专利名称：耐熔金属型芯壁厚的控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于涡轮发动机组件成形的铸造系统和使用在这里的耐熔金属型芯。
背景技术：
熔模铸造是一种用于制造复杂几何形状的金属部件的常见的技术，特别是中空的部件，并且用于制造超耐热合金燃气涡轮机部件。本发明将对超耐热合金铸件的制造进行描述，然而应当理解本发明并不局限于此。
熔模铸造上使用的型芯是由脆性的陶瓷材料制造而成，特别是用于制造先进的燃气涡轮发动机的硬件中的小并且复杂的冷却通道的先进的型芯。这些陶瓷型芯在制造和铸造过程中容易变形和破裂。
传统的陶瓷型芯是使用陶瓷浆料和成形模由模制工艺制造。虽然模具材料也使用塑料制品，低熔点金属，和有机化合物如尿素，但最普遍使用的还是蜡。通过使用胶态硅土粘合剂将如矾土，硅石，氧化锆和水合硅酸铝的陶瓷颗粒粘合而形成壳模。
采用陶瓷型芯的熔模铸造过程制造涡轮机叶片如下所述。具有内部冷却通道的所需的几何形状的陶瓷型芯置于金属模具中，金属模具壁围绕着型芯但通常与之隔开。模具由可用后弃置的模具材料如蜡填充。拆掉该模具同时留下埋在蜡模型中的陶瓷型芯。将模具浸渍入陶瓷浆料中，外部壳模在蜡模型的周围形成，然后粘上大的干陶瓷颗粒到浆料中。这过程称为涂浆。含有型芯的涂浆后的蜡模型然后被干燥，再重复涂浆过程以得到所需的壳模型壁的厚度。在这一点上，模型被彻底的干燥并且高温加热以去除蜡材料和加固陶瓷材料。
结果是陶瓷模和陶瓷型芯结合在一起定义出型腔。可以理解的是，型芯的外部限定出在铸造过程中形成的通道，壳模型的内部限定出所制造的超耐热合金熔铸的外部尺寸。型芯和壳模也限定了在铸造过程必需的铸造部分如浇口和冒口，但这些不是完工铸件的一部分。
在去除蜡后，熔融的超耐热合金材料浇灌到由壳模型和型芯所定义的模槽中然后凝固。然后通过机械和化学的方法的结合将壳模和型芯从超耐热合金铸件中去除。
已经进行了多种尝试来使熔模铸造中型芯具有改进的机械性能，更薄的厚度，更高的耐热冲击性和新的几何形状和特性。美国专利No.2003/0075300中公开了一种这样的试图，在这里作为参考并且结合。这些效果是通过给陶瓷型芯嵌入耐熔金属元素取得。
然而，当使用这些陶瓷型芯时，仍存在提高铸造成品率的需要。需要提出的一个特别的问题是怎样更好地保持在去壳过程在蜡模型中的型芯的位置和在铸造过程中在壳模中的型芯的位置。
从以往的观点上看，铂，石英和矾土插脚运用在熔模铸造中以支撑铸造型芯从而防止型芯移动。在去蜡和去壳实施过程中，插脚是十分有效的，但是因为铂能溶解在熔融合金中，所以铂插脚在铸造过程中不能产生有效的支撑作用。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种改进的技术，用于在去壳过程中保持陶瓷型芯在蜡模型中的位置。
本发明实现了前述目标。
根据本发明，提供了一种铸造系统，其主要包括第一型芯和与型芯相隔的蜡模型，第一端位于第一型芯的槽内和第二端与蜡模型相接触从而使第一型芯相对于蜡模型定位的耐熔金属型芯，所述耐熔金属型芯具有用于在闭合蜡模型时提供弹簧负载的装置和用于将蜡模型机械锁定到第一型芯上的装置中的至少一种装置。
本发明还涉及用于使陶瓷或耐熔金属型芯相对蜡模型保持在所需位置，同时能在铸造过程中避免型芯偏移的耐熔金属型芯。耐熔金属型芯包括由耐熔金属材料形成的型芯部分。型芯部分包含至少一个整体形成的弹簧凸部，从而能在闭合所述蜡模型时提供弹簧负载。
更进一步，本发明涉及一种用于使陶瓷或耐熔金属型芯相对蜡模型保持在所需位置的耐熔金属型芯。此耐熔型芯包括由耐熔金属材料形成的型芯部分，该型芯部分包括第一端、中间部分和以一角度定位到中间部分的第二端，以结合蜡模型中的槽。
本发明的耐熔金属型芯壁厚控制的其它细节以及其它的目标和优点将在下面的详细说明和附图中进行描述，其中类似的参考标号表示类似的元件。
图1是本发明铸造系统的第一个实施例的侧视图。
图2是采用图1铸造系统的耐熔金属型芯的俯视图。
图3是本发明铸造系统的第二个实施例的侧视图。
图4是图3实施例的俯视图。
图5是图3铸造系统中采用的耐熔金属型芯部分的透视图具体实施方式
现在参见附图，图1和图2描述了依据本发明铸造系统的第一个实施例。铸造系统包括陶瓷的或耐熔金属的型芯10，与型芯10隔开的蜡模型12和位于型芯10和蜡模型12间的耐熔金属型芯14。耐熔金属型芯14由钼，钽，铌，钨，它们的合金和它们的金属间的化合物中选出的材料形成。耐熔金属型芯14的优选材料为钼和它的合金。如果需要的话，耐熔金属型芯14可涂上保护的陶瓷涂层。耐熔金属比常规的陶瓷展延性更好，涂有的陶瓷涂层能在熔模铸造过程中的壳模着火(shell fire)步骤中保护耐熔金属，同时防止型芯14溶解在熔融金属中。
耐熔金属型芯14的第一端至少有一个接合部分16，这部分能与型芯10中的槽18相配合。如果需要的话，耐熔金属型芯14可具有许多整体形成的且相互隔开的接合部分16，这些部分能与许多在型芯10中相互隔开的槽18相配合。耐熔金属型芯14也具有与蜡模型的表面19相邻接的第二端。
耐熔金属型芯14也优选具有整体形成的弹簧凸部20，从而能在闭合蜡模型时提供弹簧负载。在优选实施例中，耐熔金属型芯14具有许多相互隔开的凸部20。凸部20优选设计成具有较高的长宽比，其中的长宽比定义公式为AR＝L/D，其中公式中的L表示凸部的长度，D表示凸部的宽度。凸部20也可能设计为锥形的或者非锥形的端从而使穿过壁突出的机会减至最少。
通过提供凸部20，使具有弹性性能和延展性能的耐熔金属型芯14能产生弹簧效果，从而能更好的保持耐熔金属型芯在蜡模型中的位置同时在去壳过程中更好的保持型芯10的位置。
现在参见图3和图4，表示的是根据本发明的铸造系统的第二个实施例。在这个实施例中，耐熔金属14’用来形成型芯/壳模连接。如图所示，型芯14’在第一端至少有一个接合部分16’，其与在陶瓷或耐热金属型芯10’中的至少一个槽18’相配合。型芯14’也具有一个平面的中间部分30和至少一个相对中间部分成一定角度的部分32。如果需要的话，型芯14’可提供许多相互隔开的末端部分或凸部32。端部32在它的终端至少与蜡模型12’中的槽34相配合。如图3所示，槽在横切面部分可能是三角形。或者，槽的横切面可选择为U形的，只要端部32的终端能大致垂直于蜡模型12’的表面19’。
从图中可看出，每个槽34都具有大致垂直于蜡模型12’的表面19’的后壁36。每个槽34也具有斜向壁38。每个端部32在其尾端与后壁36接触，并且成一定的角度从而能与斜向壁38相接触。通过提供这样的布置，能产生机械锁定。
如图5所示，如果需要的话，端部分或凸部32可至少具有一个孔，从而能机械地限制壳，并能将这部分机械地锁定到型芯上。端部32可具有任意能夹住壳的形状。这样，通过提供一种型芯/壳连接，耐熔金属型芯14’能改善型芯的支撑。
本发明的耐熔金属型芯的一个优点是其在铸造温度下的机械性能远远优于铂。在耐熔金属型芯上的涂层能在铸造循环时防止耐熔金属的溶解，从而能进行更有效的控制。而且，耐熔金属型芯的延展性能对防止型芯破裂起帮助作用。
传统陶瓷型芯的密度远远低于铸造镍超耐热合金。在铸造过程中，型芯能漂浮从而导致壁厚的变化甚至型芯产生突起(kiss out)(由于在壳中移动产生的不需要的陶瓷突起)。本发明的耐熔金属型芯的密度一般远远高于铸造超耐热合金，因此抵消浮力作用的效果比陶瓷型芯更好，这样通过减少突起和壁厚变化从而使铸造的成品率提高。更进一步，本发明的耐熔金属型芯颇具策略的置于陶瓷型芯上进而使型芯的漂浮减至最少。
通过保持铸造型芯于一个相对薄的壁内，本发明的耐熔金属型芯能够改善包括叶片的涡轮发动机的组件的冷却。耐熔金属型芯的延展性可为复杂几何形状的改进过程创造条件，也能为型芯的布置和壁厚控制创造条件。
很显然的，依照本发明的耐熔金属型芯壁厚控制能完全实现所述的目标，方法和优点。尽管已经在特定实施例的范围内对本发明进行了描述，但是通过对上述描述的阅读，其它的选择，修改和变化对那些熟悉本领域的人来说是很显然的。因此，本发明试图包含这些落在附加权利要求宽范围内的其它的选择，修改和变化。
权利要求
1.一种铸造系统，包括第一型芯和与所述第一型芯相隔的蜡模型；第一端位于所述第一型芯的槽内和第二端与所述蜡模型相接触从而使所述的第一型芯相对所述的蜡模型定位的耐熔金属型芯；所述耐熔金属型芯具有用于在闭合蜡模型时提供弹簧负载的装置和用于将蜡模型机械地锁定到第一型芯上的装置中的至少一种装置。
2.如权利要求1所述的铸造系统，其中所述的耐熔金属型芯具有所述的弹簧负载装置，而且所述的弹簧负载装置包括至少一个整体形成的弹簧凸部。
3.如权利要求2所述的铸造系统，其中所述的弹簧负载装置包括多个相互隔开的弹簧凸部。
4.如权利要求2所述的铸造系统，其中每一个所述的凸部都具有锥形端。
5.如权利要求2所述的铸造系统，其中每一个所述的凸部都具有非锥形端。
6.如权利要求1所述的铸造系统，其中的耐熔金属型芯由钼、钽、铌、钨、它们的合金和它们的金属间的化合物中选出的一种材料形成。
7.如权利要求1所述的铸造系统，其中所述的耐熔金属型芯具有所述的机械锁定装置，而且所述的蜡模型设有一槽，用以容纳所述耐熔金属型芯的所述机械锁定装置。
8.如权利要求7所述的铸造系统，其中所述的机械锁定装置包括成角度地配合在所述槽中的所述耐熔金属型芯的所述第二端。
9.如权利要求8所述的铸造系统，其中所述蜡模型中的所述槽具有一个与所述蜡模型的一个表面垂直的壁，而且所述耐熔金属型芯的所述第二端抵靠所述壁。
10.如权利要求7所述的铸造系统，其中所述的机械锁定装置包含至少一个孔在所述耐熔金属型芯的所述的第二端中。
11.一种保持型芯在相对于蜡模型的所需位置中并避免型芯在铸造过程中偏移的耐熔金属型芯，包括由耐熔金属材料形成的型芯部件，所述的型芯部件包含至少一个整体形成的弹簧凸部，以在闭合所述蜡模型时提供弹簧负载。
12.如权利要求11所述的耐熔金属型芯，其中所述的型芯具有多个相互隔开的弹簧凸部。
13.如权利要求11所述的耐熔金属型芯，其中所述的型芯部件由钼、钽、铌、钨、它们的合金和它们的金属间的化合物的中选出的一种材料形成。
14.一种保持型芯在相对于蜡模型的所需位置中并避免型芯在铸造过程中偏移的耐熔金属型芯包括由耐熔金属材料形成的型芯部件，所述的型芯部件包括第一端、中间部分、和以一角度定位到中间部分的第二端，以结合所述蜡模型中的槽。
15.如权利要求14所述的耐熔金属型芯，其中所述第二端和中间部分之间的角度使所述的第二端紧靠所述槽的壁。
16.如权利要求14所述的耐熔金属型芯，其中所述的第二端包括将耐熔金属型芯机械地锁定到壳模上的装置。
17.如权利要求16所述的耐熔金属型芯，其中所述的机械锁定装置至少包括一个至少有一个孔的凸部。
18.如权利要求14所述的耐熔金属型芯，其中所述的型芯部件由钼、钽、铌、钨、它们的合金和它们的金属间的化合物中选出的一种材料形成。
全文摘要
根据本发明提供的铸造系统主要包括型芯和与所述型芯相隔开的蜡模型，具有位于型芯的槽中的第一端和与蜡模型相接触的第二端、从而能使型芯相对于蜡模型定位的耐熔金属型芯，而且此耐熔金属型芯具有在闭合蜡模型时能提供弹簧负载的机械装置和能使蜡模型机械锁定到型芯上的机械装置中的至少一种装置。
文档编号F01D5/28GK1608771SQ20041009510
公开日2005年4月27日 申请日期2004年10月15日 优先权日2003年10月16日
发明者J·T·比尔斯, S·D·德拉珀, J·罗佩斯, S·D·默里, B·W·斯潘格勒 申请人:联合工艺公司