在注蠟期間使用柔性蠟模模具沿其長度支撐陶瓷型芯的熔模鑄造
【專利說明】在注蠟期間使用柔性蠟模模具沿其長度支撐陶瓷型巧的膝模 鑄造
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請是2010年12月07日提交的未決申請號為12/961,740(代理人案號為 2010P13199US)的部分繼續申請，該未決申請要求了美國臨時申請號61/267,519(代理人案 號為2009P22785US)的申請日2009年12月08日的權益。
技術領域
[0003] 本發明一般而言設及烙模鑄造領域，并且更具體地，設及使用柔性模具或模具W 形成蠟模作為烙模鑄造工藝的一部分。
【背景技術】
[0004] 烙模鑄造是最早已知的金屬成形工藝中的一種，起源于其最初用于使用諸如銅、 青銅和金制造精細的手工品的幾千年前。在1940年代，第二次世界大戰增大了專用金屬合 金形成的精確尺寸的零件的需求，工業烙模鑄造變得越來越普遍。現在，烙模鑄造普遍用在 航空航天和電力工業中W制造燃氣滿輪機部件，諸如具有復雜的翼形形狀和內部冷卻通道 幾何形狀的翼片或翼片。
[0005] 烙模鑄造燃氣滿輪機葉片或翼片的制造包含制造具有內表面對應于翼形形狀的 外部陶瓷殼的陶瓷鑄造容器，W及位于對應于要在翼形內形成的內部冷卻通道的外部陶瓷 殼內的一個或多個陶瓷型忍。烙融合金被引入陶瓷鑄造容器并隨后被允許冷卻和硬化。然 后通過機械或化學裝置移除外部陶瓷殼和陶瓷型忍W露出具有外部翼形形狀和形狀為陶 瓷型忍的中空的內部冷卻通道的鑄造葉片或翼片。
[0006] 制造用于注模鑄造的陶瓷型忍包括，首先精密加工期望的忍形狀到由高強度硬化 機器鋼形成的匹配的忍模的兩個一半上，然后連接模的兩個一半W定義對應于期望的忍形 狀的注入容積，W及真空注入陶瓷成型材料到注入容積中。成型材料是陶瓷粉和粘結材料 的混合物。一旦陶瓷成型材料硬化為巧體狀態，模的兩個一半分離W釋放巧體狀態的陶瓷 型忍。然后熱處理易碎的巧體狀態的忍W移除粘結劑并一起燒結陶瓷粉W創造可W承受在 烙融合金鑄造中存在所必須的溫度要求的材料。通過在另一個精密加工的硬化鋼模(稱為 蠟模模具或蠟模模具）的兩個連接的一半中定位陶瓷型忍形成整個陶瓷鑄造容器，其定義 了對應于期望的翼形形狀的注入容積，然后注入烙化的蠟至陶瓷型忍周圍的蠟模模具中。 一旦蠟已經硬化，模具的兩個一半分離并移除W露出裝在蠟模內部的陶瓷型忍，此時蠟模 對應于翼形形狀。然后用陶瓷成型材料，諸如通過浸潰法，包覆蠟模的外表面，W形成圍繞 忍/蠟模的陶瓷殼。在該殼體的燒結和隨后蠟的移除之后，完成的陶瓷鑄造容器能夠容納烙 模鑄造工藝中的烙融合金，如上所述。
[0007] 在用陶瓷成型材料包覆蠟模之前插入定位線或銷至蠟模中是進一步已知的。穿透 蠟插入定位線直到它們僅僅輕輕接觸包住的陶瓷型忍，使得在其引起對易碎的陶瓷型忍材 料的損害之前終止線的進一步插入。線的一部分保持延伸超出蠟表面并隨后包在周圍的陶 瓷成型材料中。一旦蠟被移除W及在后續的烙融金屬注入步驟中，定位線用于提供對忍的 機械支撐。線材料，通常是白金，將在烙融金屬注入完成的陶瓷注模之后烙化并變得集成在 最終的鑄造產品中。
[0008] 已知的烙模鑄造工藝是昂貴且費時的，隨著新葉片或翼片設計的發展，通常需要 經歷數月W及數十萬美元來完成。進一步地，設計選擇被陶瓷型忍和蠟模制造中的工藝極 限所限制。金屬形成工業已經認識到運些限制并已經開發了至少一些增量改進，諸如美國 專利7,438,527中描述的用于鑄造翼形后緣冷卻通道的改進工藝。盡管增量改進已經出現 在烙模鑄造技術領域，發明人意識到該工業面臨一些基本限制，運將極大地抑制用于許多 領域中的計劃改進的部件設計，例如在下一代燃氣滿輪發動機中，其中為了提高燃燒效率， 點火溫度持續增大，W及隨著功率級的提高，燃氣輪機熱氣體通道部件的尺寸持續增大。
【發明內容】
[0009] 本發明是用于烙模鑄造的完全新的方案的一部分，并且當在陶瓷型忍周圍鑄造蠟 模時，它集中于柔性模具的使用。特別地，在注蠟步驟中，在沿其長度的點用柔性模具支撐 陶瓷型忍。本發明允許在注蠟步驟中使用更高的壓力用于注蠟而減小忍的損害或移動的發 生。本文描述了整個烙模鑄造工藝，使得讀者可W理解本發明如何匹配并貢獻于新方案。
[0010] 柔性蠟模模具可W形成為在棺式模具中具有柔性插入物的混合模具。柔性插入物 通過使在鑄造特征周圍的柔性插入物變形而有助于從鑄造蠟模移除蠟模模具，其否則需要 多個拉升平面W用于硬模具。可W用母模具鑄造柔性插入物，母模具可W用相當低成本和 低硬度的材料加工，諸如侶或軟鋼。
[0011] -些期望的表面形貌太精細使得它們在后續的處理和陶瓷殼形成步驟中可能無 法存在于蠟的表面。對于運種實施方式，可W結合柔性蠟模模具使用陶瓷插入物。可W形成 陶瓷插入物W具有期望的復雜的表面形貌。陶瓷插入物設置在柔性蠟模模具中并形成定義 注蠟容積的表面的一部分。在蠟注入和固化之后，當移除柔性蠟模模具時，陶瓷插入物保持 粘附到蠟模。隨后，陶瓷型殼形成在蠟模W及其粘附的插入物周圍，諸如通過上述浸潰工 藝，并且插入物在燃燒時成為陶瓷殼的集成部分。
[0012] 放置在柔性蠟模模具中的陶瓷插入物還可W用于定義后續的鑄造金屬零件中的 表面開口通道，諸如用于燃氣滿輪機葉片的后緣冷卻孔。在運個實施方式中，陶瓷插入物將 包括對應于冷卻孔的期望形狀的突出。突出將延伸W與陶瓷型忍接觸，由此定義在后續鑄 造零件中的冷卻通道，其從葉片的中空內部部分（由陶瓷型忍定義)延伸至葉片表面（由陶 瓷型忍的內表面定義）。凸起的遠端可由與陶瓷型忍上形成的配合特征匹配的特征形成。忍 和陶瓷插入物突出之間的機械接觸用于精確地將陶瓷型忍定位于柔性蠟模模具中，并且還 在后續的蠟和金屬注入步驟中機械支撐陶瓷型忍。
[0013] 可W形成蠟模模具的柔性插入物，W包括允許插入物相對周圍的棺式模具精確放 置的對準特征，其進而可W相對于封閉的陶瓷型忍精確放置插入物W及形成在插入物上的 任何特征W用于注蠟工藝。
[0014] 用于形成柔性模具或者柔性模具插入物的成型材料可W浸入或者鑄造在材料或 者器件的周圍，其允許柔性插入物W期望的方式反應;本文寬泛地描述為柔性插入物包含 反應元件。反應元件可W是給予期望的特性至后續固化的材料的填充物材料。例如，如果使 用磁性顆粒作為填充物，固化的柔性插入物將響應于磁能。運種特性對于固定柔性插入物 至周圍棺式模具中是有用的，當形成棺式模具包括永磁體或電磁鐵時。如果導熱或熱絕緣 材料用作填充物，通過柔性插入物的熱傳遞可W在其使用期間被更方便地控制。
[0015] 當形成柔性模具或插入件時可W嵌入在其中的另一種類型的反應元件是活性器 件。運種活性器件可W包括溫度傳感器、壓力傳感器、機械振動器、加熱或冷卻器件、或者在 在后續的注蠟工藝中使用柔性插入物時是有用的其它器件。
[0016] 可W與柔性蠟模模具一起使用定位銷(線），W在金屬鑄造期間機械支撐封閉的陶 瓷型忍，并且重要的是，運些可W在注蠟步驟之前緊靠陶瓷型忍定位。專口的銷支撐元件位 于柔性插入物的表面的凹陷中，由此在注蠟之前將銷相對于陶瓷型忍精確定位。運允許銷 在注蠟期間支撐忍并且其還允許銷比現有技術工藝更加精確地定位，其中現有技術工藝需 要銷插入穿過已經鑄造的蠟模。結果，減少了對易碎的的陶瓷型忍的損害并提高了工藝產 量。可W用特定尺寸和定位的表面特征形成陶瓷型忍W與銷的端部配合，W允許銷沿兩個 軸提供對忍的支撐。
[0017] 本發明中開發的使能技術描述于美國專利7，141，812和7,410,606^及7,411，204 中，均轉讓給位于弗吉尼亞夏洛茨維爾的Mikro Systems有限公司，并且全部通過引用并入 本文中。該技術通常被稱為Tomo光刻成型技術(在下文中稱為"Tomo工藝"），并且它包含了 金屬錐疊片模具的使用W制造柔性衍生模具，然后其進而用于鑄造部件零件。部件設計首 先嵌入在數字模型中，然后被數字化切片，并且使用光刻或者其它精密材料去除工藝形成 對應于每個切片的金屬錐。二維材料去除工藝的固有精度與設計者控制=維中各種切片厚 度的能力相結合提供了之前使用母模具加工工藝不能得到的=維制造公差精度程度。錐片 疊加在一起W形成用于接收合適的柔性成型材料的疊層模具。本文所使用的術語"柔性"指 代諸如室溫硫化(RTV)硅膠的材料或者可W用于形成不像現有技術的金屬模具一樣堅硬的 "柔性模具"的其它材料，但是為了便于從其中鑄造的結構中移除模具，其允許模具彎折并 伸展至一定程度。進一步地，本文所使用的術語"柔性模具"和"柔性模具"包括自立的柔性 結構W及包含在堅硬的棺式模具中的柔性襯墊或插入物。然后部件被直接鑄造于柔性模具 中。因為柔性模具材料在鑄造零件被拉出模具時在特征周圍變形的能力，模具材料的柔性 使能夠鑄造具有凸起底切和反向橫截面錐的部件特征。
[0018] 總的來說，運些改進定義了用于烙模鑄造的新方案，其克服了現有技術中的許多 限制，特別是在烙模鑄造工藝的蠟模部分的限制，如下面更完整地描述的。
【附圖說明】
[0019] 本發明在下面的描述中通過結合附圖詳細說明，附圖顯示了 ：
[0020] 圖1是現有技術的陶瓷型忍。
[0021] 圖2A-2B示出了用于制造用于烙模鑄造工藝的蠟模模具的步驟。
[0022] 圖3示出了位于陶瓷型忍和柔性蠟