[发明专利]用3D打印来制作混合陶瓷/金属、陶瓷/陶瓷体的方法

说明书

本发明涉及一种产品和通过构建打印模具来制备陶瓷和/或陶瓷混合材料的方法。用三维打印或添加式制造过程制作的打印模具拥有外部几何结构(300，400)和内部几何结构(100，200)两者。

技术领域

本发明大体涉及强化陶瓷或陶瓷复合材料，以及用于通过添加式打印技术制备所述材料、构件和/或结构来的方法，其中复合材料具有内部和外部几何结构两者，并且本发明更特别地涉及使用添加式打印技术来制作复合或混合功能构件的方法。

背景技术

本发明大体涉及使用添加式制造过程来产生强化陶瓷或陶瓷复合材料的方法，诸如(但不限于)陶瓷-陶瓷或陶瓷-金属混合(即，金属陶瓷)材料。

许多现代发动机和下一代涡轮发动机需要具有精微且复杂的几何结构的构件和部件，这需要新型材料和制造技术。一个这种材料包括陶瓷构件和部件，其减少了对于冷却的需要，而且比现代发动机中的传统合金材料轻得多。因而将陶瓷结合到下一代发动机中具有更轻、有化学隋性且非常耐热的优点。但是，也知道陶瓷在剪切和张力方面是弱的，而且在某些应用中使用是过于易碎的。因而，需要开发新的陶瓷复合物和制造这些陶瓷部件的方法。

用于制造发动机部件和构件的传统技术包括费力的熔模或脱腊铸造过程。熔模铸造的一个示例包括制造在燃气涡轮发动机中使用的典型转子叶片。涡轮叶片典型地包括空心翼型件，它具有沿着叶片的跨度延伸的径向沟槽，叶片具有至少一个或多个入口，以在发动机中的运行期间接收加压冷却空气。在叶片中的各种冷却通道之中，包括在前缘和后缘之间设置在翼型件中间的蛇形沟槽。翼型件典型地包括延伸通过叶片的入口，以接收加压冷却空气，入口包括用于增加翼型件的受热侧壁和内部冷却空气之间的热传递的局部结构，诸如短的紊流肋或销。

典型地用高强度超合金金属材料制造这些涡轮叶片包括许多步骤。首先，制造精确陶瓷核心，以适形于希望在涡轮叶片内部的精微冷却通道。还建立精确模具或模子，其限定精确涡轮叶片的3D外表面，包括其翼型件、平台和整体鸠尾件。在两个模具半部的内部组装陶瓷核心，两个模具半部在它们之间形成空间或空隙，空间或空隙限定叶片的最终金属部分。将腊注射到组装好的模具中，以填充空隙和包围封装在其中的陶瓷核心。两个模具半部被分开且从模制腊移除。模制腊具有成精确构造的期望叶片，然后被涂覆陶瓷材料，以形成周围的陶瓷壳。然后，腊熔化且从壳中移除，从而在陶瓷壳和内部陶瓷核心之间留下对应的空隙或空间。然后将熔化金属倒入壳中，以填充其中的空隙，并且再一次封装包含在壳中的陶瓷核心。熔化金属冷却且凝固，并且然后适当地移除外部壳和内部核心，从而留下期望金属涡轮叶片，在金属涡轮叶片中建立内部冷却通道。

然后铸造涡轮叶片可经历额外的铸造后修改，诸如(但不限于)钻削出适当的膜冷却孔排，其通过翼型件的侧壁，这对于提供出口用于在内部引导的冷却空气是合乎需要的，然后冷却空气在燃气涡轮发动机的运行期间在翼型件的外表面上面形成保护冷却空气膜或表层。但是，这些铸造后修改受到限制，并且考虑到涡轮发动机越来越复杂，以及涡轮叶片内部的某些冷却回路的公认效率，需要更复杂和精微的内部几何结构的要求。虽然熔模铸造能够制造这些部件，但使用这些传统制造过程来制造位置精确和精微的内部几何结构变得更加复杂。因此，期望提供一种用于铸造具有复杂内部空隙的三维构件的改进方法。

添加式制造过程通过允许制造合成模型铸件而简化了上面描述的过程。特别地，可用添加式制造技术或3D打印来建立构件的模型。在合成模型的内部铸造核心。然后可从铸造核心中移除合成模型，然后使用铸造核心在其周围铸造真实构件。从真实构件的内部移除核心，真实构件精确地匹配原来的合成模型。此技术有效地建立一次性核心模具(或“DCD”)。美国专利7,413,001描述了此过程的一个应用。

这个DCD技术的直接应用允许本行业使用可结合到下一代发动机中的材料或混合材料的新组合来产生复杂的构件、结构和部件。DCD过程已经展示了成功地通过使用添加式制造方法产生具有以前未实现的几何结构的主模具或DCD或者比以前通过传统熔模铸造过程完成的更高效地产生主模具或DCD来完成这个尝试。