具有冷却通道的混合部件及对应方法与流程

本发明涉及高温部件，并且更具体地涉及具有形成于混合部件中的内部冷却通道的混合部件以及制造该混合部件的方法。

背景技术：

燃气轮机包括用于容纳压缩机部段、燃烧部段和涡轮部段的壳体或缸体。供给的空气在压缩机部段中被压缩并且被引导到燃烧部段中。压缩空气进入燃烧入口并且与燃料混合。空气/燃料混合物随后进行燃烧以产生高温且高压的气体。该工作气体随后行进通过燃烧室过渡部并进入涡轮机的涡轮部段。

涡轮部段通常包括将工作气体引导至涡轮叶片的翼型件部分的多排轮叶。工作气体行进通过涡轮部段，从而使涡轮叶片旋转，由此使转子转动。转子还附接至压缩机部段，从而使压缩机以及还有用于发电的发电机转动。通过将流动通过燃烧部段的气体加热至尽可能高的实用温度来实现燃烧涡轮的高效率。然而，热气可能使各种金属涡轮部件——比如在热气流动通过涡轮时热气所经过的燃烧室、过渡管道、轮叶、环形区段和涡轮叶片——退化。

为此，已经开发了用以保护这些部件免受极端温度的影响的策略，比如开发和选择了能够承受这些极端温度的高温材料。举例来说，已经开发了耐受温度高达1200℃的陶瓷基复合(CMC)材料。CMC材料可以包括陶瓷或陶瓷基体，陶瓷和陶瓷基体中的任一者均可以用陶瓷纤维来增强。然而，CMC材料的一个问题在于虽然CMC材料可以承受超过1200℃的温度，但CMC材料仅可以在未被冷却的情况下在燃烧环境中的有限的时段内承受超过1200℃的温度。

因此，还开发了冷却策略，该冷却策略可以将冷却流体输送通过涡轮部件(例如，叶片、轮叶)以将热量从部件带走。例如，冷却流体可以被流动通过部件的可用内部容积以提供对部件的足够冷却。应当理解的是，为了提供充分冷却，冷却流体的流速必须以足够高的流速通过内部容积。否则，流速可能太低而无法提供期望的冷却效果。然而，这种大量的冷却流体的使用并非是没有损害的。由于冷却流体不被燃烧或以其他方式被利用以产生能量，因此所使用的大量的冷却流体可能会导致针对相关燃气轮机而言的显著的材料成本和操作成本。

附图说明

图1示出了根据本发明的一方面的包括形成于部件中的CMC芯和冷却通道的部件的横截面。

图2示出了根据本发明的另一方面的包括形成于部件中的CMC芯和冷却通道的部件的横截面。

图3示出了根据本发明的又一方面的包括形成于部件中的CMC芯和冷却通道的部件的横截面。

图4至图11示出了根据本发明的一方面的用于形成部件的方法的顺序步骤。

图12至图13示出了根据本发明的另一方面的用于形成部件的方法中的顺序步骤。

图14示出了根据本发明的另一方面的用于形成部件的方法中的另一步骤。

图15至图17示出了根据本发明的又一方面的用于形成部件的方法中的顺序步骤。

图18示出了根据本发明的一方面的具有CMC芯、金属壳和内部冷却通道的燃气轮机轮叶。

具体实施方式

本发明的各方面提供了一种混合部件，该混合部件包括由CMC材料形成的芯、由金属材料形成的外壳、以及在CMC芯与外金属壳之间形成的至少一个冷却通道。通过设置CMC芯，冷却空气流被迫从芯径向向外，从而将流引导至产生冷却外金属壳的最有用的工作位置处。另外，芯提供了减小的内部流量和减小的通过芯的冷却流体所需的流速，从而显著降低了冷却流体的需求和相关成本。此外，由于CMC材料包含高热容量，因此CMC材料在芯处的使用另外提高了冷却效率，并且因此需要较少的冷却流体。

根据另一方面，提供了一种用于形成部件的方法。该方法包括：

至少部分地围绕包括陶瓷基复合材料的芯设置冷却通道流限定部；

将金属材料围绕芯和冷却通道流限定部铸造以形成外金属壳；以及

在部件中通过冷却通道流限定部形成冷却通道。

现在参照附图，图1示出了根据本发明的一方面的部件10的横截面，该部件10具有由陶瓷基复合材料14形成的芯12(CMC芯12)、一个或更多个冷却通道16(冷却通道16)、以及围绕芯12和冷却通道16铸造的金属壳18。因此，代替冷却流体所可以流动通过的大的内部容积，CMC芯12可以迫使引入到部件中的冷却流体20进入介于CMC芯12与外金属壳16之间的冷却通道16中。由芯12和冷却通道16限定的较窄的冷却流体流动路径可以减少冷却空气需求并提高部件10的冷却效率，从而大幅减少材料需求和操作需求。

部件10可以包括任意所需部件，比如本领域中已知的燃气涡轮部件。在特定实施方式中，部件10可以包括构造成用于在燃烧室涡轮热气部段中使用的翼型件。例如，部件10可以为燃气轮机的固定部件或旋转部件，比如过渡管道、叶片、轮叶等中的一者。图18中示出了示例性涡轮轮叶46。应当理解的是，本文中所描述和提供的其余的附图可以通过示例的方式表示轮叶46的翼型件部分48的横截面。

陶瓷基复合材料14可以包括承载如本领域中已知的多个增强纤维的任意合适的陶瓷材料或陶瓷基体材料。在某些实施方式中，CMC材料14可以是各向异性的，至少在某种意义上来说CMC材料14可以在不同方向上具有不同的强度特性。应当理解的是，包括材料选择和纤维取向的各种因素可能会影响CMC材料的强度特性。另外，CMC材料14可以包括氧化物CMC材料以及非氧化物CMC材料。在实施方式中，CMC材料14包括如本领域中已知的氧化物-氧化物CMC材料。

纤维可以设置成各种形式，比如织造织物、毛毯、单向带和垫。本领域中已知了用于制造CMC材料的各种技术，并且这些技术可以用于形成本文中所使用的CMC材料14。另外，美国专利No.8,058,191、美国专利No.7,745,022、美国专利No.7,153,096、美国专利No.7,093,359和美国专利No.6,733,907中描述了示例性CMC材料14，以上专利中的每个专利的全部内容在此通过参引并入本文。如上所述，由于例如纤维方向也可能会影响材料的机械强度，因此材料的选择可能不是决定CMC材料14的性质的唯一因素。这样，用于CMC材料14的纤维可以具有任意合适的取向，比如美国专利No.7,153,096中所描述的取向。

由CMC材料14形成芯12可以提供除了已经提到的那些优点之外的其他优点。举例来说，相同体积的CMC材料14明显轻于相同体积的金属材料，并且因此可以大幅减小部件10的重量。另外，重申一点，CMC材料14的高热容量相对于具有金属芯或移除了芯的部件而言可以降低所需的冷却流体的量。在某些方面，CMC芯12可以形成为适于其预期目的的任意形状、大小或尺寸。在特定实施方式中，CMC芯12可以具有例如大致椭圆形的横截面。

如本领域技术人员将理解的那样，设置在部件10中的每个(一个或更多个)冷却通道16均可以具有用以向部件10提供所需量的冷却的任意合适的大小、形状和尺寸(例如，内径)。另外，可以在部件中设置任意合适数量的或所需数量的冷却通道16。每个冷却通道16均可以设置成与合适的流体源，比如空气压缩机等(未示出)流体连通，以使冷却流体20流动通过每个冷却通道16。

外金属壳18可以由任意合适的金属材料形成。在实施方式中，金属材料包括合适的合金材料，比如超级合金材料。例如，超级合金材料可以包括如本领域中众所周知的Ni基或Co基超级合金材料。术语“超级合金”可以理解为是指甚至在高温下仍呈现优异的机械强度和抗蠕变性的高度耐腐蚀和抗氧化的合金。示例性超级合金材料是市售的并且以以下商标和品牌名称出售：所述商标和品牌名称例如为Hastelloy、Inconel alloys(例如，IN 738、IN 792、IN 939)、Rene合金(例如Rene N5、Rene 41、Rene 80、Rene 108、Rene 142、Rene 220)、Haynes合金、Mar M、CM 247、CM 247LC、C263、718、X-750、ECY 768、262、X45、PWA 1483和CMSX(例如CMSX-4)单晶合金、GTD 111、GTD 222、MGA 1400、MGA 2400、PSM 116、CMSX-8、CMSX-10、PWA 1484、IN 713C、Mar-M-200、PWA 1480、IN 100、IN 700、Udimet 600、Udimet 500以及铝化钛。

金属壳18和CMC芯12通常将具有显著不同的热膨胀程度。因此，在热气体环境中，可以预期的是，如果允许两个部件彼此直接接触/彼此抵接，则膨胀的金属将会在结构上损坏CMC芯12。至少由于该原因，根据一个方面，CMC芯12和外金属壳可以通过利用任意合适的结构或结构布置而彼此偏离以避免对CMC芯12的结构性损坏。在图1中示出的实施方式中，冷却通道16自身提供了金属壳18与CMC芯12之间的完全偏离。在其他实施方式中，材料或其他结构可以布置在金属壳18与CMC芯12之间的特定位置处以避免金属与CMC材料之间的直接接触。

例如，如图2中示出的，设置有具有围绕CMC芯12的多个冷却通道16的部件10a。由于冷却通道16彼此间隔开，因此应当理解的是，当金属壳18被铸造时冷却通道16将不会使CMC芯12与金属壳18完全偏离。这将使CMC芯12易受来自金属壳18的损坏，特别是在金属材料预期会膨胀并磨损CMC芯12的热气体环境中操作时尤为如此。为了防止这个，可以在需要或必要的情况下在CMC芯12与金属壳18之间布置保护材料22。仅通过示例的方式，保护材料22可以包括蜡、诸如聚苯乙烯的聚合物、或者任意其他将用于保护CMC芯12免受金属壳18的影响的合适材料。

在又一实施方式中，如图3中示出的，示出了部件10b，其中，在CMC芯12与冷却通道16之间也可以布置有一定量的保护材料22使得冷却通道16形成在保护材料22的层23(或环)内。

根据另一方面，提供了用于制造如本文中所描述的部件(例如，10、10a、10b)的方法，该部件(例如，10、10a、10b)具有由外金属壳18包围的一个或更多个冷却通道16。一方面，本文中所描述的方法有利地允许部件在单个铸造过程中而非在以现有技术为特征的多步骤过程中以最终形式制造。此外，通过使用CMC芯12，能够消除铸造过程期间部件和材料的膨胀问题。

图4至图11示出了用于制造如本文中所描述的部件的一种方法，然而，应当理解的是，本发明不限于此处所描述的方法。一方面，如图4中示出的，方法100包括设置CMC芯12的步骤102，CMC芯12包括如本文中所描述的陶瓷基复合(CMC)材料14。该设置可以包括制造CMC材料14、由所制造的CMC材料14形成所需尺寸的芯12、以及从市售来源购买具有所需尺寸的CMC芯12。

在下一步骤中，方法100还可以包括提供如图5中示出的至少部分地围绕CMC芯12的冷却通道流限定部25的步骤104。对“冷却通道流限定部”而言，冷却通道流限定部是指一种结构，该结构在被修改时可以产生具有所需尺寸的冷却通道16。为了实现这一点，在实施方式中，通道限定材料26可以沉积在CMC芯12的至少一部分的外表面28的至少一部分上。通道限定材料26可以以最终将限定对应的冷却通道16的任意合适的型式施用。例如，当冷却通道16需要如图1中所示围绕CMC芯12的整个周边时，通道限定材料26可以如图5中所示围绕CMC芯12的整个周边施用。通道限定材料26可以通过本领域中已知的任意合适的沉积技术比如通过喷涂到CMC芯12的表面上并粘合以形成网络或者通过使用模具铸造到CMC芯12的表面上等进行沉积。替代性地，具有布置在CMC芯12上的通道限定材料26的CMC芯12可以以预制形式设置。

在实施方式中，通道限定材料26可以包括如本领域中已知的用于在制品的铸造期间在制品中形成通道的陶瓷芯材料。示例性陶瓷芯材料可以包括选自由氧化铝、锆石、二氧化硅及其混合物组成的组的成分。根据一个方面，通道限定材料26例如陶瓷芯材料可以设计成在铸造过程期间提供稳定的基体，使得通道限定材料26至少基本上保持其被沉积的形状，直到通道限定材料26的至少一部分被移除以限定冷却通道20为止。通过示例的方式，通道限定材料26可以通过合适的浸取工艺或通过机械方法被移除。

当执行浸取时，合适的浸取材料可以包括如本领域中已知的用于使对应的陶瓷材料浸取或溶解的碱性溶液。在实施方式中，当陶瓷芯为二氧化硅或氧化铝基时，浸取液可以包括具有化学式MOH的氢氧化物，其中，M选自由钠和钾组成的组。在另一实施方式中，当陶瓷材料包括氧化钇时，浸取液可以包括作为其活性组分的酸，比如硝酸。一方面，在移除过程期间，浸取液可以在其沸点处或其沸点附近(±10％)达到合适的温度以移除陶瓷芯材料。美国专利No.5,332,023中阐述了示例性浸取工艺，其全部内容在此通过参引并入本文。

在下一步骤中，如图6中示出的，方法100还可以包括围绕CMC芯12和例如由通道限定材料26形成的冷却通道流限定部25而形成蜡区域30的步骤106。为了形成蜡区域30，可以围绕CMC芯12和通道限定材料26沉积与待在后期的方法步骤中形成的金属壳18的所需尺寸和体积相当的一定量的蜡32。蜡32可以被加热至所需的温度以使蜡32达到所需的粘度进而流入部件10的期望区域中，并且然后蜡32可以被允许冷却以形成蜡区域30。

在下一步骤中，如图7中示出的，方法100还可以包括围绕蜡区域30形成最外壳34以形成中间部件35的步骤108。最外壳34可以由任意合适的相对刚性的材料比如陶瓷材料36形成。示例性合适的陶瓷材料36可以包括如用于熔模铸造的在当前的脱壳材料中使用的氧化铝和/或二氧化硅。陶瓷材料36和/或其他合适的材料可以通过任意合适的方法围绕蜡区域30进行沉积。在实施方式中，陶瓷材料36可以在蜡区域30以其所需的尺寸完全凝固之后进行沉积。另外，最外壳34可以具有任意所需的均匀厚度或可变厚度，以形成中间部件35的最外部分。最外壳34的目的可以是在形成金属壳18时保持部件的期望形状(如下面将说明的)。

在下一步骤中，如图8中示出的，方法100还可以包括移除蜡区域30以产生空隙区域38的步骤110。如下面将描述的，随后可以用金属材料40填充空隙区域38以形成金属壳18。蜡区域30的移除可以通过任意合适的方法比如通过向蜡区域30施加热量并且此后回收蜡材料来完成。

在下一步骤中，如图9中示出的，方法100还可以包括在空隙区域38中铸造金属材料40以形成金属壳18的步骤112，金属壳18包围通道限定材料26和CMC芯12。在实施方式中，金属材料40可以以熔融形式设置并围绕CMC芯12和通道限定材料26进行沉积，并且随后允许金属材料40冷却以形成金属壳18。

在下一步骤中，方法100还可以包括移除最外壳34以提供最终铸造金属部件的步骤114。最外壳34可以通过任意合适的机械方法或化学方法比如通过搅拌等移除。

在下一步骤中，如图11中示出的，方法100还可以包括通过冷却通道流限定部25形成至少一个冷却通道16的步骤116。如前所述，通道流限定部25可以通过使通道限定材料26以所需的型式进行沉积来提供。然后，为了由通道流限定部25形成一个或更多个冷却通道16，在实施方式中，通道限定材料26的至少一部分可以通过合适的技术比如浸取等移除，以限定冷却通道16。一旦已经形成一个或更多个冷却通道16，现在铸造的部件10就可以从其铸造环境移除并且在必要或需要的情况下被输送用于进一步加工或抛光。在实施方式中，移除了限定冷却通道26的所有材料以形成冷却通道16。

在以上实施方式中，通道限定材料26围绕CMC芯12的整个周边设置。根据另一实施方式，提供了一种用于形成部件的方法，如图12中示出的，该方法包括使通道限定材料26围绕CMC芯12的外表面沉积在多个间隔开的位置15中以稍后限定多个间隔开的冷却通道16(参见图2)。为了防止在金属材料40的铸造期间金属材料40与CMC芯12相接触，如图13中示出的，可以围绕至少一部分CMC芯12沉积保护材料22。保护材料22可以特别地施用于不存在通道形成材料26的位置处，从而防止在如上所述的部件10、10a、10b的形成期间CMC芯12与金属壳18之间的接触。

在变型中，如图14中示出的，保护材料22也可以施用于通道限定材料26上以限定侧壁。以这种方式，保护材料22可以在冷却通道16形成时形成用于冷却通道的侧壁。

在又一实施方式中，如图15至图17中示出的，保护材料22可以在如图15中示出的第一步骤中施用于CMC芯12上。此后，如图16中示出的，通道限定材料26可以以所需的尺寸施用于保护材料22上。在又一实施方式中，如图17中示出的，尽管不是必要的，可以在附加的制造步骤之前在通道限定材料26上施用附加的保护材料22。

在施用通道限定材料26和/或保护材料22的任意以上方法步骤之后，随后可以执行如本文中所描述的方法100的剩余步骤以形成具有形成在部件中的CMC芯12、金属壳18和冷却通道16的部件。

根据另一方面，可能希望通过制造方法将至少CMC芯12固定处于径向位置。因此，一方面，本文中所描述的方法还可以包括在形成部件10时将CMC芯固定至基部构件比如根部部段或平台的步骤。可以利用用于实现相同功能的任意合适的结构。在某些方面，CMC芯12可以在制造方法期间仅通过其他材料的几何形状固定或锚固就位，从而消除了用于CMC芯12的机械附接或使用其他制造技术的需求。

虽然本文中已经示出并描述了本发明的各种实施方式，但明显的是，这些实施方式仅通过示例的方式提供。在不脱离本文中的本发明的情况下，可以进行许多变化、改变和替换。因此，本发明意在仅受所附权利要求的精神和范围的限制。