熔模铸造型芯和方法

专利名称：熔模铸造型芯和方法
背景技术：
本发明涉及熔模铸造。更具体而言，本发明涉及含芯熔模的形成，所述含芯熔模用于熔模铸造形成熔模铸造的铸模。
熔模铸造是一种常用技术，用于形成具有复杂几何形状的金属元件，尤其是中空元件，并用于超耐热合金燃气涡轮发动机元件的制造。
燃气涡轮发动机广泛用于飞机推进、发电、轮船推进、和泵。在燃气涡轮发动机应用中，效率是主要目标。可通过在更高温度下操作而获得提高的燃气涡轮发动机效率，然而在涡轮部分目前的操作温度超过了涡轮元件中使用的超耐热合金的熔点。因此，通常提供空气冷却。冷却通常提供如下使来自发动机压缩器部分相对冷的空气流过待冷却的涡轮元件中的通道。这种冷却以发动机效率作为相关代价。因此，非常需要提供改善的特定冷却方式，使从给定量的冷却空气中获得的冷却利益最大化。这可通过使用精密、精确定位的冷却通道部分而获得。
已就关于内冷式涡轮发动机部分如刃片、叶片、密封件、燃烧室、和其他元件的熔模铸造领域进行充分研发。在一个示例性方法中，制备了具有一个或多个铸模型腔的铸模，每个型腔均具有通常相应于待铸造部件的形状。制备该铸模的示例性方法包括使用该部件的一种或多种蜡模。该蜡模通过将蜡模制到陶瓷型芯(通常对应于该部分内的冷却通道的阳模)上而形成。在形成型壳的过程中，陶瓷壳以众所周知的方式形成于一种或多种这样的蜡熔模周围。可通过例如融化(如在高压釜中)除去蜡。可烧制型壳从而使型壳硬化。这就留下了包括该型壳的铸模，该型壳具有一个或多个限定部分的隔间，其依次包含限定冷却通道的陶瓷型芯。然后可将熔融合金引入铸模从而铸造该部分。一旦合金冷却且固化，则可将型壳与型芯机械地和/或化学地从模制部分去除。然后可在一个或多个阶段对该部分进行加工和/或处理。
陶瓷型芯自身可通过模制陶瓷粉末和粘结剂材料的混合物(通过将该混合物注入硬化的金属模具)而形成。在从模具中取出之后，随后可对该湿砂型芯进行热学后处理以除去粘结剂并煅烧从而将陶瓷粉末烧结到一起。对于更精细冷却特征的趋势给陶瓷型芯制备技术带来了负担。具备精细特征的型芯可能很难制备和/或一旦制备之后可能易脆。
传统上采用许多后铸造技术来形成该精细特征。大多数基本技术是常规钻孔。激光钻孔是另一种。放电加工或电火花切割(EDM)也被采用。例如，在对一排冷却孔进行加工时，已知可采用具有与待形成的孔形状互补的锯齿的栉齿状EDM电极。许多EDM技术、电极、和孔形状显示于美国专利Olsson的Nos.3604884、Sidenstick的4197443、Cross等的4819325、Cross等的4922076、Moore等的5382133、Banks等的5605639、和Adamski等的5637239。通过这种EDM技术制备的孔形状由电极插入约束(insertion constraints)所限制。
Shah等的共同受让的共同未决美国专利申请No.6637500公开了陶瓷和耐火金属型芯组合的示例性用途。通常具有这种组合的陶瓷型芯提供了大的内部特征如主通道，而耐火金属型芯提供更精细的特征如出口通道。这就是使用多陶瓷型芯的情况，而装配陶瓷和耐火金属型芯并在蜡覆模成型过程中维持它们的空间关系呈现出许多困难。无法维持这种关系会制备出潜在地不合要求部分内部特征。可能很难将精密耐火金属型芯组装到陶瓷型芯。一旦组装好之后，可能很难维持其排列。耐火金属型芯在覆模模具的装配中或者在处理过程中可能损坏。确保合适的模具组装和注入熔模的释放可能需要一定的模具复杂性(例如大量单独的模具部分和单独的拖拉方向以容纳许多RMCs)。
独立于RMCs的研发，许多用于在熔模铸模和所得壳中定位陶瓷型芯的技术已得以研发。Caccavale等的美国专利No.5296308公开了小凸起的用途，其由陶瓷型芯的进料部分单一地形成以定位用于覆成型模板蜡的模中的陶瓷型芯。在去壳和脱蜡之后这种凸起可倾向于在壳中维持型芯的连接。
然而，在型芯组装技术中存在进一步改进的空间。
发明概要本发明的一个方面涉及用于形成熔模铸造熔模的方法。形成金属的第一型芯元件，其包括至少一个凹槽。将该第一型芯元件与模具元件和第二型芯元件(若有的话)的至少一个匹配部件啮合。凹槽用于保持相对于匹配部件的第一型芯元件。将模具组装好。将牺牲材料(sacrificial material)(例如蜡)引入模从而至少部分地埋置入第一型芯元件。
许多实施方式涉及由具有相对的第一和第二表面的片料形成第一型芯元件。该至少一个凹槽可包括第一表面中的第一凹槽和第二表面中的第二对准的凹槽。该第一和第二凹槽可以是伸长的通道。该啮合可包括将第一型芯的第一部分移入为匹配部件中的插槽中，使得匹配部件插槽中的突出部分被接收到该至少一个凹槽中，从而提供机械反锁效果。这种形成方式可涉及形成包括该至少一个凹槽的规则凹槽模式。该啮合可使多个规则模式的凹槽暴露在外。该规则模式可在扁平片料中预形成。该金属的第一型芯元件可由这种片料切割和/或成形。
在以下附图和说明书中阐述了本发明的一个或多个实施方案细节。根据说明书和附图，以及根据权利要求，本发明的其它特征、目的、和优势将显而易见。
附图简述附

图1是用于形成一种或多种熔模铸造型芯的耐火金属基片料视图。
附图2是可供替换的片料局部视图。
附图3是从附图1的片料中切割的型芯啮合于形成熔模的模具组件的视图。
附图4是容纳RMC的附图3的组件中的狭槽端视图。
附图5是容纳RMC的可供替换的模具组件视图。
附图6是在形成熔模的模具中RMC的视图。
附图7是在可供替换的形成熔模的模具中可供替换的RMC剖视图。
附图8是附图7的模具的嵌入物所夹持的RMC视图。
在多个附图中相似的附图标记和名称表示相似的元件。
详细说明附图1显示了用于形成用于熔模铸造的耐火金属型芯的耐火金属基片料20。示例性的片料物质包括Mo、Nb、Ta、和W，单独或组合且以元素形式、合金、金属间化合物等等。示例性的片料20最初为基本扁平，在第一和第二表面22和24之间具有厚度T。示例性的厚度T为0.2-5.0mm。该片料在周界边缘面26和28之间具有宽度W且在周界末端面30和32之间具有长度L。示例性的宽度和长度远大于T且可为数厘米以上。
根据本发明的一个方面，片料20可预成形表面特征或其它增强措施，从而在熔模铸造过程中执行一种或多种有用功能。附图1的示例性片料具有的增强措施包括表面22中的第一规则通道凹槽列34。示例性凹槽34为线性，固定间距S。示例性的凹槽34具有大致为半圆形的横截面。在示例性片料中，相似凹槽36的相似列形成于表面24中。在该示例性片料中，凹槽34和36是以相同间距且彼此平行和同相，尽管其它构型也是可能的。
附图1进一步显示了额外的增强措施，其以在表面22和24之间延伸的通孔38的队列形式。示例性的通孔38队列和间隔S的凹槽34和36交替地散布。在每一列中，该孔具有孔心间距S2。示例性的通孔的环形横截面的直径为D。在各种替代方式中有死槽(blind recess)(例如凹穴40(附图2))。
通过包括一种或多种压花、雕刻、蚀刻、和钻孔/铣磨(例如光蚀刻、激光蚀刻、化学刻蚀、等等)的许多方式使增强措施在初始的未增强片料中形成。一旦如此形成之后，可从更大的片料切割单独的RMC且任选地进一步成型(例如通过冲压、弯曲、或其它形成/成型技术)。
该增强措施可用作一个或多个目的。该增强措施可用作RMC与形成熔模的模具、其它型芯(例如模制的陶瓷型芯)、和在熔模上形成的熔模铸造型壳的一种或多种配准和/或啮合/保持。该增强措施壳提供终铸件的特征。例如通孔可提供用于增强的传热和/或结构完整性的柱桩。死槽可提供改进的传热，其是由于增加的表面积、增加的湍流等等而产生。
附图3显示了从附图1的片料20切割的RMC 50。该RMC 50具有来自表面22和24的侧面51和52。该RMC50具有横向周界。周界的一部分可以是片料20的周界的原样部分。RMC50嵌入蜡熔模模具的元件(例如以下进一步详述的模具嵌入物(die insert)60)。嵌入物60具有在第一表面61中形成的狭槽。该狭槽具有基座62和第一与第二侧部64和66。沿着侧部，伸长肋68和70延伸到狭槽中。肋68和70与相关的凹槽对34和36互补，使得RMC50滑入狭槽从而提供楔形榫状啮合。附图5显示了可供替换的嵌入物70，其具备带有基座72和第一与第二侧部74和76的狭槽。该狭槽可具有特征部件(例如用于接触并定位所接收的RMC50部件的突出部78)。在突出部78周围，在狭槽和RMC之间的空间可通过陶瓷粘结剂或其它容纳材料80填充从而将RMC紧固到嵌入物。附图5进一步显示了接收RMC50第二部分的部分切掉的陶瓷型芯82。第二型芯82可以是在RMC50上的铸件。可替换地，RMC50可位于陶瓷型芯82中预成型的狭槽内且于此通过陶瓷粘结剂84或其它紧固材料固定。
附图6显示了包括匹配的上和下半部102和104的形成熔模的模具组件100。所示携带RMC50的嵌入物60容纳于模具上半部102的腔室106。模具上和下半部的内表面108和110与嵌入物的下侧101联合形成用于模制蜡熔模的腔室。可通过模具部分或嵌入物60中的一个或多个端口114引入保护牺牲蜡熔模。该蜡埋置入RMC如前述的突出的部分和模中任何相似地暴露的陶瓷或其它型芯中。从模具中取出所得熔模之后，陶瓷上壳工艺(例如浆料粉刷工艺)可埋置以前容纳在狭槽中的RMC部分。在脱蜡之后，可将熔融金属引入型壳。在金属硬化之后，该RMC和任何其它型芯可从铸件除去(例如通过化学沥滤)。
尤其对于更小规模的制备应用，使用预增强的RMC片料物质20可在提供前述用途方面具有实质上的成本利益。
以上确定的楔形的RMC-模附着功能可在其它情形下再造。例如，除了具有规则的凹槽对34和36阵列，片料20可仅有邻接于边缘26的单独凹槽对或甚至在一侧22或24上的单独凹槽而在另一侧上没有对准凹槽。穿过片料剩余部分(若有的话)的增强措施可以其它方式形成(例如孔列和/或凹陷)。单独的RMC可相对于边缘26切割使得可用单独的凹槽或凹槽对来提供与模具的楔形作用。在另一实施例中，这种凹槽可以是后形成的。
附图7显示了可替换的形成熔模的模具200，具有上和下半部202和204。模嵌入物206支持具有突出部分的RMC208，于此在模具腔210中延伸用于接收蜡熔模。该嵌入物206可被接收到一个或两个模具半部的相关腔室中或在此以其它方式配合。示例性的RMC208在临近第一边缘220的第一和第二侧面216和218中具有单个对齐的凹槽对212和214。RMC208至嵌入物206的组装可如上所述。在示例性的实施方式中，沿着RMC208的突出部分，表面216和218通常为弓形，前者为凸后者为凹，位于待形成的螺旋桨的吸气侧和施压侧之间，该螺旋桨在各个模具表面222和224形成的熔模在形成。示例性的RMC208具有嵌入物206远端的第二(前部)边缘230。在该示例性实施方式中，表面216和218之间的RMC208厚度随边缘230和220之间的位置而变化。例如，随着螺旋桨开动，该厚度可在下游方向相对快速地增加且随后相对慢速地下降使得最厚点在RMC的前部。该RMC208可通过许多方法构造。特殊的整体非固定厚度(即忽略孔、凹槽等等)可直接制备(例如通过铸造、锻压、等等)或由固定厚度片料间接制备(例如通过碾压、冲压、化学研磨或蚀刻、光蚀刻、电化学加工、放电加工、喷水加工、等等)。附图8显示了RMC208，具有通孔240和凹陷242(在每一表面中)的规则重叠阵列，用于在最终的铸件的凹槽中分别形成柱桩和基座。该阵列可有利地定位并排列使得单独的散布孔和凹陷不重叠，尽管其它构型是可行的。在示例性的制备顺序中，该孔和凹陷和凹槽212和214一起形成，同时厚度轮廓也在RMC前体中形成。然后可从前体中切割出多个这样的RMC。
附图7进一步显示了几种额外的示例性牺牲型芯，包括可以和上述型芯相似地形成或可以其它方式形成的金属型芯。一对RMC250具有保持在模具下半部204的狭槽中的第一部分和接触并任选地支持RMC208的第二表面218的第二部分。另一RMC260具有在模制陶瓷型芯262中的狭槽中接收的第一部分，它通过陶瓷粘结剂264固定。RMC260的一对第二部分置于模上半部202中。陶瓷型芯262可在陶瓷型芯末端保持和模具的相对位置或通过适当定位模制的泵或通过其它方式。已描述了本发明的一种或多种实施方案。然而，应当理解的是可以作出多种变化而不背离本发明的精神和范围。例如，待铸造的特殊部分的细节可影响任何特殊实施细节。而且，该原理可贯彻于改变多种现存或已充分发展的制备方法的很多部分。这种方法和部分可影响任何贯彻手段的细节。因此，其它实施方案在随后的权利要求范围之内。
权利要求
1.一种用于形成熔模铸造熔模的方法，包括形成包括至少一个凹槽的金属第一型芯元件；将第一型芯元件与模具元件和第二型芯元件的至少一个匹配部件啮合，凹槽用作保持相对于匹配部件的第一型芯元件；组装模具；且将牺牲材料引入模具从而至少部分地埋置第一型芯元件。
2.权利要求1的方法，其中所述第一型芯元件由具有相对的第一和第二表面的片料形成；且所述至少一个凹槽包括第一表面中的第一凹槽和第二表面中的第二对准的凹槽。
3.权利要求2的方法，其中第一和第二凹槽是伸长通道。
4.权利要求1的方法，其中所述形成包括提供至少一个凹槽，其通过包括至少下列之一的方法激光蚀刻；光蚀刻；和化学刻蚀。
5.权利要求1的方法，其中所述啮合包括将第一型芯的第一部分移入匹配部件中的插槽中，使得匹配部件的突出部分被接收到该至少一个凹槽中，从而提供机械反锁效果。
6.权利要求1的方法，其中该啮合包括将第一型芯的第一部分置于匹配部件的接收部分；且在第一部分和接收部分之间浇铸固定材料，使得浇铸固定材料的突出部分被接收于至少一个所述凹槽中从而提供机械互锁效果。
7.权利要求1的方法，其中所述形成形成了包括该至少一个凹槽的规则凹槽模式；和该啮合使多个规则模式的凹槽暴露在外。
8.权利要求1的方法，其中牺牲材料是蜡并且该方法进一步包括使得蜡硬化；和将蜡从模具中释放。
9.权利要求1的方法，其中第一金属型芯元件啮合于模具的元件中；和第二金属型芯元件啮合于模具和陶瓷型芯的至少之一。
10.一种用于熔模铸造的方法，包括形成根据权利要求1的熔模；在熔模上形成型壳；将牺牲材料从壳上除去从而将第一型芯留在型壳中；将熔融金属引入型壳；使得熔融金属固化；和将型壳和第一型芯取出。
11.一种熔模铸造型芯包括具有第一和第二相对面的金属本体；和在至少该第一表面中的至少一个伸长凹槽。
12.权利要求11的型芯，其中该至少一个伸长凹槽包括在第一表面中的第一凹槽和在第二表面中的第二对准凹槽。
13.权利要求11的型芯，其中该金属本体由主要重量份的一种或多种耐火金属组成。
14.权利要求11的型芯进一步包括包括沿着一个或多个凹槽的金属本体上的涂层。
15.一种熔模铸造型芯包括具有第一和第二相对面的金属本体；用于将所述型芯安装到形成模板的模具元件和第二型芯的至少一个的装置；和用于在铸模部件中形成通道表面增强措施的装置。
16.权利要求15的型芯其中用于安装的装置和用于形成的装置均包括一个或多个共享的规则凹槽熔模的凹槽。
17.权利要求15的型芯进一步包括在包括了覆盖该一个或多个凹槽的金属本体上的涂层。
18.一种用于形成熔模铸造型芯的方法，包括从具有第一和第二相对表面的金属片料切割一块；将该块变形为非扁平构型；在第一和第二表面的至少一个中形成一个或多个凹槽，通过至少一个下列方式激光蚀刻；光蚀刻；和化学刻蚀。
19.权利要求18的方法，其中该切割和变形在冲压操作中是至少部分实质上同时执行。
20.权利要求18的方法，其中该形成提供了第一表面中的许多第一所述凹槽和第二表面中的许多第二所述凹槽。
21.权利要求18的方法，其中该形成出现于切割和变形之前。
22.权利要求21的方法，其中该一个或多个凹槽包括第一表面中的第一规则凹槽模式和在第二表面中的第二规则凹槽模式。
23.权利要求22的方法，其中第一和第二模式的至少一个包括许多线性第一凹槽和许多列第二凹槽，第一凹槽平行于该列延伸。
24.权利要求22的方法，其中第一和第二规则模板均是平行的线性凹槽，凹槽和模式均完全地延伸穿过型芯。
全文摘要
一种用于熔模铸造的熔模，通过形成包括了至少一个凹槽的金属第一型芯元件而形成。该第一型芯元件与模具元件和第二型芯元件的至少一个匹配部件啮合。凹槽用作保持相对于匹配部件的第一型芯元件。将模具组装好且将牺牲材料引入模具从而至少部分地埋置第一型芯元件。该凹槽可在将第一型芯元件从更大的片料切割出来之前预成形。
文档编号B22C9/04GK1765543SQ20051011855
公开日2006年5月3日 申请日期2005年10月31日 优先权日2004年10月29日
发明者J·A·斯奈德, J·T·比尔斯 申请人:联合工艺公司