[发明专利]增材制造的具有陶瓷壳体的一体化铸造芯结构

说明书

本申请大体上涉及一体化芯‑壳熔模铸造模具，所述模具提供与涡轮叶片、定子叶轮或护罩的表面中的冷却孔模相对应的丝结构。本申请还涉及在所述芯‑壳铸造模具的壳体的至少一部分上形成陶瓷涂层。本申请还提供一种制造陶瓷铸模的方法、制备铸造部件的方法和陶瓷铸模。

技术领域

本申请总体上涉及熔模铸造芯-壳模具部件以及利用这些部件的工艺。根据本申请制造的芯-壳模具在模具的芯与壳体之间具有一体化陶瓷丝，这些一体化陶瓷丝可以用于在由这些模具制成的铸造部件中形成通道和/或孔。一体化芯-壳模具在铸造操作中，如在铸造用于制造喷气式航空发动机或发电涡轮部件的涡轮叶片和定子叶轮的超合金时，提供适用的特性。本申请还涉及使一体化芯-壳模具涂覆有陶瓷外部层，所述陶瓷外部层可以提供以下示例性益处中的任一益处或其组合：提高芯-壳模具的结构完整性；结合或连接模具的部分；提供与模具流体连通的通路或腔体；控制模具的结构特性；和/或控制模具的热特性。

背景技术

燃气涡轮发动机大体上包括至少一个压缩机，所述压缩机用于对空气进行加压以便通道传输到燃烧室中。发动机可以包括至少一个燃烧室，经通道传输的加压空气在所述燃烧室中与燃料混合并被点燃。来自压缩机的热气体向下游流过至少一个涡轮区段。每个涡轮区段都具有绕轴线旋转且包括在发动机壳体内的旋转叶片。一个或多个涡轮区段可以对压缩机、风扇或轴中的任一者提供动力和/或可以通过例如喷嘴的膨胀来提供推力。

涡轮部分中的涡轮叶片和/或定子叶轮必须能够承受由于高温和大温度波动而引起的热应力以及由于在涡轮的正常操作期间经历的高转速而引起的力。由于涡轮的增压比和效率已经增大，所以高压和低压涡轮部分接触的热应力也已经增大。因此，结合由耐高温材料制造涡轮的部件(例如，涡轮叶片和定子叶轮)，对涡轮叶片、定子叶轮以及其它部件的有效冷却已经变得越来越重要并且具有挑战性。过去，为了抵消涡轮区段的热辐射和对流，已经采用了多种热移除技术；通常采用流体冷却来延长涡轮部件的寿命。进一步地，小型冷却孔以优化角度钻穿叶片以移除热且在涡轮叶片和定子轮叶的每个翼型件表面的表面上提供热障。还在涡轮和/或定子叶轮内形成了通道以提供每个翼型件的表面的对流冷却。

期望增大涡轮发动机内的冷却效率已使得涡轮部件内内部冷却通道复杂化。用于制造发动机零部件的常规技术涉及熔模铸造或脱蜡铸造工艺。熔模铸造的一个实例涉及制造用在燃气涡轮发动机中的典型叶片。涡轮叶片和/或定子叶轮通常包括空心翼型件，这些空心翼型件具有沿着叶片的跨度延伸的放射状通道，这些放射状通道具有用于在发动机的操作期间接纳加压冷却空气的至少一个或多个入口。叶片中的各种冷却通路通常包括布置在翼型件中间、在前缘与后缘之间的蜿蜒通道。翼型件通常包括用于接纳加压冷却空气的延伸穿过叶片的入口，这些入口包括如用于增加翼型件的加热侧壁与内部冷却空气之间的热传递的短湍流器肋或销等局部特征。

通常由高强度的超合金金属材料制造这些涡轮叶片涉及如图1至图4所示的许多步骤。如图1所示，使用传统的熔模铸造来形成铸造部件包括以下步骤：对用于外部蜡结构和陶瓷芯的模具进行机加工101、模制和焙烧陶瓷芯102、使用陶瓷芯来模制蜡模103、制备蜡组件104、将蜡组件浸入陶瓷浆料中105、使陶瓷浆料干燥以提供壳体106、对壳体进行脱蜡107、铸造和浸出108、以及钻取冷却孔109。