CN102753284A - 用于中空部件的熔模铸造过程 - Google Patents

Abstract

一种用于中空部件如燃气轮机叶片的熔模铸造过程，使用陶瓷型芯（10），所述陶瓷型芯在柔性模具（24）中利用低压、振动辅助的铸造过程浇铸。柔性模具由主工具（14）浇注形成，主工具由软金属利用相对低精度的加工过程加工而成，通过将高精度形成的插入件（22）结合到主工具中而限定相对高精度的表面。多个相同的柔性模具可由单个主工具形成，以便允许以期望的生产率和以所期望的部件与部件间的精度来制造陶瓷型芯。

Description

用于中空部件的熔模铸造过程

相关文件的交叉引用

本申请要求2009年12月8日提交的美国临时专利申请61／267,519（代理人案卷号为2009P22785US）的优先权，其全部内容在此通过参引并入本文。

技术领域

本发明涉及熔模铸造领域。

背景技术

熔模铸造是最早已知的金属成型过程之一，其可上溯到数千年前，当时其首先用于由金属例如铜、青铜和金来制造细节复杂的艺术品。工业熔模铸造在十九世纪四十年代变得更加普及，当时第二次世界大战对特殊金属成型的精确尺寸部件的需求很大。现今，熔模铸造广泛应用在航空航天、电力工业中以制造燃气轮机部件，例如具有复杂翼型形状和内部冷却通道几何体的叶片或轮叶。

熔模铸造燃气涡轮叶片或轮叶的制造过程包括：制造陶瓷铸模，所述铸模具有陶瓷外壳和一个或多个位于陶瓷外壳内的陶瓷型芯，陶瓷外壳具有对应于翼型形状的内表面，陶瓷型芯对应于待形成在翼型内部的内部冷却通道。将熔化的合金引入到陶瓷铸模中，然后让其冷却和硬化。然后通过机械或化学手段来去除陶瓷外壳和陶瓷型芯，以显露出具有外部翼型形状和呈陶瓷型芯形状的中空的内部冷却通道的铸造叶片或轮叶。

注模陶瓷型芯通过如下方式制造：首先将期望的型芯形状精确加工成相匹配的型芯模具半，这些型芯模具半由高强度硬化的机件钢形成；然后连接这些型芯模具半以限定对应于期望型芯形状的注射体积，并且将陶瓷模制材料真空注入上述注射体积。模制材料是陶瓷粉末和粘结剂材料的混合物。一旦陶瓷模制材料硬化成坯体状态，就分开模具半以得到坯体状态的陶瓷型芯。然后，对脆弱的坯体状态的型芯进行热处理，以去除粘结剂并将陶瓷粉末烧结在一起，从而形成能够承受熔融合金铸造所必需的温度要求的材料。完整的陶瓷铸造容器通过如下过程形成：将陶瓷型芯定位在另一个精密加工的硬化钢模具（简称蜡模模具或蜡型工具）的两个连接的模具半内，其中所述硬化钢模具限定了对应于所需的叶片翼型形状的注射体积，然后将熔化的蜡真空注入陶瓷型芯周围的蜡模中。一旦蜡硬化，就分开并去除蜡模模具半，以呈现包裹在蜡型中的陶瓷型芯，现在所述蜡型对应于翼型形状。然后，例如通过浸渍过程在蜡型的外表面覆以陶瓷模制材料，以形成围绕型芯／蜡型的陶瓷外壳。在烧结外壳和随后去除蜡之后，完成的陶瓷铸模可以在熔模铸造过程中接纳熔融合金，如上所述。

已知的熔模铸造过程是昂贵和费时的，通常要用许多个月和成千上万美元来完成新型叶片或轮叶设计的开发。此外，设计的选择由陶瓷型芯制造过程中的工艺限制所限制，因为陶瓷型芯具有易碎性并且对于具有精细特征或大尺寸的型芯而言无法实现可接受的产量。金属成形工业已经认识到这些限制，并已开发出了至少一些渐进式的改进，如在美国专利7,438,527中描述的用于铸造翼型后缘的冷却通道的改进过程。由于市场要求燃气涡轮发动机具有越来越高的效率和功率输出，所以现有的熔模铸造过程的限制变得越来越成问题。

发明内容

虽然在熔模铸造技术领域中已提出了渐进式的改进，但是本发明人已经认识到，该行业面临着基本性的限制，这些限制在许多领域中显著抑制了用于计划进展的部件设计，例如下一代燃气涡轮发动机。燃气轮机点燃温度持续增加以便提高燃烧效率，并且随着功率等级的提高，燃气轮机的热气体路径部件的尺寸持续增加，所以现在需要设计长度超过一米的内部冷却的第4级燃气涡轮叶片。迄今为止没有制造出这样的叶片，也不认为利用今天已知的技术能够有效地制造这种叶片。在现有技术的涡轮机中，由于可用的超合金的高温性能，不需要第4级的内部冷却。由于点火温度上升，下一代的第4级涡轮叶片将超过这些已知合金的运转极限，并需要主动的内部冷却通道以保护部件的完整性。然而，由于复杂的冷却设计以及这些新叶片的投影尺寸，对于这样的冷却通道的熔模铸造所必要的陶瓷型芯超出了现有的熔模铸造过程的商业实践能力。随着期望的设计超过铸造能力，类似的限制可能会出现在其他工业中。

因此，本发明人开发并在此公开了全新的用于熔模铸造的方案。该新方案不仅延伸和细化了现有的能力，而且还为部件设计者提供了新的、以前不能用的设计实践。因此，在此公开的过程实现了具有如下特征几何形状的铸造金属合金部件的及时的且成本高效的制造：所述特征几何形状可能比目前可用的几何形状更大或更小，可能更复杂，可能具有此前从来不能铸造出的形状，并且可能具有以前不能达到但现在对于第4级内部冷却燃气轮机叶片中的非常长且细的冷却通道而言必需的特征纵横比。本发明使得铸造技术超过了可预见的需要，并且本发明消除了铸造过程中的设计限制，从而使设计师再次将设计延伸到铸造合金和外部应用的热障涂层的材料特性的限制。

本文所述的熔模铸造方案在熔模铸造过程中以多个步骤集成了新的和改进的过程。新方案的具体方面在以下的说明和权利要求中更详细的描述；但是，下面的概述提供给读者以熟悉整个过程，从而能够理解各个步骤和它们之间的协同的优点。

根据本文所述的一个方案的示例性熔模铸造过程可由通过使用主工具制造用于熔模铸模的陶瓷型芯开始，所述主工具由软金属加工而成，即由（与目前使用的高强度机件钢相比）相对较软、容易加工、廉价的材料如铝或软钢加工而成。形成两个主工具半，每一个主工具半对应于所期望的陶瓷型芯形状的两个相反侧中的一个。在每个主模具中浇注柔性的模制材料以形成两个配合的柔性模具半，两个柔性模具半当连接在一起时限定对应于期望陶瓷型芯形状的内部体积。然后，将陶瓷模制材料注入柔性模具中并且允许其固化成坯体状态。

用于生产主模具的成本和时间通过使用容易加工的材料而最小化。然而，用于下一代燃气涡轮发动机的先进设计特征在这种材料中使用标准的机加工过程可能无法很好地转化。相应地，主模具半的至少一部分可设计成用于接纳精确成形的插入件。插入件可通过任何已知的过程成形，如在美国专利7,141,812、7,410,606和7,411,204中所描述的Tomo过程，这些专利都转让给了弗吉尼亚州夏洛茨维尔的Mikro系统公司，并在此通过参引并入本文。Tomo过程使用金属薄膜堆叠层压模具来生产柔性派系的模具，而该模具又用于铸造零部件。首先在数字模型中嵌入部件设计，然后进行数字切片，并且使用光刻技术或其他精密材料去除过程形成相应于每个切片的金属薄膜。二维材料去除过程的固有精度与设计师对第三维度中不同切片的厚度的控制能力相结合，为三维制造公差精度提供了使用以前可用的标准模具加工过程所不能达到的程度。然后将薄膜堆叠在一起以形成用于接收合适的柔性模制材料的层压模具。“柔性”一词在本文中用于指代如下材料，如室温硫化（RTV）硅橡胶或其他能够用来形成“柔性模具”的材料，这种柔性模具不像现有技术的金属模具那样坚硬，而且允许模具弯曲并伸展到一定程度，以便于从该模具内的结构铸件上去除该模具。此外，术语“柔性模具”和“柔性工具”在本文中可用于包括自持性的柔性结构以及包含在刚性棺模内的柔性内衬或插入件。然后直接在柔性模具中浇铸部件。模具材料的柔性能够浇注具有突出的底切和反向锥化的横截面的部件特征，因为当铸件被拉出模具时柔性模具材料能够在特征周围变形。

以这种方式，陶瓷型芯的具有相对较低细节程度的部分，如光滑的长的通道部分，可使用廉价的标准机加工过程转化到主模具中，而陶瓷芯的具有相对较高细节程度的其他部分，如微尺寸的表面扰流子或复杂的通道形状，可使用精密的模具插入件转化到主模具中。此外，对于需要使用多个型芯的冷却通道设计，模具插入件可用于在多个型芯中的每一个中限定精确配合的连接几何形状，从而使得当多个型芯结合地定位在蜡模中时，相应型芯的连接几何形状将机械互锁，从而使得多个型芯在随后的注塑过程中用作为单个型芯。

附图说明

将在参照如图的如下说明书中详细阐释本发明，其中在这些附图中：

图1示出了根据本发明的方面可生产的陶瓷型芯；

图2示出了可在本发明的步骤中使用的现有技术的计算机设计系统；

图3示出了包含精密插入件的主工具的两个半件；

图4示出了铸造在主工具中的柔性模具；

图5示出了装配在一起以限定相应于陶瓷型芯形状的空腔的柔性模具；

图6示出了浇铸在柔性模具中的陶瓷型芯。

具体实施方式

图1-6示出了用于制造应用于熔模铸造的陶瓷型芯的过程的步骤。如图1所示，通过使用如图2所示的任意的已知计算机设计系统12形成部件，例如具有期望形状的陶瓷型芯10，的数字模型。该模型被数字化地切分为至少两部分，一般是对半分，并且使用传统加工过程和相对低成本且易于加工的材料，包括任何软金属如铝或者软钢，从数字模型制成主工具14。可向数字模型添加对齐特征16以用于随后连接两个半件。如果不能利用传统加工过程形成主工具的期望表面特征，那么可将精密成形的插入件22安装到主工具中以加入期望的表面特征。插入件可由Tomo过程、立体光刻、直接金属成型或其他高精度成型过程来成型。然后，整体加工表面是机加工表面18和插入件表面20的混合，如图3中所示，其中每一个主工具段包含精密成型的插入件。然后，由主工具浇铸柔性模具24，如图4所示。柔性模具然后被联合对齐并聚拢在一起以限定对应于期望型芯形状的空腔26，如图5所示。空腔用陶瓷铸造材料料浆28填充，如图6所示。一旦陶瓷铸造材料固化至坯体状态，则分开柔性模具以显露出陶瓷型芯10。陶瓷型芯复制了首先由精密模制的插入件产生的表面特征，如复杂的表面形貌或者精密成型的接头几何形状。例如，可以在两个陶瓷型芯段的第一个中形成燕尾式接头，以与第二个相配的型芯段中形成的对应几何形状机械连接。在开发测试期间，主工具插入件对于替选设计方案的快速原型测试也很有用，在开发测试期间，型芯的主体保持相同，但替选设计作为型芯的一部分来测试。代替对每个替选设计加工全新的主工具，只需要形成新的插入件即可。

现有技术的熔模铸造过程需要使用高成本、难于加工的、坚硬的工具钢材料用于主模，因为多个陶瓷型芯直接从单个主工具利用高压注射过程浇铸而成。高成本的部分原因是，由于需要在多个拉平面中从浇注型芯中移走刚性工具，所以工具是精心设计的多件系统。坚硬的工具钢是必需的，因为陶瓷材料会在高压注射过程中磨损工具。相比之下，本发明只将主工具用于柔性的（如橡胶）模制材料的低压或真空辅助浇铸中，如在上文引用过的美国专利7,141,812、7,410,606和7,411,204中所述。这样，低强度、相对软、易于加工的材料就可以用于主工具，例如，在一个实施例中使用7000系列铝合金。相比于现有技术的过程，这显著节省了时间和成本。

在转让给弗吉尼亚州夏洛茨维尔市的Mikro System有限公司的待定国际专利申请PCT/US2009/58220中描述了另一项能够在本发明中使用的技术，该文献通过参引并入本文。该申请描述了一种可以在其完全烧结状态下模拟已有陶瓷型芯模制材料的陶瓷模制成分，但相比于现有材料其提供了明显改善的坯体强度。将这种改进的模制成分结合到本铸造方案中有利于制造那些以前在坯体状态下无法经受处理的型芯几何形状，并且不会带来不可接受的高失败率。当型芯特征的形状使得模具必须围绕浇铸材料变形以便从模具中取出型芯时，提高的坯体状态强度在将陶瓷型芯从柔性模具中取出期间特别重要。浇铸到柔性模具中的陶瓷材料应该具有合适的坯体强度以使得：即使浇铸特征包含突出的底切或不平行的拉平面特征时，这在取出坯体陶瓷型芯期间要求柔性模具能够进行一些弯曲，也能够从模具中取出这样的浇铸特征。

在国际专利申请PCT/US2009/58220中描述的陶瓷铸造材料，作为料浆，展示了比现有技术的陶瓷型芯铸造材料更低的粘度，从而允许图6所示的步骤在低压下执行，例如，文中限定了应用不超过30psi（磅/平方英寸）（标准量具），并且在一个实施例中为10~15磅/平方英寸。这种低压力适用于注射到柔性模具中。相比之下，现有技术的陶瓷型芯材料注射通常在更高数量级的压力下执行。本发明者发现，铸造材料的振动辅助注射有助于保证材料的平滑流动和陶瓷材料颗粒遍及模具空腔的均匀分布。模具的柔性有利于把振动传入流动的浇铸材料。在一个实施例中，在图3步骤的模具制造期间，可将现有技术中已知的一个或多个小型机械振动器30嵌入到柔性模具自身中。然后，可以在图6的陶瓷模制材料注射期间启动振动器以改善材料的流动和料浆的陶瓷颗粒在整个模具中的分布。其它类型的能动装置32可嵌入到柔性模具中，例如任意类型的传感器（如压力或温度传感器）、加热源或冷却源、和/或遥感电路和/或数据传输天线。

在一个实施例中，陶瓷浇铸材料的环氧树脂成分在二氧化硅基料浆中的范围可以从28%重量百分比低至3%重量百分比。硅树脂可以是市场上可以获得的材料，如以Momentive SR355或Dow 255名称销售的材料。这种成分的范围可以从3%重量百分比高至30%重量百分比。混合物可以使用200目的二氧化硅或甚至更粗的颗粒。当其它树脂减少时溶剂成分一般升高，以便形成可铸造料浆。溶剂被用来在没有高温度的情况下溶解硅树脂并且与环氧树脂混合。烧结材料的破裂模量（MOR），以焙烧二氧化硅为基准，通常情况下，在含10%方石英时在三点测试机上为1500~1800磅/平方英寸。烧结材料的MOR与方石英含量紧密相关，方石英越多，室温强度越弱。坯体状态MOR取决于用来固化环氧树脂的温度，因为它是一个高温热固化系统。固化温度可以选择成允许一定的热成形，也就是重新加热坯体状态的材料到高于环氧树脂的反转温度以软化材料，然后将其从其铸态形状弯曲到后续应用所需的不同形状。重新加热的材料可以放置在真空袋内的固化模中，从而通过在袋中抽真空而使工件拉至与固化模相适应。对齐特征可以被铸造到型芯形状中，以与固化模便精确对齐。有利的是，至少4000磅/平方英寸的坯体MOR将允许型芯从柔性模具中取出并以显著降低的损坏几率进行处理，并且为其提供了恰当的强度以承受在固化模具中重塑之前或之后为了增加或重塑特征所进行的标准机加工操作。在这种热成形之后或者根本不进行热成形，可以进行附加的固化以增加强度。在一个实施例中达到的破裂模量是：

在110℃固化3小时的MOR=4000磅/平方英寸。

如上固化然后在120℃固化1小时的MOR=8000磅/平方英寸。

10％的烧制方石英含量可以成为目标。这可通过当前的矿化剂和烧制方案来改变。10％的初始方石英含量可用于创造遍及部件的晶体种子结构，以确保在将熔融金属浇注到陶瓷模具之前当型芯被加热，大部分其余二氧化硅能够及时转化成方石英。当再次加热时，这还使二氧化硅保持继续烧结成本身。

在熔模铸造产业中值得关注的另一参数是孔隙度。现有技术的陶瓷铸造材料通常具有大约35％的孔隙度。上述材料通常具有约28％的孔隙度。低孔隙度的危险性是，当铸造金属收缩和冷却时，铸造金属不能压碎陶瓷型芯，从而造成在本领域中被称为“热裂”的金属晶体损伤。上述材料在任何铸造试验中从未引起这样的问题。

上述用于制造熔模铸造陶瓷型芯的方案与已知的现有技术的工艺相比是有利的，如在下面的表1中所总结的：

表1

一旦制成陶瓷型芯，就将其整合到陶瓷铸造容器中，然后使用公知的过程在其中铸造金属部件。

上述方案实现了用于铸造工业的新商业模式。现有技术的商业模式使用非常昂贵的、长前置期的、粗糙的模具从单个主工具利用快速喷射和固化时间来制造多个陶瓷铸造容器（和随后的铸造金属部件）。相反，本文公开的新型方案使用较低廉的、更快制造的、较不粗糙的主工具和从主工具派生出的中间柔性模具利用慢很多的注射和固化时间来制造陶瓷型芯。因此，新的铸造方案可以有利地应用于快速原型开发测试应用中，因为与现有技术的方法相比，其能够更快和更便宜地形成第一种陶瓷型芯（以及随后制造的铸造金属部件）。此外，新的方案可有效地应用在大批量生产应用中，因为可以由单个主工具铸造出多个同样的柔性模具，从而允许并行地制造多个同样的陶瓷型芯，从而尽管每个型芯由于低压注射和潜在的长固化时间其所需铸造时间更长，仍然能够匹配或超过现有技术的方法的产量能力。本方案的时间和成本的节省不仅包括降低了制造主工具的成本和人力，而且还包括消除了现有技术中必需的某些铸造后步骤，例如钻出后缘冷却孔，因为利用根据本发明成形的陶瓷型芯可以将这些特征直接铸造在金属工件中，因为精密插入件可实现这种精密程度并且能够在多个拉平面中移除柔性模具。本发明不仅通过柔性模具制造了高精度工件，而且使部件与部件之间的精度达到了现有技术的柔性模制工艺所无法达到的程度。最后，本方案提供了这些成本和制造优点，同时使铸造迄今为止在现有技术能力范围无法实现的设计特征成为可能。由此，第一次允许部件设计者制造达到下一代燃气轮机设计目标所必需的硬件特征。例如，本发明便于制造整体外部包封尺寸的纵横比为20:1或者更高的、和/或具有30英寸或更大的整体长度的陶瓷型芯。这样，本发明允许商业生产对于现有技术而言不可能的下一代的主动冷却的第4级涡轮叶片。即使不需要冷却，本发明还能够将这种大的空心区域集成到大的铸造部件中以便减少重量。

文中已示出并描述了本发明的各种实施例，显然这些实施例仅作为示例而提出。在不偏离本发明范围的情况下可做出许多变型、改型和替代。

Claims (17)

1.一种熔模铸造过程，其中，在包括陶瓷型芯的陶瓷铸造容器中铸造中空的金属部件，改进之处包括通过如下过程来形成所述陶瓷型芯：

利用机加工过程形成主工具以限定所述陶瓷型芯的相对低精度的区域；

将精密成形的插入件结合到所述主工具中以限定所述陶瓷型芯的相对高精度的区域；

在所述主工具中浇铸柔性模具；

将陶瓷型芯材料浇铸到所述柔性模具中以形成所述陶瓷型芯；以及

当所述陶瓷型芯处于坯体状态时从所述陶瓷型芯上移除所述柔性模具。

2.根据权利要求1的熔模铸造过程，其中，浇铸陶瓷型芯材料的步骤还包括：在低压注射过程中将包括环氧树脂粘结剂成分的陶瓷型芯材料以料浆形式注射到所述柔性模具中。

3.根据权利要求1的熔模铸造过程，其中，浇铸陶瓷型芯材料的步骤还包括：在低压注射陶瓷模制材料期间振动所述柔性模具以辅助料浆在所述柔性模具中的分布。

4.根据权利要求1的熔模铸造过程，进一步包括：将能动装置结合到所述柔性模具中，并且在浇铸陶瓷型芯材料的步骤期间操作所述能动装置。

5.根据权利要求1的熔模铸造过程，进一步包括：形成两个主工具并且浇铸两个柔性模具以限定所述陶瓷型芯的两个相应的部分，并且在所述陶瓷型芯中结合接头几何体以将两个部分连接在一起而形成所述陶瓷型芯。

6.根据权利要求1的熔模铸造过程，进一步包括：在移除步骤之后，将坯体状态的型芯加热到所述陶瓷型芯材料的反转温度之上；以及

当所述坯体状态的型芯处于所述反转温度之上时，重新成形所述坯体状态的型芯。

7.根据权利要求6的过程，进一步包括：

形成所述陶瓷型芯以包括重新成形对齐特征；以及

利用包括对齐特征的固化模与所述陶瓷型芯的重新成形对齐特征相配合来执行重新成形步骤。

8.根据权利要求1的熔模铸造过程，进一步包括：

在精密插入件中形成工程形貌；

将所述工程形貌通过所述柔性模具复制到所述陶瓷型芯。

9.根据权利要求1的过程，其中，所述陶瓷型芯在多个拉平面中包括几何形状的细节，并且进一步包括：通过使所述柔性模具变形而不对坯体状态的陶瓷型芯产生损坏，将所述陶瓷型芯从所述柔性模具中取出，以便在每个拉平面中在所述陶瓷型芯中保持所述几何形状的细节。

10.根据权利要求1的过程，进一步包括：通过将可固化的模制材料低压注射到所述主工具中来浇铸所述柔性模具。

11.根据权利要求1的过程，进一步包括：形成所述主工具以限定整体外包尺寸的纵横比至少20:1的所述陶瓷型芯。

12.根据权利要求1的过程，进一步包括：形成所述主工具以限定整体长度至少30英寸的所述陶瓷型芯。

13.根据权利要求1的过程，进一步包括：

在所述主工具中浇铸多个相同的柔性模具；

以并行的过程将陶瓷型芯材料浇铸到各个相同的柔性模具中以形成多个相同的陶瓷型芯；

其中，多个柔性模具的数量选择为实现预定的产量。

14.一种熔模铸造过程，其中，在包括陶瓷型芯的陶瓷铸造容器中铸造中空的金属部件，改进之处包括通过如下的过程来形成所述陶瓷型芯：

限定包括以下各项中的至少一项的所述陶瓷型芯的几何形状：大于30英寸的长度尺寸，纵横比至少20:1的几何形状细节，以及限定非平行拉平面的两个几何形状细节；

形成限定所述陶瓷型芯的几何形状的阴模的柔性模具；

在所述柔性模具中浇铸具有至少4000磅/平方英寸的坯体状态破裂模量的陶瓷型芯；以及

通过使模具变形以允许在不损伤坯体状态的陶瓷型芯的情况下进行移除而将所述陶瓷型芯以坯体状态从所述柔性模具中取出。

15.根据权利要求14的过程，进一步包括：通过在所述主工具中浇铸所述柔性模具来形成所述柔性模具，所述主工具包括通过机加工过程限定的相对低精度的部分和通过将精密成形的插入件结合到所述主工具中而限定的相对高精度的部分。

16.根据权利要求14的过程，进一步包括：

由单个主工具形成多个相同的柔性模具；

以并行的过程中将陶瓷型芯材料浇铸到各个相同的柔性模具中以形成多个相同的陶瓷型芯；

其中，多个柔性模具的数量选择为实现预定的产量。

17.一种熔模铸造过程，其中，在包括陶瓷型芯的陶瓷铸造容器中铸造中空的金属部件，改进之处包括通过如下的过程来形成所述陶瓷型芯：

形成主工具以限定所述陶瓷型芯的形状；

在所述主工具中浇铸多个相同的柔性模具；以及

以并行的制造过程利用低压注射过程在多个柔性模具中浇铸多个相同的陶瓷型芯，其中，多个柔性模具的数量选择为实现预定的产量。

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