具有一体化硬件的部件及其制造方法与流程

本申请涉及并且要求于2016年12月1日提交的标题为“制造具有一体化硬件的部件的方法(METHOD OF FABRICATING COMPONENTS WITH INTEGRAL HARDWARE)”的共同拥有、共同未决的美国临时专利申请序列号62/428,817的权益，其全部内容以引用的方式并入本文。

技术领域

本发明涉及具有一体化硬件的部件及此类部件的制造方法。

背景技术：

无缝部件(诸如，环)用于静态涡轮发动机部件，诸如，扩散器和外壳(诸如压缩机外壳，燃烧室外壳和涡轮机外壳)。通过锻造和轧制组合制作的无缝环在直径上在几英寸至几英尺之间发生变化。大多数涡轮机外壳都包括诸如在表面上的凸起和衬垫等特征，以用于将喷射器、传感器、发电机、以及电缆附接至外壳的表面。这些表面特征件必须承受与外壳的其它部分一样的恶劣环境。通常，这些特征通过从具有额外材料厚度的轧制环加工整个外壳来创建。

当加工出包括凸起和衬垫特征的外壳时，钻孔和开孔，并且然后将被称为插入件或者螺柱的特殊紧固件经螺纹拧到这些开孔中。在环的大曲面上精确地钻孔和开孔在本质上是有挑战性的。此外，由于通常使用超合金来制作该环，所以这进一步增加了加工该特征的难度。机械师们常常投入大量时间和资源来加工外壳，却由于错误的钻孔/开孔或者由于不当的钻孔/开孔所导致的错误的紧固件安装而在最后加工阶段丢弃该环。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种具有一体化硬件的部件，其被预先制备好以用于接收紧固部件，诸如，插入件和螺柱，其摆脱了与制造相同部件相关联的问题。

在一个实施例中，一种方法，包括如下步骤：提供具有壁的部件，所述壁具有第一表面、与所述第一表面相对的第二表面；以及使用分层附加制造在所述部件的所述壁的所述第一表面上构造至少一个凸起。在一个实施例中，所述至少一个凸起包括使用所述分层附加制造被构造的结构。在一个实施例中，所述结构由多层材料构造而成，以便使得所述多层材料中的第一层材料被安置在所述部件的所述壁的所述第一表面上，并且所述多层材料中的第二层材料被安置在所述第一层材料上。在一个实施例中，所述多层材料包括多于两层材料，并且其中，在所述第二层材料之后安置的每层材料均是被安置在紧靠前面安置的材料层上。

在一个实施例中，所述第一表面是外表面，所述第二表面是内表面。在一个实施例中，所述第一表面是内表面，所述第二表面是外表面。

在一个实施例中，所述多层材料中的每一层都是由金属材料制成。在一个实施例中，所述金属材料选自由如下金属组成的组：钢、不锈钢、铝、铝合金、钴合金、镍合金、以及钛合金。在一个实施例中，所述多层材料中的每一层都由复合材料制成。

在一个实施例中，所述构造步骤包括焊接。在一个实施例中，所述构造步骤包括光栅过程。在一个实施例中，所述构造步骤包括电子束附加制造。在一个实施例中，所述构造步骤包括感应加热。在一个实施例中，所述构造步骤包括烧结。在一个实施例中，所述烧结步骤包括选择性激光烧结。在一个实施例中，所述烧结步骤包括直接金属激光烧结。在一个实施例中，所述构造步骤包括选择性激光熔化。在一个实施例中，所述构造步骤包括直接能量沉积。在一个实施例中，所述构造步骤包括冷喷涂。

在一个实施例中，所述壁包括形成在其中并从其所述第一表面延伸至所述第二表面的至少一个孔口，其中，所述结构被构造在所述至少一个孔口周围，并且所述多层材料中的每一层包括外端和内端，所述外端定位成远离所述孔口并且具有第一厚度，所述内端定位成靠近所述孔口并且具有第二厚度。在一个实施例中，所述第一厚度大于所述第二厚度。在一个实施例中，所述第一厚度小于所述第二厚度。在一个实施例中，所述第一厚度等于所述第二厚度。

在一个实施例中，所述结构包括具有内螺纹的至少一个孔。在一个实施例中，所述孔的大小和形状设置为接收螺纹插入件。在一个实施例中，所述孔的大小和形状设置为接收螺柱。

在一个实施例中，该方法进一步包括对所述至少一个凸起进行精加工的步骤。在一个实施例中，所述至少一个凸起包括多个凸起。在一个实施例中，所述部件是环。

在一个实施例中，一种部件包括：壁，所述壁具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；以及至少一个凸起，所述至少一个凸起位于所述部件的所述壁的所述第一表面上，所述至少一个凸起是通过分层附加制造来构造的。在一个实施例中，所述至少一个凸起包括使用分层附加制造构造的结构。在一个实施例中，所述结构包括多层材料，以便使得所述多层材料中的第一层材料被安置在所述部件的所述壁的所述第一表面上，并且所述多层材料中的第二层材料被安置在所述第一层材料上。在一个实施例中，所述多层材料包括多于两层材料，并且其中，在所述第二层材料之后安置的每层材料均是被安置在紧靠前面安置的材料层上。

在一个实施例中，所述第一表面是外表面，所述第二表面是内表面。在一个实施例中，所述第一表面是内表面，所述第二表面是外表面。

在一个实施例中，所述多层材料中的每一层都由金属料制成。在一个实施例中，所述金属材料选自由如下金属组成的组：钢、不锈钢、铝、铝合金、钴合金、镍合金、以及钛合金。在一个实施例中，所述多层材料中的每一层都由复合材料制成。

在一个实施例中，所述壁包括形成在其中并从其所述第一表面延伸至所述第二表面的至少一个孔口，其中，所述结构被构造在所述至少一个孔口周围，并且其中，所述多层材料中的每一层都包括外端和内端，所述外端定位成远离所述孔口并且具有第一厚度，所述内端定位成靠近所述孔口并且具有第二厚度。在一个实施例中，所述第一厚度大于所述第二厚度。在一个实施例中，所述第一厚度小于所述第二厚度。在一个实施例中，所述第一厚度等于所述第二厚度。

在一个实施例中，所述结构包括具有内螺纹的至少一个孔。在一个实施例中，所述孔的大小和形状设置为接收螺纹插入件。在一个实施例中，所述孔的大小和形状设置为接收螺柱。在一个实施例中，所述至少一个凸起包括多个凸起。在一个实施例中，所述部件是环。

本发明的部件及制造该部件的相关联的方法优于现有技术的部件和方法，因为接收部是通过分层附加制造而被构造在其壁上的，这消除了由于直接加工接收部所导致的许多问题和错误。

附图说明

图1A至图1C示出了一种用于使用附加制造过程来制作具有插入件的环的方法的步骤的实施例；图1D是环所采用的凸起的实施例的放大图；以及图1E示出了沿着剖面线A-A截取的且在箭头的方向上观看的图1D中示出的凸起的剖视图；

图2示出了在图1D和图1E中示出了凸起的顶部透视图，其中具有通过本发明的方法生产出的插入件，其左侧已经经过加工；

图3示出了具有插入件的凸起特征的剖视图，已经经由附加制造来增加了凸起；以及

图4示出了使用替代方法制作在环上的凸起的另一实施例，该替代方法经由附加制造将凸起附加至环。

具体实施方式

图1A至图1C示出了一种用于制作具有一体化硬件的部件的方法10的实施例，该部件是使用分层附加制造过程来构造的。在某些实施例中，该部件是具有一体化凸起的涡轮发动机外壳、压缩机外壳、燃烧室外壳或其他类型的发动机外壳，该一体化凸起具有一体化紧固件和/或接收部(receptacle)。在一些实施例中，该部件是具有一体化硬件的任意其他类型的部件。在一个实施例中，外壳包括薄壁环12。在一个实施例中，环12被用作用于制造外壳的支柱。在另一实施例中，外壳被直接制造到结构上或者结构内。在一个实施例中，环12由金属制成。在一个实施例中，环12由钢制成。在一个实施例中，环12由不锈钢制成。在一个实施例中，环12由铝制成。在另一实施例中，环12由铝合金制成。在一个实施例中，环12由钴合金制成。在一个实施例中，环12由镍合金制成。在一个实施例中，环12由钛合金制成。在一个实施例中，环12由复合材料制成。

仍参照图1A至图1C，并且具体地参照图1A，方法10包括提供环12的步骤11，环12包括第一端16、与第一端16相对的第二端18、以及从第一端16延伸至第二端18的壁20。在一个实施例中，壁20包括外表面22和与外表面22相对的内表面24。在一个实施例中，壁20的内表面24包括多个部段26和28，该多个部段26和28周向地延伸并且具有彼此不同的内径。在另一实施例中，所述多个部段26和28包括多于两个部段26和28。在另一实施例中，壁20不需要包括具有不同内径的多个部段26和28，并且壁20可以包括单个大体上恒定的内径。

具体地参照图1B，在一个实施例中，方法10包括通过使用附加制造过程将凸起30附加至环12的步骤13。在一个实施例中，环12包括至少一个凸起30。在一个实施例中，所述至少一个凸起30包括多个凸起30，如在图1B中示出的。在一个实施例中，任一凸起30可以是螺柱凸起。在一个实施例中，任一凸起30可以是插入件凸起。

在一个实施例中，凸起30包括从壁20的外表面22延伸至内表面24的孔口32。在一个实施例中，孔口32被加工在环12的壁20内。在一个实施例中，凸起30包括结构34(也称为且有时候在本文被称作“衬垫”)，结构34通过分层附加制造过程被构造在孔口32周围。就此而言，在一个实施例中，将用于构造结构34的材料按每次一层的方式在孔口32周围附加在壁20的外表面22上。参照图1E，将第一层L1和形成在环12的壁20的外表面22上，然后将第二层L2安置(deposit)和形成在第一层L1上，然后将第三层L3安置和形成在第二层L2上，等等，直到完全形成了结构34。应理解，层L1-L3可以包括多于(或者少于)三层L1-L3。在一个实施例中，结构34的层L1-L3分别是由任何能够被熔化的金属材料制成。在一个实施例中，凸起34的层L1-L3分别是由钢制成。在一个实施例中，结构34的层L1-L3分别是由不锈钢制成。在一个实施例中，结构34的层L1-L3分别是由铝制成。在另一实施例中，结构34的层L1-L3分别是由铝合金制成。在另一实施例中，结构34的层L1-L3分别是由钴合金制成。在另一实施例中，结构34的层L1-L3分别是由镍合金制成。在一个实施例中，结构34的层L1-L3分别是由钛合金制成。在一个实施例中，层L1-L3分别是由复合材料制成。

在一个实施例中，结构34的各个层L1-L3是通过焊接过程进行安置和形成。在另一实施例中，各个层L1-L3是通过光栅过程(raster process)进行安置和形成。用于附加制造的光栅过程例如可以是一种3D打印过程，其基于沿着一个方向在一系列直线上打印，其中，区域被具有限定的宽度的一组打印线填充；这类似于电视机的阴极射线管上的“光栅”。在另一实施例中，各个层L1-L3是通过电子束附加制造过程进行安置和形成。在另一实施例中，各个层L1-L3是通过感应加热进行安置和形成。在另一实施例中，各个层L1-L3是通过金属烧结或者熔化进行安置和形成，诸如，选择性激光烧结、直接金属激光烧结、或者选择性激光熔化。在另一实施例中，各个层L1-L3通过直接能量沉积(directed energy deposition)安置和形成。在另一实施例中，各个层L1-L3通过冷喷涂安置和形成。

参照图1E，在一个实施例中，由于环12的壁20的外表面22在形状上是凸形的，所以各个层L1-L3具有的在其外端35处(即，远离孔口32)的厚度t1大于在其内侧37处(即，靠近孔口32)的厚度t2。在另一实施例中，各个层L1-L3的厚度t1小于其厚度t2。在另一实施例中，各个层L1-L3的厚度t1等于其厚度t2。参照图1D，在一个实施例中，结构34包括预先形成的插入件保持器/接收部36，该预先形成的插入件保持器36用于在前述凸起附加步骤13的分层过程期间制备开孔38。在一个实施例中，孔38是螺纹孔，各个螺纹孔包括多个内螺纹。

在一些实施例中，凸起30可以构造在壁20的内表面24上，使得结构34通过前述的分层附加制造过程(附图中未示出)构造在孔口32周围。应理解，由于环12的壁20的内表面24是凸形的，各个层L1-L3在其外端35(即，远离孔口32的端)具有的厚度t1小于在其内侧37(即，靠近孔口32的一侧)的厚度t2。在另一实施例中，各个层L1-L3的厚度t1大于其厚度t2。在另一实施例中，各个层L1-L3的厚度t1等于其厚度t2。

在其他实施例中，凸起30不需要包括该至少一个孔口32。在这方面，凸起30是实心的并被构造在壁20上。

返回参照图1C，在方法10的步骤15中，对凸起30进行精加工以便满足特定表面光洁度要求。在一个实施例中，如在图1C和图2中示出的，在加工之后将插入件40和/或螺柱42附加至凸起30。由于凸起30已经被制备好以接受插入件40和螺柱42，所以其安装相对快速且容易并且减小了与制备开孔38以接受插入件40和螺柱42相关联的风险。

在某些情况下，存在关于由于在结构34附近的附加制造过程所引起的热影响区(HAZ)的顾虑。参照图3，示出了可以用于管理HAZ的技术的示例。在此，结构34的过渡区来自于基础环12材料并且凸起30使用附加制造过程来附加。可以对附加制造过程进行管理以便使得HAZ处于过渡区中并且不会影响环的标称厚度。

图4示出了用于制作涡轮发动机部件的方法的结果的另一实施例。在一个实施例中，提供了使用附加制造来包含孔138和/或插入件的结构/突出部分134。也可以按另一种方式来应用该相同概念，其中，整个结构部分134单独地被创建并且制备用于接受插入件或者螺柱。经由附加制造将该整个结构部分134附加至基础环112。该方法最适合于小特征，诸如，容置单个插入件的结构134。

通过利用各个前述方法，具有锁定特征件的现有插入件40和/或螺柱42可以与环12一起使用。在一个实施例中，插入件40和螺柱42可使用现有技术来移除以进行更换或者维修。还应意识到，上文所描述的方法在本质上不意在限制于插入件40和螺柱42；该方法可以用于将其它类型的硬件附加至环12，诸如，轴承、轴承轴颈、套管、检查孔、或者传感器。在其它实施例中，上文所描述的方法可以与除了环12之外的部件一起使用。在一个实施例中，上文所描述的方法可以将输入材料的重量与完工部件重量之间的比率减小至大约3比1。

应理解，本文所描述的实施例仅仅是示例性的，并且本领域的技术人员在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多变化和修改。所有这些变化和修改均意在被包含在如所附权利要求书所说明的本发明的范围内。