CN105683506A - 使用利用短效镶件形成的陶瓷型芯铸造的多壁燃气涡轮翼型件和制造该翼型件的方法 - Google Patents

Abstract

一种多壁燃气涡轮翼型件（192）和使用具有整体式主体的铸造型芯（150）来形成该翼型件（192）的方法，所述铸造型芯（150）构造成限定压力侧壁（12）、吸力侧壁（14）和第三壁（16）。所述铸造型芯在单次浇注铸造过程期间绕短效镶件（96）形成。

Description

使用利用短效镶件形成的陶瓷型芯铸造的多壁燃气涡轮翼型件和制造该翼型件的方法

技术领域

本发明涉及一种使用整体式铸造型芯（monolithiccastingcore）通过铸造操作形成的多壁的燃气涡轮发动机的翼型件。

背景技术

按照惯例，燃气涡轮发动机的翼型件通常在熔模铸造（investmentcasting）过程期间绕铸造型芯形成。为了形成具有多个壁的翼型件，两个或更多个铸造型芯被分别地形成并且随后被固定，所以它们形成适于用在熔模铸造过程中的两件式的型芯组件。然而，由于在铸造型芯的组装期间的不匹配，由于铸造型芯在铸造过程期间的相对运动以及由于所述两件式的型芯组件在铸造过程期间就地移位，此过程可导致不满足尺寸公差的翼型件的壁。因此，在本领域中仍存在改进的空间。

附图说明

根据附图在下面的描述中解释本发明，附图示出了：

图1为三壁、七通的蛇形（serpentine）冷却的翼型件的示例性实施例的等分线剖视图。

图2为图1的翼型件的冷却回路的示意图。

图3为用于形成图1的翼型件的铸造型芯的示例性实施例的查看吸力侧的透视图。

图4为查看压力侧的图3的铸造型芯的透视图。

图5为柔性镶嵌模的示例性实施例的示意性等分线剖视图。

图6为在图5的柔性镶嵌模中形成的短效（fugitive）型芯镶件的示例性实施例的示意性等分线剖视图。

图7为从柔性镶嵌模移除的图6的短效型芯镶件的示意性等分线剖视图。

图8为如在翼型件型芯模的示例性实施例中定位的图7的短效型芯镶件的示意性等分线剖视图。

图9为绕短效型芯镶件并且在图8的翼型件型芯模中形成的整体式铸造型芯的示例性实施例的示意性等分线剖视图。

图10为从翼型件型芯模移除的图9的整体式铸造型芯和短效型芯镶件的示意性等分线剖视图。

图11为图10的整体式铸造型芯的示意性等分线剖视图。

图12为定位在蜡模（waxmold）的示例性实施例中的图11的整体式铸造型芯的示意性等分线剖视图。

图13为图12的整体式铸造型芯和蜡模的其间具有蜡型（waxpattern）的示例性实施例的示意性等分线剖视图。

图14为从蜡模移除的图13的蜡型和整体式铸造型芯的示意性等分线剖视图。

图15为图14的蜡型和整体式铸造型芯的具有绕其形成的壳体的示例性实施例的示意性等分线剖视图。

图16为移除了蜡型的图15的整体式铸造型芯和壳体的示意性等分线剖视图。

图17为图15的整体式铸造型芯和壳体的具有浇铸在其间的翼型件的示例性实施例的示意性等分线剖视图。

图18为移除了壳体的图17的整体式铸造型芯和翼型件的示意性等分线剖视图。

图19为移除了整体式铸造型芯的图18的翼型件的示意性等分线剖视图。

图20为可形成在图19的翼型件的肋上的表面特征的示例性实施例。

图21为构造成在图11的整体式铸造型芯中形成定位特征的短效型芯镶件的示例性实施例的示意性等分线剖视图。

图22为整体式铸造型芯的一个替代性的示例性实施例的示意性等分线剖视图。

图23为扭曲的短效型芯镶件的示例性实施例的示意性等分线剖视图。

图24为能够使用多个短效型芯镶件形成的四壁翼型件的示例性实施例的示意性等分线剖视图。

图25为用于形成图24的四壁翼型件的整体式铸造型芯和多个短效型芯镶件的示例性实施例的示意性等分线剖视图。

具体实施方式

本发明人已开发了一种新的铸造过程，其允许对铸造的多壁翼型件的更好的公差控制，并且因此允许更大的产量。此外，创造性的过程允许表面冷却特征定位在先前无法形成表面冷却特征的内部冷却通道表面上。

图1为现有技术的三壁、七通蛇形冷却的翼型件10的剖视图，所述翼型件10具有压力侧壁12、吸力侧壁14、第三（中间）壁16、前缘18以及后缘20。在该示例性实施例中，第三壁16宽松地依循翼型件10的等分线（meanline）22。内部冷却通道30、32、34、36、38、40和42形成冷却回路44，冷却介质通过所述冷却回路44在燃气涡轮发动机的操作期间流动。肋50、52、54、56、58、60帮助限定冷却通道30、32、34、36、38、40、42。冷却回路44的示意图能够在图2中看到。

图3和图4为用于形成图1的翼型件的铸造型芯组件60的示例性实施例的查看吸力侧的透视图。铸造型芯组件60由固定在一起的吸力侧铸造型芯62和压力侧铸造型芯64形成。它们可以按照对于本领域技术人员而言已知的方式固定在一起，包括使用粘合剂，或通过与型芯模协调以实现适合的定位的合适的定位特征。由于铸造型芯62、64相对彼此的相对位置限定了壁和肋的厚度，所以在组装期间或在后续处理期间铸造型芯62、64与彼此的任何错位（misalignment）都可转化成翼型件10的一个或多个壁或肋的厚度的变化。通常，这种厚度的变化超过尺寸公差，并且产生不可接受的零部件。因此，本发明人已认识到因为使用两个铸造型芯62、64而使产量变差。

吸力侧铸造型芯62在其自己的吸力侧型芯模（未示出）中形成，并且压力侧铸造型芯64在其自己的压力侧型芯模（未示出）中形成。每个铸造型芯模包括至少两部分，所述至少两部分被放在一起以形成腔，型芯材料被浇铸到所述腔中。部分的铸造型芯模延伸到所述腔中，以在铸造型芯62、64中形成间隙66。如在本领域中已知的，为了使铸造型芯62、64与其相应的铸造型芯模分离，铸造型芯部分的形成间隙66的部分必须从间隙66拉出（撤回）。这种拉出导致型芯模部分在间隙66中沿铸造型芯的表面滑动。因此，该表面不能具有阻止这种拉开型芯部分的表面特征。

即使使用柔性模具/衬里，这种相同的状况也存在。之所以如此是因为柔性模具需要一些空间以允许柔性模具绕表面特征弯曲。在所述间隙中没有空间供柔性模具绕表面特征移动。由于在间隙66内也不可能有效地压缩柔性模具，使得能够在位于间隙66中的表面特征之上抬出柔性模具，所以在从间隙66拉出柔性模具时，间隙66中的任何表面特征都将被毁坏。作为结果，这种潜在的干涉使得大多数冷却特征的几何构型不可能被设置在间隙66中。由于间隙66随后形成肋50、52、54、56、58、60，所以这意味着肋50、52、54、56、58、60继而无法具有大多数的冷却特征。这种限制限制了冷却效率。因此，本发明人已认识到，使用常规的实践限制了冷却效率。

响应于两种限制，本发明人已开发了一种独特的方法，其将使得能够产生整体式的铸造型芯。通过使用整体式铸造型芯，错位问题消失，并且相关联的产量损失也随着它们一起消失。此外，所述独特的方法使得发明人能够在翼型件的先前不可能的位置形成各种各样的冷却特征，从而提高冷却效率。该过程包括使用柔性模具来形成短效镶件（fugitiveinsert）。所述短效镶件被放置到型芯模中，型芯材料被浇铸到模中和短效镶件周围。所述短效镶件呈翼型件的第三壁的形状。因此，当型芯材料固化成整体式铸件并且短效镶件被移除时，剩下的是整体式铸件，绕所述整体式铸件能够铸造多壁翼型件。使用柔性模具来形成短效镶件允许无数的形状形成在短效镶件的表面上。当短效镶件的形状也包括肋的至少一部分时，这些表面特征也能够被形成在短效镶件的肋形成的部分上。由于短效镶件无需从整体式铸造型芯中的间隙拉出，而是替代地被蚀刻或熔化或烧掉或溶解掉等，因此没有在间隙66中损坏表面特征的牵拉动作。作为结果，形成在镶件的肋形成部分上的特征在型芯中转化为（translateto）间隙66，并且随后，以据本发明人所知之前没有完成过的方式转化为翼型件。

图5为具有柔性镶嵌模腔72的柔性镶嵌模70的示例性实施例的示意性等分线剖视图。如本文所用的，等分线剖视图为包括翼型件的等分线的平面的视图。柔性镶嵌模腔72限定了将在其中铸造的短效型芯镶件（未示出）的形状。柔性镶嵌模腔72包括形状为翼型件的第三壁16的柔性镶嵌模第三壁部分74，以及形状为相应的肋50、52、54、56、58、60中的部分或全部的多个柔性镶嵌模肋部分80、82、84、86、88、90。在该示例性实施例中，柔性镶嵌模部段92包括将成形短效型芯镶件的柔性镶嵌模表面特征94。

图6为通过将材料浇铸到柔性镶嵌模70中在图5的柔性镶嵌模70中形成的短效型芯镶件96的示例性实施例的示意性等分线剖视图。短效型芯镶件96包括短效型芯镶件第三壁部分98、柔性型芯镶件肋部分100、102、104、106、108、110以及短效型芯镶件肋特征112。一旦固化，柔性镶嵌模70就被移除以使短效型芯镶件96露出。借助其柔性，所描绘的柔性镶嵌模或两件式柔性模具能够从柔性型芯镶件肋特征112周围拉出，即使柔性型芯镶件肋特征112将阻止拉开刚性的两件式型芯模。例如，柔性型芯镶件肋特征112可以形状为凹陷、凹部、凹陷的图案（patternofdimples）、绊条（tripstrip）、突出底切、负拔模角或在两件式刚性模具的情况下将是不可能的任何可想到的形状。这些形状中的任何形状将防止刚性的两件式模具沿例如114的方向拉出，这是因为在柔性镶嵌模部段92中的凹陷部118之后（如本文所用的，“之后”意指在移除期间与模具的运动方向在方向上相反）的柔性镶嵌模部段92中的突起部116将产生将阻止刚性模具沿方向114运动的干涉。因此，在该步骤处，使用柔性镶嵌模70允许以利用刚性模具不可能的方式来形成表面特征。表面特征可以形成在肋部分100、102、104、106、108、110中的任何肋部分上，或第三壁部分98上的任何位置上。

图7为从柔性镶嵌模70移除的图6的短效型芯镶件96的示意性等分线剖视图。柔性镶嵌模表面特征94形成包括短效型芯镶件突起部122和短效型芯镶件凹陷部124的短效型芯镶件肋特征112。短效型芯镶件96可由对于本领域技术人员而言已知的任何短效材料（fugitivematerial）形成，包括泡沫、蜡和/或塑料等。

图8为如在翼型件型芯模130的示例性实施例中定位的图7的短效型芯镶件96的示意性等分线剖视图。当如此组装时，形成了翼型件型芯模腔132，其包括翼型件型芯模腔室134、136、138、140、142、144、146，上述翼型件型芯模腔室各自表示相应的冷却通道30、32、34、36、38、40、42。

图9为绕短效型芯镶件96并且在图8的翼型件型芯模130中形成的整体式铸造型芯150的示例性实施例的示意性等分线剖视图。整体式铸造型芯150包括整体式铸造型芯部段152、154、156、158、160、162、164，其各自表示相应的冷却通道30、32、34、36、38、40、42。短效型芯镶件突起部122和短效型芯镶件凹陷部124形成整体式铸造型芯突起部166和整体式铸造型芯凹陷部168。能够看到的是，这些工作在一起以将短效型芯镶件96的肋部段100锁定在整体式铸造型芯部段152和154之间。因此，如果这是如下常规的过程，即：其中，仅形成整体式铸造型芯部段152、154和156，并且其中，短效型芯镶件96为模具部分，则短效型芯镶件96将被锁定到整体式铸造型芯150中，无论它是刚性模具还是柔性模具。然而，由于短效型芯镶件96是短效的，因此它能够被沥滤，蚀刻或溶解掉。这消除了对于如在现有技术中将是必要的沿方向170的运动的需要。因此，此方法现在正是允许先前不可能的形状。这些形状在本文中被描述为当在这样的等分线剖面中观察时的起伏（undulation）。这么说意味着当短效型芯镶件凹陷部124位于短效型芯镶件突起部122之后，使得它阻止短效型芯镶件96沿方向170从整体式铸造型芯150运动时（为了便于此说明，这里再次假定整体式铸造型芯部段158、160、162和164不存在），短效型芯镶件突起部122和短效型芯镶件凹陷部124一起形成起伏172。该起伏无需是对称的或光滑的。导致防止互锁的部分分离的互锁的任何形状具备形成本文所指的起伏的资格。

从前述内容能够看到的是，短效型芯镶件96使得能够形成新的整体式铸造型芯150，其能够形成翼型件中的第三壁16，并且其还可以在该翼型件的肋50、52、54、56、58和/或60和/或第三壁16中形成先前不可能的表面特征。

图10为从翼型件型芯模130移除的图9的整体式铸造型芯150和短效型芯镶件96的示意性等分线剖视图。图11为在移除了短效型芯镶件96之后的图10的整体式铸造型芯150的示意性等分线剖视图。移除可以使用对于本领域技术人员而言已知的技术来完成，例如熔化、蚀刻、沥滤（leaching）等。型芯表面特征174仍然存在，其包括整体式铸造型芯突起部166和整体式铸造型芯凹陷部168。表面特征可以被理解为包括整体式铸造型芯突起部166和整体式铸造型芯凹陷部168二者，或替代性地，整体式铸造型芯突起部166可以被认为是一个表面特征，并且整体式铸造型芯凹陷部168可以被认为是另一表面特征。

图12-19描绘了用于形成翼型件的铸造过程的示例性实施例。图12为图11的整体式铸造型芯150的示意性等分线剖视图，所述整体式铸造型芯150定位在蜡模180的示例性实施例中，以形成将在其中浇铸蜡型的蜡型腔182。图13为图12的整体式铸造型芯150和蜡模180的其间具有已浇铸的蜡型184的示例性实施例的示意性等分线剖视图。图14为从蜡模180移除的图13的蜡型184和整体式铸造型芯150的示意性等分线剖视图。图15为图14的蜡型184和整体式铸造型芯150的具有绕其形成的壳体186的示例性实施例的示意性等分线剖视图。图16为图15的整体式铸造型芯150和壳体186的示意性等分线剖视图，其中，蜡型184被移除以形成将在其中浇铸翼型件的翼型件间隙190。图17为图15的整体式铸造型芯150和壳体186的具有浇铸在其间的翼型件192的示例性实施例的示意性等分线剖视图。整体式铸造型芯突起部166形成翼型件凹陷部194，并且整体式铸造型芯凹陷部168在肋50中形成翼型件突起部196。翼型件凹陷部194和翼型件突起部196一起或个别地形成翼型件表面特征198。表面特征198可以作用于增加其中设置表面特征198的冷却通道的表面积和/或在通过冷却通道的冷却剂的流动中产生扰动（turbulence），以增加冷却效率。图18为移除了壳体186的图17的整体式铸造型芯150和翼型件192的示意性等分线剖视图。图19为图18的翼型件192的示意性等分线剖视图，其中，整体式铸造型芯150被移除以暴露通过肋50、52、54、56、58、60形成的冷却通道30、32、34、36、38、40、42以及通过翼型件凹陷部194和翼型件突起部196中的任一者或两者形成的表面特征198。

图20为可形成在图19的翼型件192的肋50、52、54、56、58、60上的表面特征198的示例性实施例。但是，可以使用任何期望的几何构型。

图21为包括短效型芯镶件定位特征200的短效型芯镶件96的示例性实施例的示意性等分线剖视图，所述短效型芯镶件定位特征200构造成在整体式铸造型芯202的替代性的示例性实施例中形成定位特征，如图22中所示。这些短效型芯镶件定位特征200在整体式铸造型芯150上形成型芯定位特征204，所述型芯定位特征204跨越整体式铸造型芯150中的间隙66或使之变窄，形成第三壁16或肋50、52、54、56、58、60。虽然各种整体式铸造型芯部段152、154、156、158、160、162、164由于作为整体式主体（monolithicbody）的一部分比现有技术中更好地被保持就位，但在制造期间仍可发生一些相对运动。因此，型芯定位特征204还有助于维持各整体式铸造型芯部段152、154、156、158、160、162、164之间的位置关系。这又减小了第三壁16或肋50、52、54、56、58、60的尺寸的变化，并且增加了零部件产量。

图23为扭曲的短效型芯镶件210的示例性实施例的示意性等分线剖视图。此处同样，在刚性模具可在扭曲中被困住的情况下，柔性模具能够被容易地移除。

图24为能够使用多个短效型芯镶件形成的四壁翼型件220的示例性实施例的示意性等分线剖视图。所述四壁翼型件包括压力侧壁222、吸力侧壁224、第三壁226、第四壁228、前缘230、后缘232、肋238-270。（尽管作为一个结构，但肋246、248、250和肋264、266、268被分别地标示，仅用于相对于第三壁226和第四壁228来区分肋结构的部段的目的。）存在于肋238上的为表面特征280，并且存在于肋270上的为另一表面特征282。虽然表面特征280、282被示出为处于肋238和270上，但它们能够存在于四壁翼型件220的任何内表面上。

图25为用于形成图24的四壁翼型件220的整体式铸造型芯290和多个短效型芯镶件292、294的示例性实施例的示意性等分线剖视图。短效型芯镶件292被示出为具有短效型芯镶件肋特征296和298，所述短效型芯镶件肋特征296和298各自具有短效型芯镶件突起部300和短效型芯镶件凹陷部302。短效型芯镶件表面特征296、298形成整体式铸造型芯表面特征304，所述整体式铸造型芯表面特征304各自具有整体式铸造型芯突起部306和整体式铸造型芯凹陷部308。整体式铸造型芯表面特征304形成表面特征280、282。

在该示例性实施例中能够看到的是，类似于在图9的论述中描述的三壁的实施例，短效型芯镶件292、294将通过表面特征280、282和整体式铸造型芯表面特征304的互锁动作被锁定就位。作为结果，现有的制造技术无法产生处于这些位置的这些表面特征。但是，本文中的教导使得表面特征280、282能够如此定位。此外，在此等分线剖面中，整体式铸造型芯部段320、322通过短效型芯镶件292、294单独地形成。

虽然本文已示出和描述了本发明的各种实施例，但将显而易见的是，这样的实施例仅作为示例提供。可以作出许多变型、改变和替换，而不脱离本文中的发明。因此，本发明意在仅通过所附权利要求的精神和范围来限制。

Claims (20)

1.一种方法，包括：

使用柔性镶嵌模来形成形状为多壁翼型件的第三壁的短效型芯镶件；

将所述短效型芯镶件定位在翼型件型芯模中；以及

将陶瓷型芯材料浇铸到所述翼型件型芯模中，从而形成整体式铸造型芯，所述整体式铸造型芯构造成形成所述多壁翼型件的第三壁；

移除所述翼型件型芯模和所述短效型芯镶件，以使所述整体式铸造型芯露出。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述短效型芯镶件的形状进一步限定了所述整体式铸造型芯，使得所述整体式铸造型芯形成所述多壁翼型件的肋的至少一部分。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述肋的表面限定了所述多壁翼型件内的冷却通道的一部分，并且其中，所述短效型芯镶件的形状进一步限定了所述整体式铸造型芯，使得所述整体式铸造型芯形成设置在所述肋的表面上的表面特征。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，形成设置在所述肋的表面上的表面特征的短效镶件的形状也将所述短效镶件锁定到形成所述肋的一部分的所述整体式铸造型芯中的间隙中。

5.如权利要求1所述的方法，还包括以单次浇注操作绕所述整体式铸造型芯来铸造所述多壁翼型件。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述短效型芯镶件还限定了所述整体式铸造型芯上的定位特征，所述定位特征构造成帮助所述整体式铸造型芯的部段维持空间关系。

7.如权利要求1所述的方法，还包括在附加的柔性镶嵌模内形成形状为所述多壁翼型件的第四壁的附加的短效型芯镶件，以及将所述附加的短效型芯镶件定位在所述翼型件型芯模中，其中，所述附加的柔性镶嵌模将所述整体式铸造型芯构造成形成所述多壁翼型件的第四壁。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，构造成形成所述多壁翼型件内的冷却通道的所述整体式铸造型芯的型芯部段形成在所述短效型芯镶件和所述附加的短效型芯镶件之间。

9.一种铸造型芯，其包括在单次浇注铸造过程期间铸造的整体式主体，并且构造成在熔模铸造过程期间限定燃气涡轮发动机的多壁翼型件的压力侧壁、吸力侧壁以及第三壁。

10.如权利要求9所述的铸造型芯，其特征在于，所述整体式主体还被构造成限定所述多壁翼型件的第四壁。

11.如权利要求9所述的铸造型芯，其特征在于，所述整体式主体限定了相邻的型芯部段之间的肋间隙，所述肋间隙构造成形成所述多壁翼型件的肋。

12.如权利要求11所述的铸造型芯，其特征在于，所述整体式主体还被构造成限定了所述肋上的表面特征。

13.如权利要求12所述的铸造型芯，其特征在于，在所述铸造型芯的等分线剖面中，所述表面特征在所述肋间隙中形成起伏。

14.如权利要求9所述的铸造型芯，还构造成限定所述多壁翼型件的第四壁。

15.如权利要求14所述的铸造型芯，其特征在于，所述整体式主体还被构造成限定跨越所述第三壁和所述第四壁的肋上的表面特征。

16.如权利要求9所述的铸造型芯，还包括定位特征，所述定位特征构造成通过跨越所述整体式主体的部段之间的间隙来帮助所述部段维持空间关系。

17.一种燃气涡轮发动机的多壁翼型件，包括：

压力侧壁、吸力侧壁、第三壁；

横向于所述第三壁定向的肋；以及

设置在所述肋上的表面特征。

18.如权利要求17所述的燃气涡轮发动机的多壁翼型件，还包括第四壁。

19.如权利要求17所述的燃气涡轮发动机的多壁翼型件，其特征在于，在所述翼型件的等分线剖面中，所述表面特征在所述肋的表面中产生起伏。

20.如权利要求18所述的燃气涡轮发动机的多壁翼型件，其特征在于，所述肋横跨在所述第三壁和所述第四壁之间。