专利名称：使用柔性蜡模工具的熔模铸造的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及熔模铸造领域，更具体地，涉及使用柔性工具或模具来形成作为熔模铸造方法的一部分的蜡模。
背景技术：
熔模铸造是已知的最古老的金属成型过程之一，可以追溯到几千年前至它第一次被用于由诸如铜、青铜和金等金属制造精细的工艺品。在二十世纪四十年代，当第二次世界大战增长了对专门的金属合金制成的精密尺寸零件的需求时，工业的熔模铸造变得普遍。 现今，熔模铸造被普遍应用在航天工业和电力工业来制造燃气轮机部件，比如带有复杂翼形形状和内部冷却通路结构的导片或叶片。制造熔模铸造的燃气轮机导片或叶片包括制造陶瓷铸造容器和一个或多个陶瓷型芯，所述陶瓷铸造容器具有外部陶瓷型壳，外部陶瓷型壳具有对应于翼型形状的内部表面，所述陶瓷型芯定位在外部陶瓷型壳内，对应于将要在翼型内形成的内部冷却通路。熔融合金被引入陶瓷铸造容器内，随之由之冷却和硬化。随后通过机械或化学的手段将外部陶瓷型壳和陶瓷型芯移除，以露出铸造导片或叶片，该铸造导片或叶片具有外部翼型形状和呈陶瓷型芯形状的内部中空冷却通路。用于注射铸造的陶瓷型芯通过以下方式形成将由高强度硬化机件钢形成的匹配的型芯模具半部高精度地加工出期望的型芯形状，然后连接模具的半部以限定出与期望的型芯形状相符的注射空间，并在将陶瓷模型材料真空注射到注射空间内。模型材料是陶瓷粉末和粘结剂材料的混合物。在陶瓷模型材料硬化成生坯状态后，将模具的半部分离以释放生坯状态的陶瓷型芯。随后对脆弱的生坯状态的型芯进行热处理，以去除粘结剂并将陶瓷粉末烧结在一起，以形成能承受铸造熔融金属时所必需的温度的材料。通过以下方式形成完整的陶瓷铸造容器将陶瓷型芯定位在另一个精密加工的硬化钢模具(称为蜡模模具或蜡模工具)的相连的两半部内，该蜡模模具限定出与期望翼型形状相符的注射空间，此后将融化的蜡真空注射到蜡模模具中、陶瓷型芯周围。在蜡硬化后，将模具的两半部分离并移除，以露出封闭在蜡模内部的陶瓷型芯，此时蜡模的形状与翼型形状相符。然后用陶瓷模型材料涂覆蜡模的外表面，比如通过沾浸而涂覆，以形成围绕型芯/蜡模的陶瓷型壳。通过焙烧型壳并随后移除蜡，能够获得完整的陶瓷铸造容器以在熔模铸造方法中容纳熔融合金，如上所述。还已知在用陶瓷模型材料涂覆蜡模之前将定位线或定位销插入蜡模内。定位线被插入穿过蜡模直至与被封闭的陶瓷型芯轻轻接触，使得在引起脆弱的陶瓷型芯材料破损之前就终止了定位线的继续插入。定位线的一部分保留为延伸超出蜡的表面且随后被包裹在周围的陶瓷模型材料内。在蜡被移除后以及在后续的熔融金属注射阶段中，定位线起到对型芯提供机械支撑的作用。定位线材料一通常为铝一将在熔融金属被注射到整个陶瓷铸造模具之后熔化并与最终的铸造产品成一体。已知的熔模铸造方法是昂贵且耗时的，使得开发新的导片或叶片设计通常需要花费很多个月的时间和大量的金钱来完成。而且，制造陶瓷型芯和蜡模的工艺局限性还限制了设计的选择范围。金属成型工业已意识到这些局限性且已经开发了一些渐进的改善，例如在美国权利7，438，527中所述的铸造翼型后缘冷却通路的改善工艺。虽然熔模铸造领域中已经有了渐进的改善，但本发明人已经意识到，该工业面临很多基础的局限性，其制约很多领域的计划进展中的部件设计，例如在下一代的燃气轮机引擎中，点火温度持续增高以改善燃烧效率，燃气轮机中热气路径部件的尺寸随着功率级的提高而持续增大。
发明内容
本发明是全新的熔模铸造方案的一部分。如本文说明书和权利要求书所述，柔性的蜡模模具可形成为复合工具，该复合工具具有位于槽形模具内的柔性镶件。柔性镶件通 过使其在某些铸造结构——所述铸造结构在硬性工具的情况下需要多重开模面——周围变形而有助于将蜡模工具从铸造的蜡模上的脱离。柔性镶件可用由相对低价、低硬度的材料——比如铝或低碳钢——机加工而成的母工具来铸造。一些期望的表面构形非常精细，以至于它们在后续的挪动和陶瓷型壳形成步骤中无法继续存在于蜡的表面中。对此种实施方案，可以结合柔性蜡模模具使用陶瓷镶件。陶瓷镶件可形成为包括期望的复杂表面构形。陶瓷镶件被设置到柔性蜡模模具内并形成限定出注蜡空间的表面的一部分。在注蜡和凝固之后，当移除柔性蜡模模具时，陶瓷镶件保持粘合在蜡模上。随后，围绕蜡模及与蜡模粘合的镶件形成陶瓷型壳，如通过上述的沾浸而形成，并且镶件通过焙烧而变成陶瓷型壳的一体部分。设置到柔性蜡模模具内的陶瓷镶件也可用于在后续铸造的金属零件中限定表面开口通路，比如燃气轮机叶片的后缘冷却孔。在该实施方式中，陶瓷镶件包括与冷却孔的期望形状相符合的凸起。凸起延伸成与陶瓷型芯相接触，从而在后续铸造的零件中限定出从叶片的中空内部部分(由陶瓷型芯限定)延伸到叶片表面(由陶瓷型壳的内表面限定)的冷却通路。凸起的末端可以形成有与陶瓷型芯上形成的匹配结构紧密配合的结构。型芯与陶瓷镶件的凸起之间的机械接触起到以下作用将陶瓷型芯准确地定位在柔性蜡模模具中，并且在后续的注蜡以及金属注射过程中机械地支撑陶瓷型芯。蜡模模具的柔性镶件可以形成为对准结构，该对准结构使得镶件能够相对于周围的槽形模具准确地定位，而这又能使镶件和形成在镶件上的任何结构相对于被封闭的陶瓷型芯准确地定位，以用于注蜡步骤。用来形成柔性模具或柔性模具镶件的模型材料可以被注入有以下材料或装置或者被围绕以下材料或装置铸造该材料或装置使柔性镶件能够以期望方式起作用；本文中广义地描述为柔性镶件包含反应元件。反应元件可以是赋予后续固化后的材料以期望特性的填充材料。例如，如果使用磁性颗粒作为填充物，则固化后的柔性镶件将会对磁能起反应。当槽形模具形成为包括永磁体或电磁体时，上述特性可有益地将柔性镶件固定在周围环绕的槽形模具内。当使用导热材料或绝热材料作为填充物时，能够在柔性镶件的使用过程中更方便地控制柔性镶件中的热传递。能够在柔性模具或镶件成型时嵌入到柔性模具或镶件中的另一种类型的反应元件是反应装置。这种反应装置可包括温度传感器、压力传感器、机械振动器、加热或冷却装置，或者是当在后续的注蜡步骤中使用柔性镶件时有用的其它设备。定位销(线)可以与柔性蜡模模具一起使用以在金属铸造过程中机械地支撑封闭的陶瓷型芯，重要地，定位销(线)可以在注蜡步骤之前靠着陶瓷型芯放置。专门的销支撑元件被安置在柔性镶件表面中的凹部内，由此在注蜡之前将销相对于陶瓷型芯精确地放置。这就使得销能够在注蜡过程中支撑型芯，并且使得能够比要求销插入穿过已铸好的蜡模中的现有技术工艺中更精确地设置销。结果是，降低了对脆弱的陶瓷型芯的损坏且提高了制造产率。本发明中所利用的可用技术在美国专利7，141，812、7，410，606和7,411,204中被描述，所有这些专利都被转让给弗吉尼亚州、夏洛茨维尔市的Mikro System公司，以参引方式并入本文。该技术通常被称为Tomo刻印模塑技术(Tomo Lithographic Molding Technology)(以下称为Tomo工艺)，它包括运用金属箔堆积叠层模具来生产柔性模具，然后该柔性模具又用来铸造部件。部件设计首先以数字模型的方式表现出来，然后被数字地分成数份，然后使用光刻或其他的精密材料移除工艺对应于每份而成型金属箔。二维的材料移除工艺的固有精度结合设计者控制第三维的各份厚度的能力提供了先前使用通常模具加工过程所无法达到的三维的制造公差精度等级。金属箔被堆叠在一起形成叠层模具，用于容纳合适的柔性模具材料。术语“柔性”在这里指以下材料，例如室温硫化(RTV)的硅橡胶以及能够用于形成不像现有技术的金属模具那样刚硬的“柔性模具”的其他材料，其允许模具弯曲和拉伸一定的程度以便于模具从在其内铸造的结构上移除。此外，本文使用的术语“柔性模具”和“柔性工具”包括独立的柔性结构以及包含在刚性槽形模具中的柔性模衬或镶件。随后将部件直接铸造到柔性模具中。模具材料的柔性使得能够铸造具有凸起的浮雕和横截面反锥形结构的部件，这是因为当将铸造零件从模具上脱离时柔性模具材料能够在所述结构周围变形。综上地，这些改善定义了熔模铸造的新方案，其克服了现有技术的许多局限性，尤其熔模铸造方法的蜡模部分的局限性，如下文将更加详细地描述的那样。
以下描述将参照附图对本发明进行详细介绍，附图示出图I为现有技术的陶瓷镶件。图2A-2B图解了熔模铸造方法中制造蜡模工具的步骤。图3图解了置于陶瓷镶件和柔性的蜡模模具之间的间隔件，用来在注蜡过程中定位型芯并支撑型芯。图4A-4H图解了熔模铸造方法的步骤，其中直接在金属零件的表面中铸造出工程表面构形。图5为由Tomo工艺的柔性工具生成的第一蜡模表面。图6为由Tomo工艺的柔性工具生成的第二蜡模表面。图7为带有凸起表面图案的蜡模表面。
图8A-8C示出了由受到逐次喷沙处理的单一母工具获得的蜡表面。图9A-9C图解了在熔模铸造零件中产生工程表面的步骤。图10A-10B图解了用于限定铸造金属零件中的表面开口通路的蜡模工具镶件。图11为柔性注蜡模具镶件的局部横截面视图，该柔性注蜡模具镶件包括反应(磁性)颗粒和粘结至槽形模具的磁体。图12为置于槽形模具内的柔性注蜡模具镶件的局部横截面视图，其中模衬封装有活性元件。图13A-13E图解了将型芯定位线用于柔性模具镶件的应用，其中所述线在注蜡步骤前被紧靠型芯定位。 图14图解了带有梳状设计的镶件。
具体实施例方式作为熔模铸造方法——比如说可用于铸造燃气轮机叶片或带有复杂内部冷却通路的其他部件的熔模铸造方法——的一部分，首先制造陶瓷型芯，该陶瓷型芯将限定内部冷却通路的形状。图I图示了这样一种陶瓷型芯10，其可以通过任何已知方法形成。在生产出陶瓷型芯后，熔模铸造方法的下一步骤是将型芯用作蜡模工具的一部分，用于围绕型芯浇铸蜡，以限定铸造叶片或其他铸造零件的最终的外表面形状。当由于零件几何结构的原因而需要多重开模面来将工具从蜡模或其他铸造零件移除时，现有技术中的蜡模工具设计非常复杂和昂贵。本发明为蜡模工具提供了新方法，此方法可以将工具制造的时间和成本降至传统蜡模工具制造所需时间和成本的一小部分，此外，本发明还提供了产生更大的部件设计灵活性以及更高的铸造产率的改善的性能。使用了简单、低价的铝或软钢(或者其他容易机加工的材料，统称为软金属)的母工具来替代现有技术中的昂贵的工具钢工具。然后使用低压注射工艺由母模产生得到柔性蜡模模具(工具)。图2A图示了由例如机加工的铝等软金属形成的母工具12的截面，该母工具12接收柔性模具材料14以制造柔性蜡模工具16的一个侧部16a，柔性蜡模工具16的另一侧部16b用相似的方法制得。柔性蜡模工具可以完全由柔性模具材料形成，也可以呈与固体槽形模具结合使用的柔性模具镶件(或模衬)的复合形式，这将在下文图解并介绍。图2B示出了柔性蜡模工具的组装好的两个侧部，其显示出陶瓷型芯布置在柔性模具侧部之间限定的注射腔18内。母工具可以形成为用以接收一个或多个精密镶件20，在图2A-2B的实施方式中，精密镶件用于形成定位结构22，该定位结构22比如呈柔性定位销的形式，形成为与模具的抵靠于型芯的柔性内表面24成一体。如果需要的话，可在母工具的任意区域使用不同形状的精密镶件以限定具有高精确度细节的增强区域，该高精确度细节包括例如以下工程表面粗糙度，该工程表面粗糙度有助于待涂覆到后续铸造的金属零件上的覆层的粘合，这将在下文中详细描述。镶件可以通过Tomo工艺、立体光刻、直接金属加工或者其他高精确度的过程来形成。母工具的复合表面26 (机加工铝表面和精密镶件表面)随后被复制到注蜡模具的柔性内表面中，其复制母工具的细节。由图2B所示的定位结构从柔性模具的具有高力学滞后性的本体延延伸至与陶瓷型芯轻微接触，从而确保型芯在柔性蜡模模具中的恰当定位。定位结构在注蜡步骤中给型芯提供机械支撑的同时，还在型芯和模具的界面28处提供一定程度的柔顺性。已知现有技术中的工具包含金属销以与型芯硬接触，但是这种硬接触常常会在模具闭合时对相对脆弱的陶瓷型芯造成损坏。本文描述的柔性结构提供了一定程度的宽容性，该宽容性由于降低了对型芯造成损坏的几率而转化为更高的合格品产率。定位结构的柔性程度可以改变，但是定位结构可比其所接触的型芯表面更柔软，使得定位结构可以被型芯变形而不对陶瓷型芯材料造成损坏。与此相反，现有技术中的定位销比型芯材料刚硬得多，它们不能被型芯变形而不对陶瓷型芯材料造成损坏。有利地，该定位结构不需要定位在平行开模面中，这是因为模具材料的柔性性质，其允许定位结构弯曲以便于移除。在图3所示的另外一个实施方式中，与柔性模具不成一体的柔性销或间隔件30可位于在型芯和柔性模具之间，以定位型芯并为型芯提供机械支撑。这种非一体的间隔件可以由泡沫或蜡或能够与型芯接合而不损坏型芯的任意材料形成。此间隔件可以通过粘合剂32被保持在正确位置和/或可以被插入到柔性模具中形成的开口 34内。所述间隔件可以被设计为在注蜡后的型壳硬化中烧尽，或者可以在制作型壳之前将其从蜡模中脱出。替代性地，所述间隔件可由陶瓷铸造材料制造，它可保持内陷在蜡模中，接着被涂覆并变得与随后涂覆的陶瓷型壳材料成一体。在铸造熔融金属合金后，内陷的陶瓷间隔件起到在铸造金属零件中限定表面开口通路的作用。在上述选项中的任一个中，柔性模具的柔性内表面以及间隔件自身的柔性起到在注蜡步骤中为型芯提供一定程度的柔顺支撑的作用。 制造蜡模工具的上述方案与已知现有技术的工艺相比是有利的，如下表I中总结
的那样。
权利要求
1.一种用于形成作为熔模铸造方法一部分的蜡模的工具，所述工具包括 槽形模具； 型芯，所述型芯设置在所述槽形模具中并且相对于所述槽形模具支撑在适当位置；以及 柔性模衬，所述柔性模衬包括将会在熔模铸造方法的注蜡步骤中复制到蜡中的结构，所述模衬被关于所述槽形模具对正以便在注蜡步骤中将所述结构定位在相对于所述型芯的已知位置。
2.如权利要求I所述的工具，其中，所述结构包括柔性定位元件，所述柔性定位元件与所述柔性模衬形成为一体，并且与所述型芯相接触以便在注蜡步骤中支撑所述型芯。
3.如权利要求I所述的工具，其中，所述结构包括镶件，所述镶件包括延伸成与所述型芯相接触的非直线状腿部。
4.如权利要求3所述的工具，其中，所述镶件包括延伸成与所述型芯相接触以在注蜡步骤中支撑所述型芯的腿部。
5.如权利要求I所述的工具，其中，所述结构包括延伸成与所述型芯相接触以在注蜡步骤中支撑所述型芯的销。
6.如权利要求5所述的工具,还包括 在所述柔性模衬的内表面中形成的凹部； 设置在所述凹部中的支撑元件；以及 穿过所述支撑元件中的开口并且朝向所述型芯延伸的所述销。
7.一种用于形成作为熔模铸造方法一部分的蜡模的工具，所述工具包括 包括柔性内表面的工具本体，所述柔性内表面限定出所述蜡模的期望的外表面几何结构； 设置在所述工具本体内的型芯，所述型芯在注蜡步骤后形成所述蜡模的一部分；以及定位元件，所述定位元件设置在所述型芯与所述工具本体之间，并且被所述柔性内表面支撑以在注蜡步骤中为所述型芯提供柔顺性支撑。
8.如权利要求7所述的工具，其中，所述定位元件与所述工具本体的柔性内表面形成为一体。
9.如权利要求7所述的工具，其中，所述定位元件通过粘合剂粘附至所述工具本体的柔性内表面。
10.如权利要求7所述的工具,还包括 在所述工具本体的柔性内表面中形成的凹部；以及 定位元件，所述定位元件设置在所述凹部内并且朝向所述型芯延伸超出所述柔性内表面。
11.如权利要求7所述的工具，其中，所述定位元件包括间隔件，所述间隔件能够在后续的陶瓷型壳制作步骤前从蜡模中脱出，或者将会在后续的陶瓷型壳硬化步骤中烧尽。
12.如权利要求7所述的工具，其中，所述定位元件包括陶瓷材料，所述陶瓷材料在注蜡步骤后仍内陷在所述蜡模中，并且此后将与后续施加的陶瓷型壳材料成为一体。
13.如权利要求7所述的工具，其中，所述定位元件还包括 支撑元件，所述支撑元件设置在所述工具本体的柔性内表面中形成的凹部内；以及销，所述销穿过所述支撑元件中的开口并且朝向所述型芯延伸。
14.如权利要求7所述的工具，其中，所述工具本体包括 槽形模具；和 包括柔性内表面的柔性镶件，所述柔性镶件设置在所述槽形模具内；以及在所述槽形模具和所述柔性镶件上形成的匹配的对正结构，用以将所述柔性镶件定位在所述槽形模具内的已知的相对位置。
15.如权利要求7所述的工具，其中，所述工具本体包括 槽形模具；和 包括柔性内表面的柔性镶件，所述柔性镶件设置在所述槽形模具内；并且还包括 设置在所述柔性构件内的反应元件。
16.如权利要求15所述的工具,其中，所述反应元件包括由下述各项构成的组中的一种传感器、致动器、温度控制元件、磁体、对磁能起反应的颗粒、以及呈现出与围绕颗粒的柔性构件的柔性材料的导热系数不同的导热系数的颗粒。
17.如权利要求7所述的工具，其中，所述工具本体包括 槽形模具； 限定出柔性内表面的柔性镶件，所述柔性镶件设置在所述槽形模具内；以及 设置在所述柔性内表面的凹部中的精密陶瓷镶件。
18.一种用于形成作为熔模铸造方法一部分的蜡模的工具，所述工具包括 包括柔性构件的工具本体，所述柔性构件限定出所述蜡模的期望的外表面几何结构； 设置在所述工具本体内的型芯，所述型芯在注蜡步骤后成为所述蜡模的一部分； 在所述工具本体内支撑所述型芯的装置；以及 设置在所述柔性构件内的反应元件。
19.如权利要求18所述的工具,其中，所述反应元件包括由下述各项构成的组中的一种传感器、致动器、温度控制元件、磁体、对磁能起反应的颗粒、以及呈现出与围绕颗粒的柔性构件的柔性材料的导热系数不同的导热系数的颗粒。
20.如权利要求18所述的工具，其中，所述在工具本体内支撑型芯的装置包括定位元件，所述定位元件设置在所述型芯与所述工具本体之间，并且被所述柔性构件支撑以在注蜡步骤中为所述型芯提供柔顺性支撑。
21.如权利要求18所述的工具，其中，所述在工具本体内支撑型芯的装置还包括 支撑元件，所述支撑元件设置在所述工具本体的柔性构件中形成的凹部内；以及 销，所述销穿过所述支撑元件中的开口并且朝向所述型芯延伸。
22.—种熔模铸造方法，其中改进之处包括 将陶瓷型芯定位在包括柔性构件的注蜡模具中，所述柔性构件的内表面限定出将在所述模具中形成的蜡模的期望的外表面几何结构；以及 由所述柔性构件支撑所述陶瓷型芯，同时将蜡注射到所述注蜡模具中、所述陶瓷型芯周围以形成蜡模。
23.如权利要求22所述的方法，还包括将所述柔性构件形成为包括远离所述内表面、朝向所述型芯延伸的凸起，用于接触所述型芯以在注蜡步骤中为所述型芯提供支撑。
24.如权利要求23所述的方法，还包括将所述凸起形成为与所述柔性构件内表面成一体。
25.如权利要求22所述的方法，还包括 在所述柔性构件内表面中形成凹部；和 将间隔件插入到所述凹部中以朝向所述型芯延伸，用于接触所述型芯以在注蜡步骤中为所述型芯提供支撑；以及 在注蜡步骤后移除所述间隔件。
26.如权利要求22所述的方法，还包括 在所述柔性构件内表面中形成凹部； 将陶瓷镶件插入到所述凹部中以朝向所述型芯延伸，用于接触所述型芯以在注蜡步骤中为所述型芯提供支撑； 使注射的蜡凝固以在所述注蜡模具中形成蜡模； 移除所述注蜡模具，同时使所述陶瓷镶件与所述蜡模留在一起；以及 在所述蜡模周围形成包含所述陶瓷镶件的陶瓷型壳结构。
27.如权利要求22所述的方法，还包括 在所述柔性构件内表面中形成凹部； 将包括开口的支撑元件插入到所述凹部中； 将销插入到所述开口中以朝向所述型芯延伸，用于接触所述型芯以在注蜡步骤中为所述型芯提供支撑； 使注射的蜡凝固以在所述注蜡模具中形成蜡模； 将所述注蜡模具从所述蜡模上移除并将所述支撑元件从所述销上移除，同时使所述销留在所述蜡模中，由此所述销的一部分远离所述型芯地延伸成超出所述蜡模；以及在所述蜡模周围形成陶瓷型壳结构并且包绕所述销的所述延伸部分。
28.如权利要求22所述的方法，其中，所述内表面限定了用于所述外表面几何结构的工程表面构形。
29.如权利要求22所述的方法，还包括 在注蜡之前，将镶件粘附至所述柔性构件内表面，所述镶件在其靠近所述型芯的表面上包括工程构形； 在注蜡步骤后将所述柔性构件从所述蜡模移除，同时使所述镶件留在蜡中；以及 用陶瓷材料涂覆所述蜡模和镶件以形成陶瓷铸造容器。
全文摘要
一种熔模铸造方法，其中蜡模工具(44)是柔性的以便于工具从铸造的蜡模(55)上脱离，即使当铸造的形状在其它情况下需要多重开模面时也是如此。此柔性的工具可包括柔性镶件(42)，柔性镶件(42)被精确地关于周围的槽形模具(40)对正并由此关于被封闭的陶瓷型芯(10)对正。定位销(106)可以从柔性工具延伸从而在注蜡步骤前紧靠着型芯产生柔顺的接触。产生的蜡模的表面可包括通过柔性表面从母工具(12)复制而来的工程构形(36)。此柔性工具可以包裹导热颗粒或磁性颗粒(92)，或者在注蜡中能够起使用的例如传感器或振荡器等其它活性装置(96)。
文档编号B22C7/02GK102802834SQ201180004889
公开日2012年11月28日 申请日期2011年2月8日 优先权日2010年12月7日
发明者加里·B·梅里尔, 阿利斯特·W·詹姆斯, 安德鲁·J·布恩斯, 凯文·C·希恩, 本杰明·E·河纳韦尔德, 伊恩·A·弗雷泽 申请人:西门子能源有限公司, 精密系统有限公司