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CN106964759A - 用于使用套芯形成具有内部通路的构件的方法及组件 - Google Patents

用于使用套芯形成具有内部通路的构件的方法及组件 Download PDF

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CN106964759A
CN106964759A CN201611166599.1A CN201611166599A CN106964759A CN 106964759 A CN106964759 A CN 106964759A CN 201611166599 A CN201611166599 A CN 201611166599A CN 106964759 A CN106964759 A CN 106964759A
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CN
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core
mold
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S.F.辛普森
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General Electric Co
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Abstract

本发明涉及用于使用套芯形成具有内部通路的构件的方法及组件。具体而言，一种用于形成具有限定在其中的内部通路(82)的构件(80)的模具组件(301)包括限定其中的模腔(304)的模具(300)，以及关于模具定位的套芯(310)。套芯包括中空结构(320)和内芯(324)，内芯(324)设置在中空结构内且定位成在熔化状态中的构件材料(72)引入模腔且冷却以形成构件时限定构件内的内部通路。套芯还包括设置在中空结构与内芯之间的第一涂层(362)。

Description

用于使用套芯形成具有内部通路的构件的方法及组件
技术领域
本公开内容的领域大体上涉及具有限定在其中的内部通路的构件，且更具体地涉及形成具有衬有涂层的内部通路的这种构件。
背景技术
一些构件需要限定在其中的内部通路，例如，以便执行预期的功能。例如但不作为限制，一些构件(诸如燃气涡轮的热气路构件)受到高温。至少一些这样的构件具有限定在其中的内部通路以接收冷却流体流，使得构件能够更好经受高温。对于另一个示例，但不通过限制，一些构件在与另一个构件的对接处受到摩擦。至少一些这样的构件具有限定在其中的内部通路以接收润滑剂流而便于减小摩擦。
具有限定在其中的内部通路的至少一些已知的构件在涂层施加到限定内部通路上的内壁之后呈现出预期功能的改善性能。例如但不作为限制，一些这样的构件受到氧化和/或腐蚀环境，且内壁的氧化和/或腐蚀不利地改变内部通路的流动特征。对于至少一些这样的构件，阻止氧化和/或腐蚀的内壁上的涂层改善构件的性能和/或可用操作寿命。然而，将此涂层完全和/或均匀施加到某些内部通路(诸如但不限于特征为高度非线性、复杂截面和/或较大长度与直径比的内部通路)可能是困难或成本过高的。
发明内容
一方面，提供了一种用于形成具有限定在其中的内部通路的构件的模具组件。模具组件包括在其中限定模腔的模具，以及关于模具定位的套芯。套芯包括中空结构和内芯，内芯设置在中空结构内且定位成在熔化状态中的构件材料引入模腔且冷却以形成构件时限定构件内的内部通路。套芯还包括设置在中空结构与内芯之间的第一涂层。
另一方面，提供了一种形成具有限定在其中的内部通路的构件的方法。该方法包括关于模具定位套芯。套芯包括中空结构、设置在中空结构内的内芯，以及设置在中空结构与内芯之间的第一涂层。第一涂层由第一涂覆材料形成。该方法还包括将熔化状态中的构件材料引入模腔中，以及冷却腔中的构件材料以形成构件。内芯定位成限定构件内的内部通路，且第一涂覆材料的至少一部分内衬内部通路的至少一部分。
技术方案1. 一种用于形成具有限定在其中的内部通路的构件的模具组件，所述模具组件包括：
限定其中的模腔的模具；以及
关于所述模具定位的套芯，所述套芯包括：
中空结构；
内芯，其设置在所述中空结构内且定位成在熔化状态中的构件材料引入所述模腔且冷却以形成所述构件时限定所述构件内的内部通路；以及
设置在所述中空结构与所述内芯之间的第一涂层。
技术方案2. 根据技术方案1所述的模具组件，其中，所述第一涂层设置在所述中空结构的内部的至少一部分上。
技术方案3. 根据技术方案1所述的模具组件，其中，所述第一涂层由选择成在所述构件形成时改变所述内部通路的性能的第一涂覆材料形成。
技术方案4. 根据技术方案3所述的模具组件，其中，所述第一涂覆材料选自其中一者：(i)氧化抑制材料，(ii)腐蚀抑制材料，(iii)碳沉积抑制材料，(iv)热障材料，(v)水蒸汽阻隔材料，以及(vi)磨损抑制材料。
技术方案5. 根据技术方案1所述的模具组件，其中，所述第一涂层为设置在所述中空结构与所述内芯之间的多个涂层中的一个。
技术方案6. 根据技术方案5所述的模具组件，其中，所述第一涂覆材料选自：(i)氧化抑制材料，(ii)腐蚀抑制材料，(iii)碳沉积抑制材料，(iv)热障材料，(v)水蒸汽阻隔材料，以及(vi)磨损抑制材料，且所述多个涂层中的第二个包括选自其中另一者的第二涂覆材料：(i)氧化抑制材料，(ii)腐蚀抑制材料，(iii)碳沉积抑制材料，(iv)热障材料，(v)水蒸汽阻隔材料，以及(vi)磨损抑制材料。
技术方案7. 根据技术方案5所述的模具组件，其中，所述多个涂层中的第二个包括第二涂覆材料，所述第二涂覆材料包括粘结涂覆材料。
技术方案8. 一种形成具有限定在其中的内部通路的构件的方法，所述方法包括：
关于模具定位套芯，其中所述套芯包括：
中空结构；
设置在所述中空结构内的内芯；以及
设置在所述中空结构与所述内芯之间的第一涂层，所述第一涂层由第一涂覆材料形成；
将熔化状态中的构件材料引入所述模具的腔中；以及
冷却所述腔中的构件材料以形成所述构件，其中所述内芯定位成限定所述构件内的内部通路，且所述第一涂覆材料的至少一部分内衬所述内部通路的至少一部分。
技术方案9. 根据技术方案8所述的方法，其中，定位所述套芯包括定位包括设置在所述中空结构的内部的至少一部分上的所述第一涂层的所述套芯。
技术方案10. 根据技术方案8所述的方法，其中，定位所述套芯包括定位包括选自其中至少一者的所述第一涂覆材料的所述套芯：(i)氧化抑制材料，(ii)腐蚀抑制材料，(iii)碳沉积抑制材料，(iv)热障材料，(v)水蒸汽阻隔材料，以及(vi)磨损抑制材料。
技术方案11. 根据技术方案8所述的方法，其中，定位所述套芯包括定位包括为设置在所述中空结构与所述内芯之间的多个涂层中的一个的所述第一涂层的所述套芯。
技术方案12. 根据技术方案11所述的方法，其中，定位所述套芯还包括定位包括选自其中一者的所述第一涂覆材料的所述套芯：(i)氧化抑制材料，(ii)腐蚀抑制材料，(iii)碳沉积抑制材料，(iv)热障材料，(v)水蒸汽阻隔材料，以及(vi)磨损抑制材料，且所述多个涂层中的第二个由选自其中另一者的第二涂覆材料形成：(i)氧化抑制材料，(ii)腐蚀抑制材料，(iii)碳沉积抑制材料，(iv)热障材料，(v)水蒸汽阻隔材料，以及(vi)磨损抑制材料。
技术方案13. 根据技术方案11所述的方法，其中，定位所述套芯还包括定位包括由粘结涂覆材料形成的所述多个涂层中的第二个的所述套芯。
技术方案14. 根据技术方案8所述的方法，其中，所述方法还包括形成所述套芯。
技术方案15. 根据技术方案14所述的方法，其中，所述内芯由内芯材料形成，且形成所述套芯包括：
将所述第一涂层施加到所述中空结构的内部；以及
向涂覆的中空结构填充所述内芯材料。
技术方案16. 根据技术方案15所述的方法，其中，施加所述第一涂层包括在整体涂覆过程中将所述第一涂层施加到所述中空结构。
技术方案17. 根据技术方案16所述的方法，其中，施加所述第一涂层包括在气相沉积过程和化学气相沉积过程中的至少一者中将所述第一涂层施加到所述中空结构。
技术方案18. 根据技术方案15所述的方法，其中，施加所述第一涂层包括在浆料注入过程和浆料浸渍过程中的至少一者中将所述第一涂层施加到所述中空结构的内部。
技术方案19. 根据技术方案15所述的方法，其中，所述中空结构递增地形成，且施加所述第一涂层包括将所述第一涂层施加到所述中空结构的多个递增部分。
技术方案20. 根据技术方案15所述的方法，其中，施加所述第一涂层包括在增材制造过程中施加所述第一涂层。
技术方案21. 根据技术方案15所述的方法，其中，向涂覆的中空结构填充所述内芯材料包括将所述内芯材料作为浆料注入所述中空结构中。
附图说明
图1为示例性旋转机械的示意图；
图2为用于图1中所示的旋转机械的示例性构件的示意性透视图；
图3为用于制造图2中所示的构件的示例性模具组件的示意性透视图，模具组件包括关于模具定位的套芯；
图4为沿图3中所示的线4-4截取的用于图3中所示的模具组件的示例性套芯的示意性截面图；
图5为沿图3中所示的线4-4截取的用于图3中所示的模具组件的另一个示例性套芯的示意性截面图；
图6为沿图2中所示的线6-6截取的图2的构件的截面；
图7是用于图2中所示的模具组件的中空结构的计算机设计模型的示意性截面；
图8为形成具有限定在其中的内部通路的构件(诸如用于图1中所示的旋转机械的构件)的示例性方法的流程图；以及
图9为从图8的流程图的继续。
零件清单
10 旋转机械
12 进气区段
14 压缩机区段
16 燃烧器区段
18 涡轮区段
20 排气区段
22 转子轴
24 一个燃烧器
36 壳
40 压缩机叶片
42 压缩机定子导叶
70 转子叶片
72 定子导叶
74 压力侧
76 吸力侧
78 构件材料
80 构件
82 内部通路
84 前缘
86 后缘
88 根部端
89 轴线
90 末梢端
92 恒定距离
94 恒定距离
96 叶片长度
100 内壁
300 模具
301 模具组件
302 内壁
304 模腔
306 模具材料
310 套芯
312 末梢部分
314 末梢部分
315 部分
316 根部部分
318 根部部分
320 中空结构
322 第一材料
324 内芯
326 内芯材料
328 壁厚
330 特征宽度
360 内部
362 第一涂层
366 第一涂覆材料
372 第二涂层
376 第二涂覆材料
380 外壁。
具体实施方式
在以下说明书和权利要求中，将参照多个用语，它们应当限定为具有以下意义。
单数形式"一个"、"一种"和"该"包括复数参照，除非上下文清楚地另外指出。
"可选"或"可选地"意思是随后描述的事件或情形可发生或可不发生，且描述包括事件发生的情况以及其不发生的情况。
如本文贯穿说明书和权利要求使用的近似语言可用于修饰可允许在不导致其涉及的基本功能的变化的情况下改变的任何数量表达。因此，由一个或多个诸如"大约"、"大概"和"大致"的用语修饰的值不限于指定的准确值。在至少一些情况中，近似语言可对应于用于测量值的器具的精度。这里贯穿说明书和权利要求，可确定范围极限。这样的范围可组合和/或互换，且包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另外指出。
本文所述的示例性构件和方法克服了与用于形成具有限定在其中的涂覆的内部通路的构件的已知组件和方法相关联的缺点中的至少一些。本文所述的实施例提供了关于模具定位的套芯。套芯包括(i)中空结构、(ii)设置在中空结构内的内芯，以及(iii)设置在中空结构与内芯之间的第一涂层。内芯在模腔内延伸以限定将在模具中形成的构件内的内部通路的位置。第一涂层包括第一涂覆材料。在熔化的构件材料引入模腔中且冷却以形成构件之后，第一涂覆材料的至少一部分内衬内部通路的至少一部分。
图1为具有本公开内容的实施例可用于其的构件的示例性旋转机械10的示意图。在示例性实施例中，旋转机械10为燃气涡轮，其包括进气区段12、在进气区段12下游联接的压缩机区段14、在压缩机区段14下游联接的燃烧器区段16、在燃烧器区段16下游联接的涡轮区段18，以及在涡轮区段18下游联接的排气区段20。大体上管状的壳36至少部分地包围进气区段12、压缩机区段14、燃烧器区段16、涡轮区段18和排气区段20中的一者或多者。在备选实施例中，旋转机械10为形成有如本文所述的内部通路的构件适用于其的任何旋转机械。此外，尽管出于说明目的在旋转机械的背景下描述了本公开内容的实施例，但应当理解的是，本文所述的实施例适用于涉及适合形成有限定在其中的内部通路的构件的任何背景下。
在示例性实施例中，涡轮区段18经由转子轴22联接至压缩机区段14。应当注意的是，如本文使用的用语"联接"不限于构件之间的直接机械、电气和/或通信连接，而是还可包括多个构件之间的间接机械、电气和/或通信连接。
在燃气涡轮10的操作期间，进气区段12将空气朝压缩机区段14导送。压缩机区段14将空气压缩至较高的压力和温度。更具体而言，转子轴22将旋转能赋予到联接至压缩机区段14内的转子轴22的至少一个周向排的压缩机叶片40。在示例性实施例中，在各排压缩机叶片40之前是从壳36沿径向向内延伸的周向排的压缩机定子导叶42，其将空气流引导到压缩机叶片40中。压缩机叶片40的旋转能量增大空气的压力和温度。压缩机区段14朝燃烧器区段16排放压缩空气。
在燃烧器区段16中，压缩空气与燃料混合且点燃以生成朝涡轮区段18导送的燃烧气体。更具体而言，燃烧器区段16包括至少一个燃烧器24，其中燃料(例如，天然气和/或燃料油)喷射到空气流中，且燃料-空气混合物点燃以生成朝涡轮区段18导送的高温燃烧气体。
涡轮区段18将来自燃烧气流的热能转换成机械旋转能。更具体而言，燃烧气体将旋转能赋予到联接至涡轮区段18内的转子轴22的至少一个周向排的转子叶片70。在示例性实施例中，各排转子叶片70之前是从壳36沿径向向内延伸的周向排的涡轮定子导叶72，其将燃烧气体引导到转子叶片70中。转子轴22可联接至负载(未示出)，诸如但不限于发电机和/或机械驱动应用。排出的燃烧气体从涡轮区段18向下游流入排气区段20中。旋转机械10的构件设计为构件80。邻近燃烧气体的通路的构件80在旋转机械10的操作期间受到高温。另外地或备选地，构件80包括适合地形成有限定在其中的内部通路的任何构件。
图2为针对供旋转机械10(图1中所示)使用示出的示例性构件80的示意性透视图。构件80包括由内壁100限定在其中的至少一个内部通路82。例如，冷却流体在旋转机械10的操作期间提供至内部通路82，以便于将构件80保持在热燃烧气体的温度以下。尽管仅示出了一个内部通路82，但应当理解的是，构件80包括如本文所述形成的任何适合数目的内部通路82。
构件80由构件材料78形成。在示例性实施例中，构件材料78为适合的镍基超级合金。在备选实施例中，构件材料78为钴基超级合金、铁基超级合金和钛基超级合金中的至少一者。在其它备选实施例中，构件材料78为允许构件80如本文所述那样形成的任何适合的材料。
在示例性实施例中，构件80为转子叶片70或定子导叶72中的一者。在备选实施例中，构件80为能够形成有如本文所述的内部通路的旋转机械10的另一适合的构件。在还有其它实施例中，构件80为用于适合地形成有限定在其中的内部通路的任何适合的应用的任何构件。
在示例性实施例中，转子叶片70或备选地定子导叶72包括压力侧74和相对的吸力侧76。压力侧74和吸力侧76中的每一个从前缘84延伸至相对的后缘86。此外，转子叶片70或备选地定子导叶72从根部端88延伸至相对的末梢端90以限定叶片长度96。在备选实施例中，转子叶片70或备选地定子导叶72具有能够形成有如本文所述的内部通路的任何适合的构造。
在某些实施例中，叶片长度96为至少大约25.4厘米(cm)(10英寸)。此外，在一些实施例中，叶片长度96为至少大约50.8cm(20英寸)。在特定实施例中，叶片长度96在从大约61cm(24英寸)到大约101.6cm(40英寸)的范围中。在备选实施例中，叶片长度96小于大约25.4cm(10英寸)。例如，在一些实施例中，叶片长度96在从大约2.54cm(1英寸)到大约25.4cm(10英寸)的范围中。在其它备选实施例中，叶片长度96大于大约101.6cm(40英寸)。
在示例性实施例中，内部通路82从根部端88延伸至末梢端90。在备选实施例中，内部通路82以任何适合的方式在构件80内延伸，且延伸至允许内部通路82如本文所述那样形成的任何适合的程度。在某些实施例中，内部通路82是非线性的。例如，构件80形成有沿限定在根部端88与末梢端90之间的轴线89的预先限定的扭转，且内部通路82具有与轴向扭转互补的弯曲形状。在一些实施例中，内部通路82沿内部通路82的长度定位在离压力侧74大致恒定的距离94处。备选地或另外地，构件80的翼弦在根部端88与末梢端90之间渐缩，且内部通路82与渐缩部互补地非线性延伸，使得内部通路82沿内部通路82的长度定位在离后缘86大致恒定的距离92处。在备选实施例中，内部通路82具有与构件80的任何适合的轮廓互补的非线性形状。在其它备选实施例中，内部通路82是非线性的，且并非与构件80的轮廓互补。在一些实施例中，具有非线性形状的内部通路82便于满足构件80的预先选择的冷却标准。在备选实施例中，内部通路82线性地延伸。
在一些实施例中，内部通路82具有大致圆形的截面。在备选实施例中，内部通路82具有大致卵形的截面。在其它备选实施例中，内部通路82具有允许内部通路82如本文所述那样形成的任何适合地定形的截面。此外，在某些实施例中，内部通路82的截面的形状沿内部通路82的长度大致恒定。在备选实施例中，内部通路82的截面的形状以允许内部通路82如本文所述那样形成的任何适合的方式沿内部通路82的长度变化。
图3为用于制造构件80(图2中所示)的模具组件301的示意性透视图。模具组件301包括关于模具300定位的套芯310。图4为沿图3中所示的线4-4截取的套芯310的实施例的示意性截面。参照图2-图4，模具300的内壁302限定模腔304。内壁302限定与构件80的外部形状对应的形状，使得熔化状态中的构件材料78可引入模腔304中且冷却以形成构件80。应当记得的是，尽管示例性实施例中的构件80为转子叶片70或备选地在备选示例性中为定子导叶72，但构件80为可适合地形成有如本文所述的限定在其中的内部通路的任何构件。
套芯310关于模具300定位，使得套芯310的一部分315在模腔304内延伸。套芯310包括由第一材料322形成的中空结构320、设置在中空结构320内且由内芯材料326形成的内芯324，以及设置在中空结构320与内芯324之间且由第一涂覆材料366形成的至少第一涂层362。更具体而言，至少第一涂层326关于中空结构320的中心线沿径向设置在中空结构320与内芯324之间。内芯324定形为限定内部通路82的形状，且定位在模腔304内的套芯310的部分315的内芯324限定构件80内的内部通路82的位置。
中空结构320包括外壁380，其大致沿内芯324的长度包围内芯324。中空结构320的内部360关于外壁380在内部定位，使得内芯324由中空结构320的内部360互补地定形。在某些实施例中，中空结构320限定大体上管状的形状。例如，但不作为限制，中空结构320初始地由大致直的金属管形成，管适合地按需要操纵成非线性形状(诸如弯曲或成角度的形状)以限定内芯324且因此内部通路82的选择的非线性形状。在备选实施例中，中空结构320限定允许内芯324限定如本文描述的内部通路82的形状的任何适合的形状。
在示例性实施例中，中空结构320具有小于内芯324的特征宽度330的壁厚328。特征宽度330在其中限定为具有与内芯324相同的截面面积的圆的直径。在备选实施例中，中空结构320具有并非小于特征宽度330的壁厚328。内芯324的截面的形状在图3和图4中的示例性实施例中为圆形。备选地，内芯324的截面的形状对应于允许内部通路82如本文所述起作用的内部通路82的截面的任何适合的形状。
另外在示例性实施例中，第一涂层362设置在中空结构320的内部360的至少一部分上，在中空结构320与内芯324之间。在一些实施例中，如本文将描述的那样，第一涂层材料366选择成在构件80形成之后改变内部通路82的性能。例如，但不作为限制，第一涂覆材料366选择成抑制构件材料78沿内壁100的氧化。另外地或备选地，但不作为限制，第一涂覆材料366选择成抑制构件材料78沿内壁100的腐蚀。另外地或备选地，但不作为限制，第一涂覆材料366选择成抑制碳或构件材料78沿内壁100的沉积。另外地或备选地，但不作为限制，第一涂覆材料366选择成提供沿内壁100的用于构件材料78的热障层。另外地或备选地，但不作为限制，第一涂覆材料366选择成提供沿内壁100的用于构件材料78的水蒸汽阻隔。另外地或备选地，但不作为限制，第一涂覆材料366选择成抑制构件材料78沿内壁100的磨损，诸如但不限于侵蚀。另外地或备选地，第一涂覆材料366选择为提供或便于内部通路82沿内壁100设置时的任何其它选择的特征的任何适合的材料。
在某些实施例中，第一涂层362为设置在中空结构320与内芯324之间的多个涂层中的一者。例如，图5为沿图3中所示的线4-4截取的套芯310的另一个实施例的示意性截面图。在示例性实施例中，套芯310包括设置在中空结构320的内部360的至少一部分上且由第二涂覆材料376形成的至少第二涂层372，以及沿径向设置在第二涂层372与内芯324之间的第一涂层362。在一些实施例中，第一涂层362由选自其中至少一者的第一涂覆材料366形成：(i)氧化抑制材料，(ii)腐蚀抑制材料，(iii)碳沉积抑制材料，(iv)热障材料，(v)水蒸汽阻隔材料，以及(vi)磨损抑制材料，且第二涂覆材料376选自其中另一者：(i)氧化抑制材料，(ii)腐蚀抑制材料，(iii)碳沉积抑制材料，(iv)热障材料，(v)水蒸汽阻隔材料，以及(vi)磨损抑制材料。在备选实施例中，第二涂覆材料376为粘结涂覆材料，其便于将第一涂覆材料366粘结到第一材料322和构件材料78中的至少一者。在其它备选实施例中，第二涂覆材料376为允许套芯310如本文所述起作用的任何适合的材料。
参照图2-图5，模具300由模具材料306形成。在示例性实施例中，模具材料306为选择成经得起与用于形成构件80的构件材料78的熔化状态相关联的高温环境的耐火陶瓷材料。在备选实施例中，模具材料306为允许构件80如本文所述形成的任何适合的材料。此外，在示例性实施例中，模具300由适合的熔模铸造过程形成。例如，但不作为限制，适合的模型材料(诸如蜡)注入适合的型模中以形成构件80的模型(未示出)，模型重复地浸入模具材料306的浆料中，其容许硬化以产生模具材料306的外壳，且外壳脱蜡且烧制以形成模具300。在备选实施例中，模具300由允许模具300如本文所述起作用的任何适合的方法形成。
在某些实施例中，套芯310相对于模具300固定，使得套芯310在形成构件80的过程期间相对于模具300保持固定。例如，套芯310固定，使得套芯310的位置在熔化的构件材料78引入套芯310周围的模腔304期间不会移位。在一些实施例中，套芯310直接地联接至模具300。例如，在示例性实施例中，套芯310的末梢部分312刚性地包围在模具300的末梢部分314中。另外地或备选地，套芯310的根部部分316刚性地包围在与末梢部分314相对的模具300的根部部分318中。例如，但不作为限制，模具300由上文所述的熔模铸造形成，且套芯310牢固地联接至适合的型模，使得末梢部分312和根部部分316延伸到型模外，同时部分315在模具的腔内延伸。模型材料在套芯310周围注入模具中，使得部分315在模型内延伸。熔模铸造引起模具300包围末梢部分312和/或根部部分316。另外地或备选地，套芯310以允许套芯310相对于模具300的位置在形成构件80的过程期间保持固定的任何其它适合的方式相对于模具300固定。
第一材料322选择成可由熔化的构件材料78至少部分地吸收。在某些实施例中，构件材料78为合金，且第一材料322为合金的至少一种组成材料。例如，在示例性实施例中，构件材料78为镍基超级合金，且第一材料322大致为镍，使得在熔化状态中的构件材料78引入模腔304中时，第一材料322大致由构件材料78吸收。在备选实施例中，构件材料78为任何适合的合金，且第一材料322为可至少部分地由熔化的合金吸收的至少一种材料。例如，构件材料78为钴基超级合金，且第一材料322大致为钴。对于另一个示例，构件材料78为铁基超级合金，且第一材料322大致为铁。对于另一个示例，构件材料78为钛基超级合金，且第一材料322大致为钛。
在某些实施例中，壁厚328足够薄，使得在熔化状态中的构件材料78引入模腔304中时，套芯310的部分315的第一材料322(即，在模腔304内延伸的部分)大致由构件材料78吸收。例如，在一些这样的实施例中，第一材料322大致由构件材料78吸收，使得在构件材料78冷却之后，没有离散的边界由构件材料78描绘中空结构320。此外，在一些这样的实施例中，第一材料322大致吸收，使得在构件材料78冷却之后，第一材料322在构件材料78内大致均匀地分布。例如，内芯324附近的第一材料322的浓度并非可探测地高于构件80的其它位置处的第一材料322的浓度。例如而不带有限制性，第一材料322为镍，且构件材料78为镍基超级合金，且在构件材料78冷却之后，无可探测到的较高镍浓度留在内芯324附近，导致了贯穿形成的构件80的镍基超级合金的大致均匀的镍的分布。
在备选实施例中，壁厚328选择成使得第一材料322并非大致由构件材料78吸收。例如，在一些实施例中，在构件材料78冷却之后，第一材料322并非大致均匀地分布在构件材料78内。例如，内芯324附近的第一材料322的浓度可探测地高于构件80的其它位置处的第一材料322的浓度。在一些这样的实施例中，第一材料322由构件材料78部分地吸收，使得在构件材料78冷却之后，离散的边界由构件材料78描绘中空结构320。此外，在一些这样的实施例中，第一材料322由构件材料78部分地吸收，使得内芯324附近的中空结构320的至少一部分在构件材料78冷却之后保持完好。
在一些实施例中，当熔化状态中的构件材料78引入模腔304中时，第一涂覆材料366也至少部分地由构件材料78吸收。在一些这样的实施例中，第一涂层362的厚度选择成使得内芯324附近的第一涂覆材料366的浓度可探测地高于构件80的其它位置处的第一涂覆材料366的浓度。因此，在内芯324从构件80除去以形成内部通路82之后，内壁100附近的第一涂覆材料366的浓度可探测地高于构件80的其它位置处的第一涂覆材料366的浓度。此外，在一些这样的实施例中，第一涂覆材料366的至少一部分内衬限定内部通路82的内壁100的至少一部分。
例如，图6为沿图2中所示的线6-6截取的构件80的截面，且示意性地示出了内壁100附近的第一涂覆材料366的梯度分布。在一些这样的实施例中，内壁100附近的第一涂覆材料366的浓度是足够的，使得第一涂覆材料366的至少一部分内衬限定内部通路82的内壁100的至少一部分。例如，内壁100附近的第一涂覆材料366的浓度足以沿内壁100形成与第一涂覆材料366相关联的材料特征。因此，套芯310的第一涂层362在构件80的铸造期间将第一涂覆材料366有效地施加到内部通路82。
此外，在第一涂层362为套芯310的多个涂层中的一个的某些实施例中，额外的涂层材料(诸如但不限于第二涂覆材料376)以类似方式分布在内壁100附近。例如，内壁100附近的第二涂覆材料376的浓度是足够的，使得第二涂覆材料376的至少一部分内衬限定内部通路82的内壁100的至少一部分。作为另一个示例，第二涂覆材料376为粘结涂覆材料，且内壁100附近的第二涂覆材料376的浓度足以将第一涂覆材料366粘结至内壁100附近的构件材料78和/或第一材料322。
此外，又参照图2-图5，在一些实施例中，第一涂层362由构件材料78部分地吸收，使得在构件材料78冷却之后，离散的边界从构件材料78描绘第一涂覆材料366。此外，在一些这样的实施例中，第一涂层362由构件材料78部分地吸收，使得内芯324附近的第一涂层362的至少一部分在构件材料78冷却之后保持完好。因此，在内芯324从构件80除去以形成内部通路82之后，第一涂覆材料366的至少一部分内衬内壁100的至少一部分。再次，套芯310的第一涂层362在构件80的铸造期间将第一涂覆材料366有效地施加至内部通路82。
此外，在第一涂层362为套芯310的多个涂层中的一个的某些实施例中，额外的涂层材料(诸如但不限于第二涂覆材料376)由离散的边界描绘，且/或以类似方式在内壁100附近保持完好。例如，第二涂覆材料376为粘结涂覆材料，且保持完好的第二涂层372的一部分将第一涂覆材料366粘结至内壁100附近的构件材料78和/或第一材料322。
在示例性实施例中，内芯材料326为选择成经得起与用于形成构件80的构件材料78的熔化状态相关联的高温环境的耐火陶瓷材料。例如，但不带有限制性，内芯材料326包括二氧化硅、氧化铝和多铝红柱石中的至少一者。此外，在示例性实施例中，内芯材料326选择性地从构件80除去以形成内部通路82。例如但不作为限制，内芯材料326通过大致不会使构件材料78退化的适合的过程从构件80除去，诸如但不限于适合的化学浸出过程。在某些实施例中，内芯材料326基于与构件材料78的相容性和/或可除去性来选择。在备选实施例中，内芯材料326为允许构件80如本文所述形成的任何适合的材料。
在一些实施例中，套芯310通过将至少第一涂层362施加到中空结构320的内部360，且然后向涂覆的中空结构320填充内芯材料326来形成。例如，在某些实施例中，至少第一涂层362在整体涂覆(bulk coating)过程中施加至中空结构320，诸如但不限于气相沉积过程或化学气相沉积过程。在一些这样的实施例中，中空结构320的外壁380被遮盖，使得仅涂覆中空结构320的内部360。作为备选，外壁380和内部360两者都被涂覆，且外部380上的涂层例如在构件80铸造时扩散到构件材料78中。在一些这样的实施例中，将涂层仅施加到中空结构320允许了使用大量沉积过程，而不需要将构件80的整体定位在沉积室中，遮盖构件80的整个外表面，且/或不必涂覆构件80的较大的外表面区域，从而相比于在构件80形成之后将涂层施加到构件80内的内部通路82减少了施加至少第一涂层362所需的时间和成本。
另外地或备选地，在一些实施例中，至少第一涂层362在浆料注入过程中施加到中空结构320的内部360，诸如但不限于注入包括第一涂覆材料366和/或其前体的浆料到中空结构320中，热处理浆料将以产生第一涂层362，且然后从中空结构320除去剩余浆料。在一些这样的实施例中，将涂层仅施加到中空结构320允许了使用浆料沉积过程而不需要在热处理过程期间连续地定向构件80的整体来产生第一涂层362的一致厚度。
另外地或备选地，在一些实施例中，至少第一涂层362在浆料注入过程中施加到中空结构320的内部360，诸如但不限于将中空结构320的整体浸渍在包括至少第一涂覆材料366和/或其前体的浆料中。在一些这样的实施例中，中空结构320的外壁380被遮盖，使得仅涂覆中空结构320的内部360。备选地，外壁380和内部360两者都涂覆，且外部380上的涂层例如在构件80铸造时扩散到构件材料78中。
此外，在一些实施例中，中空结构320递增地形成，诸如通过增材制造过程或成随后连接在一起的区段。在一些这样的实施例中，至少第一涂层362使用适合的施加过程施加到中空结构320的递增部分，诸如上文所述的任何施加过程。例如，但不作为限制，使用了浆料注入过程，且对于中空结构320的递增部分的相对较稠的浆料的注入和除去相比于构件80形成之后对构件80内的整个内部通路82的相对较稠的浆料注入和除去更有效，特别地但不仅是对于特征为高度非线性、复杂截面和/或较大长度与直径比的内部通路82。
另外地或备选地，在一些实施例中，至少第一涂层362在增材制造过程中整体地施加到中空结构320的内部360。例如，还参照图7，具有施加到其上的至少第一涂层362的中空结构320的计算机设计模型在第一端350与第二端352之间分成一系列薄的平行平面，使得限定了第一材料322和第一涂覆材料366在各个平面内的分布。计算机数字控制(CNC)机器根据模型切片从第一端350至第二端352沉积第一材料322和第一涂覆材料366的连续层以形成中空结构320。例如，增材制造过程适合地构造成用于多种金属材料和/或金属与陶瓷材料中的各种的交错沉积，且交错沉积根据计算机设计模型适当地控制以产生各层中的第一材料322和第一涂覆材料366的限定分布。三个这样代表性的层表示为层364、368和370。在一些实施例中，分别包括第一材料322和第一涂覆材料366的连续层使用直接金属激光熔化(DMLM)过程、直接金属激光烧结(DMLS)过程、选择性激光烧结(SLS)过程、电子束熔化(EBM)过程、选择性激光熔化过程(SLM)和机器人铸造挤出类型的增材过程中的至少一者沉积。另外地或备选地，第一材料322和第一涂覆材料366的连续层使用允许中空结构320如本文所述形成的任何适合的过程沉积。
在一些实施例中，中空结构320和第一涂层362由增材制造过程形成允许了中空结构320形成带有第一涂覆材料366的均匀且可重复的分布，其由施加第一涂层362到中空结构320的其它方法产生将困难且/或相对更昂贵。对应地，由增材制造过程形成中空结构320允许了构件80形成带有内壁100(例如，如图6中所示)附近的第一涂覆材料366的主要分布，其在构件80在模具300中初始形成之后在单独的过程中施加到内部通路82将困难且/或相对更昂贵。
在备选实施例中，至少第一涂层362以允许套芯310如本文所述起作用的任何其它适合的方式施加到中空结构320。此外，在第一涂层362为套芯310的多个涂层中的一个的某些实施例中，额外的涂层(诸如但不限于第二涂层372)以上文针对第一涂层362所述的任何过程且/或以允许套芯310如本文所述起作用的任何其它适合的方式施加到中空结构320。
在至少第一涂层362施加到中空结构320之后，在一些实施例中，内芯材料326作为浆料注入中空结构320中，且内芯材料326在中空结构320内干燥以形成套芯310。此外，在某些实施例中，中心结构320大致在结构上增强内芯324，因此减少了一些实施例中的将与形成构件80的未增强的内芯324的生产、处理和使用相关联的潜在问题。例如，在某些实施例中，内芯324是受到破裂、开裂和/或其它破坏的相对高风险的相对脆的陶瓷材料。因此，在一些这样的实施例中，相比于使用无护套的内芯324，形成和输送套芯310对内芯324呈现出低得多的破坏风险。类似地，在一些这样的实施例中，围绕将用于模具300的熔模铸造的套芯310形成适合的模型，诸如通过将蜡模型材料围绕套芯310注入型模中，相比于使用无护套的内芯324，呈现出对内芯324低得多的破坏风险。因此，在某些实施例中，相比于如果使用无护套的内芯324而非套芯310执行的相同步骤，使用套芯310呈现出低得多的失效风险以产生具有限定在其中的内部通路82的可接受的构件80。因此，套芯310便于获得与使内芯324关于模具300定位相关联的优点以限定内部通路82，同时减少或消除与内芯324相关联的易碎性问题。
例如，在某些实施例中，诸如但不限于其中构件80为转子叶片70的实施例，内芯324的特征宽度330在从大约0.050cm(0.020英寸)到大约1.016cm(0.400英寸)的范围内，且中空结构320的壁厚328选择成在从大约0.013cm(0.005英寸)到大约0.254(0.100英寸)的范围内。更具体而言，在一些这样的实施例中，特征宽度330在从大约0.102cm(0.040英寸)到大约0.508cm(0.200英寸)的范围内，且壁厚328选择成在从大约0.013cm(0.005英寸)到大约0.038cm(0.015英寸)的范围内。作为另一个示例，在一些实施例中，诸如但不限于构件80为静止构件(诸如但不限于定子导叶72)的实施例，内芯324的特征宽度330大于大约1.016cm(0.400英寸)，且/或壁厚328选择成大于大约0.254cm(0.100英寸)。在备选实施例中，特征宽度330为允许所得的内部通路82执行其预期功能的任何适合的值，且壁厚328选择成允许套芯310如本文所述起作用的任何适合的值。
此外，在某些实施例中，在将内芯材料326引入中空结构320内以形成套芯310之前，中空结构320预成型为对应于内部通路82的选择的非线性形状。例如，第一材料322为在填充内芯材料326之前相对容易定形的金属材料，因此减少或消除了将内芯324单独地形成和/或加工成非线性形状的需要。此外，在一些这样的实施例中，由中空结构320提供的结构增强允许了非线性形状(其将难以作为无护套的内芯324形成和处理)的内芯324的随后形成和处理。因此，套芯310便于具有增大复杂性的弯曲和/或其它非线性形状且/或带有减少的时间和成本的内部通路82的形成。在某些实施例中，中空结构320预成型以对应于与构件80的轮廓互补的内部通路82的非线性形状。例如，但不作为限制，如上文所述，构件80为转子叶片70和定子导叶72中的一者，且中空结构320以与构件80的轴向扭转和渐缩中的至少一者互补的形状预成型。
图8和图9中的流程图中示出了形成具有限定在其中的内部通路(诸如内部通路82)的构件(诸如构件80)的示例性方法700。还参照图1-图6，示例性方法700包括关于模具(诸如模具300)定位702套芯，诸如套芯310。套芯包括中空结构(诸如中空结构320)，以及设置在中空结构内的内芯(诸如内芯324)。套芯还包括设置在中空结构与内芯之间的第一涂层(诸如第一涂层362)。第一涂层由第一涂覆材料(诸如第一涂覆材料366)形成。方法700还包括将熔化状态中的构件材料(诸如构件材料78)引入704模腔(诸如模腔304)中，以及冷却706腔中的构件材料以形成构件。内芯定位成限定构件内的内部通路，且第一涂覆材料的至少一部分内衬内部通路的至少一部分。
在一些实施例中，定位702套芯的步骤包括定位708套芯，套芯包括设置在中空结构的内部(诸如内部360)的至少一部分上的第一涂层。
在某些实施例中，定位702套芯的步骤包括定位710套芯，套芯包括选自其中一者的第一涂覆材料：(i)氧化抑制材料，(ii)腐蚀抑制材料，(iii)碳沉积抑制材料，(iv)热障材料，(v)水蒸汽阻隔材料，以及(vi)磨损抑制材料。
在一些实施例中，定位702套芯的步骤包括定位712套芯，套芯包括第一涂层，其为设置在中空结构与内芯之间的多个涂层中的一个。在一些这样的实施例中，定位712套芯的步骤包括定位714套芯，套芯包括选自其中一者的第一涂覆材料：(i)氧化抑制材料，(ii)腐蚀抑制材料，(iii)碳沉积抑制材料，(iv)热障材料，(v)水蒸汽阻隔材料，以及(vi)磨损抑制材料，且该多个涂层中的第二个(诸如第二涂层372)由选自其中另一者的第二涂覆材料(诸如第二涂覆材料376)形成：(i)氧化抑制材料，(ii)腐蚀抑制材料，(iii)碳沉积抑制材料，(iv)热障材料，(v)水蒸汽阻隔材料，以及(vi)磨损抑制材料。备选地，定位712套芯的步骤包括定位716套芯，套芯包括由第二涂覆材料形成的第二涂层，第二涂覆材料包括粘结涂覆材料。
在某些实施例中，方法700还包括形成718套芯。在一些这样的实施例中，内芯由内芯材料(诸如内芯材料326)形成，且形成718套芯的步骤包括将第一涂层施加到中空结构的内部(诸如内部360)，以及向涂覆的中空结构填充722内芯材料。
在某些实施例中，施加720第一涂层的步骤包括在整体涂覆过程中将第一涂层施加724到中空结构。在一些这样的实施例中，施加724第一涂层的步骤包括在气相沉积过程和化学气相沉积过程中的至少一者中将第一涂层施加726到中空结构。
在某些实施例中，施加720第一涂层的步骤包括在浆料注入过程和浆料浸渍过程中的一者中将第一涂层728施加到中空结构的内部。
在一些实施例中，中空结构递增地形成，且施加728第一涂层的步骤包括将第一涂层施加730到中空结构的多个递增部分。
在某些实施例中，施加720第一涂层的步骤包括在增材制造过程中将第一涂层施加732到中空结构的内部。
在一些实施例中，向涂覆的中空结构填充722内芯材料的步骤包括将内芯材料作为浆料注入734中空结构中。
本文所述的示例性构件和方法克服了与用于形成具有限定在其中的涂覆的内部通路的构件的已知组件和方法相关联的缺点中的至少一些。本文所述的实施例提供了关于模具定位的套芯。套芯包括(i)中空结构、(ii)设置在中空结构内的内芯，以及(iii)设置在中空结构与内芯之间的第一涂层。第一涂层包括第一涂覆材料，且第一涂覆材料的至少一部分在熔化的构件材料引入模腔中且冷却以形成构件之后内衬内部通路的至少一部分。
上述套芯提供了用于形成具有限定在其中的涂覆的内部通路的构件的成本效益合算的方法，尤其但不限于特征为高度非线性、复杂截面和/或大长度与直径比的内部通路。具体而言，套芯包括(i)中空结构、(ii)设置在中空结构内的内芯，以及(iii)设置在中空结构与内芯之间的第一涂层。内芯在模腔内延伸以限定将在模具中形成的构件内的内部通路的位置。在熔化的构件材料引入模腔中以形成构件之后，第一涂覆材料的至少一部分内衬内部通路的至少一部分。因此，在铸造构件时，形成为套芯的一部分的第一涂层将第一涂覆材料有效地施加到内部通路。
另外具体而言，在某些实施例中，形成为套芯的一部分的第一涂层允许涂层在大量沉积过程中施加，而不需要将构件的整体定位在沉积室中、遮盖构件的整个外表面，和/或不必涂覆构件的大的外表面区域，因此相比于在构件形成之后将涂层施加到构件内的内部通路，减少了施加涂层所需的时间和成本。备选地，在一些实施例中，形成为套芯的一部分的第一涂层允许在浆料沉积过程中施加涂层而不需要在热处理过程期间连续地定向构件的整体来产生一致的涂层厚度。
本文所述的方法、系统和设备的示例性技术效果包括以下至少一者：(a)减少或消除了与用于形成具有限定在其中的内部通路的构件的芯的形成、处理、运输和/或储存相关联的易碎性问题；(b)允许了使用相比于用于形成构件的内部通路的常规芯更长、更重、更薄和/或更复杂的芯；以及(c)允许内部通路的涂覆，尤其但不限于特征为高度非线性、复杂截面和/或较大长度与直径比的内部通路，提高了一致性且/或降低了成本。
上文详细描述了套芯的示例性实施例。套芯和使用此套芯的方法和系统不限于本文所述的特定实施例，相反，系统的构件和/或方法的步骤可与本文所述的其它构件和/或步骤独立地且单独地使用。例如，示例性实施例可结合目前构造成在模具组件内使用芯的许多其它应用来实施和使用。
尽管本公开内容的各种实施例的特定特征可在一些图中示出且在其它图中未示出，但这仅是为了方便。根据本公开内容的原理，图的任何特征可与任何其它图的任何特征组合来参照和/或请求保护。
该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包含的方法。本公开内容可申请专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有不与权利要求的字面语言不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构要素，则意在使这些其它示例处于权利要求的范围内。

Claims (10)

1. 一种用于形成具有限定在其中的内部通路(82)的构件(80)的模具组件(301)，所述模具组件包括：
限定其中的模腔(304)的模具(300)；以及
关于所述模具定位的套芯(310)，所述套芯包括：
中空结构(320)；
内芯(324)，其设置在所述中空结构内且定位成在熔化状态中的构件材料(78)引入所述腔且冷却以形成所述构件时限定所述构件内的内部通路，以及
设置在所述中空结构与所述内芯之间的第一涂层(362)。
2.根据权利要求1所述的模具组件，其特征在于，所述第一涂层设置在所述中空结构的内部(360)的至少一部分上。
3.根据权利要求1所述的模具组件，其特征在于，所述第一涂层由选择成在所述构件形成时改变所述内部通路的性能的第一涂覆材料(366)形成。
4.根据权利要求3所述的模具组件，其特征在于，所述第一涂覆材料(366)选自其中一者：(i)氧化抑制材料，(ii)腐蚀抑制材料，(iii)碳沉积抑制材料，(iv)热障材料，(v)水蒸汽阻隔材料，以及(vi)磨损抑制材料。
5.一种形成具有限定在其中的内部通路(82)的构件(80)的方法(700)，所述方法包括：
关于模具(300)定位(702)套芯(310)，其中所述套芯包括：
中空结构(320)；
设置在所述中空结构内的内芯(324)；以及
设置在所述中空结构与所述内芯之间的第一涂层(362)，所述第一涂层由第一涂覆材料(362)形成；
将熔化状态中的构件材料(78)引入(704)所述模具的腔(304)中；以及
冷却(706)所述腔中的构件材料以形成所述构件，其中所述内芯定位成限定所述构件内的内部通路，且所述第一涂覆材料的至少一部分内衬所述内部通路的至少一部分。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，定位(702)所述套芯包括定位(708)包括设置在所述中空结构的内部(360)的至少一部分上的所述第一涂层的所述套芯。
7. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述内芯由内芯材料(326)形成，所述方法还包括通过以下形成(718)所述套芯：
将所述第一涂层施加(720)到所述中空结构的内部(360)；以及
向涂覆的中空结构填充(722)所述内芯材料。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，施加(720)所述第一涂层包括在整体涂覆过程中将所述第一涂层施加(724)到所述中空结构。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，施加(720)所述第一涂层包括在浆料注入过程和浆料浸渍过程中的至少一者中将所述第一涂层施加(728)到所述中空结构的内部。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，施加(720)所述第一涂层包括在增材制造过程中施加(732)所述第一涂层。
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