专利名称：用于由涂层覆盖的高温构件的冷却通道系统和有关过程的制作方法
技术领域：
大体上，本发明涉及由保护涂层覆盖且由多种空气流系统冷却的高温构件。在一些特定的实施例中，高温构件是燃气轮机发动机的一部分。
背景技术：
涡轮系统广泛地用于诸如动力发生的领域中。用于动力发生的传统的燃气轮机系统包括压缩机、燃烧器和涡轮。典型地，这种燃气轮机系统产生通过由涡轮的构件限定的流径的高温气体流。较高温度的流一般是合乎需要的，因为它们可导致燃气轮机系统有提高的性能、效率和动力输出。高温流典型地与恰当地工作的燃气轮机系统相关联的燃烧类型和流状况相关联，或者指示燃烧类型和流状况。(一般而言，在燃气轮机运行期间，例如，燃烧气体可超过大约1600°C -1700°C ；这高于发动机构件的熔点)。如可预计到的那样，这样的高温可导致流径内的构件被过度地加热。这种加热又可使这些构件中的一个或多个变得受损或违背“规范”，从而导致运行寿命缩短。因而，由于希望在恰当地运行的系统中有这些高温流状况，所以必须冷却经受高温流的构件，以允许燃气轮机系统以处于提高的温度的流来运行。可采用许多策略来冷却经受高温流的构件。这些构件典型地被称为“热气路径构件”。但是，采用的许多冷却策略会导致有相当低的传热速率和不均勻的构件温度分布，这可能不足以实现期望的冷却。一些冷却策略还可降低总的涡轮效率，因为它们会从发动机的压缩机转移过量的冷却空气。为了针对高温气体流有额外地防护，可用提供热隔离的隔热涂层(TBC)系统来覆盖热气路径构件的暴露的外壁。TBC系统通常包括至少一个陶瓷外套和下面的金属结合层。 隔热涂层系统的益处是众所周知的。在这些示例性燃气轮机发动机构件中的大部分中，典型地使用高强度超合金金属制成的薄壁来增强耐用性，同时最大程度地减小对其进行冷却的需要。为在其在发动机中的对应的环境中的这些单独的构件定制了各种冷却回路和特征。例如，可在热气路径构件中形成一系列内部冷却通路或盘管。可从气室对盘管提供冷却流体，并且该冷却流体可流过通路，从而冷却热气路径构件衬底和涂层。但是，这个冷却策略有时可导致有相当低的传热速率和不均勻的构件温度分布。通过将冷却特征布置得尽可能靠近热区，微通道冷却具有显著地降低冷却要求的潜力。照这样，对于给定的传热速率，构件的主承载衬底材料的“热侧”和“冷侧”之间的温度差可大幅减小。在2010年11月23日提交的且转让给本申请的受让人的序列号为 12/953, 177 (Ronald Bunker等人)的未决的美国申请中描述了微冷却通道的形成和使用。 下面提供了关于这些通道的额外的细节。大体上，通道形成于热气路径构件的外表面中，并且设计成允许起源于发动机压缩机中的冷却流体(例如压缩空气)通过。冷却流体流从而可通过对流冷却来冷却构件的相邻或紧邻的区域。作为一个实例，这种类型的冷却系统可将热从构件或从设置在构件上的保护层中的一个或多个传递给冷却介质。
虽然使用微通道可提供上面提出的属性，但是这种类型的冷却系统方案中仍然存在一些缺陷——尤其是在燃气轮机发动机构件的情况下。作为一个实例，在一些情形中，将保护层淀积在通道上面通常需要在淀积过程之前，使用牺牲材料来填充通道和下面的通路孔。在施用涂层之后，牺牲材料的必要的移除(例如通过浸提)可为缓慢的过程。对于牺牲材料存在有限数量的出口，如通路孔的下部进入位点；而且这些出口是相对小的。此外，在这种类型的冷却系统中，对于保护衬底抵抗不利的环境效应和热效应， TBC系统尤其重要。(TBC还为冷却剂流提供了在空气动力学上光滑的表面)。但是，TBC系统的部分的失去-由于损害或一般的涂层失效-将使下面的微通道暴露在其外表面上，以及因此经受对热气温度的直接暴露。这继而可导致对构件的严重损害。鉴于这些考虑，用于改进燃气轮机发动机和其它高温构件中的冷却能力的新方法和结构在本领域中将是受欢迎的。创新应当使用微通道和冷却通路孔来增强冷却流的性能，并且不显著地降低发动机效率。此外，在改进在形成冷却系统和保护涂层系统时使用的制造过程方面存在相当大的兴趣。此外，将在部分TBC失效的情况下提供额外的冷却剂流的冷却系统结构也将是相当有价值的。膜冷却结构还应当不干涉涡轮发动机部件的强度和完整性。
发明内容
本发明的一个实施例涉及一种用于在高温构件内提供流体冷却系统的方法。该方法包括以下步骤a)在构件的外表面中形成至少一个微通道；b)形成从微通道中的至少一个延伸到构件的内部区域的一个或多个冷却剂通路孔；c)用填料材料填充微通道和冷却剂通路孔；d)将第一金属结构涂层层施用到外表面上面；e)通过第一金属结构涂层层而形成至少一个槽口或相对小的被动冷却孔组；其中，槽口或被动冷却孔延伸到在槽口下方或被动冷却孔下方大体对准的经填充的微通道中的一个的至少一部分中；f)移除填料材料；以及g)至少将第二涂层层施用到第一层上面。本发明的另一个实施例还涉及一种用于在高温构件内提供流体冷却系统的方法。 该方法包括以下步骤A)在构件的外表面中形成至少一个微通道；B)形成从微通道中的至少一个延伸到构件的内部区域的一个或多个冷却剂通路孔；C)将第一金属结构涂层层施用到外表面上面；D)通过第一金属结构涂层层而形成至少一个槽口或相对小的被动冷却孔组；其中，槽口或被动冷却孔延伸到在槽口下方或被动冷却孔下方大体对准的微通道中的一个的至少一部分中；以及E)至少将第二涂层层施用到第一层上面。
本发明的另一个实施例涉及一种高温构件，其包括具有包含在其中的多个微通道的外部金属壁，其中，多个冷却剂通路孔从微通道中的一个或多个的底表面延伸到构件的内部区域中；其中，外壁由至少一个金属涂层覆盖；以及其中至少一个槽口或多个被动冷却孔通过第一金属涂层层而延伸到下面的微通道中的一个或多个的至少一部分中；并且槽口或被动冷却孔在外部端处由至少一层额外的涂层材料密封。
图1是燃气轮机系统的示意图。图2是具有施用在翼型件的外表面上面的涂层系统的一个示例性翼型件构造的示意性截面。图3是其中将形成微通道和被动冷却孔的高温衬底的截面图。图4是其中形成了微通道的图3的衬底的截面图。图5是其中通过衬底而形成通路孔的图4的衬底的截面图。图6是其中施用了填料材料的图5的衬底的截面图。图7是其中施用了第一涂层层的图6的衬底的截面图。图8是其中形成了被动冷却孔的图7的衬底的截面图。图9是其中移除了填料材料的图8的衬底的截面图。图10是图9的衬底的透视图。图11是根据一个备选实施例的类似于图9的衬底的透视图。图12是其中在第一层上面施用了第二结构涂层材料层的图9的衬底的截面图。图13是根据本发明的实施例的另一个高温构件的一部分的截面图。
具体实施例方式下面提出的各个实施例有助于阐述本发明的某些方面，并且不应解释为限制本发明的范围。此外，如在本文贯穿说明书和权利要求所使用的那样，可应用近似语言来修饰可容许有所变化的任何数量表示，而不引起其相关的基本功能的变化。因此，由诸如“大约”的用语或多个用语修饰的值不限于所指定的确切值。在一些情形中，近似语言可对应于用于测量该值的仪器的精度。在下面的说明书和权利要求中，单数形式“一个”、“一种”和“该”包括多个参照物， 除非上下文清楚地作出其它规定。如本文所用，用语“可”和“可为”表示在一组情形内发生的可能性，对规定的属性、特性或功能的拥有；以及/或者通过表达与被限定的动词相关联的能力、性能或可能性中的一个或多个来限定另一个动词。因此，“可”和“可为”的使用表示对于所表示的能力、功能或用途而言被修饰的用语是明显合适的、有能力的或适合的， 同时考虑到在一些情况下，被修饰的用语有时可能是不合适的、没有能力的或不适合的。图1是呈简化形式的燃气轮机系统10的示意图。系统10可包括一个或多个压缩机12、燃烧器14、涡轮16和燃料喷嘴20。压缩机12和涡轮16可由一个或多个轴18联接。 轴18可为单个轴或联接在一起的多个轴节段。
燃气轮机系统10可包括许多热气路径构件。热气路径构件是至少部分地暴露于通过系统10的高温气体流的系统10的任何构件。例如，轮叶组件(也被称为叶片或叶片组件)、喷嘴组件(也被称为导叶或导叶组件)、套罩组件、过渡件、固持环和压缩机排气构件全部都是热气路径构件。图2以简化形式显示(例如未显示冷却剂供给孔)的示例性翼型件构件50是俯视截面。翼型件50包括具有外表面M和内表面56的衬底52。内表面限定至少一个空心内部空间58。如下面进一步描述的那样，外表面M包括延伸到表面区域中的一个或多个微通道59。如以下描述中也详细描述的那样，涂层系统60设置在外表面上。参照图3，可通过诸如铸造的任何传统手段来形成构件或部件100(例如图2中描绘的翼型件的部分)。该构件包括衬底102，其中，一个表面104是该构件的外表面或外向表面，而相反的表面106是内表面或内向表面。典型地在形成下面描述的微通道之前铸造该部件。构件100可由在高温构件中使用的各种合金形成。在美国专利5，626，462中描述了许多合金，并且该专利的整个内容通过引用而结合在本文中。取决于构件的预期应用，作为一个实例，该构件可由Ni基、Co基或!^e基超合金形成。该构件还可由NiAl金属间合金形成，因为还知道这些合金拥有良好属性(包括高温强度和高温抗蠕变性)的组合。(这些属性对于在用于航空器和基于地面的动力发生的涡轮发动机应用中使用是有利的)。参照图4，根据这些实施例，在部件100的外表面104中形成微通道110(在本文有时称为“微冷却通道”；或者只是“通道”)。如在这个描述中所使用的那样，用语“微通道” 大体(但不总是)意味着参照例如沿宽度方向比形成于燃气轮机或其它高温构件内或附近的其它通路或通道小至少大约一个量级的通道或通路。如下面进一步阐述的那样，微通道可具有大约Imm的平均宽度；而与该构件相关联的其它类型的通路可具有大于大约IOmm的平均宽度。此外，大多数微通道都设置在部件的表面上或表面内；而许多类型的较大的通道都不形成于表面上，而是改为捕捉在部件的铸造包络内，或者加工在铸造部件的边界内。根据大多数实施例，图4中显示的通道110设计成或构造成允许有冷却流体流。冷却流体流从而可通过对流冷却来冷却构件100的相邻或紧邻的区域，如下面进一步描述的那样。如下面还提到的那样，微通道可例如大体沿着该构件的选定的区域中的热气路径的长度而延伸跨过该构件的大部分的长度或跨度；但是在一些情况下，它们可延伸跨过跨度的仅一部分。可在经编程的或以别的方式自动化的过程(例如机器人控制的过程)的指导或控制下形成或加工通道110，以在外表面104内实现期望的大小、布置和/或构造的通道。 在一些情况下，通过使用例如激光加工、磨料液体射流(例如磨料微水射流(AyWJ))、电化学加工(ECM)、投浸式(plunge)电化学加工(投浸式ECM)、放电加工(EDM)、铣削放电加工 (铣削EDM)、电子束钻孔、CNC加工或能够提供具有恰当的大小和公差的通道的任何其它过程来使通道110形成于外表面104中。通道可形成为各种各样的形状和大小。上面提到的且通过引用而结合在本文中的序列号为12/953，177 (Bunker等人)的未决的美国申请描述了各种类型的微通道的许多可行特征。在序列号为12/943,6 (Bunker等人；2010年11月10日提交)的申请中描述了其它特征，例如“凹穴”形通道，该申请也通过引用而结合在本文中。(在那个公开中，通道的开口部分有时称为“凹槽”)。参照序列号为12/943,6 的申请的图6，以及参照下面论述的本公开的图7，可提供例示。在这个备选方案中，微通道的基部111可显著地大于微通道的顶部113，例如至少两倍宽。在叠置的金属涂层的淀积的期间，这个类型的几何结构有时可为有用的。例如，在其中未在微通道中使用填料/牺牲材料的那些情况下，凹穴形可帮助防止金属涂层淀积在微通道中，如下面论述的那样。在一些实施例中，通道110可具有在大约0. 2mm至大约2mm或大约0. 5mm至大约 Imm的范围中的深度。此外，在某些实施例中，通道110可具有在大约0. 2mm至大约2mm或大约0. 5mm至大约Imm的范围中的宽度。此外，宽度和/或深度对于通道110可为基本恒定的，或者可在通道110的路线上所有变化(例如增大、减小、渐缩等等)。此外，继续参照图4，通道110可具有任何适合的几何形状的截面，诸如例如正方形、长方形、椭圆形、三角形或将有助于冷却介质流通过通道110的任何其它几何形状。应当理解，各种通道110可带有具有某种几何形状的截面，而其它通道110可带有具有另一种几何形状的截面。另外，在某些实施例中，通道110的表面(即侧壁和/或底板)可为基本光滑的表面，但是在其它实施例中，通道表面的全部或部分可包括突起、凹陷、表面纹理或其它特征，使得通道的表面不光滑。例如，可存在于通道110的表面上的表面特征可包括 (但不限于)翅片形突起、圆柱形突起或湍流器或它们的任何组合，以及任何其它适合的几何形状。应当理解，可选择存在的任何表面特征的尺寸，以优化相应的通道110所提供的冷却。通道110可为大体笔直的通道，或者可为大体弯曲的或盘旋的通道。例如，可将通道Iio的全部或部分提供为复合曲线，或者提供为关于衬底100的外表面104的三维构造的一部分。实际上，通道110的构造可为对于正被制造的构件专有的，使得构件的某些部分比其它部分包含更高密度的冷却通道110。也就是说，通道的构造可定制成在使用时解决构件的预计热分布，如也在序列号为12/953，177 (Bunker等人)的申请中描述的那样。参照图5，可打出(pop)或钻出一个或多个通路孔112，以将通道110中的一些或全部连接到构件的内部区域114上，例如梁内部空间。通路孔在本文中有时称为“冷却剂供给孔”或“冷却剂通路孔”，这描述了它们的典型功能。如描绘的那样，孔112可大体延伸通过衬底102，并且可将通道110流体地连接到内部空间114上，以及通过内部空间114来将通道110中的一些或全部流体地连接到彼此上。例如，各个通道110可流体地连接到孔 112中的至少一个上。通路孔的大小可稍微改变，但是它们通常具有大约10密耳至大约30 密耳(0. 25mm至0. 76mm)的平均直径。此外，虽然将孔描绘成在衬底102内相对于表面104 和106垂直地定向，但是孔的角度可有相当大的改变，这部分取决于期望的冷却构造。可使用许多技术来形成通路孔，例如上面针对微通道所提到的过程。一旦部件100的制造完成，以及通道110由结构涂层层和/或其它层(如下面论述的那样)覆盖，则通路孔112可允许通过内部空间114提供的冷却介质流到通道110。例如，一旦结构涂层层在相应的通道110上面就位，则可通过内部空间114经由相应的通路孔 112与一个或多个通道110的相应的流体连接来将至少一个冷却回路限定在部件100的表面内，或者在部件100的表面上提供至少一个冷却回路。(如下面参照图13所描述的那样， 冷却回路还包括构成微通道的离开区域的一部分的离开孔。这些离开孔有时称为“膜孔”， 它们穿透所有涂层而到达构件100的外部区域115。
继续参照图5，根据从冷却回路的入口到出口的总压差，冷却介质可流过由这些特征限定的冷却回路。这个压差可使包含在冷却回路内的冷却介质的一部分流入通路孔112 中以及流过通路孔112，并且从孔112进入通道110中以及通过通道110，到达一个或多个离开孔，从而完成从部件的内部到外部的流回路。参照图6，以及根据这个实施例，然后用一种或多种固体填料材料120来填充微通道110和通路孔112。可在下面论述的后续步骤期间以化学的方式移除的这些材料常常称为“牺牲材料”。它们的主要目的在于防止涂层材料在后续涂覆步骤期间侵入微通道和通路孔中。可使用各种各样的不同的牺牲或填料材料。通常，它们是陶瓷材料(例如陶瓷芯材料)或金属材料(例如金属合金或金属墨)。但是，在一些情形中(取决于针对后续涂层淀积所采用的温度)，可将UV可固化树脂(例如聚合材料)或石墨用作牺牲材料。该材料应当是具有允许插入通路孔的深度中的坚固性的一种材料。可用来形成固体金属填料的适合的金属材料可包括(但不限于)铜、铝、钼、钨、 镍、蒙耐尔合金和镍铬铁合金。在一些特定的实施例中，填料材料120是由元素金属材料或合金金属材料形成的固体线材填料。作为一个实例，填料材料可为可变形材料，例如退火金属线材，其在被以机械的方式挤压到通道110中时变形成与通道110的形状一致。上面提到的序列号为12/953，177的未决的申请描述了这种技术。(应当理解，本文所用的用语“线材”表示与相应的通道110的截面形状一致或可机械地变形成与相应的通道110的截面形状一致的连续的固体材料件)。继续参照图6，在一些实施例中，可将金属或金属合金材料提供为挤压到通道110 中且与通道一致的粉末，以便基本填充通道110和通路孔112。在如下面论述的那样施用涂层之前，可磨掉或加工掉从通道110中突起(即溢出)的固体金属填料的任何部分。然后可为涂覆而清洁和准备衬底102的外表面104。示例性处理技术包括加工、喷砂、洗涤、抛光或它们的各种组合。然后将金属结构涂层130施用到衬底表面104上面，如图7描绘的那样。如果涂层可淀积而形成基本无孔的结构，则可采用许多金属涂层。(与陶瓷涂层相比，金属涂层也高度地粘附到衬底上)。这样的金属涂层的非限制性实例包括金属铝化物，例如铝化镍 (NiAl)或铝化钼(PtAl)。其它实例包括分子式MCrAl (X)的复合物，其中“M”是选自由Fe、 Co和Ni以及它们的组合组成的组的元素；而“X”是钇、钽、硅、铪、钛、锆、硼、碳或它们的组合。在参照的序列号为12/953，177的申请、美国专利6，511，762 (Lee等人)(其通过引用而结合在本文中)以及之前提到的美国专利5，626，462中还描述了其它适合的金属涂层 (包括其它类型的"MCrAl(X) ”复合物)。此外，在一些情况下，结构涂层130可由超合金材料(Ni基、Co基或狗基)形成，例如与形成衬底102的那个相似或相同的材料。可通过各种各样的技术来施用第一结构涂层130。非限制性实例包括物理气相淀积(PVD)过程，例如电子束(EB)、等离子区淀积或溅射。也可使用热喷涂过程，例如空气等离子体喷涂(APS)、低压等离子体喷涂(LPPS)、高速含氧燃料(HVOF)喷涂或高速空气燃料喷涂(HVAF)。特定的技术的选择将取决于各种因素，例如正被施用的涂层的特定的类型、期望的厚度、通道的大小、待涂覆的部件的大小和数量，以及使用的牺牲材料的类型。在一些情况下，等离子区淀积是特别合适的。一个这种系统指的是阴极电弧等离子区淀积。这在2008年6月12日公开W^feaver等人的美国公开专利申请No. 2008/01385 中有所描述， 该申请通过引用而结合在本文中。金属结构涂层的厚度将取决于各种因素。它们包括涂层的特定的类型；施用在其上的涂层的类型；以及涂层在其与衬底的交接部处的设计应力应变特性。通常，涂层的厚度为至少大约5密耳(0. 13mm)。在大多数实施例中，厚度在大约0. Imm至大约Imm的范围中。然后沿着微通道中的一个或多个的长度通过金属结构涂层而形成相对小的被动冷却孔组。如图8中显示的那样，被动孔132延伸通过金属涂层130，以及进入填充微通道 110的牺牲材料120中。被动冷却孔可由各种各样技术来形成，其中的大多数在上面已经参照通路孔112描述过。技术的实例包括EDM、激光和磨料水射流系统。被动孔132通常(但不总是)布置成彼此等距地间隔开的均勻的型式。虽然将被动孔描绘为垂直于表面104，但是被动孔可形成为或“倾斜”为以各种角度远离垂直定向。 此外，被动孔不必与微通道的中心对准(例如沿图中的宽度方向)，而是可(甚至单独地) 定位成偏离通道的底部的中心。如上面提到的那样，与冷却剂通路孔112的大小相比，被动冷却孔132是较小的， 如图9中显示的那样。在大多数实施例中，被动冷却孔具有小于冷却剂通路孔的平均直径的大约50%的平均直径。典型地，被动冷却孔具有的平均直径在大约5密耳(0. 13mm)至大约20密耳(0. 51mm)的范围中；而且在一些情况下，在大约5密耳至大约15密耳(0. 38mm) 的范围中。在被动冷却孔132形成之后，从微通道110和通路孔112中移除牺牲/填料材料。 可使用许多传统技术来移除牺牲材料。非限制性实例包括浸提、溶解、熔化、氧化、蚀刻和它们的组合。特定的技术的选择将取决于各种因素，例如牺牲材料的特定的成分、冷却剂通路的内部形状，以及衬底和涂层的成分。常常，通过将构件浸入合适的处理浴槽中来执行填料材料的移除。如下面描述的那样，被动冷却孔(例如参见图9)的存在可有利于加速填料的移除。图10是图9的大体结构的透视图，其显示了衬底102、外部表面104、微通道110 和整齐的通路孔(例如冷却剂供给孔)112排列。还描绘了通过金属层130而延伸到微通道110的不同区段中的被动冷却孔132。如之前提到的那样，被动孔132不需要设置成整齐的排列，并且不必沿着通过任何微通道110的长度的一致轴线来设置。图11是一个备选实施例的透视图，其中图10中的至少一排被动冷却孔由槽口 133 代替。(图中的所有其它元件均可看作与图10的相同)。虽然这里显示了一个槽口(以及具有任意宽度)，但是在一些实施例中，槽口存在于各排被动冷却孔的位置上。可为合乎需要的是在一些情况下形成这些槽口而非孔，以更加均勻地分配由于被施用到槽口上面的层而引起的最终压力负载。槽口可通过之前描述的许多技术形成，例如磨料液体射流、EDM等等。此外，作为沿着表面上的任何特定的维度采用单个槽口的替代，可采用一系列离散的较小的槽口。槽口的大小能够稍微有所变化，但是在许多情况下，槽口的宽度(即与槽口跨度的方向成水平的方向)大致等于其它实施例中采用的被动孔的直径。此外，也可构想槽口具有小于冷却剂供给孔(在此图中未显示)的平均直径的大约50%的平均宽度。此外，槽口不必定位在微通道的中心纵向轴线的正上方，而是可定位成偏离中心。槽口还可包括斜置的侧壁。这些变型中的大多数都将由构件所期望的特定的冷却构造确定。继续参照最近参照图9所描述的被动冷却孔的形成，在这个实施例中，然后将第二金属结构涂层层施用到第一涂层130上面，如图12中描绘的那样。第二涂层覆盖被动冷却孔132中的各个的上部出口 142，从而使孔为“被动”的，如下面描述的那样。与第一涂层的情况一样，这个实施例的第二涂层也是基本无孔的，并且可由上面描述的金属材料中的任何一种形成，例如超合金、金属铝化物、MCrAl(X)材料等等。作为一个非限制性例示，当第一涂层由超合金材料形成时，第二涂层可由MCrAl (X)材料形成。也可通过之前描述的技术中的任何一种来施用涂层。第二金属结构涂层的厚度将取决于各种因素，如之前针对第一层所列出的那些中的一些。第二层应当足够厚，以“桥接”在被动冷却孔132上面，以及充分地支承随后施用的陶瓷材料。通常，第二涂层的厚度为至少大约0. 1mm。在大多数实施例中，厚度在大约0. Imm 至大约0. 5mm的范围中。(在一些实施例中，可施用至少再一个金属涂层，即第三层)。在一些实施例中，如本文描述的那样，可用覆盖选定的外表面的金属涂层中的两个或更多个来充分地保护构件。但是，在许多实施例中，高温构件还包括至少一个叠置的陶瓷涂层，如之前提到的那样。在这些情形中，下面的金属涂层(或涂层系统)通常部分地起结合层的作用，如在之前也提到的那样。因而，在许多实施例中，将至少一个陶瓷涂层施用到第二金属结构层上面(或者如果衬底上设置了不止两个层，则施用到上部金属层的顶部上面)。如上面描述的那样， 陶瓷涂层通常呈隔热涂层(TBC)的形式，并且可包括各种各样陶瓷氧化物，例如氧化锆 (ZrO2)、氧化钇(Y2O3)、氧化镁(MgO)和它们的组合。在一个优选实施例中，TBC包括氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)。这种成分与下面的金属层形成坚固的结合；并且对衬底提供较高程度的热保护。(美国专利6，511，762提供了 TBC涂层系统的一些方面的描述)。可通过许多技术来施用TBC。特定的技术的选择将取决于各种因素，例如涂层成分、其期望的厚度、下面的金属层(一个或多个)的成分、在其上施用涂层的区域，以及构件的形状。适合的涂层技术的非限制性实例包括PVD和等离子体喷涂技术。在一些情形中， TBC具有一定程度的多孔性是合乎需要的。作为一个实例，可使用PVD或等离子体喷涂技术来形成多孔的YSZ结构。TBC的厚度将部分取决于之前关于金属涂层所陈述的因素中的一些。构件将在其中运行的热环境是关键因素，因为这是部件的最终用途；以及施用的TBC层的数量。通常 (但不总是)，对基于地面的涡轮发动机所采用的TBC将具有在大约3密耳至大约45密耳 (0.08mm至1.14mm)的范围中的总厚度。通常(但不总是)，对诸如喷气发动机的航空应用所采用的TBC将具有在大约1密耳至大约20密耳(0.03mm至0.51mm)的范围中的总厚度。在其它实施例中，可将TBC直接施用到第一金属结构层上面，即图9中的层130上面。作为一个实例，在被动冷却孔的大小非常小(例如直径小于大约4密耳(0.1mm))时， TBC有时可提供足够的涂层强度来设置在单个金属层上面。在其它实施例中时，可施用多个 TBC层，例如，如在所参照的Lee等人的美国专利6，511，762中那样。图13是根据本文阐述的实施例中的一些的另一个高温构件(例如涡轮翼型件 140)的一部分的截面图。在这个图中，一个微通道142成形、形成于衬底144内。示出了一个冷却剂通路孔146与通道142连通(即在通道的底表面148中开口)；以及对翼型件的内部区域150提供管道。显示了由金属材料形成的第一结构涂层层152设置在衬底144的外表面巧4上面。显示了一系列被动冷却孔156延伸通过结构层152。在这个实施例中，结构层152由第二金属结构层158覆盖。基于陶瓷的隔热涂层160设置在层158上面。涂层152、158和 160可统称为“保护涂层系统” 162。(如上面提到的那样，在备选实施例中，层158在一些情况下可为具有或不具有第二 TBC160的陶瓷TBC。)通路孔164通入为微通道142限定离开区域的离开区域或“沟道” 166中。可通过涂层系统162而形成许多沟道，这取决于翼型件的冷却剂流方案。沟道可由之前描述的技术中的任何一种形成。在涡轮翼型件用作高温构件的语境中，上面描述的被动冷却孔对依赖于微通道和隔热涂层系统的冷却系统至少提供了若干重要属性。第一，在将初始涂层施用到构件上之后，被动冷却孔提供了额外的出口来移除填料材料(例如通过较早提到的浸提技术)。第二，在叠置的保护涂层失效的情况下，即如果涂层系统162(图13)的一些部分受损或变得与衬底144分离，被动冷却孔提供额外的通路/线路来使冷却剂空气运动到构件的外部。 换句话说，从构件的内部区域150中的源流出的冷却剂流体在底表面147处被引导到通路孔146中。冷却剂的一部分可向上(根据图的定向)流入微通道142中，以及流入被动冷却孔156中。这个空气流对将缺乏受损或缺失的TBC的保护的翼型件的区段提供额外的有益的膜冷却。照这样，小的冷却孔从被涂层密封的“被动孔”有效地转变成未被覆盖的“主动孔”。在本发明的另一个实施例中，尽管被动冷却孔仍然结合在整个结构中，但是牺牲/ 填料材料不是必要的。因而，在这个实施例中，微通道形成于外表面中，如之前描述的那样， 接下来形成一个或多个冷却剂通路孔。然后可将金属结构涂层施用到外表面上面，如之前也描述的那样。然后通过金属结构涂层而形成延伸到微通道的至少一部分中的至少一个槽口或相对小的被动冷却孔组，如也在上面描述的那样。第二涂层层(或多个层)然后可形成于第一层上面。第二涂层层可为陶瓷或金属，如也在本文描述的那样；或者可为金属层， 接下来是一个或多个陶瓷层。根据上面的描述应当显而易见的是，本发明的另一个实施例涉及高温构件，其包括具有包含在其中的多个微通道的外部金属壁，其中，一系列通路孔(例如冷却剂供给孔) 各自从微通道中的一个或多个的底表面延伸到构件的内部区域中。外壁由至少一个金属涂层覆盖，并且在一些情形中，由至少一个叠置的隔热涂层(TBC)覆盖。在这个实施例中，一个或多个槽口或多个相对小的被动冷却孔通过第一金属涂层层而延伸到微通道中的一个或多个的至少一部分中。槽口(一个或多个)或被动冷却孔在上部端(即最靠近外壁的外部)处由至少一个第二涂层层密封，例如至少一个金属层或至少一个TBC层或它们的一些组合。已经在一些特定的实施例方面描述了本发明。它们仅意图用于例示，而无论如何都不应理解为限制性的。因而，应当理解，可对本发明作出在本发明和所附权利要求的范围内的修改。此外，上面提到的所有专利、专利申请、文章和文本均通过引用而结合在本文中。
权利要求
1.一种用于在高温构件内提供流体冷却系统的方法，包括以下步骤a)在所述构件的外表面中形成至少一个微通道；b)形成从所述微通道中的至少一个延伸到所述构件的内部区域的一个或多个冷却剂通路孔；c)用填料材料填充所述微通道和所述冷却剂通路孔；d)将第一金属结构涂层层施用到所述外表面上面；e)通过所述第一金属结构涂层层而形成至少一个槽口或相对小的被动冷却孔组；其中，所述槽口或所述被动冷却孔延伸到在所述槽口下方或所述被动冷却孔下方大体对准的经填充的所述微通道中的一个的至少一部分中；f)移除所述填料材料；以及g)至少将第二涂层层施用到所述第一层上面。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过选自由下者组成的组的技术来使各个微通道形成于所述外表面中激光加工、磨料液体射流切削、放电加工(EDM)、铣削放电加工(铣削EDM)、电子束钻孔、投浸式电化学加工和CNC加工。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过选自由下者组成的组的技术来形成各个冷却剂通路孔投浸式电化学加工(投浸式ECM)、激光加工、激光钻孔、磨料液体射流切削、放电加工(EDM)和电子束钻孔。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述填料材料选自由下者组成的组陶瓷材料、金属、金属合金、金属墨、可固化的聚合材料、石墨和它们的组合。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述冷却剂通路孔具有大约10密耳至大约30密耳(0. 25mm至0. 76mm)的平均直径。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述被动冷却孔的平均直径小于所述冷却剂通路孔的平均直径的大约50%。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述被动冷却孔具有大约5密耳至大约 20密耳(0. 13mm至0. 51mm)的平均直径。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述槽口具有小于所述冷却剂通路孔的平均直径的大约50%的平均宽度。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一金属结构涂层层由超合金材料、 金属铝化物或具有分子式MCrAL(X)的材料形成，其中，M是铁、钴、镍或它们的组合；而X是钇、钽、硅、铪、钛、锆、硼、碳或它们的组合。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属结构层的总厚度在大约0.Imm 至大约1. Omm的范围中。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二涂层层是包含超合金材料、金属铝化物或具有分子式MCrAL(X)的材料的金属结构涂层；其中，M是铁、钴、镍或它们的组合；而X是钇、钽、硅、铪、钛、锆、硼、碳或它们的组合。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二涂层层包括陶瓷材料。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述陶瓷材料选自由氧化锆(ZrO2)、氧化钇(Y2O3)、氧化镁(MgO)和它们的组合组成的组。
14.一种用于在高温构件内提供流体冷却系统的方法，包括以下步骤A)在所述构件的外表面中形成至少一个微通道；B)形成从所述微通道中的至少一个延伸到所述构件的内部区域的一个或多个冷却剂通路孔；C)将第一金属结构涂层层施用到所述外表面上面；D)通过所述第一金属结构涂层层而形成至少一个槽口或相对小的被动冷却孔组；其中，所述槽口或所述被动冷却孔延伸到在所述槽口下方或所述被动冷却孔下方大体对准的所述微通道中的一个的至少一部分中；以及E)至少将第二涂层层施用到所述第一层上面。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述第二涂层层选自由金属结构材料和陶瓷材料组成的组。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述第二涂层层是金属结构材料；并且然后将至少一个陶瓷涂层层施用到所述第二涂层层上面。
17.一种高温构件，包括具有包含在其中的多个微通道的外部金属壁，其中，多个冷却剂通路孔从所述微通道中的一个或多个的底表面延伸到所述构件的内部区域中；其中，所述外壁由至少一个金属涂层覆盖；以及其中，至少一个槽口或多个被动冷却孔通过第一金属涂层层而延伸到下面的微通道中的一个或多个的至少一部分中；并且所述槽口或所述被动冷却孔在外部端处至少由第二涂层层密封。
18.根据权利要求17所述的高温构件，其特征在于，所述第二涂层层选自由金属结构材料和陶瓷材料组成的组。
19.根据权利要求18所述的高温构件，其特征在于，所述金属结构材料包括超合金材料、金属铝化物或具有分子式MCrAL(X)的材料，其中，M是铁、钴、镍或它们的组合；而X是钇、钽、硅、铪、钛、锆、硼、碳或它们的组合；以及其中，所述陶瓷材料选自由氧化锆(ZrO2)、氧化钇(Y2O3)、氧化镁(MgO)和它们的组合组成的。
20.根据权利要求17所述的高温构件，其特征在于，所述第二涂层层包含金属结构材料；并且由至少一个陶瓷涂层层覆盖。
21.根据权利要求17所述的高温构件，其特征在于，所述槽口或所述被动冷却孔具有小于所述冷却剂通路孔的平均直径的大约50%的平均直径。
22.根据权利要求17所述的高温构件，其特征在于，所述高温构件呈涡轮发动机构件的形式。
23.根据权利要求22所述的涡轮发动机构件，其特征在于，所述涡轮发动机构件呈翼型件的形式。
全文摘要
本发明涉及用于由涂层覆盖的高温构件的冷却通道系统和有关过程。描述了一种用于在高温构件内提供流体冷却系统的方法。在构件的外表面中形成至少一个微通道；以及然后形成从微通道中的至少一个延伸到构件的内部区域的一个或多个冷却剂通路孔。然后将金属结构涂层层施用到外表面上面。然后通过该金属结构涂层而形成延伸到微通道的至少一部分中的至少一个槽口或相对小的被动冷却孔组。然后将第二涂层层施用到第一层上面。在一些实施例中，在施用第一涂层层之前，使牺牲材料淀积到微通道中。还描述了有关物品。
文档编号F01D5/18GK102562176SQ20111046155
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月22日 优先权日2010年12月22日
发明者R·S·班克 申请人:通用电气公司