CN109128021B - 增材制造的具有可变热特性的铸造芯-壳模具和陶瓷壳体 - Google Patents

增材制造的具有可变热特性的铸造芯-壳模具和陶瓷壳体 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种形成铸造部件的方法和一种形成铸模的方法。所述方法通过将至少一个蜡浇口部件连接到陶瓷芯‑壳模具而执行。所述陶瓷芯‑壳模具包括至少一过滤器、第一芯部分、第一壳体部分和所述芯部分与所述第一壳体部分之间的至少一个第一腔体。所述芯‑壳模具能够使用增材制造工艺制造，且能够包括一体化陶瓷过滤器。所述陶瓷芯‑壳模具和所述蜡浇口部件的至少一部分涂布有第二陶瓷材料。接着移除所述蜡浇口部件以形成与所述第一腔体流体连通的第二腔体。本申请还提供一种陶瓷铸模。

Description

增材制造的具有可变热特性的铸造芯-壳模具和陶瓷壳体
技术领域
本申请总体上涉及熔模铸造芯-壳模具部件以及利用这些部件的工艺。根据本申请制造的芯-壳模具在模具的芯与壳体之间具有一体化陶瓷丝，这些一体化陶瓷丝可以用于在由这些模具制成的铸造部件中形成通道和/或孔。一体化芯-壳模具在铸造操作中，如在铸造用于制造喷气式航空发动机或发电涡轮部件的涡轮叶片和定子叶轮的超合金时，提供适用的特性。本申请还涉及使一体化芯-壳模具涂覆有陶瓷外部层，所述陶瓷外部层可以提供以下示例性益处中的任一益处或其组合：提高芯-壳模具的结构完整性；结合或连接模具的部分；提供与模具流体连通的通路或腔体；控制模具的结构特性；和/或控制模具的热特性。
背景技术
燃气涡轮发动机大体上包括至少一个压缩机，所述压缩机用于对空气进行加压以便通道传输到燃烧室中。发动机可以包括至少一个燃烧室，经通道传输的加压空气在所述燃烧室中与燃料混合并被点燃。来自压缩机的热气体向下游流过至少一个涡轮区段。每个涡轮区段都具有绕轴线旋转且包括在发动机壳体内的旋转叶片。一个或多个涡轮区段可以对压缩机、风扇或轴中的任一者提供动力和/或可以通过例如喷嘴的膨胀来提供推力。
涡轮部分中的涡轮叶片和/或定子叶轮必须能够承受由于高温和大温度波动而引起的热应力以及由于在涡轮的正常操作期间经历的高转速而引起的力。由于涡轮的增压比和效率已经增大，所以高压和低压涡轮部分接触的热应力也已经增大。因此，结合由耐高温材料制造涡轮的部件（例如，涡轮叶片和定子叶轮），对涡轮叶片、定子叶轮以及其它部件的有效冷却已经变得越来越重要并且具有挑战性。过去，为了抵消涡轮区段的热辐射和对流，已经采用了多种热移除技术；通常采用流体冷却来延长涡轮部件的寿命。进一步地，小型冷却孔以优化角度钻穿叶片以移除热且在涡轮叶片和定子轮叶的每个翼型件表面的表面上提供热障。还在涡轮和/或定子叶轮内形成了通道以提供每个翼型件的表面的对流冷却。
期望增大涡轮发动机内的冷却效率已使得涡轮部件内内部冷却通道复杂化。用于制造发动机零部件的常规技术涉及熔模铸造或脱蜡铸造工艺。熔模铸造的一个实例涉及制造用在燃气涡轮发动机中的典型叶片。涡轮叶片和/或定子叶轮通常包括空心翼型件，这些空心翼型件具有沿着叶片的跨度延伸的放射状通道，这些放射状通道具有用于在发动机的操作期间接纳加压冷却空气的至少一个或多个入口。叶片中的各种冷却通路通常包括布置在翼型件中间、在前缘与后缘之间的蜿蜒通道。翼型件通常包括用于接纳加压冷却空气的延伸穿过叶片的入口，这些入口包括如用于增加翼型件的加热侧壁与内部冷却空气之间的热传递的短湍流器肋或销等局部特征。
通常由高强度的超合金金属材料制造这些涡轮叶片涉及如图1至图4所示的许多步骤。如图1所示，使用传统的熔模铸造来形成铸造部件包括以下步骤：对用于外部蜡结构和陶瓷芯的模具进行机加工101、模制和焙烧陶瓷芯102、使用陶瓷芯来模制蜡模103、制备蜡组件104、将蜡组件浸入陶瓷浆料中105、使陶瓷浆料干燥以提供壳体106、对壳体进行脱蜡107、铸造和浸出108、以及钻取冷却孔109。
在上述工艺中，精密的陶瓷芯200被制造成适形于涡轮叶片内部期望的蜿蜒冷却通道。还形成了精密冲模（die）或模具（mold），其限定涡轮叶片的精密3D外表面，包括其翼型件、平台和一体式燕尾榫。陶瓷芯200被组装在两个半模具内，所述两个半模具在其之间形成空间或空隙，所述空间或空隙限定叶片的所产生金属部分。相对刚性的蜡和/或塑料被注入到经组装的模具中以填充所述空隙并围绕陶瓷芯200，此时，陶瓷芯200被封装在蜡内。所述两个半模具被分开并且被移除以暴露和移出具有由模制蜡211形成的期望叶片的精确构型的刚性蜡和/或塑料。然后，具有封装陶瓷芯200的模制蜡叶片211被附接至蜡树结构212。蜡树结构212由石蜡或刚性不如用于形成模制蜡叶片211的蜡的任何蜡形成。由于蜡树212的蜡最终将限定熔融金属进入陶瓷模具的流动路径，所以用于形成树结构212的蜡的外表面的尺寸精度不是那么关键。因此，相比于用于期望蜡叶片的精密模制的蜡叶片211的蜡，通常使用较软的蜡来形成蜡树212的单独路径。蜡叶片211需要销205将芯固持在适当的位置。树结构212可以包括用于将熔融金属添加到模具中的漏斗状部分214。如图2至图4所示，树结构212还包括在铸造操作中用于过滤熔融金属的陶瓷过滤器213。
本领域中已知的陶瓷过滤器包括如图2和图3所示的陶瓷过滤器213等陶瓷泡沫过滤器（ceramic foam filter，CFF）。这些过滤器通过利用陶瓷泥釉浸渍网状聚氨酯泡沫体、挤压泡沫以移除过量泥釉且接着干燥和烧焙形成CFF的主体而形成。其它已知的陶瓷过滤器包括对称过滤器。最近，已经使用各种增材技术制造陶瓷过滤器。例如，题为“ceramicfilters（陶瓷过滤器）”的第2016/0038866 A1号美国专利申请公开案描述一种增材制造陶瓷过滤器。另一实例是在国家能源技术实验室（National Energy TechnologyLaboratory，NETL）网站上可以获得的“Advanced Filtration to Improve SingleCrystal Casting Yield—Mikro Systems（用于提高单晶铸件产量的高级过滤——MikroSystems）”。这些过滤器作为可以并入如图2所示的蜡树212中并且然后并入如图3所示的陶瓷模具中的独立过滤器而销售。
在对形成蜡树结构的蜡通路212进行蜡注入和附接之后，然后使整个蜡树结构212、陶瓷过滤器213以及蜡涡轮叶片211涂覆有用于形成如图3和4所示的陶瓷壳体206、204的陶瓷材料。然后，使蜡熔融并将其从陶瓷壳体206移除，从而在陶瓷壳体206与内部陶瓷芯200之间留下相应的空隙或空间201、207。进一步地，一旦蜡树结构212被熔融，陶瓷壳体204就限定与空隙或空间201、207流体连通的流动路径。在在移除蜡之后，陶瓷芯通过销205保持在适当位置。如图4所示，熔融超合金金属208然后通过由陶瓷壳体204的一部分限定的流动路径浇注到壳体206中。熔融超合金可以包括以下各项中的任一项：不锈钢、铝、钛、INCONEL® 625、INCONEL® 718、INCONEL® 188、钴铬合金、镍、其它金属材料或任何合金；如镍（Ni）超合金和/或Ni超合金单晶合金。例如，以上合金可以包括具有如下商标名称的材料：Haynes 188®、Haynes625®、Super Alloy INCONEL® 625TM、Chronin® 625、 Altemp® 625、Nickelvac® 625、Nicrofer® 6020、INCONEL® 188，以及具有对使用上述技术来形成部件有吸引力的材料特性的任何其它材料。熔融超合金金属208填充空隙201、207并且封装包括在壳体206中的陶瓷芯200。熔融金属208冷却并固化，且然后外部陶瓷壳体206和内部陶瓷芯202被适当地移除，从而留下其中存在内部冷却通道的所期望的金属涡轮叶片。为了提供用于通过浸出工艺移除陶瓷芯材料的通路，必须提供球斜槽（未示出）和尖端销（例如，图11中的附图标记505）。通常，在浸出工艺之后，随后必须通过钎焊使涡轮叶片内的球斜槽和尖端销孔封闭。
经铸造涡轮叶片208通常进行额外的铸造后修改，如根据需要穿过翼型件的侧壁钻取适当的几排膜冷却孔，以提供内部通道传输的冷却空气的出口，然后所述膜冷却空气在燃气涡轮发动机操作期间在翼型件的外表面上形成保护冷却空气膜或覆盖层（通常被称为膜冷却）。在将涡轮叶片从陶瓷模具移除之后，固持陶瓷芯200的销205形成稍后通过钎焊封闭的通道以提供穿过经铸造涡轮叶片的内部空隙的期望空气通路。然而，这些铸造后修改是受限的，并且考虑到涡轮发动机的不断增加的复杂性以及通过涡轮叶片内部的某些冷却电路提供的公认的效率提高，需要更加错综复杂的几何结构。虽然熔模铸造能够制造这些零件，但是使用这些常规制造工艺来制造位置精密且复杂的内部几何结构变得愈加复杂，并且由此显著增加了制造时间和费用。因此，期望为用于具有复杂内部空隙和冷却回路的三维部件提供一种改进的铸造方法。
增材制造技术和3D打印允许在没有与减材制造相关联的刀具轨迹和/或模制限制的情况下制造模具。例如，在授权给罗尔斯-罗伊斯公司（Rolls-Royce Corporation）的第8,851,151号美国专利中描述了用于使用3D打印来生产陶瓷芯-壳模具的方法。用于制作模具的方法包括如授权给麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）的第5,387,380号美国专利中公开的等粉末床陶瓷工艺以及如在授权给3D Systems, Inc.的第5,256,340号美国专利号中公开的选择性激光激活（selective laser activation，SLA）。根据'151专利的陶瓷芯-壳模具显著受限于这些工艺的打印分辨率能力。如图5所示，一体化芯-壳模具300的芯部分301和壳体部分302经由设置在模具300的底部边缘处的一系列系带结构303固持在一起。在'151专利中提出了冷却通道，这些冷却通道包括通过短圆柱体连结的交错竖直腔体，这些短圆柱体的长度与其直径接近相同。然后，使用在'151专利中公开的并且通过引用并入本说明书的已知技术在芯-壳模具中形成超合金涡轮叶片。在将涡轮叶片铸造于这些芯-壳模具之一中之后，模具被移除以显露经铸造的超合金涡轮叶片。
仍然需要制备使用较高分辨率方法来生产的陶瓷芯-壳模具，所述方法能够在铸造工艺的最终产品中提供精细的铸造特征，如高分辨率能力，对于打印在模具的芯部分与壳体部分之间延伸的、大小和量小到足以在例如成品涡轮叶片或定子叶轮中产生发散冷却孔的丝来说，所述高分辨率能力是必须的。在如授权给麻省理工学院的的第5,387,380号美国专利中公开的早期粉末床工艺的情况下，粉末床再涂覆机臂的动作排除了对在芯与壳体之间延伸以在铸造零件中提供发散冷却孔模的充分细的丝的形成。如在授权给3DSystems, Inc.的第5,256,340号美国专利中公开的选择性激光激活（SLA）等采用自顶向下辐照技术的其它已知技术可以用于生产根据本申请的一体化芯-壳模具。然而，这些系统的可用打印分辨率显著限制了制造充分小尺寸的丝以充当铸造的最终产品中的有效冷却孔的能力。
虽然上述工艺可以用于形成一体化芯-壳模具，但是使用直射光处理（directlight processing，DLP）来制造芯-壳模具是有利的。DLP与以上讨论的粉末床工艺和SLA工艺的不同之处在于：聚合物的光固化是通过树脂槽底部的窗口发生的，所述窗口将光投射到随着工艺进行而升高的构建平台上。使用DLP，整层经固化聚合物同时产生，并且消除了使用激光器来扫描模的需要。进一步地，底层窗口与被构建物体的最后固化层之间发生聚合。底层窗口提供支撑，从而允许在不需要单独的支撑结构的情况下产生细材料丝。换言之，产生将构建物体的两个部分桥接的细材料丝是困难的并且通常在现有技术中得以避免。例如，以上在本申请的背景技术章节中讨论的'151专利使用了使用短圆柱体连接的竖直板结构，这些短圆柱体的长度大约为其直径。在'151专利中公开的粉末床技术和SLA技术需要竖直支撑的陶瓷结构并且这些技术不能够可靠地产生丝，由此，交错的竖直腔体是必需的。例如，圆的冷却孔通常具有小于2 mm的直径，该直径与低于3.2 mm2的冷却孔面积相对应。考虑到需要由若干体素产生这种尺寸的孔，产生所述孔需要远低于实际孔的大小的分辨率。在粉末床工艺中根本无法获得这种分辨率。类似地，立体光刻由于缺少支撑以及与激光散射相关联的分辨率问题而在其产生这种丝的能力方面受限。但是DLP暴露丝的整个长度并且将其支撑于所述窗口与构建板之间的事实使得产生跨越芯与壳体之间的整个长度的足够细的丝能够形成具有期望冷却孔模的陶瓷物体。尽管粉末床和SLA可以用于产生丝，但如上文所论述，其产生充分细的丝的能力受到限制。
进一步地，在采用制造上述实施例的芯-壳的上述DLP方法时，在将对芯-壳模具的使用整合到高效制造工艺中时存在各种困难。例如，使用DLP工艺来形成具有充分的尺寸稳定性（例如，壁厚）的芯-壳模具所需的时间可能使制造工艺延迟并且需要使用过多材料。进一步地，在模制工艺中，可能期望高效地产生不需要与芯-壳模具本身的部分中所需的尺寸精度相同的尺寸精度的模具部分。例如，可能期望产生用于将熔融超合金流引导到单个或多个芯-壳模具中的通道。进一步地，当使用DLP工艺来形成芯-壳模具时，可能期望提高在铸造完成时移除芯-壳的便易性。例如，可以通过产生较薄的芯-壳来改进脱模（knockout）工艺，从而降低铸造产品在移除芯-壳时受损的可能性。还可能期望控制芯-壳模具的热导率以控制晶体生长和/或定制铸造部件的材料特性。
发明内容
在一个实施例中，本申请涉及一种制造陶瓷铸模的方法。本申请的前述和/或其它方面可以通过一种制造陶瓷铸模的方法来实现，所述方法包括：将至少一个蜡浇口部件连接至陶瓷芯-壳模具，所述陶瓷芯-壳模具包括芯部分和壳体部分以及位于所述芯部分与所述壳体部分之间的至少一个第一腔体。所述方法进一步包括：使用第二陶瓷材料来涂覆所述陶瓷芯-壳模具和所述蜡浇口部件的至少一部分，以及移除所述蜡浇口部件以形成与所述第一腔体流体连通的至少第二腔体。
可以通过使用增材制造技术来制造所述芯-壳模具。更具体地，所述方法可以包括制造具有芯和壳体的陶瓷模具。所述方法具有以下步骤：（a）使工件的固化部分与液态陶瓷光聚合物接触；（b）通过与所述液态陶瓷光聚合物接触的窗口来辐照所述液态陶瓷光聚合物的接近所述固化部分的一部分；（c）将所述工件移离所述未固化的液态陶瓷光聚合物；以及（d）重复步骤（a）至（c），直到形成陶瓷模具。在步骤（d）之后，所述工艺可以进一步包括步骤（e）：将液态金属浇注到铸模中且固化所述液态金属以形成所述铸造部件。在步骤（e）之后，所述工艺可以进一步包括步骤（f），其包括从所述铸造部件移除所述模具，并且优选地，此步骤涉及机械力与在碱浴中进行的化学浸出的组合。通过将第二陶瓷材料添加到步骤（d）的所述陶瓷模具的至少一部分上，可以实现以下优点中的至少一个优点：提高模具的结构完整性；减少芯和壳体的构建时间；减少形成模具所需的材料；能够调适模具的材料特性；能够调适模具的热特性；和/或改善铸造效率和/或生产。
在另一方面，本申请涉及一种制备铸造部件的方法。所述方法包括以下步骤：将液态金属浇注到陶瓷铸模中且固化所述液态金属以形成所述铸造部件，所述陶瓷铸模包括芯部分和第一陶瓷壳体部分以及围绕所述第一陶瓷壳体部分的至少一部分的第二陶瓷壳体部分，其中所述陶瓷铸模在所述芯部分与所述第一陶瓷壳体部分之间具有至少一个腔体，所述腔体适用于在铸造和移除所述陶瓷模具时限定所述铸造部件的形状。进一步地，所述陶瓷铸模可以包括多个丝，所述丝将所述芯部分和所述第一陶瓷壳体部分接合，其中每个丝都横跨于所述芯与所述第一陶瓷壳体之间，所述丝适用于在移除所述模具时在所述铸造部件中限定多个孔。本申请可进一步包括以下步骤：通过使陶瓷芯的至少一部分借由所述铸造部件中由所述丝提供的孔浸出所述陶瓷芯的至少一部分来从所述铸造部件移除所述陶瓷铸模。
在一个实施例中，本申请涉及一种用于制造陶瓷模具的方法，所述方法包括：（a）使工件的固化部分与液态陶瓷光聚合物接触；（b）通过与所述液态陶瓷光聚合物接触的窗口来辐照所述液态陶瓷光聚合物的接近所述固化部分的一部分；（c）将所述工件移离所述未固化的液态陶瓷光聚合物；以及（d）重复步骤（a）至（c），直到形成由第一陶瓷材料形成的第一陶瓷模具；以及（e）将第二陶瓷材料添加到所述第一陶瓷模具的至少一部分上以形成外部模具。所述外部陶瓷模具包覆所述第一陶瓷模具和所述过滤器部分；所述第一陶瓷模具包括芯部分和壳体部分以及位于所述芯部分与所述壳体部分之间的至少一个腔体，所述腔体适用于在铸造和移除所述陶瓷模具时限定铸造部件的形状，并且所述过滤器部分被定向在熔融金属流到所述模具的所述腔体中的路径中。所述工艺进一步包括在步骤（e）之后的步骤（f），其包括将液态金属浇注到铸模中且固化所述液态金属以形成所述铸造部件。在步骤（f）之后，可以执行步骤（g），其包括从所述铸造部件移除所述模具。
在另一实施例中，本申请涉及一种使用增材制造的模具来制备铸造部件的方法。所述方法包括：使用上述步骤来形成由第一陶瓷材料形成的部分陶瓷模具的第一陶瓷壳体部分，以及任选地形成第一陶瓷芯部分，所述任选的第一陶瓷芯部分以及所述第一陶瓷壳体部分适用于与至少任选的第二陶瓷芯部分和第二陶瓷壳体部分介接以形成至少一两件式陶瓷模具，所述两件式陶瓷模具在所述第一陶瓷芯部分和/或所述第二陶瓷芯部分与所述第一壳体部分和所述第二壳体部分之间包括腔体，所述腔体适用于在铸造和移除所述陶瓷模具时限定铸造部件。然后经由接口组装所述第一陶瓷壳体部分和所述第二陶瓷壳体部分，并且在所述第一陶瓷壳体部分和/或所述第二陶瓷壳体部分的至少一部分上形成第三陶瓷壳体。提供液态金属以填充所述腔体。所述陶瓷随后被移除，并且所述陶瓷芯的一部分通过所述铸造部件中的至少一个孔浸出。
在另一实施例中，本申请涉及一种使用上述技术中的任何技术来形成模具的方法，其中设置外部陶瓷壳体部分以增大或减小模具的至少一部分的热导率。进一步地，可通过向模具提供可变导热率的方式来设置所述外部陶瓷壳体。例如，可以改变模具的厚度，可以改变模具的外部层的孔隙度，可以改变陶瓷模具的各个部分的材料特性，和/或可以更改上述变量的组合以控制模具的热特性。进一步地，模具的热特性调适以控制待在模具中产生的铸造部件的晶体生长或方向性。
在另一实施例中，公开了一种制造陶瓷铸造模具的方法。所述方法包括以下步骤：利用盖或塞来覆盖或堵塞陶瓷芯-壳模具中的开口，所述陶瓷芯-壳模具包括芯部分和壳体部分以及位于所述芯部分与所述壳体部分之间的至少一个第一腔体；以及使用第二陶瓷材料来涂覆所述陶瓷芯-壳模具和所述盖或塞的至少一部分。
在另一方面，公开了一种形成铸造部件的方法。所述方法包括以下步骤：利用盖或塞来覆盖或堵塞陶瓷芯-壳模具中的开口，其中所述芯-壳模具在陶瓷芯与陶瓷壳体之间包括至少第一腔体；使所述陶瓷芯-壳模具和所述盖或塞的至少一部分涂覆有由第二陶瓷材料形成的陶瓷外部壳体；以及将熔融金属浇注到所述第一腔体中。
在另一实施例中，公开了一种陶瓷铸模。所述陶瓷铸模包括：陶瓷芯部分、第一陶瓷壳体部分、陶瓷盖、以及第二陶瓷壳体部分，所述第二陶瓷壳体部分至少部分地覆盖所述第一陶瓷壳体部分和所述陶瓷盖。所述陶瓷铸模进一步包括；至少一个腔体，其位于所述陶瓷芯部分与所述第一陶瓷壳体部分之间，所述腔体适用于在铸造和移除所述陶瓷铸造模具时限定所述铸造部件的形状。所述模具进一步包括多个丝，所述丝将所述陶瓷芯部分和所述第一陶瓷壳体部分接合，其中每个丝都横跨于所述陶瓷芯部分与所述第一陶瓷壳体部分之间，所述丝适用于限定多个孔，从而在移除模具后在铸造部件内由陶瓷芯部分限定的腔与铸造部件外表面之间提供流体连通。
技术方案1. 一种制造陶瓷铸模的方法，包括：在陶瓷芯-壳模具的至少一部分上形成外壳部分，其中所述芯-壳模具由第一陶瓷材料形成且包括：芯部分、壳体部分和所述芯部分与所述壳体部分之间的至少一个第一中空腔体，其中所述外壳部分包括第二陶瓷材料，其中芯-壳模具和所述外壳部分具有不同的热特性。
技术方案2. 根据技术方案1所述的制造陶瓷铸模的方法，还包括：在形成所述外壳部分之前将蜡部件连接到所述芯-壳模具；以及在形成所述外壳部分之后移除所述蜡部件以形成与所述第一中空腔体流体连通的至少一第二中空腔体。
技术方案3. 根据技术方案1所述的制造陶瓷铸模的方法，所述陶瓷芯-壳模具的所述壳壳体部分具有特定几何形状以包括所述第一陶瓷材料的空隙、局部增厚和局部变薄中的至少一种，使得所述第二陶瓷材料的厚度沿着所述芯-壳陶瓷模具的表面而变化。
技术方案4. 根据技术方案1所述的制造陶瓷铸模的方法，所述陶瓷芯-壳模具的所述外壳部分具有特定几何形状以包括所述第二陶瓷材料的空隙、局部增厚和局部变薄中的至少一种，从而更改所述外壳的所述热特性。
技术方案5. 根据技术方案1所述的制造陶瓷铸模的方法，所述不同热特性包括传热系数和孔隙度中的至少一个。
技术方案6. 根据技术方案1所述的制造陶瓷铸模的方法，所述外壳部分包括具有不同热特性的多个涂层部分。
技术方案7. 根据技术方案6所述的制造陶瓷铸模的方法，所述多个涂层部分包括第一涂层部分和第二涂层部分，其中所述第一涂层部分和所述第二涂层部分具有不同传热系数或孔隙度。
技术方案8. 根据技术方案6所述的制造陶瓷铸模的方法，所述多个涂层部分包括第一涂层部分和第二涂层部分，其中所述第一涂层部分和所述第二涂层部分具有不同传热系数，其中所述第一涂层部分涂覆于所述芯-壳模具的第一部分，且所述第二涂层部分涂覆于所述芯-壳模具的第二部分。
技术方案9. 根据技术方案6所述的制造陶瓷铸模的方法，所述多个涂层部分中的至少一个具有第一厚度且涂覆于所述芯-壳模具的第一部分，且所述多个涂层部分中的至少一个具有第二厚度且涂覆于所述芯-壳模具的第二部分，其中所述第一厚度和第二厚度不同。
技术方案10. 根据技术方案2所述的制造陶瓷铸模的方法，通过将所述芯-壳陶瓷模具和蜡部件浸入至少一第一陶瓷浆料中来将所述外壳部分涂布在所述芯-壳陶瓷模具和蜡部件的部分上。
技术方案11. 根据技术方案8所述的制造陶瓷铸模的方法，所述第一涂层部分通过将所述芯-壳模具的一部分浸入第一陶瓷浆料中而形成，且所述第二涂层部分通过将所述芯-壳模具的一部分浸入第二陶瓷浆料中而涂覆。
技术方案12. 根据技术方案1所述的制造陶瓷铸模的方法，所述芯-壳模具通过以下步骤形成：
（a）使工件的固化部分与液态陶瓷光聚合物接触；
（b）通过与所述液态陶瓷光聚合物接触的窗口来辐照所述液态陶瓷光聚合物的接近所述固化部分的一部分；
（c）将所述工件移离未固化的液态陶瓷光聚合物；以及
（d）重复步骤（a）到（c），直到所述芯-壳陶瓷模具由第一陶瓷材料形成。
技术方案13. 根据技术方案12所述的制造陶瓷铸模的方法，在所述陶瓷芯-壳模具上形成所述外壳部分之后对所述陶瓷模具进行热处理。
技术方案14. 根据技术方案1所述的制造陶瓷铸模的方法，所述第一陶瓷材料和所述第二陶瓷材料具有不同硬度。
技术方案15. 根据技术方案14所述的制造陶瓷铸模的方法，所述第一陶瓷材料具有比所述第二陶瓷材料大的硬度。
技术方案16. 一种使用铸模制备铸造部件的方法，所述方法包括：将熔融金属提供到铸模中，其中铸模包括：芯-壳模具，其由第一陶瓷材料形成，其中所述芯-壳模具包括壳体、芯和所述芯与所述壳体之间的至少一第一中空腔体；外陶瓷层，其由第二陶瓷材料形成，其中所述外陶瓷层涂布所述芯-壳模具的至少一部分，其中所述外陶瓷层具有与所述芯-壳模具不同的热特性。
技术方案17. 根据技术方案16所述的制备铸造部件的方法，所述铸模还包括由所述外陶瓷层限定的第二中空腔体，其中所述第二中空腔体与所述第一中空腔体流体连通。
技术方案18. 根据技术方案17所述的制备铸造部件的方法，通过所述第二中空腔体将所述熔融金属提供到所述第一中空腔体。
技术方案19. 根据技术方案17所述的制备铸造部件的方法，，所述不同的热特性包括传热系数和孔隙度中的至少一个。
技术方案20. 一种陶瓷铸模，包括：由第一陶瓷材料形成的芯部分和第一陶瓷壳体部分，其中所述铸模还包括所述陶瓷芯部分与所述第一陶瓷壳体部分之间的至少一个中空腔体，所述腔体适于在铸造和移除所述陶瓷铸模时限定铸造部件的形状，其中所述模具还包括接合所述陶瓷芯部分与所述第一陶瓷壳体部分的多个丝，其中每个丝横跨于所述陶瓷芯与第一陶瓷壳体部分之间，所述丝适于限定多个孔，从而在移除所述模具后在由所述陶瓷芯部分限定的所述铸造部件内的腔体与所述铸造部件的外表面之间提供流体流通；以及第二壳体部分，其由不同于所述第一陶瓷材料的第二材料形成，其中所述第二壳部分至少部分地覆盖所述第一陶瓷壳体部分，其中所述第二壳体部分具有与所述第一陶瓷壳体部分不同的热特性。
技术方案21. 根据技术方案20所述的制造陶瓷铸模的方法，所述热特性包括传热系数和孔隙度中的至少一个。
附图说明
并入本说明书中并且形成本说明书的一部分的附图示出本申请的一个或多个实例方面，并且与详细说明一起用于解释这些方面的原理和实施方式。
图1是示出常规熔模铸造的步骤的流程图；
图2是示出附接至用于涡轮叶片的熔模铸造的蜡树结构的常规蜡模蜡模的示意图；
图3示出移除蜡之后的图2的常规陶瓷模具的示意图；
图4示出将熔融金属倒入模具中之后的图2的常规陶瓷模具的示意图；
图5示出具有连接芯部分和壳体部分的连接件的现有技术一体化芯-壳模具的立体图；
图6至图9示出用于执行直射光处理（DLP）的方法序列的连续阶段的装置的示意性截面侧视图；
图10示出沿着图9的线A-A的示意性截面视图；
图11示出具有连接芯部分和壳体部分的丝的一体化芯-壳模具的横截面视图；
图12示出根据本申请的一方面的铸造工艺的流程图；
图13示出根据本申请的实施例的一体化芯-壳模具的横截面侧视图；
图14示出根据本申请的实施例的具有外部陶瓷层的一体化芯-壳模具的横截面侧视图；
图15示出根据本申请的实施例的超合金填充的一体化芯-壳模具的横截面侧视图；
图16示出使用图14和图15的模具来生产的涡轮叶片；
图17示出根据本申请的另一方面的具有一体化过滤器和连接一体化模具的芯部分和壳体部分的丝的一体化芯-壳模具的示意性侧视图；
图18示出根据本申请的一个实施例的具有外部陶瓷层的图17的横截面侧视图；
图19示出根据本申请的实施例的包括从芯延伸到壳体的丝的两件式一体化芯-壳模具的横截面侧视图；
图20示出根据本申请的实施例的图19的并且涂覆有外部陶瓷涂层的经组装的两件式一体化芯-壳模具的横截面侧视图；
图21示出根据本申请的实施例的包括从芯延伸到壳体的丝的两件式一体化芯-壳模具的横截面侧视图；
图22示出根据本申请的实施例的图21的并且涂覆有外部陶瓷涂层的经组装的两件式一体化芯-壳模具的横截面侧视图；
图23示出根据本申请的一个实施例的具有开口和塞的一体化芯-壳模具的横截面侧视图；
图24示出根据本申请的一个实施例的图23的且安装有塞的一体化芯-壳模具的横截面侧视图；
图25示出根据本申请的实施例的图24的并且具有外部陶瓷壳体的一体化芯-壳模具的横截面侧视图；
图26示出根据本申请的实施例的图25的且已移除塞的一体化芯-壳模具的横截面视图；
图27示出根据本申请的实施例的具有开口和陶瓷盖板的一体化芯-壳模具的横截面视图；
图28示出图27的且安装有陶瓷盖板的一体化芯-壳模具的横截面视图；
图29示出根据本申请的实施例的图28的并且具有外部陶瓷壳体的一体化芯-壳模具的横截面视图。
具体实施方式
虽然已经结合以上概述的实例方面描述了本说明书所述的方面，但是对于本领域的普通技术人员而言，各种替代方案、修改、改变、改进和/或实质等效物可能变得明显，无论其是已知的还是当前未预见或当前可能未预见的。因此，如上所述的实例方面旨在是说明性的而非限制性的。在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种改变。因此，本申请旨在涵盖所有已知的或稍后开发的替代方案、修改、改变、改进和/或实质等效物。
例如，本申请提供了一种用于制作铸造金属零件、并且优选地在制造喷气式飞行器发动机时使用的那些铸造金属零件的优选方法。具体地，可以有利地根据本申请生产对如涡轮叶片、叶轮、燃烧室、燃料喷嘴以及护罩部件等单晶镍基超合金铸造零件的生产。然而，使用本申请的技术和一体化陶瓷模具可以制备其它铸造金属部件。
应认识到，已知用于制造一体化芯-壳模具的现有工艺缺乏高分辨率能力，对于打印在模具的芯部分与壳体部分之间延伸的、尺寸和量小到足以在成品涡轮叶片中产生发散冷却孔的丝来说，所述高分辨率能力是必须的。因此，可以使用直射光处理（DLP）来制造芯-壳模具。DLP与较为传统的粉末床工艺和SLA工艺的不同之处在于：聚合物的光固化通过树脂槽底部的窗口发生，所述窗口将光投射到随着工艺进行而升高的构建平台上。使用DLP，整层经固化聚合物同时产生，并且消除了使用激光器来扫描模的需要。进一步地，底层窗口与被构建物体的最后固化层之间发生聚合。底层窗口提供支撑，从而允许在不需要单独的支撑结构的情况下产生细材料丝。换言之，产生将构建物体的两个部分桥接的细材料丝是困难的并且通常在现有技术中得以避免。例如，以上在本申请的背景技术章节中讨论的'151专利使用了使用短圆柱体连接的竖直板结构，这些短圆柱体的长度大约为其直径。在'151专利中公开的粉末床技术和SLA技术需要竖直支撑的陶瓷结构并且这些技术不能可靠地产生丝，由此，交错的竖直腔体是必需的。例如，圆的冷却孔通常具有小于2 mm的直径，所述直径与低于3.2 mm2的冷却孔面积相对应。考虑到需要由若干体素产生这种尺寸的孔，产生所述孔需要远低于实际孔的大小的分辨率。在粉末床工艺中根本无法获得这种分辨率。类似地，立体光刻由于缺少支撑以及与激光散射相关联的分辨率问题而在其产生这种丝的能力方面受限。但是DLP暴露丝的整个长度并且将其支撑于所述窗口与构建板之间的事实使得产生跨越芯与壳体之间的整个长度的足够细的丝能够形成具有期望冷却孔模的陶瓷物体。尽管粉末床和SLA可以用于产生丝，但如上文所论述，其产生充分细的丝的能力受到限制。
在授权给义获嘉伟瓦登特公司（Ivoclar Vivadent AG）和维也纳工业大学（Technische Universitat Wien）的第9,079,357号美国专利以及WO 2010/045950 A1和US2011310370中公开了一种适当的DLP工艺，这些专利中的每一个都在此通过引用并入并且以下参考图6至图10对其进行讨论。参照图6至图10，根据本申请的示例性实施例，例如，一种装置包括槽404，所述槽具有至少一个半透明底部406，所述半透明底部覆盖曝光单元410的至少一部分。曝光单元410可包括例如光源和调制器，可在控制单元的控制下使用所述调制器来位置选择性地调整强度，以便在槽底部406上产生具有当前待形成层的期望几何结构的曝光场（exposure field）。作为替代方案，可在曝光单元410中使用激光器，所述激光器的光束借助于由控制单元控制的可移动的镜子以期望的强度模式连续扫描曝光场。
在曝光单元410的相对侧，在槽404上方提供产生平台412；所述产生平台由提升机构（未示出）支撑，使得其以高度可调的方式被固持在槽底部406上方、在曝光单元410上方的区域中。产生平台412同样可以是透明或半透明的，以便光可以通过例如产生平台412上方的另外的曝光单元照射进来，其方式为使得至少在产生平台412的下侧上形成第一层时，其也可以从上方暴露，使得首先在产生平台上固化的层可更可靠地粘附到所述产生平台上。
槽404包括高粘度可光聚合材料填充物420。所述填充物的料位比旨在被限定用于位置可选择曝光的层的厚度高得多。为了限定可光聚合材料层，采用以下程序。产生平台412被提升机构以受控方式降低，使得（在第一曝光步骤之前）其下侧浸没于可光聚合材料填充物420中并且接近槽底部406，接近程度为期望层厚度Δ（见图7）精确地保持在产生平台412的下侧与槽底部406之间。在此浸没工艺期间，可光聚合材料从产生平台412的下侧与槽底部406之间的间隙移开。在已设定层厚度Δ之后，对此层执行期望的位置可选择层曝光，以便使其固化成期望形状。具体地，在形成第一层时，从上方进行的曝光还可通过透明或半透明的产生平台412发生，使得可靠且完全的固化尤其在产生平台412的下侧与可光聚合材料之间的接触区域中发生，且由此确保第一层与产生平台412的良好粘附。在所述层已经被形成之后，再次借助于提升机构升高产生平台412。
这些步骤随后被重复若干次，从最后形成的层422的下侧到槽底部406的距离被对应地设定为期望层厚度Δ，并且其上的下一层以期望的方式被位置选择性地固化。
在已经在曝光步骤之后升高产生平台412之后，在被曝光区域中存在材料不足，如图6所示。这是因为在固化设定有厚度Δ的层之后，此层的材料与产生平台412以及成形主体的已经形成于其上的一部分一起固化和升高。已经形成的成形主体部分的下侧与槽底部406之间因此缺少的可光聚合材料必须从曝光区周围的区域的光可聚合材料420填充物进行填充。然而，由于材料的高粘度，材料并不自主回流到成形体部分的下侧与槽底部之间的曝光区中，使得此处依然存在材料凹部或“洞”。
为了用可光聚合材料来补充曝光区，将细长混合元件432移动通过槽404中的可光聚合材料填充物420。在图6至图8中示出的示例性实施例中，混合元件432包括例如细长金属丝（未示出），所述细长金属丝张紧于可移动地安装在槽404的侧壁上的支撑臂430之间。支撑臂430可以可移动地安装在槽404的侧壁中的引导槽434中，使得可以通过移动引导槽434中的支撑臂430使张紧于支撑臂430之间的金属丝可以相对于槽404、平行于槽底部406而移动。细长混合元件432具有多个尺寸，并且其移动相对于槽底部406被引导，使得在被曝光区域之外，细长混合元件432的上边缘保持在槽中的可光聚合材料填充物420的材料水平上方。如在图8的截面视图中可见，混合元件432在金属丝的整个长度上低于槽中的料位，并且仅支撑臂430突出超过槽中的料位。将细长混合元件432布置得低于槽404中的料位的作用并非在于细长混合元件432在其相对于槽移动期间大体上使其前方的材料移动通过曝光区，而是此材料在混合元件432上方流动，同时进行轻微的向上移动。图9中示出混合元件432从图8中所示的位置移动到新位置。已发现，可以有效地刺激材料回流到产生平台412与曝光单元410之间的材料耗减曝光区中。
可通过线性传动执行细长混合元件432相对于槽404的移动，所述线性传动使支撑臂430沿着导槽434移动，以便实现细长混合元件432以期望的方式移动通过产生平台412与曝光单元410之间的被曝光区。如图8所示，槽底部406在两侧都具有凹陷406'。支撑臂430使其下端伸入这些凹陷406'中。这使得有可能将细长混合元件432固持在槽底部406的高度处，而不会干扰支撑臂430的下端移动通过槽底部406。
DLP的其它替代方法可用于制备本申请的一体化芯-壳模具。例如，槽可以被定位在可旋转平台上。当在连续的构建步骤之间从粘性聚合物中抽出工件时，槽可以相对于平台和光源旋转以提供全新的粘性聚合物层，将把构建平台浸入所述全新的粘性聚合物层中以构建连续的层。进一步地，可以使用本领域中的任何已知方法来形成一体化芯-壳模具。
图11示出了具有连接芯部分500和壳体部分501的丝502的一体化芯-壳模具的示意性侧视图。通过使用以上DLP打印工艺来打印陶瓷模具，可以以允许通过丝502提供芯与壳体之间的连接点的方式制作模具。一旦芯-壳模具被打印，其就进行后热处理步骤以固化打印的陶瓷聚合材料。然后，可以以与在生产超合金涡轮叶片、叶轮或护罩时使用的传统铸造工艺类似的方式使用经固化的陶瓷模具。值得注意的是，由于提供大量丝502以符合在涡轮叶片或轮叶的表面中形成发散冷却孔模，因此可消除对图3中所示的销或滚珠斜槽结构的需要。在此实施例中，保留将尖端增压芯504连接至芯500的尖端销505，并且在壳体部分501与尖端增压芯504之间存在空隙503。在移除陶瓷模具之后，在芯500与尖端增压芯504之间存在尖端孔，随后可以通过钎焊使这些尖端孔封闭。然而，尖端销505可以被消除，从而避免需要通过钎焊封闭将芯腔体与尖端增压室连接的尖端孔。
优选地，丝502呈圆柱形或椭圆形，但还可以是弯曲或非直线的。丝的准确尺寸可以根据特定的铸造金属零件的期望膜冷却方案而变化。例如，冷却孔可以具有范围为从0.01到2 mm2的横截面面积。在涡轮叶片中，横截面面积的范围可以为从0.01到0.15 mm2、更优选地从0.05到0.1 mm2、并且最优选地约0.07 mm2。在叶轮或护罩的情况下，冷却孔可以具有范围为从0.05到0.2 mm2、更优选地0.1到0.18 mm2、并且最优选地约0.16 mm2的横截面面积。冷却孔的间距通常为冷却孔的直径的倍数，范围为从冷却孔的直径的2倍到10倍、最优选地这些孔的直径的约4到7倍。
丝502的长度取决于铸造部件的厚度、例如涡轮叶片或定子叶轮壁厚以及冷却孔相对于铸造部件的表面布置的角度。典型的长度范围为从0.5到5 mm、更优选地在0.7到1mm之间、并且最优选地约0.9 mm。冷却孔相对于所述表面布置的角度为约5到35°、更优选地在10到20°之间、并且最优选地约12°。应当理解的是，相比于当前使用常规机加工技术可获得的角度，根据本申请的铸造方法允许形成的冷却孔相对于铸造部件的表面具有较小的角度。
如图12所示，通过采用DLP工艺或任何其它增材制造方法来形成陶瓷芯-壳模具，制造部件需要的步骤显著少于典型的熔模铸造，如以上在背景技术章节中所讨论的。根据本申请的实施例，图12示出了使用以下操作来形成陶瓷模具和芯的步骤：增材制造601、制备蜡组件602、将芯-壳模具浸入到陶瓷浆料中603、使浆料干燥604、脱蜡和/或焙烧工艺605、以及铸造和浸出陶瓷材料606。可以理解的是，可以重复将芯-壳模具浸入到陶瓷浆料603中以及使浆料干燥604的步骤，如图12所示。形成模具的上述工艺可包括使用DLP工艺来形成陶瓷模具和芯，使得所述模具被形成为芯-壳结构并且由第一可光聚合陶瓷材料形成。一旦形成模具，就可以将所述模具与若干模具结合和/或可以使所述模具添加有蜡部分602，所述蜡部分将形成熔融材料的流动路径。然后，芯-壳模具以及之前所添加的任何额外的蜡结构可以经历浸入或涂覆工艺603以在芯-壳模具的壳体的外表面上以及在任何所添加蜡结构的外表面上形成陶瓷涂层。芯-壳模具可接着进行干燥工艺以使浆料干燥604。如上所述，可以重复步骤603和604。接着，芯-壳模具和外部陶瓷壳体可以进行脱蜡和/或焙烧工艺605以移除蜡和/或使形成模具的陶瓷材料烧结。可以理解的是，如果步骤601中的陶瓷模具和芯被制造成最终模具形状并且准备好浇注，则可以省略步骤602、603、604和605。然后，可以将熔融超合金浇注到模具中。一旦超合金固化，就可以通过浸出陶瓷材料和/或通过机械地移除（例如，顶出）模具来移除芯-壳模具和外部壳体。
图13示出了根据本申请的实施例的一体化芯-壳模具的侧视图。如图13所示，芯1000通过若干丝1002连接至壳体1001。芯1000和壳体1001形成芯-壳模具，所述芯-壳模具限定了用于熔模铸造涡轮叶片的腔体1003。可以将芯-壳模具连接至蜡浇口结构，所述蜡浇口结构可包括以下各项中的任一项：蜡管1009、1007和/或蜡塞1008和/或最终铸造物体的任何所选部分。芯-壳模具可包括与芯-壳模具的内部腔体1003流体连通的通路1006。通路1006可具有附接至芯-壳模具的多个蜡浇口部分1009、1007。可以将孔1006或多个孔与腔体1003的一部分整合。一旦芯-壳模具被形成且任何蜡浇口结构被连接至芯-壳模具，就在芯-壳模具和蜡浇口结构的外表面上形成外部陶瓷层1004，如图14所示。外部陶瓷层1004可以通过将芯-壳模具浸入到陶瓷浆料中而形成。外部陶瓷层1004可被进一步形成为通过以下操作形成的单个层：将芯-壳模具和/或浇口部分浸入到陶瓷浆料中、使浆料干燥、以及将芯-壳模具浸入到同一陶瓷浆料和/或不同类型的浆料中以在芯-壳模具上形成外部壳体。进一步地，可以将耐火颗粒筛到层之间的浆料涂层上。应注意，可以代替或组合上述浸入工艺使用其它陶瓷涂层形成形式。例如，可以将陶瓷和/或其它材料喷涂到芯-壳上。作为实例，上述浆料可以包括胶体二氧化硅和陶瓷粉末（例如，Al2O3、SiO2、ZrSiO4、ZrO2、Y2O3、AIN、SiC）。上文所提到的晶粒可涂覆在层之间且可包括90到120目的陶瓷砂（例如，Al2O3、SiO2、ZrSiO4、ZrO2、Y2O3、AIN、SiC）。可涂覆后续浆料层，且可涂覆20到70目和/或10到30目的后续陶瓷砂层。一旦在芯-壳上形成了必要的外部层，就可对模具进行焙烧以使材料烧结；此后，可将任何上述金属（例如超合金）浇注到模具中。
如图14所示，一旦形成外部陶瓷层1004，就可通过熔融和/或化学移除工艺移除蜡浇口部分1007至1009。一旦蜡浇口部分被移除，就形成由形成于蜡浇口部分的外表面上的外部陶瓷壳体1004限定的至少第二通路。与蜡浇口部分1007至1009相对应的通路形成可以与芯-壳模具的内部腔体1003流体连通的腔体。进一步地，陶瓷层1004可以为芯-壳模具提供结构质量，并且可以充当用于提高所包裹芯-壳模具的耐用性的加强件并且可以改善模具的热特性。
图15示出了如图13和图14所示的填充有如镍基合金（例如INCONEL®）等金属1005的腔体1003。一旦金属硬化，就可以浸出陶瓷芯和/或壳体。在浸出陶瓷芯-壳时，所产生的铸造物体是涡轮叶片，所述涡轮叶片在叶片的表面中具有冷却孔模。应理解的是，尽管图11、图13至图18提供了示出位于涡轮叶片的前缘和后缘处的冷却孔的横截面视图，但是可以根据需要设置额外的冷却孔，包括在涡轮叶片的侧面或任何其它期望位置上提供。具体地，本申请可用于在任何特定设计中在铸造工艺内形成冷却孔。换言之，将能够在原先使用钻孔来形成冷却孔的位置产生任何模式的常规冷却孔。然而，本申请的实施例允许实现之前因用于在铸造部件内形成冷却孔的钻孔等常规技术的限制而无法获得的冷却孔模。图16示出在已通过浸出和/或机械方法移除了陶瓷芯-壳后的经铸造涡轮叶片1100的横截面。涡轮叶片1100包括将叶片表面连接至叶片1100的空心芯1103的冷却孔1101、1102。
图17示出根据本申请的另一方面的具有将一体化芯-壳模具的芯部分900和壳体部分901连接的丝902的一体化芯-壳模具的示意性侧视图。进一步地，芯壳模具可包括至少部分地由芯-壳模具的芯900部分和壳体901部分限定的腔体913。一旦熔融金属被添加并且凝固，腔体913就可以最终限定部件的结构。通过使用上述DLP打印工艺来打印陶瓷模具，可以以允许待通过丝902提供的在芯与壳之间的连接在成品部件中形成冷却孔的方式来制作模具。进一步地，一旦铸造完成，就可以使用丝来从部件的中心浸出陶瓷芯900。一旦芯-壳模具被打印，其就可进行后加热处理步骤以固化打印出的陶瓷聚合物材料。如图17所示，在芯-壳模具固化之前或之后，可将由例如蜡形成的牺牲性浇口部件连接至芯-壳模具。所述浇口部件可包括多个蜡棒或管909、907和/或可以包括塞903和/或用于连接至过滤器905的适配器908。进一步地，如下所讨论的，过滤器905可使用增材制造技术（例如，DLP）来形成并且可被形成为具有芯-壳模具的单个结构或者可被单独形成并添加到芯-壳模具中。
在浇口部件被添加到芯-壳模具中之后，可在芯-壳模具和/或浇口结构和/或过滤器905的外表面上形成外部陶瓷层910。如图18所示，可以通过将芯-壳模具901、900，浇口部件907至909，和/或过滤器905浸入到陶瓷浆料中来形成外部陶瓷层910。外部陶瓷层910可被进一步形成为通过以下操作形成的单个层：将芯-壳模具浸入到陶瓷浆料中、使芯-壳上的浆料涂层干燥、以及将芯-壳模具浸入到同一陶瓷浆料和/或不同类型的浆料中以在芯-壳模具上形成外部壳体。进一步地，可将耐火颗粒筛到或添加到层之间的浆料涂层上。应注意，可代替或组合上述浸入工艺使用其它陶瓷涂层形成方法。例如，可将陶瓷和/或其它材料喷涂到芯-壳上。作为实施例，上述浆料可包括胶体二氧化硅和陶瓷粉末（例如，Al2O3、SiO2、ZrSiO4、ZrO2、Y2O3、AIN、SiC）。以上提及的晶粒可涂覆在层之间且可包括90到120目的陶瓷砂（例如，Al2O3、SiO2、ZrSiO4、ZrO2、Y2O3、AIN、SiC）。可涂覆后续浆料层，且可涂覆20到70目和/或10到30目的后续陶瓷砂层。一旦在芯-壳上形成了必要的外部层，就可对模具进行焙烧以使材料烧结；在这之后，此后，可将任何上述金属浇注到模具中。接着，类似于用于产生涡轮叶片、定子轮叶、防护罩和/或任何其它部件的传统铸造工艺，可使用固化的陶瓷模具。
如图18所示，一旦在芯-壳模具、浇口部分907至909和/或过滤器905的外表面901上形成了外部陶瓷层910，就可以移除浇口部分。可以通过熔融形成浇口部件的材料（例如，蜡）和/或可通过化学移除工艺移除浇口部分907至909。
如图17和图18所示，提供可与模具整合的蜡浇口部件903和过滤器905以使液态金属流入到一体化模具中。一体化过滤器905被设置在液态金属的流动路径内，如图17和图18所示。如上所述，可将过滤器形成为具有芯-壳模具的单一结构，或者可在将外部涂层910涂覆到芯-壳模具上之前单独附接所述过滤器。还应注意，蜡浇口部件903可以包括附接至陶瓷芯-壳901的蜡和/或塑料管部分。因此，当外部陶瓷层910被添加到芯-壳上并且浇口部件被移除时，具有相当于蜡浇口部件903的外表面几何结构的内表面几何结构的通路由外部陶瓷层形成，并且因此，没必要通过DLP工艺形成蜡浇口部件903。进一步地，应注意，可使用上述DLP工艺将过滤器905连接和形成为具有芯-壳模具901的单个结构。然后，在添加外部陶瓷层910之前，可将蜡和/塑料管连接至过滤器905。可进一步将蜡和/塑料管连接至在过滤器与蜡和/塑料管之间提供接口的蜡和/或塑料适配器部分908。
如图17和图18所示的陶瓷滤过滤器905适用于在熔融金属被浇注到模具中时对熔融金属进行过滤。上述DLP工艺尤其适合于提供足以为过滤熔融金属的陶瓷过滤器提供孔隙度的分辨率。根据本申请的实施例使用的过滤器的具体几何结构可以取决于待使用的金属的特性以及成品的设计要求。可以使用常规陶瓷过滤器的几何结构。优选地，过滤器呈圆柱形形状，其中，圆柱体的高度小于过滤器的直径。陶瓷过滤器优选地包括入口表面和出口表面以及开口，这些开口提供液态金属从入口表面传递穿过过滤器并且然后穿过出口表面的通路。这些开口可优选地包括陶瓷过滤器的总体积的至少60%到至少约90%。更优选地，这些开口可包括陶瓷过滤器的总体积的至少70%到至少约85%。
进一步地，例如还可设置用于在热处理和/或金属添加之前清洁一体化芯-壳模具的端口（未示出）。在通过DLP打印陶瓷模具之后，在模具部分或过滤器部分内可能存在未固化的树脂。所述端口例如可被设置成允许实现用于移除任何蜡或未固化树脂的溶剂的流动路径。如果需要的话，可在管部分或芯-壳模具部分中设置若干清洁端口。应注意，可使用任何端口封闭方法。例如，在一方面，清洁端口仅仅是管或模具部分中的孔，在执行溶剂清洁步骤之后，在固化模具之前，随后可使用陶瓷材料来填补所述孔。
优选地，丝902可呈圆柱形或椭圆形，但还可以是弯曲或非直线的。丝的准确尺寸可根据特定铸造金属零件的期望膜冷却和/或孔冷却方案而变化。例如，冷却孔可以具有范围为从0.01到2 mm2的横截面面积。在涡轮叶片中，横截面面积的范围可以为从0.01到0.15mm2、更优选地从0.05到0.1 mm2、并且最优选地约0.07 mm2。在叶轮或护罩的情况下，冷却孔可以具有范围为从0.05到0.2 mm2、更优选地0.1到0.18 mm2、并且最优选地约0.16 mm2的横截面面积。冷却孔的间距通常为冷却孔的直径的倍数，范围为从冷却孔的直径的2倍到10倍、最优选地这些孔的直径的约4到7倍。
丝902的长度取决于铸造部件的厚度、例如涡轮叶片或定子叶轮壁厚以及冷却孔相对于铸造部件的表面布置的角度。典型的长度范围为从0.5到5 mm、更优选地在0.7到1mm之间、并且最优选地约0.9 mm。冷却孔相对于所述表面布置的角度为约5到35°、更优选地在10到20°之间、并且最优选地约12°。应当理解的是，相比于当前使用常规机加工技术可获得的角度，根据本申请的铸造方法允许形成的冷却孔相对于铸造部件的表面具有较小的角度。
根据本申请的另一方面，丝可以被简单地设置成在将金属浇注到模具中的同时将陶瓷芯900固持在位。作为替代方案或组合实心芯，图17和图18所示的芯还可以被形成为空心芯。通过上述工艺形成空心芯的一个优点在于其降低了在金属铸造之后移除芯所需的浸出的程度。在另一方面，例如，芯和连接丝两者都可以是空心的，从而允许在铸造之后快速浸出陶瓷模具材料。
在浸出陶瓷芯-壳时，所产生的铸造物体可以是涡轮叶片，所述涡轮叶片在叶片的表面中具有冷却孔模。应当理解的是，尽管图13至图18提供了示出位于涡轮叶片的前缘和后缘处的冷却孔的横截面视图，但是可以根据需要提供额外的冷却孔，包括在涡轮叶片的侧面或任何其它期望位置上提供。具体地，本申请可以用于在任何特定设计中在铸造工艺内形成冷却孔。换言之，将能够在原先使用钻孔来形成冷却孔的位置产生任何模式的常规冷却孔。然而，本申请将允许实现之前因用于在铸造部件内形成冷却孔的钻孔等常规技术的限制而无法获得的冷却孔模。如上所指出的，在铸造期间可以使用丝来将芯固持在位。在那种情况下，可以使用钎焊或相当的操作来封闭表面中通过丝设置的孔。
图19示出根据本申请的实施例的包括从芯延伸到壳体的丝的两件式一体化芯-壳模具的横截面侧视图。如图19所示，两件式芯-壳模具组件1500的实例具有带有附接机构（1507、1508）的第一芯部分1501、带有附接机构1511的第一壳体部分1502、带有附接机构（1509、1510）的第二芯部分1503、以及带有附接机构1512的第二壳体部分1504。附接机构1507、1508可进一步包括允许附接机构1507和1508以期望的准确度连结的任何结构接口。在题为“MULTI-PIECE INTEGRATED CORE-SHELL STRUCTURE FOR MAKING CAST COMPONENT（用于制作铸造部件的多件式一体化芯-壳结构）”、代理人案号为037216.00033/284909并且于2016年12月13日提交的第15/377,796号美国专利申请中公开了能够与本申请一起使用的可能结构接口的实例。上述申请的公开内容整体并入本说明书，只要所述申请公开了可以与本说明书公开的芯-壳模具结合使用的芯-壳模具和制作方法的另外方面。
第一芯部分1501和第一壳体部分1502是使用丝1505来链接在一起的。第二芯部分1503和第二壳体部分1504是使用丝1506来链接在一起的。在铸造芯-壳模具内的金属并且浸出丝（1505、1506）之后，丝（1505、1506）在经铸造涡轮叶片中限定冷却孔模。如上所述，这些结构优选地是使用结合图6至图10描述的且以上讨论的DLP工艺来形成的。通过使用上述DLP打印工艺来打印陶瓷模具，可以以允许通过丝1505和/或1506提供芯与壳体之间的连接点的方式制作模具。一旦芯-壳模具被打印，就可以对其进行检查，并且可以将附接机构1507至1512连结。附接机构可以使用粘合剂来附接或者可以简单地通过机构之间的接口来附接（例如，滑动配合或过盈配合）。进一步地，可以使用夹紧机构、条带、或将陶瓷模具的两半固持在一起的其它某种已知技术来将这两半固持在一起。另外地，根据零件的制造或设计需要，模具可以由多于两个零件形成。
图20示出根据本申请的实施例的图19的并且涂覆有外部陶瓷涂层的经组装的两件式一体化芯-壳模具的横截面侧视图。如图20所示，一旦芯-壳组件1500通过附接机构形成模具，就可以在壳体1502和/或1504上形成外部陶瓷层1510。应注意，壳体1502和1504可被特意地形成为比铸造工艺所需的厚度更薄，并且外部陶瓷层1510被形成为向模具添加结构稳定性和/或将两个芯-壳模具半部固持在一起。进一步地，如下所讨论的，外部陶瓷层和内部芯-壳模具可被形成为优化模具的热传导特性（例如，以便通过操纵模具的热传导特性而定制铸造超合金的微结构）。外部陶瓷层1510可被形成为通过以下操作形成的多个层：将芯-壳模具浸入到陶瓷浆料中、使芯-壳上的浆料涂层干燥、以及将芯-壳模具浸入到同一陶瓷浆料和/或不同类型的浆料中以在芯-壳模具（1502和/或1504）上形成外部壳体。进一步地，可将耐火颗粒筛到或添加到层之间的浆料涂层上。应注意，可代替或组合上述浸入工艺使用其它陶瓷涂层形成形式。例如，可将陶瓷和/或其它材料喷涂到芯-壳上。作为实施例，上述浆料可包括胶体二氧化硅和陶瓷粉末（例如，Al2O3、SiO2、ZrSiO4、ZrO2、Y2O3、AIN、SiC）。上文所提到的晶粒可涂覆在层之间且可包括90到120目的陶瓷砂（例如，Al2O3、SiO2、ZrSiO4、ZrO2、Y2O3、AIN、SiC）。可涂覆后续浆料层，且可涂覆20到70目和/或10到30目的后续陶瓷砂层。在打印芯-壳模具结构之后并且在芯壳模具（1502和/或1504）的表面上形成外部陶瓷层1510之前和/或之后，可根据陶瓷芯光聚合物材料和/或（多种）外部陶瓷芯材料的要求对芯-壳模具和/或外部陶瓷层1510进行固化和/或焙烧。然后，可将熔融金属浇注到模具中以形成呈通过一体化芯-壳模具提供的形状并且具有所述模具提供的特征的铸造物体。
如上所述，优选地，丝1505和1506呈圆柱形或椭圆形，但还可以是弯曲或非直线的。丝的准确尺寸可以根据特定的铸造金属零件的期望膜冷却方案而变化。例如，冷却孔可以具有范围为从0.01到2 mm2的横截面面积。在涡轮叶片中，横截面面积的范围可以为从0.01到0.15 mm2、更优选地从0.05到0.1 mm2、并且最优选地约0.07 mm2。在叶轮或护罩的情况下，冷却孔可以具有范围为从0.05到0.2 mm2、更优选地0.1到0.18 mm2、并且最优选地约0.16 mm2的横截面面积。冷却孔的间距通常为冷却孔的直径的倍数，范围为从冷却孔的直径的2倍到10倍、最优选地冷却孔的直径的约4到7倍。
丝1505和/或1506的长度取决于铸造部件的厚度、例如涡轮叶片或定子叶轮壁厚以及冷却孔相对于铸造部件的表面布置的角度。典型的长度范围为从0.5到5 mm、更优选地在0.7到1 mm之间、并且最优选地约0.9 mm。冷却孔相对于所述表面布置的角度为约5到35°、更优选地在10到20°之间、并且最优选地约12°。应当理解的是，相比于当前使用常规机加工技术可获得的角度，根据本申请的实施例的铸造方法允许形成的冷却孔相对于铸造部件的表面具有较小的角度。
图21示出根据本申请的实施例的一体化芯-壳模具1600的侧视图。如图21所示，第一芯部分1601通过若干丝1605连接至第一壳体部分1602。同样，第二芯部分1603通过若干丝1606连接至第二壳体部分1604。第一芯部分1601和第一壳体部分1602可经由附接机构1608、1609、1610和1611附接至第二芯部分1603和第二壳体部分1604以形成完整的芯-壳模具组件1600。附接机构1608至1611可进一步包括允许附接机构1608至1611以期望的准确度连结的任何结构接口。另外，根据零件的制造或设计需要，经组装的芯-壳模具可以由多于两个零件形成。经组装的芯-壳模具1600限定了用于熔模铸造涡轮叶片的腔体1607。
图22示出根据本申请的实施例的图21的并且涂覆了外部陶瓷涂层的经组装的两件式一体化芯-壳模具的横截面侧视图。如图22所示，一旦芯-壳组件1600通过以上提及和引用的附接机构形成模具，就可在壳体1602和/或1604上形成外部陶瓷层1666。应注意，壳体1602和1604可以被特意地形成为比铸造工艺所需的厚度更薄，并且外部陶瓷层1666被形成为向模具添加结构稳定性和/或将两个芯-壳模具半部固持在一起。进一步地，如下所讨论的，外部陶瓷层和内部芯-壳模具可被形成为优化模具的热传导特性（例如，以便通过操纵模具的热传导特性而定制铸造超合金的微结构）。外部陶瓷层1666可被形成为通过以下操作形成的多个层：将芯-壳模具浸入到陶瓷浆料中、使芯-壳上的浆料涂层干燥、以及将芯-壳模具浸入到同一陶瓷浆料和/或不同类型的浆料中以在芯-壳模具1602和/或1604上形成外部壳体。进一步地，可将耐火颗粒筛到或添加到层之间的浆料涂层上。应注意，可代替或组合上述浸入工艺使用其它陶瓷涂层形成形式。例如，可将陶瓷和/或其它材料喷涂到芯-壳上。作为实施例，上述浆料可以包括胶体二氧化硅和陶瓷粉末（例如，Al2O3、SiO2、ZrSiO4、ZrO2、Y2O3、AIN、SiC）。上文所提到的晶粒可涂覆在层之间且可包括90到120目的陶瓷砂（例如，Al2O3、SiO2、ZrSiO4、ZrO2、Y2O3、AIN、SiC）。可涂覆后续浆料层，且可涂覆20到70目和/或10到30目的后续陶瓷砂层。在打印芯-壳模具结构之后并且在芯壳模具1602和/或1604的表面上形成外部陶瓷层1666之前和/或之后，可根据陶瓷芯光聚合物材料和/或（多种）外部陶瓷芯材料的要求对芯-壳模具和/或外部陶瓷层1610进行固化和/或焙烧。可将熔融金属浇注到模具中以形成呈通过一体化芯-壳模具提供的形状并且具有所述模具提供的特征的铸造物体。
图22进一步示出了腔体1607，所述腔体表示芯1601与壳体1602、1604之间的孔隙，将使用如镍基合金（即，INCONEL®）等金属（所述金属的实例在图15中被示出为附图标记1005）来填充的空隙。在浸出陶瓷芯-壳时，所产生的铸造物体是涡轮叶片、定子叶轮或护罩，其在叶片、叶轮或护罩的表面中具有冷却孔模。应理解的是，尽管附图示出了显示位于涡轮叶片的前缘和后缘处的冷却孔的横截面视图，但是可根据需要提供额外的冷却孔，包括在涡轮叶片的侧面或任何其它期望位置上提供。具体地，本申请可用于在任何特定设计中在铸造工艺内形成冷却孔。换言之，将能够在原先使用钻孔来形成冷却孔的位置产生任何模式的常规冷却孔。然而，本申请将允许实现先前因用于在铸造部件内形成冷却孔的钻孔等常规技术的限制而无法获得的冷却孔模。在浸出之后，如果需要的话，可通过钎焊使涡轮叶片或定子叶轮中由芯打印丝产生的孔封闭。否则，可将通过芯打印丝留下的孔并入内部冷却通路的设计中。可替代地，冷却孔丝可被设置成以足够的量将尖端增压芯连接至壳体，以在金属铸造步骤期间将尖端增压芯固持在位。
可以进一步地使用上述方法中的任何方法来优化模具的材料特性。例如，可以优化外部陶瓷层（例如，910、1004、1510、1666）的孔隙度以控制穿过芯-壳模具和外部陶瓷层的热传导。例如，可以期望在模具内的金属凝固期间，在对穿过芯-壳的热传导不具有显著影响的情况下提高芯-壳的结构刚度；因此，可以使用具有特定孔隙度的陶瓷材料来改善穿过所述层的热对流。进一步地，外部陶瓷层可以由具有高热导率的材料形成和/或可以被提供为较薄层，以便提高热传递速率并且降低使模具内的金属凝固所需的时间量。相反，可以期望减少来自模具内的金属的热传递；因此，外部陶瓷层可以设置有高孔隙度、可以是较厚层和/或可以是具有低热导率的材料。进一步地，可以期望将热导率控制为使得沿着模具的不同区段的冷却速率有所不同。例如，芯-壳和/或外部陶瓷层的一部分可以被形成为较厚或较薄，这取决于在模具的所述部分中期望的热传导特性。这种策略可以用于定制成品的材料特性。例如，通过控制冷却速率，可以在模具内的超合金金属凝固时控制晶体生长。根据另一示例性实施例，外部陶瓷层可以包括由具有第一热导率的陶瓷材料形成的第一部分以及由具有第二热导率的陶瓷材料形成的第二部分，其中第一热导率和第二热导率不同。在上述实例中的任何实例中，第一部分和第二部分的热导率可以变化±0.05%或更多。在另一实例中，可以由具有不同热导率的陶瓷材料形成若干外部陶瓷层以进一步控制模具内的金属的固化。进一步地，可以将其它特征整合到芯-壳模具和/或外部陶瓷层中以修改模具的热特性和/或结构特性。例如，芯-壳模具可以在外部壳体上形成有加强肋以便定制模具的结构特性。芯-壳模具可以进一步包括如销等散热结构，这些散热结构用于在整个外表面上或者在模具的所选部分中改变芯-壳模具的热导率。进一步地，芯-壳模具的表面可以在层之间设置有气隙和/或较厚和较薄的部分以更改成品模具的热导率和/或绝缘质量。气隙可以被设置在整个模具中或可以被设置在模具的所选部分中，在这些所选部分中，期望在模具内的金属凝固期间减缓热传递。
图23示出根据本申请的实施例的一体化芯-壳模具的侧视图。如图23所示，芯1700通过若干丝1702连接至壳体1701。芯1700和壳体1701形成芯-壳模具，所述芯-壳模具限定了用于熔模铸造部件的腔体1711，在此实施例中，所述部件是涡轮叶片。可将芯-壳模具连接至蜡部件，所述蜡部件可以包括蜡浇口部件中的至少一个。蜡浇口部件可以包括蜡管1709、1707和/或蜡塞1708和/或最终铸造物体的任何所选部分。芯-壳模具可以包括与芯-壳模具的内部腔体1711流体连通的通路1706。通路1706可以具有蜡部件1709，所述蜡部件可以包括如例如管等蜡浇口部件。可以将孔1706或多个孔与腔体1711的一部分整合。进一步地，芯-壳模具可以包括开口1712，所述开口可以与腔体1711流体连通。在上述工艺期间的任何点处，在使芯-壳模具涂覆有外部陶瓷层之前，可以使用塞1718来覆盖开口1712。塞1718可以由蜡、塑料或其任何组合形成。进一步地，塞1718可以使用3D打印和/或增材制造工艺形成。塞1718可以具有外表面，所述外表面包括成品部件的外表面的特定期望几何结构，使得一旦塞被涂覆有外部涂层并且被移除，就形成在之前由开口1712限定的区域中的特定模具几何结构。塞1718还可以包括内部几何结构1710、1716，所述内部几何结构用于确保当塞被安装在开口1712中时并且在塞的表面上形成外部陶瓷壳体之前，塞被正确放置和定向。例如，可以形成凹口1716以便与芯壳模具1714的内部部分连接。
开口1712可以用于检查和/或可以包括模具的期望在制造工艺中更改或改变的一部分。例如，可以期望在使用同一芯-壳模具的同时形成具有第一外部几何结构的第一涡轮叶片以及具有第二外部几何结构的第二涡轮叶片。第一外部几何结构和/或第二外部几何结构可以通过以下方式形成：将具有第一几何结构的第一塞安装到第一芯-壳模具的开口1712中并且将具有第二几何结构的第二塞安装到第二芯-壳模具的开口1712中，其中第一芯-壳模具和第二芯-壳模具具有基本上完全相同的几何结构。还可以基于期望的几何形状变化或更改来更改塞1718，而不必更改或形成新的陶瓷芯-壳模具。
如图24所示，在形成外部陶瓷层之前，可以形成芯-壳模具，并且可以连接任何任选的蜡部件（例如，1703、1706、1707和1709），并且可以将塞1718安装到芯-壳模具的开口1712中。如图25所示，然后可以在芯-壳模具、塞1718以及任何蜡部件（例如，1703、1706、1707和1709）的外表面1701上形成外部陶瓷层1704。外部陶瓷层1704可以通过将芯-壳模具浸入到陶瓷浆料中而形成。外部陶瓷层1704可以被进一步形成为通过以下操作形成的单个层：将芯-壳模具、塞和/或门部分浸入到陶瓷浆料中、使浆料干燥、以及将芯-壳模具浸入到同一陶瓷浆料和/或不同类型的浆料中以在芯-壳模具上形成外部壳体。进一步地，可以将耐火颗粒筛到层之间的浆料涂层上。应注意，可以代替或组合上述浸入工艺使用其它陶瓷涂层形成形式。例如，可以将陶瓷和/或其它材料喷涂到芯-壳上。
作为实施例，上述浆料可以包括胶体二氧化硅和陶瓷粉末（例如，Al2O3、SiO2、ZrSiO4、ZrO2、Y2O3、AIN、SiC）。上文所提到的晶粒可涂覆在层之间且可包括90到120目的陶瓷砂（例如，Al2O3、SiO2、ZrSiO4、ZrO2、Y2O3、AIN、SiC）。可涂覆后续浆料层，且可涂覆20到70目和/或10到30目的后续陶瓷砂层。一旦在芯-壳上形成了必要的外部层，就可以在用于使芯-壳模具和/或外部陶瓷层1704的材料烧结的焙烧工艺之前或与此同时移除蜡部件（例如，1703、1706、1707和1709）和/或塞；此后，可将任何上述金属（例如超合金）浇注到模具中。
如图25和图26所示，一旦外部陶瓷层1704被形成，就可以通过熔融和/或化学移除工艺移除蜡部分（例如，1703、1706、1707和1709）。进一步地，如图26所示，在移除蜡部件1703、1706、1707和1709之前和/或之后，可以通过类似的和/或完全相同的工艺移除塞1718。还可以在移除蜡部件的同时移除塞1718。与蜡门部分1703、1706、1707和1709相对应的通路形成可以与芯-壳模具的内部腔体1711流体连通的腔体。进一步地，一旦塞被移除，陶瓷层1704'就形成盖/模具部分，所述盖/模具部分与开口1712相对应并且具有与之前放置的塞1718的外部几何结构相对应的内部几何结构。
在外部壳体1704和1704'被形成之后，使用如镍基合金（例如，INCONEL®）等金属（例如，如在图13和图14中通过参考号1005所示）来填充腔体1711。一旦金属硬化，就可以浸出陶瓷芯和/或壳体。在浸出陶瓷芯-壳时，所产生的铸造部件可以是涡轮叶片，所述涡轮叶片在叶片的表面中具有冷却孔模。应当理解的是，尽管附图提供了示出位于涡轮叶片的前缘和后缘处的冷却孔的横截面视图，但是可以根据需要提供额外的冷却孔，包括在涡轮叶片的侧面或任何其它期望位置上提供。具体地，本申请可以用于在任何特定设计中在铸造工艺内形成冷却孔。换言之，将能够在原先使用钻孔来形成冷却孔的位置产生任何模式的常规冷却孔。进一步地，如上所述，陶瓷壳体部分1704'提供了与之前放置的塞1718相对应的模具部分并且允许检查和/或修改芯-壳模具。塞1718连同上述优点允许移除陶瓷芯-壳模具的一部分并由塞1718代替所述部分。进一步地，对塞1718的使用可以允许陶瓷壳体1704'的一部分比具有壳体和外部壳体1704的芯-壳模具部分更薄。进一步地，陶瓷壳体部分1704'可以是热或结构质量与芯-壳模具不同的材料。
图27示出根据本申请的另一实施例的一体化芯-壳模具的侧视图。如类似于其它上述实施例并且如图27所示，可以通过若干丝1802将芯1800连接至壳体1801。芯1800和壳体1801形成芯-壳模具，所述芯-壳模具限定了用于熔模铸造部件的腔体1811，在此实施例中，所述部件是涡轮叶片。可以将芯-壳模具连接至至少一个蜡部件，所述至少一个蜡部件可以包括蜡浇口部件中的至少一个。蜡浇口部件可以包括蜡管1809、1807和/或蜡塞1808和/或最终铸造物体的任何所选部分。芯-壳模具可以包括与芯-壳模具的内部腔体1811流体连通的通路1806。通路1806可以具有蜡部件1809，所述蜡部件可以包括如例如管等蜡浇口部件。可以将孔1806或多个孔与腔体1811的一部分整合。进一步地，芯-壳模具可以包括开口1815，所述开口可以与腔体1811流体连通。在上述工艺期间的任何点处，在使芯-壳模具涂覆有外部陶瓷层之前，可以使用陶瓷盖1810来覆盖开口1815。陶瓷盖1810可以由特性与芯-壳模具相同或不同的陶瓷形成。进一步地，陶瓷盖1810可以使用已知的3D打印和/或增材制造工艺形成，包括上述工艺。陶瓷盖1810可以具有内表面，所述内表面包括成品部件的外表面的特定期望几何结构，使得一旦陶瓷盖子被安装到开口中并且涂覆有外部陶瓷层，就形成在之前由开口1815限定的区域中的特定模具几何结构。陶瓷盖1810还可以包括接合部分1814和1812，这些接合部分用于确保当陶瓷盖被安装在开口1815中时并且在塞的表面上形成外部陶瓷壳体之前，陶瓷盖被正确放置和定向。例如，接合部分1812和1814可以与芯-壳模具上的接合部分1816和1817接合，如图28所示。注意，上述接合和接合部分不限于所示结构；例如，接合部分可以被设置成与设置在芯-壳模具的芯部分1800上的接合部分接合。
开口1816可以用于检查和/或可以包括模具的期望在制造工艺中更改或改变的一部分。例如，可以期望在使用同一芯-壳模具的同时形成具有第一外部几何结构的第一涡轮叶片以及具有第二外部几何结构的第二涡轮叶片。第一外部几何结构和/或第二外部几何结构可以通过以下方式形成：将具有第一几何结构的第一陶瓷盖安装到第一芯-壳模具的开口1816中并且将具有第二几何结构的第二陶瓷盖安装到第二芯-壳模具的开口1816中，其中第一芯-壳模具和第二芯-壳模具具有基本上完全相同的几何结构。还可以基于期望的几何形状变化或更改来更改陶瓷盖1810，而不必更改或形成新的陶瓷芯-壳模具。
如图28所示，在形成外部陶瓷层之前，可以形成芯-壳模具，并且可以连接任何任选的蜡部件（例如，1806、1807和1809），并且可以将陶瓷盖1810安装到芯-壳模具的开口1815中。如图29所示，然后可以在芯-壳模具、陶瓷盖1810以及任何蜡部件（例如，1806、1807和1809）的外表面1801上形成外部陶瓷层1804。外部陶瓷层1804可以通过将芯-壳模具浸入到陶瓷浆料中而形成。外部陶瓷层1804可以被进一步形成为通过以下操作形成的单层和/或多层基材：将芯-壳模具、陶瓷盖子和/或浇口部分浸入到陶瓷浆料中、使浆料干燥、以及将芯-壳模具浸入到同一陶瓷浆料和/或不同类型的浆料中以在芯-壳模具上形成外部壳体。进一步地，可以将耐火颗粒筛到层之间的浆料涂层上。应注意，可以代替或组合上述浸入工艺使用其它陶瓷涂层形成形式。例如，可以将陶瓷和/或其它材料喷涂到芯-壳上。
作为实施例，上述浆料可以包括上述材料或本领域中已知的材料中的任何材料；例如：胶体二氧化硅和陶瓷粉末（例如，Al2O3、SiO2、ZrSiO4、ZrO2、Y2O3、AIN、SiC）。上文所提到的晶粒可涂覆在层之间且可包括90到120目的陶瓷砂（例如，Al2O3、SiO2、ZrSiO4、ZrO2、Y2O3、AIN、SiC）。可涂覆后续浆料层，且可涂覆20到70目和/或10到30目的后续陶瓷砂层。一旦在芯-壳模具、陶瓷盖、蜡部件（例如，例如，1806、1807和1809）上形成了必要的外部层，就可以在用于使芯-壳模具、陶瓷盖1810和/或外部陶瓷层1804的材料烧结的焙烧工艺之前或与此同时移除蜡部件。此后，可将任何上述金属（例如超合金）浇注到模具中。
一旦外部陶瓷层1804被形成，就可以通过熔融和/或化学移除工艺移除蜡部分（例如，1806、1807和1809）。一旦蜡部分被移除，与蜡部分1803、1806、1807和1809相对应的通路就形成可以与芯-壳模具的内部腔体1811流体连通的腔体。进一步地，一旦外部蜡陶瓷层1804被形成，陶瓷门1810就变成内部几何结构与所述部件的期望外部几何结构相对应的模具部分。
在外部壳体1804被形成之后，使用如镍基合金（例如，INCONEL®）等金属（例如，如在图13和图14中通过参考号1005所示）来填充腔体1811。一旦金属硬化，就可以浸出陶瓷芯和/或壳体。在浸出陶瓷芯-壳时，所产生的铸造部件可以是涡轮叶片，所述涡轮叶片在叶片的表面中具有冷却孔模。应当理解的是，尽管附图提供了示出了位于涡轮叶片的前缘和后缘处的冷却孔的横截面视图，但是可以根据需要提供额外的冷却孔，包括在涡轮叶片的侧面或任何其它期望位置上提供。具体地，本申请可以用于在任何特定设计中在铸造工艺内形成冷却孔。换言之，将能够在原先使用钻孔来形成冷却孔的位置产生任何模式的常规冷却孔。进一步地，如上所述，陶瓷壳体部分1804和陶瓷盖1810提供与所安装陶瓷盖1810相对应的模具部分。如上所述，陶瓷盖1810可以用于允许检查和/或修改芯-壳模具。陶瓷盖1810连同上述优点允许移除陶瓷芯-壳模具的一部分并由陶瓷盖1810代替所述部分。进一步地，对陶瓷盖1810的使用可以允许陶瓷壳体1804'的一部分比具有壳体和外部壳体1804的芯-壳模具部分更薄。进一步地，陶瓷盖1810可以由热或结构质量与芯-壳模具和外部陶瓷壳体1804不同的材料形成。
一方面，本申请涉及与以类似方式生产的其它芯-壳模具的特征结合或组合的本申请芯-壳模具结构。以下专利申请包括这些各种方面及其使用的公开内容：
标题为“INTEGRATED CASTING CORE-SHELL STRUCTURE（一体化铸造芯-壳结构）”、代理人案卷号为037216.00036/284976并且于2016年12月13日提交的第15/377,728号美国专利申请；
标题为“INTEGRATED CASTING CORE-SHELL STRUCTURE WITH FLOATING TIPPLENUM（具有浮置尖端增压室的一体化铸造芯-壳结构）”、代理人案卷号为037216.00037/284997并且于2016年12月13日提交的第15/377,711号美国专利申请；
标题为“MULTI-PIECE INTEGRATED CORE-SHELL STRUCTURE FOR MAKING CASTCOMPONENT（用于制作铸造部件的多件式一体化芯-壳结构）”、代理人案卷号为037216.00033/284909并且于2016年12月13日提交的第15/377,796号美国专利申请；
标题为“MULTI-PIECE INTEGRATED CORE-SHELL STRUCTURE WITH STANDOFF AND/OR BUMPER FOR MAKING CAST COMPONENT（用于制作铸造部件的具有支座和/或缓冲器的多件式一体化芯-壳结构）”、代理人案卷号为037216.00042/284909A并且于2016年12月13日提交的第15/377,746号美国专利申请；
标题为“INTEGRATED CASTING CORE SHELL STRUCTURE WITH PRINTED TUBES FORMAKING CAST COMPONENT（用于制作铸造部件的具有打印管的一体化铸造芯壳结构）”、代理人案卷号为037216.00032/284917并且于2016年12月13日提交的第15/377,673号美国专利申请；
标题为“INTEGRATED CASTING CORE SHELL STRUCTURE FOR MAKING CASTCOMPONENT WITH NON-LINEAR HOLES（用于制作具有非直线孔的铸造部件的一体化铸造芯壳结构）”、代理人案卷号为037216.00041/285064并且于2016年12月13日提交的第15/377,787号美国专利申请；
标题为“INTEGRATED CASTING CORE SHELL STRUCTURE FOR MAKING CASTCOMPONENT WITH COOLING HOLES IN INACCESSIBLE LOCATIONS（用于制作在不可进入位置中具有冷却孔的铸造部件的一体化芯壳结构）”、代理人案卷号为037216.00055/285064A并且于2016年12月13日提交的第15/377,783号美国专利申请；
标题为“INTEGRATED CASTING CORE SHELL STRUCTURE FOR MAKING CASTCOMPONENT HAVING THIN ROOT COMPONENTS（用于制作具有薄根部件的铸造部件的一体化铸造芯壳结构）”、代理人案卷号为037216.00053/285064B并且于2016年12月13日提交的第15/377766号美国专利申请；
这些申请中的每一个的公开内容整体并入本说明书，只要它们公开了可以与本说明书公开的芯-壳模具结合使用的芯-壳模具和制作方法的另外方面。
此书面描述使用实例来公开本发明，包括优选实施例，并且还使得本领域的任何技术人员都能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何所并入的方法。本发明的可获专利的范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域的技术人员所想到的其它实例。如果此类其它实例具有并非不同于权利要求书的字面语言的结构要素，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差异的等效结构要素，那么此类其它实例旨在处于权利要求书的范围内。根据本申请的原理，来自所描述各个实施例的方面以及每个这种方面的其它已知等效物可以由本领域的普通技术人员混合和匹配以构建额外的实施例和技术。

Claims (19)

1.一种制造陶瓷铸模的方法，包括步骤：
在陶瓷芯-壳模具的至少一部分上形成外壳部分，其中所述芯-壳模具由第一陶瓷材料形成且包括：
芯部分、壳体部分和所述芯部分与所述壳体部分之间的至少一个第一中空腔体，其中所述外壳部分包括第二陶瓷材料，其中芯-壳模具和所述外壳部分具有不同的热特性，
其中所述方法还包括步骤：
在形成所述外壳部分之前将蜡部件连接到所述芯-壳模具；以及在形成所述外壳部分之后移除所述蜡部件以形成与所述第一中空腔体流体连通的至少一个第二中空腔体。
2.根据权利要求1所述的制造陶瓷铸模的方法，其特征在于，所述陶瓷芯-壳模具的所述壳壳体部分具有特定几何结构以包括所述第一陶瓷材料的空隙、局部增厚和局部变薄中的至少一种，使得所述第一陶瓷材料的厚度沿着所述芯-壳陶瓷模具的表面而变化。
3.根据权利要求1所述的制造陶瓷铸模的方法，其特征在于，所述陶瓷芯-壳模具的所述外壳部分具有特定几何结构以包括所述第二陶瓷材料的空隙、局部增厚和局部变薄中的至少一种，从而更改所述外壳部分的所述热特性。
4.根据权利要求1所述的制造陶瓷铸模的方法，其特征在于，所述不同的热特性包括传热系数和孔隙度中的至少一个。
5.根据权利要求1所述的制造陶瓷铸模的方法，其特征在于，所述外壳部分包括具有不同热特性的多个涂层部分。
6.根据权利要求5所述的制造陶瓷铸模的方法，其特征在于，所述多个涂层部分包括第一涂层部分和第二涂层部分，其中所述第一涂层部分和所述第二涂层部分具有不同传热系数或孔隙度。
7.根据权利要求5所述的制造陶瓷铸模的方法，其特征在于，所述多个涂层部分包括第一涂层部分和第二涂层部分，其中所述第一涂层部分和所述第二涂层部分具有不同传热系数，其中所述第一涂层部分涂覆于所述芯-壳模具的第一部分，且所述第二涂层部分涂覆于所述芯-壳模具的第二部分。
8.根据权利要求5所述的制造陶瓷铸模的方法，其特征在于，所述多个涂层部分中的至少一个具有第一厚度且涂覆于所述芯-壳模具的第一部分，且所述多个涂层部分中的至少一个具有第二厚度且涂覆于所述芯-壳模具的第二部分，其中所述第一厚度和第二厚度不同。
9.根据权利要求1所述的制造陶瓷铸模的方法，其特征在于，通过将所述芯-壳陶瓷模具和蜡部件至少浸入第一陶瓷浆料中来将所述外壳部分涂布在所述芯-壳陶瓷模具和蜡部件的部分上。
10.根据权利要求7所述的制造陶瓷铸模的方法，其特征在于，所述第一涂层部分通过将所述芯-壳模具的一部分浸入第一陶瓷浆料中而形成，且所述第二涂层部分通过将所述芯-壳模具的一部分浸入第二陶瓷浆料中而涂覆。
11.根据权利要求1所述的制造陶瓷铸模的方法，其特征在于，所述芯-壳模具通过以下步骤形成：
（a）使工件的固化部分与液态陶瓷光聚合物接触；
（b）通过与所述液态陶瓷光聚合物接触的窗口来辐照所述液态陶瓷光聚合物的接近所述固化部分的一部分；
（c）将所述工件移离未固化的液态陶瓷光聚合物；以及
（d）重复步骤（a）到（c），直到所述芯-壳陶瓷模具由第一陶瓷材料形成。
12.根据权利要求11所述的制造陶瓷铸模的方法，其特征在于，在所述陶瓷芯-壳模具上形成所述外壳部分之后对所述陶瓷模具进行热处理。
13.根据权利要求1所述的制造陶瓷铸模的方法，其特征在于，所述第一陶瓷材料和所述第二陶瓷材料具有不同硬度。
14.根据权利要求13所述的制造陶瓷铸模的方法，其特征在于，所述第一陶瓷材料具有比所述第二陶瓷材料大的硬度。
15.一种使用铸模制备铸造部件的方法，所述方法包括：
将熔融金属提供到铸模中，其中铸模包括：
芯-壳模具，其由第一陶瓷材料形成，其中所述芯-壳模具包括壳体、芯和所述芯与所述壳体之间的至少一个第一中空腔体；
外陶瓷层，其由第二陶瓷材料形成，其中所述外陶瓷层涂布所述芯-壳模具的至少一部分，其中所述外陶瓷层具有与所述芯-壳模具不同的热特性，
其中所述铸模还包括由所述外陶瓷层限定的第二中空腔体，其中所述第二中空腔体与所述第一中空腔体流体连通。
16.根据权利要求15所述的制备铸造部件的方法，其特征在于，通过所述第二中空腔体将所述熔融金属提供到所述第一中空腔体。
17.根据权利要求15所述的制备铸造部件的方法，其特征在于，所述不同的热特性包括传热系数和孔隙度中的至少一个。
18.一种陶瓷铸模，包括：
由第一陶瓷材料形成的芯部分和由第一陶瓷材料形成的第一陶瓷壳体部分，其中所述陶瓷铸模还包括所述陶瓷芯部分与所述第一陶瓷壳体部分之间的至少一个第一中空腔体，所述第一中空腔体适于在铸造和移除所述陶瓷铸模时限定铸造部件的形状，其中所述陶瓷铸模还包括接合所述陶瓷芯部分与所述第一陶瓷壳体部分的多个丝，其中每个丝横跨于所述陶瓷芯与第一陶瓷壳体部分之间，所述丝适于限定多个孔，所述多个孔在移除所述陶瓷铸模后在由所述陶瓷芯部分限定的所述铸造部件内的腔体与所述铸造部件的外表面之间提供流体流通；以及
第二壳体部分，其由不同于所述第一陶瓷材料的第二材料形成，其中所述第二壳体 部分至少部分地覆盖所述第一陶瓷壳体部分，其中所述第二壳体部分具有与所述第一陶瓷壳体部分不同的热特性，
其中所述陶瓷铸模还包括由所述第二壳体部分限定的第二中空腔体，其中所述第二中空腔体与所述第一中空腔体流体连通。
19.根据权利要求18所述的陶瓷铸模，其特征在于，所述热特性包括传热系数和孔隙度中的至少一个。
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