使用气膜孔突起用于整体壁厚控制的涡轮机叶片熔模铸造的制作方法

本发明涉及在具有气膜冷却通道的中空部分的熔模铸造期间的壁厚控制。

背景技术：

熔模铸造可以用于生产具有内部冷却通道的中空部分。在熔模铸造过程期间，蜡被注射进入蜡腔体以在芯部和蜡模具之间形成蜡图案。移除蜡模具，将芯部和蜡图案浸入陶瓷浆以在蜡图案周围形成陶瓷壳体。将蜡图案热移除，留下模具腔体。熔化的金属在陶瓷芯部和陶瓷壳体之间铸造，所述陶瓷芯部和陶瓷壳体随后被移除以显露出完成的部分。

在陶瓷芯部和蜡模具之间的任何移动可能产生扭曲的蜡图案。由于陶瓷壳体在蜡图案周围形成，陶瓷壳体形成用于最终部分的模具腔体，这一相对移动可能产生不可接受的部分。相似地，当铸造翼型件自身时，在陶瓷芯部和陶瓷壳体之间的任何移动可能产生不可接受的部分。特别地，形成在完成部分的壁中的冷却通道要求由模具腔体形成的壁满足严格的制造公差。当燃气涡轮发动机技术进步时，也需要更复杂的冷却体系。这些复杂的冷却体系可以生产从相对小到相对大的尺寸范围的通道，因此制造公差在部件的设计中变得更加重要。

在操控和多个铸造操作期间，两个分立的部分必须保持处于单个位置关系的熔模铸造过程的本质使得保持公差是困难的。此外，陶瓷芯部自身相比于蜡模具和陶瓷壳体是相对长和薄的。因此，当加热时，陶瓷芯部会从其原始预期的形状扭曲。相似地，陶瓷芯部可能不会完全以与蜡模具和/或陶瓷壳体同样的方式在所有的尺度膨胀。此相对移动也可能改变模具腔体并使最终的部分不可接受。

为了克服此相对位移，Caccavale等人的美国专利号5296308描述了在陶瓷芯部上具有缓冲器的陶瓷芯部，所述缓冲器在蜡图案浇注期间接触或几乎接触蜡模具。这控制了陶瓷芯部和蜡模具之间的间隙，相似地控制了陶瓷芯部和陶瓷壳体之间的间隙。对间隙的控制最小化陶瓷芯部和陶瓷壳体之间的位移，这提高了对翼型件壁厚的控制。缓冲器被定位在关键应力区域以阻碍扭曲。最终部分在内部冷却通道和翼型件表面之间可能有定位缓冲器的孔，所述孔允许冷却流体从内部冷却通道泄漏。

附图说明

本发明基于附图在下文的描述中说明，附图示出：

图1示出了具有气膜冷却布置的叶片的压力侧。

图2示出了图1所示叶片的吸力侧。

图3示出了用来形成图1所示叶片的芯部的压力侧。

图4示出了用来形成图1所示叶片的芯部的吸力侧。

图5示出了图3所示芯部的叶尖的特写。

图6示出了图3所示芯部的特写。

图7示出了图5的气膜孔突起的特写。

图8-14示出了描述铸造过程的横截面。

具体实施方式

本发明者发明了创新性的陶瓷芯部，所述创新性的陶瓷芯部将允许壁厚控制，而没有与现有技术相关的不期望的冷却空气泄漏。特别地，本文公开的芯部以传统的方式形成典型的迂回冷却通道，但进一步包括从传统芯部延伸的气膜孔突起。气膜孔突起被构造以将陶瓷芯部与蜡模具和陶瓷壳体保持处于固定位置关系的方式邻靠蜡模具的内部表面，于是邻靠陶瓷壳体的内部表面。每个气膜孔突起将会在随后的铸造翼型件中产生相应孔。然而，不同于相关联的孔被最小化或全部被避免以最小化冷却空气泄漏的现有技术，与此处公开的气膜孔突起相关联的孔却被设定尺寸并成形以成为气膜冷却孔，并被定位以成为在气膜冷却布置中的气膜冷却孔的图案的部分（如果不是全部）。通过这样的方式将气膜孔突起设定尺寸、成形和定位，就不会有不期望的冷却流体损失。相反地，产生的孔和流动通过其的相关联的冷却流体创新性地用作气膜冷却布置的部分。

图1示出了用于燃气涡轮发动机（未示出）的具有翼型件12的叶片10，所述翼型件具有叶根14、叶尖16、前缘18、后缘20、压力侧22和吸力侧24。气膜冷却布置30可以具有气膜冷却孔34的多个组32。每个组32可以形成其自己的图案，例如在此示例实施例中可见的排36。然而，其他图案是可以想象的，并且被认为在本公开的范围内。这些气膜冷却孔34中的每个被构造以喷射冷却流体的独立流，例如空气。独立流互相合并且沿着翼型件的表面38在热气体和翼型件表面38之间流动，从而保护翼型件表面38以防热气体。气膜冷却孔34的出口40可以被成形以加强表面覆盖范围。所述形状可以包括扩散器的形状，所述扩散器使从气膜冷却孔34逸出的空气减速。在一个示例实施例中，所述形状可以采用本领域技术人员已知的10-10-10构造。图2示出了翼型件12的吸力侧24。

图3示出了可以由陶瓷制成的芯部50的示例实施例。芯部50从芯部50的压力侧62包括芯部叶根52、芯部叶尖54、芯部前缘56、芯部后缘58和芯部通道结构60。在叶片10中，芯部通道结构60形成运送冷却流体通过部件的内部通道（未示出）。多个气膜孔突起64从芯部通道结构60延伸。可以看出，多个气膜孔突起64被定位以与图1和2中的气膜冷却孔34一致。特别地，位于芯部叶尖54的气膜孔突起64被定位从而其形成气膜冷却孔34，所述气膜冷却孔成为平行于图1中的翼型件12的叶尖16布置的图案/排36的部分。在此示例实施例中，相比于位于叶尖16的气膜冷却孔34，位于芯部叶尖54的气膜孔突起64更少。在此示例实施例中，不由气膜孔突起64形成的在叶尖16处的其余所需气膜冷却孔34将需要通过第二机加工操作形成。在替代示例实施例中，可以有与所需一样多的气膜孔突起64，以在叶尖16处形成排36中的所有气膜冷却孔34。相似地，在整个翼型件12上，相比于气膜冷却孔34，有更少的气膜孔突起64，这将要求随后的机加工以产生其余所需气膜冷却孔34，或者可以有与整个翼型件12上有的气膜冷却孔34一样多的气膜孔突起64。在图3所示的示例实施例中，气膜孔突起64的位置被选择为与期望的气膜冷却孔位置和将在蜡模具内帮助保持芯部50形状的位置这两者一致。

图4示出了图3中的芯部50的吸力侧66，以及从芯部通道结构60延伸的更多气膜孔突起64。气膜孔突起64可以从压力侧62、吸力侧66、芯部叶根52和芯部叶尖54中的任一个或所有延伸：在任何需要气膜冷却孔的地方。相似地，气膜孔突起64不需要形成气膜冷却孔，但是可以形成，例如柄式冲击冷却孔（shank impingement cooling hole）。气膜孔突起64可以定位在任何存在用于冷却叶片10表面的布置的位置。

图5示出了从芯部通道结构60延伸并接触蜡模具68的气膜孔突起64的特写。每个气膜孔突起64由具有端部面72的本体70形成，所述端部面相对于本体70可以被扩大。本体70和端部面72可以被成形以形成具有成形出口40的气膜冷却孔34。示例的成形出口40可以包括本领域技术人员已知的10-10-10构造。图6示出了从接近翼型件的叶根14的芯部通道结构60中的一个延伸的气膜孔突起64和从叶根14和叶尖16之间大约半路延伸的气膜孔突起64的特写。然而，可以选择气膜冷却孔34将要形成的任何位置。

如图8中所见，气膜孔突起64可以从芯部50的表面74延伸，从而在芯部50外侧的本体70的延伸轴线76与芯部表面74形成锐角。结果是从芯部50的芯部表面74延伸的本体70相对于芯部表面74悬臂。换句话说，端部面72沿着芯部表面74相对于本体70接触芯部50的地方侧向偏移。

如图8中所见，端部面72支撑在蜡模具68的内部表面80上并与之齐平（即与之相符合）。随后共同地，端部面72限定与蜡模具68的内部表面80限定的轮廓相符合的轮廓，以在两者之间实现贴合配合（conforming fit）。通过与内部表面齐平地支撑，没有（或者很少）蜡可以到达端部面72和内部表面80之间。这产生了干净的冷却孔出口40，不需要通过随后的机加工消除来自于铸造过程的溢料（flashing）。

在操控和铸造操作期间，蜡模具向端部面72施加摩擦力和法向力。由于布置的悬臂本质，这绕着本体70和芯部50接触的地方产生弯矩。此悬臂布置使得本体70更加不能抵抗通过蜡模具的内部表面80施加到其上的力。由于这个原因，必须小心以防止对气膜孔突起64的损害。然而，此折中认为是可接受的，从而产生被导向以引导冷却流体的气膜冷却孔34，从而所述冷却流体与热气体一起移动，或者可替代地，所述冷却流体与热气体逆向流动。

为了抵抗此弯矩，同时仍然保持芯部50和蜡模具68之间（并随后在芯部50和陶瓷壳体之间）的位置关系，本体70和芯部50不仅必须要足够强大以抵抗破坏，而且必须被构造以允许期望量的弯曲，同时还要减轻任何不希望的弯曲。在允许一些弯曲的示例实施例中，由气膜孔突起64保持的位置关系本质上是具有可允许公差的单个固定位置关系。在示例实施例中，可优选地减少和/或消除任何弯曲。在不允许弯曲的示例实施例中，由气膜孔突起64保持的位置关系本质上是不具有可允许公差的单个固定位置关系。

还可以看出，本体70可以包括第一几何形体82（限定延伸轴线76）和更大和/或增大横截面积的第二几何形体84。第二几何形体84可以限定随后形成的气膜冷却孔34的扩散器部分。因此，由第一几何形体82和第二几何形体84限定的气膜孔突起64（即本体70在芯部表面74外部的部分），当其离芯部表面74更远时可以实际上增加横截面积。此外，图8示出了替代示例实施例，其中本体70包括延伸进入芯部10的第三几何形体86。当本体70是分立部件并被插入芯部10时，例如当芯部50是生坯本体时，此第三几何形体86可以存在。在此种示例实施例中，本体70可以是石英或者烧结或未烧结的（生坯本体）粉末冶金结构。芯部50可以与本体70烧结，所述本体安装在期望的位置以形成具有从其延伸的气膜孔突起64的烧结芯部10。

可替代地，具有第三几何形体86的本体70可以通过例如将第三几何形体86插入凹部并将本体70结合到芯部50而结合到完成的芯部。此结合可以通过本领域技术人员已知的方式完成，例如通过使用粘合剂或者锡焊、铜焊或焊接等。例如，石英本体70可以被插入在压力侧62和/或吸力侧66的凹部。如果分立本体70被组装到芯部中，分立本体70可以任选地构造以形成不同于机加工到铸件中的其他冷却孔的冷却孔34。例如，分立本体70可以更大以便于操控/组装。由扩大的分立本体70产生的相对更大的气膜冷却孔可以仅仅比其他机加工的冷却孔更大，或者可替代地，可以提供额外的功能，例如被设定尺寸以允许将灰尘从部件的内部冷却通道喷出。

尽管图8示出了从芯部50的压力侧62上的芯部表面74延伸的气膜孔突起64的横截面，另一个或者多个其它气膜孔突起64可以从芯部50的吸力侧66延伸。在此种布置中，芯部50随后可以与蜡模具68保持处于固定位置关系。这将限定芯部50和蜡模具68之间的间隙90，所述间隙90最终限定翼型件12的壁厚。气膜孔突起64具有足够的强度，从而当芯部50由于热应力试图改变其形状时可以承受由芯部50产生的力。因此，芯部50的形状被保持，且所述芯部相对于蜡模具68被保持在其合适的位置。这意味着间隙90的相应尺寸在芯部50的所有周围被保持，且这保持了蜡图案腔体92的尺寸控制。由于间隙90限定了翼型件12的壁厚，使用此构造保持更好的壁厚尺寸控制。

图9-14继续描述使用此处公开结构的熔模铸造过程。在图9中，蜡被引入蜡图案腔体92，蜡图案94在芯部50和蜡模具68之间形成。在蜡图案94的铸造期间，气膜孔突起64在芯部50和蜡模具68之间保持单个位置关系。在图10中，蜡模具68被移除，留下芯部50和周围的蜡图案94。任何可能在端部面72上存在的蜡可以在此步骤中被移除，以保证端部面72和陶瓷壳体之间的良好接触。在图11中，芯部50和蜡图案94被浸入陶瓷浆以形成陶瓷壳体96。端部面72暴露于陶瓷浆并因此与陶瓷壳体96相接，从而形成桥接芯部50和陶瓷壳体96的结构。在示例实施例中，陶瓷壳体96结合到端部面72，从而形成整体式芯部50和陶瓷壳体96的布置。在此构造中，其中芯部和陶瓷壳体两者互相结合，不仅间隙90被保持，而且端部面72沿着陶瓷壳体96的内部表面80的侧向移动也被阻止。这阻止了芯部50相对于内部表面80的移动，例如在图11中向上或向下移动，且因此在其之间保持更加严格的位置关系。

在图12中，蜡图案94从芯部50和陶瓷壳体96之间移除。这可以热完成，或者经由本领域技术人员已知的任何方式完成。这留下了芯部50、陶瓷壳体96和在其之间限定的模具腔体98，其中模具腔体98通过气膜孔突起64桥接。通过桥接此模具腔体98，气膜孔突起64继续保持芯部50与陶瓷壳体96处于单个位置关系。在图13中，熔化金属被注入模具腔体98中和气膜孔突起64周围。一旦凝固，这形成翼型件12的壁100。气膜孔突起64再次保持芯部50和陶瓷壳体96处于固定位置关系，尽管当相对热的熔化金属被浇注（或强制注入）到模具腔体98时可能产生热应力和机械应力。

在图14中，芯部50和陶瓷壳体96通过化学浸出或者本领域技术人员已知的任何其他技术移除。留下的是具有铸造翼型件12的铸造叶片10，所述铸造翼型件具有壁100，在气膜孔突起64先前定位的地方，所述壁具有铸造气膜冷却孔102，所述铸造气膜冷却孔具有成形的出口40。在此示例实施例中所示的铸造气膜冷却孔102包括本体70的第二几何形体84所布置处的扩散器104。铸造气膜冷却孔102或者通过此铸造过程形成的孔可以只构成形成气膜冷却孔34的图案（即，排）所需要的气膜冷却孔34的部分，所述气膜冷却孔的图案可以是更大的气膜冷却孔布置30的部分。完成期望图案所需要的其余气膜冷却孔34可以在铸造操作之后被机加工。换一种说法，在翼型件12中的气膜冷却孔34的图案可以包括一个或更多个铸造气膜冷却孔102以及在铸造操作之后机加工到翼型件12中的气膜冷却孔。要让此发生，气膜孔突起64的选择位置必须至少实现两个目标。第一，必须保持处于固定位置关系。第二，由气膜孔突起64的存在产生的铸造气膜冷却孔102需要被布置为自然地形成预先计划的气膜冷却孔图案的部分。

使用铸造冷却孔和随后机加工的冷却孔的组合形成图案的一个优势在于，不止一个图案和相关联的气膜冷却布置30可以由单个铸造构造制造。例如，如果确定随后的机加工冷却孔应当具有减小或增大的直径，此变化可以使用相同的芯部50适应。例如当给定的燃气涡轮发动机被升级以在更高的温度下运行从而提高效率时，可以期望增加的冷却。在此情形中，叶片保持不变，但需要更多的冷却。完成的升级叶片所需要的更多的冷却可以通过在相同的铸件中机加工不同或者更多的气膜冷却孔完成，所述相同的铸件可以在升级之前用来制造用于发动机的完成叶片。此外，如果确定需要更少的机加工气膜冷却孔，可以简单地不钻不想要的孔。因此，此处公开的布置和方法提供了增加的灵活性。

从上文可以看出，发明者发明了一种独特和创造性的定位布置，所述定位布置改进了模具腔体的尺寸控制，同时不会产生从产生的翼型件的冷却通道中泄漏空气的结构。结果是翼型件壁厚的改进尺寸控制，以及形成气膜冷却孔所需的更少随后机加工。因此，这代表了现有技术中的改进。

尽管本发明的各种实施例在此被展示和描述，清楚的是，这些实施例仅通过示例的方法提供。可以在不偏离本发明的情况下做出各种变化、改变和替换。因此，本发明旨在仅被所附权利要求的精神和范围限制。