CN109128053B - 增材制造的带有一体化过滤器和陶瓷壳的铸造芯-壳模具 - Google Patents

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Abstract

本公开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、第一壳部分和所述芯部分与所述第一壳部分之间的至少一个第一腔。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流体连通的第二腔。

Description

增材制造的带有一体化过滤器和陶瓷壳的铸造芯-壳模具
技术领域
本公开大体上涉及熔模铸造芯-壳模具部件和利用这些部件的工艺。根据本发明制造的芯-壳模具包括模具的芯与壳之间的一体化陶瓷丝，其可用以在由这些模具制成的铸造部件中形成通道和/或孔。在铸造操作中，例如在浇铸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轮叶的超合金时，一体化芯-壳模具提供适用的特性。本公开还涉及利用陶瓷外层涂布一体化芯-壳模具，这可提供以下示范性益处中的任一者或组合：增大芯-壳模具的结构完整性；结合或连接模具的各部分；提供与模具流体连通的通路或腔；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来加压导入燃烧器的空气。发动机可包括至少一个燃烧器，其中导入的加压空气的至少一部分与燃料混合且被点燃。来自压缩机的热气体通过至少一个涡轮区段流向下游。每个涡轮区段具有旋转叶片，所述旋转叶片围绕轴线旋转且含于发动机壳体内。一个涡轮区段或多个涡轮区段可为压缩机、风扇、轴中的任一个提供动力，和/或可例如通过喷嘴利用膨胀提供推力。
由于高温和较大温度波动以及因在涡轮正常操作期间经历的高转速所导致的力，涡轮部分中的涡轮叶片和/或定子轮叶必须能够耐受热应力。随着涡轮压力比和效率增大，高压和低压涡轮部分所暴露于的热应力也增大。因此，结合由耐高温材料制造涡轮部件(例如涡轮叶片和定子轮叶)，有效冷却涡轮叶片、定子轮叶和其它部件已变得越来越重要和具有挑战性。为了抵抗对涡轮区段的热辐射和对流，在过去已使用若干除热技术；一般使用流体冷却以延长涡轮部件的寿命。此外，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/或定子轮叶内形成通道以提供每个翼型件表面的对流冷却。
增大涡轮发动机内的冷却效率的需要已使涡轮部件内的内部冷却通道复杂化。用于制造发动机零件和部件的常规技术涉及熔模铸造或失蜡铸造(investment or lost-waxcasting)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/或定子轮叶通常包括中空翼型件，其具有沿着叶片的跨距延伸的径向通道，所述通道具有至少一个或多个入口以用于在发动机的操作期间接收加压冷却空气。叶片中的各种冷却通道通常包括安置在翼型件中部在前缘与后缘之间的蜿蜒通道。翼型件通常包括延伸穿过叶片以用于接收加压冷却空气的入口，所述入口包括局部特征，例如短的扰流肋条(turbulator rib)或销以用于增大翼型件的受热侧壁与内部冷却空气之间的热传递。
通常由高强度超合金金属材料制造这些涡轮叶片会涉及如图1到4中所示的许多步骤。如图1中所示，使用传统熔模铸造法形成铸造部件通常包括以下步骤：加工用于外部蜡结构和用于陶瓷芯的冲模(die)101；模制和烧焙陶瓷芯102；模制具有陶瓷芯的蜡模103；蜡组件制备104；将蜡组件浸渍于陶瓷浆料中105；使陶瓷浆料干燥以提供壳106；使壳脱蜡107；铸造和沥出(leaching)108；以及钻冷却孔109。
在上述工艺中，制造精密陶瓷芯200以符合涡轮叶片内部所要的蜿蜒冷却通道。还形成精密冲模或模具，其限定涡轮叶片的精密3D外部表面，包括其翼型件、平台和整体楔形榫(dovetail)。陶瓷芯200组装在两个冲模半部内部，所述两个冲模半部在其间形成限定叶片的所得金属部分的空间或空隙。相对刚性的蜡和/或塑料注入到组装的冲模中以填充所述空隙且包围陶瓷芯200，陶瓷芯200在此处封装在蜡内。将两个冲模半部分开且移除以暴露并移出具有由模制蜡形成的所要叶片211的精密配置的刚性蜡和/或塑料。具有封装陶瓷芯200的模制蜡叶片211接着附接到蜡树结构(wax tree structure)212。蜡树结构212由固体石蜡或刚性比用于形成模制蜡叶片211的蜡低的任何蜡形成。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，因此用于形成树结构212的蜡的外表面的尺寸精度不大重要。因此，比起所要蜡叶片的精密模制蜡叶片211，较软蜡一般用于形成蜡树212的个别路径。蜡叶片211需要销205来将芯保持在适当位置。树结构212可包括用于添加熔融金属到模具的漏斗形部分214。如图2到4中所示，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。
所属领域中一般已知的陶瓷过滤器包括泡沫陶瓷过滤器(CFF)，就如图2到3中所示的陶瓷过滤器213。这些过滤器通过利用陶瓷浆料(ceramic slip)浸渍网状聚氨酯泡沫体、挤压泡沫以移除过量浆料且接着干燥和烧焙形成CFF的主体而形成。其它已知陶瓷过滤器包括对称过滤器。近来，已使用各种增材技术制造陶瓷过滤器。举例来说，标题为“陶瓷过滤器”的第2016/0038866A1号美国专利申请公开案描述一种增材制造陶瓷过滤器。另一实例是可在国家能源技术实验室(NETL)网站获取的“用以提高单晶铸造产出的高级过滤——Mikro系统(Advanced Filtration to Improve Single Crystal Casting Yield-MikroSystems)”。这些过滤器作为独立过滤器出售，可并入如图2中所示的蜡树212中，且接着并入如图3中所示的陶瓷模具中。
在形成蜡树结构的蜡注入和蜡通路212连接之后，整个蜡树结构212、陶瓷过滤器213和蜡涡轮叶片211接着利用陶瓷材料涂布以形成如图3中所示的陶瓷壳206、204。接着，蜡融化且从陶瓷壳206移除，从而在陶瓷壳206与内部陶瓷芯200之间留下对应的空隙或空间201、207。此外，一旦蜡树结构212融化，陶瓷壳204就限定与空隙或空间201、207流体连通的流动路径。在移除蜡之后，陶瓷芯通过销205保持在适当位置。如图4中所示，熔融超合金金属208接着通过由陶瓷壳204的一部分限定的流动路径浇注到壳206中。熔融超合金可包括以下中的任一种：不锈钢、铝、钛、Inconel 625、Inconel 718、Inconel 188、钴铬、镍以及其它金属材料或任何合金，例如镍(Ni)超合金和/或Ni超合金单晶合金。举例来说，上述合金可包括以下商标名的材料：Haynes
Figure BDA0001712009240000041
Haynes
Figure BDA0001712009240000042
Super Alloy Inconel 625TM、
Figure BDA0001712009240000043
625、
Figure BDA0001712009240000044
625、
Figure BDA0001712009240000045
625、
Figure BDA0001712009240000046
6020、Inconel 188，以及具有利于使用上文所提到的技术形成部件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且封装含于壳206中的陶瓷芯200。使熔融金属208冷却且固化，且接着适当地移除外部陶瓷壳206和内部陶瓷芯202，从而保留其中存在内部冷却通道的所要金属涡轮叶片。为了提供路径以用于通过沥出工艺移除陶瓷芯材料，必须提供滚珠斜槽(chute)(未示出)和尖端销(例如图11中的附图标记505)。总的来说，在沥出工艺之后，涡轮叶片内的滚珠斜槽和尖端销孔随后必须钎焊封闭。
铸造涡轮叶片208通常进行额外的铸造后修改，例如视需要穿过翼型件侧壁钻出合适行的薄膜冷却孔以用于提供内部导入的冷却空气的出口，所述冷却空气接着在燃气涡轮发动机中的操作期间在翼型件的外部表面上形成防护冷却空气膜或层(一般称为薄膜冷却)。在涡轮叶片从陶瓷模具移出之后，保持陶瓷芯200的销205形成稍后会钎焊封闭的通路以提供穿过铸造涡轮叶片的内部空隙的所要空气路径。然而，这些铸造后修改是有限的，且在涡轮发动机的复杂性不断增大以及涡轮叶片内部某些冷却回路所提供的公认效率改进的情况下，需要更为错综复杂的内部几何结构。虽然熔模铸造法能够制造这些部件，但使用这些常规制造工艺进行制造使得位置精确度和错综复杂的内部几何结构变得更复杂，且因此显著增加制造时间和费用。因此，需要为具有错综复杂的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工具路径和/或模制限制的情况下制造模具。举例来说，转让给劳斯莱斯公司(Rolls-Royce Corporation)的第8,851,151号美国专利中描述了使用3D打印以产生陶瓷芯-壳模具的方法。制造模具的方法包括例如转让给麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的第5,387,380号美国专利中公开的粉末床陶瓷工艺，以及例如转让给3D Systems公司的第5,256,340号美国专利中公开的选择性激光激活(SLA)。根据'151专利的陶瓷芯-壳模具显著受制于这些工艺的打印分辨率能力。如图5中所示，一体化芯-壳模具300的芯部分301和壳部分302通过模具300的底部边缘处提供的一系列连接结构303保持在一起。在'151专利中提出的冷却通道包括通过短柱体接合的交错竖直腔，所述短柱体长度与其直径几乎相同。接着使用'151专利中公开的且以引入的方式并入本文中的已知技术在芯-壳模具中形成超合金涡轮叶片。在这些芯-壳模具中的一个中铸造涡轮叶片之后，移除模具以显露铸造的超合金涡轮叶片。
举例来说，仍然需要制备通过使用较高分辨率方法产生的陶瓷芯-壳模具，所述较高分辨率方法能够在铸造工艺的最终产品中提供精细细节铸造特征，例如打印丝所必要的高分辨率能力，所述丝延伸于模具的芯与壳部分之间且具有充分小的尺寸和量以在成品涡轮叶片或定子轮叶中产生泄流冷却孔。在例如转让给麻省理工学院的第5,387,380号美国专利中公开的较早粉末床工艺的情况中，粉末床复涂机(recoater)的动作会妨碍形成延伸于芯与壳之间的充分细的丝以在铸造部件中提供泄流冷却孔模。使用自上向下辐照技术的例如转让给3D Systems公司的第5,256,340号美国专利中公开的选择性激光激活(SLA)等其它已知技术可用于产生根据本发明的一体化芯-壳模具。然而，这些系统的可用打印分辨率显著地限制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。
虽然上文所提到的工艺可用于形成一体化芯-壳模具，但使用直射光处理(DLP)制造芯-壳模具是有利的。DLP与上述粉末床和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，所述窗口将光投射于随着工艺实施而升高的构建平台上。通过DLP，一整层固化聚合物同时产生，且消除了使用激光扫描模(pattern)的需要。此外，底层窗口与构建的对象的最后一个固化层之间发生聚合反应。底层窗口提供支撑，从而允许在无需单独的支撑结构的情况下产生材料细丝。换句话说，桥接构建对象的两个部分的材料细丝很难产生，且通常在现有技术中予以避免。举例来说，上文在本申请的背景技术部分中论述的'151专利使用与短柱体连接的竖直板结构，所述短柱体的长度约为其直径。由于'151专利中公开的粉末床和SLA技术需要竖直支撑的陶瓷结构且所述技术不能可靠地产生丝的情况，因此交错的竖直腔是必要的。举例来说，圆形冷却孔一般具有对应于低于3.2mm2的冷却孔面积的小于2mm的直径。由于需要从若干体素(voxel)产生所述孔，因此此类尺寸的孔的产生需要远低于实际孔大小的分辨率。此分辨率在粉末床工艺中根本无法获得。类似地，归因于缺乏支撑以及与激光散射相关联的分辨率问题，立体光刻产生此类丝的能力受到限制。但DLP使丝的整个长度曝光且将其支撑于窗口与构建板之间的情况能实现产生横跨芯与壳之间的整个长度的充分细的丝以形成具有所要冷却孔模的陶瓷对象。尽管粉末床和SLA可用于产生丝，但如上文所论述，其产生充分细的丝的能力受到限制。
此外，在采用上文所提到的制造上文所描述的实施例的芯-壳的DLP方法的过程中，在将芯-壳模具的使用整合到高效制造工艺中时出现各种困难。举例来说，使用DLP工艺形成具有足够尺寸稳定性(例如壁厚)的芯-壳模具所需的时间可能延迟所述制造工艺且需要使用过量材料。此外，在模制工艺中，可能需要高效地产生模具的部分，所述部分并不需要与芯-壳模具自身的部分所需的相同的尺寸精度。举例来说，可能需要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。此外，当使用DLP工艺形成芯-壳模具时，可能需要改进芯-壳在铸造完成之后的移除便易性。举例来说，可通过产生较薄芯-壳来改进脱模工艺，从而减小铸造产品在移除芯-壳之后受损的可能性。还可能合乎需要的是控制芯-壳模具的导热率以控制晶体生长和/或调适铸造部件的材料特性。
发明内容
在一个实施例中，本发明涉及一种制造陶瓷铸模的方法。本发明的前述和/或其它方面可通过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(wax gatecomponent)连接到陶瓷芯-壳模具，所述陶瓷芯-壳模具包括芯部分和壳部分以及所述芯部分与所述壳部分之间的至少一个第一腔。所述方法还包括利用第二陶瓷材料涂布陶瓷芯-壳模具和蜡浇口部件的至少一部分，且移除蜡浇口部件以形成与第一腔流体流通的至少第二腔。
芯-壳模具可通过使用增材制造技术来制造。更具体地说，所述方法可包括制造具有芯和壳的陶瓷模具。所述方法具有以下步骤：(a)使工件的固化部分与液体陶瓷光敏聚合物接触；(b)通过接触所述液体陶瓷光敏聚合物的窗口辐照所述液体陶瓷光敏聚合物中邻近所述固化部分的一部分；(c)使工件移离未固化液体陶瓷光敏聚合物；以及(d)重复步骤(a)到(c)，直到形成陶瓷模具。在步骤(d)之后，工艺可另外包括步骤(e)：将液体金属浇注到铸模中且固化所述液体金属以形成铸造部件。在步骤(e)之后，工艺可另外包括步骤(f)，包括从铸造部件移除模具，且优选的是，此步骤涉及机械力与碱浴(alkaline bath)中的化学沥出的组合。通过在步骤(d)中在陶瓷模具的至少一部分上添加第二陶瓷材料，可实现以下优势中的至少一个：提高模具的结构完整性；减少芯和壳的构建时间；减少形成模具所需的材料；调适模具的材料特性的能力；调适模具的热特性的能力；和/或提高铸造效率和/或生产率。
在另一方面，本发明涉及一种制备铸造部件的方法。所述方法包括将液体金属浇注到陶瓷铸模中以及固化所述液体金属以形成所述铸造部件的步骤，所述陶瓷铸模包括芯部分和第一陶瓷壳部分以及包围所述第一陶瓷壳部分的至少一部分的第二陶瓷壳部分，其中所述陶瓷铸模在所述芯部分与所述第一陶瓷壳部分之间具有至少一个腔，所述腔适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。此外，陶瓷铸模可包括接合芯部分和第一陶瓷壳部分的多个丝(filament)，其中每个丝横跨于芯与第一陶瓷壳之间，所述丝适于在移除模具后限定铸造部件中的多个孔。本发明可另外包括通过使陶瓷芯的至少一部分通过铸造部件中由丝提供的孔沥出而从铸造部件移除陶瓷铸模的步骤。
在一个实施例中，本发明涉及一种用于制造陶瓷模具的方法，包括：(a)使工件的固化部分与液体陶瓷光敏聚合物接触；(b)通过接触所述液体陶瓷光敏聚合物的窗口辐照所述液体陶瓷光敏聚合物中邻近所述固化部分的一部分；(c)使工件移离未固化液体陶瓷光敏聚合物；以及(d)重复步骤(a)到(c)，直到形成由第一陶瓷材料形成的第一陶瓷模具，以及(e)在所述第一陶瓷模具的至少一部分上添加第二陶瓷材料以形成外模具。所述外陶瓷模具包覆第一陶瓷模具和过滤器部分；所述第一陶瓷模具包括芯部分和壳部分以及所述芯部分与壳部分之间的至少一个腔，所述腔适于在铸造和移除陶瓷模具时限定铸造部件的形状，且所述过滤器部分定向于熔融金属流入模具的腔中的路径中。工艺还包括在步骤(e)之后的步骤(f)，其包括将液体金属浇注到铸模中且固化所述液体金属以形成所述铸造部件。在步骤(f)之后，可执行步骤(g)，包括从所述铸造部件移除模具。
在另一实施例中，本发明涉及一种使用增材制造模具制备铸造部件的方法。所述方法包括使用上述步骤形成由第一陶瓷材料形成的部分陶瓷模具的第一陶瓷壳部分，且任选地形成第一陶瓷芯部分，任选的第一陶瓷芯部分和所述第一陶瓷壳部分适于与至少一任选第二陶瓷芯部分和第二陶瓷壳部分接合以形成至少一两件式陶瓷模具，其包括第一和/或第二陶瓷芯部分与第一和第二壳部分之间的腔，所述腔适于在铸造和移除所述陶瓷模具时限定铸造部件。第一和第二陶瓷壳部分接着通过接口组装，且在第一和/或第二陶瓷壳部分的至少一部分上形成第三陶瓷壳。提供液体金属以便填充腔。随后移除陶瓷，且陶瓷芯的一部分通过铸造部件中的至少一个孔沥出。
在另一实施例中，本发明涉及一种使用上述技术中的任一种形成模具的方法，其中提供外陶瓷壳部分以便增大或减小所述模具的至少一部分的导热率。此外，可通过向模具提供可变导热率的方式来提供外陶瓷壳。举例来说，模具的厚度可变化，模具外层的孔隙度可变化，陶瓷模具的各种部分的材料特性可变化，和/或可变更上述变量的组合以控制模具的热特性。此外，模具的热特性可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，公开一种制造陶瓷铸模的方法。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部分以及所述芯部分与所述壳部分之间的至少一个第一腔；以及利用第二陶瓷材料涂布所述陶瓷芯-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：利用盖或塞覆盖或堵塞陶瓷芯-壳模具中的开口，其中所述芯-壳模具包括陶瓷芯与陶瓷壳之间的至少第一腔；利用由第二陶瓷材料形成的陶瓷外壳涂布所述陶瓷芯-壳模具和所述盖或塞的至少一部分；以及将熔融金属浇注到所述第一腔中。
在另一实施例中，公开一种陶瓷铸模。所述陶瓷铸模包括：陶瓷芯部分；第一陶瓷壳部分；陶瓷盖；以及第二陶瓷壳部分，其至少部分地覆盖所述第一陶瓷壳部分和所述陶瓷盖。所述陶瓷铸模另外包括：所述陶瓷芯部分与所述第一陶瓷壳部分之间的至少一个腔，所述腔适于在铸造和移除所述陶瓷铸模时限定铸造部件的形状。所述模具另外包括接合陶瓷芯部分与第一陶瓷壳部分的多个丝，其中每个丝横跨于陶瓷芯与第一陶瓷壳部分之间，所述丝适于限定多个孔，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流通。
技术方案1.一种制造陶瓷铸模的方法，包括以下步骤：
(a)将至少一个蜡部件连接到陶瓷芯-壳模具，所述陶瓷芯-壳模具包括：
过滤器、芯部分、壳部分和所述芯部分与所述壳部分之间的至少一个第一腔；
(b)利用第二陶瓷材料涂布所述陶瓷芯-壳模具和所述蜡部件的至少一部分；以及
(c)移除所述蜡部件以形成与所述第一腔流体连通的至少第二腔。
技术方案2.根据技术方案1所述的制造陶瓷铸模的方法，其中，所述蜡部件连接到所述过滤器。
技术方案3.根据技术方案1所述的制造陶瓷铸模的方法，其中，所述蜡部件包括多个蜡浇口部件。
技术方案4.根据技术方案1所述的制造陶瓷铸模的方法，其中，所述芯-壳模具通过以下方式形成：
(i)使工件的固化部分与液体陶瓷光敏聚合物接触；
(ii)通过接触所述液体陶瓷光敏聚合物的窗口辐照所述液体陶瓷光敏聚合物中邻近所述固化部分的一部分；
(iii)使所述工件移离未固化液体陶瓷光敏聚合物；以及
(iv)重复步骤(i)到(iii)，直到第一陶瓷材料形成所述芯-壳陶瓷模具和过滤器。
技术方案5.根据技术方案4所述的制造陶瓷铸模的方法，其中，所述芯-壳陶瓷模具在利用第二陶瓷材料涂布所述陶瓷芯-壳模具和所述蜡部件的至少一部分之前进行热处理。
技术方案6.根据技术方案4所述的制造陶瓷铸模的方法，其中，所述陶瓷模具在所述利用第二陶瓷材料涂布所述陶瓷芯-壳模具和所述蜡部件的至少一部分之后进行热处理。
技术方案7.根据技术方案1所述的制造陶瓷铸模的方法，其中，通过将所述芯-壳陶瓷模具和蜡部件浸入陶瓷浆料中来将所述第二陶瓷材料涂布在所述芯-壳陶瓷模具和蜡部件的所述部分上。
技术方案8.根据技术方案1所述的制造陶瓷铸模的方法，其中，通过将所述芯-壳陶瓷模具和蜡部件浸入陶瓷浆料中来将所述第二陶瓷材料涂布在所述过滤器、所述芯-壳陶瓷模具和蜡部件的所述部分上。
技术方案9.根据技术方案1所述的制造陶瓷铸模的方法，其中，所述过滤器包括开口，其中所述开口包括所述过滤器的总容积的至少60％到至少90％。
技术方案10.一种制备铸造部件的方法，包括：
(a)将蜡部件连接到陶瓷芯-壳模具，其中所述芯-壳模具包括至少一过滤器以及陶瓷芯与陶瓷壳之间的第一开口；
(b)利用由第二陶瓷材料形成的陶瓷外壳涂布所述陶瓷芯-壳模具和所述蜡部件的至少一部分；
(c)移除所述蜡部件以形成与所述第一开口流体连通的至少第二开口。
技术方案11.根据技术方案10所述的制备铸造部件的方法，其中，另外包括以下步骤：
将熔融金属提供到所述第二开口中且通过所述过滤器进入所述第一开口。
技术方案12.根据技术方案10所述的制备铸造部件的方法，其中，所述蜡部件连接到所述过滤器。
技术方案13.根据技术方案10所述的制备铸造部件的方法，其中，所述蜡部件包括多个蜡浇口部件。
技术方案14.根据技术方案10所述的制备铸造部件的方法，其中，所述过滤器位于所述第一开口与所述第二开口之间，且与所述第一开口和所述第二开口流体连通。
技术方案15.根据技术方案10所述的制备铸造部件的方法，其中，所述过滤器包括开口，其中所述开口包括所述过滤器的总容积的至少60％到至少90％。
技术方案16.根据技术方案10所述的制备铸造部件的方法，其中，所述第一开口的至少一部分适于在铸造和移除至少所述芯-壳模具时限定所述铸造部件的形状，其中所述芯-壳模具另外包括接合所述陶瓷芯部分与所述陶瓷壳部分的多个丝，其中每个丝横跨于所述芯与壳之间，其中所述丝适于在移除所述芯-壳模具时在所述铸造部件中限定多个孔；以及
通过由所述丝提供于所述铸造部件中的所述孔沥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。
技术方案17.根据技术方案10所述的制备铸造部件的方法，其中，所述芯-壳部分由第一陶瓷材料形成，所述第一陶瓷材料具有与所述第二陶瓷材料不同的溶解度、传热系数或孔隙度。
技术方案18.根据技术方案10所述的制备铸造部件的方法，其中，通过将所述芯-壳陶瓷模具和蜡部件浸入陶瓷浆料中来将所述第二陶瓷材料涂布在所述过滤器、所述芯-壳陶瓷模具和蜡部件的一部分上。
技术方案19.一种陶瓷铸模，包括：
陶瓷过滤器、芯部分、第一陶瓷壳部分和至少部分地覆盖所述第一陶瓷壳部分的第二陶瓷壳部分，其中所述陶瓷铸模另外包括：所述陶瓷芯部分与所述第一陶瓷壳部分之间的至少一个腔，所述腔适于在铸造和移除所述陶瓷铸模时限定铸造部件的形状，其中所述模具另外包括接合所述陶瓷芯部分与所述第一陶瓷壳部分的多个丝，其中每个丝横跨于所述陶瓷芯与第一陶瓷壳部分之间，所述丝适于限定多个孔，从而在移除所述模具后提供所述铸造部件内由所述陶瓷芯部分限定的腔与所述铸造部件外表面之间的流体流通。
技术方案20.根据技术方案19所述的陶瓷铸模，其中，通过将所述第一陶瓷壳和蜡部件浸入浆料中来将第二陶瓷材料添加到所述第一陶瓷壳部分和连接到所述第一陶瓷壳部分的蜡浇口部件。
附图说明
并入本说明书中且构成其一部分的附图示出本公开的一个或多个实例方面，且连同具体实施方式一起用于解释各方面原理和实施方案。
图1是示出常规熔模铸造法步骤的流程图；
图2是示出附接到用于熔模铸造涡轮叶片的蜡树结构的常规蜡模(wax pattern)的示意图；
图3是示出在已移除蜡之后图2的常规陶瓷模具的示意图；
图4是示出在将熔融金属浇注到模具中之后图2的常规陶瓷模具的示意图；
图5示出具有连接芯与壳部分的连接件(tie)的现有技术一体化芯-壳模具的透视图。
图6到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横向截面图；
图10示出沿着图9的线A-A的示意性截面图；
图11示出具有连接芯与壳部分的丝的一体化芯-壳模具的横截面图；
图12是示出根据本发明的一个方面的铸造工艺的流程图；
图13示出根据本发明的实施例的一体化芯-壳模具的横截面侧视图；
图14示出根据本发明的实施例的具有外陶瓷层的一体化芯-壳模具的横截面侧视图；
图15示出根据本发明的实施例的超合金填充一体化芯-壳模具的横截面侧视图；
图16示出使用图14和15的模具产生的涡轮叶片；
图17示出根据本发明的另一方面的具有一体化过滤器和连接一体化模具的芯与壳部分的丝的一体化芯-壳模具的示意性侧视图；
图18示出根据本发明的一个实施例的具有外陶瓷层的图17的横截面侧视图。
图19示出根据本发明的实施例的包括从芯延伸到壳的丝的两件式整体芯-壳模具的横截面侧视图；
图20示出根据本发明的实施例的图19的且涂覆有外陶瓷涂层的组装两件式整体芯-壳模具的横截面侧视图；
图21示出根据本发明的实施例的包括从芯延伸到壳的丝的两件式整体芯-壳模具的横截面侧视图；
图22示出根据本发明的实施例的图21的且涂覆有外陶瓷涂层的组装两件式整体芯-壳模具的横截面侧视图；
图23示出根据本发明的一个实施例的具有开口和塞的整体芯-壳模具的横截面侧视图；
图24示出根据本发明的一个实施例的图23的且安装有塞的整体芯-壳模具的横截面侧视图；
图25示出根据本发明的实施例的图24的且具有外陶瓷壳的整体芯-壳模具的横截面侧视图；
图26示出根据本发明的实施例的图26的且已移除塞的整体芯-壳模具的横截面图；
图27示出根据本发明的实施例的具有开口和陶瓷盖板的一体化芯-壳模具的横截面图；
图28示出图27的且安装有陶瓷盖板以覆盖开口的一体化芯-壳模具的横截面图；
图29示出根据本发明的实施例的图28的且具有外陶瓷壳的一体化芯-壳模具的横截面图。
具体实施方式
虽然已结合上文概述的实例方面描述本文所描述的各方面，但无论是否已知或当前未预见到或可能未预见到，各种替代方案、修改、变化、改进和/或实质性等同物至少对于所属领域的一般技术人员来说均可变得显而易见。因此，如上文所阐述的实例方面旨在说明而非限制。可在不脱离本公开的精神和范围的情况下进行各种改变。因此，本公开旨在涵盖所有已知或稍后开发的替代方案、修改、变化、改进和/或实质性等同物。
举例来说，本发明提供一种优选方法来制造铸造金属部件，且优选的是用在喷气式航空发动机的制造中的那些铸造金属部件。具体地说，可根据本发明有利地进行涡轮叶片、轮叶、燃烧器、燃料喷嘴和防护罩部件等单晶、镍基超合金铸造部件的生产。然而，可使用本发明的技术和一体化陶瓷模具制备其它铸造金属部件。
应认识到，已知的用于制造一体化芯-壳模具的现有工艺缺乏打印丝所必要的高分辨率能力，所述丝延伸于模具的芯与壳部分之间且具有充分小的尺寸和量以在成品涡轮叶片中产生泄流冷却孔。因此，可使用直射光处理(DLP)来制造芯-壳模具。DLP与较传统的粉末床和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，所述窗口将光投射于随着工艺的实施而升高的构建平台上。通过DLP，一整层固化聚合物同时产生，且消除了使用激光扫描模的需要。此外，底层窗口与构建的对象的最后一个固化层之间发生聚合反应。底层窗口提供支撑，从而允许在无需单独的支撑结构的情况下产生材料细丝。换句话说，桥接构建对象的两个部分的材料细丝很难产生，且通常在现有技术中予以避免。举例来说，上文在本申请的背景技术部分中论述的'151专利使用与短柱体连接的竖直板结构，所述短柱体的长度约为其直径。由于'151专利中公开的粉末床和SLA技术需要竖直支撑的陶瓷结构且所述技术不能可靠地产生丝的情况，因此交错的竖直腔是必要的。举例来说，圆形冷却孔一般具有对应于低于3.2mm2的冷却孔面积的小于2mm的直径。由于需要从若干体素产生所述孔，因此此类尺寸的孔的产生需要远低于实际孔大小的分辨率。此分辨率在粉末床工艺中根本无法获得。类似地，归因于缺乏支撑以及与激光散射相关联的分辨率问题，立体光刻产生此类丝的能力受到限制。但DLP使丝的整个长度曝光且将其支撑于窗口与构建板之间的情况能实现产生横跨芯与壳之间的整个长度的充分细的丝以形成具有所要冷却孔模的陶瓷对象。尽管粉末床和SLA可用于产生丝，但如上文所论述，其产生充分细(fine)的丝的能力受到限制。
一种合适的DLP工艺公开于转让给Ivoclar Vivadent公司和维也纳技术大学(Technische Universitat Wien)的第9,079,357号美国专利以及WO 2010/045950 A1和US2011310370中，其中的每一个以引用的方式并入本文中且在下文参考图6到10进行论述。举例来说，参考图6到10，根据本发明的示范性实施例，一种设备包括槽404，所述槽具有覆盖曝光单元410的至少一部分的至少一个半透明底部406。曝光单元410可包括例如光源和调节器，可在控制单元的控制下利用所述调节器对强度进行位置选择性调整，以便在槽底部406上产生具有当前待形成的层所要的几何形状的曝光场。作为替代方案，曝光单元410中可使用激光，其光束借助由控制单元控制的移动镜以所要强度模式连续扫描曝光场。
与曝光单元410相对，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，使得其以高度可调整方式保持在槽底部406上方、曝光单元410上方区域中。产生平台412同样可以是透明或半透明的，以使光可通过例如在产生平台412上方的另一曝光单元照入，其照入方式使得至少当在产生平台412的下侧形成第一层时，所述第一层还可从上方曝光，使得首先在产生平台上固化的层更加可靠地粘附到所述产生平台上。
槽404含有高黏性光可聚合材料420填充物。所述填充物的料位(material level)比预期限定用于位置选择性曝光的层的厚度高许多。为了限定一层光可聚合材料，采用以下过程。产生平台412通过提升机构以受控方式降低，使得(在第一曝光步骤之前)其下侧浸没在光可聚合材料420填充物中且接近槽底部406，接近的程度使得所要层厚度Δ(参看图7)正好保持在产生平台412的下侧与槽底部406之间。在此浸没工艺期间，使光可聚合材料从产生平台412的下侧与槽底部406之间的间隙移位。在已设定层厚度Δ之后，对此层执行所要位置选择性层曝光以便使其固化为所要形状。确切地说，当形成第一层时，还可通过透明或半透明产生平台412发生上方的曝光，使得尤其在产生平台412的下侧与光可聚合材料之间的接触区域中发生可靠和完整的固化，且因此确保第一层很好地粘合到产生平台412。在已形成所述层之后，产生平台412借助提升机构再次升高。
这些步骤随后重复若干次，最后形成的层422的下侧到槽底部406的距离分别设定成所要层厚度Δ，且其上紧接的层以所要方式进行位置选择性固化。
在曝光步骤后升高产生平台412之后，如图6中指示在曝光区中存在材料不足。这是因为在固化设定有厚度Δ的层之后，此层材料已固化且随着产生平台412以及其上已形成的成形体的部分而升高。已形成的成形体部分的下侧与槽底部406之间因此缺失的光可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，由于材料的高黏度，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，使得此处可能保持材料凹陷或“洞”。
为了用光可聚合材料补充曝光区，细长混合元件432移动穿过槽404中的光可聚合材料420填充物。在图6到8中表示的示范性实施例中，混合元件432包括例如在支撑臂430之间张紧的细长线材(未示出)，所述支撑臂以可移动方式安装在槽404的侧壁上。支撑臂430可以可移动方式安装在槽404的侧壁中的导槽434中，使得通过移动导槽434中的支撑臂430，张紧于支撑臂430之间的线材能够相对于槽404平行于槽底部406移动。细长混合元件432具有外形尺寸，且相对于槽底部406导引其移动，使得细长混合元件432的上边缘保持高于槽中曝光区外部的光可聚合材料420填充物的料位。如在图8的截面图中可见，混合元件432在线材的整个长度上低于槽中的料位，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，同时进行少量向上移动。图9中示出混合元件432从图8中所示的位置在例如由箭头A指示的方向上移动到新位置。已发现，通过对槽中的光可聚合材料进行此类动作，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通过产生平台412与曝光单元410之间的曝光区的所要移动。如图8中所示，槽底部406在两侧具有凹陷406'。支撑臂430伸出且其下端进入这些凹陷406'中。这使得细长混合元件432有可能在不干扰支撑臂430下端移动通过槽底部406的情况下保持在槽底部406的高度处。
DLP的其它替代方法可用于制备本发明的一体化芯-壳模具。举例来说，所述槽可定位在可旋转平台上。当在连续构建步骤之间使工件从黏性聚合物撤离时，所述槽可相对于平台和光源旋转以提供新鲜的黏稠聚合物层，构建平台浸渍于其中以构建连续层。此外，所述一体化芯-壳模具可使用所属领域中任何已知的方法来形成。
图11示出具有连接芯部分500与壳部分501的丝502的一体化芯-壳模具的示意性侧视图。通过使用上文DLP打印工艺打印陶瓷模具，可以允许通过丝502提供芯与壳之间的连接点的方式来制造所述模具。一旦打印了芯-壳模具，其就可进行后热处理步骤以固化打印的陶瓷聚合材料。接着，类似于用于产生超合金涡轮叶片、轮叶或防护罩的传统铸造工艺，可使用固化的陶瓷模具。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泄流冷却孔模，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，保留将尖端气室芯504连接到芯500的尖端销505，且壳部分501与尖端气室芯504之间存在空隙503。在移除陶瓷模具之后，芯500与尖端气室芯504之间存在可随后钎焊封闭的尖端孔。然而，可免除尖端销505，从而避免需要钎焊封闭将芯腔与尖端气室连接的尖端孔。
优选的是，丝502是圆柱形或卵形形状，但也可以是弯曲或非线性的。其确切尺寸可根据具体铸造金属部分的所要薄膜冷却方案而变化。举例来说，冷却孔可具有范围从0.01到2mm2的横截面面积。在涡轮叶片中，所述横截面面积的范围可从0.01到0.15mm2，更优选地从0.05到0.1mm2，并且最优选约为0.07mm2。在轮叶或防护罩的情况中，冷却孔可具有范围从0.05到0.2mm2、更优选地0.1到0.18mm2并且最优选地约为0.16mm2的横截面面积。冷却孔的间隔通常是冷却孔的直径的倍数，范围从冷却孔直径的2倍到10倍，最优选地约为孔的直径的4到7倍。
丝502的长度由涡轮叶片或定子轮叶壁厚等铸造部件厚度以及冷却孔相对于铸造部件表面的安置角度决定。典型长度范围从0.5到5mm，更优选地在0.7到1mm之间，并且最优选约为0.9mm。冷却孔相对于所述表面安置的角度大约为5到35°，更优选地在10到20°之间，并且最优选大约为12°。应了解，根据本发明的铸造方法允许形成具有比当前使用常规加工技术可获得的相对于铸造部件表面的角度小的角度的冷却孔。
如图12中所示，与上文在背景技术部分论述的典型熔模铸造法相比，通过使用DLP工艺或用以形成陶瓷芯-壳模具的任何其它增材制造方法，部件的制造需要显著更少的步骤。根据本发明的实施例，图12示出利用增材制造形成陶瓷模具和芯601、制备蜡组件602、将芯-壳模具浸入陶瓷浆料中603、干燥浆料604、脱蜡和/或烧焙工艺605以及铸造和沥出陶瓷材料606的步骤。可了解到，将芯-壳模具浸入陶瓷浆料中603和干燥浆料604的步骤可如图12中所示进行重复。形成模具的上述工艺可包括使用DLP工艺形成陶瓷模具和芯，使得所述模具形成为芯-壳结构且由第一光可聚合陶瓷材料形成。一旦形成模具，所述模具就可与若干模具结合和/或可添加有蜡部分602，所述蜡部分将形成用于熔融材料的流动路径。芯-壳模具和先前添加的任何额外蜡结构可接着进行浸渍或涂布工艺603以在芯-壳模具的壳的外表面上和添加的任何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干燥浆料604。如上文所提及，可重复步骤603和604。接着，芯-壳模具和外陶瓷壳可进行脱蜡和/或烧焙工艺605以移除蜡和/或烧结形成所述模具的陶瓷材料。可了解到，如果步骤601中的陶瓷模具和芯被制成最终模具形状且准备好浇注(pouring)，那么可以省略步骤602、603、604和605。可接着将熔融超合金浇注到模具中。一旦超合金固化，就可通过沥出陶瓷材料和/或通过机械移除(例如敲掉)模具来移除芯-壳模具和外壳。
图13示出根据本发明的实施例的一体化芯-壳模具的侧视图。如图13中所示，芯1000通过若干丝1002连接到壳1001。芯1000和壳1001形成芯-壳模具，所述芯-壳模具限定用于熔模铸造涡轮叶片的腔1003。芯-壳模具可连接到蜡浇口结构，其可包括蜡管1009、1007和/或蜡塞1008和/或最终铸造制品的任何选定部分中的任一个。芯-壳模具可包括与芯-壳模具的内腔1003流体连通的通路1006。通路1006可具有附接到芯-壳模具的多个蜡浇口部分1009、1007。孔1006或多个孔可与腔1003的一部分整合。一旦形成芯-壳模具且任何蜡浇口结构已连接到芯-壳模具，则如图14中所示在芯-壳模具和蜡浇口结构的外表面上形成外陶瓷层1004。可通过将芯-壳模具浸入陶瓷浆料中来形成外陶瓷层1004。外陶瓷层1004可另外形成为单个层，所述单个层通过将芯-壳模具和/或浇口部分浸入陶瓷浆料中、使浆料干燥且将芯-壳模具浸入相同的陶瓷浆料和/或不同类型的浆料中以在芯-壳模具上形成外壳来形成。此外，可将耐火晶粒筛撒到层之间的浆料涂层上。应注意，可替代或结合上文所提及的浸渍工艺来使用形成陶瓷涂层的其它形式。举例来说，可将陶瓷和/或其它材料喷洒到芯-壳上。举例来说，上文所提到的浆料可包括胶态二氧化硅和陶瓷粉(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(mesh)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-壳上形成必要的外层，就可烧焙模具以烧结材料；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1007-1009。一旦移除蜡浇口部分，形成由蜡浇口部分的外表面上形成的外陶瓷壳1004限定的至少第二通道。对应于蜡浇口部分1007-1009的通道形成可与芯-壳模具的内腔1003流体连通的腔。此外，陶瓷层1004可为芯-壳模具提供结构质量，且可充当用于增大包覆的芯-壳模具的耐久性的加强件，且可提高模具的热特性。
图15示出如图13和14中所示的填充有金属1005的腔1003，所述金属例如镍基合金，例如，Inconel。一旦所述金属硬化，则可沥滤出陶瓷芯和/或壳。在沥出陶瓷芯-壳后，所得铸造对象为在叶片的表面中具有冷却孔模(cooling hole pattern)的涡轮叶片。应了解，尽管图11、13到18提供示出涡轮叶片前后缘处的冷却孔的横截面图，但可在所要之处提供额外的冷却孔，包括涡轮叶片的侧边或所要的任何其它位置。确切地说，本发明可用于在任何特定设计中在铸造工艺内形成冷却孔。换句话说，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，本发明的实施例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。图16示出在已通过沥出和/或机械方法移除陶瓷芯-壳后的铸造涡轮叶片1100的横截面。涡轮叶片1100包括将叶片表面连接到叶片1100的中空芯1103的冷却孔1101、1102。
图17示出根据本公开的另一方面的一体化芯-壳模具的示意性侧视图，其中丝902连接所述一体化芯-壳模具的芯部分900与壳部分901。此外，芯壳模具可包括至少部分地由芯-壳模具的芯部分900和壳部分901限定的腔913。一旦添加和固化熔融金属，腔913便可最终限定部件的结构。通过使用上文所提到的DLP打印工艺打印陶瓷模具，能够以允许通过丝902提供芯与壳之间的连接以形成成品部件中的冷却孔的方式来制造所述模具。此外，一旦完成铸造，所述丝就可用于从部件的中心沥出陶瓷芯900。一旦打印了芯-壳模具，其就可进行后热处理步骤以固化打印的陶瓷聚合材料。如图17中所示，在固化芯-壳模具之前或之后，由例如蜡形成的牺牲性浇口部件(sacrificial gate component)可连接到芯-壳模具。所述浇口部件可包括多个蜡条或管909、907，和/或可包括塞903和/或适配件908以连接到过滤器905。此外，如下文所论述，过滤器905可使用增材制造技术(例如DLP)形成，且可与芯-壳模具一起形成为单个结构或可单独形成且添加到所述芯-壳模具。
在浇口部件添加到芯-壳模具之后，可在芯-壳模具的外表面和/或浇口结构和/或过滤器905上形成外陶瓷层910。如图18中所示，外陶瓷层910可通过将芯-壳模具901、900、浇口部件907-909和/或过滤器905浸入陶瓷浆料中而形成。外陶瓷层910可另外形成为单个层，所述单个层通过将芯-壳模具浸入陶瓷浆料中、使芯-壳上的浆料涂层干燥且将芯-壳模具浸入相同的陶瓷浆料和/或不同类型的浆料中以在芯-壳模具上形成外壳来形成。此外，可将耐火晶粒筛撒或添加到层之间的浆料涂层上。应注意，可替代或结合上文所提及的浸渍工艺来使用形成陶瓷涂层的其它方法。举例来说，可将陶瓷和/或其它材料喷洒到芯-壳上。举例来说，上文所提到的浆料可包括胶态二氧化硅和陶瓷粉(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-壳上形成必要的外层，就可烧焙模具以烧结材料；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中所示，一旦在芯-壳模具的外表面901、浇口部分907-909和/或过滤器905上形成外陶瓷层910，就可移除浇口部分。浇口部分907-909可通过熔融形成浇口部件的材料(例如蜡)移除和/或可通过化学移除工艺移除。
如图17和18中所示，提供可与模具整合的蜡浇口部件903和过滤器905以用于使液体金属流入一体化模具中。如图17和18中所示，在液体金属的流动路径内提供一体化过滤器905。如上文所提及，过滤器可与芯-壳模具一起形成为单式结构，或可在外涂层910涂覆于芯-壳模具之前单独附接。还应注意，蜡浇口部件903可包括附接到陶瓷芯-壳901的蜡和/或塑料管部分。因此，当外陶瓷层910添加到芯-壳且蜡浇口部件被移除时，通过外陶瓷层形成具有相当于蜡浇口部件903的外表面几何形状的内表面几何形状的通道，且因此没必要通过DLP工艺形成蜡浇口部件903。此外，应注意，可使用上文所提到的DLP工艺连接和形成过滤器905以便与芯-壳模具901成为单个结构。接着可在添加外陶瓷层910之前将蜡和或塑料管连接到过滤器905。蜡和/或塑料管可另外连接到蜡和/或塑料适配件部分908，所述适配件部分提供过滤器与蜡和/或塑料管之间的接口。
如图17到18中所示的陶瓷过滤器905被调适用于在熔融金属浇注到模具中时过滤熔融金属。上文所描述的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。根据本发明的实施例所用的过滤器的具体几何形状可取决于待使用的金属的特性和成品的设计需求。可使用常规陶瓷过滤器的几何形状。优选的是，过滤器具有圆柱形形状，其中圆柱的高度小于过滤器的直径。优选的是，陶瓷过滤器包括入口表面和出口表面以及开口，其提供用于液体金属从入口表面传递通过过滤器且接着通过出口表面的路径。优选的是，开口可包括陶瓷过滤器总容积的至少60％到至少约90％。更优选地，开口可包括陶瓷过滤器总容积的至少70％到至少约85％。
此外，还可提供例如通口(未示出)以用于在热处理和/或金属添加之前清理所述一体化芯-壳模具。在通过DLP打印陶瓷模具之后，模具部分或过滤器部分内可能存在未固化的树脂。举例来说，可提供所述通口以允许使用溶剂流动路径来移除任何蜡或未固化的树脂。必要时，可在管部分或芯-壳模具部分中提供若干清理通口。应注意，可使用封闭所述通口的任何方法。举例来说，在一个方面，清理通口仅仅是管或模具部分中可随后在固化模具之前在执行溶剂清理步骤之后利用陶瓷材料填补的孔。
丝902可为圆柱形或卵形形状，但可以是弯曲或非线性的。其确切尺寸可根据具体铸造金属部分的所要薄膜冷却和/或孔冷却方案而变化。举例来说，冷却孔可具有范围从0.01到2mm2的横截面面积。在涡轮叶片中，所述横截面面积的范围可从0.01到0.15mm2，更优选地从0.05到0.1mm2，并且最优选约为0.07mm2。在轮叶或防护罩的情况中，冷却孔可具有范围从0.05到0.2mm2、更优选地0.1到0.18mm2并且最优选地约为0.16mm2的横截面面积。冷却孔的间隔通常是冷却孔的直径的倍数，范围从冷却孔直径的2倍到10倍，最优选地约为孔的直径的4到7倍。
丝902的长度由涡轮叶片或定子轮叶壁厚等铸造部件厚度以及冷却孔相对于铸造部件表面的安置角度决定。典型长度范围从0.5到5mm，更优选地在0.7到1mm之间，并且最优选约为0.9mm。冷却孔相对于所述表面安置的角度大约为5到35°，更优选地在10到20°之间，并且最优选大约为12°。应了解，根据本发明的铸造方法允许形成具有比当前使用常规加工技术可获得的相对于铸造部件表面的角度更小的角度的冷却孔。
根据另一方面，可仅仅提供丝以在金属浇注到模具中时将陶瓷芯900保持在适当位置。作为替代方案或结合实心芯，图17和18中所示的芯还可形成为中空芯。通过上文所提到的工艺形成中空芯的一个优势在于，其减小在金属铸造之后移除芯所必要的沥出程度。举例来说，在另一方面，芯和连接丝均可为中空的，从而允许在铸造之后快速沥出陶瓷模具材料。
在沥出陶瓷芯-壳后，所得铸造对象可以是在叶片的表面中具有冷却孔模的涡轮叶片。应了解，尽管图13到18提供示出涡轮叶片前后缘处的冷却孔的横截面图，但可在所要之处提供额外的冷却孔，包括涡轮叶片的侧边或所要的任何其它位置。确切地说，本发明可用于在任何特定设计中在铸造工艺内形成冷却孔。换句话说，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，本发明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(cooling holepatterns)。如上所指出，所述丝可用于在铸造期间将芯保持在适当位置。在这种情况下，可使用钎焊或等效操作来封闭表面中由所述丝提供的孔。
图19示出根据本发明的实施例的包括从芯延伸到壳的丝的两件式整体芯-壳模具的横截面侧视图。如图19中所示，实例两件式芯-壳组件1500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的第二壳部分1504。附接机构1507到1508可另外包括允许附接机构1507和1508以所要精度接合的任何结构界面。本公开可用的可能的结构界面的实例公开于标题为“用于制造铸造部件的多件式一体化芯-壳结构(MULTI-PIECE INTEGRATED CORE-SHELL STRUCTURE FOR MAKING CAST COMPONENT)”、代理人案号037216.00033/284909且于2016年12月13日申请的美国专利申请第15/377,796号中。就其公开可与本文公开的芯-壳模具结合使用的芯-壳模具和制造方法的额外方面来说，上文所提到的申请的公开内容全文并入本文中。
第一芯部分1501和第一壳部分1502通过丝1505连接在一起。第二芯部分1503和第二壳部分1504通过丝1506连接在一起。在芯-壳模具内浇铸金属且沥出丝(1505、1506)之后，丝(1505、1506)限定铸造涡轮叶片的冷却孔模。如上文所描述，优选的是，使用结合图6到10所描述以及上文所论述的DLP工艺来形成这些结构。通过使用上文所提到的DLP打印工艺打印陶瓷模具，可以允许通过丝1505和/或1506提供芯与壳之间的连接点的方式来制造所述模具。一旦打印了芯-壳模具，就可对其进行检查，且可接合附接机构1507-1512。附接机构可使用胶粘剂进行附接，或可仅仅通过机构之间的界面附接(例如滑动配合或干涉配合)。此外，可使用夹持机构、带或将陶瓷模具的两个半部保持在一起的某一其它已知方法来将两个半部保持在一起。另外，取决于所述部分的制造或设计的需要，模具可由多于两个片件形成。
图20示出根据本发明的实施例的图19的且涂覆有外陶瓷涂层的组装两件式整体芯-壳模具的横截面侧视图。如图20中所示，一旦芯-壳组件1500通过附接机构成型，就可在壳1502和/或1504上形成外陶瓷层1510。应注意，可特意使壳1502和1504形成得比铸造工艺所期望的薄，且形成外陶瓷层1510以增加模具的结构稳定性和/或使两个芯-壳模具半部保持在一起。此外，如下文所论述，可形成外陶瓷层和内芯-壳模具以优化模具的热传导特性(例如用于通过控制模具的热传导特性来调适浇铸的超合金的微结构)。外陶瓷层1510可形成为多个层，所述多个层通过将芯-壳模具浸入陶瓷浆料中、使芯-壳上的浆料涂层干燥且将芯-壳模具浸入相同的陶瓷浆料和/或不同类型的浆料中以在芯-壳模具(1502和/或1504)上形成外壳来形成。此外，可将耐火晶粒筛撒或添加到层之间的浆料涂层上。应注意，可替代或结合上文所提及的浸渍工艺来使用形成陶瓷涂层的其它形式。举例来说，可将陶瓷和/或其它材料喷洒到芯-壳上。举例来说，上文所提到的浆料可包括胶态二氧化硅和陶瓷粉(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-壳模具结构之后以及在外陶瓷层1510形成于芯壳模具(1502和/或1504)的表面上之前和/或之后，芯-壳模具和/或外陶瓷层1510可根据陶瓷芯光敏聚合物材料和/或外陶瓷芯材料的需求进行固化和/或烧焙。可接着将熔融金属浇注到模具中以形成具有由一体化芯-壳模具提供的形状和特征的铸造对象。
如上文所提及，丝1505和1506优选为圆柱形或卵形形状，但可以是弯曲或非线性的。其确切尺寸可根据具体铸造金属部分的所要薄膜冷却方案而变化。举例来说，冷却孔可具有范围从0.01到2mm2的横截面面积。在涡轮叶片中，所述横截面面积的范围可从0.01到0.15mm2，更优选地从0.05到0.1mm2，并且最优选约为0.07mm2。在轮叶或防护罩的情况中，冷却孔可具有范围从0.05到0.2mm2、更优选地0.1到0.18mm2并且最优选地约为0.16mm2的横截面面积。冷却孔的间隔通常是冷却孔的直径的倍数，范围从冷却孔直径的2倍到10倍，最优选地约为冷却孔的直径的4到7倍。
丝1505和/或1506的长度由涡轮叶片或定子轮叶壁厚等铸造部件厚度以及冷却孔相对于铸造部件表面的安置角度决定。典型长度范围从0.5到5mm，更优选地在0.7到1mm之间，并且最优选约为0.9mm。冷却孔相对于所述表面安置的角度大约为5到35°，更优选地在10到20°之间，并且最优选大约为12°。应了解，根据根据本发明的实施例的铸造方法允许形成具有比当前使用常规加工技术可获得的相对于铸造部件表面的角度更小的角度的冷却孔。
图21示出根据本发明的实施例的一体化芯-壳模具1600的侧视图。如图21中所示，第一芯部分1601通过若干丝1605连接到第一壳部分1602。同样地，第二芯部分1603通过若干丝1606连接到11604。第一芯部分1601和第一壳部分1602可通过附接机构1608、1609、1610和1611附接到第二芯部分1602和第二壳部分1604以形成完整的芯-壳模具组件1600。附接机构1608到1611可另外包括允许附接机构1608到1611以所要精度接合的任何结构界面。另外，取决于所述部分的制造或设计的需要，组装的芯-壳模具可由多于两个片件形成。组装的芯-壳模具1600限定用于熔模铸造涡轮叶片的腔1607。
图22示出根据本发明的实施例的图21的且涂覆有外陶瓷涂层的组装两件式整体芯-壳模具的横截面侧视图。如图22中所示，一旦芯-壳组件1600通过上文提及和参考的附接机构成型，就可在壳1602和/或1604上形成外陶瓷层1611。应注意，可特意使壳1602和1604形成得比铸造工艺所期望的薄，且形成外陶瓷层1611以增加模具的结构稳定性和/或使两个芯-壳模具半部保持在一起。此外，如下文所论述，可形成外陶瓷层和内芯-壳模具以优化模具的热传导特性(例如用于通过控制模具的热传导特性来调适浇铸的超合金的微结构)。外陶瓷层1611可形成为多个层，所述多个层通过将芯-壳模具浸入陶瓷浆料中、使芯-壳上的浆料涂层干燥且将芯-壳模具浸入相同的陶瓷浆料和/或不同类型的浆料中以在芯-壳模具1602和/或1604上形成外壳来形成。此外，可将耐火晶粒筛撒或添加到层之间的浆料涂层上。应注意，可替代或结合上文所提及的浸渍工艺来使用形成陶瓷涂层的其它形式。举例来说，可将陶瓷和/或其它材料喷洒到芯-壳上。举例来说，上文所提到的浆料可包括胶态二氧化硅和陶瓷粉(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-壳模具结构之后以及在外陶瓷层1611形成于芯壳模具1602和/或1604的表面上之前和/或之后，芯-壳模具和/或外陶瓷层1610可根据陶瓷芯光敏聚合物材料和/或外陶瓷芯材料的需求进行固化和/或烧焙。可将熔融金属浇注到模具中以形成具有由一体化芯-壳模具提供的形状和特征的铸造对象。
图22进一步示出腔1607，其表示芯1601与壳1602、1604之间待用金属(其实例在图15示出为附图标记1005)填充的空隙，所述金属例如镍基合金，即，Inconel。在沥出陶瓷芯-壳后，所得铸造对象是在叶片、轮叶或防护罩的表面中具有冷却孔模的涡轮叶片、定子轮叶或防护罩。应了解，尽管图示出的横截面图示出涡轮叶片前后缘处的冷却孔，但可在所要之处提供额外的冷却孔，包括涡轮叶片的侧边或所要的任何其它位置。确切地说，本发明可用于在任何特定设计中在铸造工艺内形成冷却孔。换句话说，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，本发明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。在沥出之后，涡轮叶片或定子轮叶中因芯打印丝所产生的孔可在必要时钎焊封闭。另外，芯打印丝所产生的孔可并入内部冷却通道的设计中。或者，可提供足够量的冷却孔丝来将尖端气室芯连接到壳以在金属铸造步骤期间将尖端气室芯保持在适当位置。
任何以上提及的方法可进一步用于优化模具的材料特性。举例来说，可优化外陶瓷层(例如910、1004、1510、1611)的孔隙度，以便控制通过芯-壳模具和外陶瓷层的热的传导。举例来说，可能需要在对模具内金属的固化期间通过芯-壳的热传导无显著影响的情况下提高芯-壳的结构刚度；因此，具有某一孔隙度的陶瓷材料可用于改善通过层的热对流。此外，外陶瓷层可由具有高导热率的材料形成和/或可作为较薄层提供，以便增大热传递速率且减小固化模具内的金属所需的时间量。相反，可能需要减小来自模具内的金属的热传递；因此，外陶瓷层可具有高孔隙度、可以是较厚层和/或可以是具有低导热率的材料。可能另外需要控制导热率，使得冷却速率沿着模具的不同区段有所不同。举例来说，芯-壳和/或外陶瓷层的一个部分可取决于模具此部分中所要的热传导特性而形成得较厚或较薄。此策略可用于调适成品的材料特性。例如，通过控制冷却速率，在固化模具内的超合金材料时可控制晶体生长。根据另一示范性实施例，外陶瓷层可包括由具有第一导热率的陶瓷材料形成的第一部分和由具有第二导热率的陶瓷材料形成的第二部分，其中所述第一导热率和第二导热率不同。在任何上述实例中，第一部分和第二部分的导热率可变化±0.05％或更大。在另一实例中，若干外陶瓷层可由具有不同导热率的陶瓷材料形成以进一步控制模具内的金属的固化。此外，其它特征可整合到芯-壳模具和/或外陶瓷壳中以修改模具的热特性和/或结构特性。举例来说，芯-壳模具可在外壳上形成有加强肋以用于调适模具的结构特性。芯-壳模具可另外包括销等散热结构以跨越模具的整个外表面或在选定部分中改变芯-壳模具的导热率。此外，芯-壳模具的表面可具有气隙和/或层之间的较厚和较薄部分以改变成品模具的导热率和/或绝缘质量。所述气隙可遍布整个模具而提供，或可提供于其中期望减缓在模具内部金属固化期间的热传递的模具选定部分中。
图23示出根据本发明的实施例的一体化芯-壳模具的侧视图。如图23中所示，芯1700通过若干丝1702连接到壳1701。芯1700和壳1701形成芯-壳模具，其限定用于熔模铸造部件的腔1711，所述部件在此实例中是涡轮叶片。芯-壳模具可连接到可包括蜡浇口部件中的至少一个的蜡部件。蜡浇口部件可包括蜡管1709、1707和/或蜡塞1708和/或最终铸造制品的任何选定部分。芯-壳模具可包括与芯-壳模具的内腔1711流体连通的通路1706。通路1706可具有蜡部件1709，所述蜡部件可包括例如管等蜡浇口部件。孔1706或多个孔可与腔1711的一部分整合。此外，芯-壳模具可包括开口1712，所述开口可与腔1711流体连通。在以上提及的工艺期间的任一点处，塞1718可用于在利用外陶瓷层涂布芯-壳模具之前覆盖开口1712。塞1718可由蜡、塑料或其任何组合形成。此外，塞1718可使用3D打印和/或增材制造工艺形成。塞1718可具有包括成品部件外表面的所要特定几何形状的外表面，使得一旦塞涂布有外陶瓷层且被移除，则在先前由开口1712限定的区域中形成特定模具几何形状。塞1718还可包括内部几何形状1710、1716以确保在塞安装于开口1712中时且在塞的表面上形成外陶瓷壳之前正确地放置和定向所述塞。举例来说，可形成凹口1716以与芯壳模具1714的内部连接。
开口1712可用于检查和/或可包括模具中需要在制造工艺中变更或改变的一部分。举例来说，在使用相同芯-壳模具时可能需要形成具有第一外部几何形状的第一叶片涡轮叶片和具有第二外部几何形状的第二涡轮叶片。第一和/或第二外部几何结构可通过将具有第一几何形状的第一塞安装到第一芯-壳模具的开口1712中以及将具有第二几何形状的第二塞安装到第二芯-壳模具的开口1712中而形成，其中所述第一和第二芯-壳模具具有基本上相同的几何结构。还可在无须更改或形成新的陶瓷芯-壳模具的情况下基于几何形状的所要改变或更改来变更塞1718。
如图24中所示，可形成芯-壳模具且可连接任何任选蜡部件(例如1703、1706、1707和1709)，且可在形成外陶瓷层之前将塞1718安装到芯-壳模具的开口1712中。如图25中所示，可接着在芯-壳模具的外表面1701、塞1718和任何蜡部件(例如1703、1706、1707和1709)上形成外陶瓷层1704。可通过将芯-壳模具浸入陶瓷浆料中来形成外陶瓷层1704。外陶瓷层1704可另外形成为单个层，所述单个层通过将芯-壳模具、塞和/或浇口部分浸入陶瓷浆料中、使浆料干燥且将芯-壳模具浸入相同的陶瓷浆料和/或不同类型的浆料中以在芯-壳模具上形成外壳来形成。此外，可将耐火晶粒筛撒到层之间的浆料涂层上。应注意，可替代或结合上文所提及的浸渍工艺来使用形成陶瓷涂层的其它形式。举例来说，可将陶瓷和/或其它材料喷洒到芯-壳上。
举例来说，上文所提到的浆料可包括胶态二氧化硅和陶瓷粉(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-壳上形成必要的外层，就可在用以烧结芯-壳模具和/或外陶瓷层1704的材料的烧焙工艺之前或与之同时移除蜡部件(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26中所示，一旦形成外陶瓷层1704，就可通过熔融和/或化学移除工艺移除蜡部分(例如1703、1706、1707和1709)。此外，如图26中所示，在移除蜡部件1703、1706、1707和1709之前和/或之后可通过类似和/或相同工艺移除塞1718。还可在移除任何蜡部件的同时移除塞1718。对应于蜡浇口部分1703、1706、1707、1709的通道形成可与芯-壳模具的内腔1711流体连通的腔。此外，一旦移除塞，陶瓷层1704'就形成对应于开口1712且具有对应于先前放置的塞1718的外部几何形状的内部几何形状的盖/模具部分。
在形成外壳1704和1704'之后，用金属(例如图13和14中以附图标记1005所示)来填充腔1711，所述金属例如镍基合金，如Inconel。一旦所述金属硬化，则可沥滤出陶瓷芯和/或壳。在沥出陶瓷芯-壳后，所得铸造部件可以是在叶片的表面中具有冷却孔模的涡轮叶片。应了解，尽管图提供示出涡轮叶片前后缘处的冷却孔的横截面图，但可在所要之处提供额外的冷却孔，包括涡轮叶片的侧边或所要的任何其它位置。确切地说，本发明可用于在任何特定设计中在铸造工艺内形成冷却孔。换句话说，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。此外，如上文所提及，陶瓷壳部分1704'提供与先前放置的塞1718对应的模具部分且允许检查和/或修改芯-壳模具。结合以上提及的优势，塞1718允许陶瓷芯-壳模具的一部分被移除且替换为塞1718。此外，塞1718的使用可允许陶瓷壳1704'的一部分比具有壳和外壳1704的原有芯-壳的此部分薄。另外，陶瓷壳部分1704'可以是具有与芯-壳模具不同的热质量或结构质量的材料。
图27示出根据本发明的另一实施例的一体化芯-壳模具的侧视图。类似于其它上述实施例，且如图27中所示，芯1800可通过若干丝1802连接到壳1801。芯1800和壳1801形成芯-壳模具，其限定用于熔模铸造部件的腔1811，所述部件在此实例中是涡轮叶片。芯-壳模具可连接到至少一个蜡部件，其可包括蜡浇口部件中的至少一个。蜡浇口部件可包括蜡管1809、1807和/或蜡塞1808和/或最终铸造制品的任何选定部分。芯-壳模具可包括与芯-壳模具的内腔1811流体连通的通路1806。通路1806可具有蜡部件1809，所述蜡部件可包括例如管等蜡浇口部件。孔1806或多个孔可与腔1811的一部分整合。此外，芯-壳模具可包括开口1815，所述开口可与腔1811流体连通。在以上提及的工艺期间的任一点处，陶瓷盖1810可用于在利用外陶瓷层涂布芯-壳模具之前覆盖开口1815。陶瓷盖1810可由具有与芯-壳模具相同或不同特性的陶瓷形成。此外，陶瓷盖1810可使用已知3D打印和/或包括以上提及的工艺的增材制造工艺来形成。陶瓷盖1810可具有包括成品部件外表面的所要特定几何形状的内表面，使得一旦陶瓷盖安装到开口中且涂布有外陶瓷层，则在先前由开口1815限定的区域中形成特定模具几何形状。陶瓷盖1810还可包括接合部分1814和1812以确保在陶瓷盖安装于开口1815中时且在外陶瓷壳形成于陶瓷盖的表面上之前正确地放置和定向所述陶瓷盖。举例来说，如图28中所示，接合部分1812和1814可与芯-壳模具上的啮合部分1816和1817接合。应注意，以上提及的接合和啮合部分不限于所示结构；例如，可提供所述接合部分以便与提供于芯-壳模具的芯部分1800上的啮合部分接合。
开口1815可用于检查和/或可包括模具中需要在制造工艺中变更或改变的一部分。举例来说，在使用相同芯-壳模具时可能需要形成具有第一外部几何形状的第一叶片涡轮叶片和具有第二外部几何形状的第二涡轮叶片。第一和/或第二外部几何结构可通过将具有第一几何形状的第一陶瓷盖安装到第一芯-壳模具的开口1815中以及将具有第二几何形状的第二陶瓷盖安装到第二芯-壳模具的开口1815中而形成，其中所述第一和第二芯-壳模具具有基本上相同的几何结构。还可在无须更改或形成新的陶瓷芯-壳模具的情况下基于几何形状的所要改变或更改来变更陶瓷盖1810。
如图28中所示，可形成芯-壳模具且可连接任何任选蜡部件(例如1803、1806、1807和1809)，且陶瓷盖1810可在形成外陶瓷层之前安装到芯-壳模具的开口1815中。如图29中所示，可接着在芯-壳模具的外表面1801、陶瓷盖1810和任何蜡部件(例如1803、1806、1807和1809)上形成外陶瓷层1804。可通过将芯-壳模具浸入陶瓷浆料中来形成外陶瓷层1804。外陶瓷层1804可另外形成为单层和/或多层底层(substrate)，所述底层通过将芯-壳模具、陶瓷盖和/或浇口部分浸入陶瓷浆料中、使浆料干燥且将芯-壳模具浸入相同的陶瓷浆料和/或不同类型的浆料中以在芯-壳模具上形成外壳来形成。此外，可将耐火晶粒筛撒到层之间的浆料涂层上。应注意，可替代或结合上文所提及的浸渍工艺来使用形成陶瓷涂层的其它形式。举例来说，可将陶瓷和/或其它材料喷洒到芯-壳上。
举例来说，上文所提到的浆料可包括任何上述材料或所属领域中已知的材料，例如：胶态二氧化硅和陶瓷粉(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1803、1806、1807和1809)上形成必要的外层，就可在用以烧结芯-壳模具、陶瓷盖1810和/或外陶瓷层1804的材料的烧焙工艺之前或与之同时移除所述蜡部件；此后，可将任何上述金属(例如超合金)浇注到模具中。
一旦形成外陶瓷层1804，就可通过熔融和/或化学移除工艺移除蜡部分(例如1803、1806、1807和1809)。一旦移除蜡部分，对应于蜡部分1803、1806、1807、1809的通道就形成可与芯-壳模具的内腔1811流体连通的腔。此外，一旦形成外陶瓷层1804，陶瓷盖1810就成为模具的部分，其具有对应于部件的所要外部几何形状的内部几何形状。
在形成外壳1804之后，用金属(例如图13和14中以附图标记1005所示)来填充腔1811，所述金属例如镍基合金，如Inconel。一旦所述金属硬化，则可沥滤出陶瓷芯和/或壳。在沥出陶瓷芯-壳后，所得铸造部件可以是在叶片的表面中具有冷却孔模的涡轮叶片。应了解，尽管图提供示出涡轮叶片前后缘处的冷却孔的横截面图，但可在所要之处提供额外的冷却孔，包括涡轮叶片的侧边或所要的任何其它位置。确切地说，本发明可用于在任何特定设计中在铸造工艺内形成冷却孔。换句话说，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。此外，如上文所提及，陶瓷壳部分1804和陶瓷盖1810提供与安装的陶瓷盖1810对应的模具部分。如上文所提及，陶瓷盖1810可用于实现检查和/或对芯-壳模具的修改。结合以上提及的优势，陶瓷盖1810允许陶瓷芯-壳模具的一部分被移除且替换为陶瓷盖1810。此外，陶瓷盖1810的使用可允许陶瓷壳1804的一部分比具有壳和外壳1804的原有芯-壳的此部分薄。此外，陶瓷盖1810可由具有与芯-壳模具和外陶瓷壳1804不同的热质量或结构质量的材料形成。
在一方面，本发明涉及并入有或组合了以类似方式产生的其它芯-壳模具的特征的本发明的芯-壳模具结构。以下专利申请包括这各个方面和其用途的公开内容：
美国专利申请第15/377,728号，标题为“一体化铸造芯-壳结构(INTEGRATEDCASTING CORE-SHELL STRUCTURE)”，代理人案号037216.00036/284976，2016年12月13日申请；
美国专利申请第15/377,711号，标题为“带有浮动尖端气室的一体化铸造芯-壳结构(INTEGRATED CASTING CORE-SHELL STRUCTURE WITH FLOATING TIP PLENUM)”，代理人案号037216.00037/284997，2016年12月13日申请；
美国专利申请第15/377,796号，标题为“用于制造铸造部件的多件式一体化芯-壳结构(MULTI-PIECE INTEGRATED CORE-SHELL STRUCTURE FOR MAKING CAST COMPONENT)”，代理人案号037216.00033/284909，2016年12月13日申请；
美国专利申请第15/377,746号，标题为“用于制造铸造部件的带有平衡紧固件和/或保险杆的多件式一体化芯-壳结构(MULTI-PIECE INTEGRATED CORE-SHELL STRUCTUREWITH STANDOFF AND/OR BUMPER FOR MAKING CAST COMPONENT)”，代理人案号037216.00042/284909A，2016年12月13日申请；
美国专利申请第15/377,673号，标题为“用于制造铸造部件的带有打印管的一体化铸造芯壳结构(INTEGRATED CASTING CORE SHELL STRUCTURE WITH PRINTED TUBES FORMAKING CAST COMPONENT)”，代理人案号037216.00032/284917，2016年12月13日申请；
美国专利申请第15/377,787号，标题为“用于制造带有非线性孔的铸造部件的一体化铸造芯壳结构(INTEGRATED CASTING CORE SHELL STRUCTURE FOR MAKING CASTCOMPONENT WITH NON-LINEAR HOLES)”，代理人案号037216.00041/285064，2016年12月13日申请；
美国专利申请第15/377,783号，标题为“用于制造在不可接近位置具有冷却孔的铸造部件的一体化铸造芯壳结构(INTEGRATED CASTING CORE SHELL STRUCTURE FORMAKING CAST COMPONENT WITH COOLING HOLES IN INACCESSIBLE LOCATIONS)”，代理人案号037216.00055/285064A，2016年12月13日申请；
美国专利申请第15/377766号，标题为“用于制造具有细根部部件的铸造部件的一体化铸造芯壳结构(INTEGRATED CASTING CORE SHELL STRUCTURE FOR MAKING CASTCOMPONENT HAVING THIN ROOT COMPONENTS)”，代理人案号037216.00053/285064B，2016年12月13日申请。
就其公开可与本文公开的芯-壳模具结合使用的芯-壳模具和制造方法的额外方面来说，这些申请中的每一个的公开内容全文并入本文中。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括优选实施例，并且还使所属领域的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并入的方法。本发明的可获专利的范围由权利要求书界定，并且可包括所属领域的技术人员想到的其它实例。如果此类其它实例具有并非不同于权利要求书的字面措辞的结构要素，或如果它们包括与权利要求书的字面措辞无实质差异的等效结构要素，那么它们既定在权利要求范围内。来自所描述的各种实施例的方面以及每个此类方面的其它已知等效物可由所属领域的一般技术人员混合和匹配以根据本申请的原理构造出额外实施例和技术。

Claims (14)

1.一种制造陶瓷铸模的方法，包括以下步骤：
（a）将第一蜡浇口部件和第二蜡浇口部件连接到陶瓷芯-壳模具，所述陶瓷芯-壳模具包括：
过滤器、芯部分、壳部分和所述芯部分与所述壳部分之间的至少一个第一腔，其中，所述芯部分设置在所述壳部分内部，所述芯部分和所述壳部分由多个丝连接，所述壳部分的上端由蜡塞封口，所述壳部分的下端由所述过滤器封口，所述过滤器通过适配件连接至所述第一蜡浇口部件，所述蜡塞连接至所述第二蜡浇口部件；
（b）将陶瓷盖安装到所述陶瓷芯-壳模具的开口中；
（c）利用第二陶瓷材料完全地涂布所述陶瓷芯-壳模具、所述陶瓷盖和第一蜡浇口部件和第二蜡浇口部件；以及
（d）移除所述蜡塞和所述第一蜡浇口部件和第二蜡浇口部件以形成与所述第一腔流体连通的至少第二腔。
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-壳模具和过滤器通过以下方式形成：
（i）使工件与液体陶瓷光敏聚合物接触；
（ii）通过接触所述液体陶瓷光敏聚合物的窗口辐照所述液体陶瓷光敏聚合物中邻近所述工件的一部分，以使所述液体陶瓷光敏聚合物的所述部分附连到所述工件上；
（iii）使所述工件移离未固化液体陶瓷光敏聚合物；以及
（iv）重复步骤（i）到（iii），直到第一陶瓷材料形成所述陶瓷芯-壳模具和过滤器。
3.根据权利要求2所述的制造陶瓷铸模的方法，其特征在于，所述陶瓷芯-壳模具在利用第二陶瓷材料涂布所述陶瓷芯-壳模具、所述陶瓷盖和所述第一蜡浇口部件和第二蜡浇口部件之前进行热处理。
4.根据权利要求2所述的制造陶瓷铸模的方法，其特征在于，所述陶瓷芯-壳模具在所述利用第二陶瓷材料涂布所述陶瓷芯-壳模具、所述陶瓷盖和所述第一蜡浇口部件和第二蜡浇口部件之后进行热处理。
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，通过将所述陶瓷芯-壳模具、所述陶瓷盖和第一蜡浇口部件和第二蜡浇口部件浸入陶瓷浆料中来将所述第二陶瓷材料涂布在所述过滤器、所述陶瓷芯-壳模具、所述陶瓷盖和第一蜡浇口部件和第二蜡浇口部件上。
6.根据权利要求1所述的制造陶瓷铸模的方法，其特征在于，所述过滤器包括开口，其中所述开口包括所述过滤器的总容积的至少60%到至少90%。
7.一种制备铸造部件的方法，包括：
（a）将第一蜡浇口部件和第二蜡浇口部件连接到陶瓷芯-壳模具，其中所述陶瓷芯-壳模具包括至少一过滤器以及陶瓷芯与陶瓷壳之间的第一腔体，其中，所述陶瓷芯设置在所述陶瓷壳内部，所述陶瓷芯和所述陶瓷壳由多个丝连接，所述陶瓷壳的上端由蜡塞封口，所述陶瓷壳的下端由所述过滤器封口，所述过滤器通过适配件连接至所述第一蜡浇口部件，所述蜡塞连接至所述第二蜡浇口部件；
（b）将陶瓷盖安装到所述陶瓷芯-壳模具的开口中；
（c）利用由第二陶瓷材料形成的陶瓷外壳完全地涂布所述陶瓷芯-壳模具、所述陶瓷盖和所述第一蜡浇口部件和第二蜡浇口部件；
（d）移除所述蜡塞和所述第一蜡浇口部件和第二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，从而得到陶瓷铸模；
（e）利用陶瓷铸模，使用熔模铸造法形成铸造部件。
8.根据权利要求7所述的制备铸造部件的方法，其特征在于，另外包括以下步骤：
将熔融金属提供到所述第二腔体中且通过所述过滤器进入所述第一腔体。
9.根据权利要求7所述的制备铸造部件的方法，其特征在于，所述过滤器包括开口，其中所述开口包括所述过滤器的总容积的至少60%到至少90%。
10.根据权利要求7所述的制备铸造部件的方法，其特征在于，所述第一腔体的至少一部分适于在铸造和移除至少所述陶瓷芯-壳模具时限定所述铸造部件的形状，其中每个丝横跨于所述芯与壳之间，其中所述丝适于在移除所述陶瓷芯-壳模具时在所述铸造部件中限定多个孔；以及
借助于通过所述铸造部件中的由所述丝提供的孔而沥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。
11.根据权利要求7所述的制备铸造部件的方法，其特征在于，所述陶瓷芯-壳模具由第一陶瓷材料形成，所述第一陶瓷材料具有与所述第二陶瓷材料不同的溶解度、传热系数或孔隙度。
12.根据权利要求7所述的制备铸造部件的方法，其特征在于，通过将所述陶瓷芯-壳模具、所述陶瓷盖和第一蜡浇口部件和第二蜡浇口部件浸入陶瓷浆料中来将所述第二陶瓷材料涂布在所述过滤器、所述陶瓷芯-壳模具、所述陶瓷盖和第一蜡浇口部件和第二蜡浇口部件上。
13.一种陶瓷铸模，包括：
陶瓷过滤器、陶瓷芯部分、陶瓷盖、第一陶瓷壳部分和第二陶瓷壳部分，其中，所述陶瓷芯部分设置在所述第一陶瓷壳部分内部，所述第一陶瓷壳部分的上端由蜡塞封口，所述第一陶瓷壳部分的下端由所述陶瓷过滤器封口，所述陶瓷过滤器通过适配件连接至第一蜡浇口部件，所述蜡塞连接至第二蜡浇口部件，所述陶瓷盖安装到所述第一陶瓷壳部分的开口中，所述第二陶瓷壳部分完全地覆盖所述第一陶瓷壳部分、所述陶瓷盖和所述第一蜡浇口部件和第二蜡浇口部件，其中所述陶瓷铸模另外包括：所述陶瓷芯部分与所述第一陶瓷壳部分之间的至少一个第一腔，所述第一腔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，所述蜡塞和所述第一蜡浇口部件和第二蜡浇口部件被移除以形成与所述第一腔流体连通的至少第二腔，其中所述陶瓷铸模另外包括接合所述陶瓷芯部分与所述第一陶瓷壳部分的多个丝，其中每个丝横跨于所述陶瓷芯与第一陶瓷壳部分之间，所述丝适于限定多个孔，从而在移除所述陶瓷铸模后提供所述铸造部件内由所述陶瓷芯部分限定的腔与所述铸造部件外表面之间的流体流通。
14.根据权利要求13所述的陶瓷铸模，其特征在于，通过将所述第一陶瓷壳、所述陶瓷盖和所述第一蜡浇口部件和第二蜡浇口部件浸入浆料中来将第二陶瓷材料添加到所述第一陶瓷壳部分和连接到所述第一陶瓷壳部分的所述陶瓷盖、第一蜡浇口部件和第二蜡浇口部件。
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