CN101342593A - 用于制造能够输送液体的部件的注射成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于制造能够输送液体的部件的注射成型方法，具体而言，用于制造能够输送液体的部件的注射成型方法包括提供模型，将由型芯材料制成的至少一个型芯放入模型内，将部件材料在型芯附近注入模型中以生成生坯部件，加热生坯部件以烧除型芯并生成半成品部件，以及烧结半成品部件以生成能够输送液体的成品部件，其中，该成品部件是大约95％至大约99％致密的。

Description

用于制造能够输送液体的部件的注射成型方法

技术领域

[0001]此处所述实施例大体涉及制造能够输送液体的部件的方法。更具体地说，此处所述实施例大体涉及能够输送喷气燃料的金属注射成型部件。

背景技术

[0002]在诸如航空发动机的燃气涡轮发动机中，空气吸入发动机前端，然后由轴装式压缩机压缩。随后将压缩空气输送至燃烧室，并同时将燃料通过燃料分配系统从燃料供给源输送至燃烧室。更具体地说，燃料在燃烧器的前端以高度雾化的喷雾从燃料喷嘴导入。压缩空气在燃料喷嘴附近流入并与燃料混合，以形成由燃烧器点火的燃料-空气混合物。点燃的燃料-空气混合物的温度可超过3500°F(1920℃)。因此，燃料供给和分配系统充分地防漏是很重要的，因为燃料供给或分配系统中的泄漏可能是灾难性的。

[0003]现用的燃料喷嘴可利用宏观分层(macro-laminate)技术来制造，该技术大体包括利用一系列粘合连接(bonded joint)将多个材料层成形并联接在一起。围绕宏观分层的可以是各种需要多个钎焊连接的部件。主要由于以这种方式来构造燃料喷嘴所需要的钎焊连接数量，采用宏观分层技术并不理想。

[0004]更具体地说，采用钎焊连接会增加制造这类部件所需要的时间，并且还会因以下若干原因中的任意原因而使得制造工艺变得复杂，这些原因包括：需要足够的区域以供钎焊合金放置；需要将不想要的钎焊合金流动降至最小；需要可接受的检查技术来检验钎焊质量；以及必须具有可用的若干钎焊合金以便防止先前的钎焊连接再熔化。此外，众多的钎焊连接可导致若干钎焊脱开(braze runs)，这会削弱部件的母材。在相关方面，众多钎焊连接的存在会不期望地增加部件的重量和制造成本。

[0005]因此，依然需要用于制造燃料供给和分配系统的改进的工艺，其可以通过使用金属注射成型技术来提供形成一体的部件和致密结构来降低燃料泄漏的风险。

发明内容

[0006]此处的实施例大体涉及用于制造能够输送液体的部件的方法，其包括提供模型，将由型芯材料制成的至少一个型芯放入模型内，将部件材料在型芯附近注入模型中以生成生坯部件(greencomponent)，加热生坯部件以烧除型芯并生成半成品部件(growncomponent)，以及烧结半成品部件以生成能够输送液体的成品部件，其中，该成品部件是大约95％至大约99％致密的。

[0007]此处的实施例还大体涉及用于制造能够输送液体的部件的方法，其包括提供模型，将型芯材料所制成的至少一个型芯放入模型内，将部件材料在型芯附近注入模型中以生成生坯部件，加热生坯部件以烧除型芯并生成半成品部件，烧结半成品部件以生成能够输送液体的成品部件，以及热等静压成品部件以生成大约99％致密的密实部件。

[0008]此处的实施例还大体涉及用于制造能够输送液体的部件的方法，其包括提供模型，将从包括立体光刻(SLA)型树脂、聚碳酸酯、聚丙烯及其组合的组中选出的型芯材料所制成的多个非线性型芯放入模型内，将从包括镍基合金、钴基合金及其组合的组中选出的部件材料在型芯附近注入模型内以生成生坯部件，将生坯部件加热到大约150°F(大约65℃)至大约500°F(大约260℃)的温度范围以烧除型芯并生成半成品部件，以及在大约700°F(大约370℃)至大约2300°F(大约1260℃)的温度范围内烧结半成品部件以生成能够输送喷气燃料的成品部件，其中，该成品部件为包括燃料管道和燃料分配器环的燃料喷嘴，且其中该成品部件是大约95％至大约99％致密的。

[0009]这些及其它特征、方面和优点，对于本领域技术人员而言根据以下公开内容将会变得明显。

附图说明

[0010]尽管说明书通过权利要求书做出结论，具体地指明并明确地要求保护本发明，但据信此处所述实施例根据以下描述并结合附图将更易于理解，附图中相同标号表示相同元件。

图1为根据此处描述的燃料喷嘴的一个实施例的略图；

图2为根据此处描述的燃料喷嘴的一个实施例的略图，其中，该燃料喷嘴具有分支的主腔和多个注射柱；

图3为根据此处描述的燃料喷嘴的一个实施例的截面简图，其中，该燃料喷嘴由隔热罩封闭并具有绝热间隙；

图4为根据此处描述的燃料喷嘴的一个实施例的略图，其中，该燃料喷嘴具有引导喷射器；

图5为根据此处描述的燃气涡轮发动机的一个实施例的局部剖视简图，其中，该燃气涡轮发动机具有轴向定向的燃料喷嘴；和

图6为根据此处描述的燃气涡轮发动机的一个实施例的局部剖视简图，其中，该燃气涡轮发动机具有周向定向的燃料喷嘴。

部件清单

10燃料喷嘴

12燃料供给管道

13分配器环入口

14分配器环

16引导腔

18主腔

20主腔右侧

22主腔左侧

24注射柱

26前隔热罩

28后隔热罩

30绝热间隙

32引导喷射器

34燃气涡轮发动机

D至少0.02厘米的距离

具体实施方式

[0011]此处所述实施例大体涉及用于制造能够输送液体的部件的金属注射成型方法。尽管此处的实施例或许大体上集中在用于制作部件的方法，这些部件用在经由燃气涡轮发动机的燃料系统的喷气燃料输送中，但本领域技术人员应理解的是本说明不应局限于此。实际上，如以下说明所解释，此处所述方法可用于生产能够用来输送液体的任何部件。

[0012]通常，此处所述的实施例涉及提供一种模型，将部件材料注入模型内以生成生坯部件，加热生坯部件以生成半成品部件，以及烧结半成品部件以生成能够输送液体的成品部件。

[0013]最初，可提供具有所需成品部件形状的模型。该模型可以是任何适于与金属注射成型工艺一起使用的模型，如此处以下更为详细的描述。通常，模型可由钢或其它相当的材料制成。如金属注射成型典型的情况，该模型可具有对应于所制造部件外形的内部空间。

[0014]在模型内可以放入至少一个型芯，以在成品部件内形成空腔。如此处所用，用语“型芯”意指至少一个型芯。将理解的是，此处所述实施例可包括一个以上的型芯。型芯可由具有比以下此处所述部件材料的熔点更低的熔点的任何一种型芯材料制成，以便于除去型芯。在一个实施例中，型芯可从包括SLA型树脂，聚碳酸酯，聚丙烯及其组合的组中选出的型芯材料制成。型芯可以是线性的或者是非线性的。根据所制造部件的类型，可期望采用本领域的公知技术将型芯悬置于模型中。悬置型芯可帮助保证型芯完全地由部件材料所围绕。这还能降低成品部件中的泄漏可能性。

[0015]随后可利用常规的注射成型惯例将部件材料注入模型内的型芯周围，其中，常规的注射成型惯例可典型地包括以大约200磅/平方英寸至大约400磅/平方英寸的压力将部件材料注入模型内。如果需要，可将其内注入部件材料的模型加热至大约90℃(大约200°F)，以便于部件材料在模型中的注入和扩散。尽管部件材料可包括任何能够被注射成型的材料，但在一个实施例中，部件材料可从包括镍基合金、钴基合金及其组合的组中选择。更具体地说，部件材料可包括按重量计算混合有大约3％至大约20％粘合材料的金属粉末。例如，部件材料可包括与按重量计算与大约7％的粘合材料相结合的按重量计算大约93％的铬镍铁合金。对本领域技术人员已知的任何普通的粘合材料都容许在此使用。部件材料可具有能够在压力下注入模型而不会漏出该模型的浓度。

[0016]一旦注入，便可允许部件材料在模型内固结(firm up)以生成生坯部件。出现这种凝固(set up)所需的时间将根据所选的具体部件材料而变化。在部件材料凝固后，可拉开模型并取下生坯部件。如果需要，可干燥和/或冷却生坯部件以更易于操作。

[0017]然后可加热生坯部件，以生成半成品部件并烧除任何存在的型芯。得到的半成品部件将会硬化并具有位于各型芯曾经所在处的内腔。如上所述，期望型芯由熔点比部件材料熔点更低的材料制成以便于将其烧除。为生成半成品部件并烧除任何存在的型芯而可将生坯部件加热到的温度，可根据所用的具体部件材料和型芯材料而变化。然而，在一个实施例中，可以将生坯部件加热到大约150°F至大约500°F(大约65℃至大约260℃)的温度范围。通过在前述温度范围内实施若干加热步骤，可烧除型芯，其中，包含部件的熔炉的温度可在大约五分钟内提高大约二十五度，随后对限定的时间将温度保持恒定。

[0018]更具体地说，烧除型芯可包括以下步骤：可将熔炉加热至大约300°F(大约148℃)的温度并保持恒定大约一个小时；然后可在大约五分钟内将温度升高至大约325°F(大约162℃)并保持恒定大约两个小时；然后可在大约五分钟内将温度升高至大约350°F(大约176℃)并再保持恒定两个小时；然后可在大约五分钟内将温度升高至大约375°F(大约190℃)并保持恒定大约两个小时；然后可在大约五分钟内将温度升高至大约400°F(大约204℃)并保持恒定大约两个小时，在该两个小时的时间内，型芯将开始熔化并从部件中烧除。然后在大约五分钟内将温度升高至大约425°F(大约218℃)并保持恒定大约六至七个小时。在大约六至七个小时之后，可检查得到的半成品部件以保证型芯已被充分地除去。

[0019]除了烧除型芯之外，该加热工艺可用于除去余留在得到的半成品部件和/或在其内发生型芯烧除的空气熔炉中的灰烬。更具体地说，在完成型芯烧除之后且半成品部件仍存在于内部时，可将熔炉加热至大约625°F(大约329℃)，以烧除来自半成品部件和熔炉内的任何残存灰烬含量。当令人满意地完成了型芯烧除时，可关掉熔炉并允许半成品部件冷却。

[0020]在烧除型芯的同时，或许发生部件材料的部分脱粘(debinding)。在部分脱粘期间，从生坯部件中烧除在部件材料中所用的至少一部分粘合材料。部分脱粘对处理得到的半成品部件以及将得到的半成品部件从空气炉输送至发生烧结的真空炉提供了便利。应注意的是，在此处以下所述烧结周期完成以前，通常不会发生部件材料的完全脱粘。

[0021]烧结包括加热半成品部件以挥发任何余留的粘结剂并同时使部件材料的余留金属颗粒的密度增加以生成成品部件。具体地，烧结可通过消除脱粘时所生成的空隙增加半成品部件的密度。通常，当与半成品部件的尺寸相比，烧结可以使成品部件收缩大约3％至大约20％。本领域技术人员将会理解，或许希望利用此处所述的方法来控制收缩量以提供尺寸再现性(dimensional reproducibility)并帮助将制作部件之间的差异减到最小。

[0022]尽管用于烧结的加热和冷却周期可以变化，但在一个实施例中，烧结可在温度范围为大约700°F至大约2300°F(大约370℃至大约1260℃)的一系列周期内进行。烧结可以在具有分压(partial pressure)能力的真空炉内进行。在一个实施例中，可以将熔炉抽空然后用氩气或氢气回填至大约600微米汞柱(microns of Hg)的压力。气体可以间歇地或连续地流过熔炉，以吹扫整个烧结过程中所产生的已挥发粘结剂。

[0023]烧结过程可在熔炉处于环境温度时开始。可将半成品部件放入熔炉内，并以大约5°F(大约2.7℃)/分钟的温升来加热熔炉直至达到大约1200°F(大约648℃)的温度。一旦达到大约1200°F(大约648℃)的温度，该温度可保持恒定大约一个小时。然后可以以大约5°F(大约2.7℃)/分钟的速度冷却熔炉，直至达到大约300°F(148℃)的温度。例如，可通过受控地降低熔炉加热元件的功率来实现冷却。然后可以将熔炉再次以大约5°F(大约2.7℃)/分钟的速度加热到大约1200°F(大约648℃)，在此，温度可保持恒定大约两个小时。然后可以以大约5°F(大约2.7℃)/分钟的速度冷却熔炉，直至达到大约300°F(148℃)的温度。然后可以将熔炉以大约5°F(大约2.7°)/分钟的速度加热到大约1200°F(大约648℃)，在此，温度可保持恒定大约两个小时。接着，可以以大约5°F(大约2.7℃)/分钟的速度将熔炉冷却至大约300°F(大约148℃)的温度，继之以大约10°F(大约5℃)/分钟的速度加热一段附加的时间至大约1200°F(大约648℃)的温度。然后可允许将熔炉冷却至环境温度。

[0024]然后可将真空炉的炉室抽空到小于大约1微米汞柱的压力。然后可通过以大约5°F(大约2.7℃)/分钟的速度将温度升高至大约1500°F(大约815℃)的温度，在此可将该温度保持恒定大约两个小时，从而重新开始加热。然后可以将温度以大约5°F(大约2.7℃)/分钟的速度升高至大约2000°F(大约1093℃)。在保持温度恒定大约两个小时之后，可以将温度再次升高，此次以大约35°F(大约19℃)/分钟的速度直至其达到大约2300°F(大约1260℃)的温度。可以将该温度再保持恒定两个小时，之后以大约10°F(大约5℃)/分钟的速度真空冷却到大约2000°F(大约1093℃)的温度。然后可以以不受控制的速度继续真空冷却直至温度达到大约1200°F(大约648℃)以下，且在一个实施例中，直至温度达到大约250°F(大约121℃)。

[0025]得到的成品部件能够输送液体，在一个实施例中，该液体可以是诸如液体喷气燃料的可燃液体。更具体地，烧结增加了因烧除型芯所得到的空腔的密度并降低了空腔壁的孔隙度以能够输送液体。此孔隙度的降低导致形成了可以为大约95％至大约99％致密的成品部件。如此处所用，用语“致密”是指无孔隙的且可以用常规图像分析技术测量的成品部件的百分比。例如，可以将成品部件切碎并将它的一块放置在显微镜下。可以对这块成品部件进行微观摄影，并且相对于该影像中显示的这块成品部件的总面积来计算存在的任何空隙面积或孔隙面积。

[0026]任选地，利用本领域已知技术如热等静压或HIP/hipping，可以对成品产品施加压力。更具体地，在热等静压期间，通过在大约10千磅/平方英寸至大约20千磅/平方英寸的氩气压力下，且在一个实施例中大约为15千磅/平方英寸(大约1055千克力/平方厘米)的氩气压力下，将成品部件加热到大约2100°F(大约1149℃)至大约2200°F(大约1204℃)的温度，且在一个实施例中大约为2125°F(大约1163℃)的温度，并且保持这些参数恒定大约四个小时，可以除去在成品部件内由脱粘所形成的任何余留空隙。热等静压处理的最终结果是至少大约99.9％致密的增密部件。

[0027]尽管上述注射成型方法可以用来制造能够输送液体的任何部件，但在一个实施例中，该方法可用来制造燃料喷嘴10，如图1大体所示。燃料喷嘴10可包括燃料供给管道12和分配器环14。

[0028]转到图2，燃料供给管道12可包括至少一个引导腔16和至少一个主腔18，其各利用注射成型工艺中的前述型芯制成。如贯穿此处所用，用语“至少一个”包括一个及一个以上。引导腔16和主腔18重的每一个均可以为大体线性的、非线性的或其组合。在一个实施例中，如图2所示，主腔18可分成主腔右侧20和主腔左侧22。不管引导腔16和主腔18的数目或方位，可能希望的是，存在于燃料供给管道12中的所有空腔都彼此隔开至少大约0.02厘米的距离D。空腔隔开至少大约0.02厘米可有助于保证形成空腔的型芯在制造时充分地由部件材料所围绕，这可以帮助防止成品部件中的泄漏。

[0029]可以可操作地联接到至少一个引导腔16和至少一个主腔18上的分配器环14，可以具有至少一个由其向外延伸的注射柱24。在图2所示实施例中，分配器环14包括多个注射柱24，这些注射柱24可在将燃料注入混合腔中之前帮助维持燃料速度，在该混合腔中，燃料和空气混合导致燃烧。由于此处所述的金属注射成型工艺包括使用型芯，故可以将注射柱24和分配器环14形成一体。更具体地，在注射模制具有注射柱24的分配器环14之前，可以将一个或多个型芯悬置在上述模型内以占据分配器环14和注射柱24中的通道(未示出)。此布置允许将分配器环14模制成具有一体形成的注射柱24，而不是现行的惯例：制造分配器环并随后手动地附连上一个或多个注射柱。

[0030]在一个实施例中，此前详述的金属注射成型工艺可以用来单独地制造燃料供给管道12和分配器环14直至本工艺的半成品部件部分。之后，通过在执行烧结和任选的热等静压工艺之前将半成品燃料管道插入分配器环的至少一个对应入口13(图3所示)，可将半成品燃料管道和半成品分配器环联接到一起，以便在制造时将燃料供给管道12和分配器环14固定到一起以形成燃料喷嘴10。燃料供给管道12和分配器环14的这种永久联接可以消除钎焊连接的使用并降低由此可能引起的泄漏的可能性。

[0031]还可以通过联接到后隔热罩28上的前隔热罩26来封闭分配器环14，前隔热罩26和后隔热罩28一起可以形成分配器环14周围的绝热间隙30，如图3所示。前隔热罩26和后隔热罩28可以由例如铬镍铁合金718制成，并且可以利用本领域技术人员已知的各种方法中的任何方法来制造，诸如例如铸造、金属注射成型或其它的机械加工方法。隔热罩26，28可以在燃料分配器环14周围钎焊在一起。间隙30使得燃料与流经燃料喷嘴10中空腔的热空气隔开，这有助于防止燃料变得过热及焦化。

[0032]燃料喷嘴10可另外包括至少一个引导喷射器32，如图4所示。通常，引导喷射器32可以可操作地联接到引导腔上，在此，该引导腔可用作用于发动机点火的主燃料供给。引导喷射器32通常可以是可钎焊到燃料供给管道12上的机加工部分。在一个实施例中，引导喷射器32可以由与燃料供给管道12相同的材料制成。

[0033]不考虑确切的构造，燃料喷嘴可相对于其将放置在其中的发动机34如图5所示轴向地定向，或者如图6所示周向地定向。尽管或许期望用轴向定向来帮助降低喷嘴10的重量和尺寸，但本领域技术人员将理解喷嘴10必须具有足够低的热应力来满足部件寿命要求。可期望采用周向定向来降低喷嘴10上的热应力。两者之中的任一种定向都适于结合此处所述实施例来使用。

[0034]此书面说明书使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且使得本领域技术人员能够实施和使用本发明。本发明可取得专利的范围由权利要求书所限定，并且可包括本领域技术人员所想到的其它示例。如果这种其它的示例具有不异于权利要求书字面语言的结构要件，或者包括与权利要求书字面语言无实质差异的等同结构要件，则这种其它的示例意在属于权利要求书范围之内。

Claims (10)

1.一种用于制造能够输送液体的部件的方法，包括：

提供模型；

将由型芯材料制成的至少一个型芯放入所述模型中；

将部件材料在所述型芯附近注入所述模型中，以生成生坯部件；

加热所述生坯部件，以烧除所述型芯并生成在其中具有至少一个空腔的半成品部件；

烧结所述半成品部件，以生成能够经过所述至少一个空腔来输送液体的成品部件；和

热等静压所述成品部件，以生成99.9％致密的增密部件。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述型芯材料从包括SLA型树脂、聚碳酸酯、聚丙烯及其组合的组中选出。

3.根据权利要求1或权利要求2中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括将所述生坯部件加热到300°F(148℃)的温度并保持所述温度恒定一个小时，在五分钟内将所述温度升高到325°F(162℃)并保持所述温度恒定两个小时，在五分钟内将所述温度升高到350°F(176℃)并保持所述温度恒定两个小时，在五分钟内将所述温度升高到375°F(190℃)并保持所述温度恒定两个小时，在五分钟内将所述温度升高到400°F(204℃)并保持所述温度恒定两个小时，在五分钟内将所述温度升高到425°F(218℃)并保持所述温度恒定六至七个小时。

4.根据权利要求1、2或3中任一项所述的方法，其特征在于，所述成品部件为包括燃料供给管道和燃料分配器环的燃料喷嘴。

5.根据权利要求1、2、3或4中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括在700°F(370℃)至2300°F(1260℃)的温度范围内烧结所述半成品部件。

6.根据权利要求1、2、3、4或5中任一项所述的方法，其特征在于，所述液体为可燃的液体喷气燃料。

7.根据权利要求1、2、3、4、5或6中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括采用非线性的型芯。

8.根据权利要求1、2、3、4、5、6或7中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括采用彼此隔开至少0.02厘米距离的多个非线性型芯。

9.一种用于制造能够输送液体的部件的方法，包括：

提供模型；

将从包括SLA型树脂、聚碳酸酯、聚丙烯及其组合的组中选出的型芯材料制成的多个非线性型芯放入所述模型中；

将从包括镍基合金、钴基合金及其组合的组中选出的部件材料在所述型芯附近注入所述模型中，以生成生坯部件；

将所述生坯部件加热到大约150°F(大约65℃)至大约500°F(大约260℃)的温度范围，以烧除所述型芯并生成在其中具有多个非线性空腔的半成品部件；和

在700°F(370℃)至2300°F(1260℃)的温度范围上烧结所述半成品部件，以生成能够通过所述空腔输送液体喷气燃料的成品部件，

其中，所述成品部件为包括燃料供给管道和燃料分配器环的燃料喷嘴，并且其中，所述成品部件是95％至99％致密的。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，烧结所述半成品部件包括以5°F(2.7℃)/分钟的温升将所述半成品部件加热至1200°F(648℃)的温度并保持所述温度恒定一个小时，以5°F(2.7℃)/分钟的速度冷却至300°F(148℃)的温度，以5°F(2.7℃)/分钟的速度加热至1200°F(648℃)的温度并保持所述温度恒定两个小时，以5°F(2.7℃)/分钟的速度冷却至300°F(148℃)的温度，以5°F(2.7℃)/分钟的速度加热至1200°F(648℃)的温度并保持所述温度恒定两个小时，以5°F(2.7℃)/分钟的速度冷却至300°F(148℃)的温度，以10°F(5℃)/分钟的速度加热至1200°F(648℃)的温度，冷却至环境温度，以5°F(2.7℃)/分钟的速度加热至1500°F(815℃)的温度并保持所述温度恒定两个小时，以5°F(2.7℃)/分钟的速度加热至2000°F(1093℃)的温度并保持所述温度恒定两个小时，以35°F(19℃)/分钟的速度加热至2300°F(1260℃)的温度并保持所述温度恒定两个小时，以10°F(5℃)/分钟的速度冷却至2000°F(1093℃)的温度，以及以不受控制的速度冷却至低于1200°F(648℃)的温度。

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