用于叶片的陶瓷型芯的制造方法以及陶瓷型芯和叶片的制作方法
【专利摘要】用于叶片的陶瓷型芯的制造方法，陶瓷型芯包括下部件、上部件和一组杆；下部件形成为芯本体，上部件形成为叶顶凹槽，并且一组杆用于将上部件和下部件保持一起；所述方法包括以下步骤：使用低于1000℃燃点的材料对杆进行涂布的涂布步骤；将所述杆在模具中定位的定位步骤；通过注射陶瓷使所述上部件和所述下部件成型的成型步骤；对所述陶瓷型芯进行烧制的烧制步骤。
【专利说明】用于叶片的陶瓷型芯的制造方法以及陶瓷型芯和叶片
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种适用脱蜡铸造工艺的陶瓷型芯的制造方法，该脱蜡铸造工艺用于为可移动叶片的循环而制造复杂的中空叶片装置。本发明尤其适用于航空领域的航空器引擎中的此类叶片。
【背景技术】
[0002]陶瓷型芯是一个可废弃的部件，该部件尤其适用于获得金属叶片装置的冷却循环系统。
[0003]首先，通过将聚合物陶瓷混合物注射到注射工具来制造芯。第二步，随后对该芯进行烧制以去掉聚合物并烧结陶瓷。第三步，对该芯进行去毛刺处理并用树脂浸溃以赋予它们机械强度。
[0004]图1所示为陶瓷型芯本体10，该陶瓷型芯本体10包括形成为叶顶凹槽的上部件2以及形成为芯本体的下部件I。此类陶瓷型芯适用于叶片，尤其适用于航空器引擎的涡轮机叶片。通常，该类型叶片与围绕叶片的环形叶片装置相耦合。形成凹槽的部件在叶片末端形成有开放腔。在功能上，该凹槽减少了叶片根部的离心力并减少了叶片尖端的热传递。凹槽通过使用连接芯本体和凹槽的杆3来固定到芯本体上。这些杆也可以用陶瓷来制成。通常，膨胀系数高于芯的膨胀系数的任何材料都可以适合于制作该杆。
[0005]制造这种芯会产生的问题之一是所述陶瓷型芯在烧制步骤上遇到的问题。该烧制步骤紧随模具中的陶瓷成型步骤，上述杆在材料注入之前预置在该模具中。
[0006]一旦连接芯本体和凹槽的所有杆3成型，它们就已经被固定在已成型的陶瓷中，已成型陶瓷的具有凹槽和芯本体的形状。随着陶瓷烧制过程中温度的升高，所述杆就会膨胀。图2所示为烧制后陶瓷中根杆膨胀的结果，特别地，由于裂纹20的产生，形成了凹槽2中的开裂纹20。
[0007]一个解决方法是在面向氧化铝杆的芯部形成局部的加厚部。
[0008]如图3所示了加厚部30，引入该加厚部30以加强陶瓷被烧制后形成裂纹的部分，该部分沿着位于陶瓷内部的杆的水平面上的凹槽设置。随后，移除额外的厚度，在局部的加厚部被修齐之前，没有出现沿着该杆的可视裂纹。
[0009]该方案的缺点之一是需要在烧制之后去掉加厚部，例如通过手工磨削方式去掉。人们发现在去掉裂纹过程中裂纹会再一次出现在凹槽中，然后，该裂纹会在凹槽的表面形成一个开裂纹。
[0010]一个主要的缺点在于随后芯不能使用并且可能不得不被废弃。
【发明内容】
[0011]本发明能够解决上述缺点。
[0012]本发明涉及一种用于叶片的陶瓷型芯的制造方法，该陶瓷型芯包括下部件、上部件和一组杆；所述下部件形成为芯本体，所述上部件形成为叶顶凹槽(squealer tip)，并且一组杆用于保持上部件和下部件。根据本发明的方法包括:
[0013]涂层步骤，其中所述杆由燃点低于温度阀值的材料覆盖，超过该温度阀值，所述杆的膨胀大于预设好的比例；
[0014]定位步骤，其中将所述杆在模具中定位；
[0015]成型步骤，其中所述上部件和下部件通过陶瓷注射成型，该成型的部分因此形成为位于所述模具中的单一部分，并且限制出芯的形状。
[0016]烧制步骤，其中对所述陶瓷型芯进行烧制。
[0017]根据一个实施方式，所述温度阀值是1000°C。
[0018]根据一个实施方式，所述杆的膨胀百分比是1%。
[0019]该陶瓷型芯制造方法预防了在烧制阶段由于杆的存在而引起的陶瓷裂纹。
[0020]根据本发明方法尤其包括了一个预先步骤，例如涂清漆以覆盖至少一根杆。在杆上涂清漆能够预防凹槽裂纹的产生。
[0021]每根杆可能由氧化铝材料制成或者可以由比芯的膨胀系数高的材料制成。
[0022]在烧制阶段通过燃烧清漆(varnish)来避免产生裂纹，该烧制阶段释放了已烧制的陶瓷和已膨胀的杆之间的空间。覆盖在杆表面的清漆或者同等材料的燃烧温度释放了围绕杆的空间，在高于清漆的燃烧温度时，所述杆会膨胀。
[0023]有益地，所述步骤依次实施。
[0024]有益地，所述芯的脱模步骤(DME)先于芯的所述烧制步骤(⑶I)。
[0025]有益地，每根所述杆在可能由凹槽包围的表面上被涂布。
[0026]有益地，所述杆的部分的涂层包括有清漆涂层。
[0027]有益地，所有杆的涂层包括以下之一:
[0028]每根杆的表面的一部分上沉积有蜡涂层；
[0029]每根杆的表面的一部分上沉积有树脂涂层；
[0030]每根杆的表面的一部分上沉积有石墨涂层；
[0031]本发明也涉及到用于涡轮机叶片的陶瓷型芯，该陶瓷型芯包括下部件、上部件和一组杆，下部件形成芯本体，上部件形成凹槽并且一组杆用于将上部件和下部件保持在一起，其特征在于，该芯使用根据本发明的方法制作。
[0032]该发明还涉及到用于涡轮机的叶片，该叶片使用铸造工艺制成，该铸造工艺使用根据本发明方法制成的芯。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]在阅读了下述参照附图的详细描述后，本发明的其他特征和优点将会变得清楚，其中附图显示了:
[0034]图1:用于可移动叶片的陶瓷型芯的视图；
[0035]图2:烧制后的陶瓷型芯和在陶瓷型芯的凹槽上形成的裂纹的视图；
[0036]图3:包括加厚部以防止产成裂纹的陶瓷型芯的视图；
[0037]图4:显示根据本发明的方法的主要步骤的示意图。
【具体实施方式】[0038]在本说明书中，“燃点(flashpoint) ” 或者“可燃点(inflammability point) ” 指的是在加热能源的影响下，本体或者易燃材料发出充分的蒸气来和周围空气形成气态混合物进行燃烧的最低温度。
[0039]在说明书剩余部分中，词汇“涂层(coating) ”步骤将被用来指根据本专利申请的
涂层涂覆。
[0040]用于涡轮机叶片的陶瓷型芯包括下部件、上部件和一组杆，下部件形成为芯本体，上部件形成为凹槽，一组杆用于将上部件和下部件保持在一起。该上部件和下部件彼此固定。在本发明的一个简化实施方式中，至少一根杆用于将芯的两部分保持在适当位置。
[0041]根据该实施方式，上部件和下部件可以包括一个共同区域，该共同区域也用于将两部分保持连在一起。图1显示了这样的实施方式，其中部件I和部件2通过位芯一侧的共同区域4连接在一起。
[0042]根据本发明制造陶瓷型芯的方法包括杆的涂层步骤，在图4中使用END标记，该涂层步骤位于将所述杆插入到用于成型陶瓷部分的模具中之前。清漆会沉积在将会被芯中的凹槽包围的杆的部分上。在一个实施方式中，被芯本体所包围的杆的部分没有被清漆覆盖。
[0043]在本发明的一个【具体实施方式】中，所述杆在它们被定位在模具中后才被涂布。但优选地，该杆在它们插入到模具中之前已被涂布，以使得杆的整个表面都得到均匀地覆盖。
[0044]所述杆能够通过不同的方式涂布，这取决于应用材料的类型，需要涂层的厚度和/或将要覆盖的杆或杆的部分。
[0045]在本发明的一个实施方式中，整根杆都用燃点低于1000°C的材料涂布。
[0046]在另外一个实施方式中，只有被凹槽环绕的杆的部分覆盖有初涂。被芯主体环绕的杆的部分没有覆盖清漆。优点之一是清漆的量能够适应由杆膨胀所导致的结构削弱的部分。
[0047]1000°C的温度极限是与由陶瓷材料开始形成芯时的转变温度相对应的。这个极限是格外有益的温度，其使在烧制温度达到该极限之前涂在杆上的材料将会燃烧。也可以选择较低极限温度，只要该物质的燃点温度低于该极限温度时至少也能够起作用。
[0048]通常，温度阀值的选择使得涂层材料例如清漆在杆膨胀之前被点燃。在低于某极限范围时的膨胀假定为零。在一个实施方式中，该极限范围固定在1%，它对应于杆尺寸1%的膨胀。根据其他实施方式，限定所谓的“必然的(consequent)”膨胀极限的预定义比例可能是大于1%直至2%或者更多，这取决于使用的材料和他们的尺寸。
[0049]在不同的实施方式中，可以通过浸杆或者通过例如用刷子涂覆杆的方式涂覆材料。
[0050]在一个优选实施方式中，所应用的材料为清漆，该清漆可以例如为“指甲油”型清漆，该清漆的涂覆方法可以像女人将指甲油涂在指甲上一样的常规方式用刷子刷在杆上。
[0051]合适的清漆包括溶剂、树脂、硝化纤维和增塑剂。例如，如以商品名为“Peggy Sagenail varnish all formulas”销售的“触变基(Thixotropic base) ”清漆可以应用在根据本发明的方法中。
[0052]一旦在杆上涂上清漆后，就可以将杆置于模具中。优选地，当清漆干燥后，该杆根据本发明提供的方法中标识为POS的步骤定位，模具中每个杆的位置在注射材料后被定位，使注射的材料将包围每根杆。[0053]本发明包括图4中标识为MOU的成型步骤，该步骤包括将陶瓷注射到模具中。在提供给芯本体的空间，陶瓷的注射形成芯，因此，形成的本体和凹槽取决于模具的形状。
[0054]陶瓷成型步骤包括形成芯本体的下部件成型和形成凹槽的上部件成型。优选地，该两部分同时成型。所述杆定位以使得杆的一部分位于芯的上部件中，杆的一部分位于芯的下部件中。注射到模具中形成凹槽的部分的陶瓷材料包围所述杆出现在凹槽的部分，以及注射到模具中形成芯本体的部分的陶瓷材料包围所述杆定位模具中该部分的部分。
[0055]在成型后，所述杆将芯的两部分保持在一起。
[0056]在根据本发明制造方法的另外一个步骤中，随后将芯从模具中脱出，该步骤在附图4中由DEM标识。被固定在芯的两部分的杆也因此从模具中被取出。
[0057]当从模具中取出芯后，则能够开始附图4中⑶I所标识的烧制步骤。
[0058]当芯在被烧制时，在杆的膨胀度到达必然的比例之前，杆上覆盖的清漆达到其燃点。由于氧化铝的膨胀系数在1200°C时为1.03%，因此，清漆到达其燃点燃烧时的温度低于弓I起氧化铝杆膨胀时的烧制温度。
[0059]在所述杆膨胀之前，清漆的燃烧释放了围绕着杆的空间。随着烧制时温度的升高，成型在芯的上部件和下部件中的杆随后开始膨胀。涂在杆上的清漆涂层以及其的燃烧的优点之一在于，这能够释放围绕杆的空间，而上述空间提供了满足杆的膨胀所需的额外的空间。因此，选择涂在每根杆的清漆的量，使之在围绕杆产生的空间与由杆的膨胀占用的额外空间相匹配。
[0060]根据本实施方式，可以通过实验来选择覆盖所述杆的材料的类型，以及选择当材料涂在杆上时上述涂层的合适厚度。这些实验能够决定由材料燃烧所释放的理想空间，该空间与烧制阶段中杆的膨胀所需要的空间相对应。
[0061]因此，在烧制过程中和之后，所述杆的膨胀不再对围绕杆的陶瓷材料施加可能导致裂纹的机械应力。
[0062]在之前的方案中，会发现凹槽中经常出现裂纹。这是由于，凹槽比芯本体薄，阻止杆的内部膨胀所产生的裂纹主要出现在凹槽中。
[0063]当杆由例如清漆的材料浸溃时，在图2中具体显示的可能产生的裂纹不再出现。由于在预先步骤中，杆被易燃物质所涂层，因此，不再需要在芯部凹槽的表面形成一个加厚部。
[0064]优选地，根据本发明所述的方法的步骤依次执行。但是在一个实施方式中，可以想到的是，在杆被放在模具之后才进行每根杆的涂层步骤。另一方面，必然的是，如果要本发明方法能够顺利地实施，成型和烧制的步骤应该依次操作。
[0065]在根据本发明的涂布步骤中，与清漆具有近似等同性质的其他产品可以作为替代
品O
[0066]本发明使用的所有产品能够沉积成薄层，例如百分之几毫米。这些应用到所述杆上的产品在氧化铝杆膨胀之前必须通过烧制来去除。在本发明的一个优先实施方式中，用于所述杆并作为涂层使用的产品不应留下任何不合要求的化学剩余物也是重要的。
[0067]下面列举的每个产品都有其各自的优点，因此，相比依靠所需操作的其他选择，这些产品是首选的。
[0068]除了清漆，通过制作薄层结合到所述杆，并且在1000°C以下燃烧不产生任何剩余物的能够想到产品还包括蜡、树脂、油漆和/或石墨。
[0069]这些产品具有以下优点:
[0070]当它们应用到杆的表面时，能够与杆结合在一起；
[0071]易于以沉积成薄层的方式应用；
[0072]整个杆的表面能够覆盖均匀的沉积物；
[0073]最后，它们都能够在低于1000°C的温度下通过烧制去除。
[0074]优选地，选择树脂以使得当烧制芯时不包括任何能够污染熔炉的物质。
[0075]对于石墨来说，有利地控制其燃烧，以避免或限制一氧化碳的排放。最后，在烧制阶段，可以控制燃烧以能提供一个充分氧化气氛的环境。
[0076]蜡的优点之一在于，其在环境温度下的可塑性和延展性能够使得它特别有益于对杆的涂布，其45°C的熔点在杆膨胀之前释放了围绕杆的空间。蜡的另外一个优点在于，其融化时的低粘性使得能够释放围绕杆的空间均匀。
[0077]本发明所述的方法可以包括陶瓷烧结和以及在芯被烧制后的树脂涂覆步骤
[0078]本发明还涉及一种根据本发明方法获得的陶瓷型芯。根据本发明获得的陶瓷型芯具有的独特特征在于，其能够通过使用杆上涂层有燃点低于氧化铝的膨胀温度的材料制得。
[0079]本发明还涉及到一种包括根据本发明方法获得陶瓷型芯的可移动涡轮机叶片。
【权利要求】
1.一种用于叶片的陶瓷型芯(10)的制造方法，该陶瓷型芯包括下部件(I)、上部件(2)和一组杆(3);所述下部件(I)形成为芯本体，所述上部件(2)形成为凹槽，并且所述一组杆(3)用于保持所述上部件和所述下部件，其特征在于，所述制造方法包括: 涂布步骤(END)，在该涂层步骤中，所述杆由燃点低于温度阀值的材料覆盖，超过该温度阀值； 定位步骤(POS)，在该定位步骤中，将所述杆在模具中定位； 成型步骤(MOU)，在该成型步骤中，所述上部件和所述下部件通过陶瓷注射成型，该成型的部分因此形成为位于所述模具中的单一部分并且限制出芯的形状； 烧制步骤(CUI)，在该烧制步骤中，对所述陶瓷型芯进行烧制。
2.根据权利要求1陶瓷型芯的制造方法，其特征在于，所述各步骤按顺序依次操作。
3.根据权利要求1或2所述的陶瓷型芯制造方法，其特征在于，所述温度阀值为1000。。。
4.根据权利要求1至3的任何一项所述的陶瓷型芯制造方法，其特征在于，预先定义的所述膨胀的百分比为I %。
5.根据权利要求1至4中的任何一项所述的陶瓷型芯制造方法，其特征在于，所述芯的脱模步骤(DEM)先于该芯的所述烧制步骤(CUI)。
6.根据权利要求1至5的任何一项所述的陶瓷型芯制造方法，其特征在于，每根所述杆可能由所述凹槽包围的表面均被涂布。
7.根据权利要求1至6的任何一项所述的陶瓷型芯制造方法，其特征在于，在所述杆的部分上涂布清漆层。
8.根据权利要求1至7的任何一项所述的陶瓷型芯制造方法，其特征在于，所述杆的所述涂布包括在每根所述杆的所述表面的一部分上沉积蜡层。
9.根据权利要求1至7的任何一项所述的陶瓷型芯制造方法，其特征在于，所述杆的所述涂布包括在每根所述杆的所述表面的一部分上沉积树脂层。
10.根据权利要求1至7的任何一项所述的陶瓷型芯制造方法，其特征在于，所有杆的所述涂布包括在每根所述杆的所述表面的一部分上沉积石墨层。
11.用于涡轮机叶片的陶瓷型芯，其包括下部件(I)、上部件(2)和一组杆(3);所述下部件(I)形成为芯本体，所述上部件(2)形成为凹槽，并且所述一组杆(3)用于将所述上部件和所述下部件彼此保持在一起，其特征在于，所述芯(10)由前述任意一项权利要求所述的方法制造。
12.用于叶轮机的叶片，其特征在于，所述叶片使用铸造工艺制造，该铸造工艺使用根据权利要求11所述的陶瓷型芯。
【文档编号】B22C21/14GK104039476SQ201280066793
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2012年12月20日 优先权日:2011年12月23日
【发明者】弗兰克·埃德蒙德·莫里斯·图勒, 阿兰·格兰丁, 麦丁·莫干马都阿布达卡达 申请人:斯奈克玛