具有用于翼片区段铸造的一体翼片内部型芯和围带背侧壳的陶瓷铸造型芯的制作方法
【技术领域】
[0001]发明涉及燃气涡轮发动机中使用的被冷却的翼片区段的铸造。具体地，发明涉及具有用来形成翼片区段的翼型中的内部冷却通道的传统型芯部分加上用来形成翼片区段的围带的背侧表面的围带外部壳部分的单块陶瓷铸造型芯。
【背景技术】
[0002]工业燃气涡轮发动机包括用于压缩空气的压气机、用于使燃料与压缩空气的混合物燃烧的燃烧器装置和用于从燃烧气体中提取能量的涡轮机。涡轮机部包括被固定至转子轴的成排的叶片，其中的所有叶片都在能量提取过程中通过燃烧气体旋转。在成排的涡轮机叶片之间的是当燃烧气体在涡轮机内行进时将燃烧气体合适地定向的成排的固定翼片。各排翼片包括翼片区段，其中的每一个区段具有被固定至至少一个翼型的相反端的内围带和外围带。在很多涡轮机中翼型可以经由内部冷却通道被冷却并且围带的背侧也可以被冷却。这些被冷却的翼型可以是第一和甚至第二排的涡轮机叶片的一部分。冷却可以包括凭借冷却空气在待冷却的表面上面的流动的对流冷却，和/或凭借被置于翼型的内部冷却通道中和邻接围带的背侧的冲击板插件的冲击冷却。
[0003]翼型和围带可以被一起铸造由此形成单块翼片区段。可替代地，翼型和围带可以被单独地铸造并接着焊接到一起。翼型的内部通道要求陶瓷型芯的使用以创建通道并在铸造工艺期间限定内部表面配置。翼片区段表面的包括了内、外围带的那些在内的余下部分典型地由围绕翼片区段的錯模(wax pattern)形成的陶瓷壳限定，其中錯模围绕陶瓷型芯形成。蜡模接着被去除，在翼片区段的形状中留下空隙，其中陶瓷型芯限定翼型的内部通道的表面并且陶瓷壳限定翼片区段的表面的余下部分。
[0004]小特征是在翼片区段的表面的一些上所期望的，包括翼型的内部通道和围带的背侧表面，因为它们可以与冲击射流结合地使用以提高冲击冷却。小特征可以通过陶瓷型芯容易地形成在翼型的内部通道的表面中，因为陶瓷型芯上的小特征在通向最终铸件的步骤中存活下来，并且被直接印到最终翼片区段上。然而在围带的背侧表面上的小特征将通过蜡模形成，因为蜡模限定围带的背侧表面。蜡模是软材料。出于这个原因，如果小特征被印到蜡模的表面并接着经受浸渍工艺，在此期间形成陶瓷壳，则小特征被扭曲和/或损失。因为蜡模中的小特征不能在浸渍工艺中存活下来，所以当小特征将产生自被暴露于浸渍工艺的蜡模时，翼片区段的由壳限定(进而由蜡模限定)的表面不能具有小特征。
[0005]已用来克服该问题的一个技术是使用单独铸造的离散陶瓷插件来形成围带背侧表面上的小特征。蜡模围绕陶瓷型芯和陶瓷插件及去除的壳形成，留下用于翼片区段的空隙。在该方法中陶瓷型芯限定翼型的内部表面及其小特征，并且陶瓷插件限定围带背侧表面及其小特征，并且翼片区段表面的余下部分通过壳形成。然而，当使用陶瓷插件时陶瓷插件的位置难以精确地控制并且铸件的质量小于可接受的。出于前述原因在本领域存在有改进的空间。
【附图说明】
[0006]在以下描述中鉴于附图来说明发明，附图示出:
[0007]图1是现有技术翼片区段铸件的示意性截面。
[0008]图2是使用这里所公开的铸造型芯和方法的翼片区段的示意性截面。
[0009]图3是在现有技术型芯模具中铸造时的现有技术陶瓷型芯的示意性截面。
[0010]图4是在具有柔性型芯模具里衬的型芯模具中铸造时的具有翼型部分和围带壳部分的一体铸造型芯的示意性截面。
[0011]图4A是图4的细节的特写。
[0012]图5是图3的现有技术陶瓷型芯的示意性截面。
[0013]图6是图4的一体铸造型芯的示意性截面。
[0014]图7是被定位在现有技术蜡模具内侧的图5的现有技术陶瓷型芯和使用组件形成的现有技术蜡模的示意性截面。
[0015]图8是被定位在这里所公开的蜡模具内侧的图6的一体铸造型芯和使用组件形成的蜡模的示意性截面。
[0016]图9是图7的现有技术陶瓷型芯和现有技术陶瓷模的示意性截面。
[0017]图10是图8的一体铸造型芯和蜡模的示意性截面。
[0018]图11是图9的现有技术陶瓷型芯和现有技术陶瓷模及围绕组件形成的现有技术陶瓷壳的示意性截面。
[0019]图12是图10的陶瓷型芯和蜡模及围绕组件形成的陶瓷壳的示意性截面。
[0020]图13是具有用于现有技术翼片区段的空隙的图11的现有技术陶瓷型芯和现有技术陶瓷壳的示意性截面。
[0021]图14是具有用于翼片区段的空隙的图12的一体铸造型芯和陶瓷壳的示意性截面。
[0022]图15是图11的现有技术陶瓷型芯和现有技术陶瓷壳及在其中铸造的现有技术翼片区段的示意性截面。
[0023]图16是图14的一体铸造型芯和陶瓷壳及在其中铸造的翼片区段的示意性截面。
【具体实施方式】
[0024]本发明人已发明了一种独特的方法和一体铸造型芯，通过它们，当翼片区段的翼型部分和围带部分(或多个部分)被同时铸造以形成单块、被冷却的铸造翼片区段时可以在被冷却的翼片区段的围带的背侧上形成精细特征。精细特征可以是能够与冲击冷却射流结合地使用以更有效地冷却围带背侧的热传递特征。该方法和铸造型芯能够在一些实施例中通过柔性型芯模具里衬的使用而得以实现。柔性里衬使得能够使特征合并到铸件的表面内，这在使用刚性型芯模具时是不可能的。这是因为刚性型芯模具必须被沿着拉动平面(pull plane)分开。当模具必须在沿着铸件的表面滑动的情况下被拉开时，两个表面不能被成形使得它们与该滑动干涉。归因于诸如翼片区段等的很多部件的几何形状，这限制了精细特征可以形成到铸件内所在的平面、诸如围带背侧表面。在刚性型芯模具内侧的柔性里衬避免了该问题，因为柔性里衬被用来形成精细特征并且柔性里衬可以在被去除时围绕精细特征弯曲。
[0025]发明人利用了该柔性里衬的优点来创建一体铸造型芯，其创新地形成翼片区段的翼型部分的冷却通道而同时形成了围带的背侧表面，该背侧表面在以前通过陶瓷壳或者离散的陶瓷插件来形成。精细特征也可以使用一体铸造型芯形成在背侧表面上，因为在该铸造方法中，围带背侧并因此是任何围带背侧表面特征通过一体型芯在铸造期间被直接形成在翼片区段中。由于一体型芯形成精细特征，所以没有关于凭借蜡模形成时的精细特征的损失或凭借离散的陶瓷插件形成时的未对准的担忧。由于柔性里衬可以被从围绕着小特征拉出来，其中该小特征会阻止刚性型芯模具里衬的分离，所以没有关于型芯模具分离的担忧。
[0026]图1是具有有着翼型内部通道14、翼型内表面16和翼型外表面18的翼型12的现有技术翼片区段10的示意性截面。内围带20和外围带22被布置在翼型12的内端24和外端26处。围带各具有平滑的、即缺乏精细热传递特征的相应的背侧表面28。翼型冲击插件30可以用来形成用于使翼型内表面冷却的冲击射流。围带冲击板32可以用来形成用于使围带背侧表面28冷却的冲击射流。
[0027]图2是使用这里的教导形成的高温合金翼片区段50的示意性截面。翼片区段50包括具有翼型内部通道54、翼型内表面56和翼型外表面58的翼型52。内围带60和外围带62被布置在翼型52的内端64和外端66处。围带各具有相应的背侧表面68。小特征70可以被形成到翼型内表面56内和/或围带背侧表面68中的一个或两者内。这些小特征70可以是被设计成与通过翼型冲击插件30和/或围带冲击板32形成的冲击射流一起工作的热传递特征。这些小特征70可以采取对于改善热传递已知的任何形状，包括诸如凹坑的阵列等的重复几何形状的阵列。可替代地，可以通过针对可在必要时被局部裁剪的小特征70的各种不同尺寸和形状使热传递最大化。
[0028]图3至图16示意性地将现有技术的翼片区段铸造工艺及相关联的型芯与这里所公开的工艺及相关联的型芯进行比较。图3示意性地描绘了在现有技术刚性型芯模具102内的现有技术陶瓷铸造型芯100的形成。图4是使用柔性里衬112和相关联的刚性型芯模具114形成的一体铸造型芯110的示意性截面。一体铸造型芯110包括限定翼型内部通道54的型芯翼型部分116，和从型芯翼型部分116横向延伸且具有限定外围带62的背侧表面68的型芯围带背侧成形表面120的壳部分118(外壳部分)。一体铸造型芯110还可以包括从型芯翼型部分116横向延伸且具有限定内围带60的背侧表面68的相对的型芯围带背侧成形表面124的相对的壳部分122(内壳部分)。型芯围带部分118、122可以具有被配置成形成小特征70的型芯壳特征130。型芯翼型部分116可以具有被配置成在翼型内表面56上形成小特征70的型芯翼型特征140。型芯壳特征130可以包括较高高度132和邻接于较高高度132的较低高度134，其中高度是相对于相应的型芯围带部分118的。
[0029]由于一体铸造型芯110的几何形状，如果使用了刚性型芯模具，则刚性型芯模具将需要被沿着线136分开。然而，当如图所示配置型芯壳特