帶有高分解度區(qū)域的渦輪機部件鑄造芯的制作方法
【專利摘要】帶有復雜內(nèi)部特征的中空渦輪發(fā)動機部件能包括第一區(qū)域(120)和第二高分解度區(qū)域(124)。第一區(qū)域(120)能由第一陶瓷芯件限定，第一陶瓷芯件通過任何常規(guī)過程形成，比如通過噴射模塑或傳遞模塑形成。第二區(qū)域(124)能由第二陶瓷芯件限定，第二陶瓷芯件通過能有效生產(chǎn)高分解度特征的方法，比如托莫光刻模塑，分離地形成。第一芯件(12)和第二芯件(14)能通過互鎖接合被連接，該互鎖接合在經(jīng)受中間溫度的熱處理過程時通過允許熱蠕變發(fā)生熱變形以在第一和第二芯件(12、14)之間形成三維互鎖接頭(132)，從而將第一和第二芯件(12、14)不可逆地互鎖在一起，使得接頭(132)變得物理地鎖定在一起，從而通過熱加工過程提供接頭穩(wěn)定性。
【專利說明】帶有高分解度區(qū)域的渦輪機部件鑄造芯
[0001]關(guān)于聯(lián)邦政府資助研發(fā)的聲明
本發(fā)明的研發(fā)部分地由美國能源部授予的合同號DE-FC26-05NT42644支持。因此，美國政府能在本發(fā)明中享有一定的權(quán)利。
[0002]相關(guān)申請的交叉引用
該申請是現(xiàn)在已經(jīng)放棄的、2010年2月25日提交的美國實用專利申請?zhí)?2/712，632的部分繼續(xù)專利申請，該美國實用專利申請的全部內(nèi)容被并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明的方面總體涉及渦輪發(fā)動機部件，以及更具體地涉及鑄造渦輪發(fā)動機部件。
【背景技術(shù)】
[0004]在渦輪發(fā)動機中，比如渦輪機葉片或輪葉的許多部件在發(fā)動機操作期間都被暴露于熱氣體。為了經(jīng)得起操作環(huán)境，這些部件通常在發(fā)動機操作期間被冷卻。為了促進冷卻，這些部件能夠包括若干內(nèi)部特征，比如冷卻通道和空腔。包含這樣的特征會顯著地增大制造部件的難度。因此，經(jīng)濟地制造冷卻的渦輪機部件的能力對于任何設(shè)計的可行性都是必要的。
[0005]渦輪機葉片通常通過熔模鑄造制成，其使用芯來形成葉片的內(nèi)部特征。因此，對于實現(xiàn)獲得葉片的期望冷卻性能所需的特征而言，芯是至關(guān)重要的。傳統(tǒng)上，芯通過噴射模塑(低壓或高壓)或傳遞模塑被制造。在任一過程中，都要求精密模子。為移除芯而將模子的區(qū)段拉開的方向在芯的設(shè)計中是重要的因素并且對芯設(shè)計施加限制，因為必須確保各個模子區(qū)段能夠在沒有干涉的情況下被拉開。當分離平面的要求數(shù)目增大時，分離模子就變得越來越有挑戰(zhàn)性，在有些時候，分離模具變得不可能。因此，芯的設(shè)計能夠最終影響葉片的設(shè)
i+o
[0006]隨著朝包括近壁冷卻的先進冷卻方案的推進，常規(guī)芯生產(chǎn)方法獨自將不能滿足先進設(shè)計的要求。因此，存在對于能夠促進在渦輪發(fā)動機部件中包含先進內(nèi)部冷卻特征的系統(tǒng)和方法的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的方面針對一種形成用于在鑄造渦輪發(fā)動機部件中使用的芯的方法。該方法包括如下步驟:形成芯的正常分解度(normal resolut1n)區(qū)域，以及使用能有效地生產(chǎn)高分解度(high resolut1n)特征的方法形成芯的高分解度區(qū)域。芯可以是多壁芯。
[0008]在一個實施例中，正常分解度區(qū)域能由第一芯件限定，并且高分解區(qū)域能由第二芯件限定。在這種情況下，該方法能包括連接第一和第二芯件的步驟。在一些例子中，連接第一和第二芯件的步驟能在模具外執(zhí)行。高分解度區(qū)域能通過托莫(tomo)光刻模塑形成。第一芯件的至少一部分能使用能有效生產(chǎn)高分解度特征的方法制成，該方法能是例如托莫光刻模塑。
[0009]第一芯件能包括在第一芯件內(nèi)的從內(nèi)側(cè)延伸到外側(cè)的空腔。第二芯件能包括凸出部。在這種情況下，連接步驟能夠?qū)е峦钩霾勘唤邮赵诳涨恢?。凸出部的至少一部分能被加熱。受熱的凸出部能被形成為使得第一和第二芯件互鎖接合。在一個實施例中，成型步驟能夠包括將凸出部折疊到第一芯件的外側(cè)上。凹部能在第一芯件中形成，使得凹部接收凸出部的折疊部分的至少一部分。因此，凸出部能夠與第一芯件的外側(cè)基本上齊平。在另一實施例中，成型步驟能夠包括將凸出部的至少一部分成形為基本上對應于空腔的至少一部分。
[0010]第一芯件能包括在其中的空腔，并且第二芯件能包括凸出部。凸出部能夠包括第一部分和第二部分。第一部分能夠被構(gòu)造成被接收在空腔中，并且第二部分能夠被構(gòu)造成防止被收入到空腔中。在這種情況下，連接步驟能夠?qū)е峦钩霾康膬H第一部分被接收在空腔中。因此，能夠在第一芯件和第二芯件之間維持期望間隔。凸出部的第一部分能夠被加熱并且形成為使得第一芯件和第二芯件互鎖接合。
[0011 ] 第一芯件能包括多個凹部，并且第二芯件能包括多個凸出部。所述凹部和凸出部能夠被構(gòu)造成用于互鎖接合。連接步驟能夠?qū)е旅總€凸出部均被接收在凹部中的相應一個中。能夠采用任何適當類型的互鎖。在一個實施例中，凹部能夠是陰型燕尾，并且凸出部能夠是陽型燕尾。在一些例子中，能在每個凹部和接收在其中的凸出部之間形成間隙。在這種情況下，該方法能夠進一步包括如下步驟:將陶瓷材料應用在間隙的至少一部分中，以及燒制連接的第一芯件和第二芯件。
[0012]在一個實施例中，第一芯件和第二芯件兩者均能在連接步驟期間被徹底地燒制。在另一實施例中，第一芯件和第二芯件中的至少一個能處于坯體狀態(tài)。第一芯件和/或第二芯件能利用粘結(jié)劑形成，所述粘結(jié)劑包括溶劑、塑化劑，以及尿烷或環(huán)氧樹脂中的至少一種。在這種情況下，所述方法能夠進一步包括如下步驟:選擇溶劑、塑化劑，以及所述尿烷或環(huán)氧樹脂中的至少一種以實現(xiàn)處于坯體狀態(tài)的第一芯件和/或第二芯件的目標性質(zhì)。第一芯件和/或第二芯件能夠在坯體狀態(tài)中被加熱到固化溫度。第一芯件和/或第二芯件能夠被熱成型為目標構(gòu)造。
[0013]在一個實施例中，第一芯件能包括凹部。在這種情況下，所述方法能夠進一步包括形成帶有箔構(gòu)件的第二芯件。箔構(gòu)件的一部分能夠被嵌入在第二芯件中，并且箔構(gòu)件的一部分能夠凸出超過第二芯件。在這種情況下，連接步驟包括將箔構(gòu)件的凸出部分插入到第一芯件的凹部中。
[0014]所述方法能夠進一步包括如下步驟:與芯分離地形成芯座，以及將芯座連接到芯。芯能包括要么多個凹部要么多個凸出部:芯座能包括多個凸出部和多個凹部中的相對的一種。凹部和凸出部被構(gòu)造成用于互鎖接合，其中，連接步驟導致每個凸出部均被接收在凹部中的相應一個中。在一些例子中，所述方法能夠包括在芯座中形成芯鎖的額外步驟。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的方面的其他實施例針對一種連接用于鑄造翼片的多件芯的方法。在這樣的方法中，第一陶瓷芯件被形成。第一芯件大體成形為翼片主體部分且具有要么多個凹部要么多個凸出部。第一芯件包括接合表面。第一陶瓷芯件的至少一部分能夠使用能有效生產(chǎn)高分解度特征的方法制成，該方法比如例如是托莫光刻模塑。
[0016]第二陶瓷芯件與第一芯件分離地被形成。第二芯件具有高分解度區(qū)域。第二芯件具有接合表面。第二芯件具有多個凸出部和多個凹部中的相對的一種。第一和第二芯件的凹部和凸出部被構(gòu)造成用于基本上互鎖接合。第二芯件被大體成形為翼片的后緣部分。分離地形成第二陶瓷芯件的步驟能夠使用能有效生產(chǎn)高分解度特征的方法被執(zhí)行。能有效生產(chǎn)高分解度特征的方法的一個示例是托莫光刻模塑。
[0017]第一芯件和第二芯件能夠被連接成使得每個凸出部均被接收在相應凹部中并且使得接合表面鄰接。因此，形成芯組件。連接步驟能夠在模具外執(zhí)行。
[0018]在一個實施例中，第一芯件和第二芯件兩者在連接步驟期間都能處于坯體狀態(tài)。在這種情況下，至少第二芯件能夠利用粘結(jié)劑形成，所述粘結(jié)劑包括溶劑、塑化劑，以及尿烷或環(huán)氧樹脂中的至少一種。所述方法能夠進一步包括如下步驟:選擇溶劑、塑化劑、以及所述尿烷或環(huán)氧樹脂中的至少一種，以實現(xiàn)處于坯體狀態(tài)的第二芯件的目標性質(zhì)。在處于坯體狀態(tài)時，第二芯件能夠被加熱到固化溫度。此時，第二芯件能夠被熱成型到目標構(gòu)造。
[0019]第一芯件能包括凹部，并且還包括形成帶有箔構(gòu)件的第二芯件的步驟，其中，箔構(gòu)件的一部分被嵌入在第二芯件中并且箔構(gòu)件的一部分凸出超過第二芯件的接合表面；以及其中，連接步驟包括將箔構(gòu)件的凸出部分插入到第一芯件的凹部中。第一芯件和/或第二芯件能是多壁芯。
[0020]所述方法能夠進一步包括如下步驟:與第一和第二芯件分離地形成芯座，以及將芯座連接到第一芯件和第二芯件中的至少一個。第一芯件和/或第二芯件能包括要么多個凹部要么多個凸出部。芯座能包括多個凸出部和多個凸出部中的相對的一種。凹部和凸出部能夠被構(gòu)造成用于互鎖接合。將芯座連接到第一芯件和/或第二芯件的步驟導致每個凸出部均被接收在凹部中的相應一個中。在一個實施例中，芯鎖能夠被形成在芯座中。
[0021]在另一方面，本發(fā)明的方面針對用于渦輪發(fā)動機部件的鑄造芯。所述鑄造芯包括陶瓷芯主體，其具有正常分解度細節(jié)的第一區(qū)域和高分解度細節(jié)的第二區(qū)域。在一個實施例中，第一區(qū)域能夠是翼片主體部分，并且第二區(qū)域能夠是翼片后緣部分。芯主體可以是多壁芯。
[0022]在一些例子中，第一區(qū)域能夠由第一芯件限定，并且第二區(qū)域能夠由分離的第二芯件限定。第二芯件能夠是整體結(jié)構(gòu)。箔構(gòu)件能在第一芯件和第二芯件之間延伸并且與第一芯件和第二芯件接合。箔構(gòu)件的一部分能被嵌入在第二芯件中，并且箔構(gòu)件的另一部分能被接收在第一芯件中的凹部中。
[0023]第一陶瓷芯件能具有多個凹部，并且第二陶瓷芯件能具有多個凸出部。每個凸出部均能適于與凹部中的相應一個互鎖接合。每個凸出部均能被接收在凹部中的相應一個中，以便將第一陶瓷芯件連接到第二陶瓷芯件。間隙可以在每個凹部和接收在凹部中的相應凸出部之間形成。能利用陶瓷材料填充間隙。
[0024]凹部能夠是陰型燕尾件，并且凸出部能夠是陽型燕尾件。陽型燕尾件中的一個或多個能包括厚度表面。厚度表面能夠相對于第二陶瓷芯件的接合表面成角度，該角度小于90度。每一個燕尾均能包括第一側(cè)面和第二側(cè)面以及至少一個厚度表面。厚度表面能包括多個凸出底切。
[0025]鑄造芯能進一步包括芯座，芯座與陶瓷芯主體分離地形成但被附接到該陶瓷芯主體。芯鎖能夠被形成在芯座中。芯主體能包括要么多個凹部要么多個凸出部;芯座能包括多個凸出部和多個凹部中的相對的一種。凹部和凸出部能夠被構(gòu)造成用于互鎖接合。每個凸出部均能被接收在凹部中的相應一個中。
[0026]在第一芯件和第二芯件之間的互鎖接合的其他實施例可以被用來通過熱變形將第一芯件和第二芯件不可逆地互鎖在一起，以產(chǎn)生三維互鎖接頭。在至少一個實施例中，第一芯件和第二芯件可以被用來形成用于燃氣渦輪發(fā)動機的渦輪機翼片的至少一部分，比如但不限于渦輪機葉片。第一芯件可以使用模塑的第一過程從芯的正常分解度區(qū)域形成。第二芯件可以使用光刻模塑從芯的高分解度區(qū)域形成，所述光刻模塑是不同于第一過程的模塑方法并且能有效生產(chǎn)高分解度特征。高分解度區(qū)域可以具有一個或多個高分解度特征，所述高分解度特征從由凹部、空腔、開口、凸出部、通道、凹槽、狹槽、和凹陷組成的組中選擇。第一芯件可以包括空腔，并且第二芯件可以包括凸出部。第一芯件和第二芯件可以被連接成使得凸出部的第一部分被接收在空腔的至少一部分中。凸出部可以經(jīng)由中間溫度的熱處理過程(intermediate thermal heat treatment process)被加熱，從而通過允許熱婦變引起凸出部熱變形以在第一芯件和第二芯件之間產(chǎn)生三維互鎖接頭，以將第一和第二芯件不可逆地互鎖在一起，使得接頭變得物理地鎖定在一起，從而通過熱加工過程提供接頭穩(wěn)定性。
[0027]凸出部可以從第一和第二凸出部形成，所述第一和第二凸出部在第一視角(可以是Z-Y平面)中以相對于縱向軸線成銳角地從第二芯件延伸。第一視角可以與由X-Y平面限定的平面正交。此外，第一凸出部可以具有帶有外側(cè)壁的燕尾形狀，該外側(cè)壁在X-Y平面中的第二視角中與縱向軸線成銳角地軸向遠離彼此延伸，在X-Y平面中的第二視角與在Z-Y平面中限定的第一視角成90度。第一和第二凸出部可以通過定位在其之間的敞開空間被分離。在第一芯件中的空腔可以包括第一和第二空腔，其被形成以接收第一和第二凸出部。第一空腔可以具有燕尾形側(cè)壁并且可以被定大小成在第一凸出部經(jīng)受中間溫度的熱處理過程且熱變形到第一空腔中的位置中時，接收第一凸出部，從而形成不可逆地互鎖接頭，由此第一芯件的一部分將第一空腔與第二空腔分離。第二凸出部可以具有帶有外側(cè)壁燕尾形狀，該外側(cè)壁在X-Y平面中的第二視角中與縱向軸線成銳角地軸向遠離彼此延伸，在X-Y平面中的第二視角與在Z-Y平面中的第一視角成90度。第二空腔可以具有燕尾形側(cè)壁并且可以被定大小成在第二凸出部經(jīng)受中間溫度的熱處理過程且熱變形到第二空腔中的位置中時接收第二凸出部，從而形成不可逆地互鎖接頭。
[0028]凸出部可以在凹槽接頭中形成舌部，所述舌部在經(jīng)受中間溫度的熱處理過程之后形成不可逆地互鎖接頭?？涨豢梢员欢ù笮∫越邮胀钩霾壳乙允沟猛钩霾吭谥虚g溫度的熱處理過程期間能夠熱變形?？涨豢梢员粡膫?cè)向接觸表面偏置，使得空腔可以經(jīng)由具有小于空腔的橫截面面積的頸部通過第一芯件暴露。當?shù)谝缓偷诙炯贿B接成使得凸出部的第一部分被接收在空腔的至少一部分中時，第一和第二芯件可以處于坯體狀態(tài)。如此，當凸出部在中間溫度的熱處理過程期間熱變形時，凸出部可以不從空腔中移除，因此保持第一和第二芯件附接到彼此。鎖定構(gòu)件可以被插入到容納凸出部的空腔中，并且進入到空腔中的下述空間的至少一部分中，當凸出部在中間溫度的熱處理過程期間熱變形時所述空間由凸出部空出。頸部還可以相對于空腔被偏置使得相比第二外表面，頸部更靠近第一芯件的第一外表面。在至少一個實施例中，第一和第二芯件可以被構(gòu)造成使得凸出部的第一部分被接收在空腔的至少一部分中包括在模具外連接第一和第二芯件。
【附圖說明】
[0029]圖1是根據(jù)本發(fā)明的方面的具有第一區(qū)域和第二區(qū)域的鑄造芯的透視圖。
[0030]圖2是根據(jù)本發(fā)明的方面的鑄造芯組件的透視分解視圖，其示出第一鑄造芯件和第二鑄造芯件。
[0031]圖3是根據(jù)本發(fā)明的方面的在第一鑄造芯件上的陰型燕尾狹槽和在第二鑄造芯件上的陽型燕尾凸出部之間的接口的近視圖。
[0032]圖4是根據(jù)本發(fā)明的方面形成的在鑄造芯件上的陽型燕尾凸出部的透視圖，其示出在第二鑄造芯件的不同表面上的多個凸出底切。
[0033]圖5是根據(jù)本發(fā)明的方面形成的鑄造芯件的俯視圖，其示出帶有厚度表面的陽型燕尾凸出部，厚度表面相對于第二鑄造芯件的接合表面成角度。
[0034]圖6是根據(jù)本發(fā)明的方面的鑄造芯的近視圖，其示出帶有正常分解度特征的第一區(qū)域和帶有高分解度特征的第二區(qū)域。
[0035]圖7是根據(jù)本發(fā)明的方面的帶有芯座和芯鎖的鑄造芯的透視圖。
[0036]圖8是根據(jù)本發(fā)明的方面形成的多壁鑄造芯的一部分的透視圖。
[0037]圖9A是連接第一芯件和第二芯件的替代方式的透視橫截面視圖，其示出第二芯件的凸出部被接收在第一芯件中的空腔中且延伸超過第一芯件的外側(cè)。
[0038]圖9B是根據(jù)本發(fā)明的方面的連接第一芯件和第二芯件的替代方式的透視橫截面視圖，其示出第二芯件的凸出部被折疊在第一芯件上，以因此使第一和第二芯件形成互鎖接合。
[0039]圖1OA是連接第一芯件和第二芯件的替代方式的側(cè)立面橫截面視圖，其示出第二芯件的凸出部，其帶有被接收在第一芯件中的空腔中的第一區(qū)域并且?guī)в写笥诳涨坏牡诙^(qū)域以便固定在第一和第二芯件之間的距離。
[0040]圖1OB是根據(jù)本發(fā)明的方面的連接第一芯件和第二芯件的替代方式的側(cè)立面橫截面視圖，其示出第二芯件的凸出部被局部地形成在空腔內(nèi)，以因此使第一和第二芯件形成互鎖接合。
[0041]圖11是第一芯件和第二芯件的替代構(gòu)造的透視圖，由此，第二芯件包括由第一和第二凸出部形成的凸出部，第一和第二凸出部以銳角從第二芯件延伸從而在每個凸出部上形成燕尾形狀。
[0042]圖12是在第一和第二芯件被附接在一起之前以分解視圖示出的圖11的替代構(gòu)造的橫截面?zhèn)纫晥D，如在圖11中的截面線12-12處所示。
[0043]圖13是在第一芯件已經(jīng)被置放成與第二芯件接觸時但是在第一和第二芯件被附接在一起之前，以分解視圖示出的圖11的替代構(gòu)造的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0044]圖14是在第一芯件已經(jīng)被置放成與第二芯件接觸時但是在第一和第二芯件被附接在一起之前，以分解視圖示出的圖11的替代構(gòu)造的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0045]圖15是第一芯件和第二芯件的替代構(gòu)造的橫截面?zhèn)纫晥D，由此，第一芯件包括在其中的空腔并且第二芯件包括從第二芯件延伸形成的凸出部，凸出部將被插入在空腔內(nèi)且熱變形以產(chǎn)生三維互鎖接頭。
[0046]圖16是來自圖15中所示的第二芯件的凸出部的橫截面?zhèn)纫晥D，該凸出部被插入到第一芯件的空腔中。
[0047]圖17是來自圖15中所示的第二芯件的凸出部的橫截面?zhèn)纫晥D，該凸出部被插入到第一芯件的空腔中且熱變形以產(chǎn)生三維互鎖接頭。
[0048]圖18是來自圖15中所示的第二芯件的凸出部的橫截面?zhèn)纫晥D，該凸出部被插入到第一芯件的空腔中且熱變形以連同鎖定構(gòu)件一起產(chǎn)生三維互鎖接頭，該鎖定構(gòu)件定位在容納凸出部的空腔中且在空腔中的下述空間的至少一部分中，當凸出部在中間溫度的熱處理過程期間熱變形時所述空間由凸出部空出。
【具體實施方式】
[0049]如在圖1-18中所示，本發(fā)明的實施例針對用于在鑄造渦輪發(fā)動機部件中使用的帶有一個或多個高分解度區(qū)域的鑄造芯系統(tǒng)。本發(fā)明的方面將結(jié)合用于渦輪機翼片的鑄造芯描述，但是【具體實施方式】僅意欲為示例性的。事實上，本發(fā)明的方面能夠結(jié)合任何中空鑄造渦輪發(fā)動機部件使用，尤其是帶有復雜內(nèi)部特征的那些。本發(fā)明的實施例在圖1-8中示出，但是本發(fā)明不受限于圖示的結(jié)構(gòu)或應用。
[0050]參考圖1，示出根據(jù)本發(fā)明的方面的鑄造芯10。鑄造芯10能包括第一區(qū)域11和第二區(qū)域13。在一個實施例中，芯10能結(jié)合渦輪機葉片或輪葉的鑄造使用。在這種情況下，第二區(qū)域13能限定芯10的翼片后緣部分16，并且第一區(qū)域11能限定芯10的翼片主體部分18。[0051 ]第一區(qū)域i i能包括一個或多個特征，所述特征包括例如凹部、空腔、開口、凸出部、通道、凹槽、狹槽、和/或凹陷。這些特征能具有正常分解度；即，這些特征能夠通過常規(guī)鑄造技術(shù)生產(chǎn)，常規(guī)鑄造技術(shù)包括例如，噴射模塑(低壓或高壓)或傳遞模塑。取決于被制成的最終部分，第一區(qū)域11能按需被設(shè)計大小和形狀。
[0052]第二區(qū)域13能是具有一個或多個高分解度特征或細節(jié)的高分解度區(qū)域，所述高分解度特征或細節(jié)能是例如凹部、空腔、開口、凸出部、通道、凹槽、狹槽、和/或凹陷，取決于在最終被制成的部分中所期望的內(nèi)部特征。芯的高分解度區(qū)域能夠被用來形成在被制成的最終部分中的內(nèi)部特征或細節(jié)。這樣的特征或細節(jié)能夠有效優(yōu)化被鑄造的最終部分中的冷卻。
[0053]高分解度區(qū)域超出了常規(guī)芯形成方法的天然能力或范圍。例如，高分解度區(qū)域是在使用常規(guī)芯形成技術(shù)時將要求模子的不止三個平面分離的區(qū)域。因此，根據(jù)本發(fā)明的方面，第二區(qū)域13能包括一個或多個高分解度特征，其先前不能使用常規(guī)芯形成技術(shù)獲得。應當注意的是，雖然下文的描述將針對帶有一個高分解度區(qū)域13的鑄造芯10，但是將理解的是根據(jù)本發(fā)明的方面的鑄造芯能夠具有多個高分解度區(qū)域。進一步，雖然高分解度區(qū)域被示出為與鑄造芯10的后緣部分16關(guān)聯(lián)，但是將理解的是本發(fā)明的實施例不受限于這樣的位置。事實上，在一些例子中，后緣部分16可能不具有高分解度區(qū)域。高分解度區(qū)域能被應用在任何適當位置中，包括在翼片主體部分18中。
[0054]鑄造芯10能由任何適當材料制成。在一個實施例中，鑄造芯10能由包括例如基于二氧化硅的陶瓷組合物的陶瓷制成。鑄造芯1的第一和第二區(qū)域11、13能由相同材料制成。替代地，鑄造芯1的第一和第二區(qū)域11、13能由不同的材料制成。
[0055]第一區(qū)域11和第二區(qū)域13能夠按需被設(shè)計大小和/或形狀，這取決于制成的最終部分和在其中的期望內(nèi)部特征。根據(jù)本發(fā)明的方面，第二區(qū)域13能夠比第一區(qū)域11總體上具有更復雜的、更高分解度的，重要的和/或錯綜復雜的特征。圖6示出第一和第二區(qū)域11、13的相對復雜性的示例。如能看到的，第一區(qū)域11能包括在第一區(qū)域11中的一定深度處延伸的多個細長通道21和/或延伸通過在第一區(qū)域11中的芯的細長通路23。相比之下，第二區(qū)域13能包括一個或多個高分解度特征。這樣的高分解度特征能包括在高度錯綜復雜的布置中的短的薄壁構(gòu)件或跨接件(cross-over )34?？缃蛹?4能夠通過延伸通過在第二區(qū)域13中的芯10的厚度的通路35形成。因此，跨接件34沿著其長度不被其他材料包圍。在一些例子中，與在正常分解度區(qū)域中相比，在高分解度區(qū)域中能存在更大量的特征。
[0056]根據(jù)本發(fā)明的方面的鑄造芯10能以任何適當方式形成。在一個實施例中，第一和第二區(qū)域11、13能被形成在單個整體芯中。替代地，第一和第二區(qū)域11、13能被形成為分離件，所述分離件被連接在一起以形成芯組件，如在圖2-5中所示。在這種情況下，第一區(qū)域11能由第一芯件12限定，并且第二區(qū)域13能由第二芯件14限定。第二芯件14能與第一芯件12分離地形成。
[0057]正常分解度區(qū)域，比如第一區(qū)域11和/或第一芯件12，能夠使用任何適當?shù)男拘纬杉夹g(shù)被制成，所述芯形成技術(shù)包括例如，常規(guī)技術(shù)，像噴射模塑(低壓或高壓)或傳遞模塑。高分解度區(qū)域，比如第二區(qū)域13和/或第二芯件14，能夠通過能有效生產(chǎn)高分解度特征和/或細節(jié)的方法形成。即，高分解度區(qū)域能夠通過能生產(chǎn)使用常規(guī)芯形成過程不能實現(xiàn)的高分解度特征或細節(jié)的過程形成。
[0058]能生產(chǎn)高分解度特征或細節(jié)的過程的一個示例是托莫光刻模塑，該過程可從弗吉尼亞州夏洛茨維爾市的微系統(tǒng)公司(Mikro System Inc.)獲得。托莫光刻模塑被描述在美國專利號7，411，204; 7，410，606;和7，141,812以及美國專利申請公布號2004/0156478、2008/0053638和2009/0084933中，上述文獻中的每一個均通過引用并入本文。與常規(guī)芯形成過程相比，托莫光刻模塑能關(guān)于高分解度特征提供更多幾何形狀和尺寸控制。托莫光刻模塑能產(chǎn)生下至50微米的特征。
[0059]通常，托莫光刻模塑能包括若干構(gòu)成過程，比如光刻顯微機加工、精密堆疊層壓、模塑、以及鑄造過程。首先，三維數(shù)字模型能被轉(zhuǎn)換成一系列光刻掩模。每個掩模均能表示期望的三維固體(在該情況下，第二芯件14)的橫截面切片。然后每個掩模均能被用來從金屬箔或聚合物膜光刻地機加工精確的復制品。箔和/或膜(“toma”)能被堆疊-層壓以形成耐久的、超高精度的主模具。最后，材料能被傾倒到模具中以鑄造高保真、整體部分。
[0060]雖然能生產(chǎn)高分解度特征或細節(jié)的過程在生產(chǎn)高品質(zhì)鑄造芯中是有效的，但是可能不必要使用這樣的過程來制成整個芯。能夠使用一個或多個標準來確定相對于使用常規(guī)鑄造技術(shù)，是否采用能有效生產(chǎn)高分解度特征和/或細節(jié)的過程來形成芯10的一個或多個區(qū)域。例如，區(qū)域的復雜性能夠是一個標準。能有效生產(chǎn)高分解度特征和/或細節(jié)的方法能夠結(jié)合芯的具有復雜的、重要的和/或錯綜復雜的特征的那些區(qū)域(尤其是相比于芯的其他部分)使用。例如，在用于渦輪機葉片的鑄造芯中，大量的冷卻通路和/或復雜的后緣區(qū)域可能在不是不可能的情況下使得常規(guī)工藝裝置過度復雜，因此更加贊成使用能有效生產(chǎn)高分解度特征和/或細節(jié)的方法，比如托莫光刻模塑。
[0061]替代地或額外地，另一標準能夠是在使用常規(guī)芯形成技術(shù)時將需要的芯噴射模子的復雜性。在常規(guī)芯形成方法中，模子能夠在其中被拉開的平面的最大數(shù)目通常是三個。如果芯設(shè)計將要求多于三個用于將模子拉開的平面，則在常規(guī)技術(shù)下，如果不是不可能的，那么由于缺乏技術(shù)或物理干涉而變得成本高昂。因此，使用能有效生產(chǎn)高分解度特征和/或細節(jié)的替代方法，比如托莫光刻模塑，來生產(chǎn)芯的至少一部分可能更有成本效益。
[0062]額外標準(其可以是除上述標準之外的附加標準或作為上述標準中的一個或多個的替代)可以是時間和/或成本。在一些例子中，使用常規(guī)技術(shù)形成鑄造芯的至少一部分所涉及的時間和/或所關(guān)聯(lián)的成本可能超過了與通過能有效生產(chǎn)高分解度特征和/或細節(jié)(比如本文中所述的那些)的方法形成鑄造芯的至少一部分關(guān)聯(lián)的時間和/或成本。在這種情況下，可能更期望通過能有效生產(chǎn)高分解度特征和/或細節(jié)的方法來形成芯的至少一部分。
[0063]當?shù)谝缓偷诙^(qū)域11、13如上所述的由分離的芯件12、14形成時，芯件12、14能夠以任何適當方式被連接以形成芯組件。在本文中描述了連接芯件12、14的一個方式，但是本發(fā)明的方面不受限于連接的任何特定方式。作為示例，第一和/或第二芯件12、14能具有一個或多個特征以促進這樣的連接。例如，第一和第二芯件12、14能借助于多個互鎖特征被連接。例如，芯件12、14中的一個能具有至少一個凸出部，并且芯件12、14中的另一個能具有至少一個凹部。每個凸出部和每個凹部中的至少一部分能適于彼此基本上互鎖接合。例如，凸出部和凹部能夠被構(gòu)造成陽型燕尾和陰型燕尾、大體球狀的凸出部和凹部、或大體T形的凸出部和凹部，這里僅列舉了一些可能。適當互鎖接合的額外示例在本文中以及在美國專利申請公布號2009/0084933中被描述，該美國專利申請公布號2009/0084933通過引用被并入本文。每個凸出部均能被接收在凹部中的相應的一個中。
[0064]在一個實施例中，第一芯件12能包括多個陰型燕尾20，比如以狹槽的形式，并且第二芯件14能包括多個陽型燕尾22，如在圖2中所示。雖然附圖和下文的描述將針對該布置，但將理解的是，替代地或額外地，第一芯件12能包括多個陽型燕尾(未示出)，并且第二芯件14能包括多個陰型燕尾(未示出)。進一步，如上所述，根據(jù)本發(fā)明的方面芯件還能以若干其他方式被連接。
[0065]將理解的是陽型燕尾22將通常難以使用常規(guī)芯形成技術(shù)制成，尤其是當?shù)诙炯?4由陶瓷制成時。然而，因為第二芯件14通過使用能有效生產(chǎn)高分解度特征的過程制成，比如通過托莫光刻模塑制成，所以陽型燕尾22能夠在高度可靠性以及控制陽型燕尾22的特征的情況下被設(shè)置在第二芯件14上。
[0066]能夠存在任何數(shù)目的陽型燕尾22和陰型燕尾20ο在一個實施例中，能夠存在四個陽型燕尾22和四個陰型燕尾20。陽型燕尾22能全部是基本上相同大小和形狀，或者陽型燕尾22中的至少一個能夠是不同的大小和/或形狀。自然而然地，陰型燕尾20被設(shè)計大小和形狀成接收陽型燕尾22。
[0067]陽型燕尾22能具有第一側(cè)面36和第二側(cè)面38(見圖2和圖4)。第一側(cè)面36和第二側(cè)面38能是大體平面的。第一側(cè)面36和第二側(cè)面38能基本上彼此平行。陽型燕尾22還能具有一個或多個厚度表面，包括例如，第一厚度表面40、第二厚度表面42和第三厚度表面44。每個陽型燕尾22均能具有關(guān)聯(lián)的軸線46。
[0068]應當注意的是陽型燕尾22的表面中的一個或多個，比如厚度表面40、42和/或44(圖2和圖4)能具有一個或多個“凸出底切”，如該術(shù)語在美國專利號7，411，204;7，410，606;和7 ,141,812以及美國專利申請公布號2004/0156478和2008/0053638中被描述的那樣，這些文獻中的每一個的全部內(nèi)容均通過引用被并入本文。凸出底切能夠是在托莫光刻模塑過程中使用的多層模具中鑄造的所得特征。具有凸出底切50的陽型燕尾22的示例在圖4中示出。凸出底切50能出現(xiàn)在第二芯件14的其他表面上，包括例如上端部表面52和/或接合表面24。凸出底切50能提供許多益處，其將在下文中更詳細地描述。應當注意的是，雖然通過在多層模具中鑄造形成，但是第二芯件14自身是整體結(jié)構(gòu)。
[0069]陽型燕尾22能從在第二芯件14上的接合表面24突出。除了陽型燕尾22和凸出底切50，接合表面24能夠在其他方面是大體平面的。當?shù)诙炯?4是后緣芯16時，接合表面24能沿大體徑向方向R伸長。在這樣的翼片在渦輪發(fā)動機中被安裝在其操作位置的情況下，術(shù)語徑向方向預期指的是相對于渦輪機軸線大體徑向。
[0070]陽型燕尾22能以任何適當方式被定向。在一個實施例中，燕尾能被定向成使得能通過使第一芯件12和/或第二芯件14側(cè)向地在一起而使得第一和第二芯件12、14在一起，如在圖2中大體示出。
[0071]帶有X-Y-Z軸的笛卡爾坐標系能被應用到第二芯件14(見圖2和圖4-5)。第二芯件14的接合表面24能在基本上由Y-Z軸限定的平面中。徑向方向R能沿著基本上平行于Y軸的方向延伸。陽型燕尾22能從接合表面24大體沿著X軸突出。第一側(cè)表面36和第二側(cè)表面38能夠在可以基本上由X-Y軸限定的平面中。在這種情況下，陽型燕尾22的軸線46能基本上沿著X軸的方向延伸，如在圖4中所示。
[0072]應當注意的是托莫光刻模塑的使用能夠允許高度的尺寸控制和可靠性。因此，陽型燕尾22能夠被設(shè)置成以便每個燕尾軸線46均相對于接合表面24或相對于由Y-Z軸基本上限定的平面以任何適當角度延伸。如在圖4中所示，燕尾軸線46能相對于接合表面24或相對于由Y-Z軸基本上限定的平面成大約90度。然而，陽型燕尾22能夠被定向成以便燕尾軸線46相對于接合表面24或相對于由Y-Z軸基本上限定的平面成小于90度。
[0073]進一步，參考圖5，厚度表面40、42、44中的一個或多個能相對于接合表面24或相對于由Y-Z軸基本上限定的平面以幾乎任何角度延伸。例如，第二厚度表面42能夠相對于接合表面24或相對于由Y-Z軸基本上限定的平面以角度α延伸。在一個實施例中，第二厚度表面42能夠相對于接合表面24或相對于由Y-Z軸基本上限定的平面以大約28度成角度。
[0074]在多個陽型燕尾22的情況下，每個燕尾22的第二厚度表面42能相對于接合表面24或相對于由Y-Z軸基本上限定的平面全部到成相同角度α，或者燕尾22中的至少一個能具有第二厚度表面42，其相對于接合表面24或相對于由Y-Z軸基本上限定的平面以不同的角度延伸。
[0075]陽型燕尾22能沿著徑向方向R或沿著Y軸的方向在接合表面24上基本上對準。然而，在一個實施例中，燕尾22中的至少一個能相對于其他陽型燕尾22偏置，比如在Z方向上(未示出)。
[0076]第一芯件12能包括接合表面26。接合表面26能是基本上平面的，且其能包括用于每個陰型燕尾20的開口 28。接合表面24、26能夠被構(gòu)造成用于基本上配合接合。接合表面24、26能在第一和第二芯件12、14之間限定接口 27。接口 27能被定位在任何適當位置中。在一個實施例中，接口27能被定位在鑄造芯10中的正常分解度的區(qū)域中。
[0077]燕尾(指的是陽型燕尾22和陰型燕尾20兩者)能以任何適當方式被間隔開。例如，燕尾能被等距地間隔開，以使負載均勻分布在整個部分上。然而，燕尾不是必需被等距間隔開。燕尾能夠按照需要被間隔開，以在需要的情況下提供支撐且避免干涉任何錯綜復雜的細節(jié)。將理解的是陽型燕尾22能夠使用能有效生產(chǎn)高分解度特征和/或細節(jié)的方法，比如托莫光刻模塑高度精確地被置放在第二部件14上。陽型燕尾能與第二芯部分14中的跨接件34(圖3)基本上直接對準地被置放，跨接件34向陽型燕尾22提供強度且防止在陽型燕尾22之間的薄壁扭曲?？缃蛹?4能提供結(jié)構(gòu)強度并且能在被鑄造的最終部分中形成冷卻通路。
[0078]能使第一芯部分12和第二芯部分14在一起，以便每個陽型燕尾22均被接收在相應的陰型燕尾20中。陽型燕尾22能夠互鎖地接合陰型燕尾20，以便在至少兩個維度上，比如在X和Y方向上，大體上抑制移動。然而，應當注意的是，當?shù)诙炯?4使用托莫光刻模塑或能有效生產(chǎn)高分解度特征和/或細節(jié)的其他過程制成時，第二芯件14能夠被構(gòu)造成提供與陰型燕尾20的額外接合。例如，凸出底切50能提供與陰型燕尾20的額外接合。替代地或額外地，帶有相對于接合表面24或相對于由Y-Z軸基本上限定的平面成角度的第二厚度表面42的陽型燕尾22能夠設(shè)有接合的第三方向部件(包括，例如，至少部分在Z方向上)。
[0079]因此，根據(jù)本發(fā)明的方面的系統(tǒng)能夠在陽型燕尾和陰型燕尾20、22之間提供三維互鎖接合。因此，將理解的是托莫光刻模塑過程能增強第一和第二芯件12，14的接合能力和對準能力。當被組裝時，第一芯件12的接合表面26能夠鄰接第二芯件14的接合表面24。
[0080]第一和第二芯件12、14的連接能在模具外完成。即，第一和第二芯件12、14能分離地在其自己的模子或模具中形成。然后第一和第二芯件12、14能被放在一起并且在其相應模子/模具或任何其他模子/模具外被連接。因為連接過程不受限于模具或模子，所以將理解的是在制造第一和第二芯件12、14和總的芯組件10中能夠?qū)崿F(xiàn)更大的靈活性。在模子/模具外操作第一和第二芯件12、14能通過在形成第一和第二芯件12、14中使用粘結(jié)劑系統(tǒng)被促進。這樣的粘結(jié)劑系統(tǒng)的詳情將在后文描述。
[0081 ]當陽型燕尾22被接收在陰型燕尾20中時，在陽型燕尾22和陰型燕尾20之間可以存在少量間隙30，如在圖3中所示。間隙30能夠圍繞在陽型燕尾22和陰型燕尾20之間的接口的至少一部分延伸。在一個實施例中，間隙30能夠完全地圍繞在陽型燕尾22和陰型燕尾20之間的接口延伸。間隙30能是大約0.005英寸。間隙30能夠利用粘接材料被填充。
[0082]當?shù)谝缓偷诙炯?2、14由陶瓷材料制成時，粘接材料能夠是可燒制的陶瓷材料32。材料32能夠是料漿的形式。該陶瓷材料32能與第一和/或第二芯件12、14的材料相同或基本上類似。陶瓷材料32能夠選擇成使得其性質(zhì)與第一和第二芯件12、14的材料的性質(zhì)相同或以其他方式與其良好匹配，以便當連接的芯件12、14隨后被燒制時，芯組件10的材料性質(zhì)自始至終保持基本上恒定。在一個實施例中，陶瓷材料32能與第二芯件14的材料基本上相同。然后連接的第一和第二芯件12、14能在窯或爐中被一起燒制，以形成芯組件10。
[0083]將理解的是如果陽型燕尾22的一個或多個表面(比如厚度表面40、42、44)具有一個或多個凸出底切50，則陶瓷材料32將具有粘附到這些底切的額外表面面積，因此潛在地增加了接口的整體性和/或強度。這些額外表面面積能夠?qū)е赂玫呐黧w狀態(tài)結(jié)合以及更好的高溫燒結(jié)。進一步，使用托莫光刻模塑形成第二芯件14允許陽型燕尾22的大小、形狀和定向被選擇性地設(shè)計成最小化由于在第一和第二芯件被燒制在一起時可能發(fā)生的芯扭轉(zhuǎn)或芯平移而導致的扭曲。
[0084]在第一和第二芯件12、14的接合表面24、26之間的接口27能夠以額外的方式被強化。例如，強化構(gòu)件能夠橫過接口27延伸并且延伸到芯件12、14中的每一個中。強化構(gòu)件能夠是任何適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)。在一個實施例中，強化構(gòu)件能夠是箔60。箔60能夠非常薄，通常是柔性片。箔60能由單個箔或精密對準和/或結(jié)合到層壓的整體實心對象中的多個箔組成。每個箔60均能以任何適當方式被形成，比如通過化學機加工或蝕刻。箔60能由比如例如鉬的任何適當金屬或任何適當合金形成。箔60被制成在連接芯件12、14中給予期望的強度和/或功能。箔60能具有任何適當?shù)拇笮?、形狀?或特征，以在接口 27處提供期望的性質(zhì)。在一個實施例中，箔60能大體沿Z方向(圖2)橫過第二芯件14的整個接合表面24延伸。
[0085]箔60能以任何適當方式設(shè)置在芯10中。在一個實施例中，箔60的一部分能夠被嵌入在第二芯件14中，如在圖3中所示。為了該目的，箔60能夠被插入到芯模具/模子(其能夠是托莫光刻模具/模子)中。陶瓷料漿能被傾倒到模具/模子中且在箔60的一部分周圍。隨后料漿能固化以形成第二芯件14。因此，箔60的一部分60a能被嵌入在第二芯件14中，并且箔60的一部分60b能從第二芯件14的表面(比如接合表面24)凸出。箔60的凸出部分60b能夠被接收在第一芯件12中的凹部62中。凹部62能以任何適當方式形成在第一芯件12中。例如，凹部62能在鑄造過程期間或在隨后的機加工操作期間形成。在一個實施例中，凹部62能在其端部中的一個上是敞開的以側(cè)向地接收箔60。
[0086]當如本文中所述的把兩個芯件(比如第一和第二芯件12、14)放在一起時，箔60能延伸橫過限定在其之間(比如在接合表面24、26之間)的接口 27。箔60的凸出部分60b能在其組裝期間幫助精確地對準第一和第二芯件12、14。當?shù)谝缓偷诙炯?2、14被連接時，箔60能延伸到芯件12、14中的每一個中。因此，在兩個芯件12、14之間的接頭能被加固，這能改善鑄造芯10的品質(zhì)。如果必要的話，箔60能夠以化學方法從芯10浸出，或者在晚些時候以其他方式從芯1移除。
[0087]第一和第二芯件12、14能夠在其加工過程中的不同階段被放在一起。例如，第一芯件12和第二芯件14能夠在其都被完全地燒制或燒結(jié)時被放在一起。替代地，當?shù)谝缓偷诙炯?2、14也可以在其都處于坯體狀態(tài)，S卩，處于預燒制或預燒結(jié)狀況時，被放在一起。在坯體狀態(tài)中，第一和第二芯件12、14二者都已經(jīng)被鑄造且都已經(jīng)足夠硬以使每一個芯件12、14都能從其相應的模具中移除，但是其都沒有被完全地燒制或燒結(jié)。因此，將理解的是，根據(jù)本發(fā)明的方面的系統(tǒng)和方法能夠允許在模具設(shè)計中增加的靈活性。
[0088]通常，處于坯體狀態(tài)的傳統(tǒng)形成的鑄造芯的強度是弱的。因此，難以將這樣的芯主體轉(zhuǎn)移到模具外。當這樣的芯主體包括如本文中所述的一個或多個高分解度特征或區(qū)域時，這樣的轉(zhuǎn)移可能是尤其困難的。芯產(chǎn)量很低，因為由于其易碎的坯體主體強度以及或者因為其特征如此小且復雜，所以當被從模具/模子移除時，芯可能破碎。粘結(jié)劑的添加能改善坯體主體的強度，以允許用于操作和/或其他有益性質(zhì)。
[0089]現(xiàn)在將提供粘結(jié)劑系統(tǒng)和模塑組合物的額外詳情。為了準備和/或提供用于至少部分填充模具的模塑組合物，粉末材料能夠與粘結(jié)劑系統(tǒng)組合以形成模塑組合物，比如料漿。粉末能包括陶瓷、二氧化硅、氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、氮化硼、和/或氧化釔等中的任一種。粉末、模塑組合物、和/或鑄造方法能夠是本文中所述的那些中的任一種，包括在美國專利文獻的下述組中描述的那些中的任一種，這些文獻中的每一個的全部內(nèi)容均通過引用被并入本文:美國專利號2，961，751(名稱為“陶瓷金屬鑄造過程(Ceramic Metal CastingProcess)”)；美國專利號3，957，715(名稱“高熔點金屬以及因此芯的鑄造(Casting ofHigh Melting Point Metals and Cores Therefore)”)；美國專利號4，190 ,450(名稱為“用于制造中空金屬鑄件的陶瓷芯(Ceramic Cores for Manufacturing Hollow MetalCastings)” );美國專利號4,284，121(名稱為“用于制造耐火芯的過程和材料(Process andMaterials for Making Refractory Cores)”)；美國專利號4,837，187(名稱為“包含氧化?乙的基于氧化招的芯(Alumina-Based Core Containing Yttria)”)；美國專利號5，394，932 (名稱為“用于恪模鑄造的多部分芯(Mul t ip I e Part Cores for InvestmentCasting)” );美國專利號6，588，484(名稱為“帶有受控表面紋理的陶瓷鑄造芯(CeramicCasting Cores with Controlled Surface Textures)”)；美國專利號7,413,001 (名稱為“合成模型鑄造(Synthetic Model Casting)”)；以及美國專利申請公布2008/0169081(名稱為“用于生產(chǎn)鑄造部件的方法和器械(Method and Apparatus for Product1n of aCast Component)，，)。
[0090]接下來是用于部分的潛在模塑組合物的若干示例，其大致組成的范圍能夠如下:二氧化硅10%-99%；氧化鋁1%_90%;方晶石1%-20%；鋯石1%_20%；氧化鎂0.01%-1.0%；硅氧烷樹脂1%_30% ；有機粘結(jié)劑1%_30%。
[0091]陶瓷材料(比如在美國專利號4，837，187中描述的類型的那些，該文獻的全部內(nèi)容通過引用被并入本文)能被用于模塑組合物和/或用在通過低壓噴射模塑形成燃氣渦輪發(fā)動機葉片芯的芯部分中。具體地，發(fā)現(xiàn)帶有如下組成的模塑組合物在兩件芯結(jié)構(gòu)中的表現(xiàn)可接受:大約I wt%到大約90 wt%的氧化招，比如84.5 wt%的氧化招;大約I wt%的氧化?乙到大約20 wt%的氧化乾，比如大約7.0 wt%的氧化乾;大約0.05 wt%的氧化鎂到大約10 wt%的氧化鎂，比如1.9 wt%的氧化鎂;和/或大約I wt%的石墨(粉)到大約15 wt%的石墨(粉)，比如大約6.6 wt%的石墨(粉)。例如，說明性模塑組合物能包括大約94 wt°/c^200網(wǎng)目的熔融二氧化硅、大約6 ￥丨％的400網(wǎng)目的方晶石、大約6 wt°/c^325網(wǎng)目的管狀氧化鋁，和/或大約0.2%的超細MgO。
[0092]該模塑組合物的生產(chǎn)示例性實施例的氧化鋁成分包括大約70.2%的大約37微米大小的顆粒、大約11.3%的大約5微米的顆粒，以及大約3%的大約0.7微米的顆粒。其他成分的顆粒大小是:石墨一大約17.5微米;氧化釔一大約4微米;和氧化鎂一大約4微米。所使用的熱塑性粘結(jié)劑包括如下成分(混合物的wt%): OKERIN 1865Q(阿斯特化工);基于石蠟的蠟大約 14.41 wt%Jj:邦公司ELVAX 310 FINNECAN，大約0.49 wt%;油酸一大約0.59 wt%。能夠使用其他陶瓷材料成分和熱塑性粘結(jié)劑，包括在美國專利號4，837，187中陳述的那些。
[0093]在模塑組合物的某些示例性實施例中，能夠使用各種各樣的硅氧烷樹脂中的任一種。例如，能夠利用在美國專利號3，090，691和3，108,985(這兩個專利文獻中的每一個的全部內(nèi)容均通過引用被并入本文)中描述的類型的硅氧烷，包括任何有機硅氧烷，其中，取代基是直接附接到硅原子上的有機自由基或氫原子。一般而言，能夠利用硅氧烷，其每個硅原子均帶有I到3個氫和/或有機取代基，并且有機基包含1-12個碳原子，可選地由包含氧原子和/或氮原子的基取代。如在本文中使用的，術(shù)語“硅氧燒”意欲指的是且包括每個分子具有至少一個鍵的材料。在示例性實施例中，對于每100 g的陶瓷粉末能夠使用大約11 g到19g(包括全部值及在其之間的子范圍M^momentive 355硅氧烷樹脂。
[0094]模塑組合物的某些示例性實施例能采用硅氧烷樹脂，比如二甲基硅氧烷、單甲基娃氧燒、苯甲基娃氧燒、單苯基娃氧燒、一■苯基娃氧燒、單乙基娃氧燒、乙基甲基娃氧燒、一.乙基娃氧燒、苯乙基娃氧燒、單丙基娃氧燒、乙基丙基娃氧燒、一■乙稀基娃氧燒、單乙稀基娃氧燒、乙基乙稀基娃氧燒、苯基乙稀基娃氧燒、—■稀丙基娃氧燒、單稀丙基娃氧燒、稀丙基乙基硅氧烷、烯丙基乙烯基硅氧烷、單環(huán)己基硅氧烷、T -羥丙基甲基硅氧烷、β-甲氧乙基甲基硅氧烷、γ -羧丙基硅氧烷、γ -氨丙基硅氧烷、和/或γ -氰丙基甲基硅氧烷等。
[0095]模塑組合物的某些示例性實施例能夠利用通常在鑄造部分和模具的制備中使用的類型的多種填充材料的任一種，比如IVB族金屬，包括耐火和/或陶瓷材料，比如二氧化硅、氧化鋁和/或鋯石等。如在上文中指示的，由于硅氧烷樹脂的部分分解，填充顆粒能在預成型部分的燒制時通過硅質(zhì)粘合劑被粘合在一起。烤制或燒制部分的體積密度、表觀密度、顯氣孔率、和/或其他性質(zhì)能通過改變填充物和/或硅氧烷樹脂的相對比例、通過改變在模塑組合物中采用的陶瓷顆粒的大小分布、和/或通過將石墨和/或木粉添加到模塑組合物來控制，石墨和/或木粉在燒制時能被燃盡以增加部分的氣孔率。
[0096]當二氧化娃是主要填充物時，烤制和/或燒制部分能具有在大約Ig/ml到大約3g/ml的范圍內(nèi)的體積密度，比如例如，從大約1.4 g/ml到大約2.0g/ml。該范圍能對應于大約1.80 g/ml到大約2.50 g/ml的表觀固體密度，以及大約百分之15到大約百分之35的顯氣孔率。出于該目的，能使用具有在大約100網(wǎng)目到大約400網(wǎng)目的范圍內(nèi)的顆粒大小的填充材料。
[0097]石墨能結(jié)合如上所述的硅氧烷樹脂用作填充材料，以用于模塑預成型部分構(gòu)造。在烤制和燒制時，碳和/或石墨結(jié)合劑能額外于硅質(zhì)結(jié)合劑被形成，以形成具有大約1.2 g/ml的最小體積密度和大約5 g/ml的最大體積密度的期望部分。這樣的石墨部分能夠在生產(chǎn)錯綜復雜芯的、精密鑄造鈦部件中特別有用。
[0098]除了填充物、硅氧烷樹脂和/或催化劑成分，模塑組合物能被配制為包括，如果需要的話，用于硅氧烷樹脂的塑化劑，以在預成型部分的制備中在組合物的模塑期間改善其工作特性。能夠使用用于硅氧烷樹脂的任何適當塑化劑，包括例如，石蠟、苯乙烯、苯酚或低分子量酚醛樹脂、和/或比如N，N’_二硬脂基乙二胺的脂肪胺等。在模塑組合物中塑化劑的量按重量計能夠在模塑組合物中的樹脂含量的從大約0%到大約7%之間變化。
[0099]若干添加劑中的任一種，比如脫模劑或潤滑劑，均能被添加到模塑組合物，以在預成型芯構(gòu)造的制備中在模塑期間改善模塑組合物的加工特性。代表性材料包括例如硬脂酸鈣以及脂肪酸的其他金屬鹽。
[0100]模塑組合物能根據(jù)包括干式摻混、濕式混合、熱混合等的公知混合技術(shù)被配制，且然后使用比如傳遞模塑、噴射模塑和/或壓縮模塑等的常規(guī)模塑技術(shù)以常規(guī)方式被模塑。包括壓力、模子溫度、復合物溫度和/或固化時間的模塑參數(shù)能夠在一定程度上根據(jù)被模塑的部分的構(gòu)造和/或模塑組合物的特定組成改變。通常，用于傳遞或噴射模塑的典型壓力范圍能夠從大約100 psig到大約10 ,OOOpsig，且用于壓縮模塑的壓力從大約100 psig到大約5，000 psig。復合物和/或模子溫度通常能在從大約室溫直到大約400°F的范圍內(nèi)。和/或時間能夠從大約I分鐘到大約1分鐘。
[0101]包括在模塑組合物中的粉末的顆粒分布能夠在整個鑄造部分和/或其任何部分(比如在芯、芯主體、芯的后緣、和/或芯的前緣等的情況下)上被控制。
[0102]粘結(jié)劑系統(tǒng)能夠包括一個或多個尿烷和/或環(huán)氧樹脂、一個或多個溶劑和/或潤濕劑，和/或一個或多個塑化劑等。能夠使用多種塑化劑中的任一種，包括石蠟、苯乙烯、苯酚或低分子量酚醛樹脂、和/或比如N，N’_二硬脂基乙二胺的脂肪胺等。粘結(jié)劑系統(tǒng)能夠使用如下物質(zhì)被生產(chǎn):丙烯酸樹脂，比如例如PMMA丙烯酸粉末、樹脂、2部分環(huán)氧系統(tǒng)和/或復合材料，和/或甲基丙烯酸酯，比如丁基、月桂基、硬脂基、異丁基、羥乙基、羥丙基、縮水甘油基和/或乙基等;熱塑性塑料，比如例如ABS、乙?；?、丙烯酸脂、醇酸樹脂、含氟熱塑性塑料、液晶聚合物、苯乙烯丙烯腈、聚對苯二甲酸丁二醇酯、熱塑性彈性體、聚酮、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、PVC、聚酯纖維、聚安酯、熱塑性橡膠、和/或聚酰胺等，熱固性塑料，比如例如酚醛、乙稀基酯樹脂、尿素、和/或三聚氰胺(amelamine)等;和/或橡膠，比如例如彈性體、天然橡膠、丁腈橡膠、硅氧烷橡膠、丙烯酸橡膠、氯丁橡膠、丁基橡膠、氟硅橡膠、TFE、SBR和/或丁苯橡膠等。某些示例性實施例能夠采用脂環(huán)族熱固性環(huán)氧樹脂。例如，總陶瓷粉末重量的每10g能使用大約1g到20g的來自威斯康辛州德國城的樹脂實驗室的W032701-8環(huán)氧樹脂，其根據(jù)A: B大約等于0.94:1的制造商的用法說明被摻混。
[0103]粘結(jié)劑材料和/或成分可以是液體，其能完全可溶解在各種溶劑中和/或使用各種溶劑被稀釋，所述各種溶劑比如MEK、丙酮、庚烷和/或異丙基酒精等。在MEK的情況下，溶劑添加劑的范圍能在總陶瓷粉末重量的每100克的10-22克之間。在丙酮的情況下，溶劑添加劑的范圍能在總陶瓷粉末重量的每100克的14克和27克之間。在異丙基酒精的情況下，溶劑添加劑的范圍能在總陶瓷粉末重量的每100克的11-21克之間。粘結(jié)劑系統(tǒng)能包括本文中所述的那些適當材料中的任一種，包括在并入本文中的專利中的任一個中描述的那些中的任一種。
[0104]已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在高達大約2700°F及以上的溫度下具有期望熱穩(wěn)定性的陶瓷芯能在模塑組合物被配制成利用晶相二氧化硅(其能被標記為方晶石)取代二氧化硅成分的全部或至少部分時被生產(chǎn)。當方晶石作為模塑組合物的構(gòu)成物按重量計以大于大約2.5%但是不超過大約10%的量存在時，陶瓷芯的高溫穩(wěn)定性優(yōu)于下述芯的高溫穩(wěn)定性:在其中，二氧化硅成分由非晶熔融二氧化硅或熔融二氧化硅與鋯石和/或氧化鋁的各種組合形成作為芯的陶瓷成分。
[0105]在芯主體中方晶石的量在熔態(tài)金屬被鑄造到模具空腔中時可能是重要的。該量能夠足以實現(xiàn)高溫穩(wěn)定性的期望改進，而不消極影響芯的強度或熱沖擊性質(zhì)。雖然當所有二氧化硅都被方晶石替代時能獲得有益的用途，但是可能期望的是將燒制芯中的最大濃度限制到按重量計大約35%，和/或按重量計大約5%到大約20%方晶石在燒制芯中。芯的剩余部分能被配以熔融二氧化硅和/或熔融二氧化硅和鋯石、和/或熔融二氧化硅、鋯石和/或氧化鋁，以及粘結(jié)劑，比如有機金屬硅氧烷樹脂，比如在上述所提及的美國專利號3，957，715中描述的。方晶石的存在能通過直接添加方晶石到構(gòu)成模塑組合物的成分實現(xiàn)。為此目的，方晶石能以細碎的形式被使用，比如在大約70網(wǎng)目到大約325網(wǎng)目的范圍中。芯能夠使用硅氧烷樹脂作為粘結(jié)劑通過傳遞模塑技術(shù)形成。
[0106]以下示例確認了用于模塑組合物的大約配料范圍(按重量計):二氧化硅10%_99%;氧化鋁1%-90%;方晶石1%-20%;鋯石1%-20%;氧化鎂0.01%-1.0%;硅氧烷樹脂1%_30%;有機粘結(jié)劑I %-30% ο例如，能使用熔融二氧化硅(60%)和氧化鋁(40%)的組合物。
[0107]上述組合物能包括額外的配料，比如作為潤滑劑的硬脂酸鈣，和/或能夠具有按重量計相等分量的細碎氧化鎂和/或苯甲酸的形式的催化劑，其中潤滑劑以按重量計在大約0.2%到大約2%范圍內(nèi)的量存在，且催化劑以按重量計在大約0.2%到大約2%范圍內(nèi)的量存在。
[0108]粘結(jié)劑能夠使用標準混合技術(shù)被部分地和/或完全地混合。例如，能使用廚房混合器比如食物攪拌器和/或陶瓷料漿混合器比如模型100 LC的大約I馬力的羅斯分散混合器。為將粘結(jié)劑分散到粉末中和/或?qū)⑵浠旌系椒勰┲校旌蠒r間的范圍能在從大約I分鐘到大約24小時內(nèi)。粘結(jié)劑能夠在利用模塑組合物填充模具之前或直接在模具中部分和/或完全地與粉末混合。能夠經(jīng)由任何已知技術(shù)進行混合，包括剪力(shear)、振動、離心力、共振混合、靜態(tài)混合、和/或旋轉(zhuǎn)球磨等。
[0109]料漿組合物能包括任何期望的潤濕劑和/或替代粘結(jié)劑系統(tǒng)，其能包括聚乙烯醇和聚乙烯-乙二醇。
[0110]通常，粉末、粘結(jié)劑、和/或模塑組合物的從大約500cps到大約10,000cps范圍內(nèi)的黏度可能是適當?shù)?，以允許其流入模具和/或填充模具。模塑組合物的粘結(jié)劑濃度(按重量計粘結(jié)劑與陶瓷粉末的比例范圍從大約百分之10到大約百分之20)能夠充分低以促進粘結(jié)劑燃盡和/或允許粉末的燒結(jié)。
[0111]可以允許足夠的時間以使填充的模具排氣和/或脫氣，和/或固化和/或凝固模具中的鑄造部分。例如，用于排氣、脫氣和/或模具填充的時間的范圍能夠從大約I分鐘到大約60分鐘。在粘結(jié)劑已經(jīng)至少部分地交聯(lián)和/或固化之后，鑄造部分能夠從模具中釋放。粘結(jié)劑的固化溫度能與模具材料相容。固化溫度的范圍能從大約90T到大約350T。固化時間的范圍能從大約I 5分鐘到大約2 4小時。粘結(jié)劑能具有相容恢復性質(zhì)(r e V e r S i O ηproperties)，其能允許固化的“還體”狀態(tài)陶瓷部分被加熱且在粘結(jié)劑燃盡和燒結(jié)之前熱成型。熱成型溫度取決于用于生產(chǎn)坯體狀態(tài)陶瓷芯的初始固化溫度和聚合物粘結(jié)劑的特定玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)。樹脂、環(huán)氧樹脂、尿烷和其他有機聚合物(粘結(jié)劑)的制造商在材料性質(zhì)數(shù)據(jù)表中詳細說明其產(chǎn)品的Tg。在燒結(jié)期間，粘結(jié)劑能夠完全燃盡，從而基本上不留下碳與熔模鑄造材料反應。
[0112]模具能夠被構(gòu)造成在填充之前、期間和/或之后是封閉的。在某些示例性實施例中，模具能夠被構(gòu)造為在填充期間和/或之后保持敞開的兩個或多個模具部分，其能潛在地更容易從模具排出空氣、對模塑組合物中的溶劑脫氣、對鑄造部分脫模等。
[0113]模具能經(jīng)由任何已知技術(shù)被填充，已知技術(shù)比如重力傾倒、噴射壓力、真空和/或分散等。模具能被過填充以確保適當?shù)奶畛?。能夠使用真空來輔助空氣排放和/或脫氣。
[0114]在利用模塑組合物填充模具期間和/或之后，其顆粒能夠被壓實、致密和/或以最大密度構(gòu)造被裝填以基本上消除在陶瓷顆粒之間的間隙，從而幫助顆粒在陶瓷燒制期間彼此燒結(jié)。即，在填充期間和/或填充之后，顆粒的位置、大小分布、數(shù)目、和/或裝填密度能經(jīng)由向模具施加比如振動能量的能量來調(diào)整和/或控制。如所期望地，能夠?qū)ο率鲞M行調(diào)整:振動前穩(wěn)定時間(大約2分鐘到大約2小時)、振動時間(大約2分鐘到大約2小時)、振動頻率范圍和/或振幅、振動后穩(wěn)定時間(大約2分鐘到大約2小時)、和/或溶劑分離時間(大約2分鐘到大約2小時)等。線性作用推桿工作臺(Jogger tab I e )能夠在大約10%到大約90%的動力設(shè)定范圍內(nèi)以調(diào)整振幅且在每分鐘大約250-5000個、大約250-3600個和/或大約3600-5000個脈沖的頻率下被使用。在模具正在振動的同時，模具能保持敞開以允許溶劑更容易地蒸發(fā)出模塑組合物。在模具正在振動的同時和/或在敞開時，模具能夠被加熱(溫度范圍從大約100°F到大約350°F，持續(xù)加熱大約15分鐘到大約24小時)和/或冷卻(溫度范圍從大約60°F到大約80°F，持續(xù)冷卻大約I分鐘到大約3小時)以影響模塑組合物流動、密實化和/或固化等。
[0115]簡而言之，根據(jù)本發(fā)明的方面的粘結(jié)劑系統(tǒng)能包括三種主要配料-樹脂、溶劑和塑化劑。這三種主要配料能夠選擇性地用在粘結(jié)劑中，以在坯體主體芯中提供期望的性質(zhì)。例如，能夠選擇適當?shù)沫h(huán)氧樹脂以提供期望的工作時間。
[0116]根據(jù)本發(fā)明的方面的粘結(jié)劑系統(tǒng)能夠提供顯著的益處。例如，其能夠生產(chǎn)帶有相對高的坯體主體強度的芯、引起改進的產(chǎn)量、精細的特征控制和熱成型坯體主體的能力。堅固的坯體主體是有利的，因為其使得作業(yè)人員能夠以基本上最小化的破裂風險將芯從模子/模具中拉出。進一步，堅固的坯體主體能允許包含精細和復雜的特征，利用常規(guī)芯模具/模子這些特征否則無法被包含。這樣的精細和復雜的特征能夠被設(shè)置在任何平面中且具有非傳統(tǒng)的拔模角度。
[0117]粘結(jié)劑系統(tǒng)還能允許坯體主體被熱成型。如果坯體主體被加熱到特定固化溫度以上的溫度，則坯體主體進入一種狀態(tài)，在該狀態(tài)下，坯體主體變得可成型。在該狀態(tài)中，坯體主體能夠被操作以修正缺陷或提供對于補償已經(jīng)發(fā)生的翹曲所必需的修正。當實現(xiàn)期望的特征時，就能進行最終燒制，在最終燒制中，粘結(jié)劑被燒盡且顆粒被燒結(jié)在一起，因此將主體硬化到其最終構(gòu)造。應當注意的是考慮到在燒制或燒結(jié)期間可能發(fā)生的坯體主體中的移動，能夠在坯體主體中進行過補償或欠補償。將認識到的是熱成型坯體主體的能力能夠相比于以往實踐具有顯著優(yōu)勢。
[0118]—旦其完成，芯10能夠被用于鑄造最終部件。在渦輪機輪葉或葉片的情況下，能通過熔模鑄造完成這樣的鑄造。在這種情況下，蠟被噴射到芯10上，以便芯10被蠟覆蓋。陶瓷殼能在蠟上形成。蠟能被熔出且熔態(tài)金屬能被傾倒在芯10和陶瓷殼之間的空間中。當金屬凝固時，芯10能夠以化學方法從鑄件浸出，從而在輪葉或葉片中留下期望的內(nèi)部特征。在熔模鑄造過程中，根據(jù)本發(fā)明的方面形成的芯10僅被使用一次。
[0119]如上所述，互鎖接合的額外形式是可能的。圖9A和圖9B示出能夠?qū)崿F(xiàn)第一和第二芯件12、14之間的互鎖接合的方式的另一示例。第一芯件12能具有內(nèi)側(cè)90和外側(cè)92。雖然第一芯件12在圖9A和圖9B中被示出為大體矩形的，但是本發(fā)明的實施例不受限于任何特定形狀或構(gòu)造。空腔94能從內(nèi)側(cè)90到外側(cè)92延伸通過第一芯件12?？涨?4能具有任何適當?shù)拇笮?、形狀和定向。在一個實施例中，空腔94能夠是大體矩形的，如在圖9A和圖9B中所示。
[0120]第二芯件14能具有內(nèi)側(cè)96和外側(cè)98。雖然第二芯件14在圖9A和圖9B中被示出為大體矩形的，但是本發(fā)明的實施例不受限于任何特定形狀或構(gòu)造。第二芯件14能包括凸出部99。凸出部99在圖9A中被示出為大體矩形，但是其能具有任何適當?shù)臉?gòu)造。凸出部99的至少一部分能夠被構(gòu)造成被接收在空腔94內(nèi)。
[0121]凸出部99能夠足夠長，使得凸出部99的一部分延伸超過第一芯件12的外側(cè)，如在圖9A中所示。能夠?qū)Φ诙炯?4和/或凸出部99的至少一部分施加熱，以在第二芯件14處于坯體狀態(tài)時，實現(xiàn)粘結(jié)劑的優(yōu)選流動、成型性能或其他性質(zhì)。在一些例子中，第二芯件14和/或凸出部99的局部部分能夠被加熱以實現(xiàn)粘結(jié)劑的優(yōu)選流動、成型性能或其他性質(zhì)，而不影響第二芯件14的其他部分。第二芯件14然后能被操作或被成型使得凸出部99被折疊到第一芯件12上，比如折疊到外側(cè)92上。以這種方式，第一和第二芯件12、14能夠維持互鎖接合。連接的第一和第二芯件12、14能夠在窯或爐中被燒制在一起以形成芯組件。
[0122]在一些例子中，凹部100能夠被形成在第一芯件12中。凹部100能通向第一芯件12的外側(cè)92。凹部100能夠被設(shè)計大小和形狀以接收凸出部99的折疊部分。因此，凸出部99能夠與第一芯件12的外側(cè)92基本上齊平，如在圖9B中所示。
[0123]圖1OA和圖1OB示出在第一和第二芯件12、14之間形成互鎖接合的又另一可行方式。第一芯件12能夠具有內(nèi)側(cè)102和外側(cè)104。雖然第一芯件12在圖1OA和圖1OB中被示出為大體矩形的，但是本發(fā)明的實施例不受限于用于第一芯件12的任何特定形狀或構(gòu)造?？涨?06能從內(nèi)側(cè)102到外側(cè)104延伸通過第一芯件12。空腔106能夠具有任何適當?shù)拇笮?、形狀和定向。在一個實施例中，空腔106能夠是大體上錐形的，其在從內(nèi)側(cè)102到外側(cè)104移動時直徑逐漸擴大，如在圖1OA和圖1OB中所示。
[0124]第二芯件14能夠具有內(nèi)側(cè)108和外側(cè)110。第二芯件14在圖1OA和圖1OB中被示出為大體矩形的;然而，本發(fā)明的實施例不受限于第二芯件14的任何特定形狀或構(gòu)造。第二芯件14能包括凸出部112。凸出部112的至少一部分能夠被構(gòu)造成被接收在空腔106內(nèi)。
[0125]一旦凸出部112的至少一部分被接收在空腔106中，第二芯件14和/或凸出部112的至少一部分就能夠被加熱以在第二芯件14處于坯體狀態(tài)時實現(xiàn)粘結(jié)劑的優(yōu)選流動、成型性能或其他性質(zhì)。在一些例子中，第二芯件14和/或凸出部112的局部部分能夠被加熱以實現(xiàn)粘結(jié)劑的優(yōu)選流動、成型性能或其他性質(zhì)，而不影響第二芯件14的其他部分。在這樣的情況下，第二芯件14能夠被形成為使得第一和第二芯件12、14形成互鎖接合。例如，凸出部112能夠被形成為對應于空腔106的至少一部分，如在圖1OB中所示。在一個實施例中，凸出部112能夠被形成為填充整個空腔106。當凸出部112被形成為期望構(gòu)造時，第一和第二件12、14能夠被互鎖地接合。連接的第一和第二芯件12、14能夠在窯或爐中被燒制在一起以形成芯組件。
[0126]在一些例子中，凸出部112和/或空腔106能夠被構(gòu)造成維持在第一芯件12的內(nèi)表面102與第二芯件14的內(nèi)表面108之間的期望間隔S。例如，凸出部112能包括第一部分114和第二部分116。第一部分114能夠被設(shè)計大小和形狀以被接收在空腔106中。第二部分116能夠被設(shè)計大小、形狀和/或以其他方式構(gòu)造成確保第二部分116不被接收在空腔106中。例如，在空腔106和凸出部112的截面形狀為大體圓形時，凸出部112的第二部分116的直徑能夠大于空腔106的直徑。以這種方式，在第一和第二芯件14、16之間的距離能夠在組裝期間以及燒制期間均被固定和維持。
[0127]應注意的是根據(jù)本發(fā)明的方面的系統(tǒng)和方法能夠被應用以提供與熔模鑄造側(cè)(side)鑄造過程和/或模塑的其他部分有關(guān)的益處。例如，根據(jù)本發(fā)明的方面的系統(tǒng)和方法能夠結(jié)合與芯10關(guān)聯(lián)的芯座和/或芯鎖被應用。通常，芯座能夠在蠟噴射期間將芯保持并對準在模具/模子中，并且芯鎖能夠在部件的鑄造期間定位并保持芯和/或陶瓷殼。芯座和芯鎖通常延伸超過被鑄造的部分的占地面積，并且不形成最終鑄造部件的部分。根據(jù)本發(fā)明的方面的具有芯座和芯鎖的鑄造芯10的示例在圖7中示出。示出的芯10包括兩個芯座70，在芯10的每個端部處一個。芯鎖72能被形成在芯座70中的一個上。芯座70和芯鎖72能夠被設(shè)置在任何適當?shù)奈恢弥?。芯鎖72能夠是任何適當?shù)拇笮『托螤?。鑄造芯以幻影示出，因為其能夠具有任何適當?shù)臉?gòu)造。
[0128]本發(fā)明的方面能夠允許在制造芯座和芯鎖中更大的靈活性。例如，芯座能夠與芯件一起形成。替代地，芯座能夠與芯件分離地形成。當芯座被分離地形成時，使用如在本文中所述的用于兩個芯件的連接技術(shù)中的任一個，所述芯座能夠隨后被連接到芯件中的一個或多個。因此，芯件和芯座能包括一個或多個特征，從而以精密的方式對準所述件，因此改善芯的可制造性。
[0129]在一個實施例中，芯座能包括凹部，且芯件能包括適于與凹部互鎖接合的凸出部。能夠使用任何適當類型的互鎖接合，包括在本文中與連接兩個芯件相關(guān)的描述的那些中的任一種。這些特征允許在分離地形成的芯座和芯件之間的更好對準，這繼而將導致在鑄造過程中的隨后階段中更好的對準和功能。將理解的是能夠設(shè)置相對的布置，其中，芯座包括適于與芯件中的凹部互鎖接合的凸出部。仍然替代地，芯座能包括適于與芯件上的對應凹部和凸出部互鎖接合的凸出部和凹部兩者。
[0130]芯座是具有正常分解度的相對大的結(jié)構(gòu)；S卩，其通常不包括任何特別的特征或幾何形狀。因此，形成芯中的高分解度區(qū)域的方法可能不適于形成芯座。通過與芯件分離地形成芯座，將理解的是形成保持結(jié)構(gòu)能夠提供先前無法獲得的自由度。例如，在芯件和芯座的操作中允許更大的靈活性。此外，因為分離地形成的部分能夠以高精度方式稍后被對準和連接，所以更大范圍的選擇對于芯座的形狀和位置變得可用。同樣地，對于芯鎖的形狀和位置來說也有更多可用的選擇。
[0131]根據(jù)上述，將理解的是本發(fā)明的方面能夠提供用于形成鑄造芯的強健的系統(tǒng)和方法。根據(jù)本發(fā)明的方面的系統(tǒng)和方法能夠減少芯研發(fā)過程，這繼而能夠縮短新產(chǎn)品研發(fā)上市所需時間。進一步，因為帶有最復雜的、重要的和/或錯綜復雜的特征的芯件能夠使用提供高度幾何形狀和尺寸控制的過程制成，所以能夠減少鑄造廢料的量。
[0132]應當注意的是，雖然上文描述的一部分已經(jīng)針對由兩個芯件制成的芯，但是將理解的是本發(fā)明的方面能夠容易地應用到由多于兩個的件制成的芯。例如，使用常規(guī)鑄造技術(shù)制成的第三芯件(未示出)能以任何常規(guī)方式被連接到第一芯件12，或者其能以上述方式中的任一種，比如通過互鎖接合被連接到第二芯件14。如果第三芯件使用能有效生產(chǎn)高分解度特征和/或細節(jié)的方法制成，貝1J其能夠通過互鎖接合或以上述方式中的任一種被連接到第一芯件12，或者其能以任何適當方式被連接到第二芯件14。此外，能夠有任何數(shù)目的芯件。
[0133]除了形成多件結(jié)構(gòu)，根據(jù)本發(fā)明的方面的系統(tǒng)和方法能夠被用于生產(chǎn)多壁芯。術(shù)語“多壁”指的是帶有多個接近地置放的壁的芯。根據(jù)本發(fā)明的方面的多壁芯101的一個示例在圖8中示出。多壁芯101包括第一芯件80和第二芯件82。第一芯件能包括第一壁84，且第二芯件82能包括第二壁86。每個壁均能包括單個壁，如在第一壁84的情況下，或者能包括多個壁，如在第二壁86的情況下。第一和第二壁84、86能包括高分解度特征或區(qū)域。在一些例子中，一個或兩個壁84、86可以具有正常分解度。
[0134]在兩個相鄰的壁之間的間隔可以或可以不是基本恒定的。在多壁芯中的相鄰壁可以大體上彼此互補。應當注意的是，雖然術(shù)語“壁”可能意味著平面結(jié)構(gòu)，但是本發(fā)明的實施例不如此受限，因為壁能夠具有若干非平面特征中的任一種，非平面特征包括曲線、彎曲、復合表面、凸出部和凹部，僅列舉一些可能。壁能夠相當薄。
[0135]雖然在圖8中的示例多壁芯101示出為具有兩個壁84、86，但是將理解的是能夠存在多于兩個的壁。進一步，雖然多壁芯101包括第一芯件80和第二芯件82，但是多壁芯101能夠被一起形成為單件結(jié)構(gòu)。替代地，每個壁均能夠通過分離地形成的芯件80、82限定，并且芯件80、82能夠以任何適當方式被放在一起。分離的芯件80、82能夠在任何適當位置中被連接在一起。例如，芯件80、82能夠在它們端部區(qū)域中的一個或多個處被連接。芯件80、82能夠以本文中所述的方式中的任一種被直接連接在一起，或者其能夠比如通過芯座被間接地連接。替代地或額外地，在相鄰壁之間在沿著壁長度的一個或多個位置處能夠存在互連。能夠制作任何適當形式的互連，包括例如上文中與連接兩個或更多分離的芯件相關(guān)的描述的那些中的任一種。
[0136]將理解的是，如果芯包括多個壁，則芯的總表面面積能夠增大，從而允許能夠影響最終部分的傳傳遞性質(zhì)的更多特征。進一步，通過在被鑄造的部件中設(shè)置更多的內(nèi)部特征，相比常規(guī)部件設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)重量的總體降低。而且，內(nèi)部特征能夠共同地增加部件的強度。
[0137]將容易理解，如本文中所述的多壁芯無法使用常規(guī)芯形成技術(shù)獲得。在一些例子中，多壁芯能夠使用能有效生產(chǎn)高分解度特征的方法被形成，所述方法比如托莫光刻模塑且包括本文中所述的技術(shù)和系統(tǒng)中的任一種。根據(jù)本發(fā)明的方面的多壁芯可以具有或可以不具有高分解度特征。多壁結(jié)構(gòu)對于在被鑄造的部件中生產(chǎn)高效率冷卻特征能夠是有效的。
[0138]還應當注意，在一些例子中，玻璃或石英桿被用作連接構(gòu)件以在燒制或燒結(jié)組件時連接多個鑄造芯件。將容易理解的是通過如本文中所述的用于連接鑄造芯件的系統(tǒng)和方法能夠消除這樣的做法。替代地，根據(jù)本發(fā)明的方面的用于連接鑄造芯件的系統(tǒng)和方法能夠被用來優(yōu)化玻璃和石英桿在連接鑄造芯件中的用途。
[0139]如在圖11-18中所示，在第一和第二芯件12、14之間的互鎖接合的其他實施例可以被用來通過熱變形使第一和第二芯件12、14不可逆地互鎖在一起，以產(chǎn)生三維互鎖接頭。在至少一個實施例中，第一和第二芯件12、14可以被用來形成用于燃氣渦輪發(fā)動機的渦輪機翼片的至少一部分，比如但不限于渦輪機葉片。第一芯件12可以使用模塑的第一過程從芯122的正常分解度區(qū)域120形成。第二芯件14可以使用光刻模塑從芯122的高分解度區(qū)域124形成，光刻模塑是不同于第一過程的模塑方法且能有效地生產(chǎn)高分解度特征。高分解度區(qū)域124可以具有一個或多個高分解度特征，所述高分解度特征從由凹部、空腔、開口、凸出部、通道、凹槽、狹槽、和凹陷組成的組中選擇。第一芯件12可以包括空腔126，并且第二芯件14可以包括凸出部128。第一和第二芯件12、14可以被連接成使得凸出部128的第一部分130被接收在空腔126的至少一部分中。凸出部128可以經(jīng)由中間溫度的熱處理過程被加熱，從而通過允許熱蠕變引起凸出部128熱變形以在第一和第二芯件12、14之間產(chǎn)生三維互鎖接頭132，從而將第一和第二芯件12、14不可逆地互鎖在一起，使得接頭132變得物理地鎖定在一起，從而通過熱加工過程提供接頭穩(wěn)定性。凸出部128可以經(jīng)由中間溫度的熱處理過程被加熱到1100攝氏度以上的溫度并持續(xù)長達大約10小時，以生產(chǎn)期望的方晶石結(jié)構(gòu)。
[0140]如在圖11-14中所示，凸出部128可以由第一和第二凸出部134和136形成，第一和第二凸出部134和136在第一視角142(其可以是Z-Y平面)中以相對于縱向軸線140成銳角138地從第二芯件14延伸。第一視角可以與由X-Y平面限定的平面正交，如在圖11-13中所示。此外，如在圖11中所示，第一凸出部134可以具有帶有外側(cè)壁144、146的燕尾形狀，外側(cè)壁144、146在X-Y平面中的第二視角中與縱向軸線140成銳角138地軸向遠離彼此延伸，第二視角與在Z-Y平面中限定的第一視角成90度。第一和第二凸出部134、136可以被定位在其之間的敞開空間148分離。在第一芯件12中的空腔126可以包括第一和第二空腔150、152，其被形成以接收第一和第二凸出部134、136。第一空腔150可以具有燕尾形側(cè)壁154、156，并且其可以被設(shè)計大小成當?shù)谝煌钩霾?34經(jīng)受中間溫度的熱處理過程且熱變形到第一空腔150中的位置中時接收第一凸出部134，從而形成不可逆地互鎖接頭132，由此第一芯件12的部分158將第一空腔150與第二空腔152分離。第二凸出部136可以具有帶有外側(cè)壁144、146的燕尾形狀，外側(cè)壁144、146在X-Y平面中的第二視角中與縱向軸線140成銳角138地軸向遠離彼此延伸，第二視角與在Z-Y平面中第一視角成90度。第二空腔152可以具有燕尾形側(cè)壁154、156，且可以被設(shè)計大小成當?shù)诙钩霾?36經(jīng)受中間溫度的熱處理過程且熱變形到第二空腔152中的位置中時接收第二凸出部136，從而形成不可逆地互鎖接頭132。
[0141]如在圖15-18中所示，凸出部128可以在凹槽接頭中形成舌部，舌部在經(jīng)受中間溫度的熱處理過程后形成不可逆地互鎖接頭132。空腔126可以被設(shè)計大小以接收凸出部128且使得凸出部128在中間溫度的熱處理過程期間能夠熱變形?？涨?26可以相對于側(cè)向接觸表面160偏置，使得空腔126可以經(jīng)由具有小于空腔126的橫截面面積的頸部162通過第一芯件12暴露。當?shù)谝缓偷诙炯?2、14被連接使得凸出部128的第一部分130被接收在空腔126的至少一部分中時，第一和第二芯件12、14可以處于坯體狀態(tài)。如此，當凸出部128在中間溫度的熱處理過程期間熱變形時，凸出部可能無法從空腔126中移除，因此保持第一和第二芯件12、14附接到彼此。如在圖18中所示，鎖定構(gòu)件164可以被插入到容納凸出部128的空腔126中且進入到空腔126中的下述空間的至少一部分中，當凸出部128在中間溫度的熱處理過程期間熱變形時所述空間由凸出部128空出。頸部162還可以相對于空腔126被偏置，使得相比于第二外表面168，頸部162更靠近第一芯件12的第一外表面166。在至少一個實施例中，第一和第二芯件12、14可以被構(gòu)造成使得凸出部128的第一部分130被接收在空腔126的至少一部分中包括在模具外連接第一和第二芯件12、14。
[0142]在根據(jù)本發(fā)明的方面的系統(tǒng)和方法的一個可行應用的背景下提供了上文的描述。雖然上述描述在鑄造渦輪機葉片或輪葉的背景下做出，但是將理解的是，根據(jù)本發(fā)明的方面的系統(tǒng)能夠被容易地應用到任何中空鑄造渦輪發(fā)動機部件，尤其是帶有復雜內(nèi)部特征的那些。因此，當然將理解的是本發(fā)明不受限于本文中所述的具體細節(jié)，這些細節(jié)僅以舉例的方式給出，并且在如所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)，各種修改和改變是可能的。
【主權(quán)項】
1.一種形成用于在鑄造渦輪發(fā)動機部件中使用的芯的方法，其特征在于: 使用模塑的第一過程形成所述芯(122)的正常分解度區(qū)域(120);以及 使用光刻模塑形成所述芯(122)的高分解度區(qū)域(124)，所述光刻模塑是與所述第一過程不同的模塑方法且能有效地生產(chǎn)高分解度特征； 其中，所述高分解度區(qū)域(124)具有一個或多個高分解度特征，所述高分解度特征從由凹部、空腔、開口、凸出部、通道、凹槽、狹槽、以及凹陷組成的組中選擇； 其中，所述正常分解度區(qū)域(120)由第一芯件(12)限定，并且所述高分解度區(qū)域(124)由第二芯件(14)限定； 其中，所述第一芯件(12)包括在其中的空腔(126); 其中，所述第二芯件(14)包括凸出部(128)， 連接所述第一和第二芯件(12、14)，使得所述凸出部(128)的第一部分(130)被接收在所述空腔(126)的至少一部分中； 經(jīng)由中間溫度的熱處理過程加熱所述凸出部(128)，從而通過允許熱蠕變引起所述凸出部(128)熱變形以在所述第一和第二芯件(12、14)之間產(chǎn)生三維互鎖接頭(132)，從而將所述第一和第二芯件(12、14)不可逆地互鎖在一起，使得所述接頭(132)變得物理地鎖定在一起，從而通過熱加工過程提供接頭穩(wěn)定性； 其中，所述空腔(126)從側(cè)向接觸表面(160)偏置，使得所述空腔(126)經(jīng)由具有小于所述空腔(126)的橫截面面積的頸部(162)通過所述第一芯件(12)暴露；以及 將鎖定構(gòu)件插入到容納所述凸出部(128)的所述空腔(126)中，并且進入到所述空腔(126)中的下述空間的至少一部分中，所述空間在所述凸出部(I28)在所述中間溫度的熱處理過程期間熱變形時通過所述凸出部(128)空出。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述凸出部(128)在凹槽接頭(132)中形成舌部，所述舌部在經(jīng)受所述中間溫度的熱處理過程后形成不可逆地互鎖接頭(132)。3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述頸部(162)相對于所述空腔(126)偏置，使得相比于另一外表面(168)，所述頸部(162)更靠近所述第一芯件(12)的外表面(166)。4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述凸出部(128)由第一和第二凸出部(134、136)形成，所述第一和第二凸出部(134、136)在第一視角(142)中相對于縱向軸線(140)成銳角(138)地從所述第二芯件(14)延伸，其中，所述第一凸出部(134)具有帶有外側(cè)壁(144、146)的燕尾形狀，所述外側(cè)壁(144、146)在第二視角中與所述縱向軸線(140)成銳角(138)地軸向遠離彼此延伸，所述第二視角與所述第一視角(142)成90度，其中，所述第一和第二凸出部(134、136)通過定位在其之間的敞開空間(148)被分離，其中，在所述第一芯件(12)中的所述空腔(126)包括被形成以接收所述第一和第二凸出部(134、136)的第一和第二空腔(150、152)，其中，所述第一空腔(150)具有燕尾形側(cè)壁并且被設(shè)計大小成當所述第一凸出部(134)經(jīng)受所述中間溫度的熱處理過程且熱變形到所述第一空腔(150)中的位置中時接收所述第一凸出部(134)，從而形成所述不可逆地互鎖接頭(132)，其中，所述第一芯件(12)的一部分將所述第一空腔(150)與所述第二空腔(152)分離。5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述第二凸出部(136)具有帶有外側(cè)壁(144，146)的燕尾形狀，所述外側(cè)壁(144、146)在第二視角中與所述所述縱向軸線(140)成銳角(138)地軸向遠離彼此延伸，所述第二視角與所述第一視角(142)成90度，并且其中，所述第二空腔(152)具有燕尾形側(cè)壁(154、156)且被設(shè)計大小成當所述第二凸出部(136)經(jīng)受所述中間溫度的熱處理過程且熱變形到所述第二空腔(152)中的位置中時接收所述第二凸出部(136)，從而形成所述不可逆地互鎖接頭(I 32)。6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，連接所述第一和第二芯件(12、14)使得所述凸出部(128)的所述第一部分(130)被接收在所述空腔(126)的至少一部分中包括連接處于坯體狀態(tài)的第一和第二芯件(12、14)。7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，連接所述第一和第二芯件(12、14)使得所述凸出部(128)的所述第一部分(130)被接收在所述空腔(126)的至少一部分中包括在模具外連接第一和第二芯件(12、14)。8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一芯件(12)是多壁芯。9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征還在于，與所述芯(122)分離地形成芯座，以及將所述芯座連接到所述芯(I 22)。10.—種形成用于在鑄造渦輪發(fā)動機部件中使用的芯(122)的方法，其特征在于: 使用模塑的第一過程形成所述芯(122)的正常分解度區(qū)域(120);以及 使用光刻模塑形成所述芯(122)的高分解度區(qū)域(124)，所述光刻模塑是與所述第一過程不同的模塑方法且能有效地生產(chǎn)高分解度特征； 其中，所述高分解度區(qū)域(124)具有一個或多個高分解度特征，所述高分解度特征從由凹部、空腔、開口、凸出部、通道、凹槽、狹槽、以及凹陷組成的組中選擇； 其中，所述正常分解度區(qū)域(120)由第一芯件(12)限定，并且所述高分解度區(qū)域(124)由第二芯件(14)限定； 其中，所述第一芯件(12)包括在其中的空腔(126); 其中，所述第二芯件(14)包括凸出部(128)， 連接所述第一和第二芯件(12、14)，使得所述凸出部(128)的第一部分(130)被接收在所述空腔(126)的至少一部分中； 經(jīng)由中間溫度的熱處理過程加熱所述凸出部(128)，從而通過允許熱蠕變引起所述凸出部(128)熱變形以在所述第一和第二芯件(12、14)之間產(chǎn)生三維互鎖接頭(132)，從而將所述第一和第二芯件(12、14)不可逆地互鎖在一起，使得所述接頭(132)變得物理地鎖定在一起，從而通過熱加工過程提供接頭穩(wěn)定性；以及 形成帶有箔構(gòu)件的所述第二芯件(14)，其中，所述箔構(gòu)件的一部分被嵌入在所述第二芯件(14)中并且所述箔構(gòu)件的一部分凸出超過所述第二芯件(14);其中，連接所述第一和第二芯件(12，14)使得所述凸出部(128)的所述第一部分(130)被接收在所述空腔(126)的至少一部分中包括將所述箔構(gòu)件的所述凸出部分插入到所述第一芯件(12)的所述空腔(126)中。11.一種形成用于在鑄造渦輪發(fā)動機部件中使用的芯(122)的方法，其特征在于: 使用模塑的第一過程形成所述芯(122)的正常分解度區(qū)域(120);以及 使用光刻模塑形成所述芯(122)的高分解度區(qū)域(124)，所述光刻模塑是與所述第一過程不同的模塑方法并且能有效地生產(chǎn)高分解度特征； 其中，所述高分解度區(qū)域(124)具有一個或多個高分解度特征，所述高分解度特征從由凹部、空腔、開口、凸出部、通道、凹槽、狹槽、以及凹陷組成的組中選擇； 其中，所述正常分解度區(qū)域(120)由成形為翼片主體部分的第一芯件(12)限定，并且所述高分解度區(qū)域(124)由成形為翼片主體部分的第二芯件(14)限定，其中，所述第一和第二芯件(14)形成渦輪機翼片的至少一部分； 其中，所述第一芯件(12)包括在其中的空腔(126); 其中，所述第二芯件(14)包括凸出部(128)， 連接所述第一和第二芯件(12、14)使得所述凸出部(128)的第一部分(130)被接收在所述空腔(126)的至少一部分中； 經(jīng)由中間溫度的熱處理過程加熱所述凸出部(128)，從而通過允許熱蠕變引起所述凸出部(128)熱變形以在所述第一和第二芯件(12、14)之間產(chǎn)生三維互鎖接頭(132)，從而將所述第一和第二芯件(12、14)不可逆地互鎖在一起，使得所述接頭(132)變得物理地鎖定在一起，從而通過熱加工過程提供接頭穩(wěn)定性； 其中，所述空腔(126)從側(cè)向接觸表面(160)偏置，使得所述空腔(126)經(jīng)由具有小于所述空腔(126)的橫截面面積的頸部(162)通過所述第一芯件(12)暴露； 將鎖定構(gòu)件(164)插入到容納所述凸出部(128)的所述空腔(126)中，并且進入所述空腔(126)中的下述空間的至少一部分中，所述空間在所述凸出部(128)在所述中間溫度的熱處理過程期間熱變形時由所述凸出部(128)空出。12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，在所述凸出部(128)在凹槽接頭(132)中形成舌部，所述舌部在經(jīng)受所述中間溫度的熱處理過程后形成不可逆地互鎖接頭(132)。13.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述頸部(162)相對于所述空腔(126)偏置，使得相比于另一外表面(168)，所述頸部(162)更靠近所述第一芯件(12)的外表面(166)014.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述凸出部(128)由第一和第二凸出部(134、136)形成，所述第一和第二凸出部(134、136)在第一視角(142)中相對于縱向軸線(140)成銳角(138)地從所述第二芯件(14)延伸，其中，所述第一凸出部(134)具有帶有外側(cè)壁的燕尾形狀，所述外側(cè)壁在第二視角中與所述縱向軸線(140)成銳角(138)地軸向遠離彼此延伸，所述第二視角與所述第一視角(142)成90度，其中，所述第一和第二凸出部(134、136)通過定位在其之間的敞開空間(148)被分離，其中，在所述第一芯件(12)中的所述空腔(126)包括被形成以接收所述第一和第二凸出部(134、136)的第一和第二空腔(150、152)，其中，所述第一空腔(150)具有燕尾形側(cè)壁且被設(shè)計大小成在所述第一凸出部(134)經(jīng)受所述中間溫度的熱處理過程且熱變形到所述第一空腔(150)中的位置中時接收所述第一凸出部(134)，從而形成所述不可逆地互鎖接頭(132)，其中，所述第一芯件(12)的一部分將所述第一空腔(I 50)與所述第二空腔(I 52)分離。15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述第二凸出部(136)具有帶有外側(cè)壁的燕尾形狀，所述外側(cè)壁在第二視角中與所述縱向軸線(140)成銳角(138)地軸向遠離彼此延伸，所述第二視角與所述第一視角(142)成90度，并且其中，所述第二空腔(152)具有燕尾形側(cè)壁(154、156)并且被設(shè)計大小成在所述第二凸出部(136)經(jīng)受所述中間溫度的熱處理過程且熱變形到所述第二空腔(152)中的位置中時接收所述第二凸出部(136)，從而形成所述不可逆地互鎖接頭(I 32)。16.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征還在于，形成帶有箔構(gòu)件的所述第二芯件(14)，其中，所述箔構(gòu)件的一部分被嵌入在所述第二芯件(14)中并且所述箔構(gòu)件的一部分凸出超過所述第二芯件(14);其中，連接所述第一和第二芯件(12、14)使得所述凸出部(128)的所述第一部分(130)被接收在所述空腔(126)的至少一部分中包括將所述箔構(gòu)件的所述凸出部分插入到所述第一芯件(12)的所述空腔(126)中。
【文檔編號】B22C9/10GK105873694SQ201480058249
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2014年8月7日
【發(fā)明人】A.卡梅爾, G.B.默里爾
【申請人】西門子能源公司, 麥克羅系統(tǒng)有限公司