用于在冷卻孔內(nèi)附加特征的加成制造方法
【專利說明】用于在冷卻孔內(nèi)附加特征的加成制造方法
[0001]背景
[0002]本發(fā)明一般涉及渦輪機械，并且具體地說涉及用于燃氣渦輪發(fā)動機的渦輪流動通道部件。本發(fā)明尤其涉及用于暴露于熱工作流體流動的機翼和其他燃氣渦輪發(fā)動機部件的冷卻技術(shù)，所述其他燃氣渦輪發(fā)動機部件包括但不限于:轉(zhuǎn)子葉片和定子輪葉、平臺、葉片外部空氣密封件(BOAS)、護罩和壓縮機與渦輪機殼體、燃燒室襯套、渦輪與排氣組件、推力增加器和排氣噴嘴。
[0003]燃氣渦輪發(fā)動機的性能取決于壓力比和核心氣體通道溫度與由于應(yīng)力和磨損對使用壽命和可靠性的相關(guān)影響之間的平衡。這種平衡尤其與壓縮機、燃燒室、渦輪和排氣段中的燃氣渦輪發(fā)動機部件相關(guān)，在這些部件中可能需要主動式冷卻來防止由于氣體通道高溫造成的損害。
[0004]概述
[0005]—種用于在襯底中形成擴散冷卻孔的方法包括:從所述襯底移除材料以便形成計量段，所述計量段具有在所述襯底的第一側(cè)上的入口 ；以及從所述襯底移除材料以便形成擴散段，所述擴散段在所述計量段和位于所述襯底的第二側(cè)上的出口之間延伸，所述第二側(cè)大體上與所述第一側(cè)相反。所述方法還包括在所述計量段和所述擴散段中的一個之內(nèi)的襯底表面上形成特征。形成所述特征包括:在所述襯底表面上沉積材料；以及選擇性地加熱所述材料，以便使所述材料與所述襯底表面結(jié)合并且形成所述特征。
【附圖說明】
[0006]圖1是具有擴散冷卻孔的壁的視圖。
[0007]圖2是圖1中的擴散冷卻孔沿著線2-2取得的截面圖。
[0008]圖3是在附加凸起特征之前的擴散冷卻孔的透視圖。
[0009]圖4是具有通過加成制造形成的特征的擴散冷卻孔的一個實施方案的透視圖。
[0010]圖5A是具有通過加成制造形成的特征的擴散冷卻孔的另一個實施方案的橫截面圖。
[0011]圖5B是圖5A中的擴散冷卻孔沿著線B-B取得的橫截面圖。
[0012]圖6是具有通過加成制造形成的特征的擴散冷卻孔的另一個實施方案的透視圖。
[0013]詳述
[0014]圖1示出壁的圖，所述壁具有根據(jù)本發(fā)明的一個實施例來形成的冷卻孔。壁10主要是金屬并且包括相反的表面12和14。表面12和14中的一個或兩個可包括如熱障涂層的涂層。冷卻孔16被定向以使得其入口 18沿壁10的表面12定位，并且其出口 20沿壁10的表面14定位。在燃氣渦輪發(fā)動機運行期間，表面14靠近高溫氣體(例如，燃燒氣體、熱空氣)。沿壁10的表面12輸送冷卻空氣，其中冷卻空氣進入冷卻孔16的入口 18，離開冷卻孔16的出口 20并且在表面14上形成冷卻氣膜。需要冷卻的多種部件均可包括冷卻孔16。合適的部件包括但不限于渦輪輪葉和葉片、燃燒室、葉片外部空氣密封件以及增加器等。冷卻孔16可用在輪葉和葉片的壓力側(cè)和吸入側(cè)上。冷卻孔16還可用在葉片尖端或者葉片或輪葉平臺上。
[0015]圖2示出圖1中的冷卻孔16沿著線2-2取得的截面圖。為了與后面的圖進行比較，圖2示出在沿界定冷卻孔16的表面形成精細特征之前的冷卻孔16。冷卻孔16包括入口 18、出口 20、計量段22和擴散段24。入口 18是位于表面12上的開口。冷卻空氣C通過入口 18進入冷卻孔16并且通過計量段22和擴散段24，然后在沿表面14的出口 20處離開冷卻孔16。
[0016]計量段22鄰近入口 18并且在入口 18的下游，并且控制(計量)穿過冷卻孔16的空氣流。如圖2和3中所示，計量段22由連續(xù)的、大體上圓形的表面26界定。在一些實施方案中，計量段22具有大體上從入口 18到擴散段24的大致恒定的流動面積。計量段22可具有圓形、長圓形(卵形或橢圓形)、跑道形(有兩個平行邊具有直線部分的卵形)、新月形、尖角形或雙尖角形的橫截面。在一些實施方案中，計量段22在壁10的表面12和14之間傾斜，如圖2中所示出(S卩，計量段22并不垂直于壁10)。如圖2中所示，軸線27延伸穿過計量段22的中心。
[0017]擴散段24鄰近計量段22并且在計量段22的下游。如圖2和3中所示，擴散段24由底表面28、側(cè)表面30和32以及頂表面34界定。如圖2中所示，擴散段24從軸線27和計量段22縱向發(fā)散。底表面28隨著它從表面26延伸到出口 20而從軸線27縱向發(fā)散。如圖3中最好地展示，擴散段24還從計量段22橫向發(fā)散。側(cè)表面30和32隨著它們從表面26延伸到出口 20而張開。穿過冷卻孔16的冷卻流體擴散并且膨脹以便填充擴散段24。
[0018]圖3是在沿界定冷卻孔的表面中的一個或多個形成精細特征之前的冷卻孔16的透視圖。在圖3中未展示壁10的表面12和14，以便可以更好地示出冷卻孔的特征。如圖3中所示，底表面28、側(cè)表面30和32以及頂表面34界定擴散段24，并且從表面26延伸到出口 20。
[0019]圖2和3中所示的冷卻孔16通常由傳統(tǒng)制造技術(shù)形成，其中從壁10移除材料以便形成界定冷卻孔16的表面26、28、30、32和34。合適的材料移除方法包括但不限于鉆孔、激光鉆孔、機械加工、放電加工(EDM)和它們的組合。例如，冷卻孔16的計量段22可由鉆孔形成，而冷卻孔16的擴散段24由EDM形成。在一些情況下，冷卻孔16還可使用鑄造過程制成。
[0020]圖4示出具有精細特征的冷卻孔的一個實施方案。圖4是在底表面28上具有凸起特征36的冷卻孔16的透視圖。通過將材料附加到底表面28上來在冷卻孔16內(nèi)形成凸起特征36。在這個實施方案中，特征36是位于底表面28的材料的突起區(qū)域。與計量段22和擴散段24不同，凸起特征36無法通過從壁10移除材料來輕易地形成。鑄造、鉆孔、激光鉆孔、機械加工和EDM技術(shù)通常無法可靠地并且可再生產(chǎn)地或廉價地形成凸起特征36的幾何結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，使用加成制造技術(shù)來形成凸起特征36。
[0021]用于形成凸起特征36的合適的加成制造技術(shù)包括但不限于選擇性激光熔化、直接金屬激光燒結(jié)、選擇性激光燒結(jié)和電子束熔化?？扇Q于用來形成凸起特征36的材料類型來選擇加成制造技術(shù)。在一些實施方案中，凸起特征36由金屬、合金或超級合金形成。在這些實施方案中，上述技術(shù)中的任一種都可以是合適的。在其他實施方案中，凸起特征36由陶瓷材料形成。在這些實施方案中，選擇性激光燒結(jié)通常用來形成陶瓷凸起特征36。這些技術(shù)中的每一種都涉及加熱材料薄層并且將其熔化以便使其和襯底結(jié)合。加熱/熔化和結(jié)合過程可重復若干次，直到材料形成所需的凸起特征36。
[0022]更特定地說，通過在底表面28上沉積材料并且選擇性地加熱所述材料以便其熔化并且在凝固后與底表面28結(jié)合，在冷卻孔16內(nèi)形成凸起特征36。可重復這個過程，直到形成所需特征的幾何結(jié)構(gòu)和厚度。將所述材料與底表面28結(jié)合形成了如圖4中所示的凸起特征36。取決于用來形成凸起特征36的材料類型(例如，合金、陶瓷等)，可使不同的沉積方法。應(yīng)用于底表面28的材料可以是噴涂在或放置在底表面28上的金屬或陶瓷粉末?；蛘?，可在每個加熱步驟之前沿底表面28依序定位金屬薄層。還可將金屬和陶瓷原材料形成為漿料并且將其刷到底表面28上。
[0023]—旦已將材料層沉積在底表面28上，就選擇性地加熱所述材料，使其超出熔化溫度，以便其熔化并且與底表面28結(jié)合。使用大功率激光或電子束輸送使所述材料熔化所需的能量，來加熱所述材料。在使用電子束來加熱所述材料的一些實施方案中，可以將整個部件放置在真空內(nèi)。在第一材料“層”應(yīng)用于底表面28(即，襯底)的情況下，激光或電子束能量在一些情況下還可熔化底表面28的一部分，從而在底表面28和凸起特征36之間形成牢固的結(jié)合。在熔化的材料凝固后，沉積附加材料并且再次執(zhí)行加熱過程。重復這一系列步驟(沉積、加熱/熔化、凝固)，直到凸起特征36包括所需的三維形狀和厚度。
[0024]在形成之前，確定凸起特征36的所需幾何特性。這些特性通常包括形狀、厚度、曲率和所需特征的其他三維性質(zhì)。一旦確定這些特征，計算機生成提供指令來控制加成制造操作的計算機輔助設(shè)計(CAD)文件、加成制造文件(AMF)格式文件或其他類型的文件。這個文件包括控制如上所述的逐層沉積和熔化的信息。在一些實施方案中，加成制造機械和系統(tǒng)在冷卻孔16內(nèi)沉積材料并且選擇性地熔化材料以便形成凸起特征36。
[0025]在圖4中所示的冷卻孔16中，凸起特征36為金字塔狀三維結(jié)構(gòu)。如上所述，由計算機生成描述凸起特征36的幾何結(jié)構(gòu)的CAD、AMF或其他文件。這個文件用來控制用于產(chǎn)生凸起特征36的逐層加成制造過程。凸起特征36包括頂點38和從頂點38延伸到底表面28的相對平坦的表面。凸起特征36使冷卻空氣轉(zhuǎn)向擴散段24的橫向邊緣，即凸角40和42，如2012年7月9日提交并且題為“