本发明大体上涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地涉及用于此类发动机中的涡轮喷嘴节段的修理。
背景技术：
在制造中，通常合乎需要的是连结两个或更多个构件来产生单个部件。然而，连结构件的当前方法通常导致较差的机械性质，不论这些构件是否由相同或不类似的材料制成。
例如，连结两个构件的现有技术的方法可包括金属熔化过程，如焊接或硬钎焊，使用机械紧固件如铆钉或螺钉，或施加结构粘合剂和使其固化。这些接头可展现较差的物理性质，并且提供弱机械联结，如较差的剪切联结或粘合。由于那些区域中的集中应力，故这些接头还可倾向于沿材料过渡线或平面的裂缝开始和传播。
此外，在一些应用中，合乎需要的是具有允许连结构件之间的一些相对移动的接头。例如，不是柔韧或柔性的两个或更多个构件之间的接头可展现关于接头的疲劳耐久性、抗冲击性和总体寿命的问题。在其中构件或连结材料具有不同热膨胀系数的情况下，不允许相对移动的接头不可补偿热增长失配，因此导致接头在某些温度环境中的失效。
此外，在连结构件之间延伸的冷却孔可为合乎需要的。然而，取决于接头和构件的方位和构造，不可为可能的是，使用当前的方法(如，钻孔或机加工)在不损害接头的完整性的情况下形成冷却孔。不可为可能的是，例如在孔在接头自身内的情况下，或在钻取孔可另外弱化接头的情况下，产生冷却孔。
因此，具有改进的结构完整性的连结两个或更多个构件的方法是合乎需要的。更具体而言，用于形成允许构件之间的相对移动或包括冷却孔(如果期望)，同时仍提供强机械联结的接头的方法将是特别有用的。
技术实现要素：
本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或者可从描述为明显的，或者可通过本发明的实践学习。
大体上提供了用于修理金属基底的表面的方法。在一个实施例中，该方法包括制备金属基底的表面用于修理；将基础层熔化附接到金属基底的表面上；经由添加制造将第一材料的多个第一层熔合于基础涂层；经由添加制造由第一材料和第二材料形成互锁过渡区；以及经由添加制造将第二材料的多个第二层熔合在互锁过渡区上。互锁过渡区具有多个凸起，其分别从多个第一层和多个第二层交替地延伸，以将多个第一层不可拆卸地联接于多个第二层。
大体上还提供了一种修理的金属基底。在一个实施例中，修理的金属基底包括限定表面的金属基底；附接于金属基底的表面的基础涂层；附接于基础涂层的第一构件，其中第一构件包括第一材料的多个熔合层；包括第二材料的多个熔合层的第二构件；以及互锁过渡区，其包括分别从第一构件和第二构件交替地延伸以不可拆卸地联接第一构件和第二构件的多个凸起。
技术方案1.一种用于金属基底的表面的修理方法，包括：
制备所述金属基底的所述表面用于修理；
将基础层熔化附接到所述金属基底的所述表面上；
经由添加制造将第一材料的多个第一层熔合于所述基础涂层；
经由添加制造由所述第一材料和第二材料形成互锁过渡区；以及
经由添加制造将所述第二材料的多个第二层熔合在所述互锁过渡区上，
其中所述互锁过渡区包括多个凸起，其分别从所述多个第一层和所述多个第二层交替地延伸，以将所述多个第一层不可拆卸地联接于所述多个第二层。
技术方案2.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，制备所述金属基底的所述表面用于修理包括将凹槽生成到所述金属基底的所述表面中。
技术方案3.根据技术方案2所述的方法，其特征在于，所述凹槽机加工到所述金属基底的所述表面中。
技术方案4.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，将基础层熔化附接到所述金属基底的所述表面上包括将所述基础涂层硬钎焊到所述金属基底的所述表面上。
技术方案5.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述基础涂层包括金属涂层。
技术方案6.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述基础涂层包括与所述金属基底的成分大致相同的金属。
技术方案7.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述基础涂层经由添加制造形成。
技术方案8.根据技术方案7所述的方法，其特征在于，所述基础涂层经由热熔合于所述基底的所述表面。
技术方案9.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，熔合所述多个第一层包括相继地沉积所述第一材料的层来形成第一构件。
技术方案10.根据技术方案9所述的方法，其特征在于，熔合所述多个第二层包括相继地沉积所述第二材料的层来形成第二构件。
技术方案11.根据技术方案10所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
经由添加制造将附加涂层形成在所述第二构件上。
技术方案12.根据技术方案11所述的方法，其特征在于，所述附加涂层包括环境阻隔涂层。
技术方案13.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述第二材料包括热障涂层材料。
技术方案14.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述第二材料包括陶瓷材料。
技术方案15.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述表面限定翼型件的叶片末端，并且其中所述互锁过渡区设置在所述翼型件的所述末端处。
技术方案16.根据技术方案15所述的方法，其特征在于，所述多个凸起中的各个允许所述翼型件与所述叶片末端之间的相对运动。
技术方案17.一种修理的金属基底，包括：
限定表面的金属基底；
附接于所述金属基底的所述表面的基础涂层；
附接于所述基础涂层的第一构件，其中所述第一构件包括第一材料的多个熔合层；
包括第二材料的多个熔合层的第二构件；以及
互锁过渡区，其包括分别从所述第一构件和所述第二构件交替地延伸以不可拆卸地联接所述第一构件和所述第二构件的多个凸起。
技术方案18.根据技术方案17所述的修理的金属基底，其特征在于，所述修理的金属基底还包括所述第二构件上的附加涂层。
技术方案19.根据技术方案17所述的修理的金属基底，其特征在于，所述基础涂层和所述金属基底成分大致相同。
技术方案20.根据技术方案17所述的修理的金属基底，其特征在于，所述多个凸起中的各个允许所述第一构件与所述第二构件之间的相对运动。
本发明的这些及其它的特征、方面和优点将参照以下描述和所附权利要求变得更好理解。并入在本说明书中并且构成本说明书的部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同描述用于阐释本发明的原理。
附图说明
包括针对本领域技术人员的其最佳模式的本发明的完整且开放的公开在参照附图的说明书中阐述，在该附图中：
图1为根据本公开的示例性实施例的互锁过渡区的透视图，其中第一构件和第二构件示为分开来提供凸起的清楚视图；
图2为根据示例性实施例的具有轴和球柄凸起的互锁过渡区的侧视图；
图3为根据示例性实施例的具有梯形凸起的互锁过渡区的侧视图；
图4为根据示例性实施例的具有长形轴和球柄凸起的互锁过渡区的侧视图；
图5为根据示例性实施例的具有轴和球柄凸起的互锁过渡区的侧视图，其中硬钎焊材料用作第一构件与第二构件之间的粘合剂；
图6为根据示例性实施例的具有延伸穿过的冷却孔的非平面互锁过渡区的侧视图；
图7示出了使用互锁过渡区的修理的基底；
图8示出了特别适合于本公开的修理方法的示例性涡轮叶片；以及
图9示出了图8的示例性涡轮叶片的修理的末端。
本说明书和附图中的附图标记的重复使用旨在表示本发明的相同或相似的特征或元件。
部件列表
10互锁过渡区
12第一构件
14第二构件
16凸起
18轴
20球柄
22第一构件表面
24第二构件表面
26间隙
28梯形凸起
30长形凸起
32长形轴
34相对运动箭头
36接头粘合层
38冷却孔
70修理的基底
71表面
72基础基底
74基础层
76附加涂层。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的实施例，其一个或更多个实例在附图中示出。各个实例经由阐释本发明提供，而不限制本发明。实际上，对本领域技术人员而言将显而易见的是，可在本发明中作出各种改型和变型，而不脱离本发明的范围或精神。例如，示为或描述为一个实施例的部分的特征可与另一个实施例一起使用以产生又一个实施例。因此，意图是，本发明覆盖归入所附权利要求和它们的等同物的范围内的此类改型和变型。
添加制造技术实现通过典型地沿垂直(y)方向逐点、逐层建造物体的复杂物体的制造。尽管以下论述涉及材料的添加，但本领域技术人员将认识到，本文中公开的方法和结构可利用任何添加制造技艺或技术实践。例如，本发明的实施例可使用层添加过程、层减去过程或混合过程。在一些实施例中，本文中公开的方法和结构可提供由互锁过渡区10连结且由一种或更多种材料的连续沉积层形成的两个或更多个构件。
本公开的实施例提供了用于使用添加制造技术连结两个或更多个构件的方法和结构。在这点上，多个构件可产生，其为独立实体，但产生有它们的构造中的互锁特征以有效地形成机械"根部"，其横跨联结区域到达，由此阻止拆卸和横跨过渡区传送结构负载。所得的接头可为平面或非平面的，并且可展现改进的机械强度和粘合。互锁材料过渡区例如还可用于将高抗冲击保护涂层装固于基础材料。此外，互锁特征可间隔开，以容许构件之间的小范围运动，并且接头可具有集成的冷却孔或通路。
现在参照附图，图1示出了根据本公开的示例性实施例的互锁过渡区10的透视图，其中第一构件12和第二构件14示为分开来提供多个凸起16的清楚视图。如所示，互锁过渡区10可在由x-z平面限定的平面区域中延伸。值得注意地，附图中仅示出了互锁过渡区10，但本领域技术人员将认识到，第一构件12和第二构件14可为使用添加制造技术制造的任何简单或复杂的物体。此外，第一构件12和第二构件14和连接它们的互锁过渡区10可缩放至任何尺寸。例如，各个凸起16可在截面中范围从几纳米到若干厘米或更大。假定其多功能性和可缩放性，用于使用添加制造技术连结两个或更多个构件的当前公开的方法和结构可在各种应用和技术领域中实践。
图2为根据一个示例性实施例的具有轴18和球柄20凸起16的互锁过渡区10的侧视图。如所示，第一构件12和第二构件14中的各个包括分别从第一构件表面22和第二构件表面24延伸的多个凸起16。尽管所示实施例示出了沿大致垂直方向延伸的各个凸起16，但本领域技术人员将认识到，在其它实施例中，各个凸起16可相对于构件表面22,24成任何角制造。各个凸起16包括轴18，其具有位于其远侧端部处的球柄20。在图1和2中所示的实施例中，轴18为圆柱形的，并且球柄20为球形的。然而，在一些实施例中，轴18可改为具有为正方形、矩形、椭圆形、不规则形状或任何其它适合形状的截面，并且可处于共同或不同的长度。类似地，球柄20可为正方形、长方形或任何其它适合形状。
多个凸起16可从第一构件12和第二构件14交替地延伸，以形成沿纵向方向(x)和侧向方向(z)两者延伸的互锁过渡区10。在一些实施例中，球柄20的直径大于轴18的直径，并且轴18沿第一构件12和第二构件14间隔，使得球柄20可配合在相邻轴18之间。以该方式，多个凸起16形成互锁过渡区10，其机械地联接第一构件12和第二构件14。由于互锁过渡区10可使用添加制造逐层打印，故所得的互锁过渡区10不可拆卸地联接第一构件12和第二构件14。在这点上，第一构件12和第二构件14连结成使得它们可不通过非破坏手段分开。在一些实施例中，相邻凸起16的至少一部分可防止构件12,14之间的相对运动。如下文更详细阐释的，在其它实施例中，轴18的间距可调整成允许多个凸起16的相对移动，并且向互锁过渡区10提供一些柔性。
在一些示例性实施例中，凸起16可具有不同形状。在这点上，多个凸起16可为不规则形状，并且各个凸起16可填充相邻凸起16之间的整个区域，或者可留下间隙或小空隙26。例如，如图3中所示，凸起16可为梯形凸起28。在这点上，各个梯形凸起28具有分别邻近第一构件12或第二构件14的窄截面。梯形凸起28的截面区域在梯形凸起28远离第一构件12或第二构件14朝梯形凸起28的远侧端部(其中截面为最大的)延伸时变得更大。
现在具体参照图4的实施例，多个凸起16可为长形凸起30。在这点上，长形凸起30可具有长形轴32，或者可另外制造成允许第一构件12与第二构件14之间的一些相对运动。例如，长形轴32可允许第一构件12和第二构件14关于彼此沿z方向(如由箭头34指示)滑动，直到相邻的球柄20与彼此接触。类似地，在一些实施例中，多个凸起16的间距可增大，以便容许在x,y和z平面中的小范围的运动，以及绕着x,y和z轴线的旋转。如本领域技术人员将认识到的，多个凸起16的尺寸、形状和间距可针对任何特定应用调整成按需要容许或约束运动。
现在具体参照图5，互锁过渡区10的一些实施例可具有粘合剂36或其它材料，其设置在第一构件表面22与第二构件表面24之间，以便进一步确保强联结。该粘合剂层36可为例如环氧树脂或固化树脂，或者接头可通过将硬钎焊填充材料引入在第一构件12与第二构件14之间来产生。作为备选，粘合剂层36可为第一构件12与第二构件14之间的另一添加制造的层，并且可由适合于用在添加制造过程中的任何材料制成，如下文所论述。以该方式，粘合剂层36可改进互锁过渡区10的机械联结强度。
在一些情况下，合乎需要的是包括冷却孔38，其延伸穿过互锁过渡区10以提供第一构件12与第二构件14之间和/或互锁过渡区10内的冷却流体的连通。图6示出了具有集成的冷却孔38的非平面互锁过渡区10的侧视图。冷却孔38可通过在添加制造过程期间选择性地沉积材料以形成通路或冷却孔38而形成穿过构件。冷却孔38可在内部延伸穿过互锁过渡区10，使得它们是整装的并且不暴露于连结构件的任何外表面。此外，冷却孔38可具有任何形状或尺寸，并且可置于任何位置。例如，尽管图6中绘出的冷却孔38是线性的并且从第一构件12笔直地延伸穿过互锁过渡区10至第二构件14，但冷却孔38可改为是弯曲的或蛇线的。
本文中公开的添加制造过程允许第一构件12和第二构件14由多种材料中的任一种制成。各个构件可由相同材料或不同材料制成。实际上，甚至单个构件可包括不同材料的多层。在一些实施例中，第一构件12可为第一部件，并且第二构件14可为第二部件，使得互锁过渡区10产生多部件组件。此外，本领域技术人员将认识到，本文中所述的方法和结构不需要限于两个构件，而是可用于连结多于两个构件。在一些实施例中，第一构件12可为基础材料，并且第二构件14可为保护涂层。例如，第二构件14可为热障涂层或热障涂层的联结涂层，以向第一构件12提供改进的热耐久性。在其它实施例中，保护涂层可为展现高抗冲击性的非常耐久的材料。以该方式，保护涂层可保护下覆构件免受冲击损坏并且延长其寿命。
如上文所指示，第二构件14可为保护涂层，如热障涂层(tbc)系统或环境阻隔涂层(ebc)系统。此类tbc和ebc系统可大体上包括覆盖第一构件12的外表面的联结层，以及设置在联结层之上的热障层。如大体上理解的，联结层可由设计成抑制下覆的第一构件12的氧化和/或腐蚀的抗氧化金属材料形成。例如，在若干实施例中，联结层可由包括"mcraly"的材料形成，其中"m"代表铁、镍或钴，或者来自铝化物或贵金属铝化物材料(例如，铝化铂)。类似地，热障层可由耐高温材料形成，以便提高第一构件12的操作温度能力。例如，在若干实施例中，热障层可由各种已知的陶瓷材料形成，如由氧化钇、氧化镁或其它贵金属氧化物部分或完全稳定的氧化锆。
此外，通过使用上文公开的方法和结构来产生互锁过渡区10，tbc和ebc系统的联结层可完全消除。在这点上，联结层典型地用于tbc和ebc系统中，以便提供第一构件12与热障涂层之间的中间层，以补偿热失配，即，第一构件12和热障涂层可具有不同热膨胀系数，在置于高温环境中时在材料以不同速率增长时引起应力。联结层提供附加机械强度和粘合来确保热失配不导致联结区域失效。然而，如上文所论述，多个凸起16形成互锁过渡区10，其提供构件之间的强机械联结和改进的粘合。因此，如果互锁过渡区10将保护热障涂层联接于第一构件12，则联结层可完全消除，并且组件可仍耐受高温环境。
此外，本领域技术人员将认识到，用于联结那些材料的多种材料和方法可使用并且构想为在本公开的范围内。例如，材料可为塑料、金属、混凝土、陶瓷、聚合物、环氧树脂、光敏聚合物树脂，或可呈固体、液体、粉末、片材或任何其它适合形式的任何其它适合的材料。如本文中使用的，提到"熔合"可表示用于产生以上材料中的任一种的联结层的任何适合的过程。例如，如果物体由聚合物制成，则熔合可表示产生聚合物材料之间的热固性联结。如果物体为环氧树脂，则联结可由交联过程形成。如果材料为陶瓷，则联结可由烧结过程形成。如果材料为粉末金属，则联结可由熔化过程形成。本领域技术人员将认识到，熔合材料来由添加制造制作构件的其它方法是可能的，并且目前公开的主题可利用那些方法来实践。
在一些实施例中，第一材料和第二材料具有不同的热膨胀系数。在此类实施例中，可合乎需要的是将多个凸起16构造成允许一些相对移动，由此减小由于由热增长失配产生的集中应力而引起的失效的可能性。
添加制造技术实现产生多个构件，其为独立实体，但产生有它们的构造中的互锁特征来限制它们的运动范围和/或拆卸。在这点上，两个或更多个独立的构件可制造有互锁特征，其有效地形成横跨互锁过渡区10到达的机械"根部"，阻止拆卸，并且具有横跨互锁过渡区10传送结构负载的能力。使用添加制造技术有效地连结两个或更多个构件的能力引入了宽范围的平面或非平面接头，并且可实现产生独特的组件。
互锁材料过渡区10可提供优于现有技术的技术和商业优点。使用所述方法产生的接头具有改进的机械强度，展现不同功能、成分或微观结构的区域之间的改进的剪切联结，以及微规模或宏规模下的增强粘合。互锁材料过渡区10例如还可用于将高抗冲击保护涂层装固于基础材料。联结层的多功能性也改进，其中构件可由相同或不类似的材料制成，并且接头可为平面或非平面的。此外，互锁特征可间隔开，以容许构件之间的小范围运动，并且接头可具有集成的冷却孔或通路。
使用添加制造连结两个或更多个构件的上文所述的设备和方法可用于多种应用和多种行业中。例如，燃气涡轮发动机的构件可使用该过程构造。可使用上文所述的方法构造的燃气涡轮发动机的构件的少许实例在下文论述。然而，如本领域技术人员将认识到的，这些构件仅为示例性的，并且描述的添加制造技术的其它应用和使用是可能的并且在本发明的范围内。
在一个特定实施例中，互锁过渡区可用于修理基底，特别是金属基底的表面。参照图7，大体上示出了修理的金属基底70。基础基底72限定需要修理的表面71。表面71首先制备用于修理，这可包括清洁金属基底72的表面71和/或将凹槽73生成到其中(例如，形成凹槽)。例如，凹槽可机加工到基底的表面71中。通过将纹理添加至金属基底72的表面71，表面71可更能容纳联结在其上的附加层。即，表面71可具有更大表面面积用于熔合于附加的涂层和/或层。
接着，基础层72可附接于制备的表面71(例如，清洁的和/或有纹理的)。在一个实施例中，基础层72为金属涂层，其焊接(例如，硬钎焊)到制备的表面71上。在一个实施例中，基础金属具有与金属基底的成分大致相同的成分。因此，基础涂层72可形成与表面71的良好硬钎焊。在一个实施例中，基础涂层经由添加制造后接熔合于表面(例如，加热、焊接等)形成。
使用添加制造，多个第一熔合层14接着形成在基础层72的顶部上，并且多个第二熔合层14形成在第一熔合层12的顶部上。如上文所述的互锁过渡区10形成在多个第一层12与多个第二层14之间，以将多个第一层12不可拆卸地联接于多个第二层14。
该特定修理的基底70在燃气涡轮发动机的如图8中所示的涡轮风扇叶片80上为特别有用的。叶片80大体上表示为适合于安装于飞行器燃气涡轮发动机的涡轮区段内的盘或转子(未示出)。出于该原因，叶片80表示为包括燕尾部82，用于通过与形成在盘的圆周中的互补燕尾槽口互锁来将叶片80锚定于涡轮盘。如图8中所表示，互锁特征包括称为柄脚84的凸出，其接合由燕尾槽口限定的凹部。叶片80进一步示为具有平台86，其使翼型件88与燕尾部82限定在其上的柄85分开。
叶片80包括设置成与平台86相对的叶片末端89。就此而言，叶片末端89大体上限定叶片80的径向最外部分，并且因此可构造成定位在燃气涡轮发动机的静止护罩(未示出)附近。如上文所叙述，在使用期间，叶片末端89可接触护罩，引起叶片末端89与护罩之间的摩擦事件。
在一个特定实施例中，叶片末端89可进一步装备有叶片末端护罩(未示出)，其与同一级内的相邻叶片的末端护罩组合限定围绕叶片的带，其能够减小叶片振动并且改进空气流特征。通过并入密封齿，叶片末端护罩进一步能够通过减小叶片末端与包绕叶片末端的护罩之间的燃烧气体泄漏来提高涡轮的效率。
由于它们在发动机的操作期间直接经受热燃烧气体，故翼型件88、平台86和叶片末端89具有非常苛刻的材料要求。平台86和叶片末端89是涡轮叶片的另外的关键区域，其中它们产生用于涡轮区段内的热气体路径的内和外流动路径表面。另外，平台86产生密封来防止热燃烧气体与柄85、其燕尾部82和涡轮盘暴露于其的较低温气体的混合，并且叶片末端89经受由于高应变负载和其与包绕叶片末端89的护罩之间的磨损相互作用而产生的蠕变。燕尾部82也是关键区域，其中其经受由其与燕尾槽口的接合和由叶片80生成的高离心负载产生的磨损和高负载。
图9示出了在通过本文中所述的方法修理之后的叶片末端89的近视图。在该实施例中，风扇叶片末端89为待修理的基底(例如，在摩擦事件之后)。即，关于图7所述的方法可用于修理风扇叶片末端89。使用该方法，风扇叶片末端89可按特定尺寸要求制造，以便在使用期间控制风扇叶片末端89与护罩表面之间的任何间隙。
在一个实施例中，互锁过渡区10的多个凸起中的各个允许第一构件12与第二构件14之间的相对运动，使得第二构件14(即，所示实施例中的外构件)能够在转子叶片末端89接触物体如护罩时收缩。
上文所述的添加制造技术实现通过由互锁过渡区10连结两个或更多个构件来制造复杂物体。该技术可有利地用于制造涡扇110中的多种构件。例如，如下文所论述，添加制造技术可用于构造多种转子叶片200，其展现改进的结构完整性，并且包括性能提高特征，如保护涂层、提供小范围运动的柔性接头，以及具有集成的冷却孔或通路的接头。本领域技术人员将认识到，下文所述的实施例仅为可使用上文所述的添加制造过程制造的构件的实例，并且其它类似构造的构件在本发明的范围内。
该书面的描述使用实例以公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实践本发明(包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何并入的方法)。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这些其它实例包括不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其它实例意图在权利要求的范围内。