CN101041175A - 用于附接铸造型芯的方法和材料 - Google Patents

Abstract

在一种用于将第一铸造型芯附接到第二铸造型芯上的方法中，使第一铸造型芯的第一部分与第二铸造型芯的第二部分形成接合或者紧密接近。将该第一部分和第二部分浸渍在陶瓷浆料中以便在该第一部分和第二部分周围形成涂层。使该涂层硬化以便在该第一部分和第二部分之间形成连接部。

Description

用于附接铸造型芯的方法和材料

技术领域

本发明涉及熔模铸造，更具体而言，本发明涉及熔模铸造型芯的组装。

背景技术

熔模铸造通常用于航空航天工业。各种实例包括燃气轮机引擎零件的铸造。典型的零件包括各种叶片、轮叶、密封件和燃烧器面板。许多这样的零件被铸造成带有多条冷却通道。所述通道可通过牺牲型铸造型芯而形成。

典型型芯包括多种陶瓷型芯、难熔金属型芯(RMC)及其组合。在典型的组合型型芯中，陶瓷型芯可形成供料通道，而RMC可形成从该供料通道延伸通过该相关零件壁的多条冷却通道。应理解，陶瓷型芯也可用来形成冷却通道而金属型芯也可用来形成供料通道。陶瓷型芯的制造方法可为：模制一个“未受到处理”的型芯，然后进行焙烧以使其硬化。难熔金属型芯的制造方法可为：铸造或用薄板坯料(例如通过冲压或切削/成形)，或者借助于其它适当方法。该型芯可相互组装在一起并且例如用陶瓷粘合剂进行固定。一种典型的陶瓷粘合剂为基于氧化铝的粘合剂。例如，所述粘合剂可包括氧化铝粉末和粘结剂例如胶态氧化硅。

该型芯可用牺牲材料(例如蜡)包覆成型以形成模型，所述模型按形状至少与待铸造零件的形状部分相对应。在该模型上可形成型壳(例如在多阶段涂撒工艺中形成的陶瓷型壳)。该牺牲材料可被去除(例如采用蒸汽脱蜡法)，从而在由该型壳形成的型腔内留下该型芯。然后该型壳可进行焙烧以便硬化。

可将熔融金属浇入该型壳中并使其固化。

在零件的初期浇注(例如用镍基或钴基超合金)之后，破坏性地去除该铸件型壳和型芯。典型的型壳去除基本上是机械的。而典型的型芯去除基本上是化学的。例如，该型芯可采用化学浸出法进行去除。典型的化学浸出包括在高压釜内使用碱性溶液。在美国专利4,141,781；6,241,000和6,739,380中披露了典型的浸出技术。

发明内容

因此，本发明的一个方面涉及一种用于将第一铸造型芯附接到第二铸造型芯上的方法。使第一铸造型芯的第一部分与第二铸造型芯的第二部分形成接合或者紧密接近。将该第一部分和第二部分浸渍在陶瓷浆料中以便在该第一部分和第二部分周围形成涂层。使该涂层硬化以便在该第一部分和第二部分之间形成连接部。所得到的复合型芯可能比具有类似形状的非复合型芯更易于进行制造。

在不同的实施方式中，所述金属铸造型芯可包括基于难熔金属的基体(例如可选地进行涂覆的基体)。所述方法可用于形成涡轮机叶片型芯组件或涡轮机轮叶型芯组件。可加热该浆料以使其硬化。该金属铸造型芯和陶瓷铸造型芯在引入过程中可受到振动。所述形成接合或者紧密接近可用呈未受到处理或已焙烧状态的陶瓷铸造型芯执行。所述浆料可包括锆石和含水胶态氧化硅。

下面结合附图和说明书对本发明的一个或更多实施例的细节进行描述。阅读该说明书、附图以及权利要求书将使本发明的其它特征、目的和优点变得更加明显。

附图说明

图1是一种典型的熔模铸造工艺的流程图。

图2是一对陶瓷型芯的视图。

图3是保持组装在夹具中的如图2所示的型芯的视图。

图4是由如图2所示的陶瓷型芯与金属型芯组装而成的复合型芯的视图。

图5是如图4所示的复合型芯的组装/制造步骤的流程图。

图6是附接在金属型芯上的陶瓷型芯的视图。

在各个附图中使用相似的附图标记和名称表示相似的元件。

具体实施方式

图1示出了一种典型的用于形成熔模铸造铸型的方法20。包括各种现有技术方法和多种还在进行开发的方法的其它方法也是有可能的。在步骤22中形成一个或更多金属型芯元件(例如由通过从金属片上冲压出或从金属片上切得的难熔金属如钼和铌形成，或者由包含一种或多种难熔金属的合金或金属互化物形成)，并且在步骤24中进行涂覆。适当的涂层材料包括二氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化铬、莫来石和二氧化铪。优选地，难熔金属和涂层的热膨胀系数(CTE)相似。可采用任何适当的视距技术(line of sight technique)或非视距技术[例如，化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)法、等离子喷涂法、电泳和溶胶-凝胶法]施加涂层。典型地，各层的厚度可以是0.1密耳至1密耳。可将Pt、其它贵金属、Cr、Si、W和/或Al或者其它非金属材料层施加到金属型芯元件上，以便与陶瓷涂料一起防止发生氧化，所述陶瓷涂料用于保护其免受熔融金属侵蚀和溶解。

还可在步骤26中形成一个或更多陶瓷型芯(例如由在模制和焙烧工艺中用包含的二氧化硅形成)。在步骤28中，将一个或更多已进行涂覆的金属型芯元件[在下文中被称作难熔金属型芯(RMC)]组装到一个或更多陶瓷型芯上。如上文所述，该组件可包括使用下文讨论的陶瓷浆料。然后在步骤30中用一种易于牺牲的材料例如天然或合成蜡包覆模制该型芯组件(例如通过将该组件放置在压模中然后对其周围的蜡进行模压)。在一个给定的压模中可包含多个这样的组件。

该包覆成型的型芯组件(或者组件组)形成铸造模型，所述模型具有大体上对应于待铸造零件的外部形状的外部形状。然后在步骤32中，将该模型组装到包壳夹具上(例如通过夹具的多块端板之间的蜡焊)。然后，该模型可在步骤34中进行包型壳(例如通过一个或更多阶段的浆料浸渍、浆料喷涂等)。在型壳形成之后，可在步骤36中进行干燥。该干燥步骤为该型壳至少提供了足够大的强度或者其它物理完整性特性，以允许进行后续处理。例如，含有该熔模型芯组件的型壳可在步骤38中从该包壳夹具上完全或部分地拆下，然后在步骤40中转移到脱蜡器(例如蒸气高压釜)中。在该脱蜡器中，蒸汽脱蜡工艺42除去了大部分的蜡，并留下紧固在该型壳内的型芯组件。该型壳和型芯组件将大体上形成最终铸型。然而，脱蜡工艺通常在该型壳内部和型芯组件上留下蜡或副产物碳氢化合物残留物。

在进行脱蜡后，该型壳在步骤44中被转移到炉(例如包含空气或其它氧化气氛的炉)中，并且在步骤46中，在该炉中加热以便强化该型壳并除去任何剩留的蜡残留物(例如通过汽化)和/或将碳氢化合物残留物转变成碳。在该气氛中的氧与碳发生反应而形成二氧化碳。去除碳对于减少或消除有害碳化物在金属铸件中的形成而言是有利的。去除碳还提供了附加的优点：减少在作业的后续阶段中所用真空泵发生堵塞的可能性。

在步骤48中可将该铸型从所述气氛炉中取出，以便允许进行冷却和检验。如果需要的话，在步骤50中可为该铸型引晶(例如通过在该铸型中放置金属晶种以形成定向固化(DS)铸件或单晶(SX)铸件的最终晶体结构)。然而，本发明的教导可应用于其它DS和SX铸造技术(例如其中型壳的几何形状限定出晶粒选择器)或具有其它显微结构的铸件。可在步骤52中将该铸型转移到铸造用炉中(例如被放置在该炉内的激冷板的顶部)。可在步骤54中将该铸造用炉进行抽真空或充入一种非氧化性气氛(例如惰性气体)从而防止铸造合金发生氧化。在步骤56中加热该铸造用炉以便预热该铸型。这种预热用于两种用途，即：进一步使该型壳得到硬化和强化；以及预热用于引入熔融合金的型壳，从而防止该型壳受到热冲击和合金发生过早固化。

在进行预热之后并且仍然处于真空条件下，在步骤58将熔融合金浇入该铸型，并且在步骤60中允许该铸型冷却以便使该合金(例如在从该炉热区中取出时或者之后)发生固化。在固化后，可在步骤62破坏该真空，并在步骤64中从该铸造用炉中取出该激冷铸型。该型壳可在去型壳工艺66中被除去(例如型壳的机械破碎)。

在去型芯工艺68中除去该型芯组件以便留下铸件产品(例如最终零件的金属前身)。下面将对本发明的多阶段去型芯工艺进行描述。在步骤70中可对该铸件产品进行机械加工，在步骤72中对该铸件产品进行化学和/或热处理以及在步骤74中对该铸件产品进行涂覆以便形成最终零件。任何机械加工或者化学或热处理中的一些或全部可在去型芯之前实施。

图2-4中示出了处于不同制造阶段的典型的复合型芯。图5是该组装/制造步骤的流程图。图2示出了一对单独进行模制的陶瓷型芯120和122。该典型型芯具有各自的主体部分或主体124和126以及末端部分128和130。在该末端部分的各自端部132和134附近，该型芯可包括配合功能部件136和138。典型的配合功能部件在图中被显示为突出的凸出部136和互补部分138。另一种可选的配合功能部件包括燕尾槽和其它反锁功能部件、搭叠功能部件、半叠盖功能部件和简单对接功能部件。尽管图示位于末端部分，但是该配合功能部件还可按其它方式形成(例如一对或多对配合功能部件沿着型芯本体位于中间位置)。

在进行模制之后且可选地在进行焙烧以进一步使该型芯硬化之后，型芯120和122可相互组装在一起。图3示出了在步骤180中已相互组装/配合在一起的型芯，所述型芯通过夹具140使得其配合功能部件保持相互接合而得到保持。典型夹具140可包括夹钳、自动操纵的致动器等。

在施加浆料期间夹具140可保持住该组装型芯。典型的浆料施加包括在步骤182中将该末端部分一次或多次浸渍在浆料槽中，以便施涂浆料涂层150。如果采用多次浸渍，那么所述浸渍可使用相同的浆料或来自不同槽的不同浆料以便产生符合需要的涂料层150(例如用来使结合强度最大化)。该末端部分可相对于相邻的主体部分略微减薄或凹进，从而使得浆料的积聚不会过度地增加型芯厚度或在此形成不连续。在涂层施加期间，夹具140可保持该型芯的接合部分相接触或紧密邻近(例如具有足够大的间隙以便允许该浆料在两个型芯之间粘结渗透)。

在施加涂层之后，该涂层可得到硬化。一种典型的硬化包括在步骤184中进行干燥而不再进一步进行焙烧。这对于用蜡衬垫保持在一起的预焙烧陶瓷元件来说可能是特别有用的。例如，一个附加的陶瓷型芯可被预组装到型芯120或122中的一个上并用蜡衬垫进行定位。该浆料的室温干燥会保护该衬垫。另一种可选的非焙烧干燥可包括以高达95℃的温度进行加热。另一种可选方式是，所述硬化包括(例如以1200℃或更高温度)进行焙烧，这样也能使型芯120和122得到硬化(例如，如果在未受到处理(green)或者仅仅局部焙烧的状态下进行组装的话)。

所述硬化的结果是形成具有足够强度的连接部154，以便允许进行结合图1描述的进一步的处理和加工步骤。如在此所述，这些步骤可包括将所形成的复合陶瓷型芯160组装到一个或更多其它型芯例如难熔金属型芯162(图4)上(例如通过在步骤186中插入到该复合型芯内切出或预成型的狭槽中)。

典型的浆料可与型壳涂层浆料相同或相类似。顺序可相对于型壳涂层浆料施涂顺序而改变，以便提供符合需要的连接部强度和连接部表面平滑度。例如，型壳涂层浆料施加顺序通常从细到粗。初始细浆料被施加在模型上用于平滑，随后施加粗浆料用于提高强度。然而，可能所希望的是使平滑涂层150中的最后一层浆料为细料，这是因为所述型芯通常形成内部功能部件，而所述型壳通常形成外部功能部件。典型的浆料包括锆石和与适当的表面活性剂和其它试剂(例如用于促进泡沫破裂)一起的含水胶态氧化硅的混合物。

变型包括在该连接部中结合使用陶瓷粘合剂和浆料涂层。该粘合剂可在型芯组装期间引入。典型的陶瓷粘合剂可从“CotronicsCorporation of Brooklyn，New York”按商标“RESBOND”获得。使用陶瓷粘合剂对于预焙烧陶瓷型芯来说可能是特别适合的。该陶瓷粘合剂增大结合强度并且可进一步避免对于后续高温焙烧的需要。

当已浸渍组件包括可能受高温焙烧不利影响的金属或其它非陶瓷型芯时，这样的粘合剂可能也是适用的。例如，图6示出了陶瓷型芯200与难熔金属型芯202的组件。该难熔金属型芯的一个部分204被定位在陶瓷型芯的狭槽206内并且至少部分地被陶瓷粘合剂208保持住。浆料涂层210可包绕这两个型芯的接合处以便形成连接部。浆料210可按上文描述进行施加。如果受到物理条件限制或按其它方式更加适当，那么该型芯之一或两者的一部分在施加浆料(例如喷涂、刷涂或浸渍)期间可被盖住，或者在这种施加之后可清除该浆料。与陶瓷型芯之间的连接部一样，该RMC陶瓷型芯连接部的过度浸渍(overdipping)使该未经焙烧的陶瓷粘合剂(如果有的话)脱离与铸造合金的接触，从而避免发生不利的化学反应。

上文中已对本发明的一个或更多实施例进行了描述。然而，应该理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下可作出多种变型。例如，该原理可被实施为多种现有或仍在进行研发的工艺的变型，在这些情况下，这些工艺将会影响或限制所述实施方式的多个参数。因此，其它实施例落入所附权利要求书的范围内。

Claims (25)

1.一种用于将第一铸造型芯附接到第二铸造型芯上的方法，所述方法包括：

使第一铸造型芯的第一部分与第二铸造型芯的第二部分形成接合或者紧密接近；

将该第一部分和第二部分浸渍在浆料中以形成涂层；以及

使该涂层硬化以便连接或进一步连接该第一铸造型芯和第二铸造型芯。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

使第三铸造型芯的第三部分与所述第一铸造型芯和第二铸造型芯中至少一个的第四部分形成接合或者紧密接近，并且所述浸渍或者另一浸渍包括浸渍所述第三部分和第四部分。

3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

将至少一个附加铸造型芯附接到所述第一铸造型芯和第二铸造型芯中的至少一个上。

4.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述形成接合或者紧密接近包括接触和保持处于接触状态；且

在所述形成接合或者紧密接近之后执行所述浸渍。

5.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述形成接合或者紧密接近包括在所述第一部分和第二部分之间设置陶瓷粘合剂；且

在所述形成接合或者紧密接近之后执行所述浸渍。

6.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述浸渍包括在不同浆料中进行多次浸渍；且

在所述形成接合或者紧密接近之后执行所述多次浸渍中的至少一次浸渍。

7.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述形成接合或者紧密接近包括在已焙烧状态下接触；且

所述硬化包括进行干燥而不包括焙烧。

8.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述形成接合或者紧密接近包括在未受到处理状态下接触；且

所述硬化包括与所述第一型芯和第二型芯一起焙烧以便同时硬化所述第一型芯和第二型芯。

9.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述涂层在接合处完全包围住所述第一部分和第二部分。

10.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

对所述第一铸造型芯和第二铸造型芯进行模制。

11.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述形成接合或者紧密接近包括形成连接部，所述连接部从包括搭叠功能部件、半叠盖功能部件、反锁凸起/凹进部以及舌片/沟槽的组中进行选择。

12.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

将金属铸造型芯的插入部分插入到所述已连接在一起的第一铸造型芯和第二铸造型芯的接收部分中。

13.根据权利要求1所述的用于形成涡轮机叶片型芯、涡轮机轮叶型芯、密封件型芯或燃烧器型芯的方法。

14.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

所述硬化包括进行加热。

15.根据权利要求1所述的方法，其中所述浆料包括锆石和含水胶态氧化硅。

16.根据权利要求1所述的方法，其中基于重量含量，所述浆料中的含水胶态氧化硅的含量为锆石含量的20％-30％。

17.根据权利要求1所述的方法，其中所述浆料包括表面活性剂。

18.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

模制所述第一铸造型芯；以及

由金属板成形出所述第二铸造型芯。

19.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述第一铸造型芯包括已模制的陶瓷；且

所述第二铸造型芯包括金属构件。

20.一种用于进行熔模铸造的方法，所述方法包括：

按照权利要求1附接第一铸造型芯和第二铸造型芯；

模制部分位于所述第一铸造型芯和第二铸造型芯之上的牺牲材料；

在所述牺牲材料上施加型壳；

从所述型壳上除去所述牺牲材料；

将熔融金属运送到所述型壳，以便至少部分地代替所述牺牲材料；

允许所述熔融金属发生固化；

从所述已固化金属上除去所述型壳和所述第一、第二铸造型芯。

21.一种用于将第一铸造型芯附接到第二铸造型芯上的方法，所述方法包括：

使所述第一铸造型芯的第一部分与所述第二铸造型芯的第二部分在第一相对位置处形成接合或者紧密接近；

保持住所述第一铸造型芯和第二铸造型芯以便维持所述第一相对位置；

将所述第一部分和第二部分浸渍在浆料中以形成涂层；以及

使该涂层硬化以便连接或进一步连接该第一铸造型芯和第二铸造型芯。

22.根据权利要求21所述的方法，其中：

所述浸渍和所述硬化的一部分发生在所述保持过程中。

23.一种用于将第一铸造型芯附接到第二铸造型芯上的方法，所述方法包括：

使所述第一铸造型芯的第一部分与所述第二铸造型芯的第二部分在第一相对位置处形成接合或者紧密接近；

在所述第一部分和第二部分上以一种形式施加浆料涂层；以及

使该涂层硬化以便连接或进一步连接该第一铸造型芯和第二铸造型芯。

24.根据权利要求23所述的方法，进一步包括：

至少在所述施加和硬化的多个部分期间保持住所述第一铸造型芯和第二铸造型芯以便维持所述第一相对位置。

25.根据权利要求23所述的方法，其中：

所述涂层在接合处完全包围住所述第一部分和第二部分。

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