專利名稱：利用注射成型制造的能夠輸送液體的部件的制作方法
技術領域：
此處所述實施例大體涉及利用金屬注射成型方法來制造的
能夠輸送液體的部件。更具體地說，此處所述實施例大體涉及利用金 屬注射成型來制造的燃料噴嘴。
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背景技術：
在諸如航空發動機的燃氣渦輪發動機中，空氣吸入發動機 前端，然后由軸裝式壓縮機壓縮。隨后將壓縮空氣輸送至燃燒室，并 同時將燃料通過燃料分配系統從燃料供給源輸送至燃燒室。更具體地 說，燃料在燃燒器前端以高度霧化的噴霧從燃料噴嘴導入。壓縮空氣
15在燃料噴嘴附近流入并與燃料混合，以形成通過燃燒器點火的燃料-空氣混合物。點燃的燃料-空氣混合物的溫度可超過3500°F(1920°C)。 因此，燃料供給和分配系統充分地防漏是^f艮重要的，因為燃料供給或 分配系統中的泄漏可能是災難性的。現用的燃料噴嘴可利用宏觀分層(macro-laminate)技術來制
20 造，該技術大體包括成形和利用一系列粘結連接(bonded joint)將各個 材料層聯接在一起。圍繞宏觀分層的可以是各種需要眾多釬焊連接的 部件。主要由于以這種方式來構造燃料噴嘴所需要的釬焊連接數量， 采用宏觀分層技術并不理想。更具體地說，采用釬焊連接會增加制造這類部件所需要的
25 時間，并且還可能因以下若干原因中的任意原因而使得制造工藝變得 復雜，這些原因包括需要足夠的區域以供釬焊合金放置；需要將不 想要的釬焊合金流動降至最小；需要可接受的檢查技術來纟企驗釬焊質 量；以及必須具有可用的若干釬焊合金以便防止先前的釬焊連接再熔化。此外，眾多的釬焊連接可導致若干釬焊脫開(braze runs),這會削 弱部件的母材。在相關方面，眾多釬焊連接的存在會不期望地增加部 件的重量和制造成本。因此，依然需要可降低或消除前述問題的改進的燃料供給 5 和分配系統。
發明內容
此處的實施例大體涉及包括燃料供給管道和分配器環的燃 料噴嘴，該燃料供給管道具有至少一個引導腔和至少一個主腔，該分
10 配器環具有至少一個由其向外延伸的注射柱，且該分配器環可操作地 耳關4妄到該至少一個引導腔和該至少一個主腔中的每一個上，其中，該 噴嘴利用金屬注射成型來制造。此處的實施例還大體涉及燃料噴嘴，其包括燃料供給管道 和分配器環，該燃料供給管道具有非線性的引導腔以及分成主腔左側
15 和主腔右側的主腔，其中，引導腔、主腔右側和主腔左側相互隔開至 少大約0.02cm的距離，而該分配器環具有多個由其向外延伸的形成 一體的注射柱，且該分配器環可操作地聯接到引導腔、燃料供給管道 的主腔左側和主腔右側中的每一個上，其中，該噴嘴利用金屬注射成 型來制造且該燃料供給管道和分配器環燒結在一起。
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此處的實施例還大體涉及包括燃料管道和分配器環的燃料
噴嘴，其中，該燃料噴嘴利用金屬注射成型來制造。這些及其它特征、方面和優點，對于本領域技術人員而言 根據以下公開內容將會變得明顯。
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盡管說明書通過權利要求書做出結論，具體地指明并明確 地要求保護本發明，但據信此處所述實施例根據以下描述并結合附圖 將更易于理解，附圖中相同標號表示相同元件。圖1為根據此處描述的燃料噴嘴的一個實施例的略圖2為根據此處描述的燃料噴嘴的一個實施例的略圖，其中， 該燃料噴嘴具有分支的主腔和多個注射柱；
圖3為根據此處描述的燃料噴嘴的一個實施例的截面簡圖，其 5中，該燃料噴嘴由隔熱罩封閉并具有絕熱間隙；
圖4為根據此處描述的燃料噴嘴的一個實施例的略圖，其中， 該燃料噴嘴具有引導噴射器；
圖5為根據此處描述的燃氣渦輪發動機的一個實施例的局部剖 視簡圖，其中，該燃氣渦輪發動機具有軸向定向的燃料噴嘴；和 10 圖6為根據此處描述的燃氣渦輪發動機的一個實施例的局部剖
視簡圖，其中，該燃氣渦輪發動機具有周向定向的燃料噴嘴。
零部件清單
10燃料噴嘴
1512燃料供給管道
13分配器環入口
14分配器環
16引導腔
18主腔
2020主腔右側
22主腔左側
24注射柱
26前隔熱罩
28后隔熱罩
2530絕熱間隙
32引導噴射器
34燃氣渦輪發動機
D 至少0.02cm的距離
具體實施例方式此處所述實施例大體涉及利用金屬注射成型方法來制造的 能夠輸送液體的部件。盡管此處的實施例或許大體上集中在用于經過
5 燃氣渦輪發動機的燃料系統來輸送噴氣燃料的部件，但本領域技術人 員應理解的是本說明不應局限于此。實際上，如以下說明所述，此處 所述方法可用于生產能夠用來輸送液體的任何部件。通常，此處所述實施例涉及提供一種模型，將部件材料注 入模型內以生成生坯部件(green component),力口熱生坯部件以生成半 10成品部件(brown component),以及燒結半成品部件以生成能夠輸送液 體的成品部件。最初，可提供具有所需成品部件形狀的模型。該模型可以 是任何適于與金屬注射成型工藝 一起使用的模型，如此處以下更為詳 細的描述。通常，模型可以由鋼或其它相當的材料構成。如金屬注射
15成型典型的情況，該模型可具有對應于所制造部件外形的內部空間。
在模型內可以放入至少一個型芯，以在成品部件內形成空 腔。如此處所用，用語"型芯"意指至少一個型芯。將理解的是，此 處所述實施例可包括一個以上的型芯。型芯可由具有比以下此處所述 部件材料的熔點更低的熔點的任何一種型芯材料制成，以便于除去型
20芯。在一個實施例中，型芯可從包括SLA型樹脂、聚碳酸酯、聚丙烯 及其組合的組中選出的型芯材料制成。型芯可以是線性的或者是非線 性的。根據所制造部件的類型，可期望采用本領域的公知技術將型芯 懸置于模型中。懸置型芯可幫助保證型芯完全地由部件材料所圍繞。 這還能降低成品部件中的泄漏可能性。
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隨后可利用常規的注射成型慣例將部件材料注入;f莫型內的
型芯周圍，其中，常規的注射成型慣例可典型地包括以大約200磅/ 平方英寸至大約400磅/平方英寸的壓力將部件材料注入模型內。如果 需要，可將其內注入部件材料的模型加熱至大約9(TC(大約200°F)， 以便于部件材料在模型中的注入和擴散。盡管部件材料可包括任何能 夠被注射成型的材料，但在一個實施例中，部件材料可從包括鎳基合 金、鈷基合金及其組合的組中選擇。更具體地說，部件材料可包括按
重量計算混合有大約3%至大約20%粘合材料的金屬粉末。例如，部 5件材料可包括與按重量計算與大約7%的粘合材料相結合的按重量計 算大約93%的鉻鎳鐵合金。對本領域技術人員已知的任何普通的粘合 材料都容許在此使用。部件材料可具有能夠在壓力下注入模型而不會 漏出該模型的濃度。—旦注入，4更可允許部件材料在^f莫型內固結(firmup)以生成
10 生坯部件。發生這種凝固(setup)所需的時間將根據所選的具體部件材 料而變化。在部件材料凝固后，可拉開模型并取下生坯部件。如果需 要，可干燥和/或冷卻生坯部件以更易于操作。然后可加熱生坯部件，以生成半成品部件并燒除任何存在 的型芯。得到的半成品部件將會硬化并具有位于各型芯曾經所在處的
15內腔。如上所述，期望型芯由熔點比部件材料熔點更低的材料制成以 便于將其燒除。為生成半成品部件并燒除任何存在的型芯而可將生坯 部件加熱到的溫度，可根據所用的具體部件材料和型芯材料而變化。 然而，在一個實施例中，可以將生坯部件加熱到大約150。F至大約500 。F(大約65。C至大約26(TC)的溫度范圍。通過在前述溫度范圍內實施
20 若干加熱步驟，可燒除型芯，其中，包含部件的熔爐的溫度可在大約 五分鐘內提高大約二十五度，隨后對限定的時間將溫度保持恒定。更具體地說，燒除型芯可包括以下步驟可將熔爐加熱至 大約300下(大約148。C)的溫度并保持恒定大約一個小時；然后可在大 約五分鐘內將溫度升高至大約325。F(大約162。C)并保持恒定大約兩個
25小時；然后可在大約五分鐘內將溫度升高至大約350。F(大約176°C) 并再保持恒定兩個小時；然后可在大約五分鐘內將溫度升高至大約 375。F(大約190。C)并保持恒定大約兩個小時；然后可在大約五分鐘內 將溫度升高至大約400。F(大約204。C)并保持恒定大約兩個小時，在該
兩個小時的時間內，型芯將開始熔化并從部件中燒除。然后在大約五
分鐘內將溫度升高至大約425。F(大約218。C)并保持恒定大約六至七個 小時。在大約六至七個小時之后，可檢查得到的半成品部件以保證型 芯已被充分地除去。 5
除了燒除型芯之外，該加熱工藝可用于除去余留在得到的
半成品部件和/或在其內發生型芯燒除的空氣熔爐中的灰燼。更具體地 說，在完成型芯燒除之后且半成品部件仍存在于內部時，可將熔爐加 熱至大約625。F(大約329°C)，以燒除來自半成品部件和熔爐內的任何 殘存灰燼含量。當令人滿意地完成了型芯燒除時，可關掉熔爐并允許
10 半成品部件冷卻。在燒除型芯的同時，或許發生部件材料的部分脫粘 (debinding)。在部分脫粘期間，從生坯部件中燒除在部件材料中所用 的至少一部分粘合材料。部分脫粘對處理得到的半成品部件以及將得 到的半成品部件從空氣爐輸送至發生燒結的真空爐提供了便利。應注
15意的是，在此處以下所述燒結周期完成以前，通常不會發生部件材料 的完全脫粘。燒結包括加熱半成品部件以揮發任何余留的粘結劑并同時 使部件材料的余留金屬顆粒的密度增加以生成成品部件。具體地，燒 結可通過消除脫粘時所生成的空隙增加半成品部件的密度。通常，當 20 與半成品部件的尺寸相比，燒結可以使成品部件收縮大約3%至大約 20%。本領域技術人員將會理解，或許希望利用此處所述的方法來控 制收縮量以提供尺寸再現性(dimensional reproducibility)并幫助將所制 作部件之間的差異減到最小。盡管用于燒結的加熱和冷卻周期可以變化，但在一個實施 25 例中，燒結可在溫度范圍為大約700。F至大約2300。F(大約37(TC至大 約1260。C)的一系列周期內進行。燒結可以在具有分壓(partial pressure) 能力的真空爐內進行。在一個實施例中，可以將熔爐抽空然后用氬氣 或氬氣回填至大約600微米汞柱(microns of Hg)的壓力。氣體可以間歇
地或連續地流過熔爐，以吹掃整個燒結過程中所產生的已揮發粘結劑。燒結處理可在熔爐處于環境溫度時開始。可將半成品部件 放入熔爐內，并以大約5。F(大約2.7。C)/分鐘的溫升來加熱熔爐直至達 5到大約1200。F(大約648。C)的溫度。 一旦達到大約1200。F(大約648°C) 的溫度，該溫度可保持恒定大約一個小時。然后可以以大約5。F(大約 2.7。C)/分鐘的速度冷卻熔爐，直至達到大約300。F(148。C)的溫度。例 如，可通過受控地降低熔爐加熱元件的功率來實現冷卻。然后可以將 熔爐再次以大約5。F(大約2.7。C)/分鐘的速度加熱到大約1200。F(大約 10648°C),在此，溫度可保持恒定大約兩個小時。然后可以以大約5。F(大 約2.7。C)/分鐘的速度冷卻熔爐，直至達到大約300。F(148。C)的溫度。 然后可以將熔爐以大約5。F(大約2.7。C)/分鐘的速度加熱到大約1200 。F(大約648。C)，在此，溫度可保持恒定大約兩個小時。接著，可以以
15 的溫度，繼之以大約l(TF(大約5。C)/分鐘的速度加熱一段附加的時間 至大約1200。F(大約648。C)的溫度。然后可允許將熔爐冷卻至環境溫 度。然后可將真空爐的爐室抽空到小于大約1微米汞柱的壓力。 然后可通過以大約5。F(大約2/TC)/分鐘的速度將溫度升高至大約
201500。F(大約815。C)的溫度，在此可將該溫度保持恒定大約兩個小時， 從而重新開始加熱。然后可以將溫度以大約5。F(大約2.7。C)/分鐘的速 度升高至大約2000。F(大約1093°C)。在保持溫度恒定大約兩個小時之 后，可以將溫度再次升高，此次以大約35。F(大約19。C)/分鐘的速度直 至其達到大約2300。F(大約126(TC)的溫度。可以將該溫度再保持恒定
25兩個小時，之后以大約10。F(大約5。C)/分鐘的速度真空冷卻到大約 2000。F(大約1093。C)的溫度。然后可以以不受控制的速度繼續真空冷 卻直至溫度達到大約UO(TF(大約6化。C)以下，且在一個實施例中， 直至溫度達到大約250。F(大約12rC)。得到的成品部件能夠輸送液體，在一個實施例中，該液體 可以是諸如液體噴氣燃料的可燃液體。更具體地，燒結增加了因燒除 型芯所得到的空腔的密度并降低了空腔壁的孔隙度以能夠輸送液體。 此孔隙度的降低導致形成了可以為大約95%至大約99%致密的成品 5 部件。如此處所用，用語"致密"是指無孔隙的且可以用常規圖像分 析技術測量的成品部件的百分比。例如，可以將成品部件切碎并將它 的一塊放置在顯微鏡下。可以對這塊成品部件進行微觀攝影，并且相 對于在影像中顯示的這塊成品部件的總面積來計算存在的任何空隙 面積或孔隙面積。
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任選地，利用本領域公知技術如熱等靜壓或HlP/hipping，
可以對成品產品施加壓力。更具體地，在熱等靜壓期間，通過在大約 10千磅/平方英寸至大約20千磅/平方英寸的氬氣壓力下，且在一個實 施例中大約為15千磅/平方英寸(大約1055千克力/平方厘米)的氬氣壓 力下，將成品部件加熱到大約2100。F(大約1149。C)至大約2200下(大
15約1204。C)的溫度，且在一個實施例中大約為2125。F(大約1163。C)的 溫度，并且保持這些參數恒定大約四個小時，可以除去在成品部件內 由脫粘所形成的任何余留空隙。熱等靜壓處理的最終結果是至少大約 99.9%致密的增密部件。盡管上述注射成型方法可以用來制造能夠輸送液體的任何
20 部件，但在一個實施例中，該方法可用來制造燃料噴嘴10，如圖1大 體所示。燃料噴嘴10可包括燃料供給管道12和分配器環14。轉到圖2,燃料供給管道12可包括至少一個引導腔16和至 少一個主腔18,其各利用注射成型工藝中的前述型芯制成。如貫穿此 處所用，用語"至少一個"包括一個及一個以上。引導腔16和主腔
25 18中的每一個均可以為大體線性的、非線性的或其組合。在一個實施 例中，如圖2所示，主腔18可分成主腔右側20和主腔左側22。不管 引導腔16和主腔18的數目或方位，可能希望的是，存在于燃料供給 管道12中的所有空腔都彼此隔開至少大約0.02cm的距離D。空腔隔
開至少大約0.02cm可有助于保證形成空腔的型芯在制造時充分地由 部件材料所圍繞，這可以幫助防止成品部件中的泄漏。可以可操作地聯接到至少一個引導腔16和至少一個主腔 18上的分配器環14,可以具有至少一個由其向外延伸的注射柱24。 5在圖2所示實施例中，分配器環14包括多個注射柱24,這些注射柱 24可在將燃料注入混合腔中之前幫助維持燃料速度，在該混合腔中， 燃料混合有空氣導致燃燒。由于此處所述的金屬注射成型工藝包括使 用型芯，故可以將注射柱24和分配器環14形成一體。更具體地，在 注射^f莫制具有注射柱24的分配器環14之前，可以將一個或多個型芯
10懸置在上述模型內以占據分配器環14和注射柱24中的通道(未示出)。 此布置允許將分配器環14模制成具有一體形成的注射柱24,而不是 現行的慣例制造分配器環并隨后手動地附連上一個或多個注射柱。
在一個實施例中，此前詳述的金屬注射成型工藝可以用來 單獨地制造燃料供給管道12和分配器環14直至本工藝的半成品部件
15部分。之后，通過在執行燒結和任選的熱等靜壓工藝之前將半成品燃 料管道插入分配器環的至少一個對應入口 13(圖3所示)，可將半成品 燃料管道和半成品分配器環聯接到一起，以便在制造時將燃料供給管 道12和分配器環14固定到一起以形成燃料噴嘴10。燃料供給管道 12和分配器環14的這種永久聯接可以消除釬焊連接的使用并降低由
20 此可能引起的泄漏的可能性。還可以通過聯接到后隔熱罩28上的前隔熱罩26來封閉分 配器環14，前隔熱罩26和后隔熱罩28—起可以形成分配器環14周 圍的絕熱間隙30，如圖3所示。前隔熱罩26和后隔熱罩28可以由例 如鉻鎳鐵合金718制成，并且可以利用本領域技術人員已知的各種方
25 法中的任何方法來制造，諸如例如鑄造、金屬注射成型或其它的機械 加工方法。隔熱罩26,28可以在燃料分配器環14周圍釬焊在一起。間 隙30使得燃料與流經燃料噴嘴10中空腔的熱空氣隔開，這有助于防 止燃料變得過熱及焦化。燃料噴嘴10可另外包括至少一個引導噴射器32,如圖4 所示。通常，引導噴射器32可以可操作地聯接到引導腔上，在此， 該引導腔可用作用于發動機點火的主燃料供給。引導噴射器32通常 可以是可釬焊到燃料供給管道12上的機加工部分。在一個實施例中， 5引導噴射器32可以由與燃料供給管道12相同的材料制成。不考慮確切的構造，燃料噴嘴可相對于其將放置在其中的 發動機34如圖5所示軸向地定向，或者如圖6所示周向地定向。盡 管或許期望用軸向定向來幫助降低噴嘴10的重量和尺寸，但本領域 技術人員將理解噴嘴10必須具有足夠低的熱應力來滿足部件壽命要 10 求。可期望采用周向定向來降低噴嘴IO上的熱應力。兩者之中的任 一種定向都適于結合此處所述實施例來使用。此書面說明書使用示例來公開本發明，包括最佳模式，并 且使得本領域技術人員能夠實施和使用本發明。本發明可取得專利的 范圍由權利要求書所限定，并且可包括本領域技術人員所想到的其它 15 示例。如果這種其它的示例具有不異于權利要求書字面語言的結構要 件，或者包括與權利要求書字面語言無實質差異的等同結構要件，則 這種其它的示例意在屬于權利要求書范圍之內。
權利要求
1.一種燃料噴嘴(10)，包括燃料供給管道(12)，其具有由至少為0.02cm的距離彼此隔開的至少一個引導腔(16)和至少一個主腔(18)；和分配器環(14)，其具有至少一個由其向外延伸的注射柱(24)，所述分配器環(14)可操作地聯接到所述至少一個引導腔(16)和所述至少一個主腔(18)中的每一個上；其中，所述噴嘴(10)利用金屬注射成型來制造。
2. 根據權利要求1所述的噴嘴(10),其特征在于，所述主腔(18) 分成主腔左側(22)和主腔右側(20)。
3. 根據權利要求1或2中任一項所述的噴嘴(10)，其特征在于， 所述引導腔(16)和所述主腔(18)是非線性的。
4.根據權利要求1、 2或3中任一項所述的噴嘴(10),其特征在于，所述噴嘴(10)還包括至少一個引導噴射器(32)。
5. 根據權利要求l、 2、 3或4中任一項所述的噴嘴(10),其特征 在于，所述引導腔(16)可操作地聯接到所述引導噴射器(32)上。
6. 根據權利要求1、 2、 3、 4或5中任一項所述的噴嘴(10)，其特征在于，所述燃料管道(12)和所述分配器環(14)燒結在一起。
7. 根據權利要求l、 2、 3、 4、 5或6中任一項所述的噴嘴(10), 其特征在于，所述注射柱(24)與所述分配器環(14)形成一體。
8. 根據權利要求1、 2、 3、 4、 5、 6或7中任一項所述的噴嘴(10), 其特征在于，所述分配器環(14)包括多個由其向外延伸的注射柱(24)。
9.根據權利要求1、 2、 3、 4、 5、 6、 7或8中任一項所述的噴嘴(10),其特征在于，所述分配器環(14)由聯接到后隔熱罩(28)上的前 隔熱罩(26)所封閉，所述后隔熱罩(28)和所述前隔熱罩(26)—起在所述 分配器環(14)周圍形成絕熱間隙(30)。
10.根據權利要求1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8或9中任一項所述 的噴嘴(10),其特征在于，所述燃料供給管道(12)被軸向地定向或周向 地定向。
全文摘要
本發明涉及利用注射成型制造的能夠輸送液體的部件，具體而言，燃料噴嘴(10)包括燃料供給管道(12)和分配器環(14)，該燃料供給管道(12)具有至少一個引導腔(16)和至少一個主腔(18)，該分配器環(14)具有由其向外延伸的至少一個注射柱(24)，且該分配器環(14)可操作地聯接到該至少一個引導腔(16)和該至少一個主腔(18)中的每一個上，其中，噴嘴(10)利用金屬注射成型來制造。
文檔編號F23R3/28GK101344266SQ20081013163
公開日2009年1月14日 申請日期2008年7月15日 優先權日2007年7月15日
發明者D·E·布丁格爾, D·L·杜爾斯托克, M·A·麥克馬斯特斯 申請人:通用電氣公司