制品以及用于在制品中制备成形的冷却孔的的方法
【专利说明】制品以及用于在制品中制备成形的冷却孔的的方法
[0001]关于联邦赞助研究的声明
[0002]本发明在由美国能源部授予的合同号DE-FC26-05NT42643下利用政府支持而进行。美国政府对本发明具有某些权利。
技术领域
[0003]本发明涉及一种制品以及用于制备制品的方法。更具体地，本发明涉及一种包括冷却孔的制品以及一种用于在制品中制备冷却孔的方法。
【背景技术】
[0004]涡轮系统被持续改变以增加效率并降低成本。用于增加涡轮系统的效率的一种方法包括增加涡轮系统的操作温度。为了增加温度，涡轮系统必须由可在持续使用过程中承受这些温度的材料构造。
[0005]除了改变组分材料和涂层之外，增加涡轮部件的温度能力的一种常见方法包括使用复杂的冷却通道。复杂的冷却通道常常在燃气轮机的高温区域中使用的金属和合金中形成。形成复杂的冷却通道的一种目前的方法包括诸如使用激光或喷水的昂贵钻孔。形成冷却通道的另一方法包括昂贵的电火花加工。
[0006]然而，使用钻孔或电火花加工可能难以形成复杂的冷却通道，所述钻孔或电火花加工产生增加的废料，这使得抬高了成本。特别地，使用目前的方法难以形成成形孔。此外，使用钻孔或电火花加工越来越难以形成小的成形孔。
[0007]本领域需要具有在过程和/或形成的部件的性质中的改进的制品和方法。
【发明内容】
[0008]在一个示例性实施例中，一种用于在制品中制备成形的冷却孔的方法包括如下步骤:提供金属合金粉末；沉积所述金属合金粉末，从而形成预选厚度并具有预选形状的初始层，所述预选形状包括至少一个孔隙；提供聚焦能量源；使用所述聚焦能量源熔化所述金属合金粉末；将粉末层转化为金属合金片材；继续(sequentially)沉积金属合金粉末的另外的层，从而在所述金属合金片材上形成具有第二预选厚度和第二预选形状的层，所述第二预选形状包括对应于所述初始层中的至少一个孔隙的至少一个孔隙；使用所述聚焦能量源熔化所述金属合金粉末的另外的层；增加金属合金片材的厚度并形成具有预定轮廓的至少一个孔隙；以及继复连续沉积金属合金粉末的另外的层以及熔化所述金属合金粉末的另外的层的步骤，直至获得具有预定厚度和形状以及具有预定轮廓的至少一个孔隙的结构。
[0009]在一个示例性实施例中，一种用于在制品中制备成形的冷却孔的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤:提供金属合金粉末；沉积所述金属合金粉末，从而形成预选厚度并具有预选形状的初始层，所述预选形状包括至少一个孔隙；提供聚焦能量源；使用所述聚焦能量源熔化所述金属合金粉末，从而将粉末层转化为金属合金片材；继续沉积所述金属合金粉末的另外的层，从而在所述金属合金片材上形成具有第二预选厚度和第二预选形状的层，所述第二预选形状包括对应于所述初始层中的所述至少一个孔隙的至少一个孔隙；以及使用所述聚焦能量源熔化所述金属合金粉末的另外的层，从而增加金属合金片材的厚度，并形成具有预定厚度和形状以及具有预定轮廓的至少一个孔隙的结构。
[0010]所述的方法还包括重复继续沉积金属合金粉末的另外的层以及熔化所述金属合金粉末的另外的层的步骤，直至获得所述结构，所述另外的层中的每一个增加金属合金片材的厚度。
[0011]所述的方法包括如下另外的步骤:提供基材；和将所述具有预定厚度和形状以及具有预定轮廓的至少一个孔隙的结构附接至所述基材。
[0012]所述的方法还包括如下另外的步骤:遮蔽所述具有预定轮廓的至少一个孔隙；和将涂层施用至具有预定厚度的被附接的结构的暴露表面上。
[0013]所述的方法包括通过所述具有预定轮廓的至少一个孔隙在所述基材中形成计量孔(metering hole)的另外的步骤，所述计量孔提供用于流体通过被附接的结构的通路，所述通路包括所述具有预定轮廓的至少一个孔隙。
[0014]其中，所述具有预定厚度和形状的结构通过选自如下的过程附接至所述基材:焊接、钎焊和扩散结合。
[0015]其中，所述具有预定形状的结构被附接至所述基材的外表面上。
[0016]所述的方法还包括改性基材表面以提供通道的步骤，所述通道对应于所述具有预定厚度和形状的结构，并接收所述结构。
[0017]其中，所述至少一个孔隙的预定轮廓为弓形轮廓。
[0018]其中，所述至少一个孔隙的预定轮廓为圆锥形轮廓。
[0019]其中，所述至少一个孔隙的预定轮廓具有至少254 μπι(0.010英寸)的开口。
[0020]其中，所述至少一个孔隙的预定轮廓与所述结构的表面形成角度，所述角度选自至多90°、10°至50°之间和约30°，其中90°为垂直于所述结构的表面的孔隙。
[0021]其中，将所述初始层和金属合金粉末的每个另外的层沉积为在20-100 μm(0.0008-0.004英寸)范围内的厚度。
[0022]其中，所述结构具有在250-6350 μπι(0.010-0.250英寸)范围内的预定厚度。
[0023]其中，所述基材包括选自由γ ’超合金和不锈钢组成的组中的合金。
[0024]其中，所述结构包括选自由不锈钢、超合金和钴基合金组成的组中的合金。
[0025]其中，所述提供聚焦能量源的步骤包括提供选自由激光装置和电子束装置组成的组的聚焦能量源。
[0026]其中，所述提供激光装置的步骤包括提供选自由光纤激光器、0)2激光器和ND-YAG激光器组成的组的激光装置。
[0027]其中，所述提供激光的步骤包括提供在400-1200mm/sec的行进速度下在125-500瓦特的功率范围内操作的光纤激光器。
[0028]所述的方法还包括当所述附接步骤为钎焊时，钎焊材料选自由硼-镍合金和硅镍合金形成的组。
[0029]所述的方法还包括，当所述附接步骤为焊接不锈钢的基材时，焊接填料材料包含不锈钢。
[0030]所述的方法在完成重复所述继续沉积的步骤的步骤之后还包括如下另外的步骤:在足以进一步固结所述结构的高温和高压下热等静压所述结构；和固溶处理所述结构包括固结的金属合金粉末在足够的高温和足够的时间内在所述结构内分布分离的成合金元素。
[0031]在一个示例性实施例中，一种用于在制品中制备成形的冷却孔(shaped coolingholes)的方法，所述方法包括如下步骤:提供金属合金粉末；将所述金属合金粉末形成初始层，所述初始层具有预选(preselected)厚度并具有预选形状(shape)，所述预选形状包括至少一个孔隙(aperture);继续在所述初始层上将所述金属合金粉末形成另外的层，所述另外的层具有第二预选厚度和第二预选形状，所述第二预选形状包括对应于所述初始层中的所述至少一个孔隙的至少一个孔隙；以及将所述另外的层结合(join)到所述初始层，并形成具有预定(predetermined)厚度、预定形状以及具有预定轮廓(profile)的至少一个孔隙的结构。
[0032]所述的方法还包括重复继续在先前形成的层上形成另外的层以及将所述另外的层结合到所述先前形成的层的步骤，所述另外的层中的每一个增加所述结构的厚度直至获得所述预定厚度。
[0033]所述的方法包括如下另外的步骤:提供基材；和将所述结构附接至所述基材。
[0034]所述的方法还包括如下另外的步骤:遮蔽(mask)所述具有预定轮廓的至少一个孔隙；和将涂层施用至所述结构的暴露表面上，所述结构附接至所述基材。
[0035]所述的方法包括通过所述具有预定轮廓的至少一个孔隙在所述基材中形成计量孔的另外的步骤，所述计量孔提供用于流体通过被附接的结构的通路(passageway)，所述通路包括所述具有预定轮廓的至少一个孔隙。
[0036]其中，所述结构被附接至所述基材的外表面上。
[0037]所述的方法还包括改性所述基材的表面以提供通道(channel)的步骤，所述通道对应于所述结构并接收所述结构。
[0038]其中，所述至少一个孔隙的预定轮廓为选自由弓形轮廓和圆锥形轮廓形成的组。
[0039]其中，所