CN107030260B - 用于利用带护套芯形成具有内部通路的构件的方法和组件 - Google Patents

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Abstract

一种形成具有限定于其中的内部通路的构件的方法包括相对于模具定位带护套芯。带护套芯包括由第一材料形成的中空结构，和由内芯材料形成且设置在该中空结构内的内芯。该方法还包括将熔融状态下的构件材料引入模具的腔中，使得熔融状态下的构件材料从带护套芯的在腔内的一部分至少部分地吸收第一材料。该方法还包括在腔中冷却构件材料以形成构件，和从构件移除内芯材料以形成内部通路。

Description

用于利用带护套芯形成具有内部通路的构件的方法和组件
技术领域
本公开的领域大体上涉及具有限定在其中的内部通路的构件，且更具体而言，涉及利用带护套芯形成此种构件。
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，一些构件如燃气涡轮的热气体路径构件经历高温。至少一些构件具有限定在其中的内部通路，以接收冷却流体流，使得构件能够更好地经受高温。另外举例来说，但不作为限制，一些构件在与另一个构件的界面处经历摩擦。至少一些此类构件具有限定在其中的内部通路，以接收润滑剂流来便于减小摩擦。
在模具中形成具有限定在其中的内部通路的至少一些已知的构件，其中陶瓷材料的芯在模具腔内在针对内部通路选择的位置处延伸。在熔化的金属合金被引入陶瓷芯周围的模具腔中且被冷却来形成构件之后，诸如通过化学浸出移除陶瓷芯，以形成内部通路。然而，至少一些已知的陶瓷芯是易碎的，从而导致在无破坏的情况下生产和处理起来难且昂贵的芯。此外，用于形成此种构件的一些模具是通过熔模铸造形成的，且至少一些已知的陶瓷芯缺乏足够的强度以可靠地耐受用于形成用于熔模铸造过程的模型的材料的注射，材料诸如但不限于蜡。
备选地或此外，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，且在随后的过程中形成内部通路。例如，至少一些已知的内部通路是通过将通路钻到构件中而形成的，诸如但不限于电化学钻孔过程。然而，至少一些此类钻孔过程相对耗时且昂贵。而且，至少一些此种钻孔过程不可形成某些构件设计需要的内部通路曲率。
发明内容
在一个方面中，提供了一种形成构件的方法，该构件具有限定在其中的内部通路。该方法包括相对于模具定位带护套芯。带护套芯包括由第一材料形成的中空结构，和由内芯材料形成且设置在该中空结构内的内芯。该方法还包括将熔融状态下的构件材料引入模具的腔中，使得熔融状态下的构件材料从带护套芯的在腔内的一部分至少部分地吸收第一材料。该方法还包括在腔中冷却构件材料以形成构件，和从构件移除内芯材料以形成内部通路。
在另一方面中，提供了一种用于形成构件的模具组件，该构件具有限定在其中的内部通路。构件由构件材料形成。模具组件包括在其中限定模具腔的模具。模具组件还包括相对于模具定位的带护套芯。带护套芯包括由第一材料形成的中空结构，和由内芯材料形成且设置在该中空结构内的内芯。第一材料能够由熔融状态下的构件材料至少部分地吸收。带护套芯的一部分定位在模具腔内，使得该部分的所述内芯限定构件内的内部通路的位置。
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：
相对于模具定位带护套芯，其中，所述带护套芯包括：
由第一材料形成的中空结构；和
由内芯材料形成的内芯，其配置在所述中空结构内；
将熔融状态下的构件材料引入所述模具的腔中，使得熔融状态下的所述构件材料从所述带护套芯的在所述腔内的一部分至少部分地吸收所述第一材料；
在所述腔中冷却所述构件材料以形成所述构件；和
从所述构件移除所述内芯材料以形成所述内部通路。
技术方案2. 根据技术方案1所述的方法，还包括将相对于所述模具固连所述带护套芯，使得在所述引入和所述冷却所述构件材料期间，所述带护套芯相对于所述模具保持固定。
技术方案3. 根据技术方案1所述的方法，其中，从所述构件所述移除所述内芯材料包括从所述构件移除所述内芯材料而不使所述构件材料退化。
技术方案4. 根据技术方案1所述的方法，还包括利用所述内芯材料填充所述中空结构以形成所述带护套芯。
技术方案5. 根据技术方案4所述的方法，还包括，在利用所述内芯材料所述填充所述中空结构之前，预成型所述中空结构以对应于所述内部通路的选定非线性形状。
技术方案6. 根据技术方案5所述的方法，其中，所述构件包括转子叶片和定子导叶中的一者，所述预成型所述中空结构包括预成型所述中空结构以对应于所述内部通路的与所述构件的轴向扭转互补的所述非线性形状。
技术方案7. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述内芯的外部表面具有至少一个凹入特征，所述方法还包括形成具有与所述至少一个凹入特征的形状互补的至少一个通路壁特征的所述内部通路。
技术方案8. 根据技术方案7所述的方法，还包括：
利用所述内芯材料填充所述中空结构以形成所述带护套芯；和
在利用所述内芯材料填充所述中空结构之前，预成型所述中空结构以限定所述至少一个凹入特征的形状。
技术方案9. 根据技术方案8所述的方法，其中，所述预成型所述中空结构包括使所述中空结构缩口来形成至少一个凹痕。
技术方案10. 根据技术方案7所述的方法，还包括：
利用所述内芯材料填充所述中空结构以形成所述带护套芯；和
在利用所述内芯材料填充所述中空结构之后，操纵所述带护套芯以限定所述至少一个凹入特征的形状。
技术方案11. 根据技术方案10所述的方法，其中，所述操纵所述带护套芯包括在所述内芯中形成至少一个缺口。
技术方案12. 根据技术方案11所述的方法，其中，在所述内芯中所述形成所述至少一个缺口包括在所述外部表面的相对的细长侧中形成细长缺口。
技术方案13. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述带护套芯包括末梢部分和根部部分，所述方法还包括通过熔模铸造过程形成所述模具，其中，所述末梢部分和所述根部部分中的至少一者在所述熔模铸造过程期间变为被包围在所述模具中。
技术方案14. 一种用于形成构件的模具组件，所述构件具有限定在其中的内部通路，所述构件由构件材料形成，所述模具组件包括：
模具，其在其中限定模具腔；和
带护套芯，其相对于所述模具定位，所述带护套芯包括：
由第一材料形成的中空结构；和
由内芯材料形成的内芯，其配置在所述中空结构内，其中：
所述第一材料能够由熔融状态下的所述构件材料至少部分地吸收，且
所述带护套芯的一部分定位在所述模具腔内，使得所述带护套芯的所述部分的所述内芯限定所述构件内的所述内部通路的位置。
技术方案15. 根据技术方案14所述的模具组件，其中，所述中空结构显著地在结构上增强所述内芯。
技术方案16. 根据技术方案14所述的模具组件，其中，所述内芯材料能够从所述构件材料移除而不显著地使所述构件材料退化。
技术方案17. 根据技术方案14所述的模具组件，其中，所述中空结构的形状对应于所述内部通路的选定非线性形状。
技术方案18. 根据技术方案14所述的模具组件，其中，所述内芯的外部表面包括与所述内部通路的至少一个通路壁特征的形状互补的至少一个凹入特征。
技术方案19. 根据技术方案18所述的模具组件，其中，所述中空结构包括至少一个凹痕，各所述至少一个凹痕限定所述至少一个凹入特征中的对应的一个。
技术方案20. 根据技术方案18所述的模具组件，其中，所述中空结构包括接近所述至少一个凹入特征的至少一个孔口。
技术方案21. 根据技术方案14所述的模具组件，其中，所述构件材料是合金，且所述第一材料包括所述合金的至少一种构成材料。
附图说明
图1是示范旋转机器的示意图；
图2为用于与图1中所示的旋转机器一起使用的示范构件的示意性透视图；
图3为用于制作图2中所示的构件的示范模具组件的示意性透视图，该模具组件包括相对于模具定位的带护套芯；
图4为沿图3中所示的4-4线截取的用于与图3中所示的模具组件一起使用的示范带护套芯的示意截面图；
图5为用于与图1中所示的旋转机器一起使用的另一个示范构件的一部分的示意性透视图，该构件包括具有多个通路壁特征的内部通路；
图6为用于与图3中所示的模具组件一起使用来形成具有如图5中所示的通路壁特征的构件的另一个示范带护套芯的示意性透视剖开视图；
图7为用于与图1中所示的旋转机器一起使用的另一个示范构件的一部分的示意性透视图，该构件包括具有另外多个通路壁特征的内部通路；
图8为用于与图3中所示的模具组件一起使用来形成具有如图7中所示的通路壁特征的构件的又一个示范带护套芯的示意性透视剖开视图；
图9为用于与图1中所示的旋转机器一起使用的另一个示范构件的一部分的示意性透视图，该构件包括具有特定截面(contoured cross-section)的内部通路；
图10为用于与图3中所示的模具组件一起使用来形成具有图9中所示的内部通路的构件的另一个示范带护套芯的示意性透视剖开视图；
图11为形成具有限定在其中的内部通路的构件(如，图2、5、7、和9中所示的构件中的任一者)的示范方法的流程图；且
图12为图11中的流程图的继续。
部件列表
10 旋转机器
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 至少一个燃烧器
36 壳体
40 压缩机叶片
42 压缩机定子导叶
70 转子叶片
72 涡轮定子导叶
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 根部端部
89 转子叶片的轴线
90 末梢端部
92 距离
94 基本上恒定的距离
96 叶片长度
98 通路壁特征
100 内部壁
102 特征高度
104 特征宽度
110 细长边缘
300 模具
301 模具组件
302 内部壁
304 模具腔
306 模具材料
310 带护套芯
312 末梢部分
315 部分
316 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
332 外部表面
334 凹入特征
336 凹槽深度
338 凹槽宽度
340 凹痕
342 深度
346 细长侧
348 孔口
350 凹槽
352 缺口
354 细长缺口。
具体实施方式
在以下说明和权利要求中，将参照多个用语，这些用语应被限定为具有以下含义。
单数形式“一”、“一个”、和“该”包括复数个指示物，除非上下文另外清楚地规定。
“可选的”或“可选地”意思是指随后描述的事件或情形可发生或可不发生，且该描述包括发生该事件的实例和不发生该事件的实例。
在本文中贯穿说明书和权利要求书使用的近似语言可用于修饰任何量的表现，其可以可容许地变化，而不导致其涉及的基本功能中的变化。因此，由一个或多个用语如“大约”、“近似”和“大致”修饰的值不限于指定的准确值。在至少某些实例中，近似语言可对应用于测量该值的工具的精度。在此且贯穿说明书和权利要求，可确定范围限制。此种范围可组合并且/或者互换，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。
本文所述的示范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已知组件和方法相关的至少一些缺点。本文所述的实施例提供了相对于模具定位的带护套芯。带护套芯包括(i)由第一材料形成的中空结构，和(ii)由内芯材料形成且设置在该中空结构内的内芯。内芯在模具腔内延伸，以限定待在模具中形成的构件内的内部通路的位置。第一材料在结构上增强内芯，且被选择成基本上能够由被引入模具腔中的构件材料吸收，来形成构件。在某些实施例中，该中空结构还允许形成内芯的外部表面以形成内部通路中的互补通路壁特征，同时减少或消除与形成内芯的外部表面相关的易碎性问题。
图1为具有可利用本公开实施例的构件的示范旋转机器10的示意图。在示范实施例中，旋转机器10为燃气涡轮，其包括进气区段12、联接在进气区段12下游的压缩机区段14、联接在压缩机区段14下游的燃烧器区段16、联接在燃烧器区段16下游的涡轮区段18，和联接在涡轮区段18下游的排气区段20。大体上管状的壳体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中的一个或更多个。在备选实施例中，旋转机器10为如本文所述的形成有内部通路的构件所适用的任何旋转机器。此外，尽管出于图示目的，在旋转机器的背景下描述了本公开的实施例，但应当理解的是，本文所述的实施例适用于涉及如下构件的任何背景下，该构件适当地形成有限定在其中的内部通路。
在示范实施例中，涡轮区段18经由转子轴22联接到压缩机区段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，而且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将空气压缩至高压和高温。更具体而言，转子轴22将旋转能量给予在压缩机区段14内联接到转子轴22的压缩机叶片40的至少一个周向排。在示范实施中，各排压缩机叶片40前面是从壳体36径向向内延伸的压缩机定子导叶42的周向排，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，且被点燃来生成燃烧气体，该燃烧气体被朝涡轮区段18导送。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)被喷射到空气流中，且燃料-空气混合物被点燃来生成高温燃烧气体，该高温燃烧气体被朝涡轮区段18导送。
涡轮区段18将来自燃烧气流的热能转换成机械旋转能量。更具体而言，燃烧气体将旋转能量给予在涡轮区段18内联接到转子轴22的转子叶片70的至少一个周向排。在示范实施例中，各排转子叶片70前面是从壳体36径向向内延伸的涡轮定子导叶72的周向排，其将燃烧气体引导到转子叶片70中。转子轴22可联接到负载(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。旋转机器10的构件示为构件80。邻近燃烧气体路径的构件80在旋转机器10的操作期间经历高温。此外或作为备选，构件80包括适当地形成有具有限定在其中的内部通路的任何构件。
图2为例示为用于与(图1中所示的)旋转机器10一起使用的示范构件80的示意性透视图。构件80包括限定在其中的至少一个内部通路82。例如，冷却流体在旋转机器10的操作期间被提供至内部通路82，以便于将构件80维持为低于热燃烧气体的温度。尽管仅示出了一个内部通路82，但应当理解的是，构件80包括如本文所述地形成的任何适当数目的内部通路82。
构件80由构件材料78形成。在示范实施例中，构件材料78为适当的镍基超级合金。在备选实施例中，构件材料78为钴基超级合金、铁基合金和钛基合金中的至少一者。在其他备选实施例中，构件材料78为允许构件80如本文所述那样形成的任何适当材料。
在示范实施例中，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为旋转机器10的能够形成有如本文所述的内部通路的另一适当构件。在另外其他实施例中，构件80为适当地形成有限定在其中的内部通路的用于任何适当应用的任何构件。
在示范实施例中，转子叶片70或作为备选，定子导叶72，包括压力侧74和相反的吸力侧76。压力侧74和吸力侧76中的各个从前缘84延伸至相反的后缘86。此外，转子叶片70或作为备选，定子导叶72，从根部端部88延伸至相反的末梢端部90，从而限定叶片长度96。在备选实施例中，转子叶片70或作为备选，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当构造。
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50.8 cm(20英寸)。在特定实施例中，叶片长度96在从大约61 cm(24英寸)到大约101.6 cm(40英寸)的范围中。在备选实施例中，叶片长度96小于大约25.4 cm(10英寸)。例如，在一些实施例中，叶片长度96在从大约2.54 cm(1英寸)到大约25.4 cm(10英寸)的范围中。在其他备选实施例中，叶片长度96大于大约101.6 cm(40英寸)。
在示范实施例中，内部通路82从根部端部88延伸至末梢端部90。在备选实施例中，内部通路82以任何适当的方式在构件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当程度。在某些实施例中，内部通路82是非线性的。例如，构件80形成有沿着轴线89(其限定在根部端部88与末梢端部90之间)的预先限定的扭转，且内部通路82具有与该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基本上恒定的距离94处。作为备选或此外，构件80的翼弦在根部端部88与末梢端部90之间成锥形，且内部通路82与该锥形互补地非线性延伸，使得内部通路82沿内部通路82的长度定位在离后缘86基本上恒定的距离92处。在备选实施例中，内部通路82具有与构件80的任何适当轮廓互补的非线性形状。在其他备选实施例中，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具有基本上圆形的截面。在备选实施例中，内部通路82具有基本上卵形的截面。在其他备选实施例中，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当形状的截面。此外，在某些实施例中，内部通路82的截面的形状沿内部通路82的长度基本上恒定。在备选实施例中，内部通路82的截面的形状以允许内部通路82如本文所述那样形成的任何适当方式沿内部通路82的长度变化。
图3为用于制作构件80(图2中所示)的模具组件301的示意性透视图。模具组件301包括相对于模具300定位的带护套芯310。图4为沿图3中所示的4-4线截取的带护套芯310的示意性截面图。参看图2-4，模具300的内部壁302限定模具腔304。内部壁302限定与构件80的外部形状对应的形状，使得熔融状态下的构件材料78可被引入模具腔304中且被冷却来形成构件80。应当记得的是，尽管在示范实施例中，构件80为转子叶片70，或作为备选为定子导叶72，但在备选实施例中，构件80为能够适当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。
带护套芯310相对于模具300定位，使得带护套芯310的一部分315在模具腔304内延伸。带护套芯310包括由第一材料322形成的中空结构320，和设置在中空结构320内且由内芯材料326形成的内芯324。内芯324定形为限定内部通路82的形状，且定位在模具腔304内的带护套芯310的部分315的内芯324限定构件80内的内部通路82的位置。
中空结构320定形为沿内芯324的长度基本上包围内芯324。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首先由基本上直的金属管形成，该金属管根据需要而被适当地操纵成非线性形状，诸如弯曲或成角度的形状，以限定内芯324的且因此内部通路82的选定非线性形状。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的形状的任何适当形状。
在示范实施例中，中空结构320具有比内芯324的特征宽度330小的壁厚328。特征宽度330在本文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和4中示出的示范实施例中为圆形。作为备选，内芯324的截面的形状对应于允许内部通路82如本文所述地起作用的内部通路82的任何适当截面形状。
模具300由模具材料306形成。在示范实施例中，模具材料306为耐火陶瓷材料，其被选择成耐受与用于形成构件80的构件材料78的熔融状态相关的高温环境。在备选实施例中，模具材料306为允许构件80如本文所述地形成的任何适当材料。此外，在示范实施例中，模具300由适当的熔模铸造过程形成。例如，但不作为限制，适当模型的材料如蜡被注入适当模型的硬模中来形成构件80的模型(未示出)，该模型被重复地浸入模具材料306的浆料中，该浆料允许硬化来形成模具材料306的壳，且壳被脱蜡且烧制来形成模具300。在备选实施例中，模具300由允许模具300如本文所述地起作用的任何适当方法形成。
在某些实施例中，带护套芯310相对于模具300固连，使得带护套芯310在形成构件80的过程期间相对于模具300保持固定。例如，带护套芯310被固连，使得带护套芯310的位置在将熔融构件材料78引入带护套芯310周围的模具腔304中期间不移位。在一些实施例中，带护套芯310直接地联接到模具300。例如，在示范实施例中，带护套芯310的末梢部分312被刚性地包围在模具300的末梢部分314中。此外或作为备选，带护套芯310的根部部分316被刚性地包围在模具300的与末梢部分314相反的根部部分318中。例如，但不作为限制，模具300通过上文所述的熔模铸造来形成，且带护套芯310被牢固地联接到适当的模型硬模，使得末梢部分312和根部部分316延伸出模型硬模，同时部分315在硬模的腔内延伸。模型材料被注射到带护套芯310周围的硬模中，使得部分315在该模型内延伸。熔模铸造导致模具300包围末梢部分312和/或根部部分316。此外或作为备选，带护套芯310以允许带护套芯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他适当方式相对于模具300固连。
第一材料322被选择成由熔融的构件材料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为该合金的至少一种构成材料。例如，在示范实施例中，构件材料78为镍基超级合金，且第一材料322基本上为镍，使得当熔融状态下的构件材料78被引入模具腔304中时，第一材料322基本上由构件材料78吸收。在备选实施例中，构件材料78为任何适当的合金，且第一材料322为由熔融合金至少部分地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基本上为钴。另外举例来说，构件材料78为铁基合金，且第一材料322基本上为铁。另外举例来说，构件材料78为钛基合金，且第一材料322基本上为钛。
在某些实施例中，壁厚328足够薄，使得当熔融状态下的构件材料78被引入模具腔304中时，带护套芯310的部分315(即在模具腔304内延伸的部分)的第一材料322基本上由构件材料78吸收。例如，在一些此类实施例中，第一材料322基本上由构件材料78吸收，使得在构件材料78被冷却之后，没有离散的边界从构件材料78划出中空结构320。此外，在一些此类实施例中，第一材料322基本上被吸收，使得在构件材料78被冷却之后，第一材料322在构件材料78内基本上均匀地分布。例如，接近内芯324的第一材料322的浓度并非可检测地高于构件80内其他位置处的第一材料322的浓度。例如且不进行限制，第一材料322为镍，且构件材料78为镍基超级合金，且在构件材料78被冷却之后，无可检测的较高镍浓度留在内芯324附近，从而导致在所形成构件80的镍基超级合金各处基本上均匀的镍分布。
在备选实施例中，壁厚328选择成使得第一材料322并非基本上由构件材料78吸收。例如，在一些实施例中，在构件材料78被冷却之后，第一材料322并非在构件材料78内基本上均匀地分布。例如，内芯324附近的第一材料322的浓度可检测地高于构件80内其他位置处的第一材料322的浓度。在一些此类实施例中，第一材料322部分地由构件材料78吸收，使得在构件材料78被冷却之后，离散的边界从构件材料78划出中空结构320。此外，在一些此类实施例中，第一材料322部分地由构件材料78吸收，使得中空结构320的在内芯324附近的至少一部分在构件材料78被冷却之后保持完好。
在示范实施例中，内芯材料326为耐火陶瓷材料，其被选择成耐受与用于形成构件80的构件材料78的熔融状态相关的高温环境。例如，但不限于，内芯材料326包括二氧化硅、氧化铝、和莫来石(mullite)中的至少一者。此外，在示范实施例中，内芯材料326能够被从构件80选择地移除来形成内部通路82。例如但不作为限制，内芯材料326能够通过基本上不使构件材料78退化的适当过程来从构件80移除，诸如但不限于适当的化学浸出过程。在某些实施例中，内芯材料326是基于与构件材料78的相容性和/或从构件材料78的可移除性来选择的。在备选实施例中，内芯材料326为允许构件80如本文所述地形成的任何适当材料。
在一些实施例中，带护套芯310是用内芯材料326填充中空结构320来形成的。例如，但不作为限制，内芯材料326被作为浆料注入中空结构320中，且使内芯材料326在中空结构320内干燥，以形成带护套芯310。此外，在某些实施例中，中空结构320显著地在结构上增强内芯324，因此减少了在一些实施例中的将与形成构件80的未被增强的内芯324的生产、处理和使用相关的潜在问题。例如，在某些实施例中，内芯324是经历相对高的破裂、开裂和/或其他破坏的风险的相对脆的陶瓷材料。因此，在一些此类实施例中，相比于使用无护套内芯324，形成和输送带护套芯310呈现出低得多的对内芯324的破坏风险。类似地，在一些此类实施例中，围绕将用于模具300的熔模铸造的带护套芯310形成适当的模型，如，通过将蜡模型材料围绕带护套芯310注入模型硬模中，相比于使用无护套内芯324，呈现出低得多的对内芯324的破坏风险。因此，在某些实施例中，相比于在使用无护套内芯324而非带护套芯310的情况下执行的相同步骤，使用带护套芯310呈现出低得多的故障风险，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，带护套芯310便于获得与使内芯324相对于模具300定位以限定内部通路82相关的优点，同时减少或消除与内芯324相关的易碎性问题。
例如，在某些实施例中，诸如但不限于构件80为转子叶片70的实施例，内芯324的特征宽度330在从大约0.050 cm(0.020英寸)到大约1.016 cm(0.400英寸)的范围中，且中空结构320的壁厚328被选择成在从大约0.013 cm(0.005英寸)到大约0.254 cm(0.100英寸)的范围内。更具体而言，在一些此类实施例中，特征宽度330在从大约0.102 cm(0.040英寸)到大约0.508 cm(0.200英寸)的范围内，且壁厚328被选择成在从大约0.013 cm(0.005英寸)到大约0.038 cm(0.015英寸)的范围内。另外举例来说，在一些实施例中，诸如但不限于构件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1.016 cm(0.400英寸)，并且/或者壁厚328被选择成大于大约0.254 cm(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当值，且壁厚328被选择成允许带护套芯310如本文所述地起作用的任何适当值。
此外，在某些实施例中，在将内芯材料326引入中空结构320内以形成带护套芯310之前，预成型中空结构320以对应于内部通路82的选定非线性形状。例如，第一材料322为在用内芯材料326填充之前相对容易定形的金属材料，因此减少或消除了将内芯324单独地形成并且/或者加工成非线性形状的需要。此外，在一些此类实施例中，由中空结构320提供的结构增强允许随后形成和处理处于难以作为无护套内芯324形成和处理的非线性形状的内芯324。因此，带护套芯310便于具有增大复杂性的弯曲和/或其他非线性形状，和/或在减少的时间和成本下的内部通路82的形成。在某些实施例中，预成型中空结构320以对应于与构件80的轮廓互补的内部通路82的非线性形状。例如，但不作为限制，如上所述，构件80为转子叶片70和定子导叶72中的一者，且中空结构320以与构件80的轴向扭转和锥形中的至少一者互补的形状预成型。
图5为包括具有多个通路壁特征98的内部通路82的另一个示范构件80的一部分的示意性透视图。例如，但不作为限制，通路壁特征98为湍流件，湍流件改善在旋转机器10的操作期间提供至内部通路82的冷却流体的热传递能力。图6为另一个示范带护套芯310的示意性透视剖开视图，该另一个示范带护套芯310用于在模具组件301中使用，以形成具有如图5中所示的通路壁特征98的构件80。具体而言，中空结构320的一部分在图6的视图中被剖开来例示内芯324的特征。
参看图5和6，内部通路82由构件80的内部壁100限定，且通路壁特征98从内部壁100朝内部通路82的中心径向向内延伸。如上所述，内芯324的形状限定内部通路82的形状。在某些实施例中，内芯324的外部表面332包括至少一个凹入特征334，该至少一个凹入特征具有与至少一个通路壁特征98的形状互补的形状。因此，在某些实施例中，内芯324的外部表面332和凹入特征334限定内部通路82的内部壁100和通路壁特征98的形状。
例如，在某些实施例中，凹入特征334包括限定在外部表面332中的多个凹槽350，使得当熔融构件材料78被引入围绕带护套芯310的模具腔304中且第一材料322被吸收入熔融构件材料78中时，熔融构件材料78填充该多个凹槽350。凹槽350内的冷却的构件材料78在移除(诸如但不限于通过使用化学浸出过程)内芯324之后形成多个通路壁特征98。例如，各凹槽350限定为具有凹槽深度336和凹槽宽度338，且各对应的通路壁特征98形成具有基本上等于凹槽深度336的特征高度102和基本上等于凹槽宽度338的特征宽度104。
在某些实施例中，预成型中空结构320以限定内芯324的外部表面332和凹入特征334的选定形状，在利用内芯材料326填充中空结构320之前限定通路壁特征98的选定形状。例如，中空结构320在多个部位处缩口来限定多个凹痕340，且各凹痕340在利用内芯材料326填充中空结构320时限定对应的凹入特征334。例如，各凹痕340的深度342与壁厚328协作地限定对应的凹槽350的深度336。
在一些实施例中，在填充中空结构320之前定形中空结构320以限定内芯324的外部表面332的选定形状减少了与在形成内芯324之后定形外部表面332相关的潜在问题。例如，内芯材料326是相对脆的陶瓷材料，使得通过加工或以其他方式直接操纵外部表面332来形成凹入特征334，将呈现出相对高的破裂、开裂和/或对内芯324的其他破坏的风险。因此，带护套芯310便于定形内芯324，使得通路壁特征98与内部通路82一体地形成，同时减少或消除与内芯324相关的易碎性问题。
在某些实施例中，各凹入特征334围绕内芯324周向地延伸，使得各对应的通路壁特征98围绕内部通路82的周界周向地延伸。在备选实施例中，各凹入特征334具有被选择成形成各对应的通路壁特征98的任何适当形状的形状。
图7为包括具有另外多个通路壁特征98的内部通路82的另一个示范构件80的一部分的示意性透视剖开图。图8为另一个示范带护套芯310的示意性透视剖开视图，该另一个示范带护套芯310用于与模具组件301一起使用，以形成具有如图7中所示的通路壁特征98的构件80。在所例示的实施例中，各凹入特征334是缺口352，该缺口352延伸通过内芯324的周边的小于全部，使得各对应的通路壁特征98围绕内部通路82的周边的小于全部延伸。
在某些实施例中，操纵中空结构310以限定内芯324的外部表面332和凹入特征334的选定形状，且因此在将内芯326形成在带护套芯310内之后限定通路壁特征98的选定形状。例如，带护套芯310首先形成为不具有凹入特征334，且然后使用任何适合的过程，诸如但不限于加工过程，在多个部位处被操纵，以在内芯324中形成缺口352。在一些此种实施例中，移除中空结构320的接近至少一个凹入特征334的一部分，从而在中空结构320中形成孔口348，以允许接近内芯324的外部表面332以用于加工。例如，在示范实施例中，中空部分320的接近缺口352的部分在将缺口352加工到外部表面332中的过程中被加工掉。
在一些实施例中，在将内芯324形成在带护套芯310内之后操纵带护套芯310以限定内芯324的外部表面332的选定形状减少了与利用内芯材料326填充具有预成型凹痕340（图6中示出）的中空结构320相关的潜在问题，诸如确保内芯材料326充分地填充在各凹痕340的形状附近中。此外，在一些此种实施例中，凹入特征334的形状被选择为减少与加工内芯材料326相关的上述潜在问题。例如，加工围绕内芯324仅部分地周向延伸的缺口352减少对内芯324的破裂、开裂和/或其他破坏的风险。此外或备选地，在一些此种实施例中，在带护套芯310上的加工操作期间，中空结构320增强内芯324的结构完整性，还减少对内芯324的破裂、开裂、和/或其他破坏的风险。因此，带护套芯310再次便于定形内芯324，使得通路壁特征98与内部通路82一体地形成，同时减少或消除与内芯324相关的易碎性问题。
参照图5-8，尽管所例示的实施仅将限定在外部表面332中的凹入特征334限定为凹槽350和352以限定通路壁特征98的形状，但在备选实施例中，其他形状的凹入特征334用于限定外部表面332的形状。例如，但不作为限制，在某些实施例（未示出）中，至少一个凹入特征334沿内芯324至少部分地纵向地和/或倾斜地延伸。另外举例来说，但不作为限制，在某些实施例（未示出）中，至少一个凹入特征334为凹座，凹座限定在外部表面332中以限定具有壁骨(stud)形状的对应通路壁特征98。在备选实施例中，外部表面332的任何适合形状用于限定使内部通路82能够起作用以用于其预期目的的通路壁特征98的对应形状。此外，尽管所示实施例将内芯324的各实施例示为具有基本上相同重复形状的凹入特征334，但应当理解的是，内芯324具有允许内芯324如本文所述地起作用的不同形状的凹入特征334的任何适合组合。
还参照图5-8，尽管所示实施例示出内芯324定形为限定具有大体上圆形截面的内部通路82，但在备选实施例中，内芯324定形为限定具有允许内芯82起作用以用于其预期目的的任何适合形状截面的内部通路82。具体而言，但不作为限制，带护套芯310有助于形成具有内部通路82的构件80，该内部通路82具有符合构件80的几何形状的特定截面形状。此外，尽管所示实施例将内芯324的各实施例示为具有沿其长度的截面的大体上恒定形状，但应当理解的是内芯324具有允许内芯324如本文所述地起作用的沿其长度的截面形状方面的任何适当变化。
例如，图9为包括具有特定截面的内部通路82的另一个示范构件80的一部分的示意性透视图。图10为另一个示范带护套芯310的示意性透视剖开视图，该另一个示范带护套芯310用于与模具组件301一起使用，以形成具有如图9中所示的内部通路82的构件80。具体而言，中空结构320的一部分在图10的视图中被剖开来例示内芯324的特征。
参看图9和10，在示范实施例中，构件80为转子叶片70和定子导叶72中的一者，且内部通路82在后缘86附近限定在构件80中。更具体而言，内部通路82由构件80的内部壁100限定，以具有与后缘86的锥形几何形状对应的特定截面周边。通路壁特征98沿内部通路82的相对的细长边缘110限定，以作用为湍流件，且从内部壁100朝内部通路82的中心向内延伸。尽管通路壁特征98示为各自横向于内部通路82轴向方向的细长凸脊的重复模型，但应当理解的是，在备选实施例中，通路壁特征98具有允许内部通路82作用以用于其预期目的的任何适当的形状、定向、和/或模型。
如上所述，内芯324的外部表面332和凹入特征334的形状限定内部通路82的内部壁100和通路壁特征98的形状。更具体而言，内芯324具有与内部通路82的特定截面对应的细长、锥形截面。在示范实施例中，凹入特征334限定为在外部表面332的相对细长侧346中的细长缺口354，且具有如上所述的与通路壁特征98的形状互补的形状。在某些实施例中，预成型中空结构320以限定内芯324的外部表面332的选定形状，且因此在将内芯材料326注射到中空结构320之前限定通路壁特征98的选定形状。例如，中空结构320在多个部位处缩口来限定多个凹痕340，且各凹痕340在利用内芯材料326填充中空结构320时形成对应的缺口354。
在备选实施例中，构件80具有任何适当的几何形状，且内芯324定形为形成具有适当地对应于构件80几何形状的任何适当形状的内部通路82。
在图11和12中的流程图中示出了形成具有限定在其中的内部通路(如内部通路82)的构件(如构件80)的示范方法1100。还参看图1-10，示范方法1100包括相对于模具(如模具300)定位1102带护套芯(如带护套芯310)。带护套芯包括由第一材料（如第一材料322）形成的中空结构（如中空结构320）。带护套芯还包括配置在该中空结构内的，由内芯材料（如内芯材料326）形成的内芯（诸如内芯324）。
方法1100还包括将熔融状态下的构件材料如构件材料78引入1104模具的腔如模具腔304中，使得熔融状态下的构件材料从带护套芯的在腔内的一部分如部分315至少部分地吸收第一材料。方法1100还包括在腔中冷却1106构件材料以形成构件，和从构件移除1108内芯材料以形成内部通路。
在某些实施例中，方法1100还包括将带护套芯固连1110于模具，使得在引入1104和冷却1106构件材料的步骤期间，带护套芯相对于模具保持固定。
在一些实施例中，从构件移除1108内芯材料的步骤包括从构件移除1112内芯材料而不使构件材料退化。
在某些实施例中，方法1100还包括利用内芯材料填充1114中空结构以形成带护套芯。在一些此种实施例中，方法1100还包括，在利用内芯材料填充1114中空结构的步骤之前，预成型1116中空结构以对应于内部通路的选定非线性形状。而且，在一些此种实施例中，构件包括转子叶片和定子导叶中的一者，诸如转子叶片70或定子导叶72，且预成型1116中空结构还包括预成型1118中空结构以对应于内部通路的与构件的轴向扭转互补的非线性形状。
在一些实施例中，内芯的外部表面，诸如外部表面332,具有至少一个凹入特征，诸如凹入特征334，且方法1100还包括形成1120具有与该至少一个凹入特征的形状互补的至少一个通路壁特征（诸如通路壁特征98）的内部通路。在一些此种实施例中，方法1100还包括，在利用内芯材料填充1114中空结构的步骤之前，预成型1122中空结构以限定该至少一个凹入特征的形状。而且，在一些此类实施例中，预成型1122中空结构的步骤包括使中空结构缩口1124来形成至少一个凹痕，如凹痕340。备选地或此外，在一些此种实施例中，方法1100还包括，在利用内芯材料填充1114中空结构的步骤之后，操纵1126带护套芯以限定该至少一个凹入特征的形状。在一些此种实施例中，操纵1126带护套芯的步骤包括在内芯中形成1128至少一个缺口，诸如缺口352。而且，在一些此种实施例中，在内芯中形成1128该至少一个缺口的步骤包括在外部表面的相对的细长侧（如细长侧346）中形成1130细长缺口（如细长缺口354）
在某些实施例中，方法1100还包括通过熔模铸造过程形成1132模具，且带护套芯的末梢部分和根部部分中的至少一者，诸如末梢部分312和/或根部部分316在熔模铸造过程期间变得被包围在模具中。
上述带护套芯提供了用于在结构上增强芯的成本有效方法，该芯用于形成具有限定在其中的内部通路的构件，该内部通路尤其是但不限于具有非线性和/或复杂形状的内部通路，从而减少或消除与芯相关的易碎性问题。具体而言，带护套芯包括内芯，该内芯定位在模具腔内来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中空结构。中空结构对内芯提供结构增强，从而允许如下芯的可靠处理和使用，该芯例如但不限于比用于形成具有限定在其中的内部通路的构件的常规芯长、重、薄、和/或更复杂。另外，具体而言，中空结构由能够由被引入模具腔中来形成构件的熔融构件材料至少部分地吸收的材料形成。因此，中空结构的使用不干扰构件的结构或性能特征，且不干扰随后从构件移除内芯材料来形成内部通路。
此外，本文所述的带护套芯提供了成本效益合算且高准确性的方法，以在限定内部通路的壁上一体地形成各种通路壁特征中的任一种。具体而言，预定形中空结构来限定内芯外部表面的能力便于将例如限定湍流件的特征加至外部表面，而不加工内芯，因此避免了使芯开裂或破坏的风险。此外或备选地，对于内芯外部表面上的限定通路壁特征的特征被直接加工到内芯外部表面中的应用，中空结构提供有助于限制对芯的开裂和其他破坏的结构增强。
本文中描述的方法、系统和设备的示范技术效果包括以下中的至少一者：(a) 减少或消除与在形成具有限定在其中的内部通路的构件时使用的芯的形成、处理、运输和/或储存相关的易碎性问题;(b) 允许使用与用于形成构件的内部通路的常规芯相比长、重、薄、和/或更复杂的芯；和(c) 减少或消除与对芯的外部表面添加互补地限定构件中的通路壁特征的特征相关的易碎性问题。
上文详细描述了带护套芯的示范实施例。带护套芯和使用此种带护套芯的方法和系统不限于本文所述的特定实施例，而相反，系统的构件和/或方法的步骤可与本文所述的其他构件和/或步骤独立地且分开地使用。例如，示范实施例可与目前构造成在模具组件内使用芯的许多其他应用结合地实现和使用。
尽管本公开的各种实施例的具体特征可在一些图中而不在其他图中显示，这仅是为了便利。根据本发明的原理，图的任何特征可结合任何其他图的任何特征来参照和/或要求保护。
本书面描写使用示例以公开本公开，包括最佳实施方式，并且还使任何本领域技术人员能够实践本公开，包括制造并且使用任何设备或系统并且实行任何合并的方法。本公开的可取得专利的范围通过权利要求限定，并且可包含其他本领域人员想到的实例。如果这种其他实例具有不与权利要求的文字语言不同的结构元件，或如果它们包括与权利要求的文字语言无显著差别的等同结构元件，则它们意图在权利要求的范围内。

Claims (17)

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：
预成型中空结构以对应于所述内部通路的选定非线性形状，其中所述选定非线性形状与所述构件的轴向扭转互补，其中所述中空结构由第一材料形成，且其中所述构件包括转子叶片和定子导叶中的一者；
在预成型所述中空结构之后，利用内芯材料填充所述中空结构以形成带护套芯；
相对于模具定位所述带护套芯；
将熔融状态下的构件材料引入所述模具的腔中，使得熔融状态下的所述构件材料从所述带护套芯的在所述腔内的一部分至少部分地吸收所述第一材料；
在所述腔中冷却所述构件材料以形成所述构件；和
从所述构件移除所述内芯材料以形成所述内部通路。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括相对于所述模具固连所述带护套芯，使得在所述引入和所述冷却所述构件材料期间，所述带护套芯相对于所述模具保持固定。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，从所述构件所述移除所述内芯材料包括从所述构件移除所述内芯材料而不使所述构件材料退化。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述内芯的外部表面具有至少一个凹入特征，所述方法还包括形成具有与所述至少一个凹入特征的形状互补的至少一个通路壁特征的所述内部通路。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，预成型所述中空结构限定所述至少一个凹入特征的形状。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述预成型所述中空结构包括使所述中空结构缩口来形成至少一个凹痕。
7.根据权利要求4所述的方法，还包括：
在利用所述内芯材料填充所述中空结构之后，操纵所述带护套芯以限定所述至少一个凹入特征的形状。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述操纵所述带护套芯包括在所述内芯中形成至少一个缺口。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，在所述内芯中所述形成所述至少一个缺口包括在所述外部表面的相对的细长侧中形成细长缺口。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述带护套芯包括末梢部分和根部部分，所述方法还包括通过熔模铸造过程形成所述模具，其中，所述末梢部分和所述根部部分中的至少一者在所述熔模铸造过程期间变为被包围在所述模具中。
11.一种用于形成构件的模具组件，所述构件具有限定在其中的内部通路，所述构件由构件材料形成，所述模具组件包括：
模具，所述模具在其中限定模具腔；和
带护套芯，其相对于所述模具定位，所述带护套芯包括：
由第一材料形成的中空结构，其中所述中空结构的形状对应于所述内部通路的选定非线性形状，其中所述选定非线性形状与所述构件的轴向扭转互补，且其中所述构件包括转子叶片和定子导叶中的一者；和
由内芯材料形成的内芯，其配置在所述中空结构内，其中：
所述第一材料能够由熔融状态下的所述构件材料至少部分地吸收，且
所述带护套芯的一部分定位在所述模具腔内，使得所述带护套芯的所述部分的所述内芯限定所述构件内的所述内部通路的位置。
12.根据权利要求11所述的模具组件，其中，所述中空结构显著地在结构上增强所述内芯。
13.根据权利要求11所述的模具组件，其中，所述内芯材料能够从所述构件材料移除而不显著地使所述构件材料退化。
14.根据权利要求11所述的模具组件，其中，所述内芯的外部表面包括与所述内部通路的至少一个通路壁特征的形状互补的至少一个凹入特征。
15.根据权利要求14所述的模具组件，其中，所述中空结构包括至少一个凹痕，各所述至少一个凹痕限定所述至少一个凹入特征中的对应的一个。
16.根据权利要求14所述的模具组件，其中，所述中空结构包括接近所述至少一个凹入特征的至少一个孔口。
17.根据权利要求11所述的模具组件，其中，所述构件材料是合金，且所述第一材料包括所述合金的至少一种构成材料。
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