用于葉片的陶瓷型芯的制造方法以及陶瓷型芯和葉片的制作方法
【專利摘要】用于葉片的陶瓷型芯的制造方法，陶瓷型芯包括下部件、上部件和一組桿；下部件形成為芯本體，上部件形成為葉頂凹槽，并且一組桿用于將上部件和下部件保持一起；所述方法包括以下步驟：使用低于1000℃燃點(diǎn)的材料對(duì)桿進(jìn)行涂布的涂布步驟；將所述桿在模具中定位的定位步驟；通過注射陶瓷使所述上部件和所述下部件成型的成型步驟；對(duì)所述陶瓷型芯進(jìn)行燒制的燒制步驟。
【專利說(shuō)明】用于葉片的陶瓷型芯的制造方法以及陶瓷型芯和葉片
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種適用脫蠟鑄造工藝的陶瓷型芯的制造方法，該脫蠟鑄造工藝用于為可移動(dòng)葉片的循環(huán)而制造復(fù)雜的中空葉片裝置。本發(fā)明尤其適用于航空領(lǐng)域的航空器引擎中的此類葉片。
【背景技術(shù)】
[0002]陶瓷型芯是一個(gè)可廢棄的部件，該部件尤其適用于獲得金屬葉片裝置的冷卻循環(huán)系統(tǒng)。
[0003]首先，通過將聚合物陶瓷混合物注射到注射工具來(lái)制造芯。第二步，隨后對(duì)該芯進(jìn)行燒制以去掉聚合物并燒結(jié)陶瓷。第三步，對(duì)該芯進(jìn)行去毛刺處理并用樹脂浸潰以賦予它們機(jī)械強(qiáng)度。
[0004]圖1所示為陶瓷型芯本體10，該陶瓷型芯本體10包括形成為葉頂凹槽的上部件2以及形成為芯本體的下部件I。此類陶瓷型芯適用于葉片，尤其適用于航空器引擎的渦輪機(jī)葉片。通常，該類型葉片與圍繞葉片的環(huán)形葉片裝置相耦合。形成凹槽的部件在葉片末端形成有開放腔。在功能上，該凹槽減少了葉片根部的離心力并減少了葉片尖端的熱傳遞。凹槽通過使用連接芯本體和凹槽的桿3來(lái)固定到芯本體上。這些桿也可以用陶瓷來(lái)制成。通常，膨脹系數(shù)高于芯的膨脹系數(shù)的任何材料都可以適合于制作該桿。
[0005]制造這種芯會(huì)產(chǎn)生的問題之一是所述陶瓷型芯在燒制步驟上遇到的問題。該燒制步驟緊隨模具中的陶瓷成型步驟，上述桿在材料注入之前預(yù)置在該模具中。
[0006]一旦連接芯本體和凹槽的所有桿3成型，它們就已經(jīng)被固定在已成型的陶瓷中，已成型陶瓷的具有凹槽和芯本體的形狀。隨著陶瓷燒制過程中溫度的升高，所述桿就會(huì)膨脹。圖2所示為燒制后陶瓷中根桿膨脹的結(jié)果，特別地，由于裂紋20的產(chǎn)生，形成了凹槽2中的開裂紋20。
[0007]一個(gè)解決方法是在面向氧化鋁桿的芯部形成局部的加厚部。
[0008]如圖3所示了加厚部30，引入該加厚部30以加強(qiáng)陶瓷被燒制后形成裂紋的部分，該部分沿著位于陶瓷內(nèi)部的桿的水平面上的凹槽設(shè)置。隨后，移除額外的厚度，在局部的加厚部被修齊之前，沒有出現(xiàn)沿著該桿的可視裂紋。
[0009]該方案的缺點(diǎn)之一是需要在燒制之后去掉加厚部，例如通過手工磨削方式去掉。人們發(fā)現(xiàn)在去掉裂紋過程中裂紋會(huì)再一次出現(xiàn)在凹槽中，然后，該裂紋會(huì)在凹槽的表面形成一個(gè)開裂紋。
[0010]一個(gè)主要的缺點(diǎn)在于隨后芯不能使用并且可能不得不被廢棄。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明能夠解決上述缺點(diǎn)。
[0012]本發(fā)明涉及一種用于葉片的陶瓷型芯的制造方法，該陶瓷型芯包括下部件、上部件和一組桿；所述下部件形成為芯本體，所述上部件形成為葉頂凹槽(squealer tip)，并且一組桿用于保持上部件和下部件。根據(jù)本發(fā)明的方法包括:
[0013]涂層步驟，其中所述桿由燃點(diǎn)低于溫度閥值的材料覆蓋，超過該溫度閥值，所述桿的膨脹大于預(yù)設(shè)好的比例；
[0014]定位步驟，其中將所述桿在模具中定位；
[0015]成型步驟，其中所述上部件和下部件通過陶瓷注射成型，該成型的部分因此形成為位于所述模具中的單一部分，并且限制出芯的形狀。
[0016]燒制步驟，其中對(duì)所述陶瓷型芯進(jìn)行燒制。
[0017]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，所述溫度閥值是1000°C。
[0018]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，所述桿的膨脹百分比是1%。
[0019]該陶瓷型芯制造方法預(yù)防了在燒制階段由于桿的存在而引起的陶瓷裂紋。
[0020]根據(jù)本發(fā)明方法尤其包括了一個(gè)預(yù)先步驟，例如涂清漆以覆蓋至少一根桿。在桿上涂清漆能夠預(yù)防凹槽裂紋的產(chǎn)生。
[0021]每根桿可能由氧化鋁材料制成或者可以由比芯的膨脹系數(shù)高的材料制成。
[0022]在燒制階段通過燃燒清漆(varnish)來(lái)避免產(chǎn)生裂紋，該燒制階段釋放了已燒制的陶瓷和已膨脹的桿之間的空間。覆蓋在桿表面的清漆或者同等材料的燃燒溫度釋放了圍繞桿的空間，在高于清漆的燃燒溫度時(shí)，所述桿會(huì)膨脹。
[0023]有益地，所述步驟依次實(shí)施。
[0024]有益地，所述芯的脫模步驟(DME)先于芯的所述燒制步驟(⑶I)。
[0025]有益地，每根所述桿在可能由凹槽包圍的表面上被涂布。
[0026]有益地，所述桿的部分的涂層包括有清漆涂層。
[0027]有益地，所有桿的涂層包括以下之一:
[0028]每根桿的表面的一部分上沉積有蠟涂層；
[0029]每根桿的表面的一部分上沉積有樹脂涂層；
[0030]每根桿的表面的一部分上沉積有石墨涂層；
[0031]本發(fā)明也涉及到用于渦輪機(jī)葉片的陶瓷型芯，該陶瓷型芯包括下部件、上部件和一組桿，下部件形成芯本體，上部件形成凹槽并且一組桿用于將上部件和下部件保持在一起，其特征在于，該芯使用根據(jù)本發(fā)明的方法制作。
[0032]該發(fā)明還涉及到用于渦輪機(jī)的葉片，該葉片使用鑄造工藝制成，該鑄造工藝使用根據(jù)本發(fā)明方法制成的芯。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0033]在閱讀了下述參照附圖的詳細(xì)描述后，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得清楚，其中附圖顯示了:
[0034]圖1:用于可移動(dòng)葉片的陶瓷型芯的視圖；
[0035]圖2:燒制后的陶瓷型芯和在陶瓷型芯的凹槽上形成的裂紋的視圖；
[0036]圖3:包括加厚部以防止產(chǎn)成裂紋的陶瓷型芯的視圖；
[0037]圖4:顯示根據(jù)本發(fā)明的方法的主要步驟的示意圖。
【具體實(shí)施方式】[0038]在本說(shuō)明書中，“燃點(diǎn)(flashpoint) ” 或者“可燃點(diǎn)(inflammability point) ” 指的是在加熱能源的影響下，本體或者易燃材料發(fā)出充分的蒸氣來(lái)和周圍空氣形成氣態(tài)混合物進(jìn)行燃燒的最低溫度。
[0039]在說(shuō)明書剩余部分中，詞匯“涂層(coating) ”步驟將被用來(lái)指根據(jù)本專利申請(qǐng)的
涂層涂覆。
[0040]用于渦輪機(jī)葉片的陶瓷型芯包括下部件、上部件和一組桿，下部件形成為芯本體，上部件形成為凹槽，一組桿用于將上部件和下部件保持在一起。該上部件和下部件彼此固定。在本發(fā)明的一個(gè)簡(jiǎn)化實(shí)施方式中，至少一根桿用于將芯的兩部分保持在適當(dāng)位置。
[0041]根據(jù)該實(shí)施方式，上部件和下部件可以包括一個(gè)共同區(qū)域，該共同區(qū)域也用于將兩部分保持連在一起。圖1顯示了這樣的實(shí)施方式，其中部件I和部件2通過位芯一側(cè)的共同區(qū)域4連接在一起。
[0042]根據(jù)本發(fā)明制造陶瓷型芯的方法包括桿的涂層步驟，在圖4中使用END標(biāo)記，該涂層步驟位于將所述桿插入到用于成型陶瓷部分的模具中之前。清漆會(huì)沉積在將會(huì)被芯中的凹槽包圍的桿的部分上。在一個(gè)實(shí)施方式中，被芯本體所包圍的桿的部分沒有被清漆覆蓋。
[0043]在本發(fā)明的一個(gè)【具體實(shí)施方式】中，所述桿在它們被定位在模具中后才被涂布。但優(yōu)選地，該桿在它們插入到模具中之前已被涂布，以使得桿的整個(gè)表面都得到均勻地覆蓋。
[0044]所述桿能夠通過不同的方式涂布，這取決于應(yīng)用材料的類型，需要涂層的厚度和/或?qū)⒁采w的桿或桿的部分。
[0045]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，整根桿都用燃點(diǎn)低于1000°C的材料涂布。
[0046]在另外一個(gè)實(shí)施方式中，只有被凹槽環(huán)繞的桿的部分覆蓋有初涂。被芯主體環(huán)繞的桿的部分沒有覆蓋清漆。優(yōu)點(diǎn)之一是清漆的量能夠適應(yīng)由桿膨脹所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)削弱的部分。
[0047]1000°C的溫度極限是與由陶瓷材料開始形成芯時(shí)的轉(zhuǎn)變溫度相對(duì)應(yīng)的。這個(gè)極限是格外有益的溫度，其使在燒制溫度達(dá)到該極限之前涂在桿上的材料將會(huì)燃燒。也可以選擇較低極限溫度，只要該物質(zhì)的燃點(diǎn)溫度低于該極限溫度時(shí)至少也能夠起作用。
[0048]通常，溫度閥值的選擇使得涂層材料例如清漆在桿膨脹之前被點(diǎn)燃。在低于某極限范圍時(shí)的膨脹假定為零。在一個(gè)實(shí)施方式中，該極限范圍固定在1%，它對(duì)應(yīng)于桿尺寸1%的膨脹。根據(jù)其他實(shí)施方式，限定所謂的“必然的(consequent)”膨脹極限的預(yù)定義比例可能是大于1%直至2%或者更多，這取決于使用的材料和他們的尺寸。
[0049]在不同的實(shí)施方式中，可以通過浸桿或者通過例如用刷子涂覆桿的方式涂覆材料。
[0050]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，所應(yīng)用的材料為清漆，該清漆可以例如為“指甲油”型清漆，該清漆的涂覆方法可以像女人將指甲油涂在指甲上一樣的常規(guī)方式用刷子刷在桿上。
[0051]合適的清漆包括溶劑、樹脂、硝化纖維和增塑劑。例如，如以商品名為“Peggy Sagenail varnish all formulas”銷售的“觸變基(Thixotropic base) ”清漆可以應(yīng)用在根據(jù)本發(fā)明的方法中。
[0052]一旦在桿上涂上清漆后，就可以將桿置于模具中。優(yōu)選地，當(dāng)清漆干燥后，該桿根據(jù)本發(fā)明提供的方法中標(biāo)識(shí)為POS的步驟定位，模具中每個(gè)桿的位置在注射材料后被定位，使注射的材料將包圍每根桿。[0053]本發(fā)明包括圖4中標(biāo)識(shí)為MOU的成型步驟，該步驟包括將陶瓷注射到模具中。在提供給芯本體的空間，陶瓷的注射形成芯，因此，形成的本體和凹槽取決于模具的形狀。
[0054]陶瓷成型步驟包括形成芯本體的下部件成型和形成凹槽的上部件成型。優(yōu)選地，該兩部分同時(shí)成型。所述桿定位以使得桿的一部分位于芯的上部件中，桿的一部分位于芯的下部件中。注射到模具中形成凹槽的部分的陶瓷材料包圍所述桿出現(xiàn)在凹槽的部分，以及注射到模具中形成芯本體的部分的陶瓷材料包圍所述桿定位模具中該部分的部分。
[0055]在成型后，所述桿將芯的兩部分保持在一起。
[0056]在根據(jù)本發(fā)明制造方法的另外一個(gè)步驟中，隨后將芯從模具中脫出，該步驟在附圖4中由DEM標(biāo)識(shí)。被固定在芯的兩部分的桿也因此從模具中被取出。
[0057]當(dāng)從模具中取出芯后，則能夠開始附圖4中⑶I所標(biāo)識(shí)的燒制步驟。
[0058]當(dāng)芯在被燒制時(shí)，在桿的膨脹度到達(dá)必然的比例之前，桿上覆蓋的清漆達(dá)到其燃點(diǎn)。由于氧化鋁的膨脹系數(shù)在1200°C時(shí)為1.03%，因此，清漆到達(dá)其燃點(diǎn)燃燒時(shí)的溫度低于弓I起氧化鋁桿膨脹時(shí)的燒制溫度。
[0059]在所述桿膨脹之前，清漆的燃燒釋放了圍繞著桿的空間。隨著燒制時(shí)溫度的升高，成型在芯的上部件和下部件中的桿隨后開始膨脹。涂在桿上的清漆涂層以及其的燃燒的優(yōu)點(diǎn)之一在于，這能夠釋放圍繞桿的空間，而上述空間提供了滿足桿的膨脹所需的額外的空間。因此，選擇涂在每根桿的清漆的量，使之在圍繞桿產(chǎn)生的空間與由桿的膨脹占用的額外空間相匹配。
[0060]根據(jù)本實(shí)施方式，可以通過實(shí)驗(yàn)來(lái)選擇覆蓋所述桿的材料的類型，以及選擇當(dāng)材料涂在桿上時(shí)上述涂層的合適厚度。這些實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驔Q定由材料燃燒所釋放的理想空間，該空間與燒制階段中桿的膨脹所需要的空間相對(duì)應(yīng)。
[0061]因此，在燒制過程中和之后，所述桿的膨脹不再對(duì)圍繞桿的陶瓷材料施加可能導(dǎo)致裂紋的機(jī)械應(yīng)力。
[0062]在之前的方案中，會(huì)發(fā)現(xiàn)凹槽中經(jīng)常出現(xiàn)裂紋。這是由于，凹槽比芯本體薄，阻止桿的內(nèi)部膨脹所產(chǎn)生的裂紋主要出現(xiàn)在凹槽中。
[0063]當(dāng)桿由例如清漆的材料浸潰時(shí)，在圖2中具體顯示的可能產(chǎn)生的裂紋不再出現(xiàn)。由于在預(yù)先步驟中，桿被易燃物質(zhì)所涂層，因此，不再需要在芯部凹槽的表面形成一個(gè)加厚部。
[0064]優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明所述的方法的步驟依次執(zhí)行。但是在一個(gè)實(shí)施方式中，可以想到的是，在桿被放在模具之后才進(jìn)行每根桿的涂層步驟。另一方面，必然的是，如果要本發(fā)明方法能夠順利地實(shí)施，成型和燒制的步驟應(yīng)該依次操作。
[0065]在根據(jù)本發(fā)明的涂布步驟中，與清漆具有近似等同性質(zhì)的其他產(chǎn)品可以作為替代
品O
[0066]本發(fā)明使用的所有產(chǎn)品能夠沉積成薄層，例如百分之幾毫米。這些應(yīng)用到所述桿上的產(chǎn)品在氧化鋁桿膨脹之前必須通過燒制來(lái)去除。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)先實(shí)施方式中，用于所述桿并作為涂層使用的產(chǎn)品不應(yīng)留下任何不合要求的化學(xué)剩余物也是重要的。
[0067]下面列舉的每個(gè)產(chǎn)品都有其各自的優(yōu)點(diǎn)，因此，相比依靠所需操作的其他選擇，這些產(chǎn)品是首選的。
[0068]除了清漆，通過制作薄層結(jié)合到所述桿，并且在1000°C以下燃燒不產(chǎn)生任何剩余物的能夠想到產(chǎn)品還包括蠟、樹脂、油漆和/或石墨。
[0069]這些產(chǎn)品具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0070]當(dāng)它們應(yīng)用到桿的表面時(shí)，能夠與桿結(jié)合在一起；
[0071]易于以沉積成薄層的方式應(yīng)用；
[0072]整個(gè)桿的表面能夠覆蓋均勻的沉積物；
[0073]最后，它們都能夠在低于1000°C的溫度下通過燒制去除。
[0074]優(yōu)選地，選擇樹脂以使得當(dāng)燒制芯時(shí)不包括任何能夠污染熔爐的物質(zhì)。
[0075]對(duì)于石墨來(lái)說(shuō)，有利地控制其燃燒，以避免或限制一氧化碳的排放。最后，在燒制階段，可以控制燃燒以能提供一個(gè)充分氧化氣氛的環(huán)境。
[0076]蠟的優(yōu)點(diǎn)之一在于，其在環(huán)境溫度下的可塑性和延展性能夠使得它特別有益于對(duì)桿的涂布，其45°C的熔點(diǎn)在桿膨脹之前釋放了圍繞桿的空間。蠟的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，其融化時(shí)的低粘性使得能夠釋放圍繞桿的空間均勻。
[0077]本發(fā)明所述的方法可以包括陶瓷燒結(jié)和以及在芯被燒制后的樹脂涂覆步驟
[0078]本發(fā)明還涉及一種根據(jù)本發(fā)明方法獲得的陶瓷型芯。根據(jù)本發(fā)明獲得的陶瓷型芯具有的獨(dú)特特征在于，其能夠通過使用桿上涂層有燃點(diǎn)低于氧化鋁的膨脹溫度的材料制得。
[0079]本發(fā)明還涉及到一種包括根據(jù)本發(fā)明方法獲得陶瓷型芯的可移動(dòng)渦輪機(jī)葉片。
【權(quán)利要求】
1.一種用于葉片的陶瓷型芯(10)的制造方法，該陶瓷型芯包括下部件(I)、上部件(2)和一組桿(3);所述下部件(I)形成為芯本體，所述上部件(2)形成為凹槽，并且所述一組桿(3)用于保持所述上部件和所述下部件，其特征在于，所述制造方法包括: 涂布步驟(END)，在該涂層步驟中，所述桿由燃點(diǎn)低于溫度閥值的材料覆蓋，超過該溫度閥值； 定位步驟(POS)，在該定位步驟中，將所述桿在模具中定位； 成型步驟(MOU)，在該成型步驟中，所述上部件和所述下部件通過陶瓷注射成型，該成型的部分因此形成為位于所述模具中的單一部分并且限制出芯的形狀； 燒制步驟(CUI)，在該燒制步驟中，對(duì)所述陶瓷型芯進(jìn)行燒制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1陶瓷型芯的制造方法，其特征在于，所述各步驟按順序依次操作。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的陶瓷型芯制造方法，其特征在于，所述溫度閥值為1000。。。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3的任何一項(xiàng)所述的陶瓷型芯制造方法，其特征在于，預(yù)先定義的所述膨脹的百分比為I %。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任何一項(xiàng)所述的陶瓷型芯制造方法，其特征在于，所述芯的脫模步驟(DEM)先于該芯的所述燒制步驟(CUI)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5的任何一項(xiàng)所述的陶瓷型芯制造方法，其特征在于，每根所述桿可能由所述凹槽包圍的表面均被涂布。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6的任何一項(xiàng)所述的陶瓷型芯制造方法，其特征在于，在所述桿的部分上涂布清漆層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7的任何一項(xiàng)所述的陶瓷型芯制造方法，其特征在于，所述桿的所述涂布包括在每根所述桿的所述表面的一部分上沉積蠟層。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至7的任何一項(xiàng)所述的陶瓷型芯制造方法，其特征在于，所述桿的所述涂布包括在每根所述桿的所述表面的一部分上沉積樹脂層。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至7的任何一項(xiàng)所述的陶瓷型芯制造方法，其特征在于，所有桿的所述涂布包括在每根所述桿的所述表面的一部分上沉積石墨層。
11.用于渦輪機(jī)葉片的陶瓷型芯，其包括下部件(I)、上部件(2)和一組桿(3);所述下部件(I)形成為芯本體，所述上部件(2)形成為凹槽，并且所述一組桿(3)用于將所述上部件和所述下部件彼此保持在一起，其特征在于，所述芯(10)由前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法制造。
12.用于葉輪機(jī)的葉片，其特征在于，所述葉片使用鑄造工藝制造，該鑄造工藝使用根據(jù)權(quán)利要求11所述的陶瓷型芯。
【文檔編號(hào)】B22C21/14GK104039476SQ201280066793
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2012年12月20日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月23日
【發(fā)明者】弗蘭克·埃德蒙德·莫里斯·圖勒, 阿蘭·格蘭丁, 麥丁·莫干馬都阿布達(dá)卡達(dá) 申請(qǐng)人:斯奈克瑪