专利名称：用于提供膜冷却制品的方法
技术领域：
本发明涉及提供膜冷却制品的方法，并且更具体地涉及提供这种具有复杂出口形状的冷却孔的制品。
背景技术：
在燃气涡轮发动机中，空气在压缩机中加压，且在燃烧器中与燃料相混合来用于产生热燃烧气体。从高压涡轮和低压涡轮中的气体获取能量，其中，高压涡轮向压缩机供能，而低压涡轮向用于工业和船舶应用的外轴供能或向涡轮风扇式飞行器发动机应用中的风扇供能。在燃气涡轮发动机的操作期间，燃烧气体温度可超过1650°C (3000° F)，这远高于与这些气体接触的发动机金属零件的熔化温度。这些发动机在高于金属零件熔化温度的气体温度下操作是本领域中广为公知的，且部分地取决于通过各种方法供送冷却空气至金属零件的外表面。具体经受高温的金属零件包括形成燃烧器的那些和定位在燃烧器后方的零件。高强度超级合金金属的薄金属壁通常用于加强耐用性，同时最大限度地减少对其冷却的需要。各种冷却回路和特征(或器件，feature)针对这些独立构件在其于发动机中的对应环境而定制，但所有这些构件通常都包括成排的膜冷却孔，这些孔在设计上变得日益复杂。金属温度还可通过使用热障涂层而保持在熔化水平以下。尽管热障涂层常用于保护制品的金属基底，但热障涂层的存在可能对此类制品的维护和修理带来特定困难。热障涂层可随着时间的推移逐渐地磨损和/或在修理操作期间经移除而再次露出基底。当在制品恢复使用之前再次施加热障涂层时，热喷涂过程可导致覆盖冷却孔且在冷却孔形状复杂的情况下还会遮掩这些复杂形状和使这些形状的特征不起作用。本领域中期望的是，在施加保持性能的新施加的热障涂层之后且还以不损坏制品或新施加的热障涂层的方式显露下方复杂形状的冷却孔的方法。
发明内容
公开了一种提供膜冷却制品的方法，其包括提供金属制品，该金属制品具有第一壁表面和第二壁表面，且具有形成于其中的冷却孔，该冷却孔包括从第二壁表面处的入口延伸至第一壁表面处的出口的计量孔(metering hole);露出金属制品的第一壁表面；施加热障涂层来覆盖在第一壁表面上且至少部分地覆盖形成于其中的出口 ；穿过已施加热障涂层的外表面开孔而露出计量孔；从形成于金属制品中的出口的槽部除去热障涂层；以及在热障涂层中形成槽区，该槽区从形成在金属制品中的出口的槽部延伸而与热障涂层外表面齐平。根据一个示例性实施例，该方法包括提供燃气涡轮发动机构件，该构件具有第一壁表面和第二壁表面且具有形成于其中的冷却孔，该冷却孔包括从第二壁表面处的入口延伸至第一壁表面处的人字形出口的计量孔，该构件先前已在使用；通过剥除先前施加的第一热障涂层的残余物(remnant)而露出构件的第一壁表面；施加第二热障涂层来覆盖在第一壁表面和形成于其中的人字形出口上；穿过第二热障涂层的外表面开孔而露出计量孔； 从人字形出口的槽部除去第二热障涂层；以及在第二热障涂层中形成槽区，该槽区从人字形出口的槽部延伸直到与第二热障涂层的外表面齐平，其中开孔、移除和形成的各步骤均利用水射流或激光来实现。示例性实施例的一个优点在于，提供了一种工艺，通过该工艺可整修具有复杂形状的冷却孔的零件，从而容许修理和再次使用在其它情况下可能碎裂的零件来替代新制造的零件。另一优点在于，冷却孔可按其期望的设计尺寸来制造和操作，且不需要加大尺寸来解决因之后的修理操作的热障涂层过度喷涂物(overspray)可能导致减小冷却孔有效尺寸的可能性。使用尺寸过大的冷却孔可导致降低性能，这通过使用示例性实施例而得以避免。又一优点在于，冷却孔不需要在施加热障涂层之前堵塞来防止过度喷涂物置于其中。使用塞子可能很耗时和会在塞子随后移除时导致对热障涂层的破坏。本发明的其它特征和优点将结合附图根据以下对示例性实施例的更为详细的描述而变得清楚，附图通过举例的方式示出了本发明的原理。
图I示出了根据本发明示例性实施例的在施加热障涂层之后的具有复杂形状冷却孔的制品的顶视图。图2至图5示出了根据示例性实施例的工艺的各阶段的复杂形状的冷却孔的截面。图6示出了根据本发明示例性实施例的在再构造复杂形状的冷却壳体之后的图I 中的制品的顶视图。
具体实施例方式示例性实施例涉及用于提供膜冷却制品的方法，其包括除去所施加的覆盖在具有复杂形状冷却孔的制品上的热障涂层的离散区，且具体用于修理和再构造此类膜冷却制品。复杂形状是指冷却孔具有以下出口，该出口形成为具有一个或多个设计特征来引送冷却空气以实现预定膜冷却图案(pattern)且包括而不限于人字形、扩散体和沟式冷却孔。提供了金属制品，其具有位于第一壁表面上的冷却孔，第一壁表面形成提供在制品中的适合冷却回路的外边界，以便以任何常规方式接收从压缩机放出的空气。在制品为燃气涡轮发动机构件如喷嘴或轮叶的情况下，制品通常由镍基、钴基或其它基超级合金构成，但也可使用任何金属材料。露出热障涂层将施加于其上的制品的金属表面。在大多数情况下，制品先前已在使用，且露出制品的金属表面必然将以任何适合的方式从金属表面剥除先前施加的热障涂层的残余物。在先前施加的热障涂层已剥除且露出制品基底的金属表面之后，可检查该制品且其可为经受一次或多次修理的主体。
在检查和任何相关修理之后，但在使制品恢复表面之前，施加热障涂层覆盖在制品的金属表面上。热障涂层可由任何适合的工艺施加，且通常由热喷涂工艺实现，举例来说，例如空气等离子喷涂。现参看图1，金属制品100具有一个或多个冷却孔120，冷却孔120从制品100第一壁表面104处的复杂形状出口 124延伸至制品100的第二壁表面102，使得从压缩机放出的空气可从形成在第二壁表面102中的入口传递穿过冷却孔120以向制品100的第一壁表面104提供膜冷却。在图I中，示出了在任何检查和/或修理及随后施加新施加的热障涂层200之后的制品100。因此，为了便于图示，由虚线示出了不容易看见的热障涂层200下方的冷却孔120。如图I中所示，复杂形状的冷却孔120形成为具有人字形的冷却孔出口 124，其中多个冷却孔120沿制品100的可应用跨距适当地成排布置。各冷却孔120均包括计量孔 122，计量孔122从第二壁表面102中的入口到第一壁表面104中的冷却孔出口 124提供大致恒定的流动区域。冷却孔120从计量孔122过渡至冷却孔出口 124，冷却孔出口 124扩张为向外朝制品100的第一壁表面104敞开且成为与制品100的第一壁表面104齐平的一对人字形或翼状槽126或凹口。如图所示，两个槽部126由脊部127桥接，该脊部127可在计量孔122中居中。然而，应当认识到的是，具体特征及其相对尺寸可在不脱离冷却孔出口 124的总体人字形的情况下变化，示例性实施例也不限于结合具有人字形冷却孔出口 124的冷却孔120使用。确切而言，示例性实施例可结合任何复杂形状的冷却孔布置使用。施加热障涂层200导致产生至少部分地覆盖冷却孔120的过度喷涂物，包括部分填充或甚至完全阻塞计量孔122的一些热障涂层材料，这将减小或阻止冷却区域到达冷却孔出口 124。施加热障涂层200还导致产生遮掩冷却孔出口 124的复杂特征，包括朝第一壁表面104远离计量孔122倾斜的槽部126。如还在图I中所示，在已施加热障涂层200之后，覆盖可能很彻底，使得仅计量孔122的不规则形状的轮廓线123能保持可见。热障涂层200可施加至任何所期望的厚度，但通常施加的厚度在大约125微米至大约1525微米(大约O. 005英寸至大约O. 060英寸)的范围内。在一些实施例中，热障涂层200可为具有不同成分的两层或多层，且在一些情况下可为连结涂层，接着是陶瓷顶层涂层。例如，MCrAlY(其中M为Fe，Co, Ni或组合)或其它材料层可作为连结涂层施加，接着是陶瓷顶层涂层，如氧化钇稳定的二氧化锆(YSZ)。将会认识到的是，这些成分仅为示例性的，且还可使用本领域的普通技术人员所公知的结合热障涂层使用的任何成分。转到图2，示出了图I中的制品100的截面视图，也即在施加新热障涂层200之后， 但在再次敞开冷却孔120之前。图2以截面示出了在热喷涂工艺期间施加的一些热障涂层材料处于计量孔122中的方式。还示出了一种方式，施加的热障涂层材料通过该方式填充且因此遮掩形成在冷却孔出口 124中的复杂特征，包括槽部126。计量孔122的内部尺寸(即，直径)可取决于冷却孔120结合其使用的特定制品 100，以及从第二壁表面102处的入口输送的用于对制品100进行膜冷却的空气量。然而， 如图所示，通过热障涂层200施加的过度喷涂物可导致计量孔122的有效尺寸在修理之后显著地减小。然而，由于根据示例性实施例实施的工艺导致对计量孔122大致清除了过度喷涂物，故冷却孔120可根据预计的设计尺寸来构造，而没有随后的操作限制或对产生可导致性能降低的尺寸过大的冷却孔的需要。重建冷却孔120包括穿过热障涂层200的外表面开孔来露出计量孔122，显露出包括槽部126的遮掩出口特征，以及在热障涂层200自身中形成槽而形成冷却孔出口 124的一部分。尽管如在相继的图3至图5中所示那样以特定顺序说明，但可以任何顺序执行这些步骤。移除热障涂层材料和重建冷却孔120的各步骤可通过使用诸如水射流或激光的工具来独立地实现。在一些情况下，机械钻头或其它装置也可用作移除工具。尤其是在水射流或激光用作移除工具的情况下，可能期望继续使用相同的工具用于各步骤。在一些情况下，工具可由计算机进行电子控制，以便更精确地实现移除步骤。转到图3，示出了在已使用工具清除了计量孔122的外来热障涂层材料之后的冷却孔120。从计量孔122除去热障涂层材料大致恢复了其原来的内部尺寸。在一些情况下， 可能期望使用光线来照明，且从而在开孔之前更容易地识别计量孔122，尤其是在施加热障涂层200导致下方冷却孔120完全或几乎完全遮掩的那些情况下。一旦计量孔122再次敞开，则其可用作引导件来基于冷却孔120的公知尺寸和/ 或制品100的定向来从冷却孔出口 124的其它部分移除热障涂层的过度喷涂物。因此，工具可用于显露在施加热障涂层200之后已遮掩的槽部126和复杂形状冷却孔出口 124的其它特征。图4示出了在工具已用于在再次敞开计量孔122之后从冷却孔出口 124的槽部 126清除过多的热障涂层材料的截面视图。应当认识到的是，在一些实施例中，槽部126可首先移除，其中槽边缘用作引导件以识别和从计量孔122及槽部126的剩余区除去热障涂层材料。如图4中所看到那样，热障涂层200覆盖在基底上的增加厚度可导致形成在制品 100自身中的槽部126联结制品100第一壁表面104的区中的急剧方向变化。为了提供较为平缓的过渡，热障涂层移除工具还可用于在热障涂层200中形成槽区226，其基本上用来延伸形成在制品100中的槽部126，直到由此形成的凹口与热障涂层200的露出表面204齐平。以此方式，形成在热障涂层200自身中的特征在制品100中提供了冷却孔出口 124的一部分。图5中示出了形成热障涂层槽区226之后的截面视图，其中冷却孔120完全再次敞开，且重建了冷却孔出口 124。图6示出了重建冷却孔120之后的图I中的制品100，其中冷却孔出口 124现在完全显露出，同时槽部126继续进入形成在热障涂层200中的槽区226中。本书面说明使用了包括最佳模式的实例来公开本发明，且还使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何所结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域的技术人员所构思出的其它实例。如果这些其它实例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无实质差异的同等结构元件，则认为这些实例在权利要求的范围之内。
权利要求
1.一种用于提供膜冷却制品的方法，包括提供金属制品，所述金属制品具有第一壁表面和第二壁表面且具有形成于其中的冷却孔，所述冷却孔包括从所述第二壁表面处的入口延伸至所述第一壁表面处的出口的计量孔；露出所述金属制品的第一壁表面；施加热障涂层覆盖在所述第一壁表面上且至少部分地覆盖形成于其中的所述出口；穿过所施加的热障涂层的外表面开孔以露出所述计量孔；从形成于所述金属制品中的所述出口的槽部移除所述热障涂层；以及在所述热障涂层中形成槽区，所述槽区从形成在所述金属制品中的所述出口的槽部延伸而与所述热障涂层的外表面齐平。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，提供金属制品的步骤包括提供燃气涡轮发动机构件。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，提供金属制品的步骤包括提供选自由涡轮喷嘴和涡轮轮叶所构成的组合的金属制品。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，提供金属制品的步骤包括提供具有带人字形出口的冷却孔的金属制品。
5.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，开孔、移除或形成的步骤中的至少一个利用水射流或激光来实现。
6.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，提供金属制品的步骤包括提供先前已使用的金属制品，以及其中，露出步骤包括从所述金属制品的第一壁表面剥除先前施加的热障涂层的残余物。
7.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，将热障涂层施加至所述第一壁表面的步骤包括将连结涂层施加到所述金属制品的第一壁表面上，以及将陶瓷顶层涂层施加到所述连结涂层上。
8.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，开孔步骤在移除步骤之前执行。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使用未覆盖的计量孔来提供用于执行移除步骤的引导件。
10.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，移除步骤在开孔步骤之前执行。
全文摘要
公开了用于提供膜冷却制品的方法。提供了一种金属制品，其具有第一壁表面和第二壁表面以及冷却孔。冷却孔包括从第二壁表面处的入口延伸至第一壁表面处的出口的计量孔。该方法还包括露出金属制品的第一壁表面，施加热障涂层覆盖在第一壁表面上且至少部分地覆盖出口，穿过所施加的热障涂层的外表面开孔来露出计量孔，从形成于金属制品中的出口的槽部移除热障涂层，以及在热障涂层中形成槽区，该槽区从形成于金属制品中的出口的槽部延伸以与热障涂层的外表面齐平。
文档编号B05D5/00GK102587999SQ20121001274
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月4日 优先权日2011年1月4日
发明者B·P·莱西, J·M·利普金, M·J·萨利文 申请人:通用电气公司