CN1693005A

CN1693005A - 熔模铸造

Info

Publication number: CN1693005A
Application number: CN200510071429.0A
Authority: CN
Inventors: M·K·特金顿; D·E·罗顿; S·J·布利德
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 2004-05-06
Filing date: 2005-05-06
Publication date: 2005-11-09
Also published as: RU2005113915A; EP1604753B1; KR20060047374A; US7207375B2; KR100619196B1; US7448434B2; EP1604753A1; DE602005010938D1; US20050247429A1; US20060237163A1; JP2005319519A

Abstract

将蜡或类似材料(70)模制到熔模铸造的结壳夹具的底板(42)上。模制过程可提高蜡模(22；230)的定位，或者提供壳型(24)的精确表面形状。

Description

熔模铸造

技术领域

本发明涉及熔模铸造。更具体地说，本发明涉及形成熔模铸造用模具。

背景技术

对于要形成具有复杂几何结构的金属部件尤其是空心部件来说，熔模铸造是一项常用技术，其可在耐热合金燃气涡轮发动机部件的制造中使用。

关于涡轮发动机零件如叶片和桨叶的熔模铸造的领域已经发展得很成熟了。在一种示例性工艺中，制备具有一个或多个模腔的模具，各模腔具有与待铸零件大致对应的形状。制备模具的示例性工艺包括使用零件的一个或多个蜡模。通过在与零件内冷却通道的正像基本上相对应的陶瓷型芯上模制蜡来形成蜡模。蜡模安装在结壳夹具上。夹具在安装前已准备好以便容纳蜡模。例如可将夹具浸入在蜡中，以便至少在夹具的底板上进行涂覆。蜡模可放在底板蜡层和熔接于其上的蜡之上。

在结壳工序中，在一个或多个这种蜡模的周围例如通过在固定住的蜡模上进行喷涂和/或浸渍陶瓷涂层材料来形成陶瓷壳型。例如可通过在高压釜内熔融来将蜡除去。壳型还可通过例如对底面进行修整和喷砂以修平底面来进一步处理。可焙烧该壳型以使其硬化。这就留下了包括有壳型的模具，该壳型具有一个或多个由零件形成的隔腔，而隔腔又包括限定了冷却通道的陶瓷型芯。可对壳型施晶种以便限定最终零件的晶体取向，并将壳型的底面放在铸造炉的冷却板上。然后向模具中引入熔融合金以铸造出零件。在合金冷却和凝固后，就可将壳型和型芯机械地和/或化学式地从模制件上除去。然后可在一个或多个阶段中对这些模制件进行机加工和/或处理。

然而，在本领域中仍然存在可改善的空间。

发明内容

因此，本发明的一个方面涉及用于形成熔模铸造的结壳夹具部件的方法。夹板相对于压模进行定位。在压模和夹板的至少第一表面部分之间对第一材料进行模制。

在各种实施例中，第一表面部分可沿着夹板的上表面。第一材料主要包括一种或多种蜡。模制可提供用于第一材料的大部分基本上平坦的暴露面。模制可为该暴露面提供用来定位蜡模的机构。该机构可包括平坦的抬高区域。模制可留下板的下表面基本上未被覆盖。预模制好的第二材料固定在第一材料之上。第一和第二材料主要包括一种或多种蜡。第一和第二材料可具有基本上类似的成分。

本发明的另一方面涉及用于形成熔模铸造用模具的方法。如上所述地形成结壳夹具部件。在夹板上固定一个或多个蜡模。所述一个或多个蜡模包括第二材料。在所述一个或多个蜡模的至少一些部分上以及在第一材料的至少一部分上涂覆一个或多个涂层。然后去除夹板。基本上除去第一材料和第二材料，从而留下由涂层形成的壳型。

在各种实施方式中，夹板可以是第一夹板，本方法可包括相对于第一夹板来装配第二夹板。所述一个或多个蜡模可固定在第一和第二夹板之间。本方法可用来制造燃气涡轮发动机翼型件的模具。

本发明的另一方面涉及用于熔模铸造的方法。如上所述地形成熔模铸造用模具。将熔融金属引入到该熔模铸造用模具中。使熔融金属凝固。破坏性地去除该熔模铸造用模具。

本发明的另一方面涉及用于结壳夹具的底板。底板具有相对的第一和第二表面。在第一和第二表面之间延伸有多个孔，它们具有不同于垂直于第一表面的直柱面的形状，从而提供了反向锁定。蜡材料主要设置在第一表面的至少一部分上，并延伸到孔内。

在各种实施方式中，蜡材料可包括用于使多个蜡模对齐的机构。孔具有处于第一和第二表面之间并比第一和第二表面处的截面积更小的截面积。第一和第二表面具有主平坦部分。在第二表面的主平坦部分上基本上没有这种蜡材料。蜡材料可覆盖第一表面的主平坦部分的绝大部分。

本发明的另一方面涉及用于形成位于熔模铸造结壳夹具的底板的至少第一部分之上的层的压模。压模具有一个或多个可与底板的至少第一表面协同操作的表面，从而限定了模制材料容纳空间。压模具有用于将模制材料引入到模制材料容纳空间中的通道。

在各种实施方式中，压模还可包括至少一个用于使底板对齐的机构。所述一个或多个表面包括用于使模制材料形成蜡模对齐特征的机构。压模可包括用于在模制期间容纳底板把手的机构。压模可包括用于容纳底板下表面的第一半体，以及用于模制该模制材料的上表面的第二半体。

在附图和下文的描述中阐明了本发明的一个或多个实施例的细节。从描述、附图以及从权利要求中可以清楚本发明其它的特点、目的和优点。

附图说明

图1是根据本发明原理的结壳夹具的局部剖视图。

图2是图1所示夹具的底板的顶视图。

图3是用于在图2所示的底板上模制蜡层的压模的图。

图4是在模制期间图3所示压模的局部剖视图。

图5是备选半模的视图。

图6是由图5所示备选半模所模制的层的截面图。

图7是第二备选半模的视图。

图8是根据本发明原理的熔模铸造工艺的流程图。

在各幅图中采用类似的标号和标记来表示类似的元件。

具体实施方式

图1显示了用于在蜡模上涂覆壳型涂层24的期间支撑多个蜡模22的夹具20。夹具20包括顶板组件26和底板组件28。顶板组件26包括示例性的圆板30，其具有顶(上)表面31、底(下/下侧)表面32以及圆柱形的侧周面33。顶板组件26还包括圆柱形的柄轴34，其具有上端35、下端36以及侧面37，并通过双头螺栓38和螺母40固定在顶板30上，并且从上表面31中突出来。

类似地，底板组件28包括板42，其具有上表面43、下表面44以及周向面45。圆柱形的底板把手46具有上端47、下端48以及侧面49，并通过双头螺栓50和螺母52而固定在底板42上，从而从下表面43中悬垂下来。

为了完成基本的机械夹具20，一组连杆60通过跨置于顶板下表面32和底板上表面43之间而将顶板组件和底板组件连接起来。在该示例性实施例中，杆60具有大体圆形的截面，并具有上螺纹端部62A和下螺纹端部62B，它们延伸穿过板孔63A和63B，并通过贴靠在相关板端面上的环形台肩64A而与主体部分隔开。螺母66A和66B将杆固定在相关的端板上。

在该示例性实施例中，在底板上表面43上模制了一层易挥发的牺牲材料的层70。层70通常具有暴露的上表面71、下表面72以及周向面73。多个铆接部分76从下表面或底面72中悬垂下来，延伸穿过底板42中的孔78。该示例性的孔形成了不同于直圆柱体的截面轮廓，使其可与突起部分相接合，并固定住突起部分而不会被抽出。该示例性的截面轮廓包括中央的直圆柱体部分80以及上倒角部分82和下倒角部分83，这两个倒角部分分别从中央部分的上、下端延伸到相关的上表面43和下表面44上。有多种其它的形状可实现类似的互锁。类似的互锁可通过盲孔而非通孔或者通过燕尾槽来实现。示例性的易挥发材料是易于熔化的，或者是可以热分解的。例如可使用天然蜡或合成蜡，或者其它的烃基材料。

上表面71包括多个突起在主平面部分88之上的抬高区域86。该示例性的抬高区域86具有大致矩形的平面图形，并具有尺寸适合于容纳蜡模22的底座92的平坦上表面90，并且当将蜡模装配到夹具中时，其可促进蜡模的对齐。也可以使用其它的对齐机构。这些机构可包括用于容纳蜡模底座部分的略微下凹的区域和壁结构。这种对齐机构也有助于在固定蜡模(例如通过蜡熔接)时将蜡模侧向地保持住。在蜡模的旁边，上表面71为涂层24的底座部分98的底面或下表面96的成型提供了模型。

浇蜡用锥形件100从顶板30的下表面32中悬垂下来。输送部分102在锥体100和蜡模22之间延伸，形成了位于模具中的模具浇注用锥体和零件形成模腔之间的输送通道，该模腔在从蜡模中去除蜡时形成。

该示例性的蜡模22显示为具有翼型104和叶根106的涡轮发动机叶片。在该示例性实施例中，型芯(如陶瓷型芯)108在蜡模的蜡中延伸，并具有从蜡中突出到涂层24中的耳部110和112。在最终去除蜡时，在通过耳部而保持住的涂层的空腔中将留下型芯108。

图2显示了示例性底板组件的细节。示例性的孔78布置在三个圆环上：八个均匀分隔开的孔的内环140、八个均匀分隔开的孔的中环142，以及四组每组三个均匀分隔开的孔的外环144。大致在这四组中的每组之间设有一个杆安装孔63B。示例性底板的直径处于10厘米到1米之间，更精确地说为30-70厘米。示例性底板的厚度是1-3厘米。示例性底板的材料是铝合金或不锈钢。

图3显示了用于模制层70的压模的细节。压模具有第一半模150和第二半模152。在该示例性实施例中，层70在底板处于颠倒的方位下时被模制在底板42上。根据这一方位，第一半模150用作下半模。半模150具有带圆柱形周向面154和上/底表面156的隔腔。底表面156具有用于模制该层的平坦部分88的主平坦部分158，以及用于模制抬高区域86的凹槽160的阵列。四个凸耳162向上延伸到表面部分158之上，并与孔63B对齐。图4显示了凸耳162具有较宽的近端部分164和较窄的远端部分166，以及处于它们之间的台肩168。远端部分166容纳在相关的孔63B中，轴肩168靠在周围的底板顶面上，从而通过沿着部分88的蜡层所需厚度T而使顶面与压模的表面部分158隔离开来。图4还显示了上半模152，其具有用于容纳把手46的中心孔170。上半模152具有带圆柱形侧壁部分172和底面部分174的隔腔。在该示例性实施例中，紧密结合的表面部分154和172提供了周向面73，并可防止围绕该表面产生显著的蜡渗透，而留下周向面45大部分免受蜡的浸渍。类似的，上半模152的底面部分174紧密地包容并优选接触到底板的下表面44，从而可填充孔78而不会在底面72的其余未接触部分上形成明显的蜡积聚。凸耳的近端部分164形成了层70中的相关圆孔，其与孔63B对齐，以容纳相关的杆主体部分的端部。在一个或两个半模中可设有用于引入蜡的通道180(图3)。

图5显示了备选的下半模，在其隔腔中包含有台阶式深槽202的环。这些凹槽202形成了如下将更详细描述的更显著的蜡模定位特征。这些示例性凹槽具有较宽的圆柱形近端部分204和较窄的远端环形部分206。为了提供所需的蜡的增大体积，蜡的歧管210部分地包围了模腔，并具有用于接受蜡的入口212以及多个用于将蜡输送到模腔中的出口214。

图6显示了该示例性的备选蜡模定位特征220的详细细节。各特征220具有大直径的底座部分222，以及从中向上延伸出来的较窄的环形套筒状部分224。套筒状部分224中的隔腔226可接受蜡模230的突出部分228。示例性蜡模230形成了用于铸造燃烧室面板的最终壳型中的模腔。特征220可形成用于接受晶种的最终壳型中的容积体，以形成最终铸造面板的晶体取向。

图7显示了利用基本上完全平坦的暴露上表面来模制蜡层的第二备选的下半模240。

图8显示了在熔模铸造工艺中使用夹具的示例性的步骤顺序。将底板定位400在下半模中，并装配402半模。注入404蜡或类似材料以形成层70。使蜡冷却406。分开408半模，并在底板上去除410附带在其上的层70。

制备412顶板和杆件，这可与底板的制备并行进行。这种制备涉及将浇注锥体固定在顶板上，并将一层薄蜡或其它脱模剂涂覆在顶板和杆件的剩余表面部分上，以便最终促进从涂层中脱离。杆件可预装在顶板上，或者这一过程可在后续的夹具装配阶段414中进行，在其中可将杆固定到底板上。如果没有被预先模制成层70的一部分，那么可通过例如蜡熔来将蜡隔离结构(例如类似于特征220)或其它蜡模定位特征固定416在该层上。然后定位和固定418蜡模(例如通过蜡熔以及输送结构和任何其它的蜡部件)。在一个或多个涉及湿式或干式浸渍以及湿式或干式喷涂的组合的步骤中施加420涂层。在涂覆期间，通过擦拭件(未示出)来使顶板周向面33和底板周向面45保持干净。这便于后续的顶板和底板从壳型中的脱离。在涂覆步骤之间可采用干燥步骤。

在最后的干燥之后，可去除422顶板。通过脱蜡工艺424例如在高压釜内去除蜡。在脱蜡工艺之后，可以整体的方式来去除426底板和杆件，并将杆件从底板中拆下来以便于两者的再利用。然后修整428壳型(例如，去除包括覆盖了杆件的部分的底面周边部分，以及修整浇注锥体周围的上部)。如果在壳型中存在小瑕疵，那么可对其进行修补430。壳型的下表面可进行喷砂处理432。在给定了由相对较精确的注射上表面71所提供的较高初始平面度时，这种喷砂处理可能相对轻微，并可能完全省略掉。这与浸渍的底板蜡层不同，后者需要大量的喷砂处理，以使蜡模的底面变得平坦。壳型可经过焙烧434以强化壳型，并根据需要施晶种436，以便形成预定的结晶取向。然后可将壳型安装448在铸造炉中，并引入440熔融金属。在金属冷却442之后，可对金属件进行去壳444。通过机加工446使零件彼此分离，去除额外的多余材料，并提供所需的外部和内部的零件轮廓。后机加工处理448可包括热处理或化学处理、喷镀等。

在上文中已经对本发明的一个或多个实施例进行了描述。然而可以理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可以进行多种修改。例如，如果将上述技术应用于现有的制造设备中或应用于现有部件的制造中，那么这些设备或部件的细节可能影响任何具体实施方式的细节。因此，其它的实施例也属于所附权利要求的范围之内。

Claims

1.一种用于形成熔模铸造的结壳夹具部件的方法，包括：

使夹板(42)相对于压模(150，152；200，152；240，152)定位；和

在所述压模和所述夹板的至少第一表面部分之间对第一材料(70)进行模制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述第一表面部分沿着所述夹板的上表面(43)。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述第一材料(70)主要包括一种或多种蜡。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述模制提供了用于所述第一材料的大部分基本上平坦的暴露面(86)。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述模制提供了带有用来定位蜡模的机构(86；220)的暴露面。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，

所述机构包括平坦的抬高区域(86)。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述模制留下了所述夹板的下表面(44)基本上未被覆盖。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

将预模制的第二材料(220)固定在所述第一材料之上。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，

所述第一和第二材料主要包括一种或多种蜡。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，

所述第一和第二材料具有基本上相似的成分。

11.一种用于形成熔模铸造用模具的方法，包括：

形成根据权利要求1所述的熔模铸造的结壳夹具部件；

将一个或多个蜡模(22；230)固定在所述夹板上，所述一个或多个蜡模包括第二材料(104，106)；

在所述一个或多个蜡模的至少一些部分和所述第一材料的至少一部分上涂覆一层或多层涂层(24)；

去除所述夹板(42)；和

基本上去除所述第一材料(70)和所述第二材料(104，106)，从而留下由所述涂层(24)形成的壳型。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，

所述夹板(42)是第一夹板；

将第二夹板(30)相对于所述第一夹板进行固定；和

所述一个或多个蜡模(22；230)的固定使所述一个或多个蜡模固定在所述第一和第二夹板之间。

13.根据权利要求11所述的方法在制造燃气涡轮发动机翼型件的模具中的应用。

14.一种用于熔模铸造的方法，包括：

形成根据权利要求11所述的熔模铸造用模具；

将熔融金属引入到所述熔模铸造用模具中；

使熔融金属凝固；和

破坏性地去除所述熔模铸造用模具。

15.根据权利要求14所述的方法在制造燃气涡轮发动机部件中的应用。

16.一种用于结壳夹具的底板(42)，包括：

第一表面(43)；

与所述第一表面相对的第二表面(44)；

在所述第一和第二表面之间延伸的多个孔(78)，它们成形为不同于垂直于所述第一表面的直圆柱表面；和

主要位于所述第一表面的至少一部分之上并延伸到所述多个孔中的蜡材料(70)。

17.根据权利要求16所述的底板，其特征在于，

所述蜡材料包括用于对齐多个蜡模的机构(86；220)。

18.根据权利要求16所述的底板，其特征在于，

所述多个孔具有介于所述第一和第二表面之间并且比所述第一和第二表面处的截面积更小的截面积。

19.根据权利要求16所述的底板，其特征在于，

所述第一和第二表面具有主平坦部分；

在所述第二表面(44)的主平坦部分上基本上没有所述蜡材料；和

所述蜡材料覆盖了所述第一表面主部分的绝大部分。

20.一种用于在熔模铸造的结壳夹具的底板的至少第一部分上形成层的压模(150，152；200，152；240，152)，包括：

一个或多个与所述底板的至少第一表面协同操作以限定模制材料接受空间的表面；和

用于将模制材料引入到所述模制材料接受空间内的通道(180；212，214)。

21.根据权利要求20所述的压模，其特征在于，所述压模还包括：

至少一个用于使所述底板对齐的机构(162)。

22.根据权利要求20所述的压模，其特征在于，

所述一个或多个表面包括用于使被模制好的模制材料形成蜡模对齐特征(86；220)的的机构(160；202)。

23.根据权利要求20所述的压模，其特征在于，所述压模还包括：

用于在模制期间容纳所述底板的把手(46)的机构(170)。

24.根据权利要求23所述的压模，其特征在于，所述压模还包括：

用于接受所述底板的下表面的第一半模(152)；和

用于模制所述模制材料的上表面的第二半模(150；200；240)。

25.一种熔模铸造的结壳夹具，包括：

基底(42)；和

模制在所述基底上的牺牲材料(70)，其具有直接或间接地与一个或多个熔模铸造蜡模(22；230)相接合的表面部分(90；226)。

26.根据权利要求25所述的夹具，其特征在于，

所述牺牲材料是烃基的；

所述基底是可再利用的；和

所述表面部分包括用于直接或间接地与所述一个或多个蜡模对齐的机构。