用于陶瓷型芯的工具和制造方法与流程

1.技术领域

本发明涉及制造改进的陶瓷型芯(advancedceramiccore)和用于制造陶瓷型芯的基础工具。

2.相关技术描述

在燃气涡轮发动机中，从压缩机部分排出的压缩空气和从燃料源引入的燃料混合在一起并在燃烧部分中燃烧，从而产生限定高温工作气体的燃烧产物。工作气体被引导通过发动机的涡轮部分中的热气路径，在所述热气路径中，工作气体膨胀以使涡轮转子旋转。涡轮转子可以连接至发电机，其中，涡轮转子的旋转可以用于在发电机中发电。

鉴于现代发动机中实现的高压比和高发动机点火温度，某些部件——例如翼型件，例如涡轮部分内的固定叶片和旋转叶片——必须用冷却流体——例如从压缩机部分中的压缩机排出的空气——冷却来防止部件过热。

涡轮翼型件的有效冷却需要将相对较冷的空气输送到关键区域，例如沿着涡轮叶片或固定叶片的后缘。相关联的冷却孔例如可以在翼型件内的上游压力相对较高的腔与涡轮叶片的外表面中的一者之间延伸。叶片腔通常相对于机器的转子和定子沿径向方向延伸。

翼型件通常包括内部冷却通道，其从压力侧壁和吸力侧壁除去热量以最小化热应力。为了最小化从压缩机转移的用于冷却的冷却剂空气的量，基于传热率实现高冷却效率是重要的设计考虑因素。然而，燃气涡轮翼型件的相对较窄的后缘部分可以包括例如高达总的翼型件外部表面面积的大约三分之一。为了气动效率，后缘做得相对较薄。因此，随着后缘在彼此相对靠近的两个相对的壁表面上接收热量输入，需要相对较高的冷却剂流量以提供必要的传热率用以保持机械完整性。

制造用于熔模铸造的陶瓷型芯以生产这些叶片和轮叶的当前方法涉及提供基础工具。目前，生产基础工具的系统包括铝块的多轴加工，以限定工具块一侧的阳型表面几何形状。在需要非共形特征的区域中，通常将镶块应用于工具表面以限定改进的工具表面几何形状。由于非共形特征，这些特征是不可加工的。使用粘合的光化学蚀刻铜箔以制成三维表面或电火花加工(edm)机加工的镶块来制造这种镶块。

从基础工具表面或整体工具表面产生柔性模具衬垫，其成为制造用于熔模铸造的改进陶瓷型芯的铸造容器。可以使用中空的陶瓷型芯来铸造金属合金部件。当在外铸造壳体内铸造部件时，陶瓷型芯限定开放容积的形状。

随着后缘变得更进一步改进和基于精细特征，由于越来越多的小特征部，成本问题变得更加严重。当需要进行改变时，需要以高成本制造全新的型芯和基础工具。这种制造方式不可能变型。这种制造方式也不可能快速改变。

技术实现要素：

在本发明的一个方面中，一种用于陶瓷型芯的工具组件包括：背板，该背板包括顶表面、侧表面和底表面；多个光刻衍生镶块，每个光刻衍生镶块包括底表面、侧表面和阳型顶表面，其中，所述多个光刻衍生镶块在背板的顶表面上拼接在一起；第二背板，该第二背板包括顶表面、侧表面和底表面；以及多个第二光刻衍生镶块，所述多个第二光刻衍生镶块各自包括底表面、侧表面和阳型顶表面，其中，所述多个光刻衍生镶块在第二背板的顶表面上拼接在一起。

在本发明的另一方面中，一种制造用于陶瓷型芯的工具组件的方法包括：提供多个光刻衍生镶块和多个第二光刻衍生镶块，所述多个光刻衍生镶块和多个第二光刻衍生镶块各自包括底表面、侧表面和阳型顶表面；提供背板和第二背板，所述背板和第二背板各自包括顶表面、侧表面和底表面，背板和第二背板被提供为定位表面；通过拼接在一起并放置在背板上的所述多个光刻衍生镶块产生非共形的阳型表面；通过拼接在一起并放置在第二背板上的所述多个第二光刻衍生镶块产生非共形的阳型表面；通过所述多个光刻衍生镶块的非共形的阳型表面形成第一阴型柔性模具；通过所述多个第二光刻衍生镶块的非共形的阳型表面形成第二阴型柔性压铸模具；以及制备用于铸造改进的陶瓷型芯的阴型柔性模具。

参照以下附图、描述和权利要求，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点。

附图说明

借助附图更详细地示出了本发明。附图示出了优选的构造并且不限制本发明的范围。

图1是本发明的示例性实施方式的光刻衍生镶块(lithographicallyderivedinsert)的立体图；

图2是本发明的示例性实施方式中的具有光刻衍生镶块的基础工具组件的一部分的示意性立体图；以及

图3是本发明的示例性实施方式中的基础工具组件的示意性侧视图。

具体实施方式

在以下对优选实施方式的详细描述中，参照了附图。附图形成详细描述的一部分，并且通过说明而非限制的方式示出了可以实施本发明的具体实施方式。应该理解的是，可以使用其他实施方式，并且在不背离本发明的主旨和范围的情况下可以进行改变。

广义上，本发明提供了一种制造工具组件的方法和用于陶瓷型芯的工具组件。工具组件包括背板，该背板包括顶表面和在背板的顶表面上拼接在一起的多个光刻衍生镶块。该方法包括提供背板和多个光刻衍生镶块。基于所述多个光刻衍生镶块产生非共形的阳型表面(non-conformalpositivesurface)。由非共形的阳型表面形成阴型柔性模具(negativeflexiblemold)。然后制备用于铸造改进的陶瓷型芯的阴型柔性模具。

在电力工业中，需要燃气涡轮发动机来提供运动以在发电机中发电。在燃气涡轮发动机中，从压缩机部分排出的压缩空气和从燃料源引入的燃料混合在一起并在燃烧部分中燃烧，从而产生限定高温工作气体的燃烧产物。工作气体被引导通过发动机的涡轮部分中的热气路径，在热气路径中，工作气体膨胀以使涡轮转子旋转。涡轮转子可以连接至发电机，其中，涡轮转子的旋转可以用于在发电机中发电。

现代发动机和某些部件，例如翼型件，例如涡轮部分内的固定叶片和旋转叶片实现了高压比和高发动机点火温度。随着进步，部件的温度越来越高，并且需要越来越昂贵的材料来生产这些部件。

随着涡轮叶片上的后缘变得更进一步改进且基于精细特征，这些翼型件的制造和所涉及的成本变得更加重要。改变制造方法的能力允许降低成本并节省时间。部件通常由陶瓷型芯制成。出于本申请的目的，对陶瓷材料的任何提及也可以是以类似方式起作用的任何其他材料。此外，对涡轮和电力工业的提及也可以用于可能需要由铸造工艺制成的型芯的其他工艺和产品。生产叶片可能首先需要生产模具。模具通过基础工具表面制成。

需要一种允许快速低成本的基础工具和工具组件中的多种变型的制造工艺。本发明的实施方式提供一种可以允许降低制造基础工具组件的成本的制造方法和基础工具组件本身。下面使用涡轮叶片和翼型件作为方法和工具组件的示例；然而，该方法和工具组件可用于任何需要沿着用于铸造目的的型芯的精细特征部的部件。涡轮叶片可以是发电行业内的。

下面提到的方法和工具组件可以与以待产生的部件的3d计算机模型开始的过程相结合。基于模型产生固体表面，基于固体表面可以产生柔性模具，使用柔性模具与第二配合柔性模具来形成模腔。该柔性模具由机加工的基础工具产生，该基础工具大致相当于待产生的型芯的表面几何结构的百分之五十。通过这样的工具，可以产生柔性压铸模具。为了形成模腔，可以将基础工具的产生第二柔性压铸模具的后半部分与第一柔性压铸模具结合以形成模腔。通过这样的模腔，可以施加可固化的浆料以产生三维部件模式。这种模式的示例可以是用于熔模铸造的陶瓷型芯。

在某些实施方式中，例如用于熔模铸造的陶瓷型芯，构造的材料可以具体选择为与铸造和烧制工艺配合以提供克服现有技术型芯的已知问题的型芯。本发明的实施方式的材料和工艺可以产生适用于常规金属合金铸造工艺的陶瓷体。

如图1至图3所示，可以制造具有背板12和多个光刻衍生镶块14的基础工具组件10。由计算机数控(cnc)机器制造的精密机加工表面被多个光刻衍生镶块14和背板12替代。单步机加工表面，即背板12，可以用作拼接在一起以限定基础工具表面22的所述多个光刻衍生镶块14的定位表面。这种特征可以包括、但不限于简单的机械互锁特征和/或对准定位特征。另外，镶块也可以用双面粘合化合物粘合(reversiblebondingcompound)。背板12可以是单步机加工表面。背板12可以包括顶表面20、侧表面18和底表面16。

所述多个光刻衍生镶块14可以通过立体光刻设备制造，该设备将液态塑料转化为固态物体。这种技术可以用于形成不能通过传统加工方法生产的表面特征。这种技术还可以用于产生高清晰度应用所需的精确表面公差。

所述多个光刻衍生镶块14中的每一者可以包括底表面24、侧表面26和阳型顶表面(positivetopsurface)28，其可成为基础工具表面22。阳型顶表面28可以是非共形的。所述多个光刻衍生镶块14可以在背板12的整个顶表面20上延展。在某些实施方式中，所述多个光刻衍生镶块14可以包括不同的数量。在某些实施方式中，所述多个光刻衍生镶块12包括三到八个镶块。所述多个光刻衍生镶块14的数量可以取决于表面几何形状的复杂性和所要求的柔性程度。

制造用于陶瓷型芯的基础工具组件10的方法可以包括提供多个光刻衍生镶块14。背板12可以被提供为用于所述多个光刻衍生镶块14的定位表面。所述多个光刻衍生镶块14可以拼接在一起并布置在背板12上。通过拼接在一起的所述多个光刻衍生镶块14产生非共形的阳型表面。将多个光刻衍生镶块14拼接在一起或组合的示例可以涉及但不限于：1)互锁到背板12中，2)精密薄层粘合，以及3)真空辅助表面接触。精密薄层粘合可以用双面的薄层粘合介质完成。背板12可以包括位于板顶部20的抽吸口。一旦所述多个光刻衍生镶块14沿着背板12设置就位，则可以完成基础工具组件10的一部分。

所述多个光刻衍生镶块14和背板12可以形成基础工具的第一半部分32。基础工具的第二半部分34可以由多个第二光刻衍生镶块14和第二背板38形成。第二背板38可以包括顶表面20、侧表面18和底表面16。基础工具的第二半部分34可以与基础工具的第一半部分32结合以形成模腔。基础工具的第一半部分32和第二半部分34的组合提供了基础工具组件10。可以分别通过所述多个光刻衍生镶块14和多个第二光刻衍生镶块36的非共形的阳型表面形成两个阴型柔性压铸模具(transfermold)。然后可以将阴型柔性压铸模具组合以产生模腔，可以将浆料引入该模腔中并固化以形成陶瓷生坯(陶瓷型芯)。改进的陶瓷型芯可以用于改进的涡轮叶片的熔模铸造。除了所述多个第二光刻衍生镶块36可以具有不同的非共形阳型表面之外，所述多个第二光刻衍生镶块36和第二背板38具有与所述多个光刻衍生镶块14和背板12相同的特性。所述多个第二光刻衍生镶块36中的每一者可以包括底表面24、侧表面26和阳型顶表面28，其可以成为基础工具表面22。

如上所述，背表面可以是单步机加工表面。所述多个光刻衍生镶块14和多个第二光刻衍生镶块36中的每一者可以互换为用于微小变化的其他光刻衍生镶块14、36。在需要进行快速迭代和成型的应用中，具有可互换的多个光刻衍生镶块14和多个第二光刻衍生镶块36的这种方法允许快速调整。易于调整的工具组件允许降低制造成本并减少所需变化之间的时间。图1示出了用于涡轮部件的所述多个光刻衍生镶块14的改进的精细特征30的示例。

尽管已经详细描述了具体实施方式，但是本领域普通技术人员将认识到，根据本公开的总体教示可以开发针对这些细节的各种改型和替代方案。因此，所公开的特定布置仅意在说明而不是限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求的全部范围以及其任何和所有等同物给出。