用于中空部件的熔模铸造过程制造技术

一种用于中空部件如燃气轮机叶片的熔模铸造过程，使用陶瓷型芯（10），所述陶瓷型芯在柔性模具（24）中利用低压、振动辅助的铸造过程浇铸。柔性模具由主工具（14）浇注形成，主工具由软金属利用相对低精度的加工过程加工而成，通过将高精度形成的插入件（22）结合到主工具中而限定相对高精度的表面。多个相同的柔性模具可由单个主工具形成，以便允许以期望的生产率和以所期望的部件与部件间的精度来制造陶瓷型芯。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及熔模铸造领域。
技术介绍
熔模铸造是最早已知的金属成型过程之一，其可上溯到数千年前，当时其首先用于由金属例如铜、青铜和金来制造细节复杂的艺术品。工业熔模铸造在十九世纪四十年代 变得更加普及，当时第二次世界大战对特殊金属成型的精确尺寸部件的需求很大。现今，熔模铸造广泛应用在航空航天、电力工业中以制造燃气轮机部件，例如具有复杂翼型形状和内部冷却通道几何体的叶片或轮叶。熔模铸造燃气涡轮叶片或轮叶的制造过程包括制造陶瓷铸模，所述铸模具有陶瓷外壳和一个或多个位于陶瓷外壳内的陶瓷型芯，陶瓷外壳具有对应于翼型形状的内表面，陶瓷型芯对应于待形成在翼型内部的内部冷却通道。将熔化的合金引入到陶瓷铸模中，然后让其冷却和硬化。然后通过机械或化学手段来去除陶瓷外壳和陶瓷型芯，以显露出具有外部翼型形状和呈陶瓷型芯形状的中空的内部冷却通道的铸造叶片或轮叶。注模陶瓷型芯通过如下方式制造首先将期望的型芯形状精确加工成相匹配的型芯模具半，这些型芯模具半由高强度硬化的机件钢形成；然后连接这些型芯模具半以限定对应于期望型芯形状的注射体积，并且将陶瓷模制材料真空注入上述注射体积。模制材料是陶瓷粉末和粘结剂材料的混合物。一旦陶瓷模制材料硬化成坯体状态，就分开模具半以得到坯体状态的陶瓷型芯。然后，对脆弱的坯体状态的型芯进行热处理，以去除粘结剂并将陶瓷粉末烧结在一起，从而形成能够承受熔融合金铸造所必需的温度要求的材料。完整的陶瓷铸造容器通过如下过程形成将陶瓷型芯定位在另一个精密加工的硬化钢模具(简称蜡模模具或蜡型工具)的两个连接的模具半内，其中所述硬化钢模具限定了对应于所需的叶片翼型形状的注射体积，然后将熔化的蜡真空注入陶瓷型芯周围的蜡模中。一旦蜡硬化，就分开并去除蜡模模具半，以呈现包裹在蜡型中的陶瓷型芯，现在所述蜡型对应于翼型形状。然后，例如通过浸溃过程在蜡型的外表面覆以陶瓷模制材料，以形成围绕型芯/蜡型的陶瓷外壳。在烧结外壳和随后去除蜡之后，完成的陶瓷铸模可以在熔模铸造过程中接纳熔融合金，如上所述。已知的熔模铸造过程是昂贵和费时的，通常要用许多个月和成千上万美元来完成新型叶片或轮叶设计的开发。此外，设计的选择由陶瓷型芯制造过程中的工艺限制所限制，因为陶瓷型芯具有易碎性并且对于具有精细特征或大尺寸的型芯而言无法实现可接受的产量。金属成形工业已经认识到这些限制，并已开发出了至少一些渐进式的改进，如在美国专利7，438，527中描述的用于铸造翼型后缘的冷却通道的改进过程。由于市场要求燃气涡轮发动机具有越来越高的效率和功率输出，所以现有的熔模铸造过程的限制变得越来越成问题。
技术实现思路
虽然在熔模铸造
中已提出了渐进式的改进，但是本专利技术人已经认识到，该行业面临着基本性的限制，这些限制在许多领域中显著抑制了用于计划进展的部件设计，例如下一代燃气涡轮发动机。燃气轮机点燃温度持续增加以便提高燃烧效率，并且随着功率等级的提高，燃气轮机的热气体路径部件的尺寸持续增加，所以现在需要设计长度超过一米的内部冷却的第4级燃气涡轮叶片。迄今为止没有制造出这样的叶片，也不认为利用今天已知的技术能够有效地制造这种叶片。在现有技术的涡轮机中，由于可用的超合金的高温性能，不需要第4级的内部冷却。由于点火温度上升，下一代的第4级涡轮叶片将超过这些已知合金的运转极限，并需要主动的内部冷却通道以保护部件的完整性。然而，由于复杂的冷却设计以及这些新叶片的投影尺寸，对于这样的冷却通道的熔模铸造所必要的陶瓷型芯超出了现有的熔模铸造过程的商业实践能力。随着期望的设计超过铸造能力，类似的限制可能会出现在其他工业中。因此，本专利技术人开发并在此公开了全新的用于熔模铸造的方案。该新方案不仅延伸和细化了现有的能力，而且还为部件设计者提供了新的、以前不能用的设计实践。因此，在此公开的过程实现了具有如下特征几何形状的铸造金属合金部件的及时的且成本高效的制造所述特征几何形状可能比目前可用的几何形状更大或更小，可能更复杂，可能具有此前从来不能铸造出的形状，并且可能具有以前不能达到但现在对于第4级内部冷却燃气轮机叶片中的非常长且细的冷却通道而言必需的特征纵横比。本专利技术使得铸造技术超过了可预见的需要，并且本专利技术消除了铸造过程中的设计限制，从而使设计师再次将设计延伸到铸造合金和外部应用的热障涂层的材料特性的限制。本文所述的熔模铸造方案在熔模铸造过程中以多个步骤集成了新的和改进的过程。新方案的具体方面在以下的说明和权利要求中更详细的描述；但是，下面的概述提供给读者以熟悉整个过程，从而能够理解各个步骤和它们之间的协同的优点。根据本文所述的一个方案的示例性熔模铸造过程可由通过使用主工具制造用于熔模铸模的陶瓷型芯开始，所述主工具由软金属加工而成，即由(与目前使用的高强度机件钢相比)相对较软、容易加工、廉价的材料如铝或软钢加工而成。形成两个主工具半，每一个主工具半对应于所期望的陶瓷型芯形状的两个相反侧中的一个。在每个主模具中浇注柔性的模制材料以形成两个配合的柔性模具半，两个柔性模具半当连接在一起时限定对应于期望陶瓷型芯形状的内部体积。然后，将陶瓷模制材料注入柔性模具中并且允许其固化成坯体状态。用于生产主模具的成本和时间通过使用容易加工的材料而最小化。然而，用于下一代燃气涡轮发动机的先进设计特征在这种材料中使用标准的机加工过程可能无法很好地转化。相应地，主模具半的至少一部分可设计成用于接纳精确成形的插入件。插入件可通过任何已知的过程成形，如在美国专利7, 141,812,7,410,606和7，411，204中所描述的Tomo过程，这些专利都转让给了弗吉尼亚州夏洛茨维尔的Mikro系统公司，并在此通过参引并入本文。Tomo过程使用金属薄膜堆叠层压模具来生产柔性派系的模具，而该模具又用、于铸造零部件。首先在数字模型中嵌入部件设计，然后进行数字切片，并且使用光刻技术或其他精密材料去除过程形成相应于每个切片的金属薄膜。二维材料去除过程的固有精度与设计师对第三维度中不同切片的厚度的控制能力相结合，为三维制造公差精度提供了使用以前可用的标准模具加工过程所不能达到的程度。然后将薄膜堆叠在一起以形成用于接收合适的柔性模制材料的层压模具。“柔性” 一词在本文中用于指代如下材料，如室温硫化(RTV)硅橡胶或其他能够用来形成“柔性模具”的材料，这种柔性模具不像现有技术的金属模具那样坚硬，而且允许模具弯曲并伸展到一定程度，以便于从该模具内的结构铸件上去除该模具。此外，术语“柔性模具”和“柔性工具”在本文中可用于包括自持性的柔性结构以及包含在刚性棺模内的柔性内衬或插入件。然后直接在柔性模具中浇铸部件。模具材料的柔性能够浇注具有突出的底切和反向锥化的横截面的部件特征，因为当铸件被拉出模具时柔性模具材料能够在特征周围变形。以这种方式，陶瓷型芯的具有相对较低细节程度的部分，如光滑的长的通道部分，可使用廉价的标准机加工过程转化到主模具中，而陶瓷芯的具有相对较高细节程度的其他部分，如微尺寸的表面扰流子或复杂的通道形状，可使用精密的模具插入件转化到主模具 中。此外，对于需要使用多个型芯的冷却通道设计，模具插入件可用于在多个型芯中的每一个中限定精确配合的连接几何形状，从而使得当多个型芯结合地定位在蜡模中时，相应型芯的连接几何形状将机械互锁本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：加里·B·梅里尔，安德鲁·J·布恩斯，迈克尔·P·阿普尔比，伊恩·A·弗雷泽，约翰·R·保卢斯，
申请(专利权)人：西门子能源有限公司，精密系统有限公司，
类型：发明
国别省市：