專(zhuān)利名稱(chēng)：具有激光熔覆的部件以及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，更確切地說(shuō)，涉及燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的微通道冷卻。
背景技術(shù)：
在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，空氣在壓縮機(jī)中壓縮，隨后在燃燒室中與燃料混合，以生成熱燃燒氣體。從高壓渦輪機(jī)(HPT)中的氣體中獲得的能量可驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，從低壓渦輪機(jī)(LPT)中的氣體中獲得的能量可驅(qū)動(dòng)渦輪風(fēng)扇式飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用中的風(fēng)扇，或可驅(qū)動(dòng)船舶和工業(yè)應(yīng)用中的外軸。發(fā)動(dòng)機(jī)效率隨燃燒氣體溫度的升高而增加。但是，燃燒氣體會(huì)沿著其流路加熱多個(gè)部件，因此，需要進(jìn)行冷卻以延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。通常情況下，熱氣路徑部件由從壓縮機(jī)中排出的空氣進(jìn)行冷卻。由于排出的空氣并未用于燃燒過(guò)程中，因此，該冷卻過(guò)程降低了發(fā)動(dòng)機(jī)效率。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻技術(shù)已較為成熟，且包括針對(duì)各種熱氣路徑部件中冷卻回路和特征的各個(gè)方面的多項(xiàng)專(zhuān)利。例如，燃燒室包括徑向外部和內(nèi)部襯套(liner)，所述襯套在操作過(guò)程中需要冷卻。潤(rùn)輪機(jī)噴嘴包括支撐在外帶(outer band)與內(nèi)帶(inner band)之間的中空輪葉，所述中空輪葉也需要進(jìn)行冷卻。渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片是中空的，其中通常包括冷卻回路，且葉片由渦輪機(jī)防護(hù)罩環(huán)繞，所述葉片同樣需要進(jìn)行冷卻。熱燃燒氣體經(jīng)由排氣裝置排出，所述排氣裝置也可設(shè)有襯套且進(jìn)行適當(dāng)?shù)睦鋮s。在所有此類(lèi)示例性燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件中，通常使用由高強(qiáng)度超合金(superalloy)金屬構(gòu)成的薄壁來(lái)降低部件重量，并最小化此類(lèi)部件的冷卻需求。各種冷卻回路和特征可針對(duì)在發(fā)動(dòng)機(jī)中處于相應(yīng)環(huán)境中的這些單獨(dú)部件進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。例如，可在熱氣路徑部件中形成一系列內(nèi)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(guò)所述通道，從而冷卻熱氣路徑部件的基底和任何相關(guān)的涂層。但是，這種冷卻策略通常導(dǎo)致傳熱速率相對(duì)較低，且部件溫度分布不均。通過(guò)使冷卻盡可能接近受熱區(qū)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(cè)與冷測(cè)之間的溫差。除了冷卻網(wǎng)絡(luò)之外，熱氣部件還通常涂有各種保護(hù)涂層以增加使用壽命。例如，結(jié)構(gòu)涂層、粘結(jié)層和熱障涂層可用來(lái)保護(hù)部件免受熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。最初的結(jié)構(gòu)涂層可包括熱等離子體噴涂或等離子體沉積合金。然而，熱噴涂涂層尤其并不完全致密，且目前并不用于對(duì)渦輪翼型片中的微冷卻通道進(jìn)行涂覆以徹底橋接通道開(kāi)口，因而對(duì)耐久性構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)。因此，需要提供一種更強(qiáng)的覆蓋材料和工藝，以提高對(duì)微通道冷卻基底的粘結(jié)
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一方面在于一種制造方法，所述制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(gè)或多個(gè)凹槽(groove)。每個(gè)凹槽具有底部和開(kāi)口，并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(nèi)表面，該內(nèi)表面設(shè)有至少一個(gè)中空的內(nèi)部空間。所述制造方法進(jìn)一步包括使用激光熔覆(laserclad)工藝以將激光熔覆材料涂在相應(yīng)凹槽的開(kāi)口上，以便至少部分構(gòu)成一個(gè)或多個(gè)通道，以用于對(duì)部件進(jìn)行冷卻；以及將涂層置于所述基底的所述外表面的至少一部分上以及所述激光熔覆材料上。本發(fā)明的另一方面在于一種制造方法，所述制造方法包括在基底的外表面中形成一個(gè)或多個(gè)凹槽。每個(gè)凹槽具有開(kāi)口，并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(nèi)表面，該內(nèi)表面設(shè)有至少一個(gè)中空的內(nèi)部空間。所述制造方法進(jìn)一步包括力口工所述基底的所述外表面，以使相應(yīng)凹槽附近的表面塑性變形，從而減少跨過(guò)所述開(kāi)口的距離；以及使用激光熔覆工藝以將激光熔覆材料涂到相應(yīng)一個(gè)或多個(gè)凹槽的開(kāi)口上，以便至少部分構(gòu)成一個(gè)或多個(gè)通道，以用于對(duì)部件進(jìn)行冷卻。所述制造方法進(jìn)一步包括將涂層置于所述基底的所述外表面的至少一部分上以及所述激光熔覆材料上。本發(fā)明的又一方面在于一種制造方法，所述制造方法包括將結(jié)構(gòu)涂層的內(nèi)層沉積在基底的外表面上，從而至少部分的在內(nèi)部結(jié)構(gòu)涂層中形成一個(gè)或多個(gè)凹槽。每個(gè)凹槽具有開(kāi)口，并且至少部分的沿部件延伸。所述基底具有內(nèi)表面，該內(nèi)表面設(shè)有至少一個(gè)中空的內(nèi)部空間。所述制造方法進(jìn)一步包括使用激光熔覆工藝以將激光熔覆材料涂到相應(yīng)一個(gè)或多個(gè)凹槽的開(kāi)口上，以便至少部分構(gòu)成一個(gè)或多個(gè)通道，用于對(duì)所述部件進(jìn)行冷卻；以及將所述結(jié)構(gòu)涂層的外層置于所述結(jié)構(gòu)涂層的所述內(nèi)層的至少一部分上以及所述激光熔覆材料上。本發(fā)明的另一方面在于一種部件，所述部件包括具有外表面和內(nèi)表面的基底，其中所述內(nèi)表面設(shè)有至少一個(gè)中空的內(nèi)部空間。所述部件進(jìn)一步包括置于基底表面的至少一部分上的至少一個(gè)涂層。所述涂層包括置于所述基底的所述外表面上的內(nèi)部結(jié)構(gòu)涂層。一個(gè)或多個(gè)凹槽至少部分的形成于所述內(nèi)部結(jié)構(gòu)涂層中。每個(gè)凹槽至少部分的沿所述部件延伸，并且具有開(kāi)口。一個(gè)或多個(gè)出入孔穿過(guò)相應(yīng)凹槽的底部而形成，以使所述凹槽與相應(yīng)的中空內(nèi)部空間流體連通。激光熔覆材料置于相應(yīng)一個(gè)或多個(gè)凹槽的開(kāi)口上，以至少部分構(gòu)成一個(gè)或多個(gè)通道，以用于對(duì)所述部件進(jìn)行冷卻。


在參閱附圖來(lái)閱讀以下詳細(xì)說(shuō)明后，將更好地理解本發(fā)明的這些和其他特征、方面以及優(yōu)點(diǎn)，在附圖中，類(lèi)似的符號(hào)代表所有附圖中類(lèi)似的部分，其中圖1為燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)的示意圖；圖2為根據(jù)本發(fā)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)冷卻通道和置于冷卻通道開(kāi)口上的激光熔覆材料的冷卻回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(gè)示例性微通道，所述三個(gè)微通道部分的沿基底表面延伸并將冷卻劑引導(dǎo)到相應(yīng)的薄膜冷卻孔，其中激光熔覆材料置于冷卻通道的開(kāi)口上；
圖5為圖4所示的示例性微通道中的一個(gè)微通道的截面圖，并圖示微通道將冷卻劑從出入孔輸送到薄膜冷卻孔；圖6示意性地描繪用于形成凹槽以及凹槽排出端處的錐形溢流區(qū)(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(gè)通道的放大圖，其圖示了沉積在凹形凹槽的開(kāi)口上的激光熔覆材料；圖8所示為激光熔覆材料的傾斜涂覆(angled application)；圖9圖示了并未完全密封凹槽開(kāi)口的激光熔覆材料；圖10示意性地描繪在后加工表面處理之前且在激光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(guī)則處引入所處理的表面中的后加工表面處理之后且在激光熔覆之前的圖10的凹形冷卻通道；圖12為在后加工表面處理之前開(kāi)口大小為Dl的示例性凹形冷卻通道的截面圖；圖13為在后加工表面處理之后開(kāi)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，其中激光熔覆材料密封通道且結(jié)構(gòu)涂層、粘結(jié)涂層和熱障涂層置于激光熔覆材料上；圖15圖示了已置于凹槽開(kāi)口上的激光熔覆材料，其中基底的表面已刻面于凹槽的邊緣附近；以及圖16圖示了由激光熔覆材料部分密封的凹形通道，其中通道形成于結(jié)構(gòu)涂層的內(nèi)層中，且其中多孔槽延伸穿過(guò)結(jié)構(gòu)涂層的外層。兀件符號(hào)列表
權(quán)利要求
1.一種制造方法，包括 使用研磨液射流以在基底的外表面中形成一個(gè)或多個(gè)凹槽，其中每個(gè)凹槽具有底部和開(kāi)口，并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(nèi)表面，所述內(nèi)表面設(shè)有至少一個(gè)中空的內(nèi)部空間； 使用激光熔覆工藝以將激光熔覆材料涂在相應(yīng)一個(gè)或多個(gè)凹槽的所述開(kāi)口上，以便至少部分構(gòu)成一個(gè)或多個(gè)通道，以用于對(duì)部件進(jìn)行冷卻；以及 將涂層置于所述基底的所述外表面的至少一部分上以及所述激光熔覆材料上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其中每個(gè)凹槽的形成方式為，在所述研磨液射流第一次通過(guò)時(shí)，以相對(duì)于所述基底的表面的側(cè)角引導(dǎo)所述研磨液射流，且隨后以大體與所述側(cè)角相對(duì)的角進(jìn)行后續(xù)的通過(guò)，以使每個(gè)凹槽在所述凹槽的所述開(kāi)口處較窄，且因此包括凹形凹槽。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造方法，其中形成所述凹形凹槽的步驟進(jìn)一步包括執(zhí)行至少一次額外的通過(guò)，其中以介于所述側(cè)角與大體上的對(duì)角之間的一個(gè)或多個(gè)角度而朝向所述凹槽的所述底部引導(dǎo)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(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，進(jìn)一步包括穿過(guò)所述凹槽中的相應(yīng)一個(gè)凹槽的所述底部形成一個(gè)或多個(gè)出入孔，以使相應(yīng)的凹槽與所述至少一個(gè)中空的內(nèi)部空間中的各相應(yīng)空間流體連通。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，進(jìn)一步包括在所述基底的所述外表面中形成所述一個(gè)或多個(gè)凹槽之前，鑄造所述基底。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其中所述基底包括第一材料，且所述激光熔覆材料通過(guò)將激光應(yīng)用到包括所述第一材料的粉末而進(jìn)行涂覆。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其中所述基底包括第一材料，且所述激光熔覆材料通過(guò)將激光應(yīng)用到粉末狀的第二材料進(jìn)行涂覆，其中所述第一和第二材料是不同的材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其中所述激光熔覆材料密封所述開(kāi)口。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其中所述激光熔覆材料并不完全密封所述開(kāi)口。
10.一種制造方法，包括 在基底的外表面中形成一個(gè)或多個(gè)凹槽，其中每個(gè)凹槽具有開(kāi)口，并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(nèi)表面，所述內(nèi)表面設(shè)有至少一個(gè)中空的內(nèi)部空間； 加工所述基底的所述外表面，以使相應(yīng)凹槽附近的表面塑性變形，從而減少跨過(guò)所述開(kāi)口的距離； 使用激光熔覆工藝以將激光熔覆材料涂在相應(yīng)一個(gè)或多個(gè)凹槽的所述開(kāi)口上，以便至少部分構(gòu)成一個(gè)或多個(gè)通道，以用于對(duì)部件進(jìn)行冷卻；以及 將涂層置于所述基底的所述外表面的至少一部分上以及所述激光熔覆材料上。
11.根據(jù)權(quán)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(zhí)行以下操作中的一個(gè)或多個(gè)對(duì)所述外表面進(jìn)行噴丸強(qiáng)化、對(duì)所述外表面進(jìn)行水射流噴丸強(qiáng)化、對(duì)所述外表面進(jìn)行擋板噴丸強(qiáng)化、對(duì)所述外表面進(jìn)行重力噴丸強(qiáng)化、對(duì)所述外表面進(jìn)行超聲噴丸強(qiáng)化、對(duì)所述外表面進(jìn)行拋光、對(duì)所述外表面進(jìn)行低塑性拋光，以及對(duì)所述外表面進(jìn)行激光沖擊噴丸強(qiáng)化，以使鄰近所述凹槽的所述表面塑性變形，從而減少跨過(guò)所述凹槽的所述開(kāi)口的所述距離。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的制造方法，其中在加工所述基底的所述外表面之前，跨過(guò)所述凹槽的所述開(kāi)口的所述距離在約0. 2到0. 6mm的范圍內(nèi)，且其中在已加工所述外表面之后，跨過(guò)所述凹槽的所述開(kāi)口的所述距離在約0到0. 4mm的范圍內(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的制造方法，其中所述加工在所述基底的所述外表面中引入多個(gè)表面不規(guī)則處。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的制造方法，其中加工所述基底的所述外表面的步驟還刻面于所述凹槽附近的所述外表面。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的制造方法，其中所述相應(yīng)一個(gè)或多個(gè)凹槽中的每個(gè)凹槽在其相應(yīng)開(kāi)口處較窄，從而每個(gè)凹槽包括凹形凹槽。
16.一種制造方法，包括 將結(jié)構(gòu)涂層的內(nèi)層沉積在基底的外表面上； 至少部分的在內(nèi)部結(jié)構(gòu)涂層中形成一個(gè)或多個(gè)凹槽，其中每個(gè)凹槽具有開(kāi)口并且至少部分的沿部件延伸，且其中所述基底具有內(nèi)表面，所述內(nèi)表面設(shè)有至少一個(gè)中空的內(nèi)部空間； 使用激光熔覆工藝以將激光熔覆材料涂在相應(yīng)一個(gè)或多個(gè)凹槽的所述開(kāi)口上，以便至少部分構(gòu)成一個(gè)或多個(gè)通道，以用于對(duì)所述部件進(jìn)行冷卻；以及 將所述結(jié)構(gòu)涂層的外層置于所述結(jié)構(gòu)涂層的所述內(nèi)層的至少一部分上以及所述激光熔覆材料上。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的制造方法，進(jìn)一步包括加工所述結(jié)構(gòu)涂層的所述內(nèi)層的外表面，以使相應(yīng)凹槽附近的表面塑性變形，從而減少跨過(guò)所述開(kāi)口的距離，其中在所述激光熔覆工藝之前執(zhí)行所述加工。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的制造方法，其中所述相應(yīng)一個(gè)或多個(gè)凹槽中的每個(gè)凹槽在其相應(yīng)開(kāi)口處較窄，從而每個(gè)凹槽包括凹形凹槽。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的制造方法，其中所述結(jié)構(gòu)涂層包括第一材料，且所述激光熔覆材料通過(guò)將激光應(yīng)用到包括所述第一材料的粉末而進(jìn)行涂覆。
20.—種部件，包括 包括外表面和內(nèi)表面的基底，其中所述內(nèi)表面設(shè)有至少一個(gè)中空的內(nèi)部空間； 置于所述基底的表面的至少一部分上的至少一個(gè)涂層，其中所述涂層包括置于所述基底的所述外表面上的內(nèi)部結(jié)構(gòu)涂層，其中一個(gè)或多個(gè)凹槽至少部分的形成于所述內(nèi)部結(jié)構(gòu)涂層中，其中每個(gè)凹槽至少部分的沿所述部件延伸并且具有開(kāi)口，且其中一個(gè)或多個(gè)出入孔穿過(guò)相應(yīng)凹槽的底部而形成，以使所述凹槽與相應(yīng)的中空內(nèi)部空間流體連通；以及 置于相應(yīng)一個(gè)或多個(gè)凹槽的所述開(kāi)口上的激光熔覆材料，以至少部分構(gòu)成一個(gè)或多個(gè)通道，以用于對(duì)所述部件進(jìn)行冷卻。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的部件，其中所述相應(yīng)一個(gè)或多個(gè)凹槽中的每個(gè)凹槽在其相應(yīng)開(kāi)口處較窄，從而每個(gè)凹槽包括凹形凹槽。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的部件，其中所述涂層進(jìn)一步包括置于所述內(nèi)部結(jié)構(gòu)涂層上的外部結(jié)構(gòu)涂層，且其中所述結(jié)構(gòu)涂層的外層置于所述結(jié)構(gòu)涂層的內(nèi)層的至少一部分上以及所述激光熔覆材料上。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的部件，其中所述結(jié)構(gòu)涂層和所述激光熔覆材料包括相同的材料。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的部件，進(jìn)一步包括粘結(jié)層，其中所述結(jié)構(gòu)涂層的所述內(nèi)層包括第一材料，且所述激光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(jié)層置于所述激光熔覆材料上。
25.根據(jù)權(quán)利要求20所述的部件，其中所述激光熔覆材料密封所述開(kāi)口。
26.根據(jù)權(quán)利要求20所述的部件，其中所述激光熔覆材料并不完全密封所述開(kāi)口。
27.根據(jù)權(quán)利要求20所述的部件，其中多個(gè)表面不規(guī)則處形成于所述相應(yīng)凹槽附近的所述結(jié)構(gòu)涂層的所述內(nèi)層的外表面中。
28.根據(jù)權(quán)利要求20所述的部件，其中所述結(jié)構(gòu)涂層的所述內(nèi)層的所述外表面刻面于所述相應(yīng)凹槽的附近。
全文摘要
本發(fā)明提供具有激光熔覆的部件以及制造方法。所述制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(gè)或多個(gè)凹槽。每個(gè)凹槽具有底部和開(kāi)口，并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(nèi)表面，所述內(nèi)表面設(shè)有至少一個(gè)中空的內(nèi)部空間。所述制造方法進(jìn)一步包括使用激光熔覆工藝以將激光熔覆材料涂在相應(yīng)凹槽的所述開(kāi)口上，以便至少部分的構(gòu)成一個(gè)或多個(gè)通道，以用于對(duì)部件進(jìn)行冷卻；以及將涂層置于所述基底的所述外表面的至少一部分上以及所述激光熔覆材料上。本發(fā)明還提供其他制造方法和部件。
文檔編號(hào)F01D5/14GK103056604SQ20121040092
公開(kāi)日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月21日
發(fā)明者R.S.班克, D.普拉特 申請(qǐng)人:通用電氣公司