专利名称：具有激光熔覆的部件以及制造方法
技术领域：
本发明大体涉及燃气涡轮发动机，更确切地说，涉及燃气涡轮发动机中的微通道冷却。
背景技术：
在燃气涡轮发动机中，空气在压缩机中压缩，随后在燃烧室中与燃料混合，以生成热燃烧气体。从高压涡轮机(HPT)中的气体中获得的能量可驱动压缩机，从低压涡轮机(LPT)中的气体中获得的能量可驱动涡轮风扇式飞机发动机应用中的风扇，或可驱动船舶和工业应用中的外轴。发动机效率随燃烧气体温度的升高而增加。但是，燃烧气体会沿着其流路加热多个部件，因此，需要进行冷却以延长发动机的寿命。通常情况下，热气路径部件由从压缩机中排出的空气进行冷却。由于排出的空气并未用于燃烧过程中，因此，该冷却过程降低了发动机效率。燃气涡轮发动机冷却技术已较为成熟，且包括针对各种热气路径部件中冷却回路和特征的各个方面的多项专利。例如，燃烧室包括径向外部和内部衬套(liner)，所述衬套在操作过程中需要冷却。润轮机喷嘴包括支撑在外带(outer band)与内带(inner band)之间的中空轮叶，所述中空轮叶也需要进行冷却。涡轮机转子叶片是中空的，其中通常包括冷却回路，且叶片由涡轮机防护罩环绕，所述叶片同样需要进行冷却。热燃烧气体经由排气装置排出，所述排气装置也可设有衬套且进行适当的冷却。在所有此类示例性燃气涡轮发动机部件中，通常使用由高强度超合金(superalloy)金属构成的薄壁来降低部件重量，并最小化此类部件的冷却需求。各种冷却回路和特征可针对在发动机中处于相应环境中的这些单独部件进行适当调整。例如，可在热气路径部件中形成一系列内部冷却通道，或蛇形通道(serpentines)。冷却流体可从增压室(plenum)提供给蛇形通道，且所述冷却流体可流过所述通道，从而冷却热气路径部件的基底和任何相关的涂层。但是，这种冷却策略通常导致传热速率相对较低，且部件温度分布不均。通过使冷却尽可能接近受热区域，微通道冷却可能显著降低冷却需求，从而在传热速率给定的情况下，降低主承载基底材料的热侧与冷测之间的温差。除了冷却网络之外，热气部件还通常涂有各种保护涂层以增加使用寿命。例如，结构涂层、粘结层和热障涂层可用来保护部件免受热应力和机械应力。最初的结构涂层可包括热等离子体喷涂或等离子体沉积合金。然而，热喷涂涂层尤其并不完全致密，且目前并不用于对涡轮翼型片中的微冷却通道进行涂覆以彻底桥接通道开口，因而对耐久性构成风险。因此，需要提供一种更强的覆盖材料和工艺，以提高对微通道冷却基底的粘结
发明内容
本发明的一方面在于一种制造方法，所述制造方法包括使用研磨液射流(abrasive liquid jet),以在基底的外表面中形成一个或多个凹槽(groove)。每个凹槽具有底部和开口，并且至少部分的沿所述基底的所述外表面延伸。所述基底具有内表面，该内表面设有至少一个中空的内部空间。所述制造方法进一步包括使用激光熔覆(laserclad)工艺以将激光熔覆材料涂在相应凹槽的开口上，以便至少部分构成一个或多个通道，以用于对部件进行冷却；以及将涂层置于所述基底的所述外表面的至少一部分上以及所述激光熔覆材料上。本发明的另一方面在于一种制造方法，所述制造方法包括在基底的外表面中形成一个或多个凹槽。每个凹槽具有开口，并且至少部分的沿所述基底的所述外表面延伸。所述基底具有内表面，该内表面设有至少一个中空的内部空间。所述制造方法进一步包括力口工所述基底的所述外表面，以使相应凹槽附近的表面塑性变形，从而减少跨过所述开口的距离；以及使用激光熔覆工艺以将激光熔覆材料涂到相应一个或多个凹槽的开口上，以便至少部分构成一个或多个通道，以用于对部件进行冷却。所述制造方法进一步包括将涂层置于所述基底的所述外表面的至少一部分上以及所述激光熔覆材料上。本发明的又一方面在于一种制造方法，所述制造方法包括将结构涂层的内层沉积在基底的外表面上，从而至少部分的在内部结构涂层中形成一个或多个凹槽。每个凹槽具有开口，并且至少部分的沿部件延伸。所述基底具有内表面，该内表面设有至少一个中空的内部空间。所述制造方法进一步包括使用激光熔覆工艺以将激光熔覆材料涂到相应一个或多个凹槽的开口上，以便至少部分构成一个或多个通道，用于对所述部件进行冷却；以及将所述结构涂层的外层置于所述结构涂层的所述内层的至少一部分上以及所述激光熔覆材料上。本发明的另一方面在于一种部件，所述部件包括具有外表面和内表面的基底，其中所述内表面设有至少一个中空的内部空间。所述部件进一步包括置于基底表面的至少一部分上的至少一个涂层。所述涂层包括置于所述基底的所述外表面上的内部结构涂层。一个或多个凹槽至少部分的形成于所述内部结构涂层中。每个凹槽至少部分的沿所述部件延伸，并且具有开口。一个或多个出入孔穿过相应凹槽的底部而形成，以使所述凹槽与相应的中空内部空间流体连通。激光熔覆材料置于相应一个或多个凹槽的开口上，以至少部分构成一个或多个通道，以用于对所述部件进行冷却。
在参阅附图来阅读以下详细说明后，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面以及优点，在附图中，类似的符号代表所有附图中类似的部分，其中图1为燃气涡轮机系统的示意图；图2为根据本发明各方面的具有冷却通道的示例性翼型配置的截面示意图；图3为具有凹形(re-entrant shaped)冷却通道和置于冷却通道开口上的激光熔覆材料的冷却回路的一部分的截面示意图；图4在透视图中示意性地描绘三个示例性微通道，所述三个微通道部分的沿基底表面延伸并将冷却剂引导到相应的薄膜冷却孔，其中激光熔覆材料置于冷却通道的开口上；
图5为图4所示的示例性微通道中的一个微通道的截面图，并图示微通道将冷却剂从出入孔输送到薄膜冷却孔；图6示意性地描绘用于形成凹槽以及凹槽排出端处的锥形溢流区(run-outregion)的示例性工具加工路径(tooling path)；图7为图3所示通道中的一个通道的放大图，其图示了沉积在凹形凹槽的开口上的激光熔覆材料；图8所示为激光熔覆材料的倾斜涂覆(angled application)；图9图示了并未完全密封凹槽开口的激光熔覆材料；图10示意性地描绘在后加工表面处理之前且在激光熔覆之前的示例性凹形冷却通道；图11示意性地描绘在将不规则处引入所处理的表面中的后加工表面处理之后且在激光熔覆之前的图10的凹形冷却通道；图12为在后加工表面处理之前开口大小为Dl的示例性凹形冷却通道的截面图；图13为在后加工表面处理之后开口大小减小到D2的图12的凹形冷却通道的截面图；图14图示了凹形通道，其中激光熔覆材料密封通道且结构涂层、粘结涂层和热障涂层置于激光熔覆材料上；图15图示了已置于凹槽开口上的激光熔覆材料，其中基底的表面已刻面于凹槽的边缘附近；以及图16图示了由激光熔覆材料部分密封的凹形通道，其中通道形成于结构涂层的内层中，且其中多孔槽延伸穿过结构涂层的外层。兀件符号列表
权利要求
1.一种制造方法，包括 使用研磨液射流以在基底的外表面中形成一个或多个凹槽，其中每个凹槽具有底部和开口，并且至少部分的沿所述基底的所述外表面延伸，且其中所述基底具有内表面，所述内表面设有至少一个中空的内部空间； 使用激光熔覆工艺以将激光熔覆材料涂在相应一个或多个凹槽的所述开口上，以便至少部分构成一个或多个通道，以用于对部件进行冷却；以及 将涂层置于所述基底的所述外表面的至少一部分上以及所述激光熔覆材料上。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其中每个凹槽的形成方式为，在所述研磨液射流第一次通过时，以相对于所述基底的表面的侧角引导所述研磨液射流，且随后以大体与所述侧角相对的角进行后续的通过，以使每个凹槽在所述凹槽的所述开口处较窄，且因此包括凹形凹槽。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其中形成所述凹形凹槽的步骤进一步包括执行至少一次额外的通过，其中以介于所述侧角与大体上的对角之间的一个或多个角度而朝向所述凹槽的所述底部引导所述研磨液射流，从而将材料从所述凹槽的所述底部移除。
4.根据权利要求1所述的制造方法，进一步包括穿过所述凹槽中的相应一个凹槽的所述底部形成一个或多个出入孔，以使相应的凹槽与所述至少一个中空的内部空间中的各相应空间流体连通。
5.根据权利要求1所述的制造方法，进一步包括在所述基底的所述外表面中形成所述一个或多个凹槽之前，铸造所述基底。
6.根据权利要求1所述的制造方法，其中所述基底包括第一材料，且所述激光熔覆材料通过将激光应用到包括所述第一材料的粉末而进行涂覆。
7.根据权利要求1所述的制造方法，其中所述基底包括第一材料，且所述激光熔覆材料通过将激光应用到粉末状的第二材料进行涂覆，其中所述第一和第二材料是不同的材料。
8.根据权利要求1所述的制造方法，其中所述激光熔覆材料密封所述开口。
9.根据权利要求1所述的制造方法，其中所述激光熔覆材料并不完全密封所述开口。
10.一种制造方法，包括 在基底的外表面中形成一个或多个凹槽，其中每个凹槽具有开口，并且至少部分的沿所述基底的所述外表面延伸，且其中所述基底具有内表面，所述内表面设有至少一个中空的内部空间； 加工所述基底的所述外表面，以使相应凹槽附近的表面塑性变形，从而减少跨过所述开口的距离； 使用激光熔覆工艺以将激光熔覆材料涂在相应一个或多个凹槽的所述开口上，以便至少部分构成一个或多个通道，以用于对部件进行冷却；以及 将涂层置于所述基底的所述外表面的至少一部分上以及所述激光熔覆材料上。
11.根据权利要求10所述的方法，其中加工所述基底的所述外表面包括执行以下操作中的一个或多个对所述外表面进行喷丸强化、对所述外表面进行水射流喷丸强化、对所述外表面进行挡板喷丸强化、对所述外表面进行重力喷丸强化、对所述外表面进行超声喷丸强化、对所述外表面进行抛光、对所述外表面进行低塑性抛光，以及对所述外表面进行激光冲击喷丸强化，以使邻近所述凹槽的所述表面塑性变形，从而减少跨过所述凹槽的所述开口的所述距离。
12.根据权利要求10所述的制造方法，其中在加工所述基底的所述外表面之前，跨过所述凹槽的所述开口的所述距离在约0. 2到0. 6mm的范围内，且其中在已加工所述外表面之后，跨过所述凹槽的所述开口的所述距离在约0到0. 4mm的范围内。
13.根据权利要求10所述的制造方法，其中所述加工在所述基底的所述外表面中引入多个表面不规则处。
14.根据权利要求10所述的制造方法，其中加工所述基底的所述外表面的步骤还刻面于所述凹槽附近的所述外表面。
15.根据权利要求10所述的制造方法，其中所述相应一个或多个凹槽中的每个凹槽在其相应开口处较窄，从而每个凹槽包括凹形凹槽。
16.一种制造方法，包括 将结构涂层的内层沉积在基底的外表面上； 至少部分的在内部结构涂层中形成一个或多个凹槽，其中每个凹槽具有开口并且至少部分的沿部件延伸，且其中所述基底具有内表面，所述内表面设有至少一个中空的内部空间； 使用激光熔覆工艺以将激光熔覆材料涂在相应一个或多个凹槽的所述开口上，以便至少部分构成一个或多个通道，以用于对所述部件进行冷却；以及 将所述结构涂层的外层置于所述结构涂层的所述内层的至少一部分上以及所述激光熔覆材料上。
17.根据权利要求16所述的制造方法，进一步包括加工所述结构涂层的所述内层的外表面，以使相应凹槽附近的表面塑性变形，从而减少跨过所述开口的距离，其中在所述激光熔覆工艺之前执行所述加工。
18.根据权利要求16所述的制造方法，其中所述相应一个或多个凹槽中的每个凹槽在其相应开口处较窄，从而每个凹槽包括凹形凹槽。
19.根据权利要求16所述的制造方法，其中所述结构涂层包括第一材料，且所述激光熔覆材料通过将激光应用到包括所述第一材料的粉末而进行涂覆。
20.—种部件，包括 包括外表面和内表面的基底，其中所述内表面设有至少一个中空的内部空间； 置于所述基底的表面的至少一部分上的至少一个涂层，其中所述涂层包括置于所述基底的所述外表面上的内部结构涂层，其中一个或多个凹槽至少部分的形成于所述内部结构涂层中，其中每个凹槽至少部分的沿所述部件延伸并且具有开口，且其中一个或多个出入孔穿过相应凹槽的底部而形成，以使所述凹槽与相应的中空内部空间流体连通；以及 置于相应一个或多个凹槽的所述开口上的激光熔覆材料，以至少部分构成一个或多个通道，以用于对所述部件进行冷却。
21.根据权利要求20所述的部件，其中所述相应一个或多个凹槽中的每个凹槽在其相应开口处较窄，从而每个凹槽包括凹形凹槽。
22.根据权利要求20所述的部件，其中所述涂层进一步包括置于所述内部结构涂层上的外部结构涂层，且其中所述结构涂层的外层置于所述结构涂层的内层的至少一部分上以及所述激光熔覆材料上。
23.根据权利要求22所述的部件，其中所述结构涂层和所述激光熔覆材料包括相同的材料。
24.根据权利要求20所述的部件，进一步包括粘结层，其中所述结构涂层的所述内层包括第一材料，且所述激光熔覆材料包括粉末状的第二材料，其中所述第一和第二材料是不同的材料，且其中所述粘结层置于所述激光熔覆材料上。
25.根据权利要求20所述的部件，其中所述激光熔覆材料密封所述开口。
26.根据权利要求20所述的部件，其中所述激光熔覆材料并不完全密封所述开口。
27.根据权利要求20所述的部件，其中多个表面不规则处形成于所述相应凹槽附近的所述结构涂层的所述内层的外表面中。
28.根据权利要求20所述的部件，其中所述结构涂层的所述内层的所述外表面刻面于所述相应凹槽的附近。
全文摘要
本发明提供具有激光熔覆的部件以及制造方法。所述制造方法包括使用研磨液射流，以在基底的外表面中形成一个或多个凹槽。每个凹槽具有底部和开口，并且至少部分的沿所述基底的所述外表面延伸，其中所述基底具有内表面，所述内表面设有至少一个中空的内部空间。所述制造方法进一步包括使用激光熔覆工艺以将激光熔覆材料涂在相应凹槽的所述开口上，以便至少部分的构成一个或多个通道，以用于对部件进行冷却；以及将涂层置于所述基底的所述外表面的至少一部分上以及所述激光熔覆材料上。本发明还提供其他制造方法和部件。
文档编号F01D5/14GK103056604SQ20121040092
公开日2013年4月24日 申请日期2012年10月19日 优先权日2011年10月21日
发明者R.S.班克, D.普拉特 申请人:通用电气公司