专利名称：具有可变销的芯模和生产芯体的方法
技术领域：
本发明涉及具有可更换销的芯模并涉及生产芯体的方法。
背景技术：
当生产陶瓷型铸模时，利用了用于生产陶瓷芯体的芯模，芯模使芯体在特定内部结构——例如外壁或两个内壁的连续连接部——上凸出。这些内部支柱也提供流动阻力，而且，在借助于这样的芯体生产的中空部件的情况下，还影响冷却空气的流动以及对冷空气的热传递。当生产涡轮叶片或轮叶的芯体时，常常需要多个开发迭代过程(development iterations)，以便以使得芯体符合所要求的公差(例如冷却空气的质量流量)的方式生产芯体。到目前为止，这是由以下方式实现的通过完全地、因此费用高昂的方式再次加工芯模，或通过在每种情况下均重新生产新的进而是更加昂贵的芯模。这样做是费用高的并且同时是复杂的。
发明内容
因此本发明的目的是要解决上面提到的问题。此目的是根据权利要求1所述的芯模以及根据权利要求7所述的方法实现的。从属权利要求列出了其他有利措施，这些措施可以按照需要相互结合以获得进一步的优势。
图1、2示意性地示出芯模，图3示出燃气轮机，图4示出涡轮叶片或轮叶，图5示出超合金的列表。附图和示例性实施例仅代表本发明的示例性实施方式。
具体实施例方式图1示意性地示出芯模1。芯模1具有至少两个半部，这里为上半部3和下半部4，在两半部之间形成有空腔 2。销5存在于芯模1的半部3、4之间并且这里优选地形成为两部分——形成为销部分8、11。然而，销也可以形成为单部件的销9(图2)。芯模半部3、4具有隆起部13、13’，上销部分8和下销部分11，或销9(图2)优选地紧固到隆起部13、13’上。这可由机械互锁、钎焊或焊接来实现。销部分8、11成对地正对着设置，并优选地相互接触。
相同的紧固方式也用于单部件的销9(图2)。这里的这些销8(图1)、9(图2)的形状和尺寸也决定通过中空铸造涡轮部件—— 更具体地，通过作为铸造部件示例的涡轮叶片或轮叶120、130(图4)——的冷却介质的流量(冷却空气的质量流量)，其中中空铸造涡轮部件优选地由镍基的或钴基的超合金制成， 极优选地由图5中示出的合金制成。为了生产用于铸模的芯体，将粘性物质形式的陶瓷材料或其他材料压入空腔2中并围绕销5 (图1)、9 (图2)，然后烧制由此设置的芯体以烧结陶瓷颗粒并用于在铸造中空铸造涡轮部件120、130的过程中产生冷却通道。如果很明显地，通过围绕芯体铸造的铸造部件的冷却介质的流量不符合技术规格 (例如，其过大或出现其他几何偏差)，则将销5、8(图1)、9(图2)替换成具有不同形状和 /或尺寸的其它销。如果没有满足其他技术规格，则可以以类似的方式改变销5、9。在这种情况下，将下销部分11(图1)和上销部分8 (图1)，或整体销9(图2)从芯模半部3、4分离，更具体地从隆起部13、13’分离，并且应用具有改变的横截面的销，具体地，如果流量很小则应用具有较小横截面的销、或是如果流量很大则应用具有较大横截面的销。由此，通过可以以快速、容易且费用低廉的方式生产的可更换销部分8、11(图1) 和9(图2)，可以重复使用芯模半部3、4。接着，又使用具有改变了的销5、8、11(图1)、9(图2)直径的、改变了的芯模来生产新的芯体，使得具有该芯体的用于铸造的新铸造部件符合技术规格，或如果需要的话，在另一迭代过程中再次改变销5、8、11、9，直到实现所需要的公差。优势包括以下方面能够借助于可更换的销5、8、11、9通过芯模中的很小的且很容易实施的变化来实现为了与所要求的冷却空气的质量流量相匹配所需的加工工艺开发迭代过程。在迭代过程的最后，结果是产生了适合于连续生产、并能够铸造满足所要求技术规格的铸造部件的芯模。此外，在生产过程中，在被陶瓷物质磨损的情况下，可以以快速、容易且费用低廉的方式更换销。图3以示例的方式示出贯穿燃气轮机100的局部纵向剖面图。燃气轮机100在内部具有带有轴101的转子103，转子103安装成使得其可绕转动轴线102转动，并且也被称为涡轮转子。沿着转子103依次有进气壳104、压气机105、具有多个同轴设置的燃烧器107的例如具体为环形燃烧室的涡流燃烧室110、涡轮108以及排气壳109。涡流燃烧室110与例如环型高温气体通道111连通，在环型高温气体通道111中， 举例来说，四个连续的涡轮级112形成涡轮108。每个涡轮级112均由例如两个叶片环或两个轮叶环形成。沿工作介质113的流动方向观察，在高温气体通道111内成排的导向轮叶115后面跟着由转子叶片120形成的排 125。导向轮叶130固定到定子143的内壳体138上，而该排125的转子叶片120例如借助于涡轮盘133装配到转子103上。
发电机(未示出)耦接到转子103上。当燃气轮机100运转时，压气机105通过进气壳104吸入空气135并将其压缩。在压气机105的涡轮侧端部处提供的压缩空气传输到燃烧器107，压缩空气在燃烧器7处与燃料混合。接着混合物在燃烧室110中燃烧，从而形成工作介质113。工作介质113从燃烧室110沿高温气体通道111流过导向轮叶130和转子叶片120。工作介质113在转子叶片 120处膨胀，以传递其动量，使得转子叶片120驱动转子103而转子103又驱动耦接到其上的发电机。当燃气轮机100运转时，暴露于高温工作介质113的部件承受着热应力。如沿工作介质113的流动方向所观察的，第一涡轮级112的导向轮叶130和转子叶片120连同衬在涡流燃烧室110内的隔热元件一起承受着最高的热应力。为了能够经受住在这些位置存在的温度，这些部件可借助于冷却剂来冷却。类似地，部件的基质可具有定向结构——即，它们是单晶形态(SX结构)或仅具有纵向定向的晶粒(DS结构)。例如，铁基、镍基或钴基超合金被用作部件的材料，特别是用作涡轮叶片或轮叶 120、130以及燃烧室110的部件的材料。从例如EP 1204776BUEP 1306454,EP 1319729Al、W099/67435 或 WO 00/44949 中已知这种类型的超合金。类似地，叶片或轮叶120、130可具有抗腐蚀保护涂层(MCrAlX ；M是从包括铁 0 )、钴(Co)、镍(Ni)的组中选出的至少一种元素，X是活性元素并代表钇(Y)和/或硅， 钪(Sc)和 / 或至少一种稀土元素，或铪)。从 EP 0486489BUEP 0786017BUEP 0412397B1 或EP 1306454A1中已知这种类型的合金。MCrAlX上还可以有隔热涂层，隔热涂层由例如&02、Y2O3-ZrO2构成，S卩，隔热涂层通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁非稳定、部分稳定或完全稳定。通过例如电子束物理气相沉积(EB-PVD)等适当的涂覆工艺在隔热涂层中生成柱状晶粒。导向轮叶130具有面向涡轮108的内壳体138的导向轮叶根部(这里未示出)，以及位于导向轮叶根部的相对端处的导向轮叶头部。导向轮叶头部面对转子103并固定到定子143的固定环140上。图4示出沿纵向轴线121延伸的、涡轮机的转子叶片120或导向轮叶130的透视图。涡轮机可以是飞机的或用于发电的发电厂的燃气轮机、蒸汽轮机或压缩机。叶片或轮叶120、130沿纵向轴线121连续地具有固定区域400、邻接的叶片或轮叶平台403以及主叶片或轮叶部406以及叶片或轮叶末端415。作为导向轮叶130，轮叶130在其轮叶末端415处可具有另外的平台(未示出)。用于将转子叶片120、130固定到轴或盘(未示出)上的叶片或轮叶根部183形成在固定区域400中。叶片或轮叶根部183设计成例如锤头的形式。例如揪树形或燕尾形的其他构形也是可以的。叶片或轮叶120、130具有对于流过主叶片或轮叶部406的介质而言的前缘409和尾缘412。在传统叶片或轮叶120、130的情况下，例如将实心金属材料——具体为超合金——用于叶片或轮叶120、130的所有区域400、403、406。从例如EP 1204776BU EP 1306454、EP 1319729AUW0 99/67435 或 WO 00/44949 中已知这种类型的超合金。在这种情况下，叶片或轮叶120、130可借助于定向凝固技术通过铸造工艺、通过锻造工艺、通过研磨工艺或它们的组合来进行生产。将具有单晶结构或多个单晶结构的工件用作在工作时暴露于高的机械应力、热应力和/或化学应力的机器部件。这种类型的单晶工件通过例如熔体定向凝固制成。这涉及液态金属合金凝固形成单晶构造物——即，单晶工件——或定向凝固的铸造工艺。在这种情况下，枝状晶体沿热流方向定向，并形成柱状晶粒结构(即，延伸工件的整个长度——这里常称作定向凝固——的晶粒)或单晶结构，即整个工件由一个单晶体构成。在这些过程中，需要避免向球晶(多晶)凝固的转变，因为非定向的生长不可避免地形成横向和纵向晶界，而横向和纵向晶界使定向凝固部件或单晶部件的有利特性不起作用。在本文广义地提到定向凝固微观结构时，应理解成其既指不具有任何晶界或最多具有小角度晶界的单晶，又指确实具有沿纵向方向延伸的晶界但不具有任何横向晶界的柱状晶粒结构。第二种晶体结构形式也被称为定向凝固微观结构(定向凝固结构)。从US-A 6，024, 792和EP 0892090A1中已知这个类型的工艺。叶片或轮叶120、130可同样地具有抗腐蚀或抗氧化保护涂层，例如(MCrAlX ；M是从包括铁0 )、钴(Co)、镍(Ni)的组中选出的至少一种元素，X是活性元素并代表钇(Y) 和/或硅和/或至少一种稀土元素，或铪(Hf))。可从EP 0486489BU EP 0786017BU EP 0412397B1或EP 1306454A1中已知这种类型的合金。密度优选地是理论密度的95 %。保护性氧化铝层(TGO=热生长氧化层)形成在MCrAlX层上(作为中间层或最外层)。该层优选地具有合成物Co-30Ni-28Cr-8Al_0. 6Y-0. 7Si或 Co-28Ni-24Cr-10Al-0. 6Y。除这些钴基保护涂层外，也优选地使用镍基保护层，例如 Ni-10Cr-12Al-0.6Y-3Re 或 Ni_12Co_2ICr-I1A1-0.4Y_2Re 或 Ni-25Co-17Cr-10Al-0. 4Y-1. 5Re。MCrAlX层上还可以有隔热涂层，隔热涂层优选地是最外层并由例如&02、 Y2O3-ZrO2构成，即，隔热涂层通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁非稳定、部分稳定或完
全稳定。隔热涂层覆盖整个MCrAlX层。通过例如电子束物理气相沉淀(EB-PVD)的适当的涂层工艺在隔热涂层中生成柱状晶粒。其他涂覆工艺，例如气相等离子喷涂(APS)、LPPS、VPS或CVD也是可行的。隔热涂层可以包括多孔的或具有微观裂缝或宏观裂缝的晶粒，以提高耐热冲击性。因此隔热涂层优选地比MCrAlX层更为多孔。再磨光意味着在部件120、130被使用之后，必须将保护层从部件120、130上去除(例如通过喷砂处理)。接着，移除腐蚀和/或氧化层以及产物。如果需要的话，还修复部件120、130中的裂缝。这个过程之后是对部件120、130重新进行涂覆，在此之后部件120、 130可重新使用。 叶片或轮叶120、130在形式上可以是中空的或实心的。如果要对叶片或轮叶120、 130进行冷却，则它是中空的且也可具有薄膜冷却孔418(由虚线表示)。
权利要求
1.一种芯模(1)，所述芯模(1)具有至少第一半部(3)和第二半部(4)，特别地，所述芯模(1)由所述第一半部C3)和所述第二半部(4)构成，所述第一半部( 和所述第二半部(4)形成空腔(2)，其中，在所述半部(3，4)上设置有销(5，9)，所述销(5，9)是可更换的。
2.根据权利要求1所述的芯模，其中，可更换的所述销(5，9)由上销部分⑶和相对地放置的下销部分(11)形成。
3.根据权利要求1所述的芯模，其中，所述销部分(5，8，9，11)仅设置在所述芯模(1)的内壁(16，19)上，并且， 特别地，所述销部分(5,8,9,11)不穿过半部(3,4)伸出。
4.根据权利要求1所述的芯模，其中，可更换的所述销(5，8，9，11)紧固到隆起部(13’，...)上， 所述隆起部(13，13’ )形成在所述芯模(1)的所述半部(3，4)上。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的芯模， 其中，所述销部分(8，11)相互接触。
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的芯模，其中，所述销(5，8，9，11)完全地桥架于所述空腔O)。
7.一种借助于芯模生产芯体的方法，特别地，借助于如权利要求1、2、3、5或6所述的芯模(1)，在所述方法中，在至少一个迭代过程中变化所述芯模(1)的内部销(5，8，9，11)，以改变所述芯体。
全文摘要
本发明涉及具有可变销的芯模和生产芯体的方法。依靠芯模(1)的模块化的内部结构，可以通过很小的改变使芯模(1)匹配于所需要的芯体变化，其比芯模仅具有一个部分或销是芯模半部的固定部件的情况更迅速且更容易。
文档编号B22C9/10GK102451884SQ20111031963
公开日2012年5月16日 申请日期2011年10月18日 优先权日2010年10月18日
发明者乌韦·保罗, 奥利佛·施奈德, 奥利弗·吕泽布林克, 奥利弗·里肯, 托尔斯滕·马泰斯, 朱塞佩·加约, 法蒂·艾哈迈德, 温弗里德·埃塞尔, 瓦尔德马·赫克尔, 米尔科·米拉扎尔, 阿图尔·莫尔, 鲁道夫·屈佩尔科吉 申请人:西门子公司