使用光刻模制技术在部件上制造表面冷却通道的方法
【专利摘要】本发明公开使用光刻模制技术在部件上制造表面冷却通道的方法。所述方法包括通过芯段的柔性模具铸造陶瓷芯件，并且通过第一壳体区段和第二壳体区段的对应柔性模具铸造成至少两个区段的陶瓷壳体。随后，通过在所述陶瓷壳体区段内组装所述陶瓷芯件形成陶瓷铸造容器。将金属基底材料铸造到所述陶瓷铸造容器中。移除所述陶瓷铸造容器，使其中设有内部通路、与所述内部通路流体连通的一个或多个冷却通道以及与所述一个或多个冷却通道流体连通的一个或多个表面凹槽的所述部件的基底露出。
【专利说明】使用光刻模制技术在部件上制造表面冷却通道的方法
【技术领域】
[0001]本发明总体涉及如燃气涡轮机系统的涡轮机系统，并且更为具体地说，涉及涡轮机系统中的微通道冷却。
【背景技术】
[0002]在燃气涡轮发动机中，空气是在压缩机中进行加压并且在燃烧器中与燃料混合，用以生成高温燃烧气体。从高压涡轮机(HPT)中的气体所抽取的能量为压缩机提供动力，并且从低压涡轮机(LPT)中的气体所抽取的能量为涡轮风扇飞机发动机应用中的风扇提供动力或者为船舶和工业应用中的外轴提供动力。
[0003]在燃气涡轮发动机的运行过程中，燃烧气体温度可以超过3，000° F，大大高于发动机的接触这些气体的金属零件的熔融温度。这些发动机的在高于金属零件熔融温度的气体温度下的运行是众所周知的，并且部分是取决于通过各种方法将冷却空气供应到金属零件的外表面。这些发动机中的金属零件就是形成燃烧器的金属零件并且位于燃烧器的后端上，其尤其受到高温影响，因此要求尤其注意对此类金属零件的冷却。
[0004]发动机的效率随着燃烧气体温度增加。然而，燃烧气体沿着各自流路加热各种部件，这又要求冷却所述部件以便延长发动机的寿命。通常，热气路径部件通过来自压缩机的排出空气来冷却。由于所述排出空气并未用于燃烧过程，因此，这个冷却过程使得发动机的效率降低。
[0005]燃气涡轮发动机冷却技术是已经成熟的，并且包括针对各种热气路径部件中的冷却回路和特征的各种方面的多项专利。例如，燃烧器包括径向外衬和径向内衬，这两者都要求在运行过程中进行冷却。涡轮机的喷嘴包括支撑在外带与内带之间的空心轮叶，它也需要冷却。涡轮机的转子叶片是空心的并且其中通常包括冷却回路，所述叶片是由涡轮机防护罩环绕，所述涡轮机防护罩同样需要冷却。热的燃烧气体穿过排气装置排放出来，所述排气装置也可设有衬垫并且进行适当冷却。
[0006]在所有这些示例性燃气涡轮发动机部件中，通常使用高强度超合金金属制成薄金属壁来增强耐久性，同时使此类部件的冷却需要最小化。各种冷却回路和特征针对发动机中处于各自环境中的这些单独部件进行调整。例如，可以在热气路径部件中形成一系列的内部冷却通道、即蛇形通道。可以将冷却流体从加压腔室提供到蛇形通道中，并且所述冷却流体可以流经所述通道，从而冷却热气路径部件基底以及涂层。然而，这种冷却策略通常导致传热速率相对较低并且导致部件温度分布不均。
[0007]采用微通道冷却技术具有大大降低冷却要求的潜力。微通道冷却使冷却尽可能地接近加热区域，由此，在传热速率给定情况下，使承载基底材料的热侧与冷测之间的温度差值减小。然而，用于形成微通道的现有技术通常要求使用铸后加工(post-castingmachining)形成微通道和冷却剂供送孔。铸后加工可能涉及损坏过程并且通常要求较长时间。
[0008]因此，将会需要提供一种用于在热气路径部件中形成冷却通道的方法，所述方法 无需进行铸后加工。
【发明内容】
[0009]在一个实施方案中，公开一种铸造包括一个或多个表面冷却通道的部件的方法。所述方法包括通过一个或多个芯段的柔性模具铸造陶瓷芯件，并且通过第一壳体区段和第二壳体区段的对应柔性模具铸造呈至少两个区段的陶瓷壳体。接着，通过在所述陶瓷壳体区段内组装所述陶瓷芯件形成陶瓷铸造容器。金属基底材料经铸造成所述陶瓷铸造容器。随后，移除所述陶瓷铸造容器。移除所述陶瓷铸造容器以使所述部件露出，所述部件其中设有内部通路、与所述内部通路流体连通的一个或多个冷却通道以及与所述一个或多个冷却通道流体连通的一个或多个表面凹槽。
[0010]如上所述的方法，其进一步包括:
[0011]提供所需陶瓷铸造容器的模型，所述陶瓷铸造容器限定所述部件的几何形状并且包括所述内部通路、与所述内部通路流体连通的所述一个或多个冷却通道以及与所述一个或多个冷却通道流体连通的所述一个或多个表面凹槽；
[0012]以数字方式将所述模型划分成多个区段，其中所述多个区段限定所述芯段、第一壳体区段以及第二壳体区段；
[0013]将所述多个区段中的每个区段转移到母模工具中，其中所述多个区段包括一个或多个精密金属插件，用以限定包括所述内部通路、所述一个或多个冷却通道以及所述一个或多个表面凹槽的所述部件的所述几何形状；以及
[0014]通过每个母模工具铸造所述柔性模具。
[0015]如上所述的方法，其进一步包括将涂层设置在所述基底的表面的至少一部分上，其中所述一个或多个冷却通道、所述一个或多个表面凹槽以及所述涂层限定用于冷却所述部件的所述一个或多个表面冷却通道。
[0016]如上所述的方法，其进一步包括限定穿过所述涂层的至少一个冷却剂排出口。
[0017]如上所述的方法，其中所述一个或多个表面凹槽是内曲形的凹槽。
[0018]在另一实施方案中，公开一种铸造包括一个或多个表面冷却通道的部件的方法。所述方法包括提供所需陶瓷铸造容器模型，所述陶瓷铸造容器限定所述部件几何形状并且包括内部通路、与所述内部通路流体连通的一个或多个冷却通道以及与所述一个或多个冷却通道流体连通的一个或多个表面凹槽。所述模型经数字划分成多个区段并且所述多个区段各自转移到母模工具中，其中所述多个区段包括一个或多个精密金属插件，用以限定包括所述内部通路、所述一个或多个冷却通道、所述一个或多个表面凹槽以及一个或多个对准特征的所述部件的所述几何形状。接着，通过每个母模工具铸造柔性模具。通过对应柔性模具铸造陶瓷芯件。通过对应柔性模具铸造呈至少两个区段的陶瓷壳体。通过在所述陶瓷壳体区段内组装所述陶瓷芯件形成所述陶瓷铸造容器。接着，金属基底材料经铸造成所述陶瓷铸造容器。随后，移除所述陶瓷铸造容器以使具有所述内部通路、与所述内部通路流体连通的所述一个或多个冷却通道以及与所述一个或多个冷却通道流体连通的所述一个或多个表面凹槽的所述部件的基底露出。
[0019]如上所述的方法，其进一步包括将涂层设置在所述基底的表面的至少一部分上，其中所述一个或多个表面凹槽和所述涂层限定用于冷却所述部件的所述一个或多个表面冷却通道。
[0020]如上所述的方法，其中所述涂层完全桥接对应一个或多个表面凹槽，使所述涂层密封对应的一个或多个表面冷却通道。
[0021]如上所述的方法，其中所述一个或多个表面凹槽是内曲形的凹槽。
[0022]如上所述的方法，其中所述母模工具由金属材料形成。
[0023]如上所述的方法，其中所述金属材料是铝。
[0024]如上所述的方法，其中所述多个区段限定一个或多个芯段和至少两个壳体区段。
[0025]如上所述的方法，其中所述精密插件由金属材料形成。
[0026]如上所述的方法，其中所述金属材料是经过蚀刻的铜。
[0027]如上所述的方法，其中所述一个或多个精密金属插件进一步限定一个或多个对准特征，并且其中通过在所述陶瓷壳体内组装所述陶瓷芯件来形成所述陶瓷铸造容器进一步包括使用所述一个或多个对准特征。
[0028]在又一实施方案中，公开一种铸造包括一个或多个表面冷却通道的部件的方法。所述方法包括:提供所需陶瓷铸造容器模型，所述陶瓷铸造容器限定所述部件几何形状并且包括内部通路、与所述内部通路流体连通的一个或多个冷却通道以及与所述一个或多个冷却通道流体连通的一个或多个表面凹槽；以及将所述模型数字划分成多个区段。所述多个区段限定一个或多个芯段和至少两个壳体区段。接着，所述多个区段各自转移到母模工具中。将一个或多个精密金属插件设置在所述多个区段中的一个或多个区段中，用以限定包括所述内部通路、所述一个或多个冷却通道、所述一个或多个表面凹槽以及一个或多个对准特征的所述部件的所述几何形状。接着，通过每个母模工具铸造柔性模具。组装对应柔性模具以在两者之间限定空腔。通过对应柔性模具铸造陶瓷芯件，并且通过对应柔性模具铸造呈至少两个区段的陶瓷壳体。通过使用所述一个或多个对准特征在所述陶瓷壳体区段内组装所述陶瓷芯件形成陶瓷铸造容器。接着，金属经铸造成所述陶瓷铸造容器。随后，移除所述陶瓷铸造容器以使具有所述内部通路、与所述内部通路流体连通的所述一个或多个冷却通道以及与所述一个或多个冷却通道流体连通的所述一个或多个表面凹槽的所述部件的基底露出。最后，将涂层设置在所述基底的表面的至少一部分上，其中所述一个或多个表面凹槽和所述涂层限定所述一个或多个表面冷却通道以冷却所述部件。
[0029]如上所述的方法，其中所述涂层完全桥接对应一个或多个表面凹槽，使所述涂层密封对应的一个或多个表面冷却通道。
[0030]如上所述的方法，其中所述一个或多个表面凹槽是内曲形的凹槽。
[0031]如上所述的方法，其中所述母模工具中的每个母模工具均由铝形成。
[0032]如上所述的方法，其中所述精密插件由经过蚀刻的铜形成。
[0033]结合附图阅读以下详细描述，将会更完整地理解本文所讨论的实施方案所提供的这些以及另外特征。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]附图中阐述的实施方案实际上是说明性的，而非意图限制由权利要求书所限定的实施方案。结合附图进行阅读之后，将更好地理解对所示实施方案的以下详细描述，在附图中，类似结构采用类似参考数字指示，其中:[0035]图1是根据本文所示或所述一个或多个实施例方案的燃气涡轮机系统的示意图，该燃气涡轮机系统包括带表面冷却通道的部件；
[0036]图2是根据本文所示或所述一个或多个实施例方案的示例性翼片配置的示意截面图，该示例性翼片配置包括表面冷却通道；
[0037]图3是根据本文所示或所述一个或多个实施例方案的一种制造包括表面冷却通道的部件的方法的步骤中的截面图；
[0038]图4是根据本文所示或所述一个或多个实施例方案的一种制造包括表面冷却通道的部件的方法的步骤中的截面图；
[0039]图5是根据本文所示或所述一个或多个实施例方案的一种制造包括表面冷却通道的部件的方法的步骤中的截面图；
[0040]图6是根据本文所示或所述一个或多个实施例方案的一种制造包括表面冷却通道的部件的方法的步骤中的截面图；
[0041]图7是根据本文所示或所述一个或多个实施例方案的一种制造包括表面冷却通道的部件的方法的步骤中的截面图；
[0042]图8是根据本文所示或所述一个或多个实施例方案的一种制造包括表面冷却通道的部件的方法的步骤中的截面图；
[0043]图9是根据本文所示或所述一个或多个实施例方案的一种制造包括表面冷却通道的部件的方法的步骤中的截面图；
[0044]图10是根据本文所示或所述一个或多个实施例方案的一种制造包括表面冷却通道的部件的方法的步骤中的截面图；
[0045]图11是根据本文所示或所述一个或多个实施例方案的一种制造包括表面冷却通道的部件的方法的步骤中的截面图；
[0046]图12是根据本文所示或所述一个或多个实施例方案的一种制造包括表面冷却通道的部件的方法的步骤中的截面图；
[0047]图13是根据本文所示或所述一个或多个实施例方案的一种制造包括表面冷却通道的部件的方法的步骤中的截面图；
[0048]图14是根据本文所示或所述一个或多个实施例方案的一种制造包括表面冷却通道的部件的方法的步骤中的截面图；
[0049]图15是根据本文所示或所述一个或多个实施例方案的一种制造包括表面冷却通道的部件的方法的步骤中的截面图；以及
[0050]图16是根据本文所示或所述一个或多个实施例方案的描绘一种制造包括表面冷却通道的部件的方法的一个实现方式的流程图。
【具体实施方式】
[0051]本发明的一个或多个特定实施方案将在下文中进行描述。为了简述这些实施方案，说明书中可能不会对实际实现方式的所有特征进行描述。应当了解，在任何此类实际实现方式发展中，如在任何工程或设计项目中，必须作出特定于许多实现方式的决策以便实现开发者的特定目标，如符合系统相关约束和商业相关约束，所述约束对于各个实现方式来说可以是不同的。另外，应当了解，这种发展工作可能复杂而且耗时，然而，对受益于本发明的一般技术人员而言，它仍然是一种常规设计、制作以及制造工作。
[0052]在介绍本发明的各种实施方案中的元件时，冠词“一(a)”、“一个(an)”、“该(the)”以及“所述(said)”意图表示存在一个或者多个所述元件。术语“包括(comprising)”、“包括(including)”以及“具有(having)”意图是指包括在内并意味着可能存在除了所列举的元件外的其他另外元件。
[0053]本发明公开一种在由金属、陶瓷、聚合物和/或复合材料系统制成的如翼片的高性能产品中制造表面冷却通道的方法。所述方法使得能够制造带改进冷却性质的翼片设计，从而无需铸后加工技术来制造表面冷却通道。在实施方案中，可在涂层沉积之后将冷却剂排出特征放置在所涂覆的涂层上，或者可以将表面冷却通道定向成从零件边缘处排出。
[0054]本发明的制造方法使用基于使用光刻(lithography)以及光刻加工技术(lithographic machining techniques)的新颖模制或铸造过程,形成成品翼片三维模型。本文将对所述方法进行更详细地描述。
[0055]图1是燃气涡轮机系统10的示意图。所述系统10可以包括一个或多个压缩机
12、燃烧器14、涡轮机16以及燃料喷嘴20。所述压缩机12以及涡轮机16可以通过一个或多个轴18连接。轴18可以是单轴或连接在一起以形成轴18的多轴节段。
[0056]该燃气涡轮机系统10可以包括多个热气路径部件。热气路径部件是系统10的任何部件，其至少部分暴露在通过系统10的高温气流中。例如，桨叶组件(也被称为叶片或叶片组件)、喷嘴组件(也被称为轮叶或轮叶组件)、防护罩组件、过渡连接件、固定环以及压缩机排气部件都是热气路径部件。但应理解，本发明的热气路径部件并不限于上述实例，而可以是至少部分暴露在高温气流中的任何部件。另外，应当理解，本发明的热气路径部件并不限于燃气涡轮机系统10的部件，而可以是其中可能暴露于高温气流中的任何机械件或部件。
[0057]当热气路径部件暴露在热气流中时，热气路径部件由热气流加热，从而可能达到使热气路径部件发生故障的温度。因此，为了允许系统10在处于高温的热气流下运行，以便提高系统10的效率和性能，要求一种用于热气路径部件的冷却系统。
[0058]总体来说，本发明的冷却系统包括多个小型冷却通道，或微通道，所述多个小型冷却通道在热气路径部件表面中形成。所述热气路径部件可以包括一个或多个凹槽和用以桥(bridge)接在所述凹槽上的涂层，并且形成微通道。可以将冷却流体从加压腔室提供到所述微通道中，并且所述冷却流体可以流经该微通道，从而冷却涂层以及基底。
[0059]现在参照图2，示出具有翼片配置的热气部件30的实例。如图所示，部件30包括基底32，所述基底带有外表面34和内表面36。所述基底32的内表面36限定至少一个空心内部空间38。在一个替代实施方案中，热气部件30可以包括供应空腔，用以代替空心内部空间。所述基底32的外表面34限定多个表面冷却通道40。表面冷却通道40各自沿着所述基底32的外表面34至少部分延伸，并且经由一个或多个冷却通道41与至少一个空心内部空间38流体连通。涂层42是设置在所述基底32的外表面34的至少一部分上，并且更为具体地说，是设置在所述基底32的外表面34中形成的一个或多个凹槽44上，从而组合所述涂层42形成表面冷却通道40。在实施方案中，热气部件30可以包括多个涂层42，并且表面冷却通道40可以在基底32中形成，或者在基底32和一个或多个涂层42中形成。
[0060]如下所述，本文所公开的方法包括光刻以及光刻加工技术，用以形成成品部件三维模型，并且更为具体地说，用以形成包括多个表面冷却通道的成品部件的三维模型。最初，如翼片的部件的数字模型是使用计算机化系统设计，所述计算机化系统的用途在本领域中众所周知。此后，将所述数字模型划分成多个铸件零件。多个铸件最终组装到由合金铸造的铸造容器之中。最后，移除陶瓷铸造容器以使冷却结构露出，所述冷却结构具有内部通路以及与所述内部通路流体连通的一个或多个冷却通道，还有一个或多个表面冷冷却通道。所述方法能够不要求铸后加工即可形成开放表面冷却通道的部件。
[0061]如前所述，根据本文所公开的方法所制造的示例性实施方案是一种燃气涡轮机翼片，所述燃气涡轮机翼片包括与多个表面冷却通道流体连通的空心内部通路。
[0062]更具体地参照图3至16，公开的是一种制造部件30的方法中的步骤。更为具体地说，公开的是一种用于制造陶瓷铸造容器(ceramic casting vessel) 56的陶瓷芯件52和陶瓷壳体54的方法中的步骤，所述陶瓷铸造容器将在其中设有部件30的内部通路、一个或多个冷却通道以及一个或多个表面冷却通道。
[0063]如图所不，所述方法用于在热气部件30的外表面34中形成(如图2最佳所不)与内部通路38流体连通的一个或多个表面通道、即凹槽44。对于所示实例，多个凹槽44在该外表面34中形成。所述凹槽44各自沿着所述部件30的表面34至少部分延伸。在实施方案中，例如，如图3所示，最初提供所需陶瓷铸造容器56模型50，所述陶瓷铸造容器限定所述部件30并且包括多个插件(如本发明所述)，用以限定内部通路38 (图2)、一个或多个冷却通道41 (图2)以及一个或多个表面凹槽44 (图2)。如图4所示，将所述模型数字划分成多个区段。更为确切地说，划分所述模型数字以便限定其中示出单个芯段60，以及至少两个壳体区段62和64。注意，在所示实施方案中，尽管芯段60如单个芯段所限定那样示出，但芯段也可能过于复杂而难形成单个区段，并且可替代地形成多个芯段(core sections).在实施方案中，将芯件以及壳体各自划分成一个以上区段可以使得制造变得容易并且允许获得更精确的细节。
[0064]现在参照图5，接着，将多个区段的每一个、并且更具体地说是芯段60和多个壳体区段62和64各自转移到母模工具66中。母模工具66通过使用众所周知的加工过程从数字模型50产生，以便将每个区段60、62、64转移到对应母模工具66。所述多个区段60、62以及64中的至少一者包括多个精密金属插件70，用以限定包括一个或多个冷却通道41和一个或多个表面凹槽44的部件30的几何形状。在考虑此类零件三维特性而非图中所示二维截面情况下，在实施方案中，金属插件70可以由多个层自身形成，该层如蚀刻的铜薄片，这些蚀刻的铜薄片随后堆积或锁定到适当位置。另外，可以包一个或多个精密金属插件70以限定一个或多个对准特征结构72。更为确切地说，如图5所示，将芯段60转移到两个相配合的母模工具67和69之中，从而最终形成陶瓷铸造容器56的陶瓷芯件52。母模工具66各自是由能够加工的任何软稳定性金属或金属合金形成。在优选实施方案中，鉴于成本较低和加工容易的优点，母模工具66是由铝材形成。更为具体地说，母模工具66、并且更具体地是母模工具67和69各自并入加工表面68、精密金属插件70以及对准特征72，并且反映要铸造的部件的期望的形状。在优选实施方案中，精密金属插件70是由蚀刻的铜形成，并且反映了最终一个或多个冷却通道41 (图2)和一个或多个表面凹槽44的几何形状。铜是用于精密金属插件70的优选材料，因为这种材料易于通过蚀刻或光刻技术来加工，但是适于这些技术的任何金属或合金都将适用。例如，如图3所示，凹槽44各自的最终几何形状具有基部46和顶部48，其中基部46宽于顶部48，以使凹槽44各自包括内曲形(re-entrantshaped)的凹槽44。例如,如图3所指示,所述方法进一步地包括形成连接到凹槽44中的一个对应凹槽的基部46的一个或多个冷却通道56，以在凹槽44与一个或多个空心内部空间38之间形成流体连通。一个或多个冷却通道56通常是截面呈圆形或椭圆形的。一个或多个冷却通道56可以与对应凹槽44 (如图3所示)的基部46垂直，或者，大体来说，可以相对于凹槽44的基部46成范围在20度至90度的角度而来形成。尽管凹槽44在本文中被描述为内曲形的凹槽，但是制造开放式的凹槽44也是本文所预期的。母模工具66的所得总体表面几何形状74是加工表面68与精密金属插件70的组合，并且指示陶瓷芯件52最终形状。
[0065]现在参照图6，接着通过母模工具66、并且更具体地通过母模工具67和69铸造多个柔性模具80。柔性模具80将使每个母模工具66各自所得表面几何形状74能够进行复制，并且更为具体地说，使得母模工具67和69各自的精密金属插件70、加工表面68能够进行复制。
[0066]如图1最佳所示，固化之后，移除母模工具67和69以使柔性模具80露出。柔性模具80相对彼此进行定位并且对准，从而在其之间限定空腔82。空腔82指示陶瓷芯件52的形状。在实施方案中，对准插件84用于所形成的对准特征72，从而帮助使柔性模具80的每个半部彼此正确对准。
[0067]现在参照图8，在使柔性模具80的两个半部对准之后，将空腔82填充有陶瓷铸造材料86。固化(curing)之后，移除柔性模具80以使陶瓷芯件52露出，所述陶瓷芯件包括精密特征，所述紧密特征将会形成一个或多个冷却通道41和一个或多个表面凹槽44，从而最终形成一个或多个表面冷却通道40。
[0068]除了制造陶瓷芯件52之外，陶瓷铸造容器56进一步地包括陶瓷壳体54。因此，接着，铸造呈至少两个区段62和64的陶瓷壳体54，所述至少两个区段可联接在一起并与陶瓷芯件52组合，从而能够制造包括一个或多个表面凹槽44的部件30。如前所述，在制造如图2所不翼片30的翼片的优选实施方案中，壳体区段62和64基于陶瓷壳体54的数字模型50 (图3和5)制造。在优选实施方案中，将数字模型50、更具体地说是陶瓷铸造容器56划分成吸入侧和压力侧。承认的是，本文对用于分割陶瓷铸造容器56的替代位置是预期的，并且所述替代位置是取决于设计参数，该设计参数包括形状以及在一些零件可能要求两个以上壳体区段情况下的制造容易程度。
[0069]现在参照图9和11，母模工具各自针对包括陶瓷铸造容器56的陶瓷壳体54的壳体区段62和64进行制造。更为具体地说，如图所示，第一母模工具90和第二母模工具92通过与上文针对芯段60所描述的大体相同的方式用于制造每个壳体区段62和64。图9示出壳体区段62的外侧94的第一母模工具90，所述第一母模工具用于对外侧94的柔性模具进行后续铸造。图11示出壳体区段62的内侧96的第二母模工具92，所述第二母模工具用于对内侧96的柔性模具进行后续铸造。尽管并未示出，但是可以通过相同方式制造另外母模工具以供用于壳体区段64，从而能够同时描述壳体区段64的内侧和外侧。在实施方案中，母模工具90和92是由软金属材料或金属合金形成，如铝。如前详细描述，在其中要求精确工具加工的实例中，类似于图3至8所示精密金属插件70的精密金属插件(未示出)可以插入母模工具90和92之中。另外，在实施方案中，相配合的对准特征98可以包括在每个母模工具90和92中，以便在后续柔性模具制造步骤中使得母模工具90和92对准。
[0070]接着，针对每个母模工具90和92来制造柔性模具。更为确切地说，如图10和12所示，柔性模具100通过母模工具90形成，并且柔性模具102通过母模工具92形成。柔性模具100和102大体上通过上文关于芯段60的柔性模具80描述的方式形成。另外，通过相同方式制造另外柔性模具以供用于壳体区段64，这种方式能够同时描述壳体区段64的内侧和外侧。
[0071]接着，如图13最佳所示，针对壳体区段62制造出的柔性模具100和102经定位并且对准后在其之间限定空腔82。在所示实施方案中，空腔104指示最终陶瓷壳体54形状的一部分。对准插件106可以用于所形成的对准特征98，以便帮助使柔性模具100和102的每个半部彼此正确对准。在使柔性模具100和102的两个半部对准之后，将空腔104填充有陶瓷铸造材料108。固化之后，移除柔性模具100和102以使陶瓷铸造容器56的一部分，特别的是陶瓷壳体54的一个半部露出。重复进行过程，以便制造所述陶瓷铸造容器56的陶瓷壳体54的另一半部。
[0072]现在参照图14，接着，通过在两个陶瓷壳体54内组装陶瓷芯件52形成陶瓷铸造容器56，并且由此限定组件30的完整模具。陶瓷铸造容器56其中限定有多个空腔112。在实施方案中，至少两个壳体区段62和64中可以存在定位特征，并且因此所得两个陶瓷壳体54中可以存在定位特征，以便对齐并且通过一个或多个芯段60的顶部开口位置插入，并且因此所得陶瓷芯件52。这些定位特征允许“锁定”芯件以及外壳两者，由此保持表面通道打开，并且保持熔融金属在陶瓷芯件52与陶瓷外壳54之间桥接形成网络。
[0073]陶瓷铸造容器56随后使用本领域中众所周知的过程来将熔融金属110收纳到陶瓷铸造容器56中、并且更具体地说是收纳到其中所涉空腔112中，以便形成包括多个表面凹槽44的铸造燃气涡轮机叶片30。在优选实施方案中，如梅尔韦林.R.杰克逊(MelvinR.Jackson)等人的美国专利第5, 626, 462号“双壁翼片(Double-wall airfoil)”中所讨论，熔融金属110可以包括任何合适金属材料，上述专利通过以其全文并入本文。根据部件30所期望的应用，这可包括镍基(N1-base)、钴基(Co-base)和铁基超级合金(Fe_basesuperalloys).镍基超级合金可为那些包含Y和Y’相的材料，尤其是那些含有Y和Y’相的镍基超级合金，其中Y’相占据所述超级合金总量的至少40%。由于此类合金同时具有包括高温强度和高温抗蠕变性在内的各种理想特性，因此是有利的。金属材料110还可包括铌铝金属间合金，因为众所周知，这些合金具有包括高温强度和高温抗蠕变性在内的多种优良特性，这使此类合金在用于飞机的涡轮发动机应用中是有利的。在使用铌基合金情况下，将会优选具有优良抗氧化性的经涂布(coated)的铌基合金，尤其包括Nb- (27-40)T1-(4.5-10.5) Al-(4.5-7.9) Cr-(1.5-5.5)Hf-(0-6) V 的那些合金，其中组分范围以原子百分比表示。金属材料还可包括铌基合金，所述铌基合金包含至少一个次生相，例如，包括硅化物、碳化物或硼化物的含铌金属间化合物。此类合金是具有塑性相(即，铌基合金)和强化相(即，含铌金属间化合物)的复合物。对于其他布置，金属材料包括钥基合金，如具有带有Mo5SiB2和/或Mo3第二相的钥基合金(固溶体)。对于其他配置，金属材料包括陶瓷基复合物(CMC)，如用SiC纤维强化的碳化硅(SiC)基材。对于其他配置，金属材料包括钛铝基金属间化合物。
[0074]接着，移除所述陶瓷铸造容器56以使部件30露出，该部件30具有所述内部通路38、与所述内部通路38流体连通的所述一个或多个冷却通道41以及与所述一个或多个冷却通道41流体连通的所述一个或多个表面凹槽44,所述部件的一部分如图15所示。例如，如图15所指示，所述方法进一步包括将涂层42设置在部件30的基底32的表面34的至少一部分上。更为具体地说，在实施方案中，将涂层42沉积在基底32的表面34的至少一部分上，直接位于一个或多个凹槽44中的一个开放凹槽上方。本文所用术语“开放”是指凹槽44为空，S卩，这些凹槽并未填充牺牲性填充物。例如，如图15所示，凹槽44与涂层42限定多个内曲形的通道40以供冷却部件30。基底32和涂层42还可以进一步地限定多个薄膜出孔(未示出)。美国专利第5，640，767号和美国专利第5，626，462号中提供实例涂层42，上述专利通过引用以其全部内容并入本文。如美国专利第5，626，426，号中所讨论，涂层42粘接到基底32的表面34的部分上。
[0075]有益地是，通过形成内曲形的凹槽44，则不必再使用牺牲性填充物(未示出)来将涂层42涂覆到基底32上。这就无需一种填充过程并且无需较困难的移除过程。通过形成带有狭窄开口 48 (顶部)，例如带有宽度范围在约10至12毫米的开口 48的内曲形的凹槽，开口 48可以通过涂层42进行桥接而不使用牺牲性填充物，因此，无需超出之前针对常规通道形成技术所描述的不需要的后加工步骤的另外过程步骤(填充以及浸出)。对于图15所示实例配置，涂层42完全桥接对应凹槽44，以使涂层42密封对应表面冷却通道40。另外，在实施方案中，可以限定至少一个冷却剂排出口 45穿过涂层42。
[0076]现在参照图16，其中示出根据本文所示或所述一个或多个实施例方案的描绘一种制造包括表面冷却通道40的部件30的方法150的一个实现方式的流程图。所述方法150包括在步骤152中通过提供限定所述部件30的所需陶瓷铸造容器的模型来铸造部件30，使其最终包括一个或多个表面冷却通道40。所述模型包括所述内部通路、与所述内部通路流体连通的一个或多个冷却通道以及与所述一个或多个冷却通道流体连通的一个或多个表面凹槽。接着，在步骤154中，将模型数字地划分成多个区段，其中包括芯段以及多个壳体区段。在步骤156处，将所述多个区段各自转移到金属母模工具。所述多个区段可以包括多个精密金属插件，用以限定包括所述内部通路、所述一个或多个冷却通道、所述一个或多个表面凹槽以及一个或多个对准特征的所述部件的所述几何形状。接着，在步骤158中，使得母模工具对准，以便通过每个金属母模工具铸造柔性模具。固化柔性模具之后，移除母模工具以使柔性模具露出，所述柔性磨具随后进行对准并且用于通过对应柔性模具在步骤160中铸造陶瓷芯件并且在步骤162中铸造陶瓷壳体。接着，在步骤164处，通过在所述陶瓷壳体区段内组装所述陶瓷芯件形成陶瓷铸造容器，其中所述组装可以包括使用一个或多个对准特征。随后，在步骤166处，金属基底材料经铸造成所述陶瓷铸造容器。冷却之后，在步骤168处，移除所述陶瓷铸造容器以使具有所述内部通路、与所述内部通路流体连通的所述一个或多个冷却通道以及与所述一个或多个冷却通道流体连通的所述一个或多个表面凹槽的部件露出。
[0077]尽管所公开的方法仅仅结合有限数量的实施方案来进行详细描述，但应易于理解，所公开的方法并不限于此类所公开的实施方案。相反，所述方法可经修改以并入在此之前并未描述但与本发明的精神和范围相符的任何数量的变化、更改、替换或者等效布置。另夕卜，尽管已经对所述方法的各种实施方案进行描述，但将理解，所述方法的方面可仅仅包括所述实施方案中的一些实施方案。因此，所公开的方法不应视为受到前述描述限制，而仅受到所附权利要求书的范围限制。
【权利要求】
1.一种铸造包括一个或多个表面冷却通道的部件的方法，所述方法包括: 通过一个或多个芯段的柔性模具铸造陶瓷芯件； 通过至少两个壳体区段的对应柔性模具分至少两段铸造陶瓷壳体； 通过在所述陶瓷壳体区段内组装所述陶瓷芯件形成陶瓷铸造容器； 将金属基底材料铸造到所述陶瓷铸造容器中；以及 移除所述陶瓷铸造容器，使所述部件露出，所述部件其中设有内部通路、与所述内部通路流体连通的一个或多个冷却通道以及与所述一个或多个冷却通道流体连通的一个或多个表面凹槽。
2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括: 提供所需陶瓷铸造容器的模型，所述陶瓷铸造容器限定所述部件的几何形状并且包括所述内部通路、与所述内部通路流体连通的所述一个或多个冷却通道以及与所述一个或多个冷却通道流体连通的所述一个或多个表面凹槽； 以数字方式将所述模型划分成多个区段，其中所述多个区段限定芯段、第一壳体区段以及第二壳体区段； 将所述多个区段中的每个区段转移到母模工具中，其中所述多个区段包括一个或多个精密金属插件，用以限定包括所述内部通路、所述一个或多个冷却通道以及所述一个或多个表面凹槽的所述部件的所述几何形状；以及通过每个母模工具铸造所述柔性模具。
3.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括将涂层设置在所述基底的表面的至少一部分上，其中所述一个或多个`冷却通道、所述一个或多个表面凹槽以及所述涂层限定用于冷却所述部件的所述一个或多个表面冷却通道。
4.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括限定穿过所述涂层的至少一个冷却剂排出口。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个表面凹槽是内曲形的凹槽。
6.一种铸造包括一个或多个表面冷却通道的部件的方法，所述方法包括: 提供所需陶瓷铸造容器的模型，所述陶瓷铸造容器限定所述部件的几何形状并且包括内部通路、与所述内部通路流体连通的一个或多个冷却通道以及与所述一个或多个冷却通道流体连通的一个或多个表面凹槽； 以数字方式将所述模型划分成多个区段； 将所述多个区段中的每个区段转移到母模工具中，其中所述多个区段包括一个或多个精密金属插件，用以限定包括所述内部通路、所述一个或多个冷却通道、所述一个或多个表面凹槽以及一个或多个对准特征的所述部件的所述几何形状； 通过每个母模工具铸造柔性模具； 通过对应柔性模具铸造陶瓷芯件； 通过对应柔性模具分至少两段铸造陶瓷壳体； 通过在所述陶瓷壳体区段内组装所述陶瓷芯件来形成所述陶瓷铸造容器； 将金属铸造到所述陶瓷铸造容器中；以及 移除所述陶瓷铸造容器，使具有所述内部通路、与所述内部通路流体连通的所述一个或多个冷却通道以及与所述一个或多个冷却通道流体连通的所述一个或多个表面凹槽的所述部件的基底露出。
7.根据权利要求6所述的方法，其进一步包括将涂层设置在所述基底的表面的至少一部分上，其中所述一个或多个表面凹槽和所述涂层限定用于冷却所述部件的所述一个或多个表面冷却通道。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述涂层完全桥接对应一个或多个表面凹槽，使所述涂层密封对应的一个或多个表面冷却通道。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述一个或多个表面凹槽是内曲形的凹槽。
10.根据权利要求6所述的方法，其中所述母模工具由金属材料形成。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述金属材料是铝。
12.根据权利要求6所述的方法，其中所述多个区段限定一个或多个芯段和至少两个壳体区段。
13.根据权利要求6所述的方法，其中所述精密插件由金属材料形成。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述金属材料是经过蚀刻的铜。
15.根据权利要求6所述的方法，其中所述一个或多个精密金属插件进一步限定一个或多个对准特征，并且其中通过在所述陶瓷壳体内组装所述陶瓷芯件来形成所述陶瓷铸造容器进一步包括使用所述一个或多个对准特征。
16.一种铸造包括一个或多个表面冷却通道的部件的方法，所述方法包括: 提供所需陶瓷铸造容器的模型，所述陶瓷铸造容器限定所述部件的几何形状，并且包括内部通路、与所述内部通路流`体连通的一个或多个冷却通道以及与所述一个或多个冷却通道流体连通的一个或多个表面凹槽； 以数字方式将所述模型划分成多个区段，其中所述多个区段限定一个或多个芯段和至少两个壳体区段； 将所述多个区段中的每个区段转移到母模工具中，并且将一个或多个精密金属插件设置在所述多个区段中的一个或多个区段中，用以限定包括所述内部通路、所述一个或多个冷却通道、所述一个或多个表面凹槽以及一个或多个对准特征的所述部件的所述几何形状； 通过每个母模工具铸造柔性模具； 组装对应柔性模具以在两者之间限定空腔； 通过对应柔性模具铸造陶瓷芯件； 通过对应柔性模具分至少两段铸造陶瓷壳体； 通过使用所述一个或多个对准特征在所述陶瓷壳体区段内组装所述陶瓷芯件来形成所述陶瓷铸造容器； 将金属铸造到所述陶瓷铸造容器中； 移除所述陶瓷铸造容器，使具有所述内部通路、与所述内部通路流体连通的所述一个或多个冷却通道以及与所述一个或多个冷却通道流体连通的所述一个或多个表面凹槽的所述部件的基底露出；以及 将涂层设置在所述基底的表面的至少一部分上，其中所述一个或多个表面凹槽和所述涂层限定用于冷却所述部件的所述一个或多个表面冷却通道。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述涂层完全桥接对应一个或多个表面凹槽，使所述涂层密封对应的一个或多个表面冷却通道。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述一个或多个表面凹槽是内曲形的凹槽。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述母模工具中的每个母模工具均由铝形成。
20.根据权利要求16所述的方法，其中所述精密插件由经过蚀刻的铜形成。
【文档编号】B22C9/08GK103722128SQ201310473131
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年10月11日 优先权日:2012年10月12日
【发明者】R.S.班克 申请人:通用电气公司