CN106925721B - 用于形成具有限定在其中的内部通路的构件的方法及组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于形成具有限定在其中的内部通路的构件的方法及组件。具体而言，一种形成具有限定于其中的内部通路(82)的构件(80)的方法(1900)包括将套芯(310)关于模具(300)定位(1902)。套芯包括由至少第一材料(322)和第二材料(362)形成的中空结构(320)，以及设置在中空结构内的内芯(324)。该方法还包括将熔化状态中的构件材料(78)引入(1904)模腔(304)中，以及冷却(1906)腔中的构件材料以形成构件。内芯限定构件内的内部通路。

Description

用于形成具有限定在其中的内部通路的构件的方法及组件
技术领域
本公开内容的领域大体上涉及具有限定在其中的内部通路的构件，且更具体地涉及使用多种材料形成限定内部通路的内壁。
背景技术
一些构件需要限定在其中的内部通路，例如，以便执行预期的功能。例如但不作为限制，一些构件(诸如燃气涡轮的热气路构件)受到高温。至少一些这样的构件具有限定在其中的内部通路以接收冷却流体流，使得构件能够更好经受高温。对于另一个示例，但不通过限制，一些构件在与另一个构件的对接处受到摩擦。至少一些这样的构件具有限定在其中的内部通路以接收润滑剂流而便于减小摩擦。
具有限定在其中的内部通路的至少一些已知的构件在模具中形成，其中陶瓷材料的芯在模腔内在针对内部通路选择的位置处延伸。在熔化的金属合金引入陶瓷芯周围的模腔中且冷却以形成构件之后，陶瓷芯除去(诸如通过化学浸出)以形成内部通路。备选地或另外地，具有限定在其中的内部通路的至少一些已知的构件首先形成为没有内部通路，且内部通路在后续过程中形成。例如，至少一些已知的内部通路通过将通路钻到构件中来形成，诸如但不限于，使用电化学钻孔过程。在各种情况中，限定内部通路的内壁由用于形成构件的金属合金限定。因此，例如，如果内壁限定特定点处的应力集中，则用于铸造整个构件的金属合金必须选择成满足该特定点处的相对较高的强度需要，潜在地增加构件的成本。
此外，具有限定在其中的内部通路的至少一些已知的构件在涂层施加至内壁之后呈现出预期功能的改善性能。然而，将此涂层完全和/或均匀施加到某些内部通路(诸如但不限于特征为高度非线性、复杂截面和/或较大长度与直径比的内部通路)可能是困难或成本过高的。
发明内容
一方面，提供了一种形成具有限定在其中的内部通路的构件的方法。该方法包括将套芯关于模具定位。套芯包括由至少第一材料和第二材料形成的中空结构，以及设置在中空结构内的内芯。该方法还包括将熔化状态中的构件材料引入模腔中，以及冷却腔中的构件材料以形成构件。内芯限定构件内的内部通路。
另一方面，提供了一种用于形成具有限定在其中的内部通路的构件的模具组件。模具组件包括在其中限定模腔的模具，以及关于模具定位的套芯。套芯包括由至少第一材料和第二材料形成的中空结构，以及设置在中空结构内的内芯。内芯定位成在熔化状态中的构件材料引入模腔中且冷却而形成构件时限定构件内的内部通路。
技术方案1. 一种形成具有限定在其中的内部通路的构件的方法，所述方法包括：
将套芯关于模具定位，其中所述套芯包括：
由至少第一材料和第二材料形成中空结构；以及
设置在所述中空结构内的内芯；
将熔化状态中的构件材料引入所述模具的腔中；以及
冷却所述腔中的构件材料以形成所述构件，其中所述内芯限定所述构件内的内部通路。
技术方案2. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述将构件材料引入所述腔中包括引入所述构件材料，使得在所述构件形成之后，所述内芯附近的所述第二材料的浓度足以沿限定所述构件内的内部通路的内壁的至少一部分形成与所述第二材料相关联的至少一个材料特征。
技术方案3. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述将构件材料引入所述腔中包括引入所述构件材料，使得在所述构件形成之后，所述第二材料内衬限定所述构件内的内部通路的内壁的至少一部分。
技术方案4. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述定位所述套芯包括定位所述套芯，其中所述第二材料选自其中至少一者：(i)氧化抑制材料，(ii)腐蚀抑制材料，(iii)碳沉积抑制材料，(iv)热障材料，(v)水蒸汽阻隔材料，和(vi)磨损抑制材料，以及(vii)在所述构件形成时提高所述构件沿所述内部通路的结构强度的材料。
技术方案5. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述定位所述套芯包括定位所述套芯，其中所述第二材料在所述中空结构的内部的至少一个预先限定的第一纵向部分上在所述第一材料的径向内侧延伸。
技术方案6. 根据技术方案5所述的方法，其中，所述定位所述套芯包括定位所述套芯，所述套芯包括由所述第一材料、所述第二材料和第三材料形成的所述中空结构，其中所述第三材料在所述中空结构的内部的至少一个预先限定的第二纵向部分上在所述第一材料的径向内侧延伸。
技术方案7. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述中空结构的内部至少部分地由所述第二材料形成，所述内部定形为限定所述内部通路的至少一个内部通路特征，所述将构件材料引入所述腔中包括引入所述构件材料，使得在所述构件形成之后，所述第二材料形成所述至少一个内部通路特征的至少一部分。
技术方案8. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述内部通路的形状限定所述构件中的至少一个应力集中区域，且其中对应于所述至少一个应力集中区域的所述中空结构的至少一部分至少部分地由所述第二材料形成，所述将构件材料引入所述腔中包括引入所述构件材料，使得在形成所述构件之后，所述第二材料形成所述至少一个应力集中区域的至少一部分。
技术方案9. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述定位所述套芯包括定位所述套芯，所述套芯包括中空结构，所述中空结构包括分别使用增材制造过程形成的多个层。
技术方案10. 根据技术方案1所述方法，其中，所述方法还包括使用增材制造过程形成所述中空结构。
技术方案11. 根据技术方案10所述的方法，其中，使用增材制造过程包括交错地沉积所述第一材料和所述第二材料中的每一者以在所述中空结构的多个层中的每一个中产生所述第一材料和所述第二材料的限定分布。
技术方案12. 根据技术方案10所述的方法，其中，使用增材制造过程包括使用直接金属激光熔化(DMLM)过程、直接金属激光烧结(DMLS)过程、选择性激光烧结(SLS)过程、电子束熔化(EBM)过程、选择性激光熔化过程(SLM)和自动注浆成型挤出类型的增材过程中的至少一者。
技术方案13. 一种用于形成具有限定在其中的内部通路的构件的模具组件，所述模具组件包括：
限定其中的模腔的模具；以及
关于所述模具定位的套芯，所述套芯包括：
由至少第一材料和第二材料形成的中空结构；以及
内芯，其设置在所述中空结构内且定位成在熔化状态中的构件材料引入所述模腔且冷却以形成所述构件时限定所述构件内的内部通路。
技术方案14. 根据技术方案13所述的模具组件，其中，所述第二材料选自其中至少一者：(i)氧化抑制材料，(ii)腐蚀抑制材料，(iii)碳沉积抑制材料，(iv)热障材料，(v)水蒸汽阻隔材料，和(vi)磨损抑制材料，以及(vii)在所述构件形成时提高所述构件沿所述内部通路的结构强度的材料。
技术方案15. 根据技术方案13所述的模具组件，其中，所述第二材料在所述中空结构的内部的至少一个预先限定的第一纵向部分上在所述第一材料的径向内侧延伸。
技术方案16. 根据技术方案13所述的模具组件，其中，所述中空结构由所述第一材料、所述第二材料和所述第三材料形成，所述第三材料在所述中空结构的所述内部的至少一个预先限定的第二纵向部分上在所述第一材料的径向内侧延伸。
技术方案17. 根据技术方案13所述的模具组件，其中，所述中空结构包括至少部分地由所述第二材料限定的内部，所述内部定形为在所述构件形成时限定所述内部通路的至少一个内部通路特征。
技术方案18. 根据技术方案13所述的模具组件，其中，所述内部通路的形状限定所述构件中的至少一个应力集中区域，且其中对应于所述至少一个应力集中区域的所述中空结构的至少一部分至少部分地由所述第二材料形成。
技术方案19. 根据技术方案13所述的模具组件，其中，所述第二材料为其中至少一者：
相比所述第一材料强度相对较高的材料，以及
能够与所述构件材料和所述第一材料中的至少一者增效地结合，使得改善所述构件材料和所述第一材料中的所述至少一者的结构强度特征。
技术方案20. 根据技术方案13所述的模具组件，其中，所述中空结构包括分别使用增材制造过程形成的多个层。
附图说明
图1为示例性旋转机械的示意图；
图2为用于图1中所示的旋转机械的示例性构件的示意性透视图；
图3为用于制造图2中所示的构件的示例性模具组件的示意性透视图，模具组件包括关于模具定位的套芯；
图4为沿图3中所示的线4-4截取的用于图3中所示的模具组件的示例性套芯的示意性截面图；
图5为沿图3中所示的线4-4截取的用于图3中所示的模具组件的另一个示例性套芯的示意性截面图；
图6为沿图2中所示的线6-6截取的图2的构件的截面；
图7为用于形成图3中所示的套芯的中空结构的示例性实施例的示意性截面视图；
图8为用于形成图3中所示的套芯的中空结构的另一个示例性实施例的示意性截面视图；
图9为用于形成图3中所示的套芯的中空结构的另一个示例性实施例的示意性截面视图；
图10为用于形成图3中所示的套芯的中空结构的另一个示例性实施例的示意性截面视图；
图11为用于图1中所述的旋转机械的另一个示例性构件的一部分的示意性截面视图；
图12为用于图3中所示的模具组件以形成图11中所示的构件的另一个示例性套芯的示意性透视断面视图；
图13为用于形成图12中所示的套芯的中空结构的示例性实施例的示意性截面视图；
图14为用于图1中所示的旋转机械的另一个示例性构件的一部分的示意性截面视图；
图15为用于图3中所示的模具组件以形成图14中所示的构件的另一个示例性套芯的示意性透视断面视图；
图16为用于形成图15中所示的套芯的中空结构的示例性实施例的示意性截面视图；
图17为用于图1中所述的旋转机械的另一个示例性构件的一部分的示意性截面视图；
图18为形成用于图3中所示的模具组件来形成图17中所示的构件的套芯的中空结构的示例性实施例的示意性截面视图；
图19为形成具有限定在其中的内部通路的构件(诸如用于图1中所示的旋转机械的构件)的示例性方法的流程图；以及
图20从图19的流程图的继续。
零件清单
10 旋转机械
12 进气区段
14 压缩机区段
16 燃烧器区段
18 涡轮区段
20 排气区段
22 转子轴
24 燃烧器
36 壳
40 压缩机叶片
42 压缩机定子导叶
70 转子叶片
72 定子导叶
74 压力侧
76 吸力侧
78 构件材料
80 构件
82 内部通路
84 前缘
86 后缘
88 根部端
89 轴线
90 末梢端
92 恒定距离
94 恒定距离
96 叶片长度
98 内部通路特征
100 内壁
102 应力集中区域
300 模具
301 模具组件
302 内壁
304 模腔
306 模具材料
310 套芯
312 末梢部分
314 末梢部分
315 部分
316 根部部分
318 根部部分
320 中空结构
322 第一材料
324 内芯
326 内芯材料
328 壁厚
330 特征宽度
331 互补特征
334 凹入特征
339 凹槽结构
341 凸起
350 第一端
352 第二端
354 第一纵向部分
356 第二纵向部分
358 部分
360 内部
362 第二材料
366 层
368 层
370 层
372 第三材料
380 外壁。
具体实施方式
在以下说明书和权利要求中，将参照多个用语，它们应当限定为具有以下意义。
单数形式"一个"、"一种"和"该"包括复数参照，除非上下文清楚地另外指出。
"可选"或"可选地"意思是随后描述的事件或情形可发生或可不发生，且描述包括事件发生的情况以及其不发生的情况。
如本文贯穿说明书和权利要求使用的近似语言可用于修饰可允许在不导致其涉及的基本功能的变化的情况下改变的任何数量表达。因此，由一个或多个诸如"大约"、"大概"和"大致"的用语修饰的值不限于指定的准确值。在至少一些情况中，近似语言可对应于用于测量值的器具的精度。这里贯穿说明书和权利要求，可确定范围极限。这样的范围可组合和/或互换，且包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另外指出。
本文所述的示例性构件和方法克服了与用于形成具有限定在其中的内部通路的构件的已知组件和方法相关联的缺点中的至少一些，其中不同于构件材料的材料定位在内部通路附近。本文所述的实施例提供了关于模具定位的套芯。套芯包括中空结构和设置在中空结构内的内芯。内芯在模腔内延伸以限定将在模具中形成的构件内的内部通路的位置。中空结构由第一材料和第二材料形成。第二材料策略性地分布在中空结构内，诸如通过增材制造过程，使得第二材料在构件形成于模具中时选择性地沿内部通路定位。
图1为具有本公开内容的实施例可用于其的构件的示例性旋转机械10的示意图。在示例性实施例中，旋转机械10为燃气涡轮，其包括进气区段12、在进气区段12下游联接的压缩机区段14、在压缩机区段14下游联接的燃烧器区段16、在燃烧器区段16下游联接的涡轮区段18，以及在涡轮区段18下游联接的排气区段20。大体上管状的壳36至少部分地包围进气区段12、压缩机区段14、燃烧器区段16、涡轮区段18和排气区段20中的一者或多者。在备选实施例中，旋转机械10为形成有如本文所述的内部通路的构件适用于其的任何旋转机械。此外，尽管出于说明目的在旋转机械的背景下描述了本公开内容的实施例，但应当理解的是，本文所述的实施例适用于涉及适合形成有限定在其中的内部通路的构件的任何背景下。
在示例性实施例中，涡轮区段18经由转子轴22联接至压缩机区段14。应当注意的是，如本文使用的用语"联接"不限于构件之间的直接机械、电气和/或通信连接，而是还可包括多个构件之间的间接机械、电气和/或通信连接。
在燃气涡轮10的操作期间，进气区段12将空气朝压缩机区段14导送。压缩机区段14将空气压缩至较高的压力和温度。更具体而言，转子轴22将旋转能赋予到联接至压缩机区段14内的转子轴22的至少一个周向排的压缩机叶片40。在示例性实施例中，在各排压缩机叶片40之前是从壳36沿径向向内延伸的周向排的压缩机定子导叶42，其将空气流引导到压缩机叶片40中。压缩机叶片40的旋转能量增大空气的压力和温度。压缩机区段14朝燃烧器区段16排放压缩空气。
在燃烧器区段16中，压缩空气与燃料混合且点燃以生成朝涡轮区段18导送的燃烧气体。更具体而言，燃烧器区段16包括至少一个燃烧器24，其中燃料(例如，天然气和/或燃料油)喷射到空气流中，且燃料-空气混合物点燃以生成朝涡轮区段18导送的高温燃烧气体。
涡轮区段18将来自燃烧气流的热能转换成机械旋转能。更具体而言，燃烧气体将旋转能赋予到联接至涡轮区段18内的转子轴22的至少一个周向排的转子叶片70。在示例性实施例中，各排转子叶片70之前是从壳36沿径向向内延伸的周向排的涡轮定子导叶72，其将燃烧气体引导到转子叶片70中。转子轴22可联接至负载(未示出)，诸如但不限于发电机和/或机械驱动应用。排出的燃烧气体从涡轮区段18向下游流入排气区段20中。旋转机械10的构件设计为构件80。邻近燃烧气体的通路的构件80在旋转机械10的操作期间受到高温。另外地或备选地，构件80包括适合地形成有限定在其中的内部通路的任何构件。
图2为针对供旋转机械10(图1中所示)使用示出的示例性构件80的示意性透视图。构件80包括由内壁100限定在其中的至少一个内部通路82。例如，冷却流体在旋转机械10的操作期间提供至内部通路82，以便于将构件80保持在热燃烧气体的温度以下。尽管仅示出了一个内部通路82，但应当理解的是，构件80包括如本文所述形成的任何适合数目的内部通路82。
构件80由构件材料78形成。在示例性实施例中，构件材料78为适合的镍基超级合金。在备选实施例中，构件材料78为钴基超级合金、铁基超级合金和钛基超级合金中的至少一者。在其它备选实施例中，构件材料78为允许构件80如本文所述那样形成的任何适合的材料。
在示例性实施例中，构件80为转子叶片70或定子导叶72中的一者。在备选实施例中，构件80为能够形成有如本文所述的内部通路的旋转机械10的另一适合的构件。在还有其它实施例中，构件80为用于适合地形成有限定在其中的内部通路的任何适合的应用的任何构件。
在示例性实施例中，转子叶片70或备选地定子导叶72包括压力侧74和相对的吸力侧76。压力侧74和吸力侧76中的每一个从前缘84延伸至相对的后缘86。此外，转子叶片70或备选地定子导叶72从根部端88延伸至相对的末梢端90以限定叶片长度96。在备选实施例中，转子叶片70或备选地定子导叶72具有能够形成有如本文所述的内部通路的任何适合的构造。
在某些实施例中，叶片长度96为至少大约25.4厘米(cm)(10英寸)。此外，在一些实施例中，叶片长度96为至少大约50.8cm(20英寸)。在特定实施例中，叶片长度96在从大约61cm(24英寸)到大约101.6cm(40英寸)的范围中。在备选实施例中，叶片长度96小于大约25.4cm(10英寸)。例如，在一些实施例中，叶片长度96在从大约2.54cm(1英寸)到大约25.4cm(10英寸)的范围中。在其它备选实施例中，叶片长度96大于大约101.6cm(40英寸)。
在示例性实施例中，内部通路82从根部端88延伸至末梢端90。在备选实施例中，内部通路82以任何适合的方式在构件80内延伸，且延伸至允许内部通路82如本文所述那样形成的任何适合的程度。在某些实施例中，内部通路82是非线性的。例如，构件80形成有沿限定在根部端88与末梢端90之间的轴线89的预先限定的扭转，且内部通路82具有与轴向扭转互补的弯曲形状。在一些实施例中，内部通路82沿内部通路82的长度定位在离压力侧74大致恒定的距离94处。备选地或另外地，构件80的翼弦在根部端88与末梢端90之间渐缩，且内部通路82与渐缩部互补地非线性延伸，使得内部通路82沿内部通路82的长度定位在离后缘86大致恒定的距离92处。在备选实施例中，内部通路82具有与构件80的任何适合的轮廓互补的非线性形状。在其它备选实施例中，内部通路82是非线性的，且并非与构件80的轮廓互补。在一些实施例中，具有非线性形状的内部通路82便于满足构件80的预先选择的冷却标准。在备选实施例中，内部通路82线性地延伸。
在一些实施例中，内部通路82具有大致圆形的截面外周。在备选实施例中，内部通路82具有大致卵形的截面外周。在其它备选实施例中，内部通路82具有允许内部通路82如本文所述那样形成的任何适合地定形的截面外周。此外，在某些实施例中，内部通路82的截面外周的形状沿内部通路82的长度大致恒定。在备选实施例中，内部通路82的截面外周的形状以允许内部通路82如本文所述那样形成的任何适合的方式沿内部通路82的长度变化。
图3为用于制造构件80(图2中所示)的模具组件301的示意性透视图。模具组件301包括关于模具300定位的套芯310。图4为沿图3中所示的线4-4截取的套芯310的实施例的示意性截面。参照图2-图4，模具300的内壁302限定模腔304。内壁302限定与构件80的外部形状对应的形状，使得熔化状态中的构件材料78可引入模腔304中且冷却以形成构件80。应当记得的是，尽管示例性实施例中的构件80为转子叶片70或备选地在备选示例性中为定子导叶72，但构件80为可适合地形成有如本文所述的限定在其中的内部通路的任何构件。
套芯310关于模具300定位，使得套芯310的一部分315在模腔304内延伸。套芯310包括由第一材料322和第二材料362形成的中空结构320。套芯310还包括设置在中空结构320内且由内芯材料236形成的内芯324。内芯324定形为限定内部通路82的形状，且定位在模腔304内的套芯310的部分315的内芯324在构件80形成时限定构件80内的内部通路82。
中空结构320包括外壁380，其大致沿内芯324的长度包围内芯324。中空结构320的内部360关于外壁380在内部定位，使得内芯324由中空结构320的内部360互补地定形。在某些实施例中，中空结构320限定大体上管状的形状。例如，但不作为限制，中空结构320初始地由大致直的金属管形成，管适合地按需要操纵成非线性形状(诸如弯曲或成角度的形状)以限定内芯324且因此内部通路82的选择的非线性形状。在备选实施例中，中空结构320限定允许内芯324限定如本文描述的内部通路82的形状的任何适合的形状。
在示例性实施例中，中空结构320具有小于内芯324的特征宽度330的壁厚328。特征宽度330在其中限定为具有与内芯324相同的截面面积的圆的直径。在备选实施例中，中空结构320具有并非小于特征宽度330的壁厚328。内芯324的截面的形状在图3-图5中的示例性实施例中为圆形。备选地，内芯324的截面的形状对应于允许内部通路82如本文所述起作用的内部通路82的截面的任何适合的形状。
在某些实施例中，第一材料322选择成向套芯310提供结构支撑。在示例性实施例中，中空芯320包括设置在内芯324的至少一部分附近的第二材料362，以及设置在外壁380附近的第一材料322。更具体而言，第二材料362限定中空结构320的内部360，且第一材料322限定中空结构320的外壁380。在备选实施例中，第一材料322和第二材料362以允许中空结构320如本文所述起作用的任何适合的布置设置在中空结构320内。
在一些实施例中，如下文将描述，第二材料362选择成在构件80形成之后提高内部通路82的性能。例如，但不作为限制，第二材料362选择成阻止构件材料78沿内壁100的氧化。另外地或备选地，但不作为限制，第二材料362选择成阻止构件材料78沿内壁100的腐蚀。另外地或备选地，但不作为限制，第二材料362选择成阻止碳沿内壁100在构件材料78上的沉积。另外地或备选地，但不作为限制，第二材料362选择成提供沿内壁100的用于构件材料78的热障。另外地或备选地，但不作为限制，第一涂覆材料366选择成提供沿内壁100的用于构件材料78的水蒸汽屏障。另外地或备选地，但不作为限制，第二材料362选择成阻止构件材料78沿内壁100的磨损，诸如但不限于侵蚀。另外地或备选地，第二材料362选择为在沿内壁100设置时提供或便于内部通路82的任何其它选择的特征的任何适合的材料。此外，尽管第二材料362称为单一材料，但应当理解的是，在一些实施例中，第二材料362包括多种性能提高组分的混合物。
在某些实施例中，中空结构320由除第一材料322和第二材料362外的任何适合数目的材料形成。例如，图5为沿图3中所示的线4-4截取的套芯310的另一个实施例的示意性截面。在示例性实施例中，套芯310包括设置在内芯324的至少一部分附近的第二材料362、设置在外壁380附近的第一材料322，以及沿径向设置在第二材料362与第一材料322之间的至少第三材料372。在一些实施例中，第二材料362又选自其中至少一者：(i)氧化抑制材料，(ii)腐蚀抑制材料，(iii)碳沉积抑制材料，(iv)热障材料，(v)水蒸汽阻隔材料，以及(vi)磨损抑制材料，且第三材料372选自其中另一者：(i)氧化抑制材料，(ii)腐蚀抑制材料，(iii)碳沉积抑制材料，(iv)热障材料，(v)水蒸汽阻隔材料，以及(vi)磨损抑制材料。在备选实施例中，第三材料372为粘结涂覆材料，其便于将第二材料362粘结到第一材料322和构件材料78中的至少一者。在其它备选实施例中，第三材料372为允许套芯310如本文所述起作用的任何适合的材料。
参照图2-图5，模具300由模具材料306形成。在示例性实施例中，模具材料306为选择成经得起与用于形成构件80的构件材料78的熔化状态相关联的高温环境的耐火陶瓷材料。在备选实施例中，模具材料306为允许构件80如本文所述形成的任何适合的材料。此外，在示例性实施例中，模具300由适合的熔模铸造过程形成。例如，但不作为限制，适合的模型材料(诸如蜡)注入适合的型模中以形成构件80的模型(未示出)，模型重复地浸入模具材料306的浆料中，其容许硬化以产生模具材料306的外壳，且外壳脱蜡且烧制以形成模具300。在备选实施例中，模具300由允许模具300如本文所述起作用的任何适合的方法形成。
在某些实施例中，套芯310相对于模具300固定，使得套芯310在形成构件80的过程期间相对于模具300保持固定。例如，套芯310固定，使得套芯310的位置在熔化的构件材料78引入套芯310周围的模腔304期间不会移位。在一些实施例中，套芯310直接地联接至模具300。例如，在示例性实施例中，套芯310的末梢部分312刚性地包围在模具300的末梢部分314中。另外地或备选地，套芯310的根部部分316刚性地包围在与末梢部分314相对的模具300的根部部分318中。例如，但不作为限制，模具300由上文所述的熔模铸造形成，且套芯310牢固地联接至适合的型模，使得末梢部分312和根部部分316延伸到型模外，同时部分315在模具的腔内延伸。模型材料在套芯310周围注入模具中，使得部分315在模型内延伸。熔模铸造引起模具300包围末梢部分312和/或根部部分316。另外地或备选地，套芯310以允许套芯310相对于模具300的位置在形成构件80的过程期间保持固定的任何其它适合的方式相对于模具300固定。
第一材料322选择成可由熔化的构件材料78至少部分地吸收。在某些实施例中，构件材料78为合金，且第一材料322为合金的至少一种组成材料。例如，在示例性实施例中，构件材料78为镍基超级合金，且第一材料322大致为镍，使得在熔化状态中的构件材料78引入模腔304中时，第一材料322大致由构件材料78吸收。在备选实施例中，构件材料78为任何适合的合金，且第一材料322为可至少部分地由熔化的合金吸收的至少一种材料。例如，构件材料78为钴基超级合金，且第一材料322大致为钴。对于另一个示例，构件材料78为铁基超级合金，且第一材料322大致为铁。对于另一个示例，构件材料78为钛基超级合金，且第一材料322大致为钛。
在某些实施例中，如上文关于第一材料322所述，第二材料362也选择成可由熔化的构件材料78至少部分地吸收。例如，构件材料78为基底金属的第一合金，且第二材料362为相同基底金属的第二合金。在一些这样的实施例中，相比于构件材料78，第二材料362选择成具有改善的物理性质，诸如但不限于改善的结构强度特征。此外，如上文关于第一材料322和第二材料362所述，在中空结构320包括除第一材料322和第二材料362外的材料的一些实施例中，额外材料(诸如但不限于第三材料372)也选择成可由熔化的构件材料78至少部分地吸收。
在某些实施例中，壁厚328足够薄，使得在熔化状态中的构件材料78引入模腔304中时，套芯310的部分315(即，在模腔304内延伸的部分)的第一材料322和第二材料362大致由构件材料78吸收。例如，在一些这样的实施例中，第一材料322和第二材料362大致由构件材料78吸收，使得在构件材料78冷却之后，没有离散的边界由构件材料78描绘中空结构320。此外，在一些这样的实施例中，第一材料322和第二材料362大致被吸收，使得在构件材料78冷却之后，第一材料322和第二材料362在构件材料78内大致均匀地分布。例如，内芯324附近的第一材料322的浓度和第二材料362的浓度中的每一者并非可探测地高于构件80内的其它位置处的第一材料322的浓度和第二材料362的浓度。
在备选实施例中，壁厚328选择成使得第一材料322和第二材料362中的至少一者不是由构件材料78大致吸收。例如，在一些实施例中，在构件材料78冷却之后，第一材料322和第二材料362中的至少一者不是大致均匀地分布在构件材料78内。例如，内芯324附近的第一材料322的浓度和第二材料362的浓度中的至少一者可探测地高于构件80内的其它位置处的第一材料322或第二材料362的相应浓度。在一些这样的实施例中，第一材料322和第二材料362中的至少一者由构件材料78部分地吸收，使得在构件材料78冷却之后，离散的边界从构件材料78描绘中空结构320。此外，在一些这样的实施例中，第一材料322和第二材料362中的至少一者由构件材料78部分地吸收，使得内芯324附近的中空结构320的至少一部分在构件材料78冷却之后保持完好。
在一些这样的实施例中，在构件80形成之后，内芯324附近的第二材料362的浓度可探测地高于构件80内的其它位置处的第二材料362的浓度。因此，在内芯324从构件80除去以形成内部通路82之后，内壁100附近的第二材料362的浓度可探测地高于构件80内的其它位置处的第二材料362的浓度。此外，在一些这样的实施例中，第二材料362内衬限定了内部通路82的内壁100的至少一部分。
例如，图6为沿图2中所示的线6-6截取的构件80的截面，且示意性地示出了内壁100附近的第二材料362的梯度分布。为了清楚起见，构件80内的第一材料322的分布从图6省略。在一些实施例中，内壁100附近的第二材料362的分布足以沿内壁100的至少一部分形成与第二材料362相关联的至少一个材料特征。此外，在一些实施例中，内壁100附近的第二材料362的浓度足够，使得第二材料362的至少一部分内衬限定了内部通路82的内壁100的至少一部分。
此外，在中空结构320包括除第一材料322和第二材料362之外的材料的某些实施例中，额外材料(诸如但不限于第三材料372)在构件80形成之后以相似的方式分布在内壁100附近。例如，内壁100附近的第三材料372的浓度足够，使得第三材料372内衬限定了内部通路82的内壁100的至少一部分。作为另一个示例，第三材料372为粘结涂覆材料，且内壁100附近的第三材料372的浓度足以帮助将第二材料362粘结到内壁100附近的构件材料78和/或第一材料322。
在示例性实施例中，内芯材料326为选择成经得起与用于形成构件80的构件材料78的熔化状态相关联的高温环境的耐火陶瓷材料。例如，但不带有限制性，内芯材料326包括二氧化硅、氧化铝和多铝红柱石中的至少一者。此外，在示例性实施例中，内芯材料326选择性地从构件80除去以形成内部通路82。例如但不作为限制，内芯材料326通过大致不会使构件材料78退化的适合的过程从构件80除去，诸如但不限于适合的化学浸出过程。在某些实施例中，内芯材料326基于与构件材料78、第一材料322和/或第二材料362的相容性和/或可除去性来选择。在备选实施例中，内芯材料326为允许构件80如本文所述形成的任何适合的材料。
在一些实施例中，套芯310通过向中空结构320填充内芯材料326来形成。例如，但不作为限制，内芯材料326作为浆料注入中空结构320中，且内芯材料326在中空结构320内干燥以形成套芯310。此外，在某些实施例中，中心结构320大致在结构上增强内芯324，因此减少了一些实施例中的将与形成构件80的未增强的内芯324的生产、处理和使用相关联的潜在问题。例如，在某些实施例中，内芯324是受到破裂、开裂和/或其它破坏的相对高风险的相对脆的陶瓷材料。因此，在一些这样的实施例中，相比于使用无护套的内芯324，形成和运输套芯310对内芯324呈现出低得多的破坏风险。类似地，在一些这样的实施例中，围绕将用于模具300的熔模铸造的套芯310形成适合的模型，诸如通过将蜡模型材料围绕套芯310注入型模中，相比于使用无护套的内芯324，呈现出对内芯324的低得多的破坏风险。因此，在某些实施例中，相比于使用无护套的内芯324而非套芯310执行的情况的相同步骤，使用套芯310呈现出低得多的失效风险以产生具有限定在其中的内部通路82的可接受的构件80。因此，套芯310便于获得与使内芯324关于模具300定位以限定内部通路82相关联的优点，同时减少或消除与内芯324相关联的易碎性问题。在备选实施例中，中空结构320并未大致在结构上增强内芯324。
例如，在某些实施例中，诸如但不限于其中的构件80为转子叶片70的实施例，内芯324的特征宽度330在从大约0.050cm(0.020英寸)到大约1.016cm(0.400英寸)的范围内，且中空结构320的壁厚328选择成在从大约0.013cm(0.005英寸)到大约0.254(0.100英寸)的范围内。更具体而言，在一些这样的实施例中，特征宽度330在从大约0.102cm(0.040英寸)到大约0.508cm(0.200英寸)的范围内，且壁厚328选择成在从大约0.013cm(0.005英寸)到大约0.038cm(0.015英寸)的范围内。对于另一个示例，在一些实施例中，诸如但不限于其中的构件80为静止构件(诸如但不限于定子导叶72)的实施例，内芯324的特征宽度330大于大约1.016cm(0.400英寸)，且/或壁厚328选择成大于大约0.254cm(0.100英寸)。在备选实施例中，特征宽度330为允许所得的内部通路82执行其预期功能的任何适合的值，且壁厚328选择成允许套芯310如本文所述起作用的任何适合的值。
在某些实施例中，中空结构320使用适合的增材制造过程形成。例如，图7为由第一材料322和第二材料362形成的中空结构320的实施例的示意性截面视图。在示例性实施例中，中空结构320从第一端350延伸至相对的第二端352，且包括第二材料362的径向内层和第一材料322的径向外层，它们分别从第一端350延伸至第二端352，使得第二材料362限定中空结构320的内部360，且第一材料322限定中空结构320的外壁380。
为了形成中空结构320，中空结构320的计算机设计模型在第一端350与第二端352之间分成一系列薄的平行平面，使得限定第一材料322和第二材料362中的每一者在各个平面内的分布。计算机数字控制(CNC)机器根据模型切片从第一端350到第二端352沉积第一材料322和第二材料362的连续层以形成中空结构320。例如，增材制造过程适合地构造成用于多种金属材料和/或金属与陶瓷材料中的每一者的交错沉积，且交错沉积根据计算机设计模型来适当地控制，以产生各层中的第一材料322和第二材料362的限定分布。三个这样代表性的层表示为层366、368和370。在一些实施例中，分别包括第一材料322和第二材料362的连续层使用直接金属激光熔化(DMLM)过程、直接金属激光烧结(DMLS)过程、选择性激光烧结(SLS)过程、电子束熔化(EBM)过程、选择性激光熔化过程(SLM)和自动注浆成型挤出类型的增材过程中的至少一者沉积。另外地或备选地，第一材料322和第二材料362的连续层使用允许中空结构320如本文所述形成的任何适合的过程沉积。
在一些实施例中，中空结构320由增材制造过程形成允许了中空结构320形成带有第二材料362的分布，其由形成中空结构320的其它方法产生将困难且/或相对更昂贵。对应地，由增材制造过程形成中空结构320允许了构件80形成带有内壁100附近的第二材料362的主要分布(例如，如图6中所示)，其(i)由形成构件80的其它方法生产和/或(ii)在构件80在模具300中初始形成之后在单独过程中加至构件80将困难且/或相对更昂贵。
对于另一个示例，图8为由第一材料322和第二材料362形成的中空结构320的另一个实施例的示意性截面视图。在示例性实施例中，中空结构320又包括从第一端350延伸至第二端352的第一材料322的层。中空结构320还包括一层第二材料362，其在中空结构320的内部360的至少一个预先限定的第一纵向部分354上在第一材料322的径向内侧延伸。在示例性实施例中，至少一个预先限定的第一纵向部分354为多个间隔开的第一纵向部分354。
为了形成中空结构320，中空结构320的计算机设计模型又在第一端350与第二端352之间分成一系列薄的平行平面，使得限定第一材料322和对于第一纵向部分354的第二材料362中的每一者在各个平面内的分布。计算机数字控制(CNC)机器根据模型切片从第一端350到第二端352沉积第一材料322和对于第一纵向部分354的第二材料362的连续层以形成中空结构320。例如，增材制造过程适合地构造成用于多种金属材料和/或金属与陶瓷材料中的每一者的交错沉积，且交错沉积根据计算机设计模型适当地控制以产生各层中的第一材料322和对于第一纵向部分354的第二材料362的限定分布。三个这样代表性的层表示为层366、368和370。在一些实施例中，分别包括第一材料322和对于第一纵向部分354的第二材料362的连续层使用直接金属激光熔化(DMLM)过程、直接金属激光烧结(DMLS)过程、选择性激光烧结(SLS)过程、电子束熔化(EBM)过程、选择性激光熔化过程(SLM)和自动注浆成型挤出类型的增材过程中的至少一者沉积。另外地或备选地，第一材料322和第二材料362的连续层使用允许中空结构320如本文所述形成的任何适合的过程沉积。
在一些实施例中，中空结构320由增材制造过程形成又允许了中空结构320形成带有第二材料362的分布，其由形成中空结构320的其它方法产生将困难且/或相对更昂贵。对应地，由增材制造过程形成中空结构320允许了构件80又形成带有内壁100附近的第二材料362的主要分布(如图6中所示)，其(i)由形成构件80的其它方法生产和/或(ii)在构件80在模具300中初始形成之后在单独过程中加至构件80将困难且/或相对更昂贵。具体而言，由增材制造过程形成中空结构320允许了构件80形成带有仅在沿内壁100的选择的纵向位置处分布的第二材料362。例如，在某些实施例中，第二材料362相对昂贵，且由增材制造过程形成中空结构320允许了第二材料362仅位于与沿内部通路82的位置对应的中空结构320的第一纵向部分354处，其中需要使用第二材料362来实现特定设计标准，从而降低与沿内部通路82的整个长度分布第二材料362相关联的成本。
对于另一个示例，图9为由第一材料322、第二材料372和第三材料362形成的中空结构320的另一个实施例的示意性截面视图。在示例性实施例中，中空结构320又包括从第一端350延伸至第二端352的第一材料322的层。中空结构320还包括在中空结构320的内部360的至少一个预先限定的第一纵向部分354上在第一材料322的径向内侧延伸的一层第二材料362，以及在中空结构320的内部360的至少一个预先限定的第二纵向部分356上在第一材料322的径向内侧延伸的一层第三材料372。在示例性实施例中，该至少一个预先限定的第一纵向部分354为多个第一纵向部分354，且该至少一个预先限定的第二纵向部分356为沿内部360与多个第一纵向部分354交错的多个第二纵向部分356。
为了形成中空结构320，中空结构320的计算机设计模型在第一端350与第二端352之间又分成一系列薄的平行平面，使得限定第一材料322、对于第一纵向部分354的第二材料362和对于第二纵向部分356的第三材料372中的每一者在各个平面内的分布。计算机数字控制(CNC)机器根据模型切片从第一端350到第二端352沉积第一材料322、第二材料362和/或第三材料372的连续层以形成中空结构320。例如，增材制造过程适合地构造成用于多种金属材料和/或金属与陶瓷材料中的每一者的交错沉积，且交错沉积根据计算机设计模型适当地控制，以产生各层中的第一材料322和对于第一纵向部分354的第二材料362和对于第二纵向部分356的第三材料372的限定分布。三个这样代表性的层表示为层366、368和370。在一些实施例中，分别包括第一材料322和对于第一纵向部分354的第二材料362以及对于第二纵向部分356的第三材料372的连续层使用直接金属激光熔化(DMLM)过程、直接金属激光烧结(DMLS)过程、选择性激光烧结(SLS)过程、电子束熔化(EBM)过程、选择性激光熔化过程(SLM)和自动注浆成型挤出类型的增材过程中的至少一者沉积。另外地或备选地，第一材料322、第二材料362和/或第三材料372的连续层使用允许中空结构320如本文所述形成的任何适合的过程沉积。
在一些实施例中，中空结构320由增材制造过程形成允许了中空结构320形成带有第二材料362和第三材料372的分布，其由形成中空结构320的其它方法产生将困难且/或相对更昂贵。对应地，由增材制造过程形成中空结构320允许了构件80形成带有内壁100的选择部分附近的第二材料362的主要分布(如图6中所示)和内壁100的其它选择部分附近的第三材料372的类似主要分布，其(i)由形成构件80的其它方法生产和/或(ii)在构件80在模具300中初始形成之后在单独过程中加至构件80将困难且/或相对更昂贵。具体而言，由增材制造过程形成中空结构320允许了构件80形成为第二材料362和第三材料372中的每一者仅在沿内壁100的选择的相应纵向位置处分布。例如，在某些实施例中，第二材料362提供第一有效性的热障，且第三材料372提供较大的第二有效性且相应地更昂贵的热障，且中空结构320由增材制造过程形成允许了第三材料372仅位于对应于沿内部通路82的位置的中空结构320的第二纵向部分356处，在该处需要使用第三材料372来实现特殊设计热标准，从而降低与沿内部通路82的整个长度分布第三材料372相关联的成本。
对于另一个示例，图10为由第一材料322、第二材料372和第三材料362形成的中空结构320的另一个实施例的示意性截面视图。该示例性实施例大致类似于图9中所示的实施例，只是多个第二纵向部分356和多个第一纵向部分354中的至少一个沿内部360与多个第二纵向部分356和多个第一纵向部分354中的其它的间隔开。
为了形成中空结构320，中空结构320的计算机设计模型又在第一端350与第二端352之间分成一系列薄的平行平面，使得限定第一材料322、对于第一纵向部分354的第二材料362和对于第二纵向部分356的第三材料372中的每一者在各个平面内的分布。计算机数字控制(CNC)机器根据模型切片从第一端350到第二端352沉积第一材料322、第二材料362和/或第三材料372的连续层以形成中空结构320。例如，增材制造过程适合地构造成用于多种金属材料和/或金属与陶瓷材料中的每一者的交错沉积，且交错沉积根据计算机设计模型来适当地控制，以产生各层中的第一材料322和对于第一纵向部分354的第二材料362以及对于第二纵向部分356的第三材料372的限定分布。三个这样代表性的层表示为层366、368和370。在一些实施例中，分别包括第一材料322和对于第一纵向部分354的第二材料362以及对于第二纵向部分356的第三材料372的连续层使用直接金属激光熔化(DMLM)过程、直接金属激光烧结(DMLS)过程、选择性激光烧结(SLS)过程、电子束熔化(EBM)过程、选择性激光熔化过程(SLM)和自动注浆成型挤出类型的增材过程中的至少一者沉积。另外地或备选地，第一材料322、第二材料362和/或第三材料372的连续层使用允许中空结构320如本文所述形成的任何适合的过程沉积。
在一些实施例中，中空结构320由增材制造过程形成又允许了中空结构320形成带有第二材料362和第三材料372的分布，其由形成中空结构320的其它方法产生将困难且/或相对更昂贵。对应地，由增材制造过程形成中空结构320允许了构件80形成带有内壁100的选择部分附近的第二材料362的主要分布(如图6中所示)和内壁100的其它选择部分附近的第三材料372的类似主要分布，其(i)由形成构件80的其它方法生产和/或(ii)在构件80在模具300中初始形成之后在单独过程中加至构件80将困难且/或相对更昂贵。具体而言，由增材制造过程形成中空结构320允许了构件80形成为第二材料362和第三材料372中的每一者仅在沿内壁100的选择的相应纵向位置处分布。例如，在某些实施例中，第二材料362提供第一有效性热障，且比第一材料322更昂贵，且第三材料372提供较大的第二有效性的热障，且比第二材料362更昂贵。由增材制造过程形成中空结构320允许了第二材料362仅位于对应于沿内部通路的位置的中空结构320的第一纵向部分354处，在该处需要使用第二材料362来实现第一特殊设计热标准，且第三材料372仅位于对应于沿内部通路82的位置的中空结构320的第二纵向部分356处，在该处需要使用第三材料372来实现更严格的第二特殊设计热标准，从而降低与沿内部通路82的整个长度分布第二材料362和第三材料372中的至少一者相关联的成本。
图11为包括具有多个内部通路特征98的内部通路82的另一个示例性构件80的一部分的示意性截面视图。图12为用于模具组件301以形成具有如图11中所示的内部通路特征98的构件80的另一个示例性套芯310的示意性透视断面视图。具体而言，中空结构320的一部分在图12的视图中切开以示出内芯324的特征。图13为用于形成套芯310的另一个中空结构320的一部分的示意性截面视图。中空结构320又由第一材料322和第二材料362形成。
参照图11-图13，内部通路82又大体上由构件80的内壁100限定，且内部通路特征98定形为限定由内部通路82限定的流路中的局部变化。例如，但不作为限制，内部通路特征98为湍流器，其从内壁100大体上朝内部通路82的中心沿径向向内延伸，且定形成干扰沿内壁100的热边界层流，以在旋转机械10(图1中所示)的操作期间改善提供至内部通路82的冷却流体的热传递能力。备选地，内部通路特征98为定形为限定由内部通路82限定的流动通路中的局部变化的任何结构。在示例性实施例中，如本文将描述，各个内部通路特征98附近的构件80至少部分地由第二材料362形成。为了清楚起见，构件80内的第一材料322的分布从图11省略。
在某些实施例中，中空结构320的内部360定形为限定至少一个内部通路特征98。在一些这样的实施例中，内芯324由中空结构320的内部360互补地定形，使得内芯324限定包括限定在其中的至少一个内部通路特征98的内部通路82。例如，内芯324由内部360互补地定形以包括至少一个互补特征331，且该至少一个互补特征331具有与至少一个内部通路特征98的形状互补的形状。
例如，在所示实施例中，该至少一个互补特征331为限定在内芯324的外表面中的多个凹入特征334。各个凹入特征334具有与对应的内部通路特征98的形状互补的形状。更具体而言，在所示实施例中，中空结构320的内部360包括形成为多个支柱形状的凸起341，其在中空结构320的内部360上沿径向向内延伸，使得在内芯材料326加至中空结构320时，凸起341限定凹入特征334。因此，当熔化的构件材料78引入模腔304中且中空结构320至少部分地吸收到熔化的构件材料78中时，熔化的构件材料78相对于该至少一个互补特征331填充，且该至少一个互补特征331内的冷却构件材料78形成该至少一个内部通路特征98。另外地或备选地，在某种程度上，内芯324附近的中空结构320的内部360的一部分在熔化的构件材料78引入模腔304中且冷却之后保持完好，相对于该至少一个互补特征331联接的内部360的完好部分限定该至少一个内部通路特征98。
在示例性实施例中，中空结构320的内部360至少包括至少部分地由第二材料362形成的凸起341，以及由第一材料322形成的中空结构320的其余部分。在备选实施例中，中空结构320包括第一材料322和第二材料362的任何适合的分布。在一些实施例中，在套芯310关于模具300(图3中所示)定位且熔化的构件材料78加至模腔304且冷却以形成构件80之后，内部通路特征98附近的第二材料362的浓度可探测地高于构件80内的其它位置处的第二材料362的浓度。此外，在一些这样的实施例中，第二材料362形成内部通路特征98的至少一部分。
为了形成中空结构320，中空结构320的计算机设计模型又在第一端350与第二端352之间分成一系列薄的平行平面，使得限定第一材料322和第二材料362中的每一者在各个平面内的分布。计算机数字控制(CNC)机器根据模型切片从第一端350到第二端352沉积第一材料322和对于至少一个凸起341部分地限定在其中的层的第二材料362的连续层以形成中空结构320。例如，增材制造过程又适合地构造成用于多种金属材料和/或金属与陶瓷材料中的每一者的交错沉积，且交错沉积根据计算机设计模型适当地控制，以产生各层中的第一材料322和第二材料362的限定分布。一个这样代表性的层表示为层366。在一些实施例中，分别包括第一材料322和对于至少一个凸起341部分地限定在其中的层的第二材料362的连续层使用直接金属激光熔化(DMLM)过程、直接金属激光烧结(DMLS)过程、选择性激光烧结(SLS)过程、电子束熔化(EBM)过程、选择性激光熔化过程(SLM)和自动注浆成型挤出类型的增材过程中的至少一者沉积。另外地或备选地，第一材料322和第二材料362的连续层使用允许中空结构320如本文所述形成的任何适合的过程沉积。
在一些实施例中，中空结构320由增材制造过程形成允许了中空结构320形成带有至少部分地由第二材料362形成的凸起341，其由形成中空结构320的其它方法产生将困难且/或相对更昂贵。对应地，由增材制造过程形成中空结构320允许了构件80形成带有至少部分地由第二材料362形成的内部通路特征98，其(i)由形成构件80的其它方法生产和/或(ii)在构件80在模具300中初始形成之后在单独过程中加至构件80将困难且/或相对更昂贵。例如，在某些实施例中，第二材料362比第一材料322更耐腐蚀，但相对更昂贵，使得第二材料362的使用选择成用于帮助保护内部通路特征98的形状免受腐蚀，且第一材料322和/或构件材料78足以实现内壁100的其它部分的特殊抗腐蚀设计标准，从而降低了与构件80相关联的成本。
图14为包括具有多个内部通路特征98的内部通路82的另一个示例性构件80的一部分的示意性截面视图。图15为用于模具组件301以形成具有如图14中所示的内部通路特征98的构件80的另一个示例性套芯310的示意性透视断面视图。具体而言，中空结构320的一部分在图15的视图中切开以示出内芯324的特征。图16为用于形成套芯310的另一个中空结构320的一部分的示意性截面视图。中空结构320又由第一材料322和第二材料362形成。
参照图14-图16，内部通路82又大体上由构件80的内壁100限定，且内部通路特征98又定形为限定由内部通路82限定的流路中的局部变化。在示例性实施例中，如本文将描述，各个内部通路特征98附近的构件80又至少部分地由第二材料362形成。为了清楚起见，构件80内的第一材料322的分布从图14省略。
在某些实施例中，中空结构320的内部360又定形为限定至少一个内部通路特征98。在一些这样的实施例中，内芯324又由中空结构320的内部360互补地定形，使得内芯324限定包括限定在其中的至少一个内部通路特征98的内部通路82。更具体而言，在示例性实施例中，中空结构320的内部360定形为将该至少一个内部通路特征98限定为沿内部通路82的内壁100的来福线凹槽。对应地，内部360包括来福线凸起341，其定形为在内芯326加至中空结构320时将内芯324的至少一个互补特征331限定为来福线凹槽结构339。因此，当熔化的构件材料78引入模腔304中且中空结构320至少部分地吸收到熔化的构件材料78中时，熔化的构件材料78相对于该至少一个互补特征331填充，且该至少一个互补特征331内的冷却构件材料78又形成至少一个内部通路特征98。另外地或备选地，在某种程度上，内芯324附近的中空结构320的内部360的一部分在熔化的构件材料78引入模腔304中且冷却之后保持完好，相对于该至少一个互补特征331联接的内部360的完好部分又限定该至少一个内部通路特征98。
在示例性实施例中，中空结构320至少包括至少部分地由第二材料362形成的凸起341，以及由第一材料322形成的中空结构320的其余部分。在备选实施例中，中空结构320包括第一材料322和第二材料362的任何适合的分布。在一些实施例中，在套芯310关于模具300(图3中所示)定位且熔化的构件材料78加至模腔304且冷却以形成构件80之后，内部通路特征98附近的第二材料362的浓度可探测地高于构件80内的其它位置处的第二材料362的浓度。此外，在一些这样的实施例中，第二材料362形成内部通路特征98的至少一部分。
为了形成中空结构320，中空结构320的计算机设计模型又在第一端350与第二端352之间分成一系列薄的平行平面，使得限定第一材料322和第二材料362中的每一者在各个平面内的分布。计算机数字控制(CNC)机器根据模型切片从第一端350到第二端352沉积第一材料322和对于凸起341部分地限定在其中的层的第二材料362的连续层以形成中空结构320。例如，增材制造过程又适合地构造成用于多种金属材料和/或金属与陶瓷材料中的每一者的交错沉积，且交错沉积根据计算机设计模型适当地控制，以产生各层中的第一材料322和第二材料362的限定分布。一个这样代表性的层表示为层366。在一些实施例中，分别包括第一材料322和对于凸起341部分地限定在其中的层的第二材料362的连续层使用直接金属激光熔化(DMLM)过程、直接金属激光烧结(DMLS)过程、选择性激光烧结(SLS)过程、电子束熔化(EBM)过程、选择性激光熔化过程(SLM)和自动注浆成型挤出类型的增材过程中的至少一者沉积。另外地或备选地，第一材料322和第二材料362的连续层使用允许中空结构320如本文所述形成的任何适合的过程沉积。
在一些实施例中，如上文所述，由增材制造过程形成中空结构320又允许了构件80形成带有至少部分地由第二材料362形成的内部通路特征98，其(i)由形成构件80的其它方法生产和/或(ii)在构件80在模具300中初始形成之后在单独过程中加至构件80将困难且/或相对更昂贵。
参照图11-图16，尽管内部通路特征98示为支柱和/或来福线凹槽，但应当理解的是，本公开内容可构想出具有允许内部通路82起作用为其预期目的的任何适合的额外或备选形状的内部通路特征98，以及具有允许内部通路特征98如本文所述那样形成的任何适合的对应形状的中空结构320和内部360和内芯324的互补特征331。此外，尽管所示实施例将内部通路特征98的各个实施例示为具有大致相同的重复形状，但应当理解的是，本公开内容构想出了具有允许内部通路82起作用为其预期目的的任何适合组合的不同形状的内部通路特征98，以及具有允许内部通路特征98如本文所述那样形成的不同形状的任何适合的对应组合的中空结构320的内部360和内芯324的互补特征331。
图17为包括限定在其中的内部通路82的另一个示例性构件80的一部分的示意性截面视图。图18为用于形成图17中所示的构件80的模具组件301的另一个中空结构320的一部分的示意性截面视图。中空结构320又由第一材料322和第二材料362形成。在示例性实施例中，第二材料362相比第一材料322为强度较高的材料。备选地，第二材料362为能够与构件材料78和第一材料322中的至少一者增效地结合的材料，以改善构件材料78和第一材料322的结构强度特征。
参照图17和图18，内部通路82又由构件80的内壁100限定。在示例性实施例中，内部通路82的形状限定内壁100附近的构件80中的至少一个应力集中区域102。该至少一个应力集中区域102附近的第二材料362的浓度促进该至少一个应力集中区域102中的构件80的增大的应力阻力。为了清楚起见，构件80内的第一材料322的分布从图17省略。
在某些实施例中，内芯324(未示出)又由中空结构320的内部360互补地定形，使得内芯324限定包括该至少一个应力集中区域102的内部通路82。对应于该至少一个应力集中区域102的中空结构320的至少一部分358由第二材料362至少部分地形成，且中空结构320的其余部分由第一材料322形成。在备选实施例中，中空结构320包括第一材料322和第二材料362的任何适合的分布。中空结构320然后填充有内芯材料326以形成类似于图3中所示的套芯310。在一些实施例中，在套芯310关于模具300(图3中所示)定位且熔化的构件材料78加至模腔304且冷却以形成构件80之后，第二材料362形成该至少一个应力集中区域102的至少一部分。
为了形成中空结构320，中空结构320的计算机设计模型又在第一端350与第二端352之间分成一系列薄的平行平面，使得限定第一材料322和第二材料362中的每一者在各个平面内的分布。计算机数字控制(CNC)机器根据模型切片从第一端350到第二端352沉积第一材料322和/或第二材料362的连续层以形成中空结构320。例如，增材制造过程又适合地构造成用于多种金属材料和/或金属与陶瓷材料中的每一者的交错沉积，且交错沉积根据计算机设计模型适当地控制，以产生各层中的第一材料322和第二材料362的限定分布。三个这样代表性的层表示为层366、368和370。在一些实施例中，分别包括第一材料322和/或第二材料362的连续层使用直接金属激光熔化(DMLM)过程、直接金属激光烧结(DMLS)过程、选择性激光烧结(SLS)过程、电子束熔化(EBM)过程、选择性激光熔化过程(SLM)和自动注浆成型挤出类型的增材过程中的至少一者沉积。另外地或备选地，第一材料322和第二材料362的连续层使用允许中空结构320如本文所述形成的任何适合的过程沉积。
在一些实施例中，中空结构320由增材制造过程形成又允许了中空结构320形成带有第二材料362的分布，其由形成中空结构320的其它方法产生将困难且/或相对更昂贵。对应地，由增材制造过程形成中空结构320允许了构件80形成带有该至少一个应力集中区域102附近的第二材料362的主要分布，其(i)由形成构件80的其它方法生产和/或(ii)在构件80在模具300中初始形成之后在单独过程中加至构件80将困难且/或相对更昂贵。
进一步参照图7-图18，尽管所示实施例将内部通路82示为具有大体上圆形截面，但应当理解的是，内部通路82具有允许内部通路82起作用为其预期目的的任何适合的额外或备选截面。此外，尽管所示实施例将内部通路82的各个实施例示为具有沿其长度的大体上恒定的截面，但应当理解的是，内部通路82具有允许内部通路82起作用为其预期目的的沿其长度的任何适合的截面变化。此外，应当理解的是，中空结构320定形为以允许中空结构320如本文所述那样形成的任何适合的方式限定内部通路82的任何适合的对应形状。
图19和图20中的流程图中示出了形成具有限定在其中的内部通路(诸如内部通路82)的构件(诸如构件80)的示例性方法1900。还参照图1-18，示例性方法1900包括将套芯(诸如套芯310)关于模具(诸如模具300)定位1902。套芯包括由至少第一材料(诸如第一材料322)和第二材料(诸如第二材料362)形成的中空结构(诸如中空结构320)。套芯还包括设置在中空结构内的内芯，诸如内芯324。方法1900还包括将熔化状态的构件材料(诸如构件材料78)引入1904模腔(诸如模腔304)中以形成构件，以及冷却1906腔中的构件材料以形成构件。内芯限定构件内的内部通路。
在一些实施例中，将构件材料引入1904腔中的步骤包括引入1908构件材料，使得在构件形成之后，内芯附近的第二材料的浓度足以沿限定构件内的内部通路的内壁(诸如内壁100)的至少一部分形成与第二材料相关联的至少一个材料特征。
在某些实施例中，将构件材料引入1904腔中的步骤包括引入1910构件材料，使得在构件形成之后，第二材料内衬限定构件内的内部通路的内壁(诸如内壁100)的至少一部分。
在一些实施例中，定位1902套芯的步骤包括定位1912套芯，其中第二材料选自其中至少一者：(i)氧化抑制材料，(ii)腐蚀抑制材料，(iii)碳沉积抑制材料，(iv)热障材料，(v)水蒸汽阻隔材料，和(vi)磨损抑制材料，以及(vii)在构件形成时提高构件沿内部通路的结构强度的材料。
在某些实施例中，定位1902套芯的步骤包括定位1914套芯，其中第二材料在中空结构的内部(诸如内部360)的至少一个预先限定的第一纵向部分(诸如第一纵向部分354)上在第一材料的径向内侧延伸。在一些这样实施例中，定位1914套芯的步骤包括定位1916套芯，其包括由第一材料、第二材料和第三材料(诸如第三材料372)形成的中空结构。第三材料在中空结构的内部的至少一个预先限定的第二纵向部分(诸如第二纵向部分356)上在第一材料的径向内侧延伸。
在某些实施例中，中空结构的内部(诸如内部360)至少部分地由第二材料形成，内部定形为限定内部通路的至少一个内部通路特征，诸如内部通路特征98，且将构件材料引入1904腔中的步骤包括引入1918构件材料，使得在构件形成之后，第二材料形成该至少一个内部通路特征的至少一部分。
在一些实施例中，内部通路的形状限定构件中的至少一个应力集中区域，诸如应力集中区域102。此外，对应于该至少一个应力集中区域的中空结构的至少一部分(诸如部分358)至少部分地由第二材料形成。将构件材料引入1904腔中的步骤包括引入1920构件材料，使得在构件形成之后，第二材料形成该至少一个应力集中区域的至少一部分。
在某些实施例中，定位1902套芯的步骤包括定位1922套芯，其包括中空结构，中空结构包括分别使用增材制造过程形成的多个层，诸如代表性的层366、368和370。
在一些实施例中，方法1900还包括使用1926增材制造过程形成1924中空结构。此外，在一些这样的实施例中，使用1926增材制造过程的步骤包括交错地沉积1928第一材料和第二材料中的每一者以产生第一材料和第二材料在中空结构的多个层(诸如代表性的层366、368和370)中的每一个中的限定分布。另外地或备选地，在一些这样的实施例中，使用1926增材制造过程的步骤包括使用1930直接金属激光熔化(DMLM)过程、直接金属激光烧结(DMLS)过程、选择性激光烧结(SLS)过程、电子束熔化(EBM)过程、选择性激光熔化过程(SLM)和自动注浆成型挤出类型的增材过程中的至少一者。
上述套芯提供用于利用不同于沿内部通路选择性地定位的构件材料的材料形成包括限定在其中的内部通路的构件的成本效益合算的方法。具体而言，套芯包括内芯，其定位在模腔内以限定构件内的内部通路的位置，且还包括内芯设置在其内的由至少第一材料和第二材料形成的中空结构。第二材料策略性地分布在中空结构内，诸如通过增材制造过程，使得第二材料在构件形成于模具中时选择性地沿内部通路定位。例如但不作为限制，第二材料优选地定位成提供沿内部通路设置的湍流器的抗腐蚀涂层，或结构上增强与内部通路的形状相关联的应力集中。仅作为一个示范，相对较低强度的构件材料满足构件的大部分的强度要求且选择成提供构件的较好总体热性能，且内部通路附近的第二材料的选择性加入允许了热性能相对不太关键的区域中的按需要的较大局部化的应力。
另外，具体而言，第一材料和第二材料分别至少部分地可由引入模腔中以形成构件的熔化的构件材料吸收。因此，中空结构的使用不妨碍构件的结构或性能特征，且不妨碍内芯材料随后从构件除去以形成内部通路。
本文所述的方法、系统和设备的示例性技术效果包括以下至少一者：(a)减少或消除与用于形成具有限定在其中的内部通路的构件的芯的形成、处理、运输和/或储存相关联的易碎性问题；以及(b)在构件形成在模具中时可靠且可重复地选择性地沿内部通路定位第二材料的能力，甚至是对于具有非线性和/或复杂形状且/或特征为高L/D比的内部通路。
上文详细描述了套芯的示例性实施例。套芯和使用此套芯的方法和系统不限于本文所述的特定实施例，相反，系统的构件和/或方法的步骤可与本文所述的其它构件和/或步骤独立地且单独地使用。例如，示例性实施例可结合目前构造成在模具组件内使用芯的许多其它应用来实施和使用。
尽管本公开内容的各种实施例的特定特征可在一些图中示出且在其它图中未示出，但这仅是为了方便。根据本公开内容的原理，图的任何特征可与任何其它图的任何特征组合来参照和/或请求保护。
该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包含的方法。本公开内容可申请专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有不与权利要求的字面语言不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构要素，则意在使这些其它示例处于权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种形成具有限定在其中的内部通路(82)的构件(80)的方法(1900)，所述方法包括：
将套芯(310)关于模具(300)定位(1902)，其中所述套芯包括：
由包括至少第一材料(322)和第二材料(362)的多个金属材料形成的中空结构(320)；以及
设置在所述中空结构内的内芯(324)；
将熔化状态中的构件材料(78)引入(1904)所述模具的腔(304)中；以及
冷却(1906)所述腔中的构件材料以形成所述构件，其中所述内芯限定所述构件内的内部通路。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将构件材料引入(1904)所述腔中包括引入(1908)所述构件材料，使得在所述构件形成之后，所述内芯附近的所述第二材料的浓度足以沿限定所述构件内的内部通路的内壁(100)的至少一部分形成与所述第二材料相关联的至少一个材料特征。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将构件材料引入(1904)所述腔中包括引入(1910)所述构件材料，使得在所述构件形成之后，所述第二材料内衬限定所述构件内的内部通路的内壁(100)的至少一部分。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中空结构的内部(360)至少部分地由所述第二材料形成，所述内部定形为限定所述内部通路的至少一个内部通路特征(98)，所述将构件材料引入(1904)所述腔中包括引入(1918)所述构件材料，使得在所述构件形成之后，所述第二材料形成所述至少一个内部通路特征的至少一部分。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述内部通路的形状限定所述构件中的至少一个应力集中区域(102)，且其中对应于所述至少一个应力集中区域的所述中空结构的至少一部分(158)至少部分地由所述第二材料形成，所述将构件材料引入(1904)所述腔中包括引入(1920)所述构件材料，使得在形成所述构件之后，所述第二材料形成所述至少一个应力集中区域的至少一部分。
6.一种用于形成具有限定在其中的内部通路(82)的构件(80)的模具组件(301)，所述模具组件包括：
限定其中的模腔(304)的模具(300)；以及
关于所述模具定位的套芯(310)，所述套芯包括：
由包括至少第一材料(322)和第二材料(362)的多个金属材料形成的中空结构(320)；以及
内芯(324)，其设置在所述中空结构内且定位成在熔化状态中的构件材料(78)引入所述模腔且冷却以形成所述构件时限定所述构件内的内部通路。
7.根据权利要求6所述的模具组件，其特征在于，所述第二材料选自其中至少一者：(i)氧化抑制材料，(ii)腐蚀抑制材料，(iii)碳沉积抑制材料，(iv)热障材料，(v)水蒸汽阻隔材料，和(vi)磨损抑制材料，以及(vii)在所述构件形成时提高所述构件沿所述内部通路的结构强度的材料。
8.根据权利要求6所述的模具组件，其特征在于，所述中空结构包括至少部分地由所述第二材料限定的内部(360)，所述内部定形为在所述构件形成时限定所述内部通路的至少一个内部通路特征(98)。
9.根据权利要求6所述的模具组件，其特征在于，所述内部通路的形状限定所述构件中的至少一个应力集中区域(102)，且其中对应于所述至少一个应力集中区域的所述中空结构的至少一部分(158)至少部分地由所述第二材料形成。
10.根据权利要求6所述的模具组件，其特征在于，所述第二材料为其中至少一者：
相比所述第一材料强度相对较高的材料；以及
能够与所述构件材料和所述第一材料中的至少一者增效地结合，使得改善所述构件材料和所述第一材料中的所述至少一者的结构强度特征。
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