专利名称：带有形成在涂层中的冷却通道的构件和制造方法
技术领域：
本发明总体上涉及燃气涡轮发动机，且更具体地涉及其中的微通道冷却。
背景技术：
在燃气涡轮发动机中，空气在压缩机中被加压并在燃烧器中与燃料混合以便产生热燃烧气体。从驱动压缩机的高压涡轮(HPT)和驱动涡扇飞行器发动机应用中的风扇或者驱动用于海洋和エ业应用的外部轴的低压涡轮(LPT)中的气体提取能量。发动机效率随着燃烧气体的温度而升高。然而，燃烧气体加热沿它们的流动路径的各种构件，这又需要对这些构件进行冷却，以实现长的发动机寿命。典型地，热气体路径构件通过来自压缩机的滲出空气冷却。该冷却过程降低了发动机效率，因为渗出空气未用于燃烧过程。 燃气涡轮发动机冷却技术是成熟的并且包括用于冷却回路的各个方面和各种热气体通路构件中的特征的大量专利。例如，燃烧器包括在操作期间需要冷却的径向外村里和内村里。涡轮喷嘴包括被支承在外带与内带之间的中空导叶，这些导叶也需要冷却。涡轮转子叶片是中空的并且典型地在其中包括冷却回路，且叶片被也需要冷却的涡轮护罩包围。热燃烧气体经也可被垫衬并适当地冷却的排气道排放。在所有这些示例性燃气涡轮发动机构件中，高強度超合金金属的薄金属壁典型地用于增强的耐久性，同时使其冷却需求最小化。各种冷却回路和特征在它们在发动机中对应的环境中针对这些单独的构件进行定制。例如，一系列内部冷却通路或蛇形通路可形成在热气体路径构件中。可从气室向蛇形通路提供冷却流体，并且冷却流体可流经这些通路，从而冷却热气体路径构件衬底和涂层。然而，该冷却策略典型地引起比较低的传热率和不均匀的构件温度分布。微通道冷却具有通过尽可能靠近被加热的区域布置冷却而显著地減少冷却需求的潜力，从而对于给定的传热率而言减小主负载轴承衬底材料的热侧和冷侧之间的温差。过去ー种在涡轮翼型件中形成冷却微通道的制造方法是在翼型件铸件的外壳中形成通道，然后将结构涂层涂覆在通道上。參见例如Melvin R. Jackson等人的美国专利No. 5，626，462“Double-Wall Airfoil”，其通过引用而整体结合在本申请中。然而，铸造翼型件的壁厚的减小和对应的強度降低使得仍存在对这些技术的担忧，因为通道加工在负载轴承衬底中。因此，希望提供一种用于制造消除了鋳造翼型件的任何強度降低的微通道冷却的构件的方法。还希望提供一种用于制造增强了负载轴承衬底的热防护的微通道冷却的构件的方法。
发明内容
本发明的一方面在于ー种制造构件的方法。该方法包括将结构涂层沉积在衬底的外表面上。该衬底具有至少ー个中空内部空间。该方法还包括在结构涂层中形成一个或更多凹槽。每个凹槽均具有基部并且至少部分地沿衬底延伸。该方法还包括将至少一个附加涂层沉积在结构涂层和凹槽上，使得凹槽和附加涂层共同限定用于冷却构件的一个或更多通道。该方法还包括形成穿过凹槽中的相应ー个的基部的ー个或更多进入孔，以将相应的凹槽与相应的中空内部空间流体连通地连接。该方法还包括对相应的一个或更多通道中的每ー个形成穿过附加涂层的至少ー个离开孔，以从相应的通道接收和排放冷却剤。本发明的另一方面在于ー种包括衬底的构件，该衬底包括外表面和内表面，其中内表面限定至少ー个中空内部空间。该构件还包括设置在衬底的外表面的至少一部分上的结构涂层。该结构涂层限定一个或更多凹槽。每个凹槽均至少部分地沿衬底延伸并且具有基部。一个或更多进入孔延伸穿过ー个或更多凹槽中相应ー个的基部，以将凹槽置于与相应的中空内部空间流体连通。该构件还包括设置在结构涂层和凹槽上的至少ー个附加涂层，使得凹槽和附加涂层共同限定用于冷却构件的一个或更多通道。至少ー个离开孔延伸穿过用于相应的ー个或更多通道中的每ー个的附加涂层，以从相应的通道接收和排放冷却剂流体。
当參考附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，全部附图中同样的附图标记始終表示同样的零件，其中图I是燃气涡轮机系统的示意图；图2是根据本发明的方面的带有形成在结构涂层中的冷却通道的示例性翼型件构型的示意性截面；图3-8示意性地图示了用于在结构涂层中形成通道的处理步骤；图9在透视图中示意性地描绘了形成在结构涂层中并且将冷却剂引导到相应的薄膜冷却孔的三个示例性通道；图10是图9的示例性通道中的一个的截面图并且示出了从进入孔经结构涂层到薄膜冷却孔的微通道传送冷却剂；图11-18示意性地图示了利用短效涂层在结构涂层中形成通道的替代处理步骤；以及图19-20示意性地图示了用于在不使用牺牲性填料的情况下在结构涂层中形成凹入形的通道并且其中得到的通道具有可滲透的槽的替代处理步骤。零件列表10燃气涡轮机系统12压缩机14燃烧器16 涡轮18 轴20燃料喷嘴30短效涂层32牺牲性填料34短效涂层中的开ロ
50 涂层54结构涂层的第一层56附加涂层57环境涂层 58形成在结构涂层的第一层中的开ロ59附加涂层100热气体通路构件110 衬底112衬底的外表面114中空内部空间116衬底的内表面130 通道132 凹槽134凹槽的基部136凹槽的顶部(开ロ)140进入孔142薄膜孔160磨料液射流
具体实施例方式用语“第一”、“第二”等在文中并不表示任何次序、数量或重要性，而是用来将ー个元件与另一元件进行区分。文中的用语“一”和“ー个”并不表示数量限制，而是表示存在至少ー个所引用的物品。结合数量使用的修饰语“约”包括所述的值，并且具有上下文所指示的含义(例如，包括与特定数量的測量相关的误差程度)。另外，用语“组合”包括掺合物、混合物、合金、反应产物等。此外，在此说明书中，用词“(多个)”通常旨在包括它修饰的术语的単数和复数两者，从而包括一个或更多该项目(例如，“通路孔”可包括一个或更多通路孔，除非另外特指)。在说明书全文中对“ー个实施例”、“另ー实施例”、“ー实施例”等的谈及意味着结合该实施例所述的特定元件(例如，特征、结构和/或特性)被包括在文中所述的至少ー个实施例内，并且在其它实施例中可以存在，也可以不存在。另外，应理解的是，在各种实施例中，所述的发明特征可以以任何合适的方式結合。图I是燃气涡轮机系统10的示意图。系统10可包括一个或更多压缩机12、燃烧器14、涡轮16和燃料喷嘴20。压缩机12和涡轮16可通过ー个或更多轴18联接。轴18可为单个轴或联接在一起以形成轴18的多个轴部段。燃气涡轮发动机系统10可包括多个热气体路径构件100。热气体路径构件是至少部分地暴露于通过系统10的高温气流的系统10的任何构件。例如，轮叶组件(也称为叶片或叶片组件)、喷嘴组件(也称为导叶或导叶组件)、护罩组件、过渡件、保持环和压缩机排气道构件是所有热气体路径构件。然而，应理解的是，本发明的热气体路径构件100并不限于以上示例，而是可为至少部分地暴露于高温气流的任何构件。此外，应理解的是，本公开内容的热气体路径构件100并不限于燃气涡轮机系统10中的构件，而且可以是其可暴露于高温流的机械或构件的任何部分。当热气体路径构件100暴露于热气流吋，热气体路径构件100通过热气流加热并且可达到热气体路径构件100失效所处的温度。因此，为了允许系统10通过高温下的热气流操作，从而提高系统10的效率和性能，需要用于热气体路径构件100的冷却系统。一般而言，本公开内容的冷却系统包括形成在热气体路径构件100的表面中的一系列小通道或微通道。对于エ业尺寸的发电涡轮机构件，“小”或“微”通道尺寸将涵盖在O. 25_至I. 5mm的范围内的近似深度和宽度，而对于航空尺寸的涡轮机构件，通道尺寸将涵盖在O. 15mm至O. 5mm的范围内的近似深度和宽度。热气体路径构件可设置有覆盖层。冷却流体可从气室提供给通道，并且冷却流体可流经通道，从而冷却覆盖层。參考图2-20来描述制造构件100的方法。如图所示，例如，在图3中，该构件制造 方法包括将结构涂层54沉积在衬底110的外表面112上。如图所示，例如，在图2中，衬底110具有至少ー个中空内部空间114。美国专利No. 5，640，767和美国专利No. 5，626，462中提供了示例性结构涂层，它们通过引用而整体结合在本申请中。如美国专利No. 5，626，426中所说明的，结构涂层结合到衬底110的表面112的各部分上。对于示例性构型，结构涂层54具有小于约I. Omm且更特别地小于约O. 5mm的厚度。例如，使用等离子沉积形成的结构涂层54可具有小于约O. 5_的厚度，但对于热等离子喷射(例如高速氧燃料)涂层，结构涂层54的厚度可小于约1mm。衬底110典型地在将结构涂层54的第一层沉积在衬底110的表面112上之前铸造。如美国专利No. 5，626，462中所说明的，衬底110可由任何合适的材料形成。根据构件100的预期应用，该材料可包括Ni基、Co基和Fe基超合金。Ni基超合金可为包含Y和
两相的超合金，特别是其中相占超合金的体积的至少40%的包含Y和Y'两相的那些Ni基超合金。公知此类合金由于包括高温強度和抗高温蠕变性的理想特性的组合而有利。衬底材料还可包含NiAl金属间合金，因为也公知这些合金具备对在用于飞行器的涡轮发动机应用中使用有利的包括高温強度和抗高温蠕变性的优异特性的组合。在Nb基合金的情形中，将优选具有优异的抗氧化性的经涂覆的Nb基合金，特别是包含Nb-(27-40)Ti-(4. 5-10. 5) Al-(4. 5-7. 9) Cr-(I. 5-5. 5)Hf-(0-6) V 的那些合金，其中组分范围以原子百分比为单位。衬底材料还可包括包含至少ー个二次相的Nb基合金，例如包括硅化物、碳化物或硼化物的含有Nb的金属间化合物。此类合金是延展相(S卩，Nb基合金)和強化相(即，含有Nb的金属间化合物)的合成物。对于其它布置，衬底材料包含基于钥的合金，例如具有Mo5SiB2和Mo3Si 二次相的基于钥的合金(固溶体)。对于其它构型，衬底材料包含陶瓷基质合成物，例如使用SiC纤维增强的碳化硅(SiC)基质。对于其它构型，衬底材料包含基于TiAl的金属间化合物。如图所示，例如，在图4中，该构件制造方法还包括在结构涂层54中形成一个或更多凹槽132。如图4中所示，各凹槽132均具有基部134，并且如例如图9和10中所示至少部分地沿衬底110延伸。应注意的是，虽然凹槽132在图4中被示出为全部形成在结构涂层54中，但对于某些布置，凹槽132可延伸穿过结构涂层54并进入衬底110。对于某些布置，凹槽132可仅部分地延伸穿过结构涂层54，使得一些涂层保持在凹槽132与衬底110之间。此外，虽然凹槽被示出为具有直壁，但凹槽132可具有任何构型，例如，它们可以是直的，弯曲的，或者具有多个弯曲部。凹槽132可使用各种技术形成。例如，凹槽132可使用磨料液射流、柱塞电化学加工(ECM)、使用旋转单点电极的放电加工(铣削EDM)和激光加工(激光钻削)中的一个或更多来形成。2010年I月29日提交的共同受让的序号为12/697,005的美国专利申请“Process and system for forming shaped air holes” 中描述了不例性激光加工技术，其通过引用而整体地结合在本申请中。2010年5月28日提交的共同受让的序号为12/790，675 的美国专利申请“Articles which include chevron film cooling holes,andrelated processes”中描述了示例性EDM技术,其通过引用而整体的结合在本申请中。对于特定处理构型，如图4中示意性地描绘的那样，通过在结构涂层54的第一层引导磨料液射流160来形成凹槽132。2010年5月28日提交的共同受让的序号为12/790，675 的美国专利申请“Articles which include chevron film cooling holes, and related processes”中描述了示例性水射流钻削方法和系统，其通过引用而整体地结合在本申请中。如序号为12/790，675的美国专利申请中所述，该水射流方法典型地利用悬浮在高压水流中的高速磨料粒子(例如，磨料“粗砂”)流。水的压カ可大幅变化，但常在约35-620MPa的范围内。可使用多种磨料材料，例如石榴石、氧化铝、碳化硅和玻璃珠。另外，并且如序号为No. 12/790,675的美国专利申请中所述，该水射流系统可包括多轴线计算机数控(CNC)単元。CNC系统本身在本领域中是公知的，并且例如在美国专利公报2005/0013926 (S. Rutkowski等人)中被描述，其通过引用而整体结合在本申请中。CNC系统允许切削工具沿多个X、Y和Z轴线以及旋转轴线移动。如图所示，例如，在图7和8中，该构件制造方法还包括将至少ー个附加涂层56、57,59沉积在结构涂层54和凹槽132上，使得凹槽132和附加涂层56、57、59共同限定用于冷却构件100的一个或更多通道130。应指出的是，虽然凹槽132和通道130在图4_9中被示出为矩形的，但它们也可呈其它形状。例如，凹槽132 (和通道130)可为凹入的凹槽132 (凹入的通道130)，如下文參考图19和20所述。另外，凹槽132 (通道130)的侧壁不必是直的。对于各种应用，凹槽132 (通道130)的侧壁可以是弯曲的或圆形的。如图所示，例如，在图9和10中，该构件制造方法还包括对相应的通道132中的每ー个形成穿过附加涂层56、57、59的至少ー个离开孔142，以从相应的通道130接收和排放冷却剤。离开孔142可使用激光钻削、磨料液射流、放电加工(EDM)和电子束钻削中的ー个或更多形成。应指出的是，EDM的应用典型地被限制，以形成穿过导电涂层的孔。对于图10中所示的示例性构型，冷却通道130将冷却剂从进入孔140传送到薄膜冷却孔142。应指出的是，尽管薄膜孔在图9中被示出为呈圆形，但这是非限制性的示例。薄膜孔也可为非圆形的孔。对于图5中所示的示例性方法，该构件制造方法还包括形成穿过凹槽132中的相应ー个的基部134的一个或更多进入孔140，以提供凹槽132与中空内部空间114之间的流体连通。进入孔140在沉积附加涂层56、57、59之前形成。进入孔140典型地具有圆形或椭圆形截面，并且可使用激光加工(激光钻削)、磨料液射流、放电加工(EDM)和电子束钻削中的一个或更多来形成。进入孔140可垂直于相应凹槽132的基部134(如图5中所示)，或者更一般而言，可相对于凹槽的基部134以在20-90度的范围内的角度钻削而成。对于图5-8中所示的示例性方法,该构件制造方法还包括经结构涂层54中的相应一个或更多开ロ 58(图5)使用填料32 (图6)填充凹槽132。例如，可通过浆状物、使用金属浆状物“墨汁” 32浸涂或喷涂构件100来施加填料，使得凹槽132被填充。对于其它构型，可使用微型笔(micro-pen)或注射器施加填料32。对于某些实施方案,可使用填料32过度填充凹槽132。过剩的填料32例如可使用刮刀来去除，例如可被擦棹。然后可在涂层的沉积之前化学地清洁该表面。用于填料32的非限制性的示例性材料包括光固化树脂(例如，可见光或UV固化树脂)、陶瓷、具有有机溶剂载体的铜或钥墨汁和具有水基和载体的石墨粉末。更一般而言，牺牲性填料32可包括悬浮在具有可选的粘结剂的载体中的感兴趣的粒子。此外，根据所采用的填料的类型，填料可以流入也可以不流入进入孔140。共同受让的美国专利No. 5，640, 767和共同受让的美国专利No. 6，321，449中说明了示例性填料(或通道填充装置或牺牲性材料)，它们通过引用而整体结合在本申请中。对于特定的方法构型，对填料使用低強度金属浆状物“墨汁”。低強度墨汁的使用有益地促进了随后的抛光和/或修整。如图7中所示，附加涂层56沉积在结构涂层54和设置在凹槽132中的填料32上。 如图7和8中所示，填料32在附加涂层56、59已沉积之后从凹槽132被去除。对于图3_8中所示的示例性处理，进入孔140在使用填料32填充凹槽132之前形成。尽管图3-8中所示的处理使用填料32来保持附加涂层56、59免于填充冷却通道130，但对于其它处理，当附加涂层56、57、59沉积时凹槽132未被填充。此类处理的实例包括形成相对窄的通道(例如，在涂层搭接之处的顶部开ロ处具有在约0.2-0. 4_(8至15密尔)的范围内的宽度)以及形成凹入形的通道，如下文參考图19和20所说明的。对于特定的处理，图7中所示的附加涂层56包括第二结构涂层56，使得凹槽132和第二结构涂层56共同限定冷却通道130。该结构涂层包括任何合适的材料并结合到衬底110的外表面112上。对于特定的构型，第一结构涂层54和/或第二结构涂层56的厚度可在O. 02-2. O毫米的范围内且更特别地在O. I至I毫米的范围内，并且又更特别地对于エ业燃气涡轮机构件为O. I至O. 5毫米。对于航空构件，该范围典型地为O. 05至O. 25毫米。然而，根据对特定构件110的要求，可采用其它厚度。对于特定构型，结构涂层54、56包括相同的涂层材料。对结构涂层54、56使用相同的材料具有提供涂层中的应变释放以及使第ニ涂层中的应变释放成形的能力的优点。对于其它构型，两个结构涂层54、56可包括不同的涂层材料。对于特定处理，使用相同的沉积技术来沉积结构涂层54、56。对于其它构型，使用不同的沉积技术来沉积两个结构涂层54、56。下文提供示例性结构涂层材料和沉积技术。对于图8中所示的示例性布置，该构件制造方法还包括将环境涂层57例如结合涂层或抗氧化涂层沉积在第二结构涂层56上。示例性环境涂层包括而不限于白金铝化物、MCrAlY覆层或基于覆层NiAl的涂层。另外，对于图8中所示的布置，热屏障涂层59沉积在环境涂层57上。可根据所沉积的涂层而采用各种热处理。类似地，尽管未针对图11-18和19-20中所示的处理清楚地示出，但这些方法还可包括将附加涂层57、59沉积在第二结构涂层56上。然而，对于其它应用，结构涂层可以是用于图3-8、11-18和/或图19-20中所示的三种概念的所有涂层。可使用各种技术来沉积结构涂层54、56和可选的涂层57、59。对于特定处理，通过执行等离子沉积(阴极电弧)来沉积结构涂层54、56。共同受让的Weaver等人的美国已公布专利申请 No. 20080138529 “Method and apparatus for cathodic arc ion plasmad印osition”中提供了示例性等离子沉积装置和方法，其通过引用而整体结合在本申请中。简而言之，等离子沉积包括将由涂层材料形成的阴极放置在真空腔室内的真空环境中，在该真空环境内提供衬底110，向阴极供应电流以在阴极表面上形成阴极电弧而引起阴极表面的涂层材料的电弧诱导腐蚀，并且将阴极的涂层材料沉积在衬底表面112上。使用等离子沉积而沉积的涂层非限制性的实例包括结构涂层54、56，以及结合涂层和抗氧化涂层，如下文參考美国专利No. 5，626，462更详细地说明的那样。对于某些热气体路径构件100,结构涂层54、56包括基于镍或基于钴的合金,并且更特别地包括超合金或(NiCo) CrAlY合金。例如，在衬底材料为包含Y和Y'两相的Ni基超合金的情况下，结构涂层54、56可包括类似的材料组分，如下文參考美国专利No. 5，626，462更详细地说明的那样。对于其它处理构型，通过执行热喷射处理和冷喷射处理中的至少ー个来沉积结构涂层54、56。例如，热喷射处理可包括燃烧喷射或等离子喷射，该燃烧喷射可包括高速氧燃料喷射(HVOF)或高速空气燃料喷射(HVAF)，并且该等离子喷射可包括大气(例如空气或惰 性气体)等离子喷射或低压等离子喷射(LPPS，也称为真空等离子喷射或VPS)。在ー个非限制性的实例中，通过HVOF或HVAF来沉积NiCrAlY涂层。用于沉积结构涂层54、56的其它示例性技术包括而不限于溅射、电子束物理气相沉积、无电镀和电镀。对于某些构型，希望采用多种沉积技术来沉积结构涂层54、56和可选的附加涂层59。例如，可使用等离子沉积来沉积第一结构涂层，并且可使用其它技术例如燃烧喷射处理或等离子喷射处理来沉积随后沉积的层和可选的附加层(未示出)。根据所使用的材料，对涂层使用不同的沉积技术可提供诸如但不限于耐应变性、強度、附着和/或延展性之类的特性方面的益处。更一般而言，并且如美国专利No. 5，626，462中所说明的那样，用于形成涂层150的材料包括任何合适的材料。对于冷却的涡轮构件100的情形，结构涂层材料必须能够耐受高达约1150°C的温度，而TBC可耐受高达约1425°C的温度。结构涂层54、56必须与衬底110的翼形外表面112相容并适合结合到其上，如共同受让的Bunker等人的序号为12/943，563 的美国专利申请“Method of fabricating a component using a fugitivecoating”中所说明的那样，其由此通过引用而整体结合在本申请中。如美国专利No. 5，626，462中所说明的那样，在衬底材料为包含Y和Y'两相的Ni基超合金的情况下，用于结构涂层54、56的材料可包括与衬底类似的材料组分。这种涂层54、56和衬底110材料的组合对于特定应用而言是优选的，例如在操作环境的最高温度(亦即，气体温度)与现有发动机的最高温度(例如，低于1650°C)相似的情况下。在衬底材料为Nb基合金、基于NiAl的金属间合金或基于TiAl的金属间合金的情况下，结构涂层54、56同样可包括相似的材料组分。如美国专利No. 5，626，462中所说明的那样，对于其它应用，例如使得单体金属或金属间合金涂层54、56的使用不足够的强调(impose)温度、环境或其它约束条件的应用，优选结构涂层54、56包括合成物。合成物可由金属间和金属合金相的混合物或金属间相的混合物组成。金属合金可为与衬底110所用相同的合金或不同材料，视构件100的要求而定。此外，两个构成相必须化学相容，如Bunker等人的序号为12/943，563的美国专利申请中所说明的那样。还要指出的是，在给定的涂层内，也可使用多种合成物，并且此类合成物并不限于两种材料或两相组合。美国专利No. 5，626，462中提供了与示例性结构涂层材料有关的另外的细节。对于图19和20中所示的示例性构型，各凹槽132均具有基部134和顶部136，其中基部134比顶部136宽，使得各凹槽132均包括凹入形的凹槽132。对于特定构型，凹入形的凹槽132中的相应ー个的基部134比相应凹槽132的顶部136宽至少两倍。对于更特定的构型，相应的凹入形的凹槽132的基部134比相应凹槽132的顶部136宽至少三倍，并且更特别地在约3-4倍的范围内。共同受让的Ronald S. Bunker等人的序号为12/943,624的美国专利申请“Components with re-entrant shaped cooling channels and methodsof manufacture”中提供了用于形成凹入凹槽132的技术,该申请通过引用而整体结合在本申请中。有益的是，附加涂层56、59可沉积在未填充的凹入凹槽132上(亦即，未进行填充或者使用牺牲性填料部分填充凹槽)，如例如图19和20中所示。另外，凹入凹槽相对于简单形状的凹槽(即，具有宽度大致相等的顶部136和基部的凹槽)提供了增强的冷却。
类似地，对于较小的构件，凹槽可以足够小，使得附加涂层56、59可沉积在未填充的凹槽132 (具有任意形状，也就是说它们不必是凹入形的)上而不对凹槽进行填充或者对凹槽进行部分填充。对于较小的例如航空规格的构件将是这种情况。更具体地，对于图20中所示的布置，附加涂层56、59包括结构涂层56并且限定一个或更多可滲透的槽144 (多孔间隙144)，使得结构涂层56并不完全搭接ー个或更多凹槽132中的每ー个。然而，对于图8和18中所描绘的示例性构型，附加涂层56完全搭接相应的凹槽132，从而密封相应的通道130。尽管针对凹入形通道130的情形示出了可渗透的槽144，但可渗透的槽144也可针对其它通道几何形状形成。典型地，可渗透的槽(间隙)144具有不规则的几何形状，其中随着结构涂层被施加并且聚集到一定厚度，间隙144的宽度改变。当结构涂层的第一层被施加到衬底110时，间隙144的宽度可大致从通道130的顶部136的宽度变窄，因为结构涂层聚集。对于特定示例，间隙144在其最窄点的宽度是相应通道顶部136的宽度的5%至20%。另外，可滲透的槽144可以是多孔的，这种情况下“多孔”间隙144可具有一些连接部，亦即，具有零间隙的ー些部位或位置。有益的是，间隙144提供用于涂层150的应カ释放。根据它们的具体功能，可渗透的槽144可延伸(I)穿过所有涂层或(2)穿过ー些但非所有涂层，例如，可渗透的槽144可在一个或更多涂层中形成有搭接槽的随后沉积的层，从而有效地密封槽144。有益的是，可滲透的槽144充当用于结构涂层的应力/应变释放部。另外，可滲透的槽144可在它延伸穿过所有涂层时充当冷却装置，也就是说，对于这种构型，可滲透的槽144构造成将冷却剂流体从相应的通道130传送到构件的外表面。此夕卜，在这些涂层损坏或破裂的情况下，可滲透的槽144可在通过上涂层搭接时充当被动冷却装置。对于特定处理概念，该构件制造方法还包括在沉积结构涂层54之后执行热处理。可在沉积第二结构涂层56之后和/或附加涂层59的沉积之后执行附加热处理。例如，在金属涂层的情况下，可在第二结构涂层56的沉积之后将经涂覆的构件100加热到在约0. 7-0. 9Tm的范围内的温度，其中Tm是涂层以开氏度为单位的熔点。有益的是，该热处理促进了结构涂层的两层54、56互相之间的相互扩散和随后的粘附，从而降低在通道边缘处的界面缺陷的可能性。对于图11-18中所示的示例性处理构型，该构件制造方法还包括在加工结构涂层54之前将短效涂层30沉积在结构涂层54上，如例如图11和12中所示。对于该处理，穿过短效涂层30加工出结构涂层54，如图12中所示。该加工在短效涂层30中形成一个或更多开ロ 34，如图13中所示。另外，该构件制造方法可以可选地还包括在加工结构涂层54之前干燥、固化或烧结短效涂层30。对于特定处理构型，沉积在结构涂层54上的短效涂层30的厚度在约O. 5-2. O毫米的范围内。在一个非限制性的示例中，短效涂层30包括基于一毫米厚的聚合物的涂层。可使用各种沉积技术来沉积短效涂层30，包括粉末涂覆、静电涂覆、浸涂、旋转涂覆、化学气相沉积和施加准备好的帯。更具体地，短效涂层基本是均匀的并且在处理或随后的去除期间粘附但不伤害结构涂层54。对于特定处理构型，使用粉末涂覆或静电涂覆来沉积短效涂层30。对于示例性处理构型，短效涂层30包括聚合物。例如，短效涂层30可包括基于例如嘧啶的聚合物的涂层，可使用化学气相沉积来沉积该涂层。基于其它示例性聚合物的涂层材料包括树脂，例如聚 酷或环氧树脂。示例性树脂包括光固化树脂，例如光固化或UV固化树脂，其非限制性的实例包括由DYMAX公司在商标Speedmask 729 下市售的UV/可见光固化遮蔽树脂，DYMAX公司在康涅狄格州Torrington有销售点，这种情况下，该方法还包括在形成凹槽132之前固化光固化树脂30。对于其它处理构型，短效涂层30可包括含碳材料。例如，短效涂层30可包括石墨涂料。聚こ烯是又另一种示例性的涂层材料。对于其它处理构型，短效涂层30可涂在结构涂层54上。如图14-17中所示，在沉积附加涂层56、59之前去除短效涂层30。根据具体材料和处理，可使用机械(例如，抛光)、热(例如，燃烧)、基于等离子(例如，等离子蚀刻)或化学(例如，在溶剂中溶解)装置或使用其组合来去除短效涂层30。更具体地，该方法还包括在加工结构涂层54之前干燥、固化或烧结短效涂层30。如Bunker等人的序号为12/943，563的美国专利申请中所说明的那样，短效涂层30充当用于形成通道的加工掩蔽材料，并且有利于形成在涂层界面处带有必不可少的锋利、轮廓分明的边缘的冷却通道130。现參照图14，图11-18中所示的构件制造方法还包括经结构涂层54中的开ロ 58用填料32填充凹槽132。尽管未清楚示出，但对于某些处理构型，可在用填料32填充凹槽之前去除短效涂层30。对于图14中所示的处理，在去除短效涂层30之前经第一结构涂层54中的相应开ロ 58和短效涂层30中的相应开ロ 34将填料32沉积在凹槽132中。对于图14-17中所示的示例性处理，该构件制造方法还包括在沉积附加涂层56之前去除短效涂层30。如图17中所示，附加涂层56沉积在结构涂层54和设置在凹槽132中的填料32上。该构件制造方法可以可选地包括在附加涂层56的沉积之前干燥、固化或烧结填料32。如图17和18中所示，该构件制造方法还包括在附加涂层56已沉积之后从凹槽132去除填料32。如上文所指出的，鋳造的翼型件的壁厚的减小和对应的強度降低可提高对形成在负载轴承衬底中的微通道的担忧。有益的是，通过在结构涂层54中形成凹槽132，衬底110可保持完好，从而保存鋳造的翼型件的強度。參考图2、4_10和12-20来描述本发明的构件100实施例。如图所示，例如，在图2中，构件100包括衬底110，该衬底包括外表面112和内表面116。如图所示，例如，在图2中，内表面116限定至少ー个中空、内部空间114。构件100还包括布置在衬底110的外表面112的至少一部分上的结构涂层54。如图所示，例如，在图2、4、5、9、10、12、13和19中，结构涂层54限定一个或更多凹槽132。如图所示，例如，在图4、5、9、10、12、13和19中，各凹槽132均至少部分地沿衬底110延伸并具有基部134。尽管凹槽被示出为具有直壁，但凹槽132可具有任何构型，例如，它们可以是直的，弯曲的，或者具有多个弯曲部。此外，凹槽可整体形成在结构涂层54内，如图2中所示，或者可延伸到衬底110内。一个或更多进入孔140延伸穿过相应凹槽132的基部134，以将凹槽132置于与内部空间114流体连通，如例如图8、18和20中所示。如上所述，进入孔140可垂直于相应凹槽132的基部134(如图8、18和20中所示)或者可相对于凹槽132的基部134以在20-90度的范围内的角度钻削而成。如图8、18和20中所示,例如,构件100还包括设置在结构涂层54和凹槽132上的至少ー个附加涂层56、59，使得凹槽132和附加涂层56、59共同限定用于冷却构件100的一个或更多通道130。对于特定构型，每个冷却通道130均具有在约O. 2-1. Omm的范围内的 宽度。更特别地，如果要使用随后去除的牺牲性填料来涂覆通道，则冷却通道130的宽度应在约O. 2-1. Omm(8至40密尔)的范围内。如果在不使用牺牲性填料的情况下对冷却通道施加涂层，则冷却通道130在涂层搭接之处的顶部开ロ的宽度应在约O. 2-0. 4mm (8至15密尔)的范围内。如图所示，例如，在图9和10中，至少ー个离开孔142延伸穿过用于相应通道130中的每ー个的附加涂层56、59，以从相应通道130接收和排放冷却剂流体。对于图10中所示的示例性构型，冷却通道130将冷却剂从进入孔140传送到薄膜冷却孔142。应指出的是，尽管薄膜孔在图9中被示出为呈圆形，但这是非限制性的示例。薄膜孔也可为非圆形的孔。对于特定构型，附加涂层56、57、59包括第二结构涂层56。如上文指出的那样，对于特定构型，结构涂层54、56包括相同的涂层材料。更一般而言，对于这些构型，结构涂层54、56可具有相似或基本相同的特性。例如，这两层可由在相似或相同的条件下使用相同的技术沉积的相同材料形成。对于其它构型，结构涂层54、56可包括不同的涂层材料。更一般而言，结构涂层54,56可在选自由密度、粗糙度、孔隙率和热膨胀系数的群组的至少ー个特性方面不同。例如，结构涂层54可比结构涂层56更致密且更光滑(亦即，结构涂层56可比结构涂层54更粗糙或更多孔)。这可例如通过使用不同的沉积技术沉积两个结构涂层54、56来实现。在一个非限制性的实例中，第一结构涂层54具有约I. 5至2. 5微米的如通过锥式触针轮廓测定法确定的平均粗糙度Ra，而第二结构涂层56具有约5至10微米的如通过锥式触针轮廓測定法确定的平均粗糙度Ra。对于特定布置，结构涂层54具有小于约I. Omm且更具体地小于约O. 5mm的厚度，且再更特别地具有在约O. 25-0. 5mm的范围内的厚度，并且第二结构涂层56具有在约O. I-ο. 5mm的范围内的厚度。如上文指出的那样，如果结构涂层54使用等离子沉积形成，则该厚度可小于约O. 5mm,而对于通过HVOF沉积的结构涂层54,该厚度可小于约1.0mm。更特别地，第一结构涂层54的厚度在约O. 2-0. 5mm的范围内，而第二结构涂层56的厚度在约O. 125-0. 25mm的范围内。另外，且如例如图8中所示，构件100还可包括设置在第二结构涂层56上的热屏障涂层59。此外，且如图8中所示，附加涂层56、57、59可包括环境涂层58。示例性环境涂层包括而不限于白金铝化物、MCrAlY覆层或基于覆层NiAl的涂层。另外，对于图8中所示的布置，热屏障涂层59沉积在环境涂层57上。类似地，尽管对于图19-20中所示的构型未清楚地示出，但该凹入通道构型还可包括设置在第二结构涂层56上的附加涂层57、59。然而，对于其它布置，结构涂层56可以是所使用的所有涂层。如上文參考图19和20所说明的那样，对于某些构型，第二结构涂层56限定ー个或更多可渗透的槽144，使得第二结构涂层56并未完全搭接ー个或更多凹槽132中的每ー个。如上文指出的那样，尽管针对凹入通道130的情形在图19和20中示出了可滲透的槽144，但可渗透的凹槽144也可针对其它通道几何形状形成。另外，可渗透的槽144可在它延伸穿过所有附加涂层时充当冷却装置，也就是说，对于这些构型，可滲透的槽144构造成将冷却剂流体从相应的通道130传送到构件的外表面。然而，对于其它构型，例如，在当这 些涂层损坏或裂开的情况下，可滲透的槽144可在通过结合涂层57和可选地TBC 59搭接时充当被动冷却装置。共同受让的Ronald Scott Bunker等人的序号为12/943，646的美国专利申甫“Component and methods of fabricating and coating a component，，中描述了可滲透的槽144的形成，该专利申请由此通过引用而整体结合在本申请中。然而，对于图8和18中所描绘的示例性构型，附加涂层56完全搭接相应的凹槽132，从而密封相应的通道130。该特定构型可例如通过在第二涂层56的沉积期间使衬底110绕ー个或更多轴线旋转或者通过与从垂直于衬底110的表面倾斜超过约+/-20度的迎角以其它方式沉积第二涂层56以便将涂层基本上涂覆在形成在第一涂层54中的开ロ58上来实现。用于产生连续的附加涂层56的其它技术将是施加替代(相对于层54)类型的第二涂层，例如空气等离子喷涂，或者施加较厚的附加涂层56，如Bunker等人的序号为12/943, 646的美国专利申请中所述。对于图19和20中所示的特定构型，对各凹槽132而言基部134比顶部136宽，使得各凹槽132包括凹入形的凹槽132，因此，各冷却通道130均包括凹入形的通道130。Bunker等人的序号为12/943，624的美国专利申请中描述了凹入形的通道130的各种特性和益处以及用于形成凹入形的通道130的技木。尽管未清楚地示出，但图20中所示的构型还可包括设置在第二结构涂层56上的热屏障涂层59。有益的是，结构涂层中的冷却通道的形成相对于形成在结构涂层下方的常规冷却通道增强了负载轴承衬底的热防护。另外，将冷却通道整体形成在结构涂层内消除了与在衬底内加工通道相关的结构和/或強度担忧。尽管文中仅图示和描述了本发明的某些特征，但本领域的技术人员将想到许多改型和变更。因此，应理解，所附权利要求g在涵盖如落入本发明的真实精神内的所有此类改型和变更。
权利要求
1.ー种制造构件(100)的方法，所述方法包括 将结构涂层(54)沉积在衬底(110)的外表面(112)上，其中所述衬底(110)具有至少ー个中空内部空间(114)； 在所述结构涂层(54)中形成一个或更多凹槽(132)，其中所述ー个或更多凹槽(132)中的每ー个均具有基部(134)并且至少部分地沿所述衬底(110)延伸； 将至少ー个附加涂层(56，57，59)沉积在所述结构涂层(54)和所述ー个或更多凹槽(132)上，使得所述ー个或更多凹槽(132)和所述附加涂层(56，57，59)共同限定用于冷却所述构件(100)的一个或更多通道(130)； 形成穿过所述凹槽(132)中的相应ー个的所述基部(134)的一个或更多进入孔(140)，以将相应的凹槽(132)与所述至少ー个中空内部空间(114)中的相应中空内部空间流体连通地连接；以及 针对相应ー个或更多通道(132)中的每ー个形成穿过所述附加涂层(56，57，59)的至少ー个离开孔(142)，以从相应的通道(130)接收和排放冷却剤。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，沉积所述至少ー个附加涂层(56，57，59)包括将第二结构涂层(56)沉积在所述结构涂层(54)和所述ー个或更多凹槽(132)上，使得所述ー个或更多凹槽(132)和所述第二结构涂层(56)共同限定所述冷却通道(130)。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，使用磨料液射流、柱塞电化学加工(ECM)、使用旋转电极放电加工(铣削EDM)和激光加工中的一个或更多形成所述ー个或更多凹槽(132)。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，沉积所述至少ー个附加涂层(56，57，59)包括沉积第二结构涂层(56)，其中通过执行等离子沉积、热喷射处理和冷喷射处理中的一个来沉积所述结构涂层(54)，其中通过执行等离子沉积、热喷射处理和冷喷射处理中的一个来沉积所述第二结构涂层(56)，并且其中能够使用相同或不同的沉积处理来沉积所述结构涂层(54，56)。
5.一种构件(100)，包括 包括外表面(112)和内表面(116)的衬底(110)，其中所述内表面(116)限定至少ー个中空内部空间(114)； 设置在所述衬底(110)的外表面(112)的至少一部分上的结构涂层(54)，其中所述结构涂层(54)限定一个或更多凹槽(132)，其中所述ー个或更多凹槽(132)中的每ー个均至少部分地沿所述衬底(110)延伸并具有基部(134)，并且其中一个或更多进入孔(140)延伸穿过所述一个或更多凹槽(132)中的相应ー个的基部(134)，以将所述凹槽(132)置干与所述至少ー个中空内部空间(114)中的相应中空内部空间流体连通；以及 至少ー个附加涂层(56，57，59)，其布置在所述结构涂层(54)和所述ー个或更多凹槽(132)上，使得所述ー个或更多凹槽(132)和所述附加涂层(56，57，59)共同限定用于冷却所述构件(100)的一个或更多通道(130)，其中至少ー个离开孔(142)延伸穿过用于所述相应的一个或更多通道(130)中的每ー个的附加涂层(56，57，59)，以从所述相应的通道(130)接收和排放冷却剂流体。
6.根据权利要求5所述的构件(100)，其中所述附加涂层(56，57，59)包括第二结构涂层(56)，并且其中所述第二结构涂层(56)限定一个或更多可滲透的槽(144)，使得所述第ニ结构涂层(56)并不完全搭接所述ー个或更多凹槽(132)中的每ー个。
7.根据权利要求6所述的构件(100)，其特征在于，所述附加涂层(56，57，59)还包括设置在所述第二结构涂层(56)上的环境涂层(57)和设置在所述环境涂层(57)上的热屏障涂层(59)，其中所述可渗透的槽(144)延伸穿过所述环境涂层(57)和所述热屏障涂层(59)，使得所述可渗透的槽将所述冷却剂流体从所述相应的ー个或更多通道(130)传送到所述构件的外表面。
8.根据权利要求5所述的构件(100)，其特征在于，所述附加涂层(56，57，59)包括第二结构涂层(56)，并且其中所述附加涂层(56，57，59)还包括设置在所述第二结构涂层(56)上的环境涂层(57)和设置在所述环境涂层(57)上的热屏蔽涂层(59)。
9.根据权利要求5所述的构件(100)，其特征在于，所述附加涂层(56，57，59)包括第ニ 结构涂层(56)，其中所述结构涂层(54)具有小于约I. Omm的厚度，并且其中所述附加涂层(56，57，59)包括具有在约O. 1-0. 5mm的范围中的厚度的第二结构涂层(56)。
10.根据权利要求5所述的构件(100)，其特征在于，所述一个或更多凹槽(132)中的每ー个均具有顶部(136)，其中所述基部(134)比所述顶部(136)宽，使得所述ー个或更多凹槽(132)中的每ー个均包括凹入形的凹槽(132)。
全文摘要
本发明涉及带有形成在涂层中的冷却通道的构件和制造方法，具体而言，提供了一种制造构件的方法。该方法包括将结构涂层沉积在衬底的外表面上，其中衬底具有至少一个中空内部空间。该方法还包括在结构涂层中形成一个或更多凹槽。每个凹槽均具有基部并且至少部分地沿衬底延伸。该方法还包括将至少一个附加涂层沉积在结构涂层和凹槽上，使得凹槽和附加涂层共同限定一个或更多用于冷却构件的通道。该方法还包括形成穿过相应凹槽的基部的一个或更多进入孔，以将相应凹槽与相应的中空内部空间流体连通地连接，并且对每个通道形成穿过附加涂层的至少一个离开孔，以从相应通道接收和排放冷却剂。还提供了一种具有形成在结构涂层中的冷却通道的构件。
文档编号F01D25/12GK102691533SQ20121009066
公开日2012年9月26日 申请日期2012年3月21日 优先权日2011年3月21日
发明者D·M·利普金, R·S·班克, 魏斌 申请人:通用电气公司