[发明专利]利用金属部件和金属蒙皮层的铸造

说明书

技术领域

本发明公开总体涉及铸造型芯部件和利用这些型芯部件的工艺。本发明的型芯部件可包括包围第一金属部件的金属蒙皮层(metal skin layer)，该第一金属部件具有低于该金属蒙皮层的熔点。金属蒙皮层和金属部件提供铸造操作中有用的特性，诸如在用来生产用于喷气式飞机发动机或发电涡轮机部件的涡轮叶片、涡轮叶片的近壁腔室、或涡轮叶片的冷却腔室的超合金的铸造中。

背景技术

许多现代发动机和下一代涡轮发动机要求部件和零件具有错综复杂的几何形状，这要求新型的材料和制造技术。用于制造发动机零件和部件的常规技术包括艰苦的熔模铸造过程或失蜡铸造工艺。熔模铸造的一个示例包括制造燃气涡轮发动机中使用的典型的转子叶片。涡轮叶片典型地包括中空的翼型件，其具有沿着叶片的翼展延伸的径向通道，具有用于在发动机的运行期间接纳加压冷却空气的至少一个或更多入口。在叶片中的不同冷却通道中，包括在前缘和后缘之间设置在翼型件中间的蜿蜒的通道。翼型件典型地包括穿过叶片延伸用于接收加压冷却空气的入口，其包括诸如短扰流器肋或鳍的局部特征，用于增加翼型件的加热的侧壁和内部冷却空气之间的热传递。

典型地由高强度、超合金金属材料进行的这些涡轮叶片的制造包括许多步骤。首先，制造精密的陶瓷型芯来使其与涡轮叶片内预期的复杂的冷却通道一致。还制作出精密模具或精密铸模，其限定了涡轮叶片的精密3D外表面，包括其翼型件、平台以及整体鸠尾榫。将陶瓷型芯组装在两个半模内，两个半模在它们之间形成限定叶片的最终金属部分的空间或空隙。将蜡注入组装好的模具中以填充该空隙并包围封装在其中的陶瓷型芯。将两个半模分开并从模制的蜡上去除。模制的蜡具有期望叶片的精密构造，并且然后用陶瓷材料涂覆来形成包围的陶瓷型壳。之后，蜡被熔融并且从该型壳去除，留下陶瓷型壳和内部陶瓷型芯之间对应的空隙或空间。然后将熔化的超合金金属灌入该型壳来填充其中的空隙，并且再一次封装包含在该型壳中的陶瓷型芯。熔化的金属被冷却并凝固，且然后适当地去除外部型壳和内部型芯，留下了期望的金属涡轮叶片，其中存在有内部冷却通道。

然后铸造涡轮叶片可经历附加的铸造后修饰，诸如但不限于按期望穿过翼型件的侧壁钻削合适的多列薄膜冷却孔，以便在燃气涡轮发动机中运行期间给内部导引的冷却空气提供出口，冷却空气然后在翼型件的外表面上形成保护性冷却空气膜或毯。然而，这些铸造后修饰是有限的，并且考虑到涡轮发动机的日益增长的复杂性，以及涡轮叶片内某些冷却回路的公认的效率，对于更复杂的和错综的内部几何形状的要求是必需的。虽然熔模铸造能够制造这些零件，但是定位精度和错综的内部几何形状使利用这些常规的制造工艺来制造变得更加复杂。因此，期望的是提供一种用于具有错综的内部空隙的三维部件的改善的铸造方法。

本领域已知利用混合型芯部件的精密金属铸造，混合型芯部件采用难熔金属和陶瓷铸造部件的组合。已经生产出包括难熔金属和陶瓷材料部分的混合型芯。例如，见标题为“Additive manufacturing of hybrid core”的U.S. 2013/0266816。在此申请中公开了用来制造混合型芯的技术，其采用了常规的粉末层(powder bed)技术。尽管混合型芯给例如在用于喷气式飞机发动机的涡轮叶片的铸造中的超合金的铸造提供了附加的灵活性，但对于更先进的熔模铸造型芯技术依然有需要。

发明内容

本发明涉及一种包括铸造型芯的新颖的铸造模，该铸造模包括包围铸造型芯的至少一部分的外型壳模，该铸造型芯包括围绕第一金属部件的难熔金属蒙皮。在一方面，第一金属部件的至少一部分可以在外型壳模的表面上暴露。在另一方面，外型壳模可构造成当去除第一金属部件并且第二金属蒙皮层没有去除时在铸造型芯中限定型腔。

在第一金属部件(例如非难熔金属部件)的一个实施例中可包括铝、铜、银和/或金，而第二金属蒙皮层可包括钼、铌、钽和/或钨。第一金属部件和/或第二金属蒙皮层可包括合金。

除了别的结构之外，第一金属部件和/或第二金属蒙皮层的一个或更多可适于限定在铸造部件冷却孔、后缘冷却通道或微通道内。第一金属部件和/或第二金属蒙皮层也可适于提供型芯支撑结构、平台型芯结构或提示标志(tip flag)结构。第一金属部件和/或第二金属蒙皮层的若干金属部件可用在单个铸造型芯中，或者可在陶瓷铸造型芯组件中单独使用或者与其他铸造部件一起使用。