[发明专利]用于铸造的高温工程刚度芯-壳模具

说明书

本发明提供了一种制造陶瓷模具的方法。该方法包括以下步骤：使工件的固化部分与液体陶瓷光敏聚合物接触；通过接触液体陶瓷光敏聚合物的窗口辐照液体陶瓷光敏聚合物中邻近固化部分的一部分；使工件移离未固化液体陶瓷光敏聚合物；以及重复步骤，直到形成陶瓷模具。陶瓷模具包括用于产生铸造制品的第一开口，以及用于接收支承构件的第二开口。

技术领域

本公开内容主要涉及用于铸造的高温工程刚度芯-壳模具部件及使用这些部件的工艺。根据本发明制造的芯-壳模具使用结构支承件来适应经由增材工艺制作的陶瓷件。高温结构支承件可在铸造过程的液态金属倾倒阶段期间使用来改善铸造冷却速率。因此，芯-壳模具提供铸造操作中的有用性质，如，用于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

燃气涡轮发动机通常包括至少一个压缩机来加压将导入燃烧器的空气。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。一个或多个涡轮区段可对压缩机、风扇、轴中的任一个供能，且/或可通过膨胀穿过喷嘴来提供推力。

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沟槽，所述沟槽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沟槽。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，例如短的扰流肋条或销(short turbulator ribs or pins)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蛇形冷却通道。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。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。