改變陶瓷芯的表面的方法

專利名稱：改變陶瓷芯的表面的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及用于高溫環(huán)境的金屬部件。更具體地說，本發(fā) 明涉及在用于渦輪裝置的熱氣通道部件中的凹部的形成。
背景技術(shù)：
各種金屬部件被使用于高溫環(huán)境下。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)零件是代表這些 種類部件的例子。這些零件通常由熔模鑄造方法制造。
為了運(yùn)轉(zhuǎn)效率，沿著渦輪機(jī)熱氣通道出現(xiàn)的峰值溫度通常保持盡 可能高。發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片和其它元件通常由金屬合金(例如超合金) 制成，這些合金能耐受高溫環(huán)境。超合金通常具有大約為1000-1150°C 的工作溫度限制。超過該溫度的情況下的工作可能造成不同渦輪元件 的失效及發(fā)動(dòng)機(jī)的損壞。
渦輪機(jī)的熱氣通道部件通常采用多種內(nèi)部通道，冷卻流體(比如 空氣)穿過這些通道。冷卻流體的使用將部件的總體溫度保持在可接 受溫度下。美國(guó)專利6644921 ( Bunker等人)論述了各種部件中的冷 卻通道的使用，例如渦輪葉片。美國(guó)專利5690472 (Lee)描述了一種 用于渦輪翼片的內(nèi)部網(wǎng)眼冷卻孔裝置。
許多不同類型的冷卻通道可用于各種情況。這些內(nèi)部通道通常由 熔模鑄造過程中的陶瓷芯來成型。從最后的鑄造中去掉該芯產(chǎn)生了期 望的中空通道，這通常是一種用于冷卻流體的復(fù)雜且精確限定的內(nèi)部 流動(dòng)網(wǎng)全各。通常，冷卻通道包含著能極大增強(qiáng)部件冷卻效率的表面特征。例
如，該通道可包含紊流裝置(turbulation) 。 Bunker等人的相關(guān)專利 提及了這種形式為橫向肋突起的紊流裝置中的應(yīng)用。所獲得的冷卻效 率的增強(qiáng)明顯降低了渦輪部件的工作溫度。
紊流對(duì)增強(qiáng)沿?zé)釟馔返睦鋮s效率可以是非常有效的。然而，在 一些場(chǎng)合下，有一些缺點(diǎn)與這種特性有關(guān)。例如，在翼片表面的一些 區(qū)域上應(yīng)用紊流可能造成不希望的極大壓力損失，其原因在于摩擦效應(yīng)。
在某種程度上由于釆用紊流的偶然缺點(diǎn)，其它類型的表面特性引 起了極大興趣。正如美國(guó)專利6644921所描述的，冷卻通道中各種類 型的表面凹陷或"凹部"的應(yīng)用也能改進(jìn)元件的熱傳遞特性。在一些例 子中，總體冷卻流體以螺旋方式在選定圖案的凹部上移動(dòng)。螺旋運(yùn)動(dòng) 的目的是使得中間冷卻流體循環(huán)至熱交換表面。在這種方式下，與利 用紊流的過程相比，熱交換過程更為有效。
不利的是，在金屬部件的一些內(nèi)部區(qū)域形成凹部通常是極其困難 的。例如，可能沒有在氣體渦輪葉片的一些內(nèi)部流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域上形成 凹部的實(shí)用方法。而且，在這些區(qū)域中形成尺寸精確的特定圖案的凹 部經(jīng)常是不可能的。凹部經(jīng)常因太小而無法鑄造，例如，無法通過用 于對(duì)部分造型的熔模鑄造技術(shù)來鑄造。鑄造凹部的嘗試也可能帶來其 它問題，比如模具的過早磨損。
諸如電化學(xué)加工和ii電加工(EDM)的4支術(shù)有時(shí)可用于在材沖+的 暴露表面形成凹部和其它特征。然而，這些技術(shù)不容易用于在封閉的 內(nèi)部區(qū)域形成所述特征，因?yàn)殡y于接近封閉的內(nèi)部區(qū)域。
因此，清楚的是，在金屬部件中形成凹部的新方法在本領(lǐng)域中是 所希望的。特別有利的方法將能夠在復(fù)雜部分的內(nèi)部區(qū)域中形成凹 部，例如，在復(fù)雜的蛇形冷卻的渦輪葉片的內(nèi)部區(qū)域中；根據(jù)任何需 要的圖案，使得凹部的形成具有非常精確的尺寸；并通常與用于形成 金屬部件部分的其它步驟例如各種鑄造技術(shù)是相容的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明 一 實(shí)施例涉及一種改變陶瓷芯的表面的方法，其包括根據(jù)預(yù)定圖案，采用直接寫技術(shù)將陶瓷基材料沉積在陶瓷芯的表面上的步驟。
本發(fā)明另 一 實(shí)施例涉及一種將突出特征部的圖案施加到陶瓷芯的表面上的方法，其用于熔模鑄造過程以便形成具有內(nèi)部冷卻通道的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)翼片，該內(nèi)部冷卻通道包含與該突出特征部相反的凹部，該方法包括根據(jù)用于該突出特征部的預(yù)定圖案，采用直接寫技術(shù)將陶瓷基材料沉積在陶瓷芯的表面上的步驟。
關(guān)于本發(fā)明的各種特征的進(jìn)一步細(xì)節(jié)在說明書其它部分和相應(yīng)附圖中進(jìn)行描述。


圖l是一沉積在內(nèi)芯表面的陶瓷芯錐體的橫截面說明圖，帶有由金屬鑄造過程中內(nèi)芯的使用造成的相應(yīng)凹部。
圖2是一用于將突出特征部應(yīng)用到內(nèi)芯表面的直接寫筆系統(tǒng)的總說明圖。
圖3是一模擬機(jī)器人式多軸筆系統(tǒng)的示意表示圖，該系統(tǒng)用于把突出特征部直接寫至內(nèi)芯表面。
圖4是一中空翼片的部分橫截面說明圖，該翼片帶有布置在網(wǎng)格冷卻孔裝置中的凹部。
圖5是另一布置在網(wǎng)格冷卻孔裝置中的凹部的示意圖。
圖6是一陶瓷材料的 一部分的照片， 一種陶瓷特性的圖案沉積在該材料上。
具體實(shí)施例方式
多種金屬部件可用于本發(fā)明。金屬的非限制性示例為鋼、鋁、高熔點(diǎn)金屬如鈦、鈮；以及超合金如基于鎳、鈷或鐵的那些金屬。這些部件通常是那些暴露在高溫下且需要冷卻的物體。這些部件也可以是需要某種內(nèi)部通道的物件。如前所述，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)翼片是一個(gè)主要例子。
用于形成金屬部件的內(nèi)部通道的陶瓷芯在本領(lǐng)域是公知的。它們經(jīng)常被用于方向性凝固的共晶體和超合金材料的熔模鑄造中。關(guān)于熔模鑄造、內(nèi)芯和陶瓷外殼鑄模的資料是廣泛可得的。示范性的有用資
料來源列舉如下"Kirk-Othmer化學(xué)技術(shù)百科全書"，第3版，第7巻，798頁以及下列等等；"現(xiàn)代金屬工藝(Mordern Metalworking )，，,J.R.Walker著，Goodheart-Willcox公司，1965年；以及"外殼鑄模和外殼禱模禱造(Shell Molding and Shell Mold Castings )"， T,C.Du Mond著，Reinhold出版公司，1954年。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)影響內(nèi)芯材料和處理?xiàng)l件的選擇的各種因素是很熟悉的。 一般來說，陶瓷內(nèi)芯在高鑄造溫度下必須保持物理和化學(xué)穩(wěn)定性。也必須與形成金屬部件的熔融金屬不相對(duì)發(fā)生反應(yīng)。而且，內(nèi)芯必須能在處理完成后從鑄件中去除，例如通過在商業(yè)性的合理時(shí)間內(nèi)進(jìn)行的溶浸處理使內(nèi)芯去掉。
涉及內(nèi)芯及其制造的專門知識(shí)也在一些參考文件中提及。非限制性的舉例有美國(guó)專利5014763 (Frank) ;4141781 ( Greskovich等);4097292 ( Huseby等);以及3654984 ( Mellen, Jr.,等)，上述所有文獻(xiàn)合并于此作為參考。通常由陶瓷基材料制造的內(nèi)芯一般包含從氧化鋁、氧化鋁-鋁；氧化硅(例如熔融氧化硅)，碳化硅，氮化硅，氧化鎂；硅酸鹽(例如硅酸鋁和硅酸鋯)；氧化釔；氧化鋯，和氧化硅-鋯石(silica-zircon)的組中選擇的至少一種組分。正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所清楚的，各種粘結(jié)劑也能用于內(nèi)芯的形成。例子包括硅酸乙酯，膠體氧化鋁，硅酸鈉，膠體氧化鋯以及硅膠。這些粘結(jié)劑經(jīng)常是基于有機(jī)的，例如可聚合的單體，如丙烯酰胺，丙烯酸酯及其組合物。
正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的，內(nèi)芯有時(shí)由噴射模制或傳遞模塑技術(shù)制造。在許多例子中，內(nèi)芯是由瓷漿配制而成的。舉一個(gè)非限定性的例子，在Frank的參考文獻(xiàn)中描述過，內(nèi)芯可以由可凍液體、瓷粉及膠凝劑組成的瓷漿配制而成。該漿狀成分可倒入一內(nèi)芯形的模制腔中，然后進(jìn)行冷凍和凝膠步驟。成形的"料坯(未加工)"主體再根據(jù)合適溫度和時(shí)間表被加熱，從而得到 一燒結(jié)的陶瓷芯。
如上所述，當(dāng)該陶瓷芯設(shè)置在一用于熔模鑄造或類似過程的殼模內(nèi)時(shí)，它就提供了一金屬部件的內(nèi)部"中空"區(qū)域。根據(jù)本發(fā)明，沉積在陶乾芯上的突出特征部(即，突起于表面上的特征)(positive feature)在部件的內(nèi)部區(qū)域中提供了所需凹部。圖1以簡(jiǎn)單形式描述了本發(fā)明的這一方面。陶瓷材料作為一系列突出特征部12沉積在陶瓷芯16的表面14上。在圖中所示為錐形。沉積后，陶乾材料進(jìn)行如下所述的熱處理，以便使材料燒結(jié)并穩(wěn)固地粘合到陶瓷芯表面14上。
圖1的右側(cè)描述了一金屬鑄件18,該金屬鑄件是采用熔模鑄造工藝的內(nèi)芯16制成的。/人4壽件中移去陶覺芯就形成凹部20。這些凹部，(本例中的凹陷)以相反形式精確地復(fù)制了突出特征部12的圖案。
根據(jù)所需的與其形狀相反的凹部，陶瓷材料能以多種多樣的形狀和尺寸沉積為突出特征部。突出特征部的非限制性例子包括菱形，錐形，半球形，半球部分，圓銷形及它們的組合。在翼片的例子中，有時(shí)需要以某種細(xì)長(zhǎng)六面體的形狀沉積一些或所有的特征。這樣的突出特征部將用于形成一帶有基本扁平、矩形底部的凹槽或溝道。在另一個(gè)例子中，半球面可類似于細(xì)長(zhǎng)的半圓柱形，(例如，"半圓拱形活動(dòng)房屋，，)，它可以最終形成一帶有圓形底部的凹槽。
如上所述，直接寫(direct-write)技術(shù)可用于沉積陶乾材料，該材料在陶瓷芯表面形成突出特征部。直接寫技術(shù)是本領(lǐng)域中熟知的，在許多參考文獻(xiàn)中描述過。其例包括美國(guó)專利6660680(Hampden-Smith),其被合并于此作為參考。還有一段指導(dǎo)性的文字"用于快速原型成型應(yīng)用的直接寫技術(shù)"，A.Pique和D.B.Chrisey編，Academic Press出版牙土， 2002年。
此處應(yīng)用的"直接寫"技術(shù)是一種方法，其中使用一合適的直接寫
8工具，通過一孔將液體、懸浮液、或漿糊(更高的裝料量)向表面上噴射，,人而沉積到該表面上。通常，工具本身與該表面無實(shí)質(zhì)性4妄觸。
直接寫工具最好相對(duì)于印刷表面在x-y網(wǎng)格上可控制(即，基質(zhì)和裝
置其中的一個(gè)或兩個(gè)可以移動(dòng))。
一般而言，用于直接寫技術(shù)的沉積材料可包括各種各樣的金屬、陶瓷、或聚合粉末。在本例中，沉積材料為陶瓷粉末，通常與形成內(nèi)芯的材料類似或相同(那些材料在上面已詳細(xì)描述)。該粉末均勻地分布在溶劑中，以形成漿液(作為直接寫處理的技術(shù)術(shù)語經(jīng)常被稱為"墨水")。各種添加劑也可使用。例如，可加入不同種類的表面活性劑以便為漿液帶來合適的流體特性。而且，諸如淀粉或纖維素的粘接劑也可經(jīng)常用于在熱處理之前增加沉積材料的完整性。依賴各種因素，漿液可有一定范圍的粘性，例如從水到焦油。該因素包括應(yīng)用的
直接寫技術(shù)的類型；及形成特性的類型，例如，其尺寸，形狀和所需完整性。在自動(dòng)技術(shù)中，漿液或墨水直接用在任何類型的基質(zhì)上。通常，CAD/CAM界面用于繪制想要的沉積圖案。
關(guān)于漿液形成的許多 一般細(xì)節(jié)是本領(lǐng)域公知的，不需要在此詳細(xì)描述?？蓞⒖几鞣N陶資處理的資料源，例如"Kirk-Othmer EncyclopediaofChemicalTechnology，，,第4版,第5巻，610-613頁,以及美國(guó)專利6613445和5985368 (作者都是Sangeeta等，合并于此作為參考)。而且，上面提及的直接寫的正文部分(Pique和Chrisey)講述了許多用于直接寫墨水和漿糊形成的所希望的特性。 ，
簡(jiǎn)而言之，漿液最好散布均勻，沒有氣泡和發(fā)泡。通常漿液具有根據(jù)應(yīng)用的特定直接寫技術(shù)的需要進(jìn)行調(diào)整的流變特性。(例如，如下所述，當(dāng)應(yīng)用不同筆技術(shù)時(shí)，陶瓷漿液經(jīng)常具有牙膏的一致性)。漿液中固體顆粒沉淀率越低越好。漿液的化學(xué)性應(yīng)該穩(wěn)定。進(jìn)一步，當(dāng)千燥后，沉積陶瓷材料應(yīng)保持其形狀及足夠強(qiáng)度以便承受接下來步驟，如在烘烤之前的完成和處理。
漿液中可存在多種添加劑，以便提供必要特性。非限制性例子(對(duì)上述粘結(jié)劑和表面活性劑的補(bǔ)充)包括增稠劑，M劑，懸浮劑， 抗沉淀劑，可塑劑，緩和劑，潤(rùn)滑劑，表面活性劑和抗發(fā)泡劑。本領(lǐng) 域技術(shù)人員能夠挑選使用最合適的添加劑而不需不必要的試驗(yàn)。漿液 可由任何傳統(tǒng)混合技術(shù)制備。非限制性例子包括使用高速攪拌器，螺 旋葉片式混合器，旋轉(zhuǎn)罐，以及剪切混合器，例如碾磨裝置。
如前暗示的，可用于本發(fā)明的直接寫技術(shù)是本領(lǐng)域公知的。例如，
上面提及的熱噴技術(shù)來源于傳統(tǒng)處理，如Pique/Chrisey文中所述(例 如265-293頁)。非限制性例子包括高速氧燃料(HVOF)技術(shù)，以 及諸如真空等離子沉積(VPS)的等離子處理。HVOF是持續(xù)燃燒處 理，其中粉末以高速噴入噴槍的射流中。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)各種 HVOF細(xì)節(jié)是熟悉的，諸如主要?dú)怏w，次要?dú)怏w(如果需要)和冷卻 氣體；氣流速率；粉末等級(jí)；涂布粒子尺寸及類似因素的選擇。
在典型的等離子處理中，采用一通用DC (直流)熱等離子火焰， 在陰極和環(huán)形水冷銅陽極之間提供穩(wěn)定的電弧。等離子氣體(經(jīng)常是 氬或另一惰性氣體)被引入噴槍內(nèi)部的背部。氣體在漩渦中轉(zhuǎn)動(dòng)，然 后從陽極噴嘴的前面排出。從陰極到陽極的電弧使電路閉合，形成一 射出的等離子火焰。
熟悉等離子噴射技術(shù)的人可理解，等離子溫度可以很高，例如傳 統(tǒng)直流火焰運(yùn)轉(zhuǎn)于40kW時(shí)達(dá)到15000K。沉積在基質(zhì)上的陶瓷材料以 粉末形式供應(yīng)。該粉末引入等離子火焰中。粉末顆粒在火焰中加速并 熔化，在高速通向基質(zhì)的通道中，它們撞擊并經(jīng)受快速凝固。本領(lǐng)域 技術(shù)人員對(duì)普通等離子噴射處理的變化和將該處理應(yīng)用到各種沉積 材料的技術(shù)是熟悉的。在本例中，等離子處理和其它的熱噴射技術(shù)經(jīng) 過變型以提供一計(jì)算機(jī)界面。這種類型的處理被廣泛描述，例如，在 美國(guó)專利6576861中，其合并于此作為參考。
另一個(gè)合適的直接寫技術(shù)是激光化學(xué)氣相淀積(LCVD)，在 Pique/Chrisey文中也有描述。LCVD是一用于薄膜生長(zhǎng)的熱技術(shù)。簡(jiǎn) 單說，激光用作光解、熱解、或振動(dòng)/旋轉(zhuǎn)激發(fā)的陶瓷的前體的激活劑。通過"質(zhì)量增加"，該技術(shù)可用于形成基質(zhì)上的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。材料沉積可在計(jì)算機(jī)化運(yùn)動(dòng)控制下執(zhí)行，正如在其它直接寫處理中一樣。美國(guó)專
利5154945和5060116也討論了 LCVD的各個(gè)方面，并合并于此作為參考。
另 一種很常見的直接寫處理基于墨水噴射技術(shù)。在Pique/Chrisey文中(例如第7章)廣泛描述了該技術(shù)，而且在其它許多參考文獻(xiàn)，例^口, "Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology",第4片反(1996),第20巻，112-119頁?？蓱?yīng)用各種墨水噴射系統(tǒng)，例如，連續(xù)模式系統(tǒng)和要求模式的(如脈沖)系統(tǒng)。在后一種類中，也有各種脈沖系統(tǒng)，如，壓電系統(tǒng)和熱脈沖系統(tǒng)。墨水噴射系統(tǒng)的電控裝置在本領(lǐng)域也是廣為人知的，可應(yīng)用各種計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，例如，采用一 CAD/CAM界面，所需沉積圖案可在該界面上編制。
本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)墨水成分的要求是熟悉的，通常是含水的或基于溶劑的。除了上述一些添加劑外，墨水噴射成分可包括其它對(duì)本沉積方法有點(diǎn)特別的成分。例如，保濕劑和所選的共溶劑可用于抑制墨水在噴嘴處的干燥。才艮據(jù)本發(fā)明應(yīng)用的陶瓷漿的成分可被適當(dāng)調(diào)節(jié)為與墨水噴射沉積相兼容。
另一可用于本發(fā)明的直接寫處理是激光導(dǎo)向直接寫(LGDW)。在這類型的 一典型處理中，產(chǎn)生一沉積顆粒流，如Pique/Chrisey文中所述(如，第10頁和646-648頁)。激光束迫使該顆粒直接引射至基質(zhì)的所選區(qū)域上。顆粒經(jīng)常作為懸浮物而產(chǎn)生，例如，懸浮在水中。在某些例子中，采用超聲波霧化法來分散大氣中的顆粒，以便與激光束接觸。
激光顆粒導(dǎo)向系統(tǒng)和相關(guān)細(xì)節(jié)也在美國(guó)專利6636676和6268584中談及，該文獻(xiàn)合并于此作為參考。如后一專利文獻(xiàn)中所述，典型激光顆粒導(dǎo)向系統(tǒng)包括各種計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)的指示沉積圖形的定位裝置。某些LGDW系統(tǒng)可/人Albuquerque, NM的Optomec Design />司購(gòu)買。
"MAPLE"技術(shù)是適合本發(fā)明的直接寫處理的另一實(shí)例。(首字母縮寫表示"矩陣輔助的脈沖激光蒸發(fā)")。MAPLE技術(shù)在Pique/Chrisey 文中有相當(dāng)詳細(xì)的描述，(如138-139頁；521頁以及下列等等)。 該技術(shù)也在美國(guó)專利6660343和6025036中描述，兩者合并于此作為 參考。
簡(jiǎn)單說，MAPLE技術(shù)使用聚焦的紫外線激光器脈沖來將材料從 載體上的涂層轉(zhuǎn)移至基質(zhì)上。在一種MAPLE系統(tǒng)中，激光撞擊材料， 使之通過載體(通常是透明的)從載體材料界面的背面轉(zhuǎn)移出來。該 材料設(shè)計(jì)為吸收激光能量，以便導(dǎo)致界面的局部蒸發(fā)。因此沉積材料 的不連續(xù)"包裹"形式根據(jù)計(jì)算機(jī)控制的圖案被推向基質(zhì)。在移動(dòng)載體 和基質(zhì)中的一個(gè)或兩個(gè)時(shí)，通過應(yīng)用一串激光脈沖，使得所需圖案被 直接寫上。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以調(diào)節(jié)此處所用陶乾成分的特性(例如，顆粒 尺寸和流變性)，以與MAPLE處理相兼容。多種其它處理參數(shù)也可 由熟悉MAPLE的人員進(jìn)行調(diào)節(jié)。參數(shù)的舉例包括入射波束能量，脈 沖激光率等。
筆分配系統(tǒng)代表另 一類直接寫技術(shù)，本發(fā)明通常是優(yōu)先選擇該系 統(tǒng)的。該系統(tǒng)經(jīng)常使用自動(dòng)噴射器(syringes),有時(shí)總稱為"微筆印 刷"方法。Pique/Chrisey的參考文獻(xiàn)提供了該系統(tǒng)的總體說明(如第8 章)；該系統(tǒng)還在前述參考的Hampden-Smith的專利中提到。前述一 些處理因素在此也是相關(guān)的，諸如印刷膠或墨水的流變性，以及潤(rùn)濕 和粘合特性。商業(yè)上的筆分配系統(tǒng)可通過各種來源購(gòu)買。例如，
Micropen TM工具可從Honeoye Falls, NY的Ohmcraft公司買到， Dotliner TM計(jì)量系統(tǒng)乂人Huntingdon Valley, PA的Manncorp 7>司買到。 示范性的筆式沉積處理在R. Bunker等人于2003年6月30曰遞 交的共同未決申請(qǐng)S.N.10/611745 (Docket No.121278-2)中描述了， 合并于此作為參考。如圖2所示，沉積材料的混合物50通過一噴嘴 或"筆"52轉(zhuǎn)移到內(nèi)芯/工件56的表面54上。混合物50通常是陶覺漿， 其包括分配至液態(tài)介質(zhì)58的陶瓷粉57。(如前所述，漿液的粘性有時(shí)很高)。迫使混合物50以控制速率通過噴嘴52，獲得突出特征部60的所需形狀和尺寸?？稍诒砻嫔鲜构P具有一個(gè)或多個(gè)行程。對(duì)噴嘴
口的尺寸(以及下面提及的其它因素)進(jìn)行選擇，以提供所需每一行程的尺寸。
在材料沉積過程中，噴嘴52相對(duì)于內(nèi)芯表面54轉(zhuǎn)移，以便形成預(yù)定形狀的特征60。(如前暗示的，預(yù)定形狀在計(jì)算機(jī)中生成和存儲(chǔ)，例如作為CAD/CAM文件)。在計(jì)算^/L控制下，"移動(dòng)"通過移動(dòng)噴嘴或內(nèi)芯表面或兩者同時(shí)移動(dòng)來執(zhí)行。示范性的控制器通常描述為元件62。沉積到內(nèi)芯上的特征的高度和形狀部分地由所分配的材料流的流動(dòng)率以及寫操作時(shí)筆尖和工件的相對(duì)移動(dòng)速度來確定。
在許多例子中，部分地由于金屬部件內(nèi)形成的復(fù)雜內(nèi)部區(qū)域，內(nèi)芯表面可能有相當(dāng)大的曲率。前述筆處理能有效地將所需陶瓷材料沉積到這些彎曲表面的絕大部分區(qū)域及任何不規(guī)則表面上。然而，有時(shí)希望使用其它筆系統(tǒng)，以便有效將所需材料沉積到內(nèi)芯的許多附加表面區(qū)域上。
S.Rutkowski等人在2003年7月17日遞交的S.N.10/622063(Docket No.126762)的共同未決申請(qǐng)中描述了 一種有效將沉積材料運(yùn)用到具有復(fù)雜3D外形和不同曲率的內(nèi)芯上的筆系統(tǒng)，該文獻(xiàn)合并于此作為參考。被通俗稱為"機(jī)器人筆"的該系統(tǒng)由電腦控制。它包括一用于安放工件(即，本例中的內(nèi)芯)的多軸臺(tái)，及一用于提供工件垂直運(yùn)動(dòng)的協(xié)作升降機(jī)。通常，筆尖可旋轉(zhuǎn)地安放在升降機(jī)上。 一供應(yīng)沉積材料的分配器與筆尖流體連通地連接。當(dāng)工件相對(duì)于筆運(yùn)動(dòng)時(shí)，該分配器將一股材料噴向工件表面。
圖3概括描述了機(jī)器人筆系統(tǒng)IOO,其配置為將任何合適材料102以流束形式分配到任何合適工件104的表面上，即，分配到陶瓷芯的表面上。該陶瓷內(nèi)芯可有簡(jiǎn)單的諸如平板狀的兩維(2D)外形，但更常見的是在其三個(gè)軸向有曲率變化和輪廓改變的復(fù)雜3D外形。內(nèi)芯還可包括各種內(nèi)部區(qū)域，例如，凹穴，孔洞，缺口及類似物。為了說
13明的目的，內(nèi)芯描述為相對(duì)簡(jiǎn)單的形狀。
圖3表示的機(jī)器人筆系統(tǒng)是在用于內(nèi)芯表面上進(jìn)行精確寫操作的 集成儀器或系統(tǒng)中的主要傳統(tǒng)元件進(jìn)行適當(dāng)變型的 一種裝置。(在
S.N. 10/622063文獻(xiàn)中描述過，這種系統(tǒng)可通過^f吏得在商業(yè)上購(gòu)買的 研磨機(jī)器進(jìn)行變型而獲得，例如，復(fù)雜的多軸計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)機(jī) 器。)。
圖3的筆系統(tǒng)包括安裝內(nèi)芯/工件104，進(jìn)^"兩軸(X, Y)相互 精確移動(dòng)和精確旋轉(zhuǎn)(A)的三軸臺(tái)108。系統(tǒng)機(jī)器還包括傳統(tǒng)升降 機(jī)120，其上安裝了傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)主軸122。升降機(jī)產(chǎn)生相對(duì)于工件臺(tái)108 的垂直軸向(Z)的移動(dòng)，工作臺(tái)具有三個(gè)平移軸(X， Y， Z)和一 旋轉(zhuǎn)軸(A)。這種多軸向運(yùn)動(dòng)能力典型地用于執(zhí)行各種3D工件的研 磨操作。然而，在機(jī)器人筆系統(tǒng)中，去掉了旋轉(zhuǎn)軸，用旋轉(zhuǎn)的筆尖/ 噴嘴124代替，其可旋轉(zhuǎn)地接近升降機(jī)120。
傳統(tǒng)分配器126 (或類似功能的裝置)適當(dāng)?shù)嘏c筆尖124流體連 通，從而將材料102(液體、漿糊、或漿液)噴射到工件的表面127。 (材料102可以呈液體，漿糊或漿液狀)。如前所暗示，材料102的 沉積是在筆尖與安裝工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)下按所需圖案執(zhí)行。
如圖3所示，工作臺(tái)108可以是任何傳統(tǒng)構(gòu)形的。示意地-說，工 作臺(tái)可包括用于沿第一直線軸X移動(dòng)工件的第一桌128。用于沿第二 直線軸Y移動(dòng)第一桌和工件108的第二桌130可位于第一桌128下面。 第二直線軸Y與第一軸X正交，以用于雙平面安裝及工件以傳統(tǒng)方式 的移動(dòng)。筆系統(tǒng)進(jìn)一步包括精確驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)軸132。該軸可適當(dāng)安裝 于第一桌128，可允許工件沿第一旋轉(zhuǎn)軸A精確旋轉(zhuǎn)。
筆尖124可以任意合適方式安裝于垂直升降機(jī)120，以用于沿第 三直線軸Z方向移動(dòng)。Z軸與X、 Y軸正交。筆尖也可安裝于用于沿 第二旋轉(zhuǎn)軸B旋轉(zhuǎn)的升降機(jī)上。這樣可允許筆的360度運(yùn)動(dòng)，可觸及 到工件104的最外和最內(nèi)區(qū)域。工作臺(tái)108和升降一幾120可用一常見 結(jié)構(gòu)架134相連，該架允許筆尖和工件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。圖3的機(jī)器人筆系統(tǒng)還包括傳統(tǒng)數(shù)字程序化計(jì)算機(jī)或控制器136。 如上所述，計(jì)算機(jī)136通常軟件進(jìn)行傳統(tǒng)編程,以用于控制機(jī)器的所 有軸向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)沉積材料流102從筆尖分配出來時(shí)，筆尖124和工件 104的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。特別地，計(jì)算機(jī)/控制器136可有效控制和調(diào)整沿三 個(gè)直線軸X, Y, Z和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸A， B的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)軸允許筆尖 在工件的不同3D表面的準(zhǔn)確對(duì)齊和定位，沉積材料流按所需圖案寫 在該工件表面上。計(jì)算機(jī)/控制器136在軟件中可配置成適合于工件三 維幾何形狀或外形138以及筆尖在工件上的相應(yīng)預(yù)定路徑或圖形。其 它關(guān)于筆和沉積圖形的計(jì)算機(jī)控制的細(xì)節(jié)在Rutkowski等的申請(qǐng)S.N. 10/622063中提及。例如，筆尖通常保持非常接近但不接觸工件表面， 兩者之間有一合適間隙。另一例中，可選擇地安裝傳統(tǒng)的電荷耦合裝 置(CCD)照相機(jī)146,其用于在工作時(shí)視覺觀測(cè)筆尖與工件104之 間的間隙，并與一觀察監(jiān)視器48相連，該監(jiān)視器允許機(jī)器操作者在 安裝機(jī)器和控制其操作時(shí)可觀察筆尖和間隙。通常，筆尖大致定向成 與工件表面垂直。
關(guān)于分配器126及其操作的細(xì)節(jié)也在Rutkowski等的專利申請(qǐng)中 提及。該分配器可具有任何傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通常包括一具有儲(chǔ)存所需涂寫 材料102的適當(dāng)容器的噴射器140。該噴射器與筆尖24是流體連通的， 例如通過一軟管。分配器也可包括用于精確泵壓噴射器，〗吏沉積材料 通過該軟管分配以便從筆尖124噴射的裝置142。分配器可選擇地由 本身的數(shù)字處理器或控制器，例如個(gè)人電腦144控制。正如Rutkowski 等的申請(qǐng)中提及，分配器和被分配材料流的精確控制有助于確保沉積 材料各部分的精確高度和寬度。
其它關(guān)于機(jī)器人筆系統(tǒng)及其優(yōu)化特性的細(xì)節(jié)也在申請(qǐng)S .N. 10/622063中提及，無須在此多加討論。例如，可應(yīng)用傳統(tǒng)開環(huán)控制 或閉環(huán)反饋機(jī)構(gòu)，以便確保筆尖與工件表面的特定間隙。反饋控制可 在各種測(cè)量?jī)x器，例如激光，聲波，以及照相機(jī)控制的裝置的幫助下 實(shí)現(xiàn)。而且，筆尖可依據(jù)處理的工件的需要調(diào)節(jié)其長(zhǎng)度。更換其它外形和長(zhǎng)度的筆尖的機(jī)構(gòu)也已在Rutkowski等的申請(qǐng)中提及。筆尖的定
位可使之在任何中空工件的內(nèi)表面進(jìn)行涂寫，即，如前所述的帶有內(nèi) 部區(qū)域的內(nèi)芯。
在沉積材料施加到內(nèi)芯表面上之后，要進(jìn)行熱處理，以便去除所 有揮發(fā)性物質(zhì)(如粘接劑、溶劑等)，同時(shí)加固和加強(qiáng)該材料。沉積 材料可單獨(dú)進(jìn)行熱處理也可與內(nèi)芯同時(shí)進(jìn)行。示范性的熱處理包括諸 如等離子，激光，電子束加熱的聚焦能量源，或用某些其它本地?zé)嵩?加熱。可選擇地，如果溫度足夠低至避免內(nèi)芯損壞的話，可在熔爐中 進(jìn)行熱處理。熱處理可在預(yù)設(shè)"焙燒"溫度進(jìn)行，或根據(jù)任何階段進(jìn)度 表進(jìn)行。而且，當(dāng)材料沉積超過一層時(shí)，熱處理可在每一次沉積之間 進(jìn)行。
熱處理溫度和時(shí)間都依賴于各種因素，如沉積材料的類型、尺寸、 基質(zhì)的成分。在沉積如上所述的典型的陶瓷材料(例如氧化鋁基或氧 化鋁/硅基的材料)時(shí)，熱處理時(shí)間進(jìn)度設(shè)置成足以燒掉揮發(fā)性成分， 同時(shí)也促進(jìn)其加固。后一現(xiàn)象為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的，通常包括誘 導(dǎo)陶瓷粉末形成顆粒或孩史粒，以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部顆粒燒結(jié)機(jī)理，該機(jī)理使得 顆粒或微粒彼此連接并與基質(zhì)連接。陶資材料的典型加熱溫度大約為
1500-1550°C的范圍。然而，該范圍可適當(dāng)改變，也可包括主要去除 揮發(fā)物的低溫階段。
在一代替實(shí)施例中，當(dāng)內(nèi)芯仍處于未燃或"未處理"狀態(tài)時(shí)，突出 特征部所用的沉積材料就可寫至內(nèi)芯上。然后，帶有寫上的突出特征 部的內(nèi)芯可按常用方式加熱。而且，在熱處理之前，該特征可寫在仍 處于未處理狀態(tài)且隨后(用傳統(tǒng)技術(shù))彼此相連的不同內(nèi)芯或內(nèi)芯區(qū) 域上。在另一代替實(shí)施例中，熱處理至少在沉積處理的一^爻中使用。 這種熱處理可以通過如下方式完成，例如用激光或優(yōu)質(zhì)等離子源跟隨 噴嘴52，并可以在未處理內(nèi)芯或預(yù)先加熱的內(nèi)芯上^f吏用。
如前所述，內(nèi)芯可用于生產(chǎn)金屬部件的任何傳統(tǒng)鑄造處理中，主 要例子是熔模鑄造。使用內(nèi)芯本身可以制造部件的內(nèi)部區(qū)域。本發(fā)明
16中施加到內(nèi)芯的突出特征部主要提供了設(shè)置在內(nèi)部區(qū)域中的凹部。
(在鑄造后去除內(nèi)芯的技術(shù)是本領(lǐng)域公知的，如上面引用的某些專利 中所述，通常包括用合適溶劑的濾去處理)。
圖4是一具有凹部的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件的示意圖。通過使用根據(jù)本 發(fā)明改變的陶資芯，該部件一般由熔模鑄造工藝制備。圖中描述了中
空翼片150的部分橫截面。相對(duì)壁152和154限定出兩者之間的冷卻 網(wǎng)絡(luò)155。側(cè)壁152表示高溫或"熱"壁。該熱壁一^:面對(duì)溫度至少在 1000。C的燃燒氣體，更常見的是至少1400°C。在該圖中，側(cè)壁152 由保護(hù)性的熱屏障涂層156 (TBC)覆蓋。側(cè)壁154 (翼片的內(nèi)壁)通 常稱為"冷表面"或"冷卻表面"。
在這種傳統(tǒng)翼片中，側(cè)壁的軸向上游末端通常都沿葉片前緣連接 在一起，相反方向的軸向下游端沿葉片后緣(未示出)連接在一起。 冷卻空氣通常從壓縮機(jī)(未示出)排出，然后直接通過冷卻網(wǎng)絡(luò)155， (按流體箭頭所示的方向)。
圖4展示了一種內(nèi)部網(wǎng)孔冷卻裝置。如前述Lee的專利(美國(guó) 5690472，合并于此作為參考)所述，"網(wǎng)孔"通常由交叉冷卻孔形成。 在本例中， 一組冷卻孔交叉以便限定出空間分離的內(nèi)部實(shí)心節(jié)點(diǎn)158。 如Lee的文獻(xiàn)所述，"網(wǎng)孔"裝置使得翼片側(cè)壁之間形成更多紊流氣流， /人而增強(qiáng)了熱傳遞。
根據(jù)本發(fā)明，即，使用改變過的內(nèi)芯，使得凹部160在節(jié)點(diǎn)158 之間按預(yù)先確定的圖案形成。正如前面討論過的，雖然圖4中將凹部 描述為凹陷，實(shí)際它們可以制成任何形狀或尺寸。通過沿?zé)醾鬟f表面 產(chǎn)生和保持大量流體運(yùn)動(dòng)，該凹部可進(jìn)一步提高網(wǎng)孔冷卻系統(tǒng)的熱傳 遞特性。而且，可得到增強(qiáng)的冷卻效果而沒有這類冷卻系統(tǒng)中有時(shí)因 紊流特性的應(yīng)用而伴隨產(chǎn)生的一些缺點(diǎn)。
與如上所述的情況相似，圖5是一典型的渦輪翼片內(nèi)部的冷卻裝 置的簡(jiǎn)單示意圖。菱形網(wǎng)孔節(jié)點(diǎn)170產(chǎn)生了連接區(qū)172。通過在鑄造部或凹陷174在該連接區(qū)中形成。該處理不需要掩膜步驟和其它表面 制備步驟，而這些步驟在過去常常是為翼片表面提供特征所需的。而 且，先前使用的傳統(tǒng)技術(shù)一般不能在復(fù)雜的冷卻通道中提供精確的凹 部圖案，而根據(jù)本發(fā)明就可獲得。
但是必須強(qiáng)調(diào)，根據(jù)本發(fā)明形成的凹部不是必須設(shè)置在網(wǎng)孔冷卻 內(nèi)的結(jié)構(gòu)。它們可形成于多種多樣的翼片表面，該表面可以有或者也 可以沒有任何其它種類的特定冷卻特征。事實(shí)上，該凹部可形成于任 何由鑄造過程制造的金屬部件的表面。
舉例
以下例子是為解釋而提供的，不應(yīng)被視為對(duì)本發(fā)明范圍的任何類 型的限定。
本例使用Honeoye Falls, N.Y.的Ohmcraft公司生產(chǎn)的Micropen 裝置(400型)。筆尺寸為外徑10 mils (0.25 mm),內(nèi)徑7 mils (0.18 mm )。
本例采用一塊電子級(jí)的氧化鋁作為工件/基質(zhì)。其尺寸為2英寸x 1 3/8英寸(5.1厘米x 3.5厘米)，厚度約為1毫米。工件置于裝置上一 可通過計(jì)算機(jī)控制沿X和Y軸移動(dòng)的平臺(tái)上。工件由真空保持其位置。
沉積材料為鋁/鎂氧化物(重量為10%的MgO,基于AL203和 MgO混合)。由兩種氧化物的干混合粉末制備，然后添加溶劑(松油 醇)，進(jìn)行額外的混合。(溶劑包括少量纖維素粘合劑)。添加的溶 劑量足以為混合物提供大致與牙膏粘性等同的粘性。成分如下
82.9克heraeus +〉油醇
4.4克MgO顆粒(35nm)
0.34克甘油
44克TM-DAR氧化鋁
將沉積材料加入裝置的分配器中，該分配器根據(jù)指令將材料泵壓 到筆中。該裝置根據(jù)糾6的橫截面圖形，即，裝置上的預(yù)定設(shè)置進(jìn)行 編程涂寫。然后進(jìn)行直接寫的初始化。經(jīng)過工件樣品的筆速大約為每秒50mils ( 1.27mm)。涂寫時(shí)，筆尖與工件表面基本垂直，并保持在 小于10mils (254 microns)的距離。
涂寫由三個(gè)步驟進(jìn)行，以獲得所需厚度。各步驟之間平均空氣干 燥時(shí)間大約為2小時(shí)。沉積的交叉格(定義為菱形圖案)的最后平均 高度大約是60mil (1.52mm)。
圖6為直接寫完成后的工件的放大照片。從照片中清楚看到，交 叉對(duì)角線(即，交叉格)精確地涂寫在基質(zhì)上。該基質(zhì)表示內(nèi)芯表面。 在如上所述的熱處理之后，菱形圖案與內(nèi)芯表面結(jié)合在一起。然后內(nèi) 芯進(jìn)行制殼處理，以便提供對(duì)菱形圖案作反向復(fù)制的凹部。
本發(fā)明根據(jù)特定實(shí)施例和舉例進(jìn)行描述。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員 在不脫離本發(fā)明概念所要求的精神和范圍外，可進(jìn)行各種變型，改變
和替換。前面提及的所有專利，文章和文字都合并于此作為參考。
權(quán)利要求
1. 一種改變陶瓷芯的表面的方法，其包括根據(jù)預(yù)定圖案，采用直接寫技術(shù)將陶瓷基材料沉積在陶瓷芯的表面上的步驟。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，該直接寫技術(shù)是從熱噴射，激光化學(xué)氣相淀積，墨水噴射，激光顆粒導(dǎo)向，矩陣輔助的脈沖激光蒸發(fā)，筆分配技術(shù)、以及上述各項(xiàng)的組合的組中選出的。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，熱噴射技術(shù)是等離子噴射處理或高速氧燃料處理。
4. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，用機(jī)器人筆執(zhí)行筆分配4支術(shù)，該4支術(shù)包4舌(i) 計(jì)算機(jī)控制的機(jī)器，其包括用于安裝陶瓷芯以便進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和正交位移的工作臺(tái)，以及用于從工作臺(tái)平移的升降機(jī)；(ii) 可旋轉(zhuǎn)地安裝于升降機(jī)上的筆尖；以及(iii) 與筆尖流體連通地連接的分配器，其用于將材料流束噴射至陶資芯的至少一個(gè)表面上。
5. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，該工作臺(tái)包括用于沿第一直線軸移動(dòng)陶瓷芯的第一桌；用于沿與第一直線軸正交的第二直線軸移動(dòng)陶瓷芯的第二桌；和用于沿第一旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)陶瓷芯的旋轉(zhuǎn)軸；其中，該筆尖安裝于升降機(jī)以便沿與第一直線軸和第二直線軸正交的第三直線軸移動(dòng)，并且協(xié)同第一旋轉(zhuǎn)軸沿第二旋轉(zhuǎn)4^走轉(zhuǎn)，以對(duì)筆尖相對(duì)于陶瓷芯進(jìn)行定位。
6. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，該陶瓷基材料作為突出特征部的圖案沉積到陶瓷芯的表面上。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，該突出特征部具有從下列組中選擇的形狀，該組包括菱形，錐形，半球形，半球部分，圓銷形，細(xì)長(zhǎng)六面體，細(xì)長(zhǎng)半圓柱體，及它們的組合。
8. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，該陶瓷基材料包含至少一種高熔點(diǎn)氧化物。
9. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，該陶瓷基材料包含從氧化鋁、氧化鋁-鋁；氧化硅，碳化硅，氮化硅，氧化鎂；硅酸鹽；氧化釔；氧化鋯，和氧化硅-鋯石的組合中選擇的至少一種組分。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，該陶瓷基材料還包含至少一種粘結(jié)劑。
11. 一種將突出特征部的圖案施加到陶瓷芯的表面上的方法，其用于熔模鑄造過程以便形成具有內(nèi)部冷卻通道的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)翼片，該內(nèi)部冷卻通道包含與該突出特征部相反的凹部，該方法包括才艮據(jù)用于該突出特征部的預(yù)定圖案，采用直接寫技術(shù)將陶乾基材料沉積在陶資芯的表面上的步驟。
全文摘要
本申請(qǐng)涉及一種改變陶瓷芯的表面的方法，其包括根據(jù)預(yù)定圖案，采用直接寫技術(shù)將陶瓷基材料沉積在陶瓷芯的表面上的步驟。本申請(qǐng)還涉及一種將突出特征部的圖案施加到陶瓷芯的表面上的方法，其用于熔模鑄造過程以便形成具有內(nèi)部冷卻通道的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)翼片，該內(nèi)部冷卻通道包含與該突出特征部相反的凹部，該方法包括根據(jù)用于該突出特征部的預(yù)定圖案，采用直接寫技術(shù)將陶瓷基材料沉積在陶瓷芯的表面上的步驟。
文檔編號(hào)B22C9/10GK101481262SQ200910004999
公開日2009年7月15日 申請(qǐng)日期2005年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月6日
發(fā)明者C·U·哈德維克, R·S·邦克, 李經(jīng)邦 申請(qǐng)人:通用電氣公司