CN105592956A - 在注蜡期间使用柔性蜡模模具沿其长度支撑陶瓷型芯的熔模铸造 - Google Patents

Abstract

一种熔模铸造工艺，其中蜡模模具(42)是柔性的，以对封闭陶瓷芯(10)提供顺应性支撑以及有助于从铸造蜡模(52)移除模具，即使铸造形状将需要多个拉升平面。定位销(108)可以在注蜡步骤中从柔性模具延伸至与芯进行顺应性接触。销可以与形成在芯上的基座(128)配合以在注蜡期间沿多个轴支持芯，由此允许更高的注蜡压力而不损坏芯。

Description

在注蜡期间使用柔性蜡模模具沿其长度支撑陶瓷型芯的熔模铸造

相关申请的交叉引用

本申请是2010年12月07日提交的未决申请号为12/961,740(代理人案号为2010P13199US)的部分继续申请，该未决申请要求了美国临时申请号61/267,519(代理人案号为2009P22785US)的申请日2009年12月08日的权益。

技术领域

本发明一般而言涉及熔模铸造领域，并且更具体地，涉及使用柔性模具或模具以形成蜡模作为熔模铸造工艺的一部分。

背景技术

熔模铸造是最早已知的金属成形工艺中的一种，起源于其最初用于使用诸如铜、青铜和金制造精细的手工品的几千年前。在1940年代，第二次世界大战增大了专用金属合金形成的精确尺寸的零件的需求，工业熔模铸造变得越来越普遍。现在，熔模铸造普遍用在航空航天和电力工业中以制造燃气涡轮机部件，诸如具有复杂的翼形形状和内部冷却通道几何形状的翼片或翼片。

熔模铸造燃气涡轮机叶片或翼片的制造包含制造具有内表面对应于翼形形状的外部陶瓷壳的陶瓷铸造容器，以及位于对应于要在翼形内形成的内部冷却通道的外部陶瓷壳内的一个或多个陶瓷型芯。熔融合金被引入陶瓷铸造容器并随后被允许冷却和硬化。然后通过机械或化学装置移除外部陶瓷壳和陶瓷型芯以露出具有外部翼形形状和形状为陶瓷型芯的中空的内部冷却通道的铸造叶片或翼片。

制造用于注模铸造的陶瓷型芯包括，首先精密加工期望的芯形状到由高强度硬化机器钢形成的匹配的芯模的两个一半上，然后连接模的两个一半以定义对应于期望的芯形状的注入容积，以及真空注入陶瓷成型材料到注入容积中。成型材料是陶瓷粉和粘结材料的混合物。一旦陶瓷成型材料硬化为坯体状态，模的两个一半分离以释放坯体状态的陶瓷型芯。然后热处理易碎的坯体状态的芯以移除粘结剂并一起烧结陶瓷粉以创造可以承受在熔融合金铸造中存在所必须的温度要求的材料。通过在另一个精密加工的硬化钢模(称为蜡模模具或蜡模模具)的两个连接的一半中定位陶瓷型芯形成整个陶瓷铸造容器，其定义了对应于期望的翼形形状的注入容积，然后注入熔化的蜡至陶瓷型芯周围的蜡模模具中。一旦蜡已经硬化，模具的两个一半分离并移除以露出装在蜡模内部的陶瓷型芯，此时蜡模对应于翼形形状。然后用陶瓷成型材料，诸如通过浸渍法，包覆蜡模的外表面，以形成围绕芯/蜡模的陶瓷壳。在该壳体的烧结和随后蜡的移除之后，完成的陶瓷铸造容器能够容纳熔模铸造工艺中的熔融合金，如上所述。

在用陶瓷成型材料包覆蜡模之前插入定位线或销至蜡模中是进一步已知的。穿透蜡插入定位线直到它们仅仅轻轻接触包住的陶瓷型芯，使得在其引起对易碎的陶瓷型芯材料的损害之前终止线的进一步插入。线的一部分保持延伸超出蜡表面并随后包在周围的陶瓷成型材料中。一旦蜡被移除以及在后续的熔融金属注入步骤中，定位线用于提供对芯的机械支撑。线材料，通常是白金，将在熔融金属注入完成的陶瓷注模之后熔化并变得集成在最终的铸造产品中。

已知的熔模铸造工艺是昂贵且费时的，随着新叶片或翼片设计的发展，通常需要经历数月以及数十万美元来完成。进一步地，设计选择被陶瓷型芯和蜡模制造中的工艺极限所限制。金属形成工业已经认识到这些限制并已经开发了至少一些增量改进，诸如美国专利7,438,527中描述的用于铸造翼形后缘冷却通道的改进工艺。尽管增量改进已经出现在熔模铸造技术领域，发明人意识到该工业面临一些基本限制，这将极大地抑制用于许多领域中的计划改进的部件设计，例如在下一代燃气涡轮发动机中，其中为了提高燃烧效率，点火温度持续增大，以及随着功率级的提高，燃气轮机热气体通道部件的尺寸持续增大。

发明内容

本发明是用于熔模铸造的完全新的方案的一部分，并且当在陶瓷型芯周围铸造蜡模时，它集中于柔性模具的使用。特别地，在注蜡步骤中，在沿其长度的点用柔性模具支撑陶瓷型芯。本发明允许在注蜡步骤中使用更高的压力用于注蜡而减小芯的损害或移动的发生。本文描述了整个熔模铸造工艺，使得读者可以理解本发明如何匹配并贡献于新方案。

柔性蜡模模具可以形成为在棺式模具中具有柔性插入物的混合模具。柔性插入物通过使在铸造特征周围的柔性插入物变形而有助于从铸造蜡模移除蜡模模具，其否则需要多个拉升平面以用于硬模具。可以用母模具铸造柔性插入物，母模具可以用相当低成本和低硬度的材料加工，诸如铝或软钢。

一些期望的表面形貌太精细使得它们在后续的处理和陶瓷壳形成步骤中可能无法存在于蜡的表面。对于这种实施方式，可以结合柔性蜡模模具使用陶瓷插入物。可以形成陶瓷插入物以具有期望的复杂的表面形貌。陶瓷插入物设置在柔性蜡模模具中并形成定义注蜡容积的表面的一部分。在蜡注入和固化之后，当移除柔性蜡模模具时，陶瓷插入物保持粘附到蜡模。随后，陶瓷型壳形成在蜡模以及其粘附的插入物周围，诸如通过上述浸渍工艺，并且插入物在燃烧时成为陶瓷壳的集成部分。

放置在柔性蜡模模具中的陶瓷插入物还可以用于定义后续的铸造金属零件中的表面开口通道，诸如用于燃气涡轮机叶片的后缘冷却孔。在这个实施方式中，陶瓷插入物将包括对应于冷却孔的期望形状的突出。突出将延伸以与陶瓷型芯接触，由此定义在后续铸造零件中的冷却通道，其从叶片的中空内部部分(由陶瓷型芯定义)延伸至叶片表面(由陶瓷型芯的内表面定义)。凸起的远端可由与陶瓷型芯上形成的配合特征匹配的特征形成。芯和陶瓷插入物突出之间的机械接触用于精确地将陶瓷型芯定位于柔性蜡模模具中，并且还在后续的蜡和金属注入步骤中机械支撑陶瓷型芯。

可以形成蜡模模具的柔性插入物，以包括允许插入物相对周围的棺式模具精确放置的对准特征，其进而可以相对于封闭的陶瓷型芯精确放置插入物以及形成在插入物上的任何特征以用于注蜡工艺。

用于形成柔性模具或者柔性模具插入物的成型材料可以浸入或者铸造在材料或者器件的周围，其允许柔性插入物以期望的方式反应；本文宽泛地描述为柔性插入物包含反应元件。反应元件可以是给予期望的特性至后续固化的材料的填充物材料。例如，如果使用磁性颗粒作为填充物，固化的柔性插入物将响应于磁能。这种特性对于固定柔性插入物至周围棺式模具中是有用的，当形成棺式模具包括永磁体或电磁铁时。如果导热或热绝缘材料用作填充物，通过柔性插入物的热传递可以在其使用期间被更方便地控制。

当形成柔性模具或插入件时可以嵌入在其中的另一种类型的反应元件是活性器件。这种活性器件可以包括温度传感器、压力传感器、机械振动器、加热或冷却器件、或者在在后续的注蜡工艺中使用柔性插入物时是有用的其它器件。

可以与柔性蜡模模具一起使用定位销(线)，以在金属铸造期间机械支撑封闭的陶瓷型芯，并且重要的是，这些可以在注蜡步骤之前紧靠陶瓷型芯定位。专门的销支撑元件位于柔性插入物的表面的凹陷中，由此在注蜡之前将销相对于陶瓷型芯精确定位。这允许销在注蜡期间支撑芯并且其还允许销比现有技术工艺更加精确地定位，其中现有技术工艺需要销插入穿过已经铸造的蜡模。结果，减少了对易碎的的陶瓷型芯的损害并提高了工艺产量。可以用特定尺寸和定位的表面特征形成陶瓷型芯以与销的端部配合，以允许销沿两个轴提供对芯的支撑。

本发明中开发的使能技术描述于美国专利7,141,812和7,410,606以及7,411,204中，均转让给位于弗吉尼亚夏洛茨维尔的MikroSystems有限公司，并且全部通过引用并入本文中。该技术通常被称为Tomo光刻成型技术(在下文中称为“Tomo工艺”)，并且它包含了金属箔叠片模具的使用以制造柔性衍生模具，然后其进而用于铸造部件零件。部件设计首先嵌入在数字模型中，然后被数字化切片，并且使用光刻或者其它精密材料去除工艺形成对应于每个切片的金属箔。二维材料去除工艺的固有精度与设计者控制三维中各种切片厚度的能力相结合提供了之前使用母模具加工工艺不能得到的三维制造公差精度程度。箔片叠加在一起以形成用于接收合适的柔性成型材料的叠层模具。本文所使用的术语“柔性”指代诸如室温硫化(RTV)硅胶的材料或者可以用于形成不像现有技术的金属模具一样坚硬的“柔性模具”的其它材料，但是为了便于从其中铸造的结构中移除模具，其允许模具弯折并伸展至一定程度。进一步地，本文所使用的术语“柔性模具”和“柔性模具”包括自立的柔性结构以及包含在坚硬的棺式模具中的柔性衬垫或插入物。然后部件被直接铸造于柔性模具中。因为柔性模具材料在铸造零件被拉出模具时在特征周围变形的能力，模具材料的柔性使能够铸造具有凸起底切和反向横截面锥的部件特征。

总的来说，这些改进定义了用于熔模铸造的新方案，其克服了现有技术中的许多限制，特别是在熔模铸造工艺的蜡模部分的限制，如下面更完整地描述的。

附图说明

本发明在下面的描述中通过结合附图详细说明，附图显示了：

图1是现有技术的陶瓷型芯。

图2A-2B示出了用于制造用于熔模铸造工艺的蜡模模具的步骤。

图3示出了位于陶瓷型芯和柔性蜡模模具之间的间隔物，用于在注蜡期间定位芯和支撑芯。

图4A-4H示出了熔模铸造工艺的步骤，其中工程表面形貌直接铸造于金属零件表面中。

图5是从Tomo工艺柔性模具产生的第一蜡模表面。

图6是从Tomo工艺柔性模具产生的第二蜡模表面。

图7是具有凸起的表面图案的蜡模表面。

图8A-8C显示了由受到渐进式喷砂的单个母模具获得的蜡表面。

图9A-9C示出了用于在熔模铸造零件中制造工程表面的步骤。

图10A-10B示出了用于在铸造金属零件中定义表面开口通道的蜡模模具插入物。

图11是包括附着于棺式模具的活性(磁性)颗粒和磁体的柔性注蜡模具插入物的部分截面图。

图12是定位在棺式模具中的柔性注蜡模具插入物的部分截面图,其中衬垫封装了活性器件。

图13A-13E示出了具有柔性模具插入物的芯定位线的使用，从而在注蜡步骤之前线紧靠芯定位。

图14示出了具有梳子设计的插入物。

图15和16示出了芯定位线的使用，其与形成在陶瓷型芯上的基座配合以在注蜡期间沿多个轴支撑芯。

图17示出了用于以相对于模具拉升平面的浅角放置的芯定位线的临时支撑元件的使用。

具体实施方式

作为诸如可以用于铸造燃气涡轮机叶片或具有复杂的内部冷却通道的其它部件的熔模铸造工艺的一部分，首先制造将定义内部冷却通道的形状的陶瓷型芯。图1是一个这种陶瓷型芯10的示图，其可以由任何已知工艺形成。

一旦制造了陶瓷型芯，在熔模铸造工艺中的接下来的步骤是使用芯作为蜡模模具的一部分，用于在芯周围铸蜡以定义铸造叶片或其它铸造零件的最终的外表面形状。当因为零件的几何形状而需要多个拉升平面以用于从蜡模或铸造零件去除模具时，现有技术的蜡模模具设计是特别复杂和昂贵的。本发明提供了一种新颖的获得蜡模模具的方法，其将模具制造的时间和成本减少为传统蜡模模具所需的一小部分，并且进一步地，提供了带来更大的部件设计灵活性和更高的铸件产出率的改进的能力。

简单地，使用低成本铝或软钢(或其它容易加工的材料，统称为软金属)母模具代替现有技术昂贵的机器工具钢制模具。然后使用低压注入工艺从母模具制造获得柔性蜡模(模具)。图2A示出了软金属(诸如容纳柔性成型材料14的加工铝)形成的母模具12的一段，以制造柔性蜡模模具16的一侧16a，同时以类似的方式制造的柔性蜡模模具16的另一侧16b。柔性蜡模模具可以完全由柔性成型材料形成，或者其可以采用柔性模具插入物(或衬垫)与坚固的棺式模具相结合使用的混合形式，其在下面示出并描述。图2B显示了柔性蜡模模具的两个装配侧，其显示了放置陶瓷型芯到定义于柔性模具侧之间的注入腔18中。

可以形成母模具，以容纳一个或多个精密插入物20，其在图2A-2B的实施方式中用于形成定位特征22，诸如形状为柔性定位销，与紧靠芯的模具的柔性内表面24是集成形成的。如果需要，各种形状的精密插入物可以用于母模具的任何区域中以定义高清细节的增强区域，包括例如有助于要应用于之后铸造的金属零件的涂层的粘合的工程表面粗糙度，如下面更完整地描述的。插入物可以使用Tomo工艺、立体制版、直接金属制造或其它高清工艺形成。然后在复制了母模具的细节的注蜡模具的柔性内表面复制母模具的混合表面26(加工的铝表面和精密插入物表面)。

图2B所示的定位特征从具有高机械迟滞性的柔性模具本体延伸至和陶瓷型芯温和接触，由此保证在柔性蜡模模具中的芯的合理位置。在注蜡期间定位特征提供了在芯/模具界面28处的一定程度的顺从性，同时提供了对芯提供机械支撑。现有技术的模具已知为加入金属销以与芯硬接触，但是这种硬接触通常在模具封闭期间对相对脆弱的陶瓷型芯造成损害。

本文所描述的柔性特征提供了一定程度的宽容，因为减少了对芯的损害机率，其被转化为可接受的零件的更高的生产量。可以改变定位特征的柔性程度，但是它们可以比它们接触的芯表面更柔性，使得它们可以通过芯变形而不对陶瓷型芯材料造成损害。相反，现有技术的定位销比芯材料更坚硬，并且它们不能通过芯变形而不损害陶瓷型芯材料。有利地，定位特征的位置不需要与拉升平面平行，因为模具材料的柔性本性，其允许它们弯折以便于移除。

在图3所示的另一个实施方式中，为了定位芯以及对芯提供机械支撑，未集成到柔性模具的柔性销或间隔件30可以位于芯和柔性模具之间。这种非集成的间隔件可以由泡沫或蜡或能够接合陶瓷型芯而不损害芯的任何材料形成。可以用粘合物32保持间隔件就位和/或其可以插入形成在柔性模具的开口34中。间隔件可以设计为在注蜡之后的壳硬化期间烧毁，或者其可以在加壳之前从蜡模拉出。可替换地，间隔件可以由陶瓷铸造材料形成，并且其可以由蜡模保持被裹住，然后被涂覆并与后续使用的陶瓷壳材料集成形成。在熔融金属合金铸造后，被裹住的陶瓷间隔件将用于定义铸造金属零件中的表面开口通道。在这些选择的任何一项中，柔性模具的柔性内表面和间隔件本身的柔性用于在注模步骤期间为芯提供一定程度的顺从支撑。

上述用于制造蜡模模具的方案与已知的现有技术工艺有利地进行比较，如下面表1所概括的。

表1

图4A-4H示出了熔模铸造工艺的步骤，其中工程表面形貌36直接铸造于金属零件表面38中。在图4A中显示了棺式模具(硬模)40的两个一半，每一个包含具有包含期望的表面形貌的暴露表面的柔性模具插入物(衬垫)42a、42b。柔性插入物可以直接采用Tomo工艺或采用其它精密工艺形成的母模具制造。图4B显示了组装在一起的两个棺式模具的一半作为陶瓷型芯周围的柔性蜡模模具44，由此定义符合后续铸造金属零件46的期望形状的注入腔18。陶瓷型芯的终端，已知为芯座48，延伸至与棺式模具接触以相对于棺式模具和柔性模具插入物支撑芯。然后使用注入工艺用蜡50填充注入腔，如图4C所示的。在蜡硬化后，移除模具以露出图4D所显示具有在其外表面上的期望形貌的蜡模52。然后用(加壳的)陶瓷材料使用现有技术已知的技术涂覆蜡模，以形成图4E所显示的蜡填充陶瓷铸造容器54。然后移除蜡，诸如通过加热，以制造图4F中所显示的铸造容器56。然后熔融金属合金58铸造于图4G中所显示的铸造容器中，并且破坏性地移除陶瓷铸造容器以露出如图4H所示的具有内腔60和在其表面38上集成的铸造的工程表面形貌36的部件46。

图4A的柔性模具插入物可以直接从Tomo工艺母模具获得，如所引用的美国专利7,141,812和7,410,606以及7,411,204所描述的。可替换地，Tomo工艺模具或其它精密母模具可以用于形成一个或多个中间模具，中间模具受到修改并进一步增强表面形貌的进一步工艺步骤。在一个实施方式中，金属箔标准Tomo工艺模具用于铸造第一柔性模具，并且第一柔性模具用于铸造纤维材料中间模具。然后对中间模具喷砂以在模具的表面暴露一些纤维。然后第二柔性模具铸造于中间模具中，并且第二柔性模具将复制所暴露的纤维的形状作为其表面形貌的一部分。第二柔性模具接着被用于图4A的棺式硬模中。

在其最简单的形式中，柔性模具用于在蜡模的表面产生坚固的特征，其通常可以凹入蜡的表面中。典型地，这些可以是相对低角度的并且是具有在边沿建立高角度步骤的目的的浅轮廓，以建立互锁几何形状并增大具有叠加涂层的界面的表面区域。可以使用六边形类型的结构或蜂窝结构。图5显示了使用上述步骤的蜡模表面中被认为是坚固的这种表面62。蜡模中的这种表面在熔模铸造中产生可转移的蜂窝状的表面，导致了周期性的粗糙表面(在宏观范围内)，其建立高度的互锁和增大的表面面积以用于具有叠加的涂层的粘合完整性。还可以从跨越表面的增大的断续涂层厚度获得额外的益处。

附加的表面工程可以导致甚至更大的表面面积增加和互锁，诸如图6中可见的，其中六角形状形式的边沿变圆以形成齿轮齿形类型的层64。典型的表面特征深度已经产生并显示为在0.38mm和0.66mm处是有效的，但是这些深度不表示最优也不意味着限制。在高表面角度的区域(例如，翼形的前缘或后缘部分或者翼形/平台的相交处)，表面的图案化凸起可以是有益的。可以由第二代柔性模具(即，来自柔性母模具的柔性模具复制)制造这种凸起。图7显示了通过这种模具技术制造的凸起的蜡表面图案66的示例。凸起模具可以被工程化以在表面中产生切口，由此增大与涂层机械互锁的程度。这在涂层的高应力区域中是特别有用的。可以注意到还可以在凹陷的表面特征中产生底切。

可以通过非Tomo表面修正技术进一步修正母模具，诸如喷砂或打磨或在表面上产生源自激光的微坑标记，或者添加粘合到母模具表面的第二相材料，例如采用诸如环氧树脂的粘合剂。这种材料可以包括，而不限于，可以随机或以预定图案应用到表面上的碳化硅颗粒或短切纤维。表面修正技术或第二相材料产生在模具表面上的随机表面阵列，其可以用于定义柔性模具的表面并且潜在地从第二代柔性模具复制。作为一个示例，图8A-8C显示了由母模具产生的蜡模表面68、70、72，其通过不同程度的混合表面被渐进式修改，以产生独特的微表面特征。在这种情况下，对母模具进行渐进式喷砂，并且基本的Tomo工艺形状被渐进式侵蚀，在从表面68进行到表面72时导致了甚至更圆的结构，但仍然保留Tomo工艺特征的基本形状。这种混合，结合Tomo工艺的性能以产生凹陷的或者凸起的工程表面，显示了工艺的实质灵活性以在铸态零件中产生很多种工程表面。有利地，本工艺允许通过在喷砂母模具中铸造的多代柔性插入物对喷砂母模具表面的复制而不需要额外的实际喷砂，因此保证了精确的零件到零件的复制。该工艺，一旦已经产生期望的母模具表面，事实上会变得对表面修正工艺变化不敏感，因为由母模具获得的所有结果表面是完全相同的。

图9A-9C示出了用于在熔模铸造零件中产生工程表面的另一个实施方式，其中期望的表面最后一层在蜡模阶段太易碎以致而难以被有效地转移到壳涂层74中。这种表面通常是会导致蜡模中可能容易在处理和涂壳期间损坏的易碎凸起的那些。在这个实施方式中，可以用Tomo工艺形成可消耗的陶瓷插入物76或者否则具有期望的表面形貌36。可消耗的插入物形成柔性注蜡模具16的一部分，如图9A所示，但其在从铸造蜡模移除模具后而从模具拆卸并和蜡模52在一起，如图9B所显示的。当蜡模被加壳并且壳74被热处理时，插入物保持为壳结构的一部分，定义用于铸造容器56的外腔壁78，如图9C所显示的。插入物的内面包含铸造零件的最终金属表面的期望的形貌，然后细节利用必须通过蜡转移形貌的替代方法保留为更坚固的形式。该工艺可用于保留表面中的细节，否则会因为易碎性而在蜡模中损害。这种工艺使自身适合模块性，诸如其中暴露的翼形区域(诸如翼形的前缘和后缘)需要额外的锚。这种陶瓷插入物可以在应用到注蜡模具之前被部分地热处理。

图10A-10B示出了可消耗的插入物80的另一种使用，用于在最终的铸造金属零件中定义表面开口通道，诸如对在燃气涡轮机叶片中形成后缘冷却通道是有用的。插入物可以由硅石、陶瓷或石英材料构成，并且其被设计为配合于匹配凹陷82中，诸如在柔性蜡模模具16中的槽或开口。该插入物，柔性蜡模模具，以及芯10都可以用足够的精度形成，诸如采用Tomo工艺，使得插入物的突出的腿84紧靠芯或与芯中的匹配开口86配合以建立它们之间的机械接口，如图10A所显示的。该机械接口可以是对接接头或凹陷接头或其他匹配几何形。插入物在移除柔性注蜡模具后保留在蜡模52中，如图10B所显示的，并且其在后续的壳形成工艺中变成和壳(未示出)是一体的。插入物的突出的腿在由芯定义的内部通道和由壳内表面定义的零件的外表面之间建立了铸造金属零件中的通道，并且它们还在蜡和金属注入步骤期间提供了对芯的机械支撑。通过采用诸如Tomo工艺的精密工艺形成柔性蜡模模具插入物，现在可以产生具有之前现有技术不可能具有的形状、角度、纵横比、锥度、螺旋形等的叶片后缘冷却通道。一个示例是由图10A和10B的插入物80所形成的非线性冷却通道。有利地，插入物包括基本上与部件表面平行的部分81，由此增加冷却通道的有效性。这种类型的几何形状不能用标准的铸造后加工工艺获得。每个插入物可以定义单个冷却通道，或者可替换地，可以通过采用梳子设计形成的插入物83定义多个冷却通道，如图14所示的。

图11示出了具有柔性模具插入物42的棺式模具40的一个实施方式，其中采用匹配对准特征形成模具和插入物，其简化了柔性模具插入物到棺式硬模的放置并且保证了它们之间的适当对准。图11示出了在插入物表面上的梯形凸起88以及在棺式硬模表面上的镜像图形形状的凹槽90的使用，但是本领域技术人员可以理解的是，可以使用任何匹配形状的变形。柔性模具的使用的一个优点是它们的低成本和可互换性，并且这种对准特征的使用保证了和单个棺式硬模一起使用的多个柔性模具插入物的每一个是适当定位的。柔性插入物的适当定位还保证了当芯由棺式模具支撑时，插入物是适当指向芯的。

各种反应元件可以封在柔性注蜡模具或模具插入物中。在一个示例中，图11示出了填充物颗粒92作为模具材料中的反应元件的使用，其用于形成柔性插入物42。填充物颗粒在其被铸造到模具形状中之前与模具材料混合，此时该材料仍然是液体状态。颗粒可以是各种材料或材料的组合物的任一种，其共同地给予模具衬垫期望的特性。例如，可以选择颗粒以具有期望的导热特性，诸如对热能是高传导性的以增加插入物的导热性。在其它实施方式中，颗粒可以是热绝缘的。图11中的至少一些填充物颗粒可以是有磁性的并且被安装在棺式硬模中的磁铁94吸引，由此保持柔性插入物在棺式硬模中的合适位置。磁铁可以是永磁磁铁或电磁铁，当电磁铁被去激励时，其进一步有助于从棺式硬模释放插入物。在另一个实施方式中，磁铁用在用于铸造柔性模具插入物的母模具中，使得当模具材料固化时在液态模具材料中的磁颗粒被吸向磁铁，由此引起在接近磁铁的模具区域中的颗粒的优先分配。

图12示出了作为柔性插入物42中的活性器件96的反应元件的使用。在模具材料铸造期间活性器件定位于母模具(未示出)中，使得器件被封在模具材料中。本文所使用的术语“活性器件”包括除了在柔性模具使用期间用于增强模具有效性的模具材料外的任何物体或空间。活性器件的示例包括，但不限于：传感器诸如温度或压力传感器，其可以用于监测铸造工艺；致动器诸如机械振动器，其可以用于帮助铸造材料流过注入腔；温度调节器件，诸如电阻加热器或者用于加热或冷却液的通过的流体通道，其可以用于在铸造工艺期间调节温度等。活性器件可以连接到相关系统98，诸如位于模具材料外侧的电子电路或流体系统，或者器件可以隔离在模具材料并且响应于诸如询问RF信号或声能的远程通信信号。

如上面本发明的背景技术中所描述的，在现有技术中已知将铂丝(或销)插入蜡模以在形成蜡模之后与嵌入的陶瓷型芯接触。这个过程是不稳定的，因为铂丝插入太深会造成对陶瓷型芯的损害，其可能保持未被检测到直到金属零件被铸造后并且没有在铸造之后检查。进一步地，现有技术的铂丝在注蜡期间没有对芯提供支撑，因为它们没有放置就位直到铸蜡之后。本发明打算结合柔性蜡模模具和这种定位线或销的使用以对由线提供的支撑提供一定程度的柔性并且进一步允许在注蜡步骤之前将线定位为紧靠陶瓷型芯。图13A-13E示出了如何实现的一个实施方式。

用表面凹陷100形成柔性插入物42，用于接收可移动的支撑元件，诸如图13A所显示的盘形物102。支撑元件可能在其它实施方式中具有其它形状。在一个实施方式中，为了保证化学和热膨胀适应性，柔性插入物和盘形物可以用同一种材料形成。盘形物形成有孔或开口104用于接收定位销106，诸如已知的铂定位线。本领域技术人员可以理解的是，可能存在与插入物有关的多个这种盘形物和线，用于特定陶瓷型芯设计的支撑。柔性模具可以形成有底部柔性插入物(示出)和顶部柔性插入物(未示出)。线、盘形物和插入物是预安装的，然后陶瓷型芯10被定位于柔性模具中，以与线的顶表面轻微接触。在所示出的水平实施方式中，底部插入物形成了芯位于其上的床，然后顶部插入物(未示出)在芯上方下降以形成柔性模具。温和的指压可以应用于均匀地预装载芯到线上。在一个实施方式中，形成在盘形物中的孔的直径可以相比于线直径小0.005-0.010英寸，以提供对线移动穿过盘形物的稍微阻挡，由此允许线以任何支撑芯而不引起对芯材料造成损害所必须的程度延伸至或穿过盘形物。在一个实施方式中，其中单个柔性插入物设计使用多个芯设计，空白盘形物(即，没有孔104)被提供给区域，其中在插入物中存在凹陷但是不需要线来支撑特定的芯设计。

从图13A可以理解，定位线在注蜡步骤之前处于与芯邻面接触的位置(即，轻微接触或者极度接近)，由此克服现有技术中穿过铸造蜡模的线的适当定位问题，并且还在注蜡期间对芯提供了一定程度的机械支撑，然而现有技术中这种销的使用是仅仅在后续的金属铸造步骤期间用于芯的支撑的。然后如图13B注入蜡108，并且一旦蜡已经固化，如图13C所显示的移除柔性插入物和定位盘形物，露出蜡模52并且离开每条线的延伸超出蜡表面112的部分110。由于每条线可以被定位为大致与在该位置的芯表面垂直，可以存在必须的多个拉升平面用于从线移除柔性插入物。盘形物的锥形的形状以及其在柔性插入物中的匹配的凹陷有助于从可以用于特定芯的多个定位销移除插入物。可以理解的是，对于每个模具的一半中的线全部基本互相平行的实施方式中，定位盘形物不是必须的。在这种实施方式中，每条线可以被接收到直接形成于柔性插入物中的各自的孔中。

然后通过已知的浸渍工艺在蜡模上形成陶瓷壳涂层74，以包围如图13D中所显示的线的凸起部分，然后移除蜡以露出包括预定位的芯支撑线的完成的陶瓷注模容器56，如图13E所显示的。

图15示出了芯定位线120的使用的另一个实施方式，以将陶瓷型芯122支撑在柔性注蜡模具124中。在该实施方式中，线120保留在形成于模具124表面中的孔126中。形成芯122以包括基座128，其从芯的中间表面130凸起以定义当芯122定位于模具124中时线120延伸进入其中的山谷132。为了呈现用于接收线120的相对较大的开口，以考虑到当组装芯122至模具124中时的细小的定位误差，可以用斜壁134形成山谷132。尽管在图15中截面所示，可以理解的是，围绕线120的壁134使得在线120和基座128的壁134之间的机械接口可以在注蜡步骤期间沿着多个轴提供对芯122的支撑。

图16示出了形成在陶瓷型芯142上的基座140的另一个实施方式。该基座140包括凸起底切144，其沿着销148的长轴在两个相反的方向中用销148的头146提供机械干涉，以便在销148与柔性注蜡模具150接合时在注蜡期间提供对陶瓷型芯142的支撑。

可以注意到，图13A、15和16所示的线或销的任一个可以以其纵轴垂直于模具的局部表面并且垂直于陶瓷型芯的局部表面的方式安装，或者以其轴相对于其具有一定角度地安装，因为模具表面的柔性有助于在注蜡步骤之后从销移除模具。以这种方式，可以沿陶瓷型芯的长度使用一个或多个销，以在任何期望的方向提供机械支撑，并且特别是沿多个非平行轴。在一些实施方式中，期望将销定位在相对于柔性模具的局部表面非常高的角度，由此使得其很难在注蜡之后移除模具，而不管模具表面材料的柔性以及不管在图13A的盘形物102上形成锥形侧表面。在图17所示的一个这种实施方式中，其中销160定位于接近陶瓷型芯162的蜡模模具中，并且由柔性模具表面164以诸如小于45度的浅接近角A支撑。销160通过设置在具有侧表面170放置在基本平行于用于在注蜡步骤之后移除模具的拉升平面172的凹陷168中的支撑元件166保持就位。通过形成易变材料(即诸如可溶蜡或者可以从销160的周围溶解而不破坏用于铸造蜡模的非可溶蜡的其它材料的材料)的支撑元件166，有助于在从模具移除蜡模之后，移除支撑元件166以暴露销160的末端。可替换地，支撑元件166可以用与蜡模相同的蜡形成，并且其可以通过局部熔化或机械移除来移除。支撑元件166和销160在被安装到凹陷168之前预先形成为组件，或者销160可以在期望的位置定位在凹陷168中，然后形成支撑元件166的易变材料可以倒入凹陷168中并固化。

作为通过本文所描述的柔性模具提供增强的兼容性的结果，与用硬模具坚硬地支撑芯的现有技术的系统相比，减小了在注蜡期间对陶瓷型芯造成的损害。通过比现有技术可能的更高的压力注入熔化的蜡时可以发现该优点。例如，以300psig注入测试蜡模，其为现有技术的典型值150psig的两倍，而在20次测试的20次中均不损害芯，而使用现有技术的硬金属模具的300psig的注入压力在大多数情况下很可能会破坏陶瓷型芯。更高的注入压力是具有经济吸引力的，因为其提供了更好的热蜡分布并在开启之前导致更少的必要准备。在本发明的范围内可以预见，可以使用高于150psig或者高于175psig或者高于200psig，或者任何高于现有技术压力的注蜡压力，诸如在150-300psig范围内的任何值或者更高值。

上述熔模铸造方案代表了用于铸造工业的新商业模型。现有技术的商业模型使用非常昂贵、长交货时间、结实的模具以用快速注入和固化时间从单个母模具来制造多个陶瓷铸造容器(以及后续的铸造金属零件)。相反，本文所公开的新方案使用不那么昂贵的、更快速制造的、不那么结实的母模具以及从母模具获得的中间柔性模具来制造具有更低注入和固化时间的陶瓷铸造容器。因此，新的铸造方案可以有利地应用于快速原型制造和开发测试应用，因为其使首次陶瓷铸造容器(以及后续制造的铸造金属零件)的建立比采用现有技术的方法更快速、更便宜。通过使用用于可改变的设计特征的可交换的插入物可以相对容易地用单个母模具制造多个不同原型的设计。进一步地，可以在大批量生产应用中有效地应用新方案，因为可以用单个母模具铸造多个一致的中间柔性模模具，由此允许并行产生多个陶瓷铸造容器以匹配或超越现有技术方法的生产能力，而仍然保持相对于现有技术的显著的成本优势。本方案的时间和成本节约不仅仅是生产母模具的减少的成本和精力，还包括现有技术中生产某个设计特征所必须的某些金属铸造之后的步骤的省略，诸如后缘冷却孔或者表面粗糙度，因为这种特征使用本文所公开的新方案可以被直接铸造于金属零件中，而在现有技术中它们需要铸造后工艺。本发明提供了用于提高可接受的零件产量的潜能，因为它减少了定位线紧靠脆弱的陶瓷型芯放置的风险，并且它还提供了用于更高的注蜡压力而不对陶瓷型芯造成损害的潜能，因为以比现有技术的硬模具所可能的具有更好地机械顺应性将芯支撑在柔性注蜡模具中。本发明不仅通过柔性模具制造了高精密的零件，它还使零件-零件的精密度达到用现有技术的柔性模具工艺不能实现的程度。最终，本方案提供了这些成本和生产优势，而同时使能进行现有技术的技术能力内没有的设计特征的铸造，由此第一次允许部件设计者制造对实现下一代燃气涡轮机设计目标所必须的硬件特征。

尽管本文显示并描述了本发明的各种实施方式，显而易见的是这种实施方式是仅仅以示例的方式提供的。可以作出大量的变形、改变和替代而不脱离本文中的发明。

Claims (20)

1.一种制造用于熔模铸造工艺的蜡模的方法，所述方法包括：

在蜡模模具中定位陶瓷芯；

用所述模具的柔性表面支撑所述陶瓷芯；

将熔化的蜡围绕所述陶瓷芯注入所述模具中；以及

在所述蜡硬化之后移除所述模具，以露出封在蜡模内的所述陶瓷芯。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以大于175psig的压力注入所述熔化的蜡。

3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括通过放置各自的多个销以从所述模具的所述柔性表面延伸以沿各自的多个非平行轴与所述芯邻面接触，而在注入熔化的蜡步骤期间在沿其长度的多个位置支撑所述陶瓷芯。

4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括通过放置销以从所述模具的所述柔性表面延伸以与所述芯邻面接触，而在注入熔化的蜡步骤期间在沿其长度的位置支撑所述陶瓷芯。

5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括对准所述销以与形成在所述芯上的基座邻面接触，以沿多个轴为所述芯提供支撑。

6.根据权利要求5所述的方法，进一步包括形成所述基座以具有由斜壁定义的开口以用于接收所述销。

7.根据权利要求4所述的方法，进一步包括：

在所述模具的所述柔性表面中形成凹陷；

在所述凹陷中放置支撑元件；以及

穿过所述支撑元件中的开口安装所述销，以朝向所述芯延伸。

8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括形成所述凹陷和所述支撑元件以具有匹配的锥形侧面。

9.根据权利要求4所述的方法，进一步包括：

在所述模具的所述柔性表面中形成凹陷；

用放置在所述凹陷内的易变材料支撑所述销；以及

在移除所述模具的步骤之后移除所述易变材料。

10.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述注蜡步骤之前，插入精密的陶瓷插入物至形成在所述模具的所述表面中的凹陷中，以及在所述蜡硬化之后移除所述模具，以露出所述蜡模，其中所述陶瓷插入物留在所述硬化的蜡的表面上。

11.一种用于制造用于熔模铸造工艺的蜡模的模具，所述模具包括：

模具本体，包括定义所述蜡模的期望外表面几何形状的柔性内表面；

放置在所述模具本体内的芯，所述芯在注蜡步骤之后形成所述蜡模的一部分并且定义了所述芯和所述柔性内表面之间的注蜡容积；以及

金属销，由所述柔性内表面支撑并且通过所述注蜡容积延伸至紧靠所述芯的位置，以在注蜡步骤期间有效支撑所述芯。

12.根据权利要求11所述的模具，进一步包括：

在所述模具本体的所述柔性内表面中的凹陷；

放置在所述凹陷中的支撑元件；以及

形成在所述支撑元件中的用于接收所述销的一端的开口。

13.根据权利要求11所述的模具，其中形成所述支撑元件，以具有形状与所述凹陷的锥形侧边匹配的锥形侧边。

14.根据权利要求11所述的模具，进一步包括：

多个金属销，由所述柔性内表面支撑并且通过所述注蜡容积延伸至紧靠所述芯的多个位置，以在所述注蜡步骤中沿各自的多个轴支撑所述芯。

15.根据权利要求14所述的模具，其中所述轴中的至少两个轴是不平行的。

16.根据权利要求11所述的模具，进一步包括紧靠所述销形成在所述芯上的基座，以沿多个轴提供与所述销的机械干涉。

17.根据权利要求16所述的模具，进一步包括通过所述基座的斜壁形成的开口以用于接收所述销。

18.根据权利要求16所述的模具，其中所述基座包括用于与所述销的头部建立机械干涉的凸起底切。

19.根据权利要求12所述的模具，其中所述支撑元件由易变材料形成。

20.根据权利要求11所述的模具，进一步包括放置在所述模具本体内表面上的精密的陶瓷插入物。