物品、构件和形成物品的方法与流程

本发明在能源部授予的合同号DE－FC26－05NT42643下利用政府支持实现。政府具有此发明中的某些权利。

技术领域

本发明针对物品、构件和形成物品的方法。更具体而言，本发明针对冷却物品、冷却的构件和形成冷却物品的方法。

背景技术：

涡轮系统不断地更改以提高效率和降低成本。用于提高涡轮系统的效率的一种方法包括提高涡轮系统的操作温度。为了提高温度，涡轮系统必须包括可在持续使用期间承受这种温度的构件。

除了更改构件材料和涂层，提高涡轮构件的温度能力的一种常见方法包括供应冷却流体的流。通常，为了供应冷却流体流，相对较冷的空气从压缩机转移且提供至待冷却的构件。在某些构件中，冲击套筒定位在构件内，冲击套筒将较冷的空气向构件的内部表面引导。

大体上，冲击套筒为开放的单气室装置，其包括多个形成于其中的冷却开孔。较冷空气填充冲击套筒的气室且然后传送通过多个冷却开孔。通常，为了控制来自冲击套筒的冷却流，各个冷却开孔数目/尺寸改变以增加/减少至某些区域的流。然而，减小冷却开孔尺寸可导致堵塞，而减少冷却开孔的数目可减少冲击冷却的有效区域。

本领域中将期望相比于现有技术显示一个或多个改进的物品和形成物品的方法。

技术实现要素：

在一个实施例中，一种物品包括：分开内部区域和外部区域的本体部分，本体部分中的孔，该孔流体地连接内部区域和外部区域，以及沿物品的内部表面的至少一部分延伸的挡板，该挡板将内部区域分成多个子区域。

在另一实施例中，一种构件包括具有布置在其中的冷却物品的中空构件本体，该冷却物品包括分开内部区域和外部区域的本体部分，流体地连接内部区域和外部区域的孔，以及沿冷却物品的内部表面的至少一部分延伸的至少一个挡板，该至少一个挡板将内部区域分成多个子区域。该至少一个挡板配置和布置成在多个子区域中的一个或多个之间分布流体流。

在另一实施例中，一种形成物品的方法包括：形成限定内部区域和外部区域的本体部分，形成本体部分中的孔，该孔将内部区域流体地连接至外部区域，以及形成沿本体部分的内部表面的至少一部分延伸的至少一个挡板，该至少一个挡板将内部区域分成多个子区域。

技术方案1. 一种物品，包括：

本体部分，其分开内部区域和外部区域；

所述本体部分中的孔，所述孔流体地连接所述内部区域和所述外部区域；和

沿所述物品的内部表面的至少一部分延伸的挡板，所述挡板将所述内部区域分成多个子区域。

技术方案2. 根据技术方案1所述的物品，其中，所述挡板在所述内部区域内分布流体流。

技术方案3. 根据技术方案1所述的物品，其中，所述挡板在所述物品的增材制造期间提供支撑。

技术方案4. 根据技术方案1所述的物品，其中，所述挡板在从由轴向、基本轴向、径向、基本径向和其组合组成的组中选择的方向上延伸。

技术方案5. 根据技术方案1所述的物品，其中，所述物品从由冲击套筒和冲击板组成的组中选择。

技术方案6. 根据技术方案1所述的物品，其中，所述挡板包括延伸穿过其的至少一个开口，所述挡板从由网格织物、多孔板、一系列流阻止器和其组合组成的组中选择。

技术方案7. 根据技术方案1所述的物品，其中，所述挡板提高冷却效率。

技术方案8. 根据技术方案1所述的物品，其中，所述挡板配置和布置成在所述子区域中的一个或多个中相对于所述子区域中的另一个改变流体流。

技术方案9. 根据技术方案1所述的物品，其中，所述物品配置和布置成用于插入涡轮发动机的热气体通路构件内。

技术方案10. 一种构件，包括：

具有布置在其中的冷却物品的中空构件本体，所述冷却物品包括：

本体部分，其分开内部区域和外部区域；

孔，其流体地连接所述内部区域和所述外部区域；和

沿所述冷却物品的内部表面的至少一部分延伸的至少一个挡板，所述至少一个挡板将所述内部区域分成多个子区域；

其中所述至少一个挡板配置和布置成在所述多个子区域中的一个或多个之间分布流体流。

技术方案11. 一种形成物品的方法，所述方法包括：

形成限定内部区域和外部区域的本体部分；

形成所述本体部分中的孔，所述孔将所述内部区域流体地连接至所述外部区域；和

形成沿所述本体部分的内部表面的至少一部分延伸的至少一个挡板，所述至少一个挡板将内部区域分成多个子区域。

技术方案12. 根据技术方案11所述的方法，其中，所述方法还包括将所述物品插入构件中，所述物品提供所述构件的冲击冷却。

技术方案13. 根据技术方案11所述的方法，其中，形成所述本体部分、形成所述孔和形成所述至少一个挡板中的至少一者包括增材制造。

技术方案14. 根据技术方案11所述的方法，其中，形成所述至少一个挡板包括使所述至少一个挡板与所述本体部分整体地形成。

技术方案15. 根据技术方案11所述的方法，其中，形成所述至少一个挡板包括单独于所述本体部分形成所述至少一个挡板，然后将所述至少一个挡板固定至所述本体部分。

技术方案16. 根据技术方案1所述的物品，其中，所述挡板包括延伸穿过其的至少一个开口。

技术方案17. 根据技术方案16所述的物品，其中，所述挡板从由网格织物、多孔板、一系列流阻止器和其组合组成的组中选择。

技术方案18. 根据技术方案1所述的物品，其中，所述物品还包括至少一个额外的挡板。

技术方案19. 根据技术方案1所述的物品，其中，所述挡板独立地固定至所述物品。

技术方案20. 根据技术方案13所述的方法，其中，所述增材制造包括直接金属激光熔化。

技术方案21. 根据技术方案20所述的方法，其中，所述至少一个挡板至所述本体部分的固定从由焊接、烧结、接合、互锁和其组合组成的组中选择。

本发明的其它特征和优点从结合附图的以下更详细的描述将显而易见，附图通过示例说明了本发明的原理。

附图说明

图1是根据本公开的实施例的冷却物品的透视图。

图2是根据本公开的实施例的在如图1中所示的方向2－2上截取的冷却物品的剖视图。

图3是根据本公开的实施例的在如图1中所示的方向3－3上截取的冷却物品的剖视图。

图4是根据本公开的实施例的定位在构件内的冷却物品的剖视图。

图5是根据本公开的实施例的形成冷却物品的方法的过程图。

图6是根据本公开的实施例的形成冷却物品的方法的示意图。

在任何可能之处，相同的参考数字将贯穿附图使用以代表相同的部分。

零件清单

100 冷却物品

101 孔

103 挡板

201 本体部分

203 内部区域

204 内部表面

205 外部区域

206 外部表面

211 子区域

221 开口

400 构件

403 多孔结构

404 内部表面

500 增材方法

601 金属合金粉末

602 初始层

603 预先选择的厚度

604 第一开口

610 聚焦能量源

611 部分

622 额外层

623 第二预先选择的厚度

624 第二开口

633 组合厚度

634 组合开口。

具体实施方式

提供了冷却物品和形成冷却物品的方法。例如，本公开的实施例相比于未能包括本文公开的一个或多个特征的概念，提高冷却效率、促进流体流的控制、在冷却物品内分布流体流、在不更改冷却物品中的孔的情况下促进调整冲击流、增强构件冷却、促进提高操作温度的使用、使用增材制造促进冷却物品的形成、以减少量的流体流提供增强冷却，或其组合。

冷却物品100包括用于促进涡轮构件的冷却的任何合适的物品。在一个实施例中，如图1中所示，冷却物品100包括形成于其中的一个或多个孔101和/或形成于其中的一个或多个挡板103。例如，在另一实施例中，冷却物品100包括具有多个孔101的冲击套筒。虽然本文首先关于冲击套筒描述，但本领域技术人员应当理解，冷却物品100可包括任何其它合适的物品，诸如但不限于冲击板、多个冲击板、构造为用于插入构件内的任何其它物品，或其组合。

参照图2，冷却物品100的本体部分201限定和/或分开内部区域203和外部区域205。本体部分201包括面向内部区域203的内部表面204和面向外部区域205的外部表面206。在一个实施例中，一个或多个孔101在本体部分201中形成，将内部区域203流体地连接至外部区域205且提供内部区域203和外部区域205之间的流体流。例如，孔101可在内部表面204和外部表面206之间延伸，促进从内部区域203到外部区域205的冷却流体的流。

各个孔101包括用于流体地连接内部区域203和外部区域205的任何合适的几何形状。合适的几何形状包括但不限于圆形、基本圆形、圆的、基本圆的、椭圆的、非圆的、方形、三角形、星形的、多边形、变化的、不规则的、任何其它几何形状，或其组合。另外，孔101包括用于促进冷却流的任何合适的定向和/或间隔。孔101之间的合适的间隔包括但不限于一致的、均匀的、变化的、有梯度的、分段的，或其组合。孔101的几何形状和/或间隔可贯穿冷却物品100为均匀的、基本均匀的或变化的，其中各个孔101的几何形状和/或间隔与冷却物品100中的一个或多个其它孔101相同、基本相同和/或不同。

一个或多个挡板103沿冷却物品100的内部表面204定位，将内部区域203分成一个或多个子区域211。一个或多个挡板103中的各个在任何合适的方向上延伸，诸如但不限于轴向、基本轴向、径向、基本径向，或其组合。一个或多个挡板103的数量、定位和/或定向选择成提供子区域211的期望构造，诸如，例如提供可控制的压力和/或冷却空气流。在一个实施例中，如图2中所示，单个挡板103固定至内部表面204，该单个挡板103将内部区域203分成一个或多个子区域211。在另一实施例中，如图3中所示，至少两个挡板103固定至内部表面204，该至少两个挡板103将内部区域203分成一个或多个子区域211。本领域技术人员应了解，可提供任何合适数目的挡板103以形成内部区域203内的任何合适数目的子区域211。

一个或多个挡板103构造为在冷却物品100的内部区域203内分布流体流。内部区域203内的流体流的分布包括但不限于向由挡板103形成的子区域211引入变化量的流体、改变挡板103的定向以改变一个区域中相对于另一区域的流体流、改变挡板103的定向以集中一个或多个子区域211内的流体流、改变穿过一个或多个挡板103的流体流，或其组合。例如，在一个实施例中，至少一个挡板103包括多孔结构403(见图4)，诸如网格或网格织物。多孔结构403包括容许流体流直接地穿过多孔结构403的多个开孔和/或通道。在另一实施例中，一个或多个开口221形成在挡板103中。该一个或多个开口221可形成在多孔结构403中，形成在非多孔结构中，诸如板(见图2)，或其组合。非多孔结构中的该一个或多个开口221提供穿过其的流体流，而多孔结构403中的该一个或多个开口221增加穿过其的流体流的量。当存在时，改变挡板103中的开口的尺寸、定向和/或数量，和/或改变多孔结构403的孔隙率改变穿过挡板103的流体流，这改变内部区域203内的流体流。另外或备选地，挡板103可包括流限制器和/或流阻止器，其更改和/或控制穿过挡板103和/或子区域211的流体流。合适的流限制器和/或流阻止器包括但不限于销组、刷毛或其组合。

在一个实施例中，一个或多个挡板103改变一个或多个子区域211之间的流体流的分布。在另一实施例中，改变一个或多个子区域211之间的流体流的分布改变穿过对应于该一个或多个子区域211的孔101的流体流。例如，在进一步的实施例中，一个或多个挡板103定位成在子区域211的一个内相比于另一子区域211提供增加的流体流，子区域211内增加的流体流提供穿过子区域211中的孔101的增加的流体流。

转到图4，在一个实施例中，冷却物品100构造为用于插入和/或定位在构件400内。构件400包括任何合适的构件，诸如但不限于中空构件、热气体通路构件、喷嘴、叶片、导叶或其组合。当插入和/或定位在构件400内时，冷却物品100的外部区域205在冷却物品的外部表面206和构件400的内部表面404之间延伸。另外，当冷却物品100插入和/或定位在构件400内时，穿过孔101的流体流提供构件400的冲击冷却。例如，提供至冷却物品100的内部区域203的冷却流体可行进穿过孔101至外部区域205，在那里冷却流体接触构件400的内部表面404以冷却构件400。孔101的定向和/或间隔至少部分地确定从内部区域203行进到外部区域205的流体的量、方向和/或集中。另外或备选地，挡板103和/或子区域211配置为更改、调整和/或控制从内部区域203到外部区域205的流体流。例如，挡板103和/或子区域211可构造为提供穿过孔101的期望的流体流轮廓。合适的流体流轮廓包括但不限于在难以到达的区域中的增加的流体流、在暴露于提高温度的区域中的增加的流体流、在期望增强冷却的其它区域中的增加的流体流，或其组合。

通过在内部区域203内分布流体流和/或改变子区域211之间的流体流的分布，挡板103改变穿过孔101的流体流，而不调整和/或更改孔101的数目、尺寸和/或几何形状，不使用多个冷却物品100，或其结合。例如，在一个实施例中，挡板103提供独立于孔101的数目、尺寸、几何形状和/或布置的流控制。在另一实施例中，由挡板103提供的独立流控制促进用于孔101的期望参数的使用而不堵塞或基本不堵塞孔101。另外或备选地，相比于不包括如本文公开的实施例的一个或多个中描述的挡板103的冷却物品，挡板103促进对流体流的增强控制、促进对冲击冷却流的增强控制、利用减少量的流体流提供增强冷却、提高冷却效率、促进提高操作温度的使用，或其组合。

在一个实施例中，形成冷却物品100和/或挡板103包括任何合适的增材制造方法。参照图5至图6，在一个实施例中，增材方法500包括制成和/或形成净或近净形状的冷却物品100和/或挡板103。如本文所使用，用语“近净”表示冷却物品100和/或挡板103形成带有与冷却物品100和/或挡板103的最终几何形状和尺寸非常类似的几何形状和尺寸，在增材方法500之后需要很少或无机加工和处理。如本文所使用，用语“净”表示冷却物品100和/或挡板103形成带有不需要机加工和处理的几何形状和尺寸。

根据本文公开的一个或多个实施例，增材方法500包括整体地形成与冷却物品100成整体的一个或多个孔101和/或一个或多个挡板103。另外或备选地，增材方法500包括单独于冷却物品100形成一个或多个挡板103，然后将该一个或多个挡板103固定至冷却物品100。将该一个或多个挡板103固定至冷却物品100包括但不限于焊接、钎焊、烧结、接合、互锁、机械锁定或其组合。虽然关于孔101在增材方法500期间形成而描述，但如本领域技术人员应了解，至少一个孔101可在增材方法500之后机加工到冷却物品100中，而不影响冷却物品100的净或近净几何形状。

增材方法500包括通过顺序地和重复地沉积和接合材料层以用于形成冷却物品100和/或挡板103的任何制造方法。合适的制造方法包括但不限于本领域的普通技术人员公知的过程，如直接金属激光熔化(DMLM)、直接金属激光烧结(DMLS)、激光工程化净成形、选择性激光烧结(SLS)、选择性激光熔化(SLM)、电子束熔化(EBM)、熔融沉积造型(FDM)，或其组合。在一个实施例中，例如，增材方法500包括提供金属合金粉末601(步骤501)；利用金属合金粉末601形成初始层602(步骤502)；利用金属合金粉末601在初始层602上顺序地形成额外层622(步骤503)；且将额外层622接合至初始层602以形成冷却物品100和/或挡板103(步骤504)。在另一实施例中，增材方法500包括重复在之前形成的层上顺序地形成额外层622和将额外层622接合至之前形成的层的步骤(步骤505)，直到冷却物品100和/或挡板103具有预先确定的厚度和/或获得预先确定的形状。之前形成的层包括冷却物品100和/或挡板103的包括初始层602和/或直接或间接地接合至初始层602的任何其它额外层622的任何部分611。

初始层602包括预先选择的厚度603和预先选择的形状，其在形成一个或多个孔101时包括至少一个第一开口604。各个额外层622包括第二预先选择的厚度623和第二预先选择的形状，该第二预先选择的形状包括对应于初始层602中的至少一个第一开口604的至少一个第二开口624、对应于外部表面206的形状和/或对应于一个或多个挡板103的形状。第二预先选择的厚度623和/或第二预先选择的形状可在一个或多个额外层622之间相同、基本相同或不同。当接合时，初始层602的预先选择的厚度603和额外层622的第二预先选择的厚度623形成部分611的组合厚度633。另外，至少一个第一开口604和相应的至少一个第二开口624形成部分611中的一个或多个组合开口634。一旦冷却物品100形成，该一个或多个组合开口634形成将冷却物品100的内部区域203流体地连接至外部区域205的一个或多个孔101。

在一个实施例中，增材方法500包括DMLM过程。在另一实施例中，DMLM过程包括提供金属合金粉末601和沉积金属合金粉末601以形成初始粉末层。初始粉末层具有预先选择的厚度603和包括至少一个第一开口604的预先选择的形状。在进一步的实施例中，DMLM过程包括在初始粉末层提供聚焦能量源610和引导聚焦能量源610以熔化金属合金粉末601和将初始粉末层转换成冷却物品100和/或挡板103的部分611。合适的聚焦能量源包括但不限于激光装置、电子束装置或其组合。

紧接着，DMLM过程包括在冷却物品100和/或挡板103的部分611上顺序地沉积额外的金属合金粉末601以形成具有第二预先选择的厚度623和第二预先选择的形状的额外层622。在沉积金属合金粉末601的额外层622之后，DMLM过程包括利用聚焦能量源610熔化额外层622以增加组合厚度633且形成冷却物品100的至少一部分。顺序地沉积金属合金粉末601的额外层622和熔化额外层622的步骤然后可重复以形成净或近净形状的冷却物品100和/或挡板103。例如，步骤可重复直到获得具有预先确定的厚度、预先确定的形状、一个或多个孔和/或一个或多个挡板103的冷却物品100。

另外或备选地，一个或多个挡板103可从冷却物品100的形成和/或在冷却物品的形成之后单独地形成。例如，挡板103可使用增材方法500在之前形成的冷却物品100上直接地形成，或挡板103可单独于冷却物品100形成然后附接至冷却物品100。单独于冷却物品100形成挡板103可包括增材方法500或非增材方法，诸如机加工、烧结和/或铸造。使用增材方法500形成冷却物品100和/或挡板103相比于非增材方法促进具有增加的复杂性的挡板103的形成。另外或备选地，在冷却物品100的增材制造期间形成一个或多个挡板103时，挡板103可为冷却物品100提供支撑、促进具有减小的厚度的本体部分201的形成、促进较长和/或较高的冷却物品100的形成、在制造期间减少或消除冷却物品100的变形、维持冷却物品100的期望的几何形状，或其组合。

虽然已经参考一个或多个实施例描述了本发明，但本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下可以做出各种改变且对于其元件可替代等同物。另外，在不脱离其实质范围的情况下，可以做出很多修改以适应根据本发明的教导的特殊情况或材料。因此，意在使本发明不限于如用于实现本发明所构思的最佳模式而公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。另外，在详细描述部分中标出的所有数值应当被理解为明确地标出了精确值和近似值。