CN102802834A - 使用柔性蜡模工具的熔模铸造 - Google Patents

Abstract

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）。

Description

使用柔性蜡模工具的熔模铸造

相关申请的交叉参引

本申请要求于2009年12月8号提交的美国临时申请No.61/267,519（代理机构案号2009P22785US）的权益，该申请的全部内容通过参引并入本文。

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***蜡模内。定位线被***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***。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——通常为铝——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***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。

附图说明

以下描述将参照附图对本发明进行详细介绍，附图示出：

图1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1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***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1中总结的那样。

表1

图4A-4H图示了熔模铸造方法的步骤，其中在金属零件表面38中直接铸造出工程表面构形36。在图4A中示出了槽形模具（凹模）40的两个半部，各个半部包含柔性模具镶件（模衬）42a、42b，柔性模具镶件（模衬）42a、42b具有包含期望表面构形的暴露表面。所述的柔性模具镶件可以由母模直接制造而成，该母模通过Tomo工艺或者其他精密工艺形成。图4B示出了槽形模具的半部装配好以作为围绕陶瓷型芯的柔性蜡模工具44，由此限定了符合后续铸造的金属零件46的期望形状的注射腔18。陶瓷型芯的端部——被称作芯头48——延伸成与槽形模具接触以便于相对于槽形模具和柔性模具镶件支撑型芯。然后使用注射工艺用蜡50填充注射腔，如图4C所示。在蜡硬化之后，如图4D所示，移除工具以露出蜡模52，蜡模52在其外表面具有期望的构形。随后使用本领域已知的技术以陶瓷材料涂覆蜡模（制作型壳）以形成填充有蜡的陶瓷铸造容器54，如图4E所示。随后例如通过加热而移除蜡，以产生如图4F所示的铸造容器56。然后将熔融金属合金58浇铸到图4G所示的铸造容器中，并且以破坏性的方式移除陶瓷铸造容器以便露出部件46，部件46具有内部腔60，并且在部件46的表面38上具有一体铸造的工程表面构形36，如图4H所示。

图4A所示的柔性的模具镶件可由Tomo工艺的母模直接获得，如引用的美国专利7,141,812和7,410,606以及7,411,204中所述。可选地，可使用Tomo工艺模具或其他精密母模来形成一个或多个中间模具，所述的中间模具经历下一工艺步骤，其用于修饰并进一步增进表面构形。在一实施方式中使用金属箔的Tomo工艺母模来铸造第一柔性模具，并使用此第一柔性模具来铸造纤维材料的中间模具。然后对中间模具进行喷砂处理以便在模具表面露出一些纤维。然后将第二柔性模具铸造到中间模具中，第二柔性模具将复制露出的纤维的形状作为其表面构形的一部分。然后将第二柔性模具用在图4A中的槽形凹模中。

在最简单的形式中，使用柔性工具在蜡模表面产生坚固结构，该坚固结构通常凹入到蜡模表面中。典型地，它们将具有相对较小的角度和较浅的外形，目的在于在边缘处产生大角度的台阶，从而产生互锁的几何结构并增大与上覆的覆层之界面的表面积。可使用六边形式结构或蜂巢结构。图5示出了这样一种表面62，其被证实在使用上述步骤的蜡模的表面中较坚固。蜡模中的这种表面在熔模铸造中产生了可转移的蜂巢类表面，从而造成周期性粗糙的表面（在宏观范围内），该周期性粗糙的表面形成高度互锁和增大的表面积，用于与上覆的覆层之间的粘结一体性。由表面上的间歇性的涂覆厚度增加，还能够获得额外的益处。

附加的表面工程可导致更大的表面积增加以及互锁，如图6所示，其中六边形形式的边缘被展示为形成嵌齿轮式层64。在0.38毫米和0.66毫米处都已经制造出典型的表面结构深度并证实有效，但是这些深度并不代表最优值且并不意味着局限于此。在大表面角度的区域中（例如翼型的前缘或后缘部分或者或翼型/平台相交部），从表面突出的图案凸起会是有益的。这种凸起能够由第二代柔性模具（即，来自柔性母模的柔性模具复制件）制成。图7示出了由这种模具技术产生的突出的蜡表面图案66。能够工程制造突出的模型以在表面中产生浮雕，从而提高与覆层的机械互锁程度。这在覆层的受到高压的区域特别有用。应当注意，也可以在凹表面结构中产生浮雕。

可以通过非Tomo的表面修饰技术进一步修饰母工具，例如通过喷砂处理、或砂纸打磨、或在表面产生激光生成的微型标记（micro potmark）、或者增加粘结至母工具表面的第二相材料（例如通过诸如环氧基树脂等粘合剂而粘结）。这种材料可非限制性地包括能够随机地或以预定图案施加到表面上的碳化硅微粒或短纤维。表面修饰技术或第二相材料在以下工具表面上制造出随机的表面阵列，所述工具表面可能用于限定柔性模具工具的表面并且可能由第二代的柔性模具工具复制。例如，图8A-8C示出了由母工具制得的蜡模表面68、70和72，该母工具被逐渐修饰出不同程度的复合表面，以产生独特的微观表面结构。在这种情况下，对母工具逐渐进行喷砂处理，基本的Tomo工艺图案被逐渐地侵蚀，使得当从表面68发展到表面72时结构更加圆滑，但是依旧保留Tomo工艺结构的基本形状。这种复合——其与Tomo工艺的能力相结合以产生凹进或凸出的工程表面——显示了该方法的极大的灵活性，以在铸态零件中产生多种类型的工程表面。有利地，本方法容许通过在喷砂处理过的母工具中铸造出的多代柔性镶件来复制喷砂处理过的母工具表面而不需要额外的实际喷砂处理，因此保证了各零件之间的精确复制性。在已经制造出期望的母工具的表面之后，该方法实际上变得对表面修饰工艺的变化变得不敏感，因为由母工具获得的所有产生表面都是相同的。

图9A-9C示出了在熔模铸造零件中产生工程表面的另一实施方式，其中期望的表面光洁度在蜡模制做阶段过于脆弱而不能被有效地转移到型壳覆层74中。这种表面通常是会导致蜡模中的脆弱凸起的表面，这些脆弱凸起在挪动和型壳涂覆中容易被损坏。在本实施方式中，可由Tomo工艺或用其他方式形成消耗式陶瓷镶件76，以具有期望的表面构形36。该消耗式镶件形成柔性注蜡模具16的一部分，如图9A所示，但是此模具镶件在将模具从铸造的蜡模上移除时与模具分离并同蜡模52留在一起，如图9B所示。当用蜡模制做型壳且对型壳74进行热处理时，模具镶件保留为型壳结构的一部分，该型壳结构为铸造容器56限定外部腔壁78，如图9C所示。镶件的内表面包括铸造零件的最终金属表面的期望构形，并且这些细节以更稳固的方式被保留，而其它方法必须通过蜡来转移该构形。该方法可用于保留蜡模中由于脆弱性而其它方法中会被破坏的细节。该方法使其适于模块化，比如当露出的翼型区域——比如翼型的前缘和后缘——需要额外锚固（anchoring）时。这种陶瓷镶件在应用于注蜡工具之前可被局部地热处理。

图10A-10B示出了消耗式镶件80的另一用途，用于在最终的铸造金属零件中限定表面开口通路，比如用于在燃气轮机叶片中形成后缘冷却通路。镶件可由硅石、陶瓷或石英材料制成，并被设计为能安装于匹配的凹部82中，凹部82例如为柔性蜡模模具16中的开槽或开口。镶件、柔性蜡模模具以及型芯10可全部以足够的精度形成，比如用Tomo工艺形成，使得镶件的伸出腿部84抵靠于型芯或与型芯的匹配开口86紧密配合，以在它们之间形成机械界面，如图10A所示。所述的机械界面可以是抵接连接部、凹进连接部或其他配合结构。在柔性蜡模模具被移除之后，镶件仍留在蜡模52中，如图10B所示，并且此镶件在后续的型壳成形过程中与型壳（未示出）成一体。镶件的伸出腿部在铸造金属零件里、在由型芯限定的内部通路与由型壳内表面限定的零件外表面之间产生通路，并且这些伸出腿部还在注蜡步骤以及金属注射步骤期间为型芯提供机械支撑。通过用诸如Tomo工艺的精密工艺来形成柔性蜡模模具的镶件，现在能够制造出带有现有技术先前所无法实现的形状、角度、展弦比、锥度（tapers）、螺线（spirals）等的叶片后缘冷却通路。一个例子为由图10A和10B中的镶件80形成的非线性冷却通道。优选地，镶件包括与部件的表面大致平行地延伸的部分81，从而提高冷却通道的效率。这种类型的几何结构不能通过通常的铸造后机加工过程获得。每个镶件可限定一个冷却通道，或者替代性地，可由形成有梳状设计的镶件83来限定许多冷却通道，如图14所示。

图11示出了带有柔性模具镶件42的槽形模具40的实施方式，其中模具和镶件形成有匹配的对准结构，其简化了将柔性模具镶件安置到槽形凹模中的过程并确保了模具与镶件之间的准确对准。图11示出了使用镶件表面上的梯形凸起88以及槽形凹模上的镜像形状的凹槽90，但本领域的技术人员能够理解，可以使用任何相匹配的形状。使用柔性模具的一个优点为它们的低成本与互换性，并且使用这种对准结构保证了与单个槽形凹模一起使用的多个柔性模具镶件中的每一个都被准确地定位。对柔性镶件的准确定位还保证了当型芯被槽形模具支撑时，镶件被准确地关于型芯对正。

在柔性注蜡模具或模具镶件中可以包裹有多种反应元件。在一个示例中，图11示出了使用填充颗粒92作为用来形成柔性镶件42的模具材料中的反应元件。在模具材料被铸造成模具形状之前、材料还是液态时，填充颗粒与模具材料被混合在一起。颗粒可以为多种材料或材料组合中的任一种，其总体地使模具的模衬具有期望特性。例如，颗粒可被选择成具有期望的导热特性，比如对热能的高传导性，以提高镶件的导热性。在其他实施方式中颗粒可以为绝热的。图11中的填充颗粒中的至少一些颗粒可以是磁性的，且被安装在槽形凹模内的磁体94所吸引，由此将柔性镶件保持在槽形模具内的正确位置。磁体可以为永磁体或电磁体，电磁体进一步便于当它被去激励时将镶件从槽型凹模上释放。在另一实施方式中，在用来铸造柔性模具镶件的母模中使用磁体，使得在模具材料固化的同时、液态模具材料内的颗粒被吸向磁体，从而导致颗粒优先分布在模具的邻近磁体的区域中。

图12示出了作为柔性镶件42内的反应装置96的反应元件的应用。该反应装置在模具材料的铸造过程中被定位在母模内（未示出），以使得反应装置被包裹在模具材料中。本文中使用的术语“反应装置”包括除了模具材料外的、在柔性模具的使用中起到提高模具效果的作用的任意物体或空洞。反应装置的示例包括但不局限于：传感器，比如可用于监控铸造过程的温度传感器或压力传感器；致动器，比如可以用来促进模具材料流遍注射腔的机械振动器；温度调节装置，比如电阻加热器或用于加热或冷却流体通过的流体通路（其可用于在铸造过程中调节温度）等。反应装置可以连接至相关联的***98，比如位于模具材料外部的电路或流体***，或者该装置可以在模具材料内被隔绝，并且对比如询问的射频（RF）信号或声能等远程通信信号作出反应。

如以上在本发明的背景技术中的描述，现有技术中已知将铂线（或销）***到蜡模内以与嵌入的陶瓷型芯相接触。此过程是不安全的，因为将铂线***太多会对陶瓷型芯造成损坏，此损坏直到金属零件被铸造出来之后才能被检测出来，且无法进行铸造后检查。而且，现有技术的铂线在注蜡步骤中不为型芯提供支撑，因为铂线直到铸造蜡之后才被安置就位。本发明设想了结合柔性蜡模模具来使用这种定位线或销，以便为由线提供的支撑提供一定程度的柔性，并且还容许在注蜡步骤之前就将所述线抵靠着陶瓷型芯定位。图13A-13E示出了可如何实现的实施方式。

柔性镶件42形成有表面凹部100，用于容纳诸如圆盘102等可移除的支撑元件，如图13A所示。在其他实施方式中，支撑元件可以呈其他形状。在一实施方式中，柔性镶件和圆盘可由相同材料形成以保证化学和热膨胀匹配性。圆盘形成有孔或开口104，以容纳定位销106，例如已知的铂定位线。本领域的技术人员能够理解，存在很多这种与镶件关联以支撑具体陶瓷型芯设计的圆盘和线。柔性模具可由底部柔性镶件（图示）和顶部柔性镶件（未示出）形成。线、圆盘和镶件被预先组装，然后陶瓷型芯10被定位在柔性模具内以与线的上表面轻微接触。在示出的水平实施方式中，底部镶件形成型芯安放于其上的基座，随后顶部镶件（未示出）在型芯上方下降以形成柔性模具。可提供轻微的指压以便将型芯均衡地预加压到所述线上。在一个实施方式中，形成于圆盘内的孔的直径可以比线的直径小0.005-0.010英寸，以便为线穿过圆盘的移动提供轻微阻力，由此容许线延伸到圆盘中或穿过圆盘达到支撑型芯所必需的程度，但不对型芯材料造成损害。在单柔性镶件设计与多型芯设计一起使用的实施方式中，可以为镶件中存在凹部但不需要线来支撑具体型芯设计的区域设置单纯的圆盘（即没有孔104）。

由图13A可知，定位线在注蜡步骤前就处于与型芯轻微接触的适当位置，因此克服了现有技术中穿过铸造的蜡模对线进行正确定位的问题，还在注蜡时对型芯提供了一定程度的机械支撑。随后如图13B所示那样注射蜡108，并且当蜡已经凝固后，如图13C所示那样移除柔性镶件和定位圆盘，露出蜡模52并留下每根线的一部分110延伸超出蜡模表面112。因为每根线可被定位成在该处大致垂直于型芯表面，所以为了将柔性镶件从线上移除需要多重开模面。圆盘的锥形形状以及与它相匹配的柔性镶件内的凹部有助于镶件从具体型芯所可能使用的多个定位销上移除。能够理解，对于各个模具半部中的线大体相互平行的实施方式中，定位圆盘不是必需的。在这种实施方式中，每个线都可被容纳在直接形成于柔性镶件内的对应孔中。

然后通过已知的沾浸（dipping）工艺在蜡模上形成陶瓷型壳覆层74，以包绕如图13D所示的线的伸出部分。随后将蜡移除以露出包括预定位的型芯支撑线的完整的陶瓷铸造容器56，如图13E所示。

上述的熔模铸造方案描述了用于铸造工业的新的商业模式。现有的商业模式利用非常昂贵、生产周期长并且粗糙的工具、通过快速注射和硬化时间由单一的母工具来形成多个陶瓷铸造容器（以及随后形成铸造金属零件）。与此相反，本文公开的新方案利用更便宜、生产起来更快且更精细的母工具和由母工具获得的中间柔性模具、以慢得多的注射和硬化时间来产生陶瓷铸造容器。由此，该新铸造方案可有利地应用于原型速成和开发测试的应用场合，因为它使得能够比现有技术的方法更快且更便宜地产生同类首个陶瓷铸造容器（和后续制造的铸造金属零件）。通过使用用于待改变的设计特性的可互换的镶件，能够由单一母工具相对容易地制造许多不同的原型设计。此外，新方案可有效地用于大批量生产的应用场合，因为可由同一个母工具铸造多个相同的中间柔性模具，由此容许并行地生产多个陶瓷铸造容器，以达到或超越现有技术方法的生产能力，同时还维持超过现有技术的显著的成本优势。本方案在时间和成本上的节约不仅仅包括降低了制造母工具的成本和工作，还包括消除了现有技术中制造一些设计结构——比如后缘冷却孔或表面粗糙度——所必需的某些金属铸造后处理步骤，因为这种结构可以用本文公开的新方案直接铸造到金属零件中，而它们在现有技术中需要铸造后处理来实现。本发明提供了改善合格品产率的可能性，因为它降低了将定位线紧靠着脆弱的陶瓷型芯放置的风险，并且它还提供了使用高注射压力而不损坏陶瓷型芯的可能性，因为型芯在柔性注蜡模具中以比现有技术的硬性工具所能实现的机械柔顺性更高的机械柔顺性受到支撑。本发明不仅通过柔性模具来制造高精度零件，而且还使得各零件间的精度达到用现有技术中的弯曲成型过程达不到的等级。最后，本方法在提供了这些成本和生产优势的同时，还使得能够铸造迄今为止现有技术的科技能力无法实现的设计结构，因此首次容许部件设计者去生产为实现下一代燃气轮机的设计目标所需要的硬件特性。

虽然本文已展示并描述了本发明的多种实施方式，但明显地，这种实施方式只通过举例的方法被提供。可以做出许多的变型、改变和替代而不背离本文的发明。

Claims (29)

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1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1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1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。

22.一种熔模铸造方法，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***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***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***到所述凹部中；

将销***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。

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