放电加工工艺、用于放电加工的物件及放电冷却剂的制作方法
【专利摘要】本发明涉及放电加工工艺、用于放电加工的物件及放电冷却剂，具体而言，公开了一种放电加工工艺、一种用于放电加工的物件和一种导电的放电加工冷却剂，该放电加工工艺包括放电加工部件的目标区域。该物件包括不导电层、导电层和在不导电层上的目标区域，该导电的放电加工冷却剂包括碳氢化合物液体和悬浮在碳氢化合物液体内的碳粉。
【专利说明】放电加工工艺、用于放电加工的物件及放电冷却剂
【技术领域】
[0001]本发明涉及经加工的物件和加工物件的工艺。更具体地，本发明涉及放电加工工艺、用于放电加工的物件及放电冷却剂。
【背景技术】
[0002]燃气涡轮部件遭受热学的、机械的、及化学的不利环境影响。例如，在燃气涡轮的压缩机部分中，大气例如被压缩至10-25个大气压，且在该过程中被绝热加热至例如800° -1250 °F (427°C-677°C)。此经加热并经压缩的空气被引入燃烧器，其于此处与燃料混合。该燃料被点燃，且该燃烧过程将该气体加热至非常高的温度，例如超出3000 T(1650°C )。这些热气体经过涡轮和排气系统，在涡轮处，固定在旋转涡轮盘上的翼型件提取能量以驱动涡轮的风扇和压缩机，在排气系统处，气体提供足够的能量以转动发电机转子从而产生电力。为在高温下保持足够的强度及避免氧化/腐蚀损坏，涂层被涂覆在金属部件的表面上以便于该部件运行良好且满足设计寿命。
[0003]为提高燃气涡轮的工作效率，燃烧温度一直被提高。由于更高的温度，用于制作部件的材料变得过于脆弱以至于不能实现其功能或者甚至开始熔化。传统地，空气被用于温度控制。这需要在被涂覆的部件中穿过关键位置钻出冷却孔。典型的高温燃气涡轮叶片或导叶可包含在翼型件表面上的数百个小冷却孔以冷却金属部件，例如，在典型的高级燃气涡轮的通常用热障涂层(TBC)涂覆的第一级喷嘴中可能有超过700个冷却孔。该产业两种TBC工艺占主导:电子束物理气相沉积(EBPVD)和等离子喷涂。
[0004]在涂覆的部件中加工冷却孔可大致分成两种方法:(I)先钻冷却孔，随后涂覆热障涂层或(2)先对部件进行涂覆且随后穿过涂层及底下的金属部件钻冷却孔。对于第一种方法，通常执行EBPVD，而第二种方法对于可能轻易覆盖及横跨先前钻的冷却孔的等离子喷涂TBC特别有利。第一种方法需要在涂覆前或在涂覆期间使用复杂的掩蔽方案且在涂覆后需要掩蔽物的完全去除。掩蔽的失败可导致先前加工的冷却孔被残余的涂层材料堵塞，这可能需要个别冷却孔的昂贵的重加工。对于第二种方法，由于热障涂层通常由不导电且易碎的陶瓷氧化物制成，不破坏热障涂层或下面的衬底的技术的可获得性是有限的。
[0005]一种已知的工艺在导电的涡轮部件上利用电子放电加工。该工艺局限于导电材料与绝缘冷却剂。为使用该工艺，通常不导电的某些材料的组分被改变成导电。这样的改变允许了电子放电加工的使用，但牺牲了物理性能和功能性能，例如，散裂性、耐磨性、耐疲劳性和/或热绝缘能力。
[0006]在另一种类型的已知工艺中，两步骤加工被利用以穿过涂层进入金属衬底加工特征部。该工艺开始以喷射水流或激光消融的任一种来击穿涂层，且随后使用放电加工(EDM)来加工导电的金属部分。这两个步骤的使用增加了工作时间、资本支出(例如，用于同轴激光消融子系统)及工艺相关的支出。另外，这样的工艺会具有基于激光消融的不利的特征部。尽管不合需要，但沿由喷射水流或激光消融加工出的特征部的深度的锥形常是不可避免的。[0007]在涂覆TBC的热气体通道(HGP)部件中钻出纤细的冷却孔(例如，具有大约0.030英寸的直径)是在HGP零件制造中要求最高的领域之一且该两步骤工艺被广泛应用。除以上提到的缺点之外，这种工艺会导致冷却孔的两部分不对准，这可将局部冷却减弱至设计极限以下且导致部件中局部过热。
[0008]激光钻孔会产生严重的重铸、裂纹和背部冲击(back strike)。喷射水流工艺会受深度能力的局限且引起背部冲击。此外，由任一种技术钻出的孔都包括沿其深度的锥形。
[0009]在本领域中，不受一个或更多以上缺点影响的放电加工工艺、用于放电加工的物件以及放电冷却剂是合乎需要的。
【发明内容】
[0010]在一个示例性实施例中，一种放电加工工艺包括放电加工物件的目标区域。该目标区域位于该物件的不导电层之上且位于该物件的导电层和放电加工系统的电极之间。
[0011]根据一个方面，目标区域包括导电涂料。
[0012]根据一个方面，导电涂料包括选自包括导电非金属、包括石墨的胶体、导电聚合物及其组合的组的材料。
[0013]根据一个方面，该放电加工工艺还包含通过选自包括涂刷、喷涂、通过分配机构喷射及其组合的组的技术来涂覆导电涂料。
[0014]根据一个方面，电极是单个电极的组合体，配置成在单次工艺中加工多个特征部。
[0015]根据一个方面，目标区域位于导电的放电加工冷却剂内。
[0016]根据一个方面，导电的放电加工冷却剂包括悬浮在碳氢化合物液体内的碳粉。
[0017]根据一个方面,碳粉处于在大约0.01 g/cm3和大约0.05 g/cm3之间的浓度。
[0018]根据一个方面，不导电层是热障涂层。
[0019]根据一个方面，工艺是一步骤工艺，其没有掩蔽和涂层、激光钻孔以及喷射水流工艺。
[0020]根据一个方面，放电加工去除目标区域。
[0021]根据一个方面，放电加工从不导电层去除材料。
[0022]根据一个方面，放电加工从导电层去除材料。
[0023]根据一个方面，放电加工从在不导电层与导电层之间的结合层去除材料。
[0024]根据一个方面，放电加工以相对物件的表面大约5度和大约90度之间的角度去除材料。
[0025]根据一个方面，放电加工在物件内形成冷却孔。
[0026]根据一个方面，物件是涡轮部件。
[0027]在另一个示例性实施例中，一种用于放电加工的物件包括不导电层、导电层及在不导电层上远离导电层的目标区域，该目标区域包括导电涂料。该不导电层是涡轮部件的热障涂层。
[0028]在另一个示例性实施例中，一种导电的放电加工冷却剂包括碳氢化合物液体和悬浮于该碳氢化合物液体内的碳粉。该导电的放电加工位于放电加工系统内。
[0029]根据一个方面，导电的放电加工冷却剂的至少一部分从放电加工系统的电极暂时充电。[0030]由下文优选实施例的更详细的描述，结合以示例方式说明本发明原理的附图，本发明的其他特征和优点将变得明显。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]图1示意地展示了依据本公开内容的形成示例性部件的一种示例性工艺。
[0032]所有可能的地方，相同的标号将贯穿示图地用以表示相同的零件。
【具体实施方式】
[0033]所提供的是一种示例性放电加工工艺，一种用于放电加工的物件，及放电加工冷却剂。本公开内容的实施例允许在不导电层上使用放电加工，允许对结构加工的更多控制，允许以低支出加工，增强经加工的特征部(例如，涡轮部件上的冷却孔)的功能性能及附近材料的物理/机械性能，允许以提高的效率加工特定的经加工特征部，增强材料和/或经加工特征部(例如，涡轮部件上的冷却孔)的物理性能，允许穿过热障涂层钻出小的无锥形且成形的冷却孔而对涂层具有极小的损害或无损害，或它们的组合。
[0034]参考图1，一种示例性的放电加工(EDM)工艺100包括，将物件101相对于EDM系统103定位以形成经加工的特征部105，例如涡轮部件上的冷却孔，涡轮部件例如叶片、喷嘴、轮叶、燕尾榫、护罩或任何其他适合的部件。在一个实施例中，该工艺100是一步骤工艺。例如，在一个实施例中，该工艺100没有与掩蔽和涂覆、激光钻孔、喷射水流工艺，或它们的组合相结合的钻孔。备选的，在一个非优选实施例中，该工艺100包括与掩蔽和涂覆、激光钻孔，喷射水流工艺，或它们的组合相结合的钻孔。
[0035]物件101位于导电的EDM冷却剂117内。该导电的EDM冷却剂117是具有至少预先确定的传导率的流体。在一个实施例中，该流体为碳氢化合物液体，例如，具有悬浮在内的碳粉的煤油。在一个实施例中，该碳粉以这样的重量浓度存在:在大约0.01 g/cm3和大约0.05 g/cm3之间,在大约0.01 g/cm3和大约0.03 g/cm3之间，在大约0.03 g/cm3和大约0.05 g/cm3之间,在大约0.01 g/cm3,在大约0.03 g/cm3,在大约0.05 g/cm3,或它们的任何适合的组合、子组合、范围或子范围。
[0036]该物件101包括导电层107，例如衬底，及不导电的层109。在一个实施例中，导电层107具有大约IO2到IO5 OhnT1CnT1的传导率和/或不导电层109具有超过300 ohm cm的电阻率。在一个实施例中，导电层107是衬底金属(base metal),例如,镍基超合金。在一个实施例中，该衬底金属具有这样的重量组份:大约14%的铬，大约9.5%的钴，大约3.8%的钨，大约1.5%的钥，大约4.9%的钛，大约3.0%的铝，大约0.1%的碳，大约0.01%的硼，大约2.8%的钽，以及余量的镍。在一个实施例中，该衬底金属具有这样重量组份:大约7.5%的钴，大约7.0%的铬，大约6.5%的钽，大约6.2%的铝，大约5.0%的钨，大约3.0%的铼，大约1.5%的钥，大约0.15%的铪，大约0.05%的碳，大约0.004%的硼，大约0.01%的钇，以及余量的镍。在一个实施例中，该衬底金属具有这样重量组份:在大约0.15%和0.20%之间的碳，在大约15.70%和大约16.30%之间的铬，在大约8.00%和大约9.00%之间的钴，在大约1.50%和大约2.00%之间的钥，在大约2.40%和大约2.80%之间的钨，在大约1.50%和大约2.00%之间的钽，在大约0.60%和大约1.10%之间的铌，在大约3.20%和大约3.70%之间的钛，在大约3.20%和大约3.70%之间的铝，在大约0.005%和大约0.015%之间的硼，在大约0.05%和大约0.15%之间的锆，大约至多0.50%的铁，大约至多0.20%的锰，大约至多0.30%的硅，大约至多0.015%的硫，以及余量的镍。在一个实施例中，不导电层109是涂层，例如，诸如氧化钇稳定的氧化锆或任何其他陶瓷氧化物的热障涂层。在一个实施例中，该物件101包括位于不导电层109和导电层107之间的结合覆层115。该结合覆层115提供导电层107与不导电层109之间的过渡区，从而提高与在导电层107与不导电层109之间的该过渡区相关联的物理性能。一种适合的结合覆层115是或包括NiCrAlY,CoNiCrAlY,或 FeNiCrAlY。
[0037]不导电层109相比于导电层107定位成靠近EDM系统103的电极111。换言之，在工艺100期间，物件101被定向成使得不导电层109位于导电层107和电极111之间。不导电层109浸入导电的EDM冷却剂117之内。
[0038]远离于导电层107的至少一部分，目标区域113位于浸入在导电的EDM冷却剂117内的不导电层109上。该目标区域113是电弧启动器，其能够在电极111被激活时形成电弧。该目标区域113和该电极111由导电的EDM冷却剂117分隔开。该目标区域113定位于距电极111预先确定的间隔距离处。在一个实施例中，该目标区域113包括导电涂料，例如，胶体石墨涂料。该涂料粘附在不导电层109上且具有基本均匀的厚度。在一个实施例中，该目标区域113包括导电材料的涂料以使涂料具有预先确定的电阻，例如，在大约100和大约300 ohm cm之间。该涂料通过任何适合的工艺涂覆，例如涂刷，喷涂或喷射，例如从中空电极或单独的喷嘴末梢。该喷射方法协助准确地定位目标区域113。在一个实施例中。喷射由自动注射器型分配机构完成，该机构依据待加工的特征部在加工前分配固定量的导电材料。在一个实施例中，该目标区域113包括导电非金属，例如导电聚合物和/或氧化物以使涂料具有小于大约300 ohm cm的电阻率。
[0039]如图1中所示，该工艺100继之以在电极111和目标区域113之间的一系列重复放电的快速产生，从而去除目标区域113的材料。该工艺100继而通过进一步的放电去除/加工不导电层109的至少一部分。在一个实施例中，在经加工的特征部105形成前，该目标区域113在工艺100中通过放电被完全去除。在一个实施例中，该工艺100还包括通过进一步放电去除/加工位于不导电层109和导电层107之间的结合覆层115。该工艺100随后继续通过进一步放电去除导电层107的至少一部分，从而形成经加工的特征部105。
[0040]该经加工的特征部105是通过EDM工艺100能够形成的任何适合的特征部。在一个实施例中，该经加工的特征部105具有预先确定的最大宽度，例如，在大约0.015英寸和大约0.080英寸之间,在大约0.015英寸和大约0.030英寸之间，大约或小于大约0.010英寸，大约或小于大约0.020英寸,大约或小于大约或小于大约0.030英寸，大约或小于大约或小于大约或小于大约0.040英寸,大约或小于大约0.050英寸,大约或小于大约0.060英寸，大约或小于大约0.070英寸,大约或小于大约0.080英寸,或它们的任何适合的组合、子组合、范围或子范围。在一个实施例中，该经加工的特征部105延伸穿过该物件101和/或该经加工的特征部105包括预先确定的几何形状，例如，为圆柱形、平截头圆锥形、圆锥形、立方体、矩形/渠道状、椭圆形、复杂形状，或它们的组合。
[0041]在一个实施例中，取决于该特征部105的特性，电极111相对于该物件表面以角度a倾斜。对于该角度a的适当值包括但不限于,在大约5度和大约90度之间，在大约5度和大约60度之间，在大约5度和大约45度之间，在大约5度和大约30度之间，在大约5度至和大约15度之间,在大约15度和大约90度之间,在大约30度和大约90度之间,在大约45度和大约90度之间，在大约60度和大约90度之间，在大约30度和大约60度之间，在大约30度和大约45度之间，在大约45度和大约60度之间，或它们任何适合的组合、子组合、范围或子范围。
[0042]在一个实施例中，该电极111是单个电极的组合体，允许多个经加工的特征部的制造，例如，在单次如前所述工艺中制造的在轮叶、喷嘴和/或护罩中的一个冷却孔阵列。
[0043]虽然参照优选实施例描述了本发明，但本领域技术人员可以理解在不偏离本发明范围的情况下可以做许多更改以及可以用等价物替代其要件。另外，可以做出许多改变以使特定情形或材料适应本发明的教导，而不超出本发明本质范围。所以，意图在于本发明不受作为构思用来执行本发明的最佳模式的特定实施例的限制，而是本发明将包括落在所附权利要求范围内的所有实施例。
【权利要求】
1.一种放电加工工艺，包含: 放电加工物件的目标区域； 其中所述目标区域位于所述物件的不导电层上，且位于所述物件的导电层和放电加工系统的电极之间。
2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述目标区域包括导电涂料。
3.根据权利要求2所述的工艺，其特征在于，所述导电涂料包括选自包括导电非金属、包括石墨的胶体、导电聚合物及其组合的组的材料。
4.根据权利要求2所述的工艺，其特征在于，还包含通过选自包括涂刷、喷涂、通过分配机构喷射及其组合的组的技术来涂覆所述导电涂料。
5.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述电极是单个电极的组合体，配置成在单次工艺中加工多个特征部。
6.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述目标区域位于导电的放电加工冷却剂内。
7.根据权利要求6所述的工艺，其特征在于，所述导电的放电加工冷却剂包括悬浮在碳氢化合物液体内的碳粉。
8.根据权利要求7所述的工艺，其特征在于，所述碳粉处于在大约0.0l g/cm3和大约0.05 g/cm3之间的浓度ο
9.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述不导电层是热障涂层。
10.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述工艺是一步骤工艺，其没有掩蔽和涂层、激光钻孔以及喷射水流工艺。
【文档编号】B23H1/00GK103567578SQ201310340556
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年8月7日 优先权日:2012年8月8日
【发明者】冯干江, J.C.谢菲尔, M.D.阿内特, 刘山 申请人:通用电气公司