轴15。图1(a)中的翼片轴15基本上成直角弯曲，而图1(b)中的翼片17在结构上通常是线性的，且自基端11起基本上呈直线地延伸至终端13。由于该翼片17可绕着其基端11改变角度，从而形成如以下将更详细描述的冷却通道，该翼片17的形状决定了冷却通道的几何形状，并因而决定了所形成冷却通道的空气动力性能及热转移性能。因此，尽管在此示出了两种优选的翼片几何形状，但本发明广泛地包括任何一种翼片几何形状，只要所述翼片几何形状适合于制造具有理想的热转移性能和空气动力性能的冷却通道。
参照图1(c)，其示出了底基型芯10的透视图，其中，每个翼片17已围绕其基端11机械移动或弯曲。结果，每个翼片轴15按照通常一致的方式伸出该底基型芯10的主平面，但是本发明并不限于这种一致的方式。
等轴、定向固化、单晶的镍及钴超合金通常用于形成操作部件，该操作部件包括但并不限于燃烧室衬板和高温段涡轮部件铸件。传统的，这些部件是熔模(或负引力)或受控固化的铸件，该铸件采用在模具内形成的蜡正件。该模具是经机械加工的铝(或其它可选材料)，且其起皱、浇口和气眼得到补偿。密封该模具，并用一模制物质通常为蜡来浇注该模具从而形成所述部件。接着，除去该模具，该蜡部件基本上与预涂的成壳物质/灰泥连接在一起，从而形成环绕操作部件的壳。自该壳将蜡升温，从而形成金属部件的铸模。
在本发明中，可改变和增加模具的尺寸，以适应经涂布的底基型芯。在一优选实施例中，将该底基型芯置于模具内，从而该底基型芯通常与模具的内表面齐平，然后围绕该底基型芯喷注蜡。为准确定位，该模具还可改进为具有基准/连接销和孔，以将底基型芯紧固在模具内。可替换的预制蜡部件铸模的方法，包括快速成样方法，也可对该方法进行调整以适应这些底基型芯。传统型芯也可与模具一体，这种底基型芯与该模具相结合。后面的浇铸过程，可通过化学移除，热滤取，或氧化处理来除去型芯。
参照图2，其示出了本发明底基型芯10在除去模具及随后的去壳过程后，但在浇铸之前的剖视图。如图所示，每个翼片17都自底基型芯10移动一角度θ。底基型芯10的表面具有一保护层21。在弯曲底基型芯10之前施加保护层21，以与模具紧密配合。该保护层21防止难熔金属型芯熔解和氧化，特别是在铸造过程中遇到高温时，该保护层21使部件具有理想的表面质量。
底基型芯10具有足够的刚度，以作为一种结构折回型芯。像此处所使用的，“折回型芯”指在铸造过程中提供形状和结构支撑的部件。因此，本发明的底基型芯10可作为一种折回型芯。在一优选实施例中，底基型芯10与模具的内表面紧密配合，同时将模制物质注入该模具内以覆盖该底基型芯10朝内的表面。一种优选的模制物质为蜡，但也可为任何一种物质，只要该物质在去壳过程中可保持其形状并在随后可除去。以围绕每个翼片17的方式注入模制物质从而形成模制层25，同时允许每个翼片17经由模制层25伸出。
在注入模制物质并使其硬化后，自模具上移除模制物质。经涂布的底基型芯10与所围绕的模制层25基本上连接在一起，且具有预制的去壳材料/灰泥层，从而形成围绕操作部件的壳23，之后可通过例如加热来硬化该壳。接着，自壳23取出模制层25，从而形成用于操作部件的铸模。然后将金属注入取空后的壳23内，并移去壳23，结果底基型芯10与一铸造操作部件接触，并经由此伸出多个翼片17。
参照图3，其示出了在移除型芯及浇铸后的操作部件的透视图。一旦经由化学移除、热滤取，或氧化处理(或其它可采取的足以除去该底基型芯的方法)而去除该底基型芯后，弯曲翼片原先所占据的空间就形成了冷却通道，经由此可通过冷却剂消散和移除热量。如上所述，当翼片被切削成金属箔从而形成底基型芯时，通过改变翼片的几何形状，就可以改变冷却通道的剖面，从而改变冷却通道的热转移性能和空气动力性能。型芯的厚度给确定冷却孔/通道的形状及尺寸提供了另一种自由度。
在本发明中可修整型芯，以满足特定部件结构的性能要求。在这点上，型芯可以是相当小、薄、定形、以及翼片弯曲，从而既优化冷却性能又控制流动损失/流量系数。翼片可排列成重复、指定或特制的结构，该构造的密度和定向与铸造部件的冷却要求相匹配。另外，弯曲翼片可对目前难以进行冷却的位置进行冷却。这些位置包括但并不限于连接销/钩与燃烧室面板的暴露面之间的空间，轨道附近，部件边缘，以及金属孔眼。
将该型芯直接用于铸造过程的结果是，操作部件具有了由冷却通道而产生的优点，且不再需要或简化了包括激光钻冷却孔在内的后处理操作。同样，避免了由激光钻孔和放电加工(EDM)进行冷却通道/孔的重铸，激光钻孔和EDM会形成早期裂缝并缩短使用年限/寿命。
另外，由于这是一种自动的型芯形成过程，还可改进孔形状的一致性。最后，该型芯在去壳过程中具有强度和形状。结果，在浇铸过程中更易于保持部件形状和容差，从而提高了产量，并省略了后浇铸部件工作。
明显的，依照本发明，提供了一种将难熔金属型芯用于浇铸过程的方法，该难熔金属型芯包括可移动翼片，从而提供一种具有冷却通道的铸造部件，该冷却通道能完全满足先前所阐明的目的，方法和优点。尽管已参照特定实施例对本发明进行了说明，但明显的是，本领域技术人员在阅读了前述说明后可对其作出其它各种替换，修改和变化。相应的，这些替换，修改和变化都落在所附权利要求书的宽广范围内。
权利要求
1.一种用于在工件内浇铸冷却通道的底基型芯，包括一金属条，包括一通常为平面的扩展面；在所述金属条上以一定图案排列的多个翼片，每个所述翼片包括一基端；一终端；以及一自所述基端延伸至所述终端的翼片轴；其中，每个所述翼片可绕所述翼片的每个所述基端独立地改变角度，以及其中，所述底基型芯被弯曲成为一种折回型芯。
2.根据权利要求1所述的底基型芯，其特征在于，所述翼片轴通常以线性方式延伸。
3.根据权利要求1所述的底基型芯，其特征在于，所述翼片轴自一个所述基端以非线性方式延伸至相应的一个所述终端。
4.根据权利要求1所述的底基型芯，其特征在于，所述金属条包括难熔金属。
5.根据权利要求4所述的底基型芯，其特征在于，所述难熔金属从包括钼和钨的组中选出。
6.根据权利要求1所述的底基型芯，其特征在于，所述翼片经由激光加工形成。
7.根据权利要求1所述的底基型芯，其特征在于，所述翼片通过光刻形成。
8.根据权利要求1所述的底基型芯，其特征在于，所述翼片通过化学蚀刻形成。
9.根据权利要求1所述的底基型芯，其特征在于，所述翼片通过直接浇铸形成。
10.根据权利要求1所述的底基型芯，其特征在于，所述翼片通过机械加工形成。
11.根据权利要求1所述的底基型芯，其特征在于，所述翼片通过冲压形成。
12.根据权利要求1所述的底基型芯，其特征在于，所述工件从包括涡轮、燃烧室炉衬、面板、隔热屏、燃料空气系统、涡轮翼面、叶片、气封装置、端墙、平台、以及燃气涡轮排气部件的组中选出。
13.一种用于浇铸工件的方法，包括下列步骤给一底基型芯涂覆一保护层，所述底基型芯包括一金属条，包括一通常为平面的扩展面；在所述金属条上以一图案排列的多个翼片，每个所述翼片包括一基端；一终端；以及一自所述基端延伸至所述终端的翼片轴；其中，每个所述翼片可绕每个所述翼片的所述基端改变角度；围绕所述底基型芯的所述翼片喷注模制物质；将所述底基型芯封装在一壳内；除去所述模制物质；围绕所述底基型芯进行浇铸；以及除去所述底基型芯。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括下列步骤在喷注所述模制物质之前，使所述底基型芯与一模具的表面配合；以及除去所述模具。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括步骤弯曲所述底基型芯，以使其与所述模具的表面齐平。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括步骤利用连接销将所述底基型芯固定在所述模具的所述表面上。
17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述底基型芯形成了一种折回型芯。
18.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述工件自包括涡轮、燃烧室炉衬、面板、隔热屏、燃料-空气系统、涡轮翼面、叶片、气封装置、端墙、平台、以及燃气涡轮排气部件的组中选出。
全文摘要
一种用于浇铸工件的方法，包括下列步骤将一底基型芯涂覆一保护层，围绕底基型芯的翼片喷注模制物质，将底基型芯封装在一壳内，除去模制物质，围绕底基型芯进行浇铸，以及除去底基型芯；所述底基型芯包括一金属条，包括一通常为平面的扩展面；在金属条上以一图案排列的多个翼片，每个翼片包括一基端；一终端；以及一自基端起延伸至终端的翼片轴；其中，每个翼片可绕每个翼片的基端改变角度。
文档编号B22C9/24GK1460565SQ0314075
公开日2003年12月10日 申请日期2003年4月29日 优先权日2002年4月29日
发明者S·W·博德 申请人:联合工艺公司