專利名稱：用于澆鑄冷卻通道和加強件定形的定形型芯的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種預制的難熔金屬型芯，以及采用這樣一種型芯來澆鑄冷卻通道的方法。更具體的，本發明涉及將這樣一種難熔金屬型芯應用于鑄造過程的方法，該難熔金屬型芯由可移動翼片(tabs)和基體組成，從而提供一種具有冷卻通道和確定結構的鑄造部件。
由于由難熔金屬所形成的冷卻通道用于熱量的消散和/或移除，該熱量在與這種通道一體的操作部件內，因而使這種操作部件的表面具有一種孔圖案通常是有益的，該孔自操作部件的外側或內側起、穿過該部件的厚度延伸入該部件內，由此就可通過提供冷卻流來消散熱量。這樣一種孔圖案可通過后加工操作來實現，該后加工操作包括冷卻孔的激光鉆孔。通過激光鉆孔和放電加工(EDM)進行再鑄造的冷卻通道/孔易于形成先期裂縫，并縮短使用年限/壽命。另外，通過這種鉆孔方法生成的冷卻通道，其剖面的幾何形狀難以改變。由于操作部件的不同區域可能經受不同的力和熱量，因此優選的是，能夠改變冷卻通道的剖面幾何形狀，該冷卻通道被鉆入一部件的不同區域內。
另外，許多部件的復雜形狀導致了某些區域通過鉆孔很難或不可能到達，因而必然難以提供有效的冷卻。這些區域包括但并不限于，連接銷/鉤與燃燒室面板的暴露面之間的空間，軌道附近，部件邊緣，以及金屬孔眼。
同樣，理想的是特制冷卻(tailored cooling)。除了可提高冷卻效率外，這種特制可適應空氣動力性能。
因此，需要一種采用難熔金屬來澆鑄部件的方法，該部件的表面具有冷卻通道或孔的圖案，經由該冷卻通道或孔可消散熱量。理想地，這種孔的剖面幾何形狀應該是可設置的，以使該孔的熱量消散及空氣動力性能通常與其在部件上的定位要求相對應。另外，需將這種冷卻通道定位放置于一部件上，該部件的幾何形狀避免了鉆這種孔。
發明內容
因此，本發明的目的是提供一種在工件內澆鑄冷卻通道的方法。
本發明的另一個目的是提供一種底基型芯，其用于在工件內澆鑄冷卻通道。
依照本發明，一種用于澆鑄工件的方法包括下列步驟將一底基型芯涂覆一保護層，圍繞底基型芯的翼片噴注模制物質；將底基型芯封裝在一殼內；除去模制物質；圍繞底基型芯進行澆鑄；除去底基型芯；所述底基型芯包括一金屬條，包含一通常為平面的擴展面；在金屬條上以重復圖案排列的多個翼片，每個翼片包括一基端；一終端；以及一自基端延伸至終端的翼片軸；其中，每個翼片可圍繞每個翼片的基端改變角度。
依照本發明，一種用于在工件內澆鑄冷卻通道的底基型芯，包括一金屬條，包括通常為一平面的擴展面；在金屬條上以一圖案排列的多個翼片，每個翼片包括一基端；一終端；以及一自基端延伸至終端的翼片軸；其中，每個翼片可圍繞每個翼片的基端獨立地改變角度，彎曲底基型芯以形成一種折回型芯(hard back core)。
圖1(a)為翼片的一種優選重復圖案的示意圖，該翼片組成本發明的型芯。
圖1(b)為翼片的另一種優選重復圖案的示意圖，該翼片組成本發明的型芯。
圖1(c)為本發明型芯的透視圖，其中翼片可變換角度。
圖2為澆鑄前本發明型芯的剖面示意圖。
圖3為澆鑄后本發明型芯的透視示意圖。
具體實施例方式
本發明的底基型芯不同于澆鑄過程中現行使用的難熔金屬型芯，在這方面該底基型芯與在澆鑄初始階段所使用的模具的內表面形狀一致，并在去殼/澆鑄過程中具備結構強度和形狀。此外，如以下將要更詳細描述的，本發明的底基型芯由機械彎曲的翼片組成，該翼片反過來又整體地形成了澆鑄冷卻通道或冷卻孔。
結構折回型芯可由金屬箔形成，該金屬箔由經過切削操作的難熔金屬組成。該切削操作包含經由激光加工、光刻或化學蝕刻、直接澆鑄或鍛造、傳統機械加工、或沖壓而將一定結構切削為金屬箔。在本發明中，將由這種金屬箔制成的難熔型芯機械彎曲，以與模具的彎曲部分緊密配合，該模具的內容積與以下部件的形狀相對應，但并不限于，這些部件為燃燒室爐襯/面板/隔熱屏/燃料-空氣系統/渦輪翼面/葉片/氣封裝置/端墻/平臺，以及燃氣渦輪排氣部件。這樣形成的、與模具緊密配合的難熔型芯就形成了底基型芯。初始的彎曲操作可在切削操作之前，同時或之后進行。
由于切削操作，矩形小翼片在底基型芯內被切削形成指狀冷卻通道或孔的負件(negatives)。該底基型芯作為提供部件彎曲部分的結構件。保持該指狀物與底基型芯連接，并將其機械彎曲從而自該底基型芯形成翼片或材料的伸出部分。由此，在澆鑄部件中這些伸出部分形成了冷卻通道或孔。在一優選實施例中，在彎曲金屬箔之后，在底基型芯與模具緊密配合之前，彎曲該型芯的翼片。對于傳統的熔模鑄造，在向模具內澆注模材料例如蠟之前，將型芯置于模具內。接著，鑄模進行去殼處理，所述鑄模具有與該鑄模一體的型芯。取出該模制材料從而在殼內形成空殼體，而型芯保持與該殼連接。
在澆鑄過程的最后階段，將金屬注入或噴入該底基型芯周圍的模制殼中以形成一部件。被噴入的金屬的溫度可足夠高從而局部氧化該底基型芯。因此，為防止難熔金屬型芯在高溫下熔解和氧化，例如，在鑄造過程中，給預制的型芯提供一保護層。在一優選實施例中，保護層包括但并不限于陶瓷。本發明廣泛包括任何一種這樣的涂層，從而在鑄造過程中有效防止金屬型芯熔解和氧化。該涂層還保證了所述部件及冷卻通道/孔的表面質量。
參照圖1(a)-(b)，其示出了金屬箔19的兩種優選實施例，該金屬箔19形成了本發明的底基型芯10。金屬箔19包括多個以重復圖案排列的翼片17。每個翼片17具有一基端11，一終端13以及一自該基端11起延伸至該終端13的翼片軸15。圖1(a)中的翼片軸15基本上成直角彎曲，而圖1(b)中的翼片17在結構上通常是線性的，且自基端11起基本上呈直線地延伸至終端13。由于該翼片17可繞著其基端11改變角度，從而形成如以下將更詳細描述的冷卻通道，該翼片17的形狀決定了冷卻通道的幾何形狀，并因而決定了所形成冷卻通道的空氣動力性能及熱轉移性能。因此，盡管在此示出了兩種優選的翼片幾何形狀，但本發明廣泛地包括任何一種翼片幾何形狀，只要所述翼片幾何形狀適合于制造具有理想的熱轉移性能和空氣動力性能的冷卻通道。
參照圖1(c)，其示出了底基型芯10的透視圖，其中，每個翼片17已圍繞其基端11機械移動或彎曲。結果，每個翼片軸15按照通常一致的方式伸出該底基型芯10的主平面，但是本發明并不限于這種一致的方式。
等軸、定向固化、單晶的鎳及鈷超合金通常用于形成操作部件，該操作部件包括但并不限于燃燒室襯板和高溫段渦輪部件鑄件。傳統的，這些部件是熔模(或負引力)或受控固化的鑄件，該鑄件采用在模具內形成的蠟正件。該模具是經機械加工的鋁(或其它可選材料)，且其起皺、澆口和氣眼得到補償。密封該模具，并用一模制物質通常為蠟來澆注該模具從而形成所述部件。接著，除去該模具，該蠟部件基本上與預涂的成殼物質/灰泥連接在一起，從而形成環繞操作部件的殼。自該殼將蠟升溫，從而形成金屬部件的鑄模。
在本發明中，可改變和增加模具的尺寸，以適應經涂布的底基型芯。在一優選實施例中，將該底基型芯置于模具內，從而該底基型芯通常與模具的內表面齊平，然后圍繞該底基型芯噴注蠟。為準確定位，該模具還可改進為具有基準/連接銷和孔，以將底基型芯緊固在模具內。可替換的預制蠟部件鑄模的方法，包括快速成樣方法，也可對該方法進行調整以適應這些底基型芯。傳統型芯也可與模具一體，這種底基型芯與該模具相結合。后面的澆鑄過程，可通過化學移除，熱濾取，或氧化處理來除去型芯。
參照圖2，其示出了本發明底基型芯10在除去模具及隨后的去殼過程后，但在澆鑄之前的剖視圖。如圖所示，每個翼片17都自底基型芯10移動一角度θ。底基型芯10的表面具有一保護層21。在彎曲底基型芯10之前施加保護層21，以與模具緊密配合。該保護層21防止難熔金屬型芯熔解和氧化，特別是在鑄造過程中遇到高溫時，該保護層21使部件具有理想的表面質量。
底基型芯10具有足夠的剛度，以作為一種結構折回型芯。像此處所使用的，“折回型芯”指在鑄造過程中提供形狀和結構支撐的部件。因此，本發明的底基型芯10可作為一種折回型芯。在一優選實施例中，底基型芯10與模具的內表面緊密配合，同時將模制物質注入該模具內以覆蓋該底基型芯10朝內的表面。一種優選的模制物質為蠟，但也可為任何一種物質，只要該物質在去殼過程中可保持其形狀并在隨后可除去。以圍繞每個翼片17的方式注入模制物質從而形成模制層25，同時允許每個翼片17經由模制層25伸出。
在注入模制物質并使其硬化后，自模具上移除模制物質。經涂布的底基型芯10與所圍繞的模制層25基本上連接在一起，且具有預制的去殼材料/灰泥層，從而形成圍繞操作部件的殼23，之后可通過例如加熱來硬化該殼。接著，自殼23取出模制層25，從而形成用于操作部件的鑄模。然后將金屬注入取空后的殼23內，并移去殼23，結果底基型芯10與一鑄造操作部件接觸，并經由此伸出多個翼片17。
參照圖3，其示出了在移除型芯及澆鑄后的操作部件的透視圖。一旦經由化學移除、熱濾取，或氧化處理(或其它可采取的足以除去該底基型芯的方法)而去除該底基型芯后，彎曲翼片原先所占據的空間就形成了冷卻通道，經由此可通過冷卻劑消散和移除熱量。如上所述，當翼片被切削成金屬箔從而形成底基型芯時，通過改變翼片的幾何形狀，就可以改變冷卻通道的剖面，從而改變冷卻通道的熱轉移性能和空氣動力性能。型芯的厚度給確定冷卻孔/通道的形狀及尺寸提供了另一種自由度。
在本發明中可修整型芯，以滿足特定部件結構的性能要求。在這點上，型芯可以是相當小、薄、定形、以及翼片彎曲，從而既優化冷卻性能又控制流動損失/流量系數。翼片可排列成重復、指定或特制的結構，該構造的密度和定向與鑄造部件的冷卻要求相匹配。另外，彎曲翼片可對目前難以進行冷卻的位置進行冷卻。這些位置包括但并不限于連接銷/鉤與燃燒室面板的暴露面之間的空間，軌道附近，部件邊緣，以及金屬孔眼。
將該型芯直接用于鑄造過程的結果是，操作部件具有了由冷卻通道而產生的優點，且不再需要或簡化了包括激光鉆冷卻孔在內的后處理操作。同樣，避免了由激光鉆孔和放電加工(EDM)進行冷卻通道/孔的重鑄，激光鉆孔和EDM會形成早期裂縫并縮短使用年限/壽命。
另外，由于這是一種自動的型芯形成過程，還可改進孔形狀的一致性。最后，該型芯在去殼過程中具有強度和形狀。結果，在澆鑄過程中更易于保持部件形狀和容差，從而提高了產量，并省略了后澆鑄部件工作。
明顯的，依照本發明，提供了一種將難熔金屬型芯用于澆鑄過程的方法，該難熔金屬型芯包括可移動翼片，從而提供一種具有冷卻通道的鑄造部件，該冷卻通道能完全滿足先前所闡明的目的，方法和優點。盡管已參照特定實施例對本發明進行了說明，但明顯的是，本領域技術人員在閱讀了前述說明后可對其作出其它各種替換，修改和變化。相應的，這些替換，修改和變化都落在所附權利要求書的寬廣范圍內。
權利要求
1.一種用于在工件內澆鑄冷卻通道的底基型芯，包括一金屬條，包括一通常為平面的擴展面；在所述金屬條上以一定圖案排列的多個翼片，每個所述翼片包括一基端；一終端；以及一自所述基端延伸至所述終端的翼片軸；其中，每個所述翼片可繞所述翼片的每個所述基端獨立地改變角度，以及其中，所述底基型芯被彎曲成為一種折回型芯。
2.根據權利要求1所述的底基型芯，其特征在于，所述翼片軸通常以線性方式延伸。
3.根據權利要求1所述的底基型芯，其特征在于，所述翼片軸自一個所述基端以非線性方式延伸至相應的一個所述終端。
4.根據權利要求1所述的底基型芯，其特征在于，所述金屬條包括難熔金屬。
5.根據權利要求4所述的底基型芯，其特征在于，所述難熔金屬從包括鉬和鎢的組中選出。
6.根據權利要求1所述的底基型芯，其特征在于，所述翼片經由激光加工形成。
7.根據權利要求1所述的底基型芯，其特征在于，所述翼片通過光刻形成。
8.根據權利要求1所述的底基型芯，其特征在于，所述翼片通過化學蝕刻形成。
9.根據權利要求1所述的底基型芯，其特征在于，所述翼片通過直接澆鑄形成。
10.根據權利要求1所述的底基型芯，其特征在于，所述翼片通過機械加工形成。
11.根據權利要求1所述的底基型芯，其特征在于，所述翼片通過沖壓形成。
12.根據權利要求1所述的底基型芯，其特征在于，所述工件從包括渦輪、燃燒室爐襯、面板、隔熱屏、燃料空氣系統、渦輪翼面、葉片、氣封裝置、端墻、平臺、以及燃氣渦輪排氣部件的組中選出。
13.一種用于澆鑄工件的方法，包括下列步驟給一底基型芯涂覆一保護層，所述底基型芯包括一金屬條，包括一通常為平面的擴展面；在所述金屬條上以一圖案排列的多個翼片，每個所述翼片包括一基端；一終端；以及一自所述基端延伸至所述終端的翼片軸；其中，每個所述翼片可繞每個所述翼片的所述基端改變角度；圍繞所述底基型芯的所述翼片噴注模制物質；將所述底基型芯封裝在一殼內；除去所述模制物質；圍繞所述底基型芯進行澆鑄；以及除去所述底基型芯。
14.根據權利要求13所述的方法，還包括下列步驟在噴注所述模制物質之前，使所述底基型芯與一模具的表面配合；以及除去所述模具。
15.根據權利要求14所述的方法，還包括步驟彎曲所述底基型芯，以使其與所述模具的表面齊平。
16.根據權利要求15所述的方法，還包括步驟利用連接銷將所述底基型芯固定在所述模具的所述表面上。
17.根據權利要求13所述的方法，其特征在于，所述底基型芯形成了一種折回型芯。
18.根據權利要求13所述的方法，其特征在于，所述工件自包括渦輪、燃燒室爐襯、面板、隔熱屏、燃料-空氣系統、渦輪翼面、葉片、氣封裝置、端墻、平臺、以及燃氣渦輪排氣部件的組中選出。
全文摘要
一種用于澆鑄工件的方法，包括下列步驟將一底基型芯涂覆一保護層，圍繞底基型芯的翼片噴注模制物質，將底基型芯封裝在一殼內，除去模制物質，圍繞底基型芯進行澆鑄，以及除去底基型芯；所述底基型芯包括一金屬條，包括一通常為平面的擴展面；在金屬條上以一圖案排列的多個翼片，每個翼片包括一基端；一終端；以及一自基端起延伸至終端的翼片軸；其中，每個翼片可繞每個翼片的基端改變角度。
文檔編號B22C9/24GK1460565SQ0314075
公開日2003年12月10日 申請日期2003年4月29日 優先權日2002年4月29日
發明者S·W·博德 申請人:聯合工藝公司