渦輪機(jī)葉輪制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種渦輪機(jī)葉輪(120)，所述渦輪機(jī)葉輪(120)包括由固化粉末材料形成的多個(gè)固化層。所述葉輪包括由實(shí)心表層結(jié)構(gòu)(S)所環(huán)繞的框格結(jié)構(gòu)(L)構(gòu)成的至少一個(gè)部分。
【專利說(shuō)明】渦輪機(jī)葉輪制造

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明大體上涉及制造渦輪機(jī)葉輪，諸如用于離心壓縮機(jī)、離心泵或渦輪膨脹機(jī) 的葉輪。更確切地，本發(fā)明涉及通過(guò)增材制造型生產(chǎn)工藝（additive-manufacturing-type productionprocess)來(lái)制造潤(rùn)輪機(jī)葉輪。

【背景技術(shù)】
[0002] 用于例如離心壓縮機(jī)或離心泵的渦輪機(jī)葉輪是幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部件。圖1示出示 例性離心壓縮機(jī)葉輪的透視圖。圖2示出沿著帶護(hù)罩壓縮機(jī)葉輪的一部分的徑向平面的示 例性截面。
[0003] 整體標(biāo)示為1的葉輪包括入口 2和出口 3。從入口 2延伸到出口 3的用于將要 壓縮的氣體的流動(dòng)通道形成于輪轂4與護(hù)罩5之間。葉片6布置在輪轂4與護(hù)罩5之間。 在相鄰葉片6之間，形成從氣體入口 2延伸到氣體出口 3的流動(dòng)導(dǎo)葉7。葉輪1具有中心 孔，壓縮機(jī)軸（未示出）經(jīng)過(guò)所述中心孔。葉輪輪轂4環(huán)繞中心孔的部分稱為"葉輪基部 (impellerfoot)"，并以參考數(shù)字8來(lái)標(biāo)示。
[0004] 設(shè)有護(hù)罩5(如圖1所示的護(hù)罩）的葉輪制造起來(lái)特別復(fù)雜。具體地說(shuō)，三維葉片 要求使用諸如放電加工或電化學(xué)加工等制造工藝。帶護(hù)罩葉輪進(jìn)一步要求，一旦葉片已經(jīng) 或?qū)⒁ㄟ^(guò)使用5軸數(shù)控加工工具從實(shí)心金屬件開(kāi)始進(jìn)行完全銑削而被加工出來(lái)，護(hù)罩將 被焊接到輪轂上。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)這種部件更有效且更便宜的制造，現(xiàn)今已研究增材制造型生產(chǎn)工藝。這些 工藝中的一種是所謂的電子束層熔融工藝。這種制造工藝提供復(fù)雜部件的逐層構(gòu)造。部件 通過(guò)按順序分布經(jīng)熔融并隨后固化的粉末材料層來(lái)制造。每層沿著所述層的由將在相關(guān)層 的層面上制造的制品的截面的邊界限定的一部分熔融并且固化。
[0006] 渦輪機(jī)葉輪經(jīng)受高動(dòng)態(tài)機(jī)械應(yīng)力，并且有時(shí)需要在特別困難的環(huán)境中工作（例 如，在由壓縮機(jī)處理酸性氣體或潮濕氣體時(shí)）。此外，存在對(duì)減輕葉輪的重量同時(shí)維持所需 要的機(jī)械和化學(xué)-物理抗性的恒定需要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 減小通過(guò)增材制造型生產(chǎn)工藝制造出的渦輪機(jī)葉輪的重量通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)：控 制用于熔融或燒結(jié)粉末材料的高能量源，以便所述渦輪機(jī)葉輪的大塊部分形成為具有內(nèi)部 框格結(jié)構(gòu)，所述內(nèi)部框格結(jié)構(gòu)由實(shí)心結(jié)構(gòu)環(huán)繞，即由提供實(shí)心連續(xù)外表面的一種表層環(huán)繞。 框格結(jié)構(gòu)可以通過(guò)以下方式來(lái)獲得：適當(dāng)控制所述高能量源所傳送的能量，以便所述粉末 材料逐點(diǎn)熔融，并且單獨(dú)體積的已熔融粉末材料將固化并彼此粘附以在它們之間留出體 積，在所述體積中，所述粉末材料并未熔融并且隨后將被移除，以在所述固化材料內(nèi)留出空 的空間，從而形成所述框格結(jié)構(gòu)。
[0008] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，提供一種使用粉末材料來(lái)逐層制造渦輪機(jī)葉輪的方法。所述粉 末材料用高能量源來(lái)照射并熔融，并且固化以形成所述葉輪。所述高能量源受到控制以使 得所述渦輪機(jī)葉輪的至少一個(gè)大體積部分受到照射，以使由實(shí)心表層結(jié)構(gòu)環(huán)繞的框格結(jié)構(gòu) 中的粉末材料固化，從而封閉所述框格結(jié)構(gòu)。
[0009] 在特別有利的實(shí)施例中，使用電子束源。由電子束槍產(chǎn)生的電子束局部熔融粉末 材料。已熔融材料的隨后冷卻產(chǎn)生所述渦輪機(jī)葉輪的每層的最終結(jié)構(gòu)。
[0010] 雖然以下【具體實(shí)施方式】將確切地提及電子束源，但是本說(shuō)明書(shū)所公開(kāi)的方法也可 使用不同高能量源來(lái)實(shí)行。對(duì)高能量源的選擇可取決于例如所使用材料的種類。例如，可 使用激光源替代電子束槍。在其他實(shí)施例中，可例如使用適當(dāng)布置并控制的電極來(lái)對(duì)將要 固化的粉末材料施加電能。
[0011] 本說(shuō)明書(shū)使用的術(shù)語(yǔ)"固化（solidify) "和"固化（solidification) "應(yīng)大體上理 解為使松散粉末材料轉(zhuǎn)變成具有給定形狀的硬質(zhì)主體的任何動(dòng)作或過(guò)程。在一些實(shí)施例 中，粉末材料熔融，并且隨后固化。然而，在其他實(shí)施例中，粉末材料可能經(jīng)歷一個(gè)不同固化 工藝（例如，燒結(jié)工藝），而非熔融并且隨后固化工藝。
[0012] 在一些實(shí)施例中，所述方法包括以下步驟：
[0013] -將第一層粉末材料沉積到目標(biāo)表面上；
[0014] -用所述高能量源照射所述第一層粉末材料的第一部分并且固化所述第一部分的 粉末材料，所述第一部分對(duì)應(yīng)于所述渦輪機(jī)葉輪的第一截面區(qū)域；
[0015] -將第二層粉末材料沉積到所述第一部分上；
[0016] -用所述高能量源照射所述第二層粉末材料的第二部分并且固化所述第二部分的 粉末材料，所述第二部分對(duì)應(yīng)于所述渦輪機(jī)葉輪的第二截面區(qū)域，所述第一部分和所述第 二部分彼此聯(lián)結(jié)；
[0017] -將連續(xù)多層粉末材料沉積到先前部分上，并且照射每個(gè)連續(xù)層的一部分以便產(chǎn) 生包括多個(gè)固化層部分的所述渦輪機(jī)葉輪，每個(gè)層部分對(duì)應(yīng)于所述渦輪機(jī)葉輪的截面區(qū) 域。
[0018] 連續(xù)固化層部分中的至少一些具有由外部實(shí)心表層結(jié)構(gòu)部分所環(huán)繞的框格結(jié)構(gòu) 形成的至少一個(gè)內(nèi)部部分。當(dāng)先前一層固化、或僅部分固化、或仍處于熔融狀態(tài)時(shí)，可將每 層沉積在所述先前一層上。
[0019] 本說(shuō)明書(shū)使用的術(shù)語(yǔ)"照射"應(yīng)理解為將來(lái)自高能量源的能量施加到粉末材料的 任何動(dòng)作。
[0020] 根據(jù)一些實(shí)施例，多層粉末材料沉積在熱的限制結(jié)構(gòu)中。因此，可以控制葉輪的溫 度。最終產(chǎn)品中的殘余應(yīng)力可通過(guò)以下方式來(lái)防止或減少：控制溫度對(duì)比時(shí)間的曲線，例如 根據(jù)所使用的材料、產(chǎn)品形狀、所使用高能量源的種類或者其他工藝參數(shù)來(lái)控制。
[0021] 一般來(lái)說(shuō)，葉輪的任何部分都可被制造成具有框格結(jié)構(gòu)。由于外部實(shí)心不可滲透 表層結(jié)構(gòu)通常設(shè)在內(nèi)部框格結(jié)構(gòu)周?chē)鰞?nèi)部框格結(jié)構(gòu)優(yōu)選地形成于所述葉輪的更大體 積部分、通常是輪轂的更大體積部分（例如，更接近輪轂和/或護(hù)罩（如果存在的話）的旋 轉(zhuǎn)軸的那些）中。
[0022] 框格結(jié)構(gòu)強(qiáng)到足以抵抗機(jī)械和熱應(yīng)力，但具有的具體重量低于形成葉輪的剩余部 分的實(shí)心材料，由此減輕葉輪總重?？蚋窠Y(jié)構(gòu)中剩余的未固化粉末材料可例如通過(guò)吹送或 抽吸來(lái)移除。為便于移除殘余的未固化粉末材料，可在環(huán)繞框格結(jié)構(gòu)的實(shí)心表層結(jié)構(gòu)中設(shè) 置一個(gè)或多個(gè)孔隙。所述孔隙可在逐層制造工藝的過(guò)程中生成。在其他實(shí)施例中，可在成 品葉輪中加工出所述孔隙。
[0023] 本發(fā)明還確切涉及一種渦輪機(jī)葉輪，所述渦輪機(jī)葉輪具有至少一個(gè)輪轂和多個(gè)葉 片，其中所述葉輪的內(nèi)部體積的至少一個(gè)部分包括由實(shí)心表層結(jié)構(gòu)環(huán)繞的框格結(jié)構(gòu)?？蚋?結(jié)構(gòu)和環(huán)繞所述框格結(jié)構(gòu)的實(shí)心表層結(jié)構(gòu)由形成葉輪的剩余部分的相同材料制成。有利的 是，環(huán)繞框格結(jié)構(gòu)的實(shí)心表層結(jié)構(gòu)與葉輪的剩余實(shí)心部分形成整體。這可借助于增材制造 型生產(chǎn)工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0024] -般來(lái)說(shuō)，葉輪可包括由框格結(jié)構(gòu)構(gòu)成的多于一個(gè)內(nèi)部體積部分。
[0025] 因此，本發(fā)明還涉及一種渦輪機(jī)葉輪，所述渦輪機(jī)葉輪包括由固化粉末材料形成 的多個(gè)固化層，其中所述渦輪機(jī)葉輪的至少一部分具有由實(shí)心表層結(jié)構(gòu)環(huán)繞的框格結(jié)構(gòu)。
[0026] 在一些實(shí)施例中，輪轂的徑向最內(nèi)側(cè)部分包括由實(shí)心表層結(jié)構(gòu)環(huán)繞的框格結(jié)構(gòu)。 通常，葉輪基部將會(huì)包括框格結(jié)構(gòu)。
[0027] 葉輪可包括帶有葉輪孔眼的葉輪護(hù)罩。在有利的實(shí)施例中，護(hù)罩的至少一個(gè)內(nèi)部 部分具有由實(shí)心表層結(jié)構(gòu)環(huán)繞的框格結(jié)構(gòu)。護(hù)罩的框格結(jié)構(gòu)優(yōu)選地位于葉輪孔眼中。
[0028] 在一些實(shí)施例中，粉末材料可包括鈦合金。合適的鈦合金是Ti-6A1_4V。在其他實(shí) 施例中，可使用鈷-鉻合金，諸如鈷鉻鎢合金。
[0029] 在其他實(shí)施例中，可使用奧氏體鎳-鉻基超級(jí)合金（austenitic nickel-chromium-basedsuper-alloy)此種類的合適超合金的實(shí)例是IllCOne丨⑧625和 Inconel?718。根據(jù)又一些實(shí)施例，可使用諸如不銹鋼、鋼17-4或適于制造渦輪機(jī)械部件 的其他鋼等鋼。
[0030] 在下文中公開(kāi)并且在所附權(quán)利要求書(shū)中進(jìn)一步陳述特征和實(shí)施例，所附權(quán)利要求 書(shū)形成本說(shuō)明書(shū)的整體部分。以上簡(jiǎn)要說(shuō)明陳述本發(fā)明的各實(shí)施例的特征，以便可更好地 理解以下【具體實(shí)施方式】并且可更好地了解本發(fā)明對(duì)所屬領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。當(dāng)然，存在將在此后 描述并且將在所附權(quán)利要求書(shū)中陳述的本發(fā)明的其他特征。就此而言，在詳細(xì)解釋本發(fā)明 的若干實(shí)施例之前，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的各實(shí)施例不限于將它們應(yīng)用到以下說(shuō)明中陳述的、 或在附圖中示出的構(gòu)造的細(xì)節(jié)和部件的布置。本發(fā)明能夠具有其他實(shí)施例并能夠以各種方 式來(lái)實(shí)踐和實(shí)行。另外，應(yīng)理解，本說(shuō)明書(shū)采用的詞組和術(shù)語(yǔ)出于說(shuō)明目的，而不應(yīng)視為限 制。
[0031] 因此，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解，本公開(kāi)基于的概念可以易于用作設(shè)計(jì)用于實(shí) 現(xiàn)本發(fā)明的若干目的的其他結(jié)構(gòu)、方法和/或系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此，重要的是，權(quán)利要求書(shū)被 視為包括此類等效構(gòu)造，只要這些等效構(gòu)造不背離本發(fā)明的精神和范圍。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0032] 在結(jié)合附圖一起考慮、參照以下詳細(xì)說(shuō)明更好地了解本發(fā)明的公開(kāi)實(shí)施例和本發(fā) 明的許多隨附優(yōu)點(diǎn)時(shí)，將容易地獲得對(duì)所述公開(kāi)實(shí)施例和許多隨附優(yōu)點(diǎn)的更完整理解，在 附圖中：
[0033] 圖1示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的帶護(hù)罩葉輪的透視圖；
[0034] 圖2示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的帶護(hù)罩葉輪的示意性截面；
[0035] 圖3示出電子束熔融機(jī)器的示意圖；
[0036] 圖4示出根據(jù)本發(fā)明的帶護(hù)罩葉輪的截面；
[0037] 圖5A、圖5B和圖5C示意性地呈現(xiàn)可形成于葉輪的大的區(qū)域中的替代框格結(jié)構(gòu)。

【具體實(shí)施方式】
[0038] 以下對(duì)示例性實(shí)施例的詳細(xì)描述參照附圖。不同附圖中的相同參考數(shù)字標(biāo)識(shí)相同 或類似的元件。另外，所述附圖不一定按比例繪制。此外，以下【具體實(shí)施方式】并不限制本發(fā) 明。相反，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求書(shū)來(lái)限定。
[0039] 在整個(gè)說(shuō)明書(shū)中，提及"一個(gè)實(shí)施例"或"實(shí)施例"或"一些實(shí)施例"意指結(jié)合一個(gè) 實(shí)施例來(lái)描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性包括在所公開(kāi)主題的至少一個(gè)實(shí)施例中。因此，整個(gè) 說(shuō)明書(shū)中不同地方出現(xiàn)的短語(yǔ)"在一個(gè)實(shí)施例中"或"在實(shí)施例中"并不一定是指相同的實(shí) 施例。此外，可以通過(guò)任何合適方式將特定特征、結(jié)構(gòu)或特性組合在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中。
[0040] 圖3示出整體標(biāo)示為100的電子束熔融機(jī)器。電子束熔融機(jī)器的結(jié)構(gòu)和操作本身 是已知的，并且并不將在本說(shuō)明書(shū)中進(jìn)行非常詳細(xì)的描述。電子束熔融機(jī)器100包括電子 束槍101，所述電子束槍101包括產(chǎn)生電子束EB的電子發(fā)射器103。電子束EB朝向布置在 電子束槍101下方的目標(biāo)表面TS。聚焦線圈105和偏轉(zhuǎn)線圈107沿電子束路徑布置。聚焦 線圈105將電子束聚焦到目標(biāo)表面TS上并且偏轉(zhuǎn)線圈107控制電子束EB沿圖案的移動(dòng)， 粉末材料必須根據(jù)所述圖案熔融并且固化。計(jì)算機(jī)裝置109控制偏轉(zhuǎn)線圈107并且控制電 子束EB的移動(dòng)。電子束EB的移動(dòng)由計(jì)算機(jī)裝置109基于來(lái)自表示將要制造的三維產(chǎn)品的 文件的數(shù)據(jù)來(lái)控制。
[0041] 限制結(jié)構(gòu)111布置在電子束槍101下方。限制結(jié)構(gòu)111可組合到溫度控制裝置， 所述溫度控制裝置例如包括113處示意性地示出的加熱器（例如，電加熱器）?？梢苿?dòng)臺(tái) 115可布置在限制結(jié)構(gòu)111中?？梢苿?dòng)臺(tái)115可受到控制以根據(jù)雙向箭頭fll5堅(jiān)直移動(dòng)。 可移動(dòng)臺(tái)115的堅(jiān)直移動(dòng)可由計(jì)算機(jī)裝置109控制。粉末材料容器117布置在目標(biāo)表面TS 上方，并且受到控制以根據(jù)雙向箭頭fll7水平移動(dòng)（例如，在計(jì)算機(jī)裝置109的控制下）。
[0042] 由電子束熔融機(jī)器100執(zhí)行的制造工藝可以概括如下。通過(guò)根據(jù)箭頭f117沿著 可移動(dòng)臺(tái)115 -次或多次地移動(dòng)粉末材料容器117,在可移動(dòng)臺(tái)115上分布第一層來(lái)自粉末 容器117的粉末材料，所述可移動(dòng)臺(tái)115放置在目標(biāo)表面TS的高度處。一旦已經(jīng)分布第一 層粉末材料，激活電子束槍101，并且電子束EB由偏轉(zhuǎn)線圈107控制，以便局部熔融所述層 的受限部分中的粉末材料，所述受限部分對(duì)應(yīng)于將要制造的產(chǎn)品的截面。在熔融之后，讓粉 末材料冷卻并且固化。將要制造的產(chǎn)品的截面的邊界之外的粉末材料保持處于粉末形式。 一旦已經(jīng)如上所述地對(duì)第一層進(jìn)行處理，降低可移動(dòng)臺(tái)115,并且在第一層的頂部上分布隨 后一層粉末材料。依次選擇性地熔融第二層粉末材料，并且隨后讓其冷卻并且固化。執(zhí)行 熔融和固化以使每個(gè)層部分將粘附到先前形成的層部分。通過(guò)隨后逐層添加粉末材料并選 擇性地熔融和固化對(duì)應(yīng)于產(chǎn)品的隨后截面的層部分，來(lái)逐步重復(fù)所述工藝，直至形成整個(gè) 產(chǎn)品。
[0043]一旦已經(jīng)完成產(chǎn)品，可移除并再利用尚未熔融并固化的粉末物料。因此，所獲得的 產(chǎn)品可在必要時(shí)經(jīng)受進(jìn)一步處理，諸如表面精加工工藝或者加工。
[0044]以上工藝可借助于加熱器113在受控溫度條件下實(shí)行。限制結(jié)構(gòu)111內(nèi)的溫度受 到控制，以便在高溫下執(zhí)行整個(gè)工藝，并且在制造周期完成時(shí)，實(shí)際上沒(méi)有殘余應(yīng)力遺留在 產(chǎn)品中。在已經(jīng)完成構(gòu)造工藝之后，可讓產(chǎn)品從處理溫度冷卻到環(huán)境溫度，從而遵循冷卻曲 線以防止最終產(chǎn)品中的殘余應(yīng)力。
[0045] 優(yōu)選地，限制結(jié)構(gòu)111的內(nèi)部維持在高真空條件下，以便防止由粉末材料和已熔 融材料進(jìn)行氧吸收。
[0046] 在圖3的表示中，示意性地示出處于以上所概述的增材制造式型制造工藝的中間 步驟中的葉輪120。
[0047] 通過(guò)適當(dāng)控制電子束發(fā)射，粉末材料的完全熔融和隨后固化是可能的，由此獲得 最終緊湊且堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)。或者，還有可能控制電子束發(fā)射以使得粉末材料僅以有限體積、即 以分批方式（factionalmanner)熔融并且隨后固化。這樣，受限體積的粉末材料熔融并且 隨后固化，所述體積被布置成彼此相鄰，以使它們將會(huì)彼此連接從而形成框格結(jié)構(gòu)。所獲得 的框格結(jié)構(gòu)將浸沒(méi)在尚未熔融的粉末材料床中。隨后可移除這種殘余粉末材料，從而留下 空的框格結(jié)構(gòu)。
[0048] 根據(jù)本發(fā)明，提出一種混合布置，所述混合布置包括心部分和框格結(jié)構(gòu)部分，它們 一起形成最終產(chǎn)品，例如，渦輪機(jī)葉輪。
[0049] 在圖4中，示出使用上述逐層制造工藝制造出的用于離心渦輪機(jī)的葉輪的截面 圖。葉輪120包括輪轂121、護(hù)罩123、在輪轂121與護(hù)罩123之間的體積內(nèi)延伸的葉片125。 導(dǎo)葉126被限定在相鄰葉片125之間。
[0050] 葉輪120包括用于軸（未示出）的中心孔129?？?29由葉輪120的輪轂121的 大體積部分131環(huán)繞，所述大體積部分131通常稱為"葉輪基部"。
[0051] 如從圖4的截面圖可了解，形成葉輪120的各部分的材料的厚度在葉輪各個(gè)部分 之間有所不同。例如，類似于輪轂121的徑向外側(cè)部分，即輪轂121的標(biāo)記121A的部分，葉 片125具有較薄截面。輪轂121的徑向內(nèi)側(cè)部分形成上述葉輪基部131，所述葉輪基部131 的厚度顯著大于輪轂121的剩余部分。
[0052] 另外，護(hù)罩123具有比徑向內(nèi)側(cè)部分123A薄的徑外側(cè)部分123B。
[0053] 在圖4中示出的示例性實(shí)施例中，葉輪120的更大體積部分的內(nèi)部并且更確切地 是葉輪基部131的內(nèi)部、以及護(hù)罩123的更大體積部分123A(通常稱作"葉輪孔眼"）被制 造成具有標(biāo)記為L(zhǎng)的框格結(jié)構(gòu)?？蚋窠Y(jié)構(gòu)L可以如上所述地、通過(guò)適當(dāng)控制電子束EB來(lái)產(chǎn) 生?？蚋窠Y(jié)構(gòu)L由流體不可滲透且緊湊的實(shí)心表層結(jié)構(gòu)或部分S環(huán)繞。
[0054] 在圖4中示出的示例性實(shí)施例中，葉輪僅具有兩個(gè)區(qū)域由框格結(jié)構(gòu)形成。然而，所 屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，可根據(jù)葉輪的設(shè)計(jì)來(lái)提供框格結(jié)構(gòu)部分的不同布置。例如，如果 護(hù)罩具有有限厚度，那么它可被制造為單個(gè)緊湊且堅(jiān)固的部分，而內(nèi)部沒(méi)有框格結(jié)構(gòu)。類似 地，無(wú)護(hù)罩葉輪可以僅在葉輪輪轂、并優(yōu)選地在葉輪基部中設(shè)有框格結(jié)構(gòu)，所述葉輪基部具 有比輪轂的剩余部分更大體積結(jié)構(gòu)?？蚋窠Y(jié)構(gòu)在輪轂和護(hù)罩（如果存在）兩者中的徑向延 伸取決于葉輪在徑向平面上的截面的形狀。如果葉片的截面尺寸和形狀允許，也不排除提 供框格結(jié)構(gòu)的葉片或葉片部分。
[0055] -般來(lái)說(shuō)，葉輪的每個(gè)框格結(jié)構(gòu)部分將被環(huán)繞并包封在形成流體不可滲透屏障的 實(shí)心表層結(jié)構(gòu)中，從而防止氣體或液體滲透到內(nèi)部框格結(jié)構(gòu)，并為由渦輪機(jī)處理的流體提 供光滑外部流動(dòng)表面。例如出于表面精加工目的，實(shí)心表層結(jié)構(gòu)可按照與葉輪的任何其他 實(shí)心部分相同的方式來(lái)加工。
[0056] 因此，葉輪120的整個(gè)外表面由連續(xù)實(shí)心結(jié)構(gòu)形成，不具有多孔性，而框格結(jié)構(gòu)L 被限制在所述實(shí)心表層結(jié)構(gòu)內(nèi)部并且不在葉輪120的外部上顯露。
[0057] 如在以上簡(jiǎn)要討論，渦輪機(jī)葉輪的框格結(jié)構(gòu)L和實(shí)心部分（包括實(shí)心表層結(jié)構(gòu)S) 兩者可通過(guò)適當(dāng)控制電子束發(fā)射來(lái)逐層制造?？裳刂粚臃勰┎牧峡刂齐娮邮鳨B，以便 引起粉末材料沿著所述層的旨在形成實(shí)心結(jié)構(gòu)（包括環(huán)繞框格結(jié)構(gòu)L的實(shí)心表層結(jié)構(gòu)S) 的那些部分的完全熔融。在所述層的其中需要框格結(jié)構(gòu)L的區(qū)域中（諸如在葉輪基部中）， 電子束可例如脈沖發(fā)出、即斬波發(fā)出并且移動(dòng)，以使粉末材料逐點(diǎn)熔融，已熔融材料的每個(gè) 點(diǎn)接觸已熔融材料的相鄰點(diǎn)并固化成所需要的框格結(jié)構(gòu)L。
[0058] 根據(jù)一些實(shí)施例，為更容易地移除保持捕陷在框格結(jié)構(gòu)L的熔融并固化的點(diǎn)之間 的松散粉末材料，將在環(huán)繞形成于葉輪內(nèi)部體積中的每個(gè)框格結(jié)構(gòu)L的實(shí)心表層結(jié)構(gòu)S中 設(shè)置一個(gè)或多個(gè)孔隙。
[0059] 在圖4中，通過(guò)舉例示出環(huán)繞葉輪基部131的框格結(jié)構(gòu)L的實(shí)心表層結(jié)構(gòu)S中的 兩個(gè)孔隙A?？紫禔可用于通過(guò)框格結(jié)構(gòu)L吹送空氣或抽吸空氣，由此從中移除未固化粉 末材料。優(yōu)選地，孔隙定位在葉輪的外表面上，以便不會(huì)負(fù)面地影響由葉輪處理的流體的流 動(dòng)，如附圖中示出的實(shí)例中所示。
[0060] 圖5A至圖5C示意性地示出通過(guò)電子束局部熔融獲得的可能的框格結(jié)構(gòu)。如從這 些附圖中可了解，框格結(jié)構(gòu)包括大的空的體積，這減少形成葉輪的材料的總量并且由此減 輕葉輪的重量。
[0061] 雖然本說(shuō)明書(shū)中描述的主題的公開(kāi)實(shí)施例已經(jīng)在附圖中示出，并在以上結(jié)合若干 示例性實(shí)施例具體且詳細(xì)地被完整描述，但所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將明白，在實(shí)質(zhì)上不 背離本說(shuō)明書(shū)中闡述的新穎教示、原理和概念以及所附權(quán)利要求書(shū)中陳述的主題的優(yōu)點(diǎn)的 情況下，許多修改、改變和省略是可能的。因此，本發(fā)明的適當(dāng)范圍應(yīng)僅由所附權(quán)利要求書(shū) 的最寬泛的解釋確定，以便涵蓋所有此類修改、改變和省略。另外，根據(jù)替代實(shí)施例，任何工 藝或方法步驟的次序或順序均可變化或重新排序。
【權(quán)利要求】
1. 一種在增材制造工藝中使用粉末材料的制造渦輪機(jī)葉輪的方法，所述渦輪機(jī)葉輪包 括轂以及多個(gè)葉片；所述方法包括：借助于高能量源向所述粉末材料施加能量；以及固化 所述粉末材料，其中所述轂的至少一個(gè)大體積部分受到照射，以使所述粉末材料在由實(shí)心 表層結(jié)構(gòu)環(huán)繞的框格結(jié)構(gòu)中固化，從而封閉所述框格結(jié)構(gòu)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述方法包括以下步驟： 將第一層粉末材料沉積到目標(biāo)表面上； 用所述高能量源照射所述第一層粉末材料的第一部分并且固化所述第一部分的粉末 材料；所述第一部分對(duì)應(yīng)于所述渦輪機(jī)葉輪的第一截面區(qū)域； 將第二層粉末材料沉積到所述第一部分上； 用所述高能量源照射所述第二層粉末材料的第二部分并且固化所述第二部分的粉末 材料，所述第二部分對(duì)應(yīng)于所述渦輪機(jī)葉輪的第二截面區(qū)域，所述第一部分和所述第二部 分彼此聯(lián)結(jié)； 將連續(xù)多層粉末材料沉積到先前部分上并照射每個(gè)連續(xù)層的一部分，以便產(chǎn)生包括多 個(gè)固化層部分的所述渦輪機(jī)葉輪，每個(gè)層部分對(duì)應(yīng)于所述渦輪機(jī)葉輪的一個(gè)截面區(qū)域； 其中所述連續(xù)固化層部分中的至少一些具有由外部實(shí)心表層結(jié)構(gòu)部分所環(huán)繞的框格 結(jié)構(gòu)形成的至少一個(gè)內(nèi)部部分，所述框格結(jié)構(gòu)形成至少所述轂的所述大體積部分。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述高能量源包括電子光束發(fā)生器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述高能量源包括激光源。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的方法，其中所述多層粉末材料沉積在加熱限 制結(jié)構(gòu)中。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的方法，所述方法包括以下步驟：在形成所述 層部分后，控制所述渦輪機(jī)葉輪的溫度，從而避免所述渦輪機(jī)葉輪中的高溫梯度，并且由此 最小化殘余應(yīng)力。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的方法，其中所述粉末材料熔融并且固化。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求1至6中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的方法，其中所述粉末材料通過(guò)燒結(jié)來(lái) 固化。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的方法，其中所述高能量源發(fā)出脈沖以便生成 所述框格結(jié)構(gòu)。
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的方法，所述方法包括以下步驟：在所述渦 輪機(jī)葉輪的輪轂的內(nèi)部體積中形成框格結(jié)構(gòu)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述框格結(jié)構(gòu)形成在葉輪基部中。
12. 根據(jù)前述權(quán)利要求中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的方法，所述方法包括以下步驟：形成葉輪 護(hù)罩。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，所述方法包括以下步驟：在所述葉輪護(hù)罩的內(nèi)部體 積中形成框格結(jié)構(gòu)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述框格結(jié)構(gòu)形成在葉輪孔眼中。
15. 根據(jù)前述權(quán)利要求中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的方法，所述方法包括以下步驟：穿過(guò)所述 實(shí)心表層部分形成至少一個(gè)孔隙，以將未固化粉末材料從所述表層部分所環(huán)繞的所述框格 結(jié)構(gòu)移除。
16. 根據(jù)前述權(quán)利要求中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的方法，所述方法包括以下步驟：在已經(jīng)完 整形成所述渦輪機(jī)葉輪的所有所述層之后，將未固化粉末材料從所述框格結(jié)構(gòu)移除。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述未固化粉末材料通過(guò)穿過(guò)所述框格結(jié)構(gòu)吹 送或抽吸氣體流來(lái)移除。
18. -種渦輪機(jī)葉輪，所述渦輪機(jī)葉輪包括由固化粉末材料形成的多個(gè)固化層，其中所 述渦輪機(jī)葉輪的至少一個(gè)部分具有由實(shí)心表層結(jié)構(gòu)環(huán)繞的框格結(jié)構(gòu)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的渦輪機(jī)葉輪，其中葉輪輪轂中的至少一個(gè)內(nèi)部部分具有由 所述實(shí)心表層結(jié)構(gòu)環(huán)繞的框格結(jié)構(gòu)。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的渦輪機(jī)葉輪，其中所述框格結(jié)構(gòu)位于所述輪轂的葉輪基部 中。
21. 根據(jù)權(quán)利要求18、19或20所述的渦輪機(jī)葉輪，所述渦輪機(jī)葉輪包括葉輪護(hù)罩，并且 其中所述葉輪護(hù)罩的至少一個(gè)內(nèi)部部分具有框格結(jié)構(gòu)并且由所述實(shí)心表層結(jié)構(gòu)環(huán)繞。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的渦輪機(jī)葉輪，其中所述框格結(jié)構(gòu)位于葉輪孔眼中。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的渦輪機(jī)葉輪，其中所述實(shí)心表層結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)孔隙，由所 述實(shí)心表層結(jié)構(gòu)環(huán)繞的所述框格結(jié)構(gòu)通過(guò)所述兩個(gè)孔隙與所述渦輪機(jī)葉輪的所述外表面 流體連通。
24. 根據(jù)權(quán)利要求18至23中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的渦輪機(jī)葉輪，所述渦輪機(jī)葉輪由選自 包括以下項(xiàng)的組的材料制成：鈦合金、鈷鉻鎢合金、不銹鋼、奧氏體鎳-鉻基超級(jí)合金、鋼 17-4。
25. 根據(jù)權(quán)利要求18至24中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的渦輪機(jī)葉輪，所述渦輪機(jī)葉輪由 Ti6A14V 制成。
26. -種渦輪機(jī)，所述渦輪機(jī)包括根據(jù)權(quán)利要求18至25中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的葉輪。
【文檔編號(hào)】F04D29/38GK104284746SQ201380010678
【公開(kāi)日】2015年1月14日 申請(qǐng)日期:2013年2月20日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月23日
【發(fā)明者】P.托茲, I.焦文內(nèi)蒂, A.梅西尼 申請(qǐng)人:諾沃皮尼奧內(nèi)股份有限公司