CN110072646A - 制作铸造部件的具有模脚和/或缓冲器的多件式一体化芯壳结构 - Google Patents

制作铸造部件的具有模脚和/或缓冲器的多件式一体化芯壳结构 Download PDF

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Abstract

本公开大体涉及可以组装成完整模具的局部一体化芯壳熔模铸造模具。局部模具的每个部分可以含有芯部分和壳部分两者。然后可以将每个部分组装成用于铸造金属零件的模具。局部一体化芯壳熔模铸造模具和完整模具可以设置有对应于涡轮或定子轮叶表面上的冷却孔图案的长丝结构，在金属铸造之后为芯部分提供浸出通路。本发明还涉及可以用以例如在模具的芯顶部分中补充浸出通路的芯长丝。

Description

制作铸造部件的具有模脚和/或缓冲器的多件式一体化芯壳 结构
技术领域
本公开大体涉及分级熔模铸造芯壳模具部件和运用这些部件的处理。芯壳模具可以是由包括第一芯和壳部分的局部模具组装的两件式芯壳模具。两件式芯壳模具通过将第一芯和壳部分附接到第二局部模具的至少第二芯和壳部分来组装。这些壳或芯部分中的至少一个设置有模脚方面，用来在芯和壳之间提供所需的间距。根据本发明制作的芯壳模具还可以包括在模具的芯和壳之间的一体化陶瓷长丝，可以运用陶瓷长丝在由这两件式模具制作的铸造部件中形成孔，即，隙透冷却孔。在芯和壳之间使用足够的陶瓷长丝来定位和提供芯蛇形管的浸出路径也使之能够消除球形钎焊槽。还可以提供顶腔芯和壳之间的陶瓷长丝以支撑浮动的顶腔，消除对于传统顶销以及随后通过钎焊封闭的需要。一体化芯壳模具在铸造操作中提供有用的性质，诸如在制作用于喷气飞行器发动机或发电涡轮部件的涡轮叶片和定子轮叶的超合金的铸造中。
背景技术
许多现代发动机和下一代涡轮发动机要求具有曲折和复杂几何形状的部件和零件，这要求新型材料和制造技术。用于制造发动机零件和部件的常规技术涉及到费力的熔模或失蜡铸造处理。熔模铸造的一个示例涉及到用在燃气涡轮发动机中的典型转子叶片的制造。涡轮叶片一般包括具有径向通道的中空翼型件，径向通道沿着具有至少一个或多个入口的叶片的跨度延伸，用于在发动机操作期间接收加压冷却空气。叶片中的各种冷却通路一般包括蛇形通道，蛇形通道安置在翼型件的在前缘和尾缘之间的中部。翼型件一般包括延伸通过叶片的入口，用于接收加压冷却空气，入口包括局部特征，诸如短的紊流肋或销，用于增加翼型件的受热侧壁和内部冷却空气之间的热传递。
一般由高强度、超合金金属材料制造这些涡轮叶片涉及到图1中示出的诸多步骤。首先，制造精密陶瓷芯以符合涡轮叶片内侧所需的曲折冷却通路。还创建精密压模或模具，其限定涡轮叶片的精确3D外部表面，涡轮叶片包括其翼型件、平台和一体式楔形榫。这种模具结构的示意图在图2中示出。陶瓷芯200组装在两个压模半部内侧，两个压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。将蜡注入组装的压模中以填充空隙并围绕封装其中的陶瓷芯。将两个压模半部分开并从模制蜡中去除。模制蜡具有期望叶片的精确构造，然后涂覆有陶瓷材料以形成周围陶瓷壳。然后，将蜡熔化并从壳202去除，在陶瓷壳202和内部陶瓷芯200和顶腔204之间留出对应的空隙或空间201。然后将熔化的超合金金属倒入壳中以填充其中的空隙，并再次封装容纳在壳202中的陶瓷芯200和顶腔204。熔化的金属冷却并凝固，然后适当地去除外部的壳202和内部的芯200和顶腔204，留下其中发现有内部冷却通道的期望金属涡轮叶片。为了提供经由浸出处理去除陶瓷芯材料的路径，设置球形槽203和顶销205，在浸出时在涡轮叶片内形成球形槽和顶孔，随后必须被钎焊闭合。
然后，铸造涡轮叶片可以经历附加的后铸造改造，诸如但不限于，视所需通过翼型件的侧壁钻出合适的多排膜冷却孔，用于为内部导通的冷却空气提供出口，内部导通的冷却空气然后在燃气涡轮发动机的操作期间在翼型件的外部表面上边形成保护性冷却空气膜或垫。在涡轮叶片从陶瓷模具去除之后，陶瓷芯200的球形槽203形成通路，随后通路被钎焊闭合，以提供通过铸造涡轮叶片的内部空隙的期望空气路径。然而，这些后铸造改造受到限制，并且鉴于涡轮发动机的复杂性不断增加以及认识到涡轮叶片内侧的某些冷却回路的效率，要求更复杂和曲折的内部几何形状。虽然熔模铸造能够制造这些零件，但是，使用这些常规制造处理制造的位置精度和曲折的内部几何形状变得更复杂。由此，期望提供一种用于具有曲折内部空隙的三维部件的改进铸造方法。
在分配给劳斯莱斯公司的美国专利No.8,851,151中描述了使用3D打印来生产陶瓷芯壳模具的方法。制作模具的方法包括诸如分配给麻省理工学院的美国专利No.5,387,380公开的粉末床陶瓷处理，以及分配给3D系统公司的美国专利No.5,256,340中公开的选择性激光激活(SLA)。根据‘151专利的陶瓷芯壳模具受到这些处理的打印分辨率性能限制。如图3所示，一体化芯壳模具的芯部分301和壳部分302经由设置在模具的底部边缘处的一系列连接结构303保持在一起。‘151专利中提出了冷却通路，包括通过短柱体连结的交错竖向空腔，其长度与其直径几近相同。然后使用‘151专利中公开的已知技术在芯壳模具中形成超合金涡轮叶片，该专利通过引用的方式并入文中。在这些芯壳模具中的一个中铸造涡轮叶片之后，去除模具以露出铸造的超合金涡轮叶片。
依然需要备制使用更高分辨率方法生产的陶瓷芯壳模具，该方法能够在铸造处理的终端产品中提供精细的细节铸造特征。
发明内容
本发明涉及一种新颖的铸造模具，该铸造模具可以形成为由第一陶瓷模具部分和第二陶瓷模具部分构成的两件式芯壳模具，第一陶瓷模具部分包含第一壳部分和可选的第一芯部分，第二陶瓷模具部分包含第二壳部分和可选的第二壳部分，第一陶瓷模具部分适配成与第二陶瓷模具部分连接，以形成在第一芯部分和/或第二芯部分与第一壳部分和第二壳部分之间包含空腔的两件式陶瓷模具，空腔适配成在铸造和去除陶瓷模具时限定铸造部件。第一芯部分、第一壳部分、第二芯部分和第二壳部分中的任何一个或多个还可以设置有模脚方面，其作用为间隔件。仅通过非限制性示例的方式，模脚方面可以是设置在壳和/或芯部分上的缓冲器或销。
在一个实施例中，本发明涉及一种制作具有芯和壳以及锁定特征的第一局部陶瓷模具的方法。该方法具有下述步骤：(a)使工件的固化部分与液态陶瓷光聚合物接触；(b)通过接触液态陶瓷光聚合物的窗口照射液态陶瓷光聚合物的邻近于固化部分的一部分；(c)从未固化的液态陶瓷光聚合物去除工件；以及，(d)重复步骤(a)-(c)，直到形成第一局部陶瓷模具为止，第一局部陶瓷模具包含芯部分、壳部分、至少一个模脚方面和至少一个锁定特征，在芯部分和壳部分之间具有至少一个空腔，空腔适配成在铸造和去除第一局部陶瓷模具时限定铸造部件的一侧的形状。在步骤(d)之后，该处理可以进一步包括制作铸造部件的步骤，例如，通过：(e)重复步骤(a)至(d)，以制作具有壳、可选的模脚方面和至少一个锁定特征的第二局部陶瓷模具；(f)通过经由其锁定特征使第一局部陶瓷模具与第二局部陶瓷模具连接，形成具有芯和壳的两件式陶瓷模具；(g)将液态金属倒入两件式陶瓷铸造模具中并凝固液态金属，以形成铸造部件。在步骤(g)之后，该处理可以进一步包括步骤(h)，其包含从铸造部件去除模具，并且优选地，该步骤涉及到将第一陶瓷模具部分与第二陶瓷模具部分机械地或物理地拆分，可选地，还通过在碱性浴中化学浸出。从铸造部件去除模具的步骤还可以包括通过长丝所提供的铸造部件中的孔浸出陶瓷芯的至少一部分。
在另一实施例中，本发明涉及一种制作具有芯和壳的两件式陶瓷模具的方法，两件式陶瓷模具由第一陶瓷模具部分和第二陶瓷模具部分形成。该方法包括下述步骤：(a)使第一工件的固化部分与液态陶瓷光聚合物接触；(b)通过接触液态陶瓷光聚合物的窗口照射液态陶瓷光聚合物的邻近于固化部分的一部分；(c)从未固化的液态陶瓷光聚合物去除工件；以及，(d)重复步骤(a)-(c)，直到形成第一陶瓷模具部分为止，第一陶瓷模具包含第一壳部分、可选的第一芯部分和可选的模脚方面；(e)利用第二工件重复步骤(a)-(d)，直到形成第二陶瓷模具部分为止，第二陶瓷模具部分包含第二壳部分、可选的第二芯部分、可选的模脚方面，如果第二陶瓷模具部分形成有第二芯部分，那么第二壳部分在芯部分和壳部分之间具有至少一个空腔，空腔适配成在铸造和去除两件式陶瓷模具时限定铸造部件的第二侧的形状；(f)经由其锁定特征使第一陶瓷模具部分附接到第二陶瓷模具部分，以形成具有芯和壳的两件式陶瓷模具。在步骤(f)之后，该处理可以进一步包括步骤(g)，将液态金属倒入两件式铸造模具中并凝固液态金属，以形成铸造部件。在步骤(g)之后，该处理可以进一步包括步骤(h)，包含从铸造部件去除两件式模具，并且优选地，该步骤涉及到将第一陶瓷模具部分与第二陶瓷模具部分机械地或物理地拆分，可选地，还在碱性浴中化学浸出。从铸造部件去除模具的步骤还可以包括通过长丝所提供的铸造部件中的孔浸出陶瓷芯的至少一部分。
在另一方面，本发明涉及一种制备铸造部件的方法。该方法包括下述步骤：将液态金属倒入两件式陶瓷铸造模具中并凝固液态金属，以形成铸造部件，两件式陶瓷铸造模具包含第一陶瓷模具部分、第二陶瓷模具部分、芯部分和至少一个壳部分，在芯部分和壳部分之间具有至少一个空腔，空腔适配成在铸造和去除两件式陶瓷模具时限定铸造部件的形状，并且陶瓷铸件模具部分中的一个或两个进一步包含连结芯部分和壳部分的多个长丝，其中每个长丝跨越在芯和壳之间，长丝适配成在去除两件式模具时在铸造部件中限定多个孔，并且每个陶瓷模具部分进一步包含至少一个附接点；以及，通过经由其附接点使第一陶瓷模具部分与第二陶瓷模具部分拆分，从铸造部件去除两件式陶瓷铸造模具。
在一个方面，铸造部件是涡轮叶片或定子轮叶。优选地，涡轮叶片或定子轮叶用在燃气涡轮发动机中，例如，飞行器发动机或发电。优选地，涡轮叶片或定子轮叶是具有通过上述陶瓷长丝限定的冷却孔图案的单晶铸造涡轮叶片或定子轮叶。优选地，长丝连结芯部分和壳部分，其中每个长丝跨越在芯和壳之间，长丝具有范围从0.01到2mm2的横截面面积。
用以形成冷却孔图案的大数目的长丝可以提供足够的强度来支撑顶芯。如果使得顶长丝支撑顶腔芯，则它们可以制作得更大，即，>2mm的横截面面积，可以使用数目少得多的长丝或单个长丝。尽管这些较大长丝中的两到四个是理想数目。在铸造之后，由于长丝而留在顶腔侧壁中的任何孔或凹口可以被钎焊闭合或并入涡轮叶片或定子轮叶设计中，或者，长丝可以放置在部件的成品加工形状外侧以防止这点的需要。
在另一方面，本发明涉及一种两件式陶瓷铸造模具，该两件式陶瓷铸造模具包含：第一陶瓷铸造模具部分和第二陶瓷铸造模具部分，每个陶瓷铸造模具部分具有芯部分和壳部分，在芯部分和壳部分之间具有至少一个空腔，空腔适配成在铸造和去除两件式陶瓷模具时限定铸造部件的一侧的形状；多个长丝，连结芯部分和壳部分，其中每个长丝跨越在芯和壳之间，长丝适配成在去除两件式模具时限定多个孔，多个孔提供通过芯部分限定的铸造部件内的空腔和铸造部件的外表面之间的流体连通。优选地，铸造部件是涡轮叶片或定子轮叶，并且在去除两件式模具时，连结芯部分和壳部分的多个长丝在涡轮叶片或定子轮叶中限定多个冷却孔。优选地，连结芯部分和壳部分的多个长丝具有范围从0.01到2mm2的横截面面积。陶瓷可以是光聚合陶瓷或固化的光聚合陶瓷。
在一个方面，至少一个模脚特征是缓冲器。优选地，缓冲器具有凸表面。在另一方面，至少一个模脚特征是销。优选地，缓冲器或销是增材制造的。优选地，缓冲器或销与第一芯部分、第一壳部分、第二芯部分和/或第二壳部分一体地形成并抵接第一芯部分、第一壳部分、第二芯部分和/或第二壳部分。
附图说明
图1是示出常规熔模铸造的步骤的流程示图。
图2是示出用于通过常规处理制备的具有球形槽的芯壳模具的常规方案的示例的示意性示图。
图3示出具有连接芯部分和壳部分的连接件的现有技术的一体化芯壳模具的立体视图。
图4、图5、图6和图7示出用于执行直接光处理(DLP)的方法次序的连续阶段的设备的示意性横向截面视图。
图8示出沿着图7的线A-A的示意性截面视图。
图9示出根据本发明实施例的两个芯壳子组件和附接方向的俯视图。
图10示出图9中示出的两个芯壳子组件的组装俯视图。
图11示出具有可以机械性地互锁的附接点的两零件一体式芯壳模具的侧视图。
图12示出根据本发明实施例的可以用以附接两个芯壳子组件的互锁锁舌和凹槽。
图13示出根据本发明实施例的可以用以附接两个芯壳子组件的互锁楔形榫。
图14示出根据本发明实施例的可以用以附接两个芯壳子组件的具有一体式互锁桩的榫头接头。
图15示出根据本发明实施例的两零件一体式芯壳模具，包括从芯延伸到壳的长丝，出于在涡轮叶片的表面中提供冷却孔的目的。
图16示出根据本发明实施例的两零件一体式芯壳模具，包括从芯延伸到壳的长丝，出于在涡轮叶片的表面中提供冷却孔的目的。
图17是根据本发明实施例的一体化芯壳模具的示意性视图，芯壳模具具有离开叶片尖端旁边的芯打印长丝。
具体实施方式
下面连同附图一起阐述的详细描述意在作为各种构造的描述，而不意在表示可以实践文中描述的概念的唯一构造。出于提供对各种概念的透彻理解的目的，该详细描述包括具体细节。然而，这些概念可以在没有这些具体细节的情况下实践，对本领域技术人员而言将是明显的。例如，本发明提供一种制作铸造金属零件的优选方法，优选地，用在制造喷气飞行器发动机中的那些铸造金属零件。具体地，根据本发明，可以有利地生产单晶、镍基超合金铸造零件，诸如涡轮叶片、轮叶和护罩部件。然而，可以使用本发明的技术和一体化陶瓷模具备制其他铸造金属部件。
本发明人认识到，已知用于制作一体化芯壳模具的现有处理缺乏以下所需的精细分辨率性能：以足够小的尺寸和量打印在模具的芯和壳部分之间延伸的长丝，以在成品化涡轮叶片中生产隙透冷却孔。在较早的粉末床处理的情况下，诸如分配给麻省理工学院的美国专利No.5,387,380中公开的，粉末床重涂覆机臂的动作阻碍了在芯和壳之间延伸以在铸造零件中提供隙透冷却孔图案的足够精细长丝的形成。采取自上向下照射技术的其他已知技术，诸如分配给3D系统公司的美国专利No.5,256,340中公开的选择性激光激活(SLA)，可以在生产根据本发明的一体化芯壳模具时运用。然而，这些系统的可用打印分辨率显著限制了制作具有足够小的尺寸以在铸造最终产品中用作有效冷却孔的长丝的能力。
本发明人发现了，本发明的一体化芯壳模具可以使用直接光处理(DLP)制造。DLP与上面论述的粉末床和SLA处理的不同之处在于，聚合物的光固化通过树脂箱底部的窗口发生，该窗口将光投射到随着处理进行而升高的构建平台上。利用DLP，同时生产整层固化聚合物，并且消除使用激光扫描图案的需要。进一步，聚合发生在该下方的窗口和正在构建的物体的最后固化层之间。下方的窗口提供支撑，允许生产材料的细长丝而不需要分离的支撑结构。换言之，生产桥接构建物体的两个部分的材料的细长丝是困难的，在现有技术中一般是避免的。例如，上面在本申请的背景技术章节中论述的‘151专利使用了与短柱体连接的竖向板结构，其长度大约为它们的直径。因为‘151专利中公开的粉末床和SLA技术要求竖向支撑的陶瓷结构，所以需要交错的竖向空腔，并且该技术不能可靠地生产长丝。此外，粉末床内的可用分辨率大约为1/8”，使得传统冷却孔的生产不可行。例如，圆形冷却孔通常具有小于2mm的直径，对应于低于3.2mm2的冷却孔面积。鉴于需要从几个体素生产孔，生产这种尺寸的孔需要远低于实际孔大小的分辨率。这种分辨率在粉末床处理中根本是不可用的。相似地，由于缺乏与激光散射相关的支撑和分辨率问题，立体光刻在其生产这种长丝的能力上有限。但是，DLP曝光长丝的整个长度并在窗口和构建板之间支撑它的事实使之能够生产跨越芯和壳之间的整个长度以形成具有期望冷却孔图案的陶瓷物体的足够细的长丝。尽管粉末床和SLA可以被用以生产长丝，但是，如上所述，它们生产足够精细的长丝的能力有限。
一种合适的DLP处理公开在分配给义获嘉伟瓦登特公司(Ivoclar Vivadent AG)和维也纳工业大学(Technische Universitat Wien)的美国专利No.9,079,357，以及WO2010/045950 A1和US 2013131070中，其中的每一个通过引用的方式并入此文并在下面参考图4至图8论述。该装置包括箱404，箱404具有至少一个半透明底部406，底部406覆盖曝光单元410的至少一部分。曝光单元410包含光源和调制器，可以在控制单元的控制之下利用调制器位置选择性地调节强度，以便在箱底部406上生产具有当前待形成层所需几何形状的曝光区域。替换性地，可以在曝光单元中使用激光器，激光器的光束借助于控制单元所控制的移动镜以期望强度图案连续扫描曝光区域。
与曝光单元410相对地，在箱404的上面设置生产平台412；它通过提升机构(未示出)支撑，从而它在曝光单元410上面的区域中以高度可调节的方式保持在箱底部406上。类似地，生产平台412可以是透明的或半透明的，以便可以通过生产平台上面的又一曝光单元将光照入，使得至少当在生产平台412的下侧形成第一层时，它也可以从上面被曝光，从而首先在生产平台上固化的层以更高的可靠性粘附到其上。
箱404容纳有高粘度可光聚合性材料420的填充物。填充物的材料水平比意在限定用于位置选择性曝光的各层的厚度高得多。为了限定一层可光聚合性材料，采用以下程序。生产平台412通过提升机构以受控方式降低，从而(在第一曝光步骤之前)其下侧浸没在可光聚合性材料420的填充物中，并接近箱底部406，达到所需层厚度Δ(参见图5)精确地留在生产平台412的下侧和箱底部406之间的程度。在该浸没处理中，可光聚合性材料从生产平台412的下侧和箱底部406之间的间隙偏离。在设定了层厚度Δ之后，对该层执行期望的位置选择性层曝光，以便使它固化成期望形状。特别地，当形成第一层时，也可以通过透明或半透明的生产平台412从上面进行曝光，从而特别是在生产平台412的下侧和可光聚合性材料之间的接触区域中进行可靠和完全的固化，因此确保了第一层良好地粘附到生产平台412。在形成了该层之后，借助于提升机构再次升高生产平台。
随后重复这些步骤若干次数，从最后形成的层422的下侧到箱底部406的距离分别设定为期望层厚度Δ，并且接着的下一层以期望方式位置选择性地固化。
在曝光步骤以后升高了生产平台412之后，在曝光区域中存在材料不足，如图6中指示的。这是因为，在固化设定有厚度Δ的层之后，该层的材料被固化并利用生产平台以及已经形成在其上的成形本体的该部分而升高。因此，在已经形成的成形本体的该部分的下侧和箱底部406之间缺失的可光聚合性材料必须由来自围绕曝光区域的区域的可光聚合性材料420的填充物填充。然而，由于材料的高粘度，它不会自身流动回到成形本体的该部分的下侧和箱底部之间的曝光区域，从而材料下陷或可能在该处留下“孔”。
为了利用可光聚合性材料补充曝光区域，细长的混合元件432移动通过箱中可光聚合性材料420的填充物。在图4至图8中表示的示范性实施例中，混合元件432包含细长的线，该线在可移动地安装在箱404的侧壁上的两个支撑臂430之间张紧。支撑臂430可以可移动地安装在箱404的侧壁中的引导槽434中，从而通过使支撑臂430在引导槽434中移动，在支撑臂430之间张紧的线432可以相对于箱404平行于箱底部406移动。细长的混合元件432具有尺寸，其移动被相对于箱底部引导，从而细长的混合元件432的上边缘留在曝光区域外的箱中的可光聚合性材料420的填充物的材料的水平以下。如在图8的截面视图中可以看到的，混合元件432在线的整个长度上在箱中的材料水平以下，并且仅支撑臂430突出超出箱中的材料水平。将细长的混合元件布置在箱404中的材料水平以下的效果不是细长的混合元件432在其相对于箱移动通过曝光区域期间大致移动其前面的材料，而是该材料在混合元件432上流动同时执行稍微向上的移动。在图7中示出了混合元件432从图6中示出的位置在例如箭头A所指示的方向上移动到新位置。可以发现，通过对箱中的可光聚合性材料的这类动作，材料被有效地刺激以流动回到生产平台412和曝光单元410之间的消耗材料的曝光区域。
细长的混合元件432相对于箱的移动可以首先利用静定的箱404通过线性驱动器执行，线性驱动器使支撑臂430沿着引导槽434移动，以便实现细长的混合元件432通过生产平台412和曝光单元410之间的曝光区域的所需移动。如图8所示，箱底部406在两侧具有凹部406’。支撑臂430突出，使其下端进入这些凹部406中。这使得细长的混合元件432可以保持在箱底部406的高度，而不与支撑臂430的下端通过箱底部406的移动干涉。
DLP的其他替换性方法可以用以备制本发明的一体化两件式芯壳模具。例如，箱可以定位在可旋转平台上。当在连续构建步骤之间从粘性平台撤回工件时，箱可以相对于平台和光源旋转，以提供新的一层粘性聚合物，其中使构建平台下降以构建连续的层。
图9示出根据本发明一方面的两件式一体化芯壳模具900的示意性侧视图。第一部件包括局部芯901和局部壳902，第二部件包括局部芯903和局部壳904。局部芯901和局部壳902可以形成为一个一体式部件，或者可以是分离的组件。局部芯壳结构设置有附接点905，906，907和908，便于组装成完整的芯壳模具1000，如图10所示。本发明的两件式模具具有可以在组装和铸造以前检查它们的优点。先前的一体式一件式模具具有缺点：由于模具的3D打印属性，在铸造之前检查模具是困难的。
如图10所示，芯壳模具1000可以包括与芯1001或壳1002部分一体形成的结构。例如，可以设置芯缓冲器1003，或者可以设置壳缓冲器1004。在组装两零件式模具时，缓冲器1003/1004的功能是在芯1001和壳1002之间提供所需的间距。销支撑部1005可以与壳一体地设置，在组装两件式芯壳时抵接芯部分。尽管未示出，但是，可以与芯一体地设置销结构。
图11示出具有第一芯/壳部分1101/1102和第二芯-壳部分1103/1104的两零件式芯壳模具1100。在该实施例中，第一附接点1105设置在芯组件的顶部分内，第二附接点1106设置在壳区域的远离芯的顶区域的部分处。图12至图14图示陶瓷芯/壳组件中设置的附接机构的若干非限制性示例。图12图示互锁锁舌和凹槽型附接结构1200，具有第一外侧部分1201、第一内侧部分1202、第二外侧部分1203和第二内侧部分1204。图13图示互锁楔形榫型附接结构1300，具有第一外侧部分1301、第一内侧部分1302、第二外侧部分1303和第二内侧部分1304。图14图示具有互锁桩的榫头接头，具有第一外侧部分1401、第一内侧部分1402、第二外侧部分1403和第二内侧部分1404。
图15示出两零件式芯壳组件1500的示例，其具有具有附接机构1507，1508的第一芯部分1501和具有附接机构1511的第一壳部分1502，具有附接机构1509，1510的第二芯部分1503和具有附接机构1512的第二壳部分1504。第一芯部分1501和第一壳部分1502利用长丝1505连接在一起。第二芯部分1503和第二壳部分1503利用长丝1506链接在一起。在芯壳模具内铸造金属并浸出长丝之后，长丝在铸造涡轮叶片中限定冷却孔图案。如共同待定申请GE案卷#285020中描述的，优选地，这些结构使用连同上面的图4至图11一起描述的DLP处理形成。通过使用上面DLP打印处理打印陶瓷模具，可以以允许芯和壳之间的连接点通过长丝1505和/或1506设置的方式制作模具。一旦打印芯壳模具，就可以使之受到后热处理步骤，以固化打印的陶瓷聚合物材料。然后可以类似于用在生产超合金涡轮叶片和定子轮叶的传统铸造处理，使用固化的陶瓷模具。值得注意的是，因为长丝1505和1506大量设置，与在涡轮叶片或定子轮叶的表面中形成隙透冷却孔的图案一致，所以，可以消除对于如图2所示的球形槽结构的需要。
优选地，长丝1505和1506是柱形或椭圆形状，但可以是弯曲的或非线性的。它们的确切尺寸可以根据特定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从0.01到2mm2的横截面面积。在涡轮叶片中，该横截面面积的范围可以从0.01到0.15mm2，更优选地，从0.05到0.1mm2，最优选地，大约0.07mm2。在轮叶的情况下，冷却孔可以具有范围从0.05到0.2mm2的横截面面积，更优选地，0.1到0.18mm2，最优选地，大约0.16mm2。冷却孔的间距一般是冷却孔直径的倍数，范围从冷却孔直径的2倍至10倍，最优选地，冷却孔直径的大约4-7倍。
长丝1505和/或1506的长度通过铸造部件的厚度(如，涡轮叶片或定子轮叶壁厚)和冷却孔相对于铸造部件的表面安置的角度决定。典型的长度范围从0.5到5mm，更优选地，在0.7到1mm之间，最优选地，大约0.9mm。安置冷却孔的角度相对于该表面近似5至35°，更优选地，在10至20°之间，最优选地，近似12°。应当理解，相比于使用常规加工技术当前可得的，根据本发明的铸造方法允许形成对铸造部件的表面具有更低角度的冷却孔。
图16示出根据本发明实施例的一体化芯壳模具1600的侧视图。如同图15中示出的示意，第一芯部分1601通过若干长丝1605连接到第一壳部分1602。类似地，第二芯部分1603通过若干长丝1606连接到第二壳部分1604。第一芯部分1601和第一壳部分1602可以经由附接机构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。组装的芯壳模具1600限定空腔1607，用于熔模铸造涡轮叶片。图17示出填充有金属1700诸如镍基合金(即铬镍铁合金)的空腔1607。在浸出陶瓷芯壳时，所得的铸造物体是在叶片或轮叶的表面中具有冷却孔图案的涡轮叶片或定子轮叶。应当理解，尽管图16至图17提供示出在涡轮叶片的前缘和尾缘处的冷却孔的横截面视图，但是，可以在期望位置设置附加的冷却孔，包括在涡轮叶片的各侧或任何其他期望部位。特别地，本发明可以用以在任何特定设计中在铸造处理中形成冷却孔。换言之，人们将能够以先前使用钻孔以形成冷却孔的任何图案生产常规的冷却孔。然而，由于在铸造部件内生成冷却孔的常规技术(即钻孔)的限制，本发明将允许有先前不能获得的冷却孔图案。
在浸出之后，可以视所需将由芯打印长丝生产的涡轮叶片或定子轮叶中的孔钎焊闭合。另外，芯打印长丝所留出的孔可以包含内部冷却通路的设计中。替换性地，可以设置足够量的冷却孔长丝将顶腔芯与壳连接，以在金属铸造步骤期间将顶腔芯保持就位。
在打印根据本发明的芯壳模具结构之后，可以依据陶瓷芯光聚合物性材料的要求来固化和/或烧制芯壳模具。可以将熔化的金属倒入模具中，以形成一定形状且具有一体化芯壳模具所提供的特征的铸造物体。在涡轮叶片或定子轮叶的情况下，优选地，熔化的金属是超合金金属，使用与常规熔模铸造模具一起使用的已知技术来形成单晶超合金涡轮叶片或定子轮叶。
在一方面，本发明涉及包含或结合以相似方式生产的其他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些各种方面及其使用的公开内容：
美国专利申请No.[]，名称为“一体化铸造芯壳结构(INTEGRATED CASTING CORE-SHELL STRUCTURE)”，代理案卷号037216.00036/284976，于2016年12月13日提交；
美国专利申请No.[]，名称为“具有浮动顶腔的一体化铸造芯壳结构(INTEGRATEDCASTING CORE-SHELL STRUCTURE WITH FLOATING TIP PLENUM)”，代理案卷号037216.00037/284997，于2016年12月13日提交；
美国专利申请No.[]，名称为“用于制作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)”，代理案卷号037216.00033/284909，于2016年12月13日提交；
美国专利申请No.[]，名称为“用于制作铸造部件的具有打印管的一体化铸造芯壳结构(INTEGRATED CASTING CORE SHELL STRUCTURE WITH PRINTED TUBES FOR MAKINGCAST COMPONENT)”，代理案卷号037216.00032/284917，于2016年12月13日提交；
美国专利申请No.[]，名称为“用于制作铸造部件的一体化铸造芯壳结构和过滤器(INTEGRATED CASTING CORE-SHELL STRUCTURE AND FILTER FOR MAKING CASTCOMPONENT)”，代理案卷号037216.00039/285021，于2016年12月13日提交；
美国专利申请No.[]，名称为“用于制作具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 CAST COMPONENT WITHNON-LINEAR HOLES)”，代理案卷号037216.00041/285064，于2016年12月13日提交；
美国专利申请No.[]，名称为“用于制作具有位于不可接近位置的冷却孔的铸造部件的一体化铸造芯壳结构(INTEGRATED CASTING CORE SHELL STRUCTURE FOR MAKINGCAST COMPONENT WITH COOLING HOLES IN INACCESSIBLE LOCATIONS)”，代理案卷号037216.00055/285064A，于2016年12月13日提交；
美国专利申请No.[]，名称为“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(INTEGRATED CASTING CORE SHELL STRUCTURE FOR MAKING CAST COMPONENTHAVING THIN ROOT COMPONENTS)”，代理案卷号037216.00053/285064B，于2016年12月13日提交；
这些申请中的每一个的公开内容以其全部内容并入文中，达到它们公开芯壳模具及制作方法的其他方面的程度，这些可以连同文中公开的芯壳模具一起使用。
该书面描述使用示例来公开本发明，包括优选实施例，还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何设备或系统，并施行任何并入的方法。本发明的专利权范围由权利要求书来限定，可以包括本领域技术人员容易想到的其他示例。这种其他示例意在包括于权利要求书的范围内，如果该示例具有与权利要求书的文字语言并无不同的结构元件的话，或者，如果该示例包括与权利要求书的文字语言无实质不同的等效结构元件的话。来自所描述的各种实施例的各方面以及针对每个这种方面的其他已知等效物可以由本领域普通技术人员混合和匹配，以构筑根据本申请原理的其他实施例和技术。

Claims (23)

1.一种局部陶瓷铸造模具，其特征在于，包含：
第一芯部分和第一壳部分，所述第一芯部分和所述第一壳部分适配成与至少第二芯部分和第二壳部分连接以形成陶瓷模具，所述陶瓷模具在所述第一芯部分和所述第二芯部分与所述第一壳部分和所述第二壳部分之间包含空腔，所述空腔适配成在铸造和去除所述陶瓷模具时限定铸造部件，并且
所述第一芯部分或所述第一壳部分包含至少一个模脚特征，所述至少一个模脚特征突出到所述第一芯部分和第一壳部分之间的所述空腔中，且适配成在所述第一芯部分和第一壳部分之间提供最小间距。
2.如权利要求1所述的局部陶瓷铸造模具，其特征在于，其中，所述铸造部件是涡轮叶片或定子轮叶。
3.如权利要求1所述的局部陶瓷铸造模具，其特征在于，其中，至少一个模脚特征是缓冲器。
4.如权利要求3所述的局部陶瓷铸造模具，其特征在于，其中，每个缓冲器具有凸表面。
5.如权利要求3所述的局部陶瓷铸造模具，其特征在于，其中，每个模脚特征是缓冲器。
6.如权利要求5所述的局部陶瓷铸造模具，其特征在于，其中，一个缓冲器与所述第一芯部分一体地设置，并且另一缓冲器与所述第一壳部分一体地设置。
7.如权利要求1所述的局部陶瓷铸造模具，其特征在于，其中，至少一个模脚特征是销。
8.如权利要求3所述的局部陶瓷铸造模具，其特征在于，其中，至少一个缓冲器是与所述壳和/或芯一体地增材制造的缓冲器。
9.如权利要求7所述的局部陶瓷铸造模具，其特征在于，其中，至少一个销是与所述第一壳部分和/或所述第一芯部分一体地增材制造的缓冲器。
10.如权利要求7所述的局部陶瓷铸造模具，其特征在于，其中，至少一个销与所述第二壳部分是一体的，并且抵接所述第二芯部分。
11.一种制造陶瓷模具的方法，其特征在于，包含：
(a)使工件的固化部分与液态陶瓷光聚合物接触；
(b)通过接触所述液态陶瓷光聚合物的窗口照射所述液态陶瓷光聚合物的邻近于所述固化部分的一部分；
(c)从未固化的所述液态陶瓷光聚合物中去除所述工件；以及
(d)重复步骤(a)-(c)，直到形成陶瓷模具的第一芯部分和第一壳部分为止，所述第一芯部分和所述第一壳部分适配成与至少第二芯部分和第二壳部分连接以形成陶瓷模具，所述陶瓷模具在所述第一芯部分和所述第二芯部分与所述第一壳部分和所述第二壳部分之间包含空腔，所述空腔适配成在铸造和去除所述陶瓷模具时限定铸造部件，并且
所述第一芯部分或所述第一壳部分包含至少一个模脚特征，所述至少一个模脚特征突出到所述第一芯部分和第一壳部分之间的所述空腔中，且适配成在所述第一芯部分和所述第一壳部分之间提供最小间距。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，其中，在步骤(d)之后，所述处理包含步骤(e)，所述步骤(e)包含将液态金属倒入铸造模具中并使所述液态金属凝固以形成所述铸造部件。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，其中，在步骤(e)之后，所述处理包含步骤(f)，所述步骤(f)包含从所述铸造部件去除所述模具。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，其中，从所述铸造部件去除所述模具包含机械力和化学浸出的组合。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，其中，去除所述化学浸出是碱性的。
16.如权利要求11所述的方法，其特征在于，其中，所述至少一个模脚特征中的一个或多个是缓冲器。
17.如权利要求11所述的方法，其特征在于，其中，所述至少一个模脚特征中的一个或多个是销。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，其中，所述缓冲器与所述第一芯部分一体地形成。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，其中，所述缓冲器与所述第一壳部分一体地形成。
20.如权利要求17所述的方法，其特征在于，其中，所述销与所述第二壳部分一体地形成，并且抵接所述第二芯部分。
21.如权利要求11所述的方法，其特征在于，其中，所述第一芯部分包括与所述第一芯部分一体的缓冲器，所述第一壳部分包含与所述第一壳部分一体的缓冲器，并且所述第二壳部分包含与所述第二壳部分一体的销。
22.一种制备铸造部件的方法，其特征在于，包含：
将陶瓷模具的第一芯部分和第一壳部分与至少第二芯部分和第二壳部分组装，以形成陶瓷模具，所述陶瓷模具在所述第一芯部分和所述第二芯部分与所述第一壳部分和所述第二壳部分之间包含空腔，所述空腔适配成在铸造和去除所述陶瓷模具时限定铸造部件，所述第一芯部分或所述第一壳部分包含至少一个模脚特征，所述至少一个模脚特征突出到所述第一芯部分和第一壳部分之间的所述空腔中，且适配成在所述第一芯部分和所述第一壳部分之间提供最小间距；
将液态金属倒入所述陶瓷铸造模具中并使所述液态金属凝固以形成所述铸造部件；以及
从所述铸造部件去除所述陶瓷铸造模具。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，其中，所述至少一个模脚特征是缓冲器或销。
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