具有雷射熔覆的部件以及製造方法
2023-05-05 07:14:11
專利名稱：具有雷射熔覆的部件以及製造方法
技術領域：
本發明大體涉及燃氣渦輪發動機，更確切地說，涉及燃氣渦輪發動機中的微通道冷卻。
背景技術：
在燃氣渦輪發動機中，空氣在壓縮機中壓縮，隨後在燃燒室中與燃料混合，以生成熱燃燒氣體。從高壓渦輪機(HPT)中的氣體中獲得的能量可驅動壓縮機，從低壓渦輪機(LPT)中的氣體中獲得的能量可驅動渦輪風扇式飛機發動機應用中的風扇，或可驅動船舶和工業應用中的外軸。發動機效率隨燃燒氣體溫度的升高而增加。但是，燃燒氣體會沿著其流路加熱多個部件，因此，需要進行冷卻以延長發動機的壽命。通常情況下，熱氣路徑部件由從壓縮機中排出的空氣進行冷卻。由於排出的空氣並未用於燃燒過程中，因此，該冷卻過程降低了發動機效率。燃氣渦輪發動機冷卻技術已較為成熟，且包括針對各種熱氣路徑部件中冷卻迴路和特徵的各個方面的多項專利。例如，燃燒室包括徑向外部和內部襯套(liner)，所述襯套在操作過程中需要冷卻。潤輪機噴嘴包括支撐在外帶(outer band)與內帶(inner band)之間的中空輪葉，所述中空輪葉也需要進行冷卻。渦輪機轉子葉片是中空的，其中通常包括冷卻迴路，且葉片由渦輪機防護罩環繞，所述葉片同樣需要進行冷卻。熱燃燒氣體經由排氣裝置排出，所述排氣裝置也可設有襯套且進行適當的冷卻。在所有此類示例性燃氣渦輪發動機部件中，通常使用由高強度超合金(superalloy)金屬構成的薄壁來降低部件重量，並最小化此類部件的冷卻需求。各種冷卻迴路和特徵可針對在發動機中處於相應環境中的這些單獨部件進行適當調整。例如，可在熱氣路徑部件中形成一系列內部冷卻通道，或蛇形通道(serpentines)。冷卻流體可從增壓室(plenum)提供給蛇形通道，且所述冷卻流體可流過所述通道，從而冷卻熱氣路徑部件的基底和任何相關的塗層。但是，這種冷卻策略通常導致傳熱速率相對較低，且部件溫度分布不均。通過使冷卻儘可能接近受熱區域，微通道冷卻可能顯著降低冷卻需求，從而在傳熱速率給定的情況下，降低主承載基底材料的熱側與冷測之間的溫差。除了冷卻網絡之外，熱氣部件還通常塗有各種保護塗層以增加使用壽命。例如，結構塗層、粘結層和熱障塗層可用來保護部件免受熱應力和機械應力。最初的結構塗層可包括熱等離子體噴塗或等離子體沉積合金。然而，熱噴塗塗層尤其並不完全緻密，且目前並不用於對渦輪翼型片中的微冷卻通道進行塗覆以徹底橋接通道開口，因而對耐久性構成風險。因此，需要提供一種更強的覆蓋材料和工藝，以提高對微通道冷卻基底的粘結
發明內容
本發明的一方面在於一種製造方法，所述製造方法包括使用研磨液射流(abrasive liquid jet),以在基底的外表面中形成一個或多個凹槽(groove)。每個凹槽具有底部和開口，並且至少部分的沿所述基底的所述外表面延伸。所述基底具有內表面，該內表面設有至少一個中空的內部空間。所述製造方法進一步包括使用雷射熔覆(laserclad)工藝以將雷射熔覆材料塗在相應凹槽的開口上，以便至少部分構成一個或多個通道，以用於對部件進行冷卻；以及將塗層置於所述基底的所述外表面的至少一部分上以及所述雷射熔覆材料上。本發明的另一方面在於一種製造方法，所述製造方法包括在基底的外表面中形成一個或多個凹槽。每個凹槽具有開口，並且至少部分的沿所述基底的所述外表面延伸。所述基底具有內表面，該內表面設有至少一個中空的內部空間。所述製造方法進一步包括力口工所述基底的所述外表面，以使相應凹槽附近的表麵塑性變形，從而減少跨過所述開口的距離；以及使用雷射熔覆工藝以將雷射熔覆材料塗到相應一個或多個凹槽的開口上，以便至少部分構成一個或多個通道，以用於對部件進行冷卻。所述製造方法進一步包括將塗層置於所述基底的所述外表面的至少一部分上以及所述雷射熔覆材料上。本發明的又一方面在於一種製造方法，所述製造方法包括將結構塗層的內層沉積在基底的外表面上，從而至少部分的在內部結構塗層中形成一個或多個凹槽。每個凹槽具有開口，並且至少部分的沿部件延伸。所述基底具有內表面，該內表面設有至少一個中空的內部空間。所述製造方法進一步包括使用雷射熔覆工藝以將雷射熔覆材料塗到相應一個或多個凹槽的開口上，以便至少部分構成一個或多個通道，用於對所述部件進行冷卻；以及將所述結構塗層的外層置於所述結構塗層的所述內層的至少一部分上以及所述雷射熔覆材料上。本發明的另一方面在於一種部件，所述部件包括具有外表面和內表面的基底，其中所述內表面設有至少一個中空的內部空間。所述部件進一步包括置於基底表面的至少一部分上的至少一個塗層。所述塗層包括置於所述基底的所述外表面上的內部結構塗層。一個或多個凹槽至少部分的形成於所述內部結構塗層中。每個凹槽至少部分的沿所述部件延伸，並且具有開口。一個或多個出入孔穿過相應凹槽的底部而形成，以使所述凹槽與相應的中空內部空間流體連通。雷射熔覆材料置於相應一個或多個凹槽的開口上，以至少部分構成一個或多個通道，以用於對所述部件進行冷卻。
在參閱附圖來閱讀以下詳細說明後，將更好地理解本發明的這些和其他特徵、方面以及優點，在附圖中，類似的符號代表所有附圖中類似的部分，其中圖1為燃氣渦輪機系統的示意圖；圖2為根據本發明各方面的具有冷卻通道的示例性翼型配置的截面示意圖；圖3為具有凹形(re-entrant shaped)冷卻通道和置於冷卻通道開口上的雷射熔覆材料的冷卻迴路的一部分的截面示意圖；圖4在透視圖中示意性地描繪三個示例性微通道，所述三個微通道部分的沿基底表面延伸並將冷卻劑引導到相應的薄膜冷卻孔，其中雷射熔覆材料置於冷卻通道的開口上；
圖5為圖4所示的示例性微通道中的一個微通道的截面圖，並圖示微通道將冷卻劑從出入孔輸送到薄膜冷卻孔；圖6示意性地描繪用於形成凹槽以及凹槽排出端處的錐形溢流區(run-outregion)的示例性工具加工路徑(tooling path)；圖7為圖3所示通道中的一個通道的放大圖，其圖示了沉積在凹形凹槽的開口上的雷射熔覆材料；圖8所示為雷射熔覆材料的傾斜塗覆(angled application)；圖9圖示了並未完全密封凹槽開口的雷射熔覆材料；圖10示意性地描繪在後加工表面處理之前且在雷射熔覆之前的示例性凹形冷卻通道；圖11示意性地描繪在將不規則處引入所處理的表面中的後加工表面處理之後且在雷射熔覆之前的圖10的凹形冷卻通道；圖12為在後加工表面處理之前開口大小為Dl的示例性凹形冷卻通道的截面圖；圖13為在後加工表面處理之後開口大小減小到D2的圖12的凹形冷卻通道的截面圖；圖14圖示了凹形通道，其中雷射熔覆材料密封通道且結構塗層、粘結塗層和熱障塗層置於雷射熔覆材料上；圖15圖示了已置於凹槽開口上的雷射熔覆材料，其中基底的表面已刻面於凹槽的邊緣附近；以及圖16圖示了由雷射熔覆材料部分密封的凹形通道，其中通道形成於結構塗層的內層中，且其中多孔槽延伸穿過結構塗層的外層。兀件符號列表
權利要求
1.一種製造方法，包括 使用研磨液射流以在基底的外表面中形成一個或多個凹槽，其中每個凹槽具有底部和開口，並且至少部分的沿所述基底的所述外表面延伸，且其中所述基底具有內表面，所述內表面設有至少一個中空的內部空間； 使用雷射熔覆工藝以將雷射熔覆材料塗在相應一個或多個凹槽的所述開口上，以便至少部分構成一個或多個通道，以用於對部件進行冷卻；以及 將塗層置於所述基底的所述外表面的至少一部分上以及所述雷射熔覆材料上。
2.根據權利要求1所述的製造方法，其中每個凹槽的形成方式為，在所述研磨液射流第一次通過時，以相對於所述基底的表面的側角引導所述研磨液射流，且隨後以大體與所述側角相對的角進行後續的通過，以使每個凹槽在所述凹槽的所述開口處較窄，且因此包括凹形凹槽。
3.根據權利要求2所述的製造方法，其中形成所述凹形凹槽的步驟進一步包括執行至少一次額外的通過，其中以介於所述側角與大體上的對角之間的一個或多個角度而朝向所述凹槽的所述底部引導所述研磨液射流，從而將材料從所述凹槽的所述底部移除。
4.根據權利要求1所述的製造方法，進一步包括穿過所述凹槽中的相應一個凹槽的所述底部形成一個或多個出入孔，以使相應的凹槽與所述至少一個中空的內部空間中的各相應空間流體連通。
5.根據權利要求1所述的製造方法，進一步包括在所述基底的所述外表面中形成所述一個或多個凹槽之前，鑄造所述基底。
6.根據權利要求1所述的製造方法，其中所述基底包括第一材料，且所述雷射熔覆材料通過將雷射應用到包括所述第一材料的粉末而進行塗覆。
7.根據權利要求1所述的製造方法，其中所述基底包括第一材料，且所述雷射熔覆材料通過將雷射應用到粉末狀的第二材料進行塗覆，其中所述第一和第二材料是不同的材料。
8.根據權利要求1所述的製造方法，其中所述雷射熔覆材料密封所述開口。
9.根據權利要求1所述的製造方法，其中所述雷射熔覆材料並不完全密封所述開口。
10.一種製造方法，包括 在基底的外表面中形成一個或多個凹槽，其中每個凹槽具有開口，並且至少部分的沿所述基底的所述外表面延伸，且其中所述基底具有內表面，所述內表面設有至少一個中空的內部空間； 加工所述基底的所述外表面，以使相應凹槽附近的表麵塑性變形，從而減少跨過所述開口的距離； 使用雷射熔覆工藝以將雷射熔覆材料塗在相應一個或多個凹槽的所述開口上，以便至少部分構成一個或多個通道，以用於對部件進行冷卻；以及 將塗層置於所述基底的所述外表面的至少一部分上以及所述雷射熔覆材料上。
11.根據權利要求10所述的方法，其中加工所述基底的所述外表面包括執行以下操作中的一個或多個對所述外表面進行噴丸強化、對所述外表面進行水射流噴丸強化、對所述外表面進行擋板噴丸強化、對所述外表面進行重力噴丸強化、對所述外表面進行超聲噴丸強化、對所述外表面進行拋光、對所述外表面進行低塑性拋光，以及對所述外表面進行雷射衝擊噴丸強化，以使鄰近所述凹槽的所述表麵塑性變形，從而減少跨過所述凹槽的所述開口的所述距離。
12.根據權利要求10所述的製造方法，其中在加工所述基底的所述外表面之前，跨過所述凹槽的所述開口的所述距離在約0. 2到0. 6mm的範圍內，且其中在已加工所述外表面之後，跨過所述凹槽的所述開口的所述距離在約0到0. 4mm的範圍內。
13.根據權利要求10所述的製造方法，其中所述加工在所述基底的所述外表面中引入多個表面不規則處。
14.根據權利要求10所述的製造方法，其中加工所述基底的所述外表面的步驟還刻面於所述凹槽附近的所述外表面。
15.根據權利要求10所述的製造方法，其中所述相應一個或多個凹槽中的每個凹槽在其相應開口處較窄，從而每個凹槽包括凹形凹槽。
16.一種製造方法，包括 將結構塗層的內層沉積在基底的外表面上； 至少部分的在內部結構塗層中形成一個或多個凹槽，其中每個凹槽具有開口並且至少部分的沿部件延伸，且其中所述基底具有內表面，所述內表面設有至少一個中空的內部空間； 使用雷射熔覆工藝以將雷射熔覆材料塗在相應一個或多個凹槽的所述開口上，以便至少部分構成一個或多個通道，以用於對所述部件進行冷卻；以及 將所述結構塗層的外層置於所述結構塗層的所述內層的至少一部分上以及所述雷射熔覆材料上。
17.根據權利要求16所述的製造方法，進一步包括加工所述結構塗層的所述內層的外表面，以使相應凹槽附近的表麵塑性變形，從而減少跨過所述開口的距離，其中在所述雷射熔覆工藝之前執行所述加工。
18.根據權利要求16所述的製造方法，其中所述相應一個或多個凹槽中的每個凹槽在其相應開口處較窄，從而每個凹槽包括凹形凹槽。
19.根據權利要求16所述的製造方法，其中所述結構塗層包括第一材料，且所述雷射熔覆材料通過將雷射應用到包括所述第一材料的粉末而進行塗覆。
20.—種部件，包括 包括外表面和內表面的基底，其中所述內表面設有至少一個中空的內部空間； 置於所述基底的表面的至少一部分上的至少一個塗層，其中所述塗層包括置於所述基底的所述外表面上的內部結構塗層，其中一個或多個凹槽至少部分的形成於所述內部結構塗層中，其中每個凹槽至少部分的沿所述部件延伸並且具有開口，且其中一個或多個出入孔穿過相應凹槽的底部而形成，以使所述凹槽與相應的中空內部空間流體連通；以及 置於相應一個或多個凹槽的所述開口上的雷射熔覆材料，以至少部分構成一個或多個通道，以用於對所述部件進行冷卻。
21.根據權利要求20所述的部件，其中所述相應一個或多個凹槽中的每個凹槽在其相應開口處較窄，從而每個凹槽包括凹形凹槽。
22.根據權利要求20所述的部件，其中所述塗層進一步包括置於所述內部結構塗層上的外部結構塗層，且其中所述結構塗層的外層置於所述結構塗層的內層的至少一部分上以及所述雷射熔覆材料上。
23.根據權利要求22所述的部件，其中所述結構塗層和所述雷射熔覆材料包括相同的材料。
24.根據權利要求20所述的部件，進一步包括粘結層，其中所述結構塗層的所述內層包括第一材料，且所述雷射熔覆材料包括粉末狀的第二材料，其中所述第一和第二材料是不同的材料，且其中所述粘結層置於所述雷射熔覆材料上。
25.根據權利要求20所述的部件，其中所述雷射熔覆材料密封所述開口。
26.根據權利要求20所述的部件，其中所述雷射熔覆材料並不完全密封所述開口。
27.根據權利要求20所述的部件，其中多個表面不規則處形成於所述相應凹槽附近的所述結構塗層的所述內層的外表面中。
28.根據權利要求20所述的部件，其中所述結構塗層的所述內層的所述外表面刻面於所述相應凹槽的附近。
全文摘要
本發明提供具有雷射熔覆的部件以及製造方法。所述製造方法包括使用研磨液射流，以在基底的外表面中形成一個或多個凹槽。每個凹槽具有底部和開口，並且至少部分的沿所述基底的所述外表面延伸，其中所述基底具有內表面，所述內表面設有至少一個中空的內部空間。所述製造方法進一步包括使用雷射熔覆工藝以將雷射熔覆材料塗在相應凹槽的所述開口上，以便至少部分的構成一個或多個通道，以用於對部件進行冷卻；以及將塗層置於所述基底的所述外表面的至少一部分上以及所述雷射熔覆材料上。本發明還提供其他製造方法和部件。
文檔編號F01D5/14GK103056604SQ20121040092
公開日2013年4月24日 申請日期2012年10月19日 優先權日2011年10月21日
發明者R.S.班克, D.普拉特 申請人:通用電氣公司