用于在冷却孔中制作悬置凸片的添加制造方法与流程

本发明涉及涡轮构件中的孔形成，且更具体地涉及使用添加制造工艺在膜孔的排放端的上游部分上形成悬置凸片(overhangingtab)。

背景技术：

涡轮发动机中的翼型件常常包括用于沿翼型件的外表面排放冷却空气膜来影响膜冷却的冷却孔。这些可称为"膜冷却孔"或"膜孔"。

大体上，冷却孔从入口端到出口端延伸穿过飞行器构件中的壁。在一些冷却孔中，出口端构造为大体上圆锥形的扩散器，且定位在具有前缘和后缘的飞行器构件的表面中。有时期望的是，替代为圆锥形的，冷却孔的扩散器区段构造成使得上游侧悬置出口。在此方面，穿过冷却孔的流在其靠近冷却孔的出口侧时转向而更接近相切于由膜冷却保护的局部热气体表面。冷却孔的出口端中的流转向，使得流与冷却孔的出口端排放至其的表面更平行。

为了引起流中的此转向，悬置凸片定位在冷却孔的出口端的前缘处。悬置凸片构造成使得它们朝冷却孔出口的后缘延伸。此悬置凸片可能是非常薄的，且因此难以使用常规手段制作。

用于形成膜冷却孔的常规方法包括铸造和机加工。由常规方法生产膜孔中的一个问题在于它们在薄度方面有限。在此方面，一些常规方法不能形成薄的悬置凸片，这是由于由这些方法形成的边缘具有最小半径，且最小半径大于悬置凸缘所期望的。尽管一些常规方法能够形成具有期望薄边缘的悬置凸片，但它们不能产生具有期望的恒定厚度和足够尺寸的此类悬置凸片。

技术实现要素：

该需求通过使用添加制造过程在膜孔的排放端的上游部分上形成薄凸片的方法来解决。

根据本文所述的技术的一个方面，提供了一种用于在经过构件的冷却孔的排放端处形成悬置结构的方法。该方法包括使用添加制造过程来将材料熔合到面上以构建冷却孔的排放端的边缘来形成悬置凸片的步骤。

根据本文所述的技术的另一个方面，提供了一种用于形成在具有带有内表面和外表面的构件壁的涡轮构件上的冷却孔的薄上游边缘的方法，其中冷却孔经过构件壁，且流体地连接内表面和外表面。该方法包括除去冷却孔的排放端的一部分，以便形成定位在外表面与冷却孔之间的第一表面；以及使用添加制造过程来构成朝第一表面上的冷却孔的排放端的后缘远离第一表面延伸的结构。

本发明的第一技术方案提供了一种形成经过构件的冷却孔的排放端处的悬置结构的方法，所述方法包括：使用添加制造过程来将材料熔合到面上来构成所述冷却孔的排放端的边缘，以形成悬置凸片。

本发明的第二技术方案是在第一技术方案中，还包括将粉末沉积在位于所述冷却孔的所述排放端处的凹口中；以及以对应于结构中的层的图案熔合所述粉末。

本发明的第三技术方案是在第二技术方案中，还包括在循环中重复沉积和熔合的步骤来以逐层方式构建所述悬置结构。

本发明的第四技术方案是在第三技术方案中，重复沉积和熔合的循环导致包括熔合和未熔合的粉末两者的所述构件壁，所述方法还包括除去所述未熔合的粉末。

本发明的第五技术方案是在第二技术方案中，多个单独的后续层直接地熔合在所述面上。

本发明的第六技术方案是在第五技术方案中，还包括将相邻的后续层直接地熔合到所述面上。

本发明的第七技术方案是在第二技术方案中，还包括在所述冷却孔中形成塞，以及将粉末沉积在所述塞上。

本发明的第八技术方案是在第七技术方案中，所述方法还包括熔合所述粉末，使得未熔合的粉末留在所述塞的至少一部分上。

本发明的第九技术方案是在第八技术方案中，还包括通过熔合后续层来形成所述悬置凸片，使得各个后续层的未熔合的粉末重叠前一层的未熔合粉末。

本发明的第十技术方案是在第一技术方案中，还包括构建所述排放端的上游边缘。

本发明的第十一技术方案是在第一技术方案中，所述构件包括金属合金。

本发明的第十二技术方案是在第一技术方案中，所述粉末包括金属合金。

本发明的第十三技术方案提供了一种形成在具有带有内表面和外表面的构件壁的涡轮构件上的冷却孔的薄上游边缘的方法，其中所述冷却孔经过所述构件壁，且流体地连接所述内表面和所述外表面，所述方法包括：除去所述冷却孔的排放端的一部分，以便形成定位在所述外表面与所述冷却孔之间的第一表面；以及使用添加制造过程来构成朝所述第一表面上的所述冷却孔的所述排放端的后缘远离所述第一表面延伸的结构。

本发明的第十四技术方案是在第十三技术方案中，还包括将粉末沉积在所述第一表面上；以及以对应于所述结构中的层的图案熔合所述粉末。

本发明的第十五技术方案是在第十四技术方案中，还包括在循环中重复沉积和熔合的步骤来以逐层方式构建所述结构。

本发明的第十六技术方案是在第十五技术方案中，重复沉积和熔合的循环导致包括熔合和未熔合的粉末两者的所述构件，所述方法还包括除去所述未熔合的粉末。

本发明的第十七技术方案是在第十四技术方案中，还包括在所述冷却孔中形成塞，以及将粉末沉积在至少部分地重叠所述塞的层中。

本发明的第十八技术方案是在第十七技术方案中，还包括熔合所述层中的粉末，使得所述图案将未熔合的粉末留在所述塞的至少一部分上。

本发明的第十九技术方案是在第十八技术方案中，还包括重复沉积粉末和使用的步骤，直到未熔合的粉末层在所述构件的外表面上方延伸；以及除去多余的来熔合材料，使得所述构件的外表面在所述冷却孔上平稳地延伸。

附图说明

本发明可连同附图参照以下描述来最佳地理解，在附图中：

图1为包括在飞行器发动机中的涡轮叶片的透视图，其中涡轮叶片的壁包括用于冷却壁的多个膜孔；

图2为在线2-2处截取的图1中所示的涡轮叶片的一部分的截面视图，示出了按照用于通过添加制造来制造膜孔的方法形成的复杂膜孔；

图3为示出复杂膜孔的图1中所示的涡轮叶片的一部分的平面视图；

图4为沿图1中的线2-2截取的图1的涡轮叶片的制造过程的一个步骤期间生成的壁区段坯料的一部分的截面视图；

图5为图3中的壁区段的透视图，示出了穿过其间形成的开孔；

图6a为图5的涡轮构件的一部分的截面视图，示出了材料已经从涡轮构件除去，使得凹口被限定；

图6b为图5的涡轮构件的一部分的平面视图，示出了材料已经除去，使得凹口被限定；

图7为图6中所示的壁区段的一部分的截面视图，其中孔在凹口附近的一个区段已经被阻塞；

图8为图7中的壁区段的一部分的截面视图，示出了粉末施加到壁区段上；

图9为图8中的壁区段的一部分的截面视图，示出了被熔合的粉末；

图10为图9的壁区段的一部分的截面视图，示出了已经加至凹口以限定在阻塞的孔的一端处开始的扩散器区段的过渡区域的一部分；

图11为图10的壁区段的一部分的截面视图，示出了加至凹口的附加的新材料；

图12为图11的壁区段的截面视图，其中已经除去了未熔合的粉末；以及

图13为图12中所示的壁区段的截面视图，其中已经除去阻塞材料，且示出了按照下文所述的方法制造的复杂膜孔的轮廓。

零件列表

10涡轮叶片

12燕尾部

14叶片柄

16平台

18翼型件

19根部

22尖端

24凹形压力侧壁

26凸形吸力侧壁

28前缘

31后缘

32放气槽口

34尖端盖

36声响器尖端

38吸力侧尖端壁

39压力侧尖端壁

54内表面

56外表面

100膜冷却孔

104入口区段

108出口区段

113侧部

109凸片

111边沿

112过渡区域

120壁区段

122开孔

124第一端

126第二端

131表面

132凹口

133面

134塞

152材料

154内表面

156外表面

200膜孔

204入口区段

208出口区段

212过渡区段。

具体实施方式

参看附图，其中相同的参考标号表示各种视图各处的相同元件，图1示出了示例性涡轮叶片10。涡轮叶片10包括常规燕尾部12，其可具有任何适合的形式，包括柄脚，其接合转子盘(未示出)中的燕尾槽的互补的柄脚，以用于在叶片10在操作期间旋转时将叶片10固持到盘上。叶片柄14从燕尾部12沿径向向上延伸，且终止于平台16，平台16从柄14沿侧向向外突出，且包绕柄14。中空翼型件18从平台16沿径向向外延伸且延伸到热气流中。翼型件具有在平台16和翼型件18的接合处的根部19，以及在其径向外端处的尖端22。翼型件18具有在前缘28处和在后缘31处连结在一起的凹形压力侧壁24和凸形吸力侧壁26。

翼型件18可采用适用于从热气流获得能量且引起转子盘的旋转的任何构造。翼型件18可将多个后缘放气槽口32结合在翼型件18的压力侧壁24上，或者它可结合多个后缘冷却孔(未示出)。翼型件18的尖端22由尖端盖34封闭，尖端盖34可整体结合到翼型件18上，或单独地形成且附接到翼型件18上。直立的声响器尖端(squealertip)36从尖端盖34沿径向向外延伸，且设置成紧邻组装的发动机中的静止护罩(未示出)，以便最小化穿过尖端22的空气流损失。声响器尖端36包括与压力侧尖端壁39成间隔开的关系设置的吸力侧尖端壁38。尖端壁39和38整体结合到翼型件18上，且分别形成压力侧壁24和吸力侧壁26的延伸部。压力侧尖端壁38和吸力侧尖端壁39的外表面分别与压力侧壁24和吸力侧壁26的外表面形成连续的表面。多个膜冷却孔100经过翼型件18的外壁。膜冷却孔100与翼型件18的内部(未示出)连通，其可包括由内壁限定的冷却通路的复杂布置，诸如蛇线构造。注意，翼型件18可由诸如具有良好高温抗蠕变性的镍基或钴基合金(通常称为"超级合金")的材料制成。

图2和3更详细示出了膜冷却孔100中的一个。膜孔100从压力侧壁24的内表面54延伸至压力侧壁24的外表面56。膜孔100包括入口区段104和出口区段108。出口区段108包括形成边沿111的一个区段的悬置凸片109。悬置凸片109限定出口区段108的至少上游区域105上的外表面56的延伸部。悬置凸片109可构造成使得其围绕边沿111朝下游区域106经由侧部113延伸。悬置凸片109的侧部113成锥形，使得悬置凸片109从离上游区段更远的边沿111的点处的出口区段逐渐退回。如图3中所示，悬置凸片109限定平面视图中的弧，其定向成使得其朝下游区域106打开。应当认识到的是，根据其它方面的悬置凸片109可限定平面视图中的任何其它期望形状，包括弯曲的凸形、凹形或几何图案(诸如锯齿形)。入口区段104通常称为"计量区段"，且大体上是圆形。入口区段104和出口区段108在过渡区域112处汇合。在此方面，入口区段104从内表面54延伸至过渡区域112。

出口区段108具有从过渡区域112到外表面56增大的流动面积。如图2和3中所见，出口区段108的大小在侧向方向上沿流动方向增大。此类结构通常称为"扩散器区段"，且可采用各种形状，诸如圆锥形、四边形或更多层面的。

膜孔100构造成使得其限定非线性流体流动通路a。流体通路a在其经过过渡区域112时改变方向且扩张。膜冷却孔100为复杂膜孔的实例，且更具体而言，复杂膜孔100为非视线孔(non-line-of-sighthole)的实例。如本文中所使用的，用语"复杂"是指包括除具有单个直线圆形截面的开孔外的任何部分或特征的任何孔。举例来说且不限制，这样的孔包括不可由常用方法(诸如激光钻孔和放电加工)制造的那些方法。

现在将描述制造复杂膜孔(诸如膜孔100)的方法。首先，提供了如图4中所示的壁区段120。壁区段120大体上代表任何形状(诸如平的、凸形的、凹形的和/或复杂弯曲的)的任何涡轮构件的壁区段。诸如上文所述的吸力侧壁26，且分别包括相对的内表面154和外表面156。应当理解的是，壁区段120的提供步骤包括但不限于制造壁区段120或获得预制的壁区段120。制造壁区段120的方法包括但不限于通常已知的那些，诸如铸造、机加工和它们的组合。其次，根据所示实施例，如图5中所示的开孔122形成为穿过壁区段120。应当认识到的是，开孔122根据常规手段(诸如机加工、钻孔)形成。此外，开孔122可在壁区段120的形成期间通过诸如铸造的方法形成。

开孔122从第一端124延伸至第二端126。参看图6a和6b，下一个步骤为除去包绕开孔122的第二端126的壁区段120的一部分。这可选地后接除去壁区段120的另一部分，使得开孔122的第二端126围绕其圆周的至少一些重新限定。以此方式，凹口132形成在管的第二端126处，且准备接收附加材料。凹口132与表面156和开孔122流体连通。凹口132由表面131限定，且包括面133。举例来说而不限制，凹口132和面133可由以下工艺中的一者形成：磨削、铸造、钻孔、机加工和它们的组合。应当认识到的是，在一些常规制造过程中，窄点是不可形成的或在处理期间断开。相信在这些状态中，面133可意外形成。此面133可能不是基本平的，而是可改为具有圆形或粗糙轮廓。此轮廓将适用于下文所述的方法。应当认识到的是，面133可为关于表面156的任何定向，且可以以能够利用已知制造技术的任何方式来成形。

在制备用于在第二端126附近接收附加材料的开孔122的步骤之后，实施了关于使用添加制造过程来重新构造开孔122的第二端126的步骤。

添加制造过程可选地以如图7中所示的塞134阻塞开孔122的步骤开始，使得面133保持露出。应当认识到的是，开孔122的阻塞不是必需的，且添加制造过程可以以定位壁区段120的步骤开始，或其可以以施加粘合剂和/或施加粉末的步骤开始。在所示实施例中，塞134定位在开孔122接合凹口132的位置，且构造成使得防止来自后续添加制造步骤的粉末进入开孔122中。应当认识到的是，举例来说而不限制，开孔122可使用以下材料中的至少一者来阻塞：聚合物、未熔合的粉末、蜡或其它材料，以及它们的组合。应当认识到的是，这些材料选择成使得它们可通过溶解、机械手段、热或它们的组合来从完成的部分除去。

可执行在预定位置将粘合物质施加到面133上的可选步骤。

如图8中所示，粉末p(例如，金属、陶瓷和/或有机粉末)沉积在凹口132中。粉末加至凹口132，直到其达到预定水平。作为优选，该预定水平包括待熔合的第一层粉末，通常其中悬置凸片159的构造在面133处开始。作为非限制性实例，粉末层的厚度可为大约10微米(0.0004英寸)。

粉末p可通过使粉末滴落或喷洒到凹口132上或通过将壁区段120浸入粉末中来施加。粉末施加可选地按需要后接刷洗、刮削、吹气或摇动，以除去多余粉末，例如，以获得均匀的层。将注意的是，粉末施加过程不需要常规粉末床或平面工作表面，且零件可由任何期望的手段(诸如简单的工作台、夹具或固定装置)来支承。

如图9中可见，一旦粉末p在壁区段120的凹口132中沉积到预定水平，则定向能量源b(诸如，激光或电子束)被用于熔化正被建造的结构的层。定向能量源发射束，且束操纵设备用于以适合图案在露出的粉末表面上操纵束。粉末的露出层由束加热至允许其熔化、流动和固结的温度，且熔合或粘合到与其接触的基底上。以此方式，构成粉末p的金属颗粒现在作为壁区段120的一部分存在。该步骤可称为熔合粉末。未熔合的粉末可在施加粘合剂、施加粉末和熔合粉末的下一循环之前在此阶段除去。然而，在所示实施例中，在各个步骤中并未除去的未熔合的粉末仍在适当的位置上。在此方面，未熔合的粉末可操作成支承下一层的粉末。

粘合粉末、除去多余粉末且然后定向能量熔化粉末的该循环重复，直到整个构件完成。如图10中所示，在层熔合之后，新材料152逐渐构成为层的部分。以此方式，悬置凸片的部分在凹口132逐渐填充粉末p时形成。在构件完成时，如图11,12和13中所示，新材料152定位在凹口132中，且限定膜孔200。膜孔200包括入口区段204，以及出口区段208，过渡区段212。膜孔200至少部分地填充有填料f。举例来说而不限制，填料f包括以下的一者：未熔合的粉末p、粘合剂、阻塞材料134和它们的组合。在精整步骤中，填料f和来自先前步骤的任何其它未熔合和未联结的粉末或粘合剂可在一个清洁步骤中除去。作为备选，可使用两个清洁步骤。一个在于通过空气压力或空气射流除去松散的填料f材料，从而导致图12中所示的结构。而第二个为通过诸如用溶剂来溶解、使用热来消散等的方法来除去塞134，这导致图13中所示的结构。应当注意的是，图13中所示的结构与图2中所示的结构基本相同，只是强调了经由本方法添加的新材料。

所述的过程仅为添加制造过程的一个实例。"添加制造"是本文中用于描述工艺的用语，该工艺涉及逐层构建或添加制造(与关于常规加工过程的材料除去相反)。此过程还可称为"快速制造过程"。添加制造工艺包括但不限于：直接金属激光熔化(dmlm)、激光近净成形制造(lnsm)、电子束烧结、选择性激光烧结(sls)、3d打印(诸如通过喷墨和激光喷射)、立体光刻(sla)、电子束熔化(ebm)、激光工程近净成形(lens)，以及直接金属沉积(dmd)。

本文所述的过程具有优于现有技术的若干优点。添加制造过程关于可制造的膜孔的形状和构造更加灵活得多。此外，相信添加制造过程允许膜孔的形成期间的较低热生成，且因此结晶结构和涡轮叶片形状较少变形。

上文所述的方法提供了用于在膜孔或复杂出口成形的其它类似的孔口中产生悬置凸片的手段，而不需要常规机加工过程，诸如钻孔、edm成型或激光穿孔。通过允许在单个过程中形成复杂的出口形状来避免此常规方法的复杂性。这将允许制作复杂冷却的构件的灵活性和成本降低两者。这继而又具有提高涡轮构件的冷却效率和降低发动机比燃料消耗("sfc")的潜在可能。

前文已经描述了用于在涡轮叶片中的膜孔的成形的出口孔且更具体而言是膜孔出口中的悬置凸片的添加制造的设备及方法。本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征和/或如此公开的任何方法或工艺的所有步骤可以以除此类特征和/或步骤中的至少一些互斥的组合外的任何组合来组合。

本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的各个特征可由用于相同、等同或类似目的的备选特征替换，除非明确另外指出。因此，除非明确另外指出，否则公开的各个特征仅为普通的一系列等同或类似特征的一个实例。

本发明不限于前述(多个)实施例的细节。本发明延伸至本说明书(包括任何所附潜在新颖点、摘要和附图)中公开的特征的任何新颖的一个、或任何新颖的组合，或延伸至如此公开的任何方法或工艺的任何新颖的一个或任何新颖的组合。