用来制造陶瓷芯的方法与流程

  本发明涉及铸造领域，更具体地涉及制造用于铸件的陶瓷芯的领域，该芯将被容纳在铸模中，用于在此模具中制造的铸件中形成内腔。

  此芯可具体用于损失模型铸造方法或失蜡铸造方法中。所称的“损失模型”铸造方法或“失蜡”铸造方法自古以来就已知。它们特别适于制造形状复杂的金属零件。因此，失蜡铸造特别用于制造涡轮机叶片。在本文中，术语“涡轮机”用于表示其中可以在流体流和至少一个转子之间传递能量的任何机器，例如压气机、泵、涡轮机、螺旋桨或多个这些元件的组合。术语“叶片”用于覆盖有助于涡轮机中的此能量传递的任何翼型元件，无论是静止的还是旋转的。失蜡铸造对于制造特别有用。

  在失蜡铸造中，第一步骤通常是由具有相对低的熔化温度的可熔材料，例如蜡或树脂，制成一模型。然后将该模型与将要用耐火材料覆盖的铸造树结合以形成一模具。在模具的可熔性材料已经从模具的内部移除或去除之后(因此术语“损失”在这一些方法中得名)，熔融金属被浇注到模具中，以便填充模具中的腔，该腔通过从模具中移除或去除模型而形成。一旦金属冷却和固化，可打开或破坏模具，以回收具有模型形状的金属零件。在本文中使用的术语“金属”不仅包括纯金属，而且尤其包括金属合金。

  为了在通过此铸造方法获得的金属零件内形成复杂的内腔，可以在各模型中结合一个或多个耐火芯。这些耐火芯在可熔材料已被移除之后保留在每个模具内的适当位置，从而能够在模具中制造的铸件内部形成复杂的形状。它们随后可在将该零件从模具中取出时与模具的其余部分一起去除。

  通常，此耐火芯由陶瓷材料制造成并在铸造方法中构成消耗品。为制造它们，已经开发了注塑成型方法，其中将包含陶瓷颗粒和聚合物粘合剂的浆料在压力下注入模具腔中以形成芯，然后对芯进行烧制以使其固结。为了逐渐增强芯在铸造过程中经受的力的能力，该芯在其初始烧制之后在再次第二次烧制之前也可以用树脂浸渍。

  然而，制造此芯时的废品率可相对高，特别是当它们的形状复杂时。这是由于在芯的烧制和随后的冷却过程中产生的内应力，该内应力可在芯的某些临界点中引起开裂。特别是，尤其当其将在涡轮机叶片中形成冷却回路时，芯可具有侧向突起，该侧向突起可然后用于形成通向叶片的外表面的出口通道，尤其形成在叶片的后边缘中的出口槽。在这种情况下，可在至少一个侧向突起的根部处形成裂纹。

  本发明寻求弥补这些缺点。特别地，本公开试图提出一种制造用于铸件的陶瓷芯的方法，使得可避免在芯的至少一个第一侧向突起的根部处形成裂纹。

  在本发明的至少一个实施例中，该目的通过如下事实实现：该方法至少包括以下步骤：将包含陶瓷颗粒和聚合物粘合剂的浆料注入模腔中以与至少一个邻近于所述第一侧向突起的附加的侧向突起一起形成其形状对应于芯的形状的零件的步骤；对该零件进行烧制的步骤；以及在所述烧制步骤之后从该零件中去除所述附加的侧向突起的步骤。

  通过这些措施，在烧制过程中趋向于产生裂纹的内应力可集中在零件的附加的侧向突起上，该附加的侧向突起随后可执行牺牲作用，因为其随后被去除并且不再在成品陶瓷芯上被发现。该芯的第一侧向突起与任何其他相邻的侧向突起一起可随后避免此裂纹的形成，以此来降低废品率。

  为了更好地固结该零件，该方法还可包括在所述烧制步骤之后用树脂浸渍零件的步骤。该浸渍步骤可以在去除附加的侧向突起之前或之后进行。

  为了更好地将零件的内应力集中在附加的侧向突起上，该附加的侧向突起可具有一横截面，该横截面的面积对应于在相同平面内的第一侧向突起的横截面的面积的75％至125％。特别地，该附加的侧向突起可具有平行于该零件的横向轴线的一厚度和/或平行于该零件的纵向轴线的一宽度，该厚度对应于平行于同一横向轴线的第一侧向突起的厚度的90％至110％，该宽度对应于平行于同一纵向轴线的第一侧向突起的宽度的90％至110％。

  芯的形状不仅可具有第一侧向突起，而且还可具有平行于零件的纵向轴线相互间隔开的多个侧向突起，特别是具有随着远离第一侧向突起而减小的横截面。该零件的附加的侧向突起可沿着相同的轴线并且沿着与所述多个侧向突起的其他侧向突起相反的方向与所述第一侧向突起间隔开。在这种情况下，为了更好地将内应力集中在附加的侧向突起上，在零件的附加的侧向突起与第一侧向突起之间的最小距离可是第一侧向突起与所述多个侧向突起中的最靠近的所述侧向突起之间的最小距离的0.7倍至2.5倍，特别是1倍至1.5倍。

  特别是，芯可用于接收在用来制造涡轮机叶片的铸模中，以便在叶片中形成冷却回路，所述第一侧向突起在后边缘中形成出口槽。

  通过阅读通过非限制性例子给出的实施例的以下详细描述，可很好地理解本发明并且其优点将更显而易见。该描述指的是附图，其中：

  图1示出了使用构成本发明的特定实施例的方法制造的陶瓷芯1。陶瓷芯1用于通过失蜡铸造来制造涡轮机叶片2(以虚线，13和14平行于芯1的横向轴线的纵向轴线Z相互偏移。这四个侧向突起11，12，13和14是齿的形式，并且用于在叶片2中形成用于叶片2的冷却回路的后边缘出口槽。

  在制造芯1的第一步骤中，将含有例如由微米尺寸的二氧化硅颗粒构成的陶瓷颗粒的浆料，和用于赋予该浆料所需粘度的聚合物粘合剂的浆料在例如位于5兆帕(MPa)至70MPa的范围5内的高压下注入其形状对应于芯1形状，但加上附加的侧向突起的模腔中。这制造出一中间零件，该中间零件通过在烧制步骤过程中烧结陶瓷颗粒而固结。例如，该烧制步骤可具有在30小时至45小时的范围内的总维持的时间，其中一个稳定状态在80℃，另一个稳定状态在1200℃，以便不仅确保陶瓷颗粒被烧结，而且聚合物粘合剂也被去除。

  以这种方式固结的中间零件10在图2A和2B中示出。如图2A中所示，用于形成芯1的中间零件10具有至少一个附加的侧向突起15，侧向突起15适于在烧制中间零件10之后且在使用芯1之前被去除。因此，在所示的实施例中，除了芯1的四个侧向突起11，12，13和14之外，该中间零件还具有与第一侧向突起11相邻的附加的侧向突起15，在所示的实施例中，第一侧向突起11是该四个侧向突起11，12，13和14中的最靠近叶片2的根部的一个侧向突起。更具体说，附加的侧向突起15与远离其他侧向突起12，13和14的第一侧向突起11间隔开。在零件10上，附加的侧向突起15与第一侧向突起11之间沿着平行于纵向轴线Z的方向的最小距离d0为在第一侧向突起11与随后的侧向突起12之间的最小距离d1的0.7倍至2.5倍的范围内。特别是，距离d0可在距离d1的1倍至1.5倍的范围内。

  图2B示出了在图2A的截面IIB-IIB中的侧向突起15，11，12，13和14的横截面。如该图示意性所示，附加的侧向突起15的横截面的面积s0类似于第一侧向突起11的横截面的面积s1。特别是，面积s0可位于面积s1的75％至125％的范围内。特别是，两个面积s0和s1可大致相等。其他侧突起12，13和14的横截面的面积s2，s3和s4可从第一侧突起11的横截面的面积s1减小，其方式为：s1s2s3s4，或者至少它们全部小于面积s0和s1。

  在所示的实施例中，每个侧向突起15，11，12，13和14均具有大致为矩形的截面。附加的侧向突起15沿着分别与纵向轴线Z平行和与垂直于第一横向轴线X的第二横向轴线Y平行的方向的宽度l0和厚度e0可各自具有一值，该值在第一侧向突起11的相应尺寸l1和e1的90％至110％的范围内。

  由于零件10被烧制和烧结，其收缩，从而在零件10中产生内应力。这些内应力可在附加的侧向突起15的根部处产生裂纹，这因此起到牺牲作用，以避免在第一侧向突起11中或在随后的侧向突起12，13和14中形成裂纹。然而，在随后的步骤中，附加的侧向突起15通过例如机械加工而被去除，以便为零件10提供芯1的最终形状。因此，裂纹与附加的侧向突起15一起被去除。

  在另一个步骤中，这可以在去除附加的侧向突起15之前或优选在其之后进行，可用热固性树脂浸渍零件10，以使其具有更加好的机械性能。

  在这些步骤之后，从陶瓷颗粒和聚合物粘合剂的浆料开始，经过具有附加的侧向突起的零件10，由此获得为其最终形状的陶瓷芯1。

  然后可将所得到的芯1结合到一铸模中，以便在模具中制成的铸件中形成复杂的内部轮廓。

  因此，在失蜡铸造方法中，以这种方式获得的芯1可结合在待制造的金属零件的模型中，该模型使用在相对较低熔化温度下熔融的材料制造成。此种材料可以是例如蜡或树脂。然后，该模型可结合在设计成用耐火材料涂覆的铸造树中，以形成铸模。在从铸模内部移除或去除模型的可熔材料之后，将熔融金属浇铸到模具中，以便在模型已经被移除或去除之后填充在铸模中由模型形成的模腔。一旦金属冷却和固化，就打开或破坏模具，以回收具有模型形状的金属零件。

  虽然本发明参考具体实施例来描述，但是清楚的是，均可对其实施不相同的修正和改变，而不超越由权利要求所限定的本发明的一般范围。因此，说明书和附图在某一种意义上应被视为图示性的而不是限制性的。

  技术研发人员：弗兰克·埃德蒙德·莫里斯·图勒;克劳德·巴尔达萨里;大卫·罗卡泰利;丹尼尔·夸奇;让-路易斯·玛尔斯·维格

  1. 金属材料表面改性技术 2. 超硬陶瓷材料制备与表面硬化 3. 规整纳米材料制备及应用研究

  1.数字信号处理 2.传感器技术及应用 3.机电一体化产品开发 4.机械工程测试技术 5.逆向工程技术研究

  1.精密/超精密加工技术 2.超声波特种加工 3.超声/电火花复合加工 4.超声/激光复合加工 5.复合能量材料表面改性 6.航空航天特种装备研发

  1. 先进材料制备 2. 环境及能源材料的制备及表征 3. 功能涂层的设计及制备 4. 金属基复合材料制备