阅读说明：本技术 精密铸造芯撑的方法 (Method for precisely casting chaplet ) 是由 斯图尔特·T·韦尔奇 于 2020-01-21 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种支承陶瓷注塑成型(CIM)工艺的铸模模具内的可溶插入件结构的方法,所述方法包括以下步骤：形成支承所述模具内的所述可溶插入件结构的至少一个芯撑,所述芯撑由具有与主要内部芯结构基本相似的物理化学性质的陶瓷材料形成；以及定位所述芯撑以使所述可溶插入件结构接触所述模具,所述可溶插入件与所述铸模模具的边缘间隔开。所述芯撑可包括耐火材料或耐火材料的组合。(The present invention provides a method of supporting a soluble insert structure within a mold die of a Ceramic Injection Molding (CIM) process, the method comprising the steps of: forming at least one chaplet supporting the soluble insert structure within the mold, the chaplet being formed of a ceramic material having substantially similar physicochemical properties as a primary internal core structure; and positioning the chaplet such that the soluble insert structure contacts the mold, the soluble insert being spaced apart from an edge of the casting mold. The chaplet may comprise a refractory material or a combination of refractory materials.)

精密铸造芯撑的方法

技术领域

本发明涉及一种在脱蜡或精密铸造期间支承芯的方法。

背景技术

在生产用于气体涡轮引擎的叶片或轮叶时，使用脱蜡或精密铸造是众所周知的。精密铸造是脱蜡铸造工艺的演变，在脱蜡铸造工艺中，通过将蜡注入模具中，然后将蜡浸渍在陶瓷浆料中形成外壳，从而制造出所需的部件。然后去除蜡并将陶瓷壳焙烧至硬化。所得的壳具有开放腔，用于将金属倾倒到其中，以便生产出期望尺寸和形状的产品。精密铸造是这一工艺的演变，并且用于形成中空的近净形金属部件。采用后一种工艺是因为其允许可靠地制造复杂形状。

该工艺可进一步用于形成一系列复杂的内部冷却通道，这些内部冷却通道在现代涡轮叶片和轮叶设计中是期望的。为了生产这些部件，通常使用陶瓷注塑成型(CIM)技术单独制造陶瓷芯。在这种工艺中，陶瓷材料(通常是二氧化硅)在注入所需形状的模腔之前悬浮在有机粘结剂中。在注入蜡之前，陶瓷芯被定位在铸模中并且在添加熔化的金属期间保留在陶瓷壳中。内部陶瓷芯随后可在稍后的工艺阶段被去除，以在其被定位的地方留下空隙。可使用可溶芯制造技术来制造陶瓷芯。在注入陶瓷芯材料之前，可溶插入件被预制并被放置在铸模中。该可溶插入件随后可被溶解和去除。英国专利GB 2096523B和美国专利US4384607公开了这种工艺的方法。可溶芯制造技术的使用是所期望的，因为其允许制造复杂的凹角特征部。

使用精密铸造工艺生产中空部件的一个问题在于在经历各种工艺阶段时将陶瓷芯保持在其正确位置的能力。克服这一问题的一种方法是使用可由塑料材料形成的芯撑，该芯撑可在注蜡工艺前安装在芯和外模具之间。芯撑是在注入蜡模期间支承陶瓷芯的有效方法，然而，这种做法不能直接转换用于克服陶瓷芯制造期间的可溶插入件移动的问题。这是因为塑料芯撑会在所形成的陶瓷形状上留下一个凹入部。虽然可以努力修复或设计这些凹入特征部，但这些问题限制了塑料芯撑的使用范围。

如所讨论的，当前的方法存在去除在工艺期间由塑料芯撑留下的标记的问题，这些标记可影响总体部件，并且需要对最终产品进行进一步处理。而且，它们可能无法将可溶插入件保持在正确位置至所需公差。当使用可溶芯制造技术时，将可溶插入件保持在适当位置的当前方式是通过使用芯座，这些芯座是可溶插入件的特征部，这些特征部延伸超过可溶插入件并因此改变可溶插入件的轮廓，这对于芯设计是不利的。最终，期望减少模具和可溶插入件之间的接触点的数量，从而可以实现较大的未支承面，从而允许产生与涡轮部件技术相关的改进的冷却设计。然而，为了实现这一点，可溶插入件必须在其他位置受到良好的支承以防止移动，因为在模制工艺期间可溶插入件的任何滑动或变形都会导致不一致的陶瓷芯。本发明的目的是克服或至少最小化精密铸造工艺中的一个或多个这些限制。

发明内容

在本公开的第一方面，提供了一种支承陶瓷注塑成型(CIM)工艺的铸模模具内的可溶插入件结构的方法，该方法包括以下步骤：形成可溶插入件结构，形成支承模具内的可溶插入件结构的至少一个芯撑，该芯撑由具有与可溶插入件结构基本相似的物理化学性质的陶瓷材料形成；以及定位所述芯撑以使所述可溶插入件结构接触所述模具，所述可溶插入件与所述铸模模具的边缘间隔开。

本发明的益处在于芯撑成为陶瓷芯的整体部分。这允许在执行了精密铸造工艺之后的下游陶瓷芯去除工艺中同时去除芯和芯撑；这简化了精密铸造工艺。该方法还可限制对可溶插入件的损坏和陶瓷芯随后的不一致性，或者限制在设计阶段为适应可溶插入件的定位而必须增加的折衷设计。因此，该方法允许制造更复杂的内部结构，这继而可导致部件在其内具有改善的冷却流。

芯撑可包括耐火材料或耐火材料的组合。

耐火材料可选自二氧化硅、氧化锆、氧化铝、铝硅酸盐以及它们的组合。

可使用胶将芯撑粘附到可溶插入件的表面。

通过使芯撑与可溶插入件的表面接触并熔化芯撑的表面或可溶插入件的表面，芯撑可被粘附到可溶插入件的表面。

通过使芯撑与模具表面接触并熔化芯撑的表面或模具表面，芯撑可被粘附到模具表面。

使用模具上的位置特征部来安装芯撑。

该方法中所得的可溶芯和芯撑可具有在约1.3g/cc至2.5g/cc的范围内的体密度。

该方法中所得的可溶芯和芯撑可具有孔隙度约为20％至40％的芯。

该方法中所得的可溶芯和芯撑可由在约30重量％至98重量％的范围内的二氧化硅制成。

该方法中用于可溶芯和芯撑的CIM材料包括在约10重量％至25重量％的范围内的粘结剂。

该方法可用于生产用于气体涡轮引擎的轮叶、叶片或密封段。

芯撑可与芯同时从最终铸造件中去除。

在铸造工艺中可使用多种可溶芯。

该方法还可包括在铸模模具内围绕可溶插入件结构和至少一个芯撑进行物体的注塑成型。

本领域的技术人员将理解，除非相互排斥，否则关于任何一个上述方面描述的特征如作适当变动，可以应用于任何其他方面。此外，除非相互排斥，否则本文中描述的任何特征可以应用于任何方面以及/或者与本文中描述的任何其他特征组合。

附图说明

现在将参考附图仅以举例的方式来描述实施方案，其中：

图1是气体涡轮引擎的截面侧视图；以及

图2是适用于本公开的方法的芯撑的一个示例。

具体实施方式

参考图1，气体涡轮引擎通常用10表示，具有主旋转轴线11。引擎10以轴流式串联方式包括进气口12、推进式风扇13、中压压缩机14、高压压缩机15、燃烧设备16、高压涡轮17、中压涡轮18、低压涡轮19和排气喷嘴20。短舱21通常围绕引擎10并且限定进气口12和排气喷嘴20。

气体涡轮引擎10以常规方式运转，使得进入进气口12的空气被风扇13加速以产生两股气流：进入中压压缩机14的第一气流和通过旁路管道22以提供推进推力的第二气流。中压压缩机14在将空气输送到高压压缩机15(其中发生进一步的压缩)之前，压缩被引导至其中的气流。

从高压压缩机15排出的压缩空气被引导至燃烧设备16中，在该燃烧设备中压缩空气与燃料混合，并且混合物被燃烧。然后，所得的热燃烧产物在通过喷嘴20排出之前通过高压涡轮17、中压涡轮18和低压涡轮19膨胀，从而驱动高压涡轮、中压涡轮和低压涡轮以提供额外推进推力。高压涡轮17、中压涡轮18和低压涡轮19各自通过合适的互连轴分别驱动高压压缩机15、中压压缩机14和风扇13。

本公开可应用的其他气体涡轮引擎可具有另选配置。以举例的方式，此类引擎可具有另选数量的互连轴(例如，两个)和/或另选数量的压缩机和/或涡轮。另外，该引擎可包括设置在从涡轮到压缩机和/或风扇的驱动系中的齿轮箱。

此类引擎的涡轮部件的生产需要复杂的铸造。为此，使用一种精密铸造工艺。在注入蜡之前，将陶瓷芯部件定位在模具的凹坑内。使用可溶芯制造技术，因为该可溶芯制造技术能够形成复杂的内部通路，该复杂的内部通路由于模具中的拉升平面而不能通过常规方式形成。在防止芯的移动的过程期间，在模具的凹坑内使用塑料芯撑来支承陶瓷芯部件。该塑料芯撑被放置在模具内，通常附接到陶瓷芯，以防止陶瓷芯在注蜡工艺期间的任何移动。因此，该芯撑用于保持铸造件内的最小壁部分。在该过程中，陶瓷芯的任何移动都可能导致必须被报废的故障叶片。在其中设计要求规定只能使用少量接触点或者需要较大未支承表面的情况下，由于缺乏支承，陶瓷芯部分具有更大的移动和/或断裂的可能性。为避免这种情况，选择和定位芯撑是至关重要的；因此，通过具有这些芯撑的不同尺寸和形状，允许制造这些复杂结构。

在制造叶片、轮叶或密封段的过程中，使用已知的标准工艺。当需要高级设计时，可选择可溶芯制造技术并且通过将陶瓷材料注塑成型到包含可溶插入件的模具中形成适当形状的陶瓷芯。用于支承模具内的可溶插入件结构的至少一个芯撑由陶瓷材料形成。在这种情况下，该芯撑由具有与芯相似的物理化学性质的材料形成。也就是说，它们可以具有相似的密度或溶解性、物理或热性质中的一种或多种。芯撑和芯可以由包括二氧化硅、氧化锆、氧化铝、铝硅酸盐或其他耐火材料的陶瓷形成，并且可以使用蜡或基于聚合物的粘结剂结合。使用耐火材料是因为它们耐受热、压力或化学品的分解，这在铸造工艺中是理想的。将可溶插入件连同必需的芯撑放置在模具内的适当位置，以防止可溶插入件移动。芯撑相对于可溶插入件的定位需要考虑可溶芯的位置和可溶芯的尺寸变化。可溶芯使用陶瓷注塑成型技术形成。然后将可溶芯从模具中去除。然后在焙烧工艺中将其脱粘并烧结。在芯用于注蜡工艺前，对可溶芯执行最终检查步骤。在注蜡步骤之前，应进行检查以确保使用正确的芯撑并且将它们定位在正确的位置。陶瓷材料被注入模具中，随后可围绕芯将蜡注入模具中。当蜡已经固化后，将内部具有芯结构的蜡体从铸模中去除，并且浸渍在陶瓷浆料中以形成壳，然后去除蜡，并且焙烧壳至硬化，其中芯和芯撑位于其中。然后将熔化的金属倾倒到壳中以形成期望尺寸和形状的叶片或其他合适的部件。在金属固化之后，壳破碎，留下铸造叶片，该铸造叶片具有通过可溶芯制造工艺制造的陶瓷芯以及已经成为可溶芯的整体部分的芯撑。然后可通过将芯材料溶解在适当的溶剂中通过浸取芯材料来去除这些。溶剂可为例如氢氧化钠或氢氧化钾，或者对于本领域技术人员将是显而易见的任何其他合适的溶剂。另选地，芯撑可被设计和构造成在完成之后从铸造件中掉出。

芯撑本身的形成旨在满足两个主要标准：第一，最小化陶瓷芯上形成的任何表面缺陷；以及第二，确保芯撑保持其在可溶插入件和模具表面之间的位置。芯撑还会在陶瓷芯表面上留下一个参考标记，该参考标记需要最小化。这意味着，可溶芯撑的期望形状是使可溶芯撑是点接触件，而不是具有宽基部和小接触点并在铸造工艺之前去除的常规芯撑。然而，由于这些侧面中的一个需要粘附到模具表面或可溶插入件，这使用起来是不实用的。因此，可能期望在关键区域上使用点接触芯撑并且在非关键区域中使用更复杂的芯撑设计。图2示出了非点接触芯撑20的一个示例。该示例中的芯撑是通过注塑成型一种与陶瓷芯具有相似物理化学性质的材料而形成的。该材料以常规方式注塑成型到合适形状和尺寸的模具或浇口中。在所示的示例中，凹陷部22被添加到芯撑，以允许使用更高水平的胶。使用的材料可包括二氧化硅、氧化锆、氧化铝、铝硅酸盐或其他耐火材料。它们也可使用蜡或基于聚合物的粘结剂结合。芯撑不限于这种形状，而是可以是从点接触件到更复杂形状的任何合适的形状。

物理化学性质可包括硬度、密度、组分、在不同溶剂中的溶解度或任何其他合适的物理化学性质。这可能意味着芯撑和芯由相同或相似的材料制成，或者在常用溶剂中具有相同或稍微不同的溶解度。相似性可能意味着物理性质彼此相差在20％以内。优选地，它们可彼此相差在10％或5％以内。例如，芯和芯撑可由在约30％至98％的范围内的二氧化硅制成。锆可在约0％至30％的范围内存在。氧化铝可在约0％至30％的范围内存在。铝硅酸盐可在约0％至30％的范围内存在。可以在注塑配方中添加约10％至25％的粘结剂。此外，可包括在约0％至5％的范围内的次要添加剂。这可提供孔隙度约为20％至40％的芯。该芯可具有在约1.3g/cc至2.5g/cc的范围内的体密度。上面的示例只是可以使用的材料的一个示例，因为本领域技术人员将会理解，可以使用其他合适的材料，诸如用氧化铝代替混合物中的二氧化硅。存在三种选项可以将芯撑固定到位，它们可以是：将芯撑粘附到可溶表面，将芯撑粘附到模具表面；或者使用位置特征部。如果将芯撑粘附到可溶插入件或模具的表面上，则存在若干选项。该芯撑可被胶合；这些可以是基于溶剂的粘合剂、基于温度变化的粘合剂或基于化学反应的粘合剂。在这种情况下，优选薄层以最小化对部件表面的影响，因为在热处理期间胶将被烧尽并且在表面上留下凹入部。该芯撑可以熔化并推动与被粘附到的表面接触，并且允许冷却。另选地，另一种材料可在两者之间熔化并用作粘合剂。如图2所示，芯撑可被设计成增强胶粘附性，例如，这可以通过在芯撑上形成凹陷部以允许使用更高水平的胶来完成。另一种选项是通过添加位置特征部，从而使芯撑在可溶插入件上或在模具内自定位。这可以针对在关键点使用单个芯撑或针对围绕芯结构定位的多个芯撑来完成。可能需要互连的通道，使得芯撑不接触可溶插入件的表面或模具的表面。通过不使用胶，减少了所使用的工艺步骤的数量。

应当理解，本发明不限于上述实施方案，并且在不脱离本文中描述的概念的情况下可进行各种修改和改进。除非相互排斥，否则任何特征可以单独使用或与任何其他特征组合使用，并且本公开扩展到并包括本文中描述的一个或多个特征的所有组合和子组合。