制品及形成制品的方法与流程

本发明在由能源部授予的合同号DE-FC26-05NT42643下利用政府支持完成。政府具有本发明中的某些权利。

技术领域

本发明涉及一种制品和形成制品的方法。更具体而言，本发明涉及一种冷却制品和形成冷却制品的方法。

背景技术：

涡轮系统在不断地修改以提高效率和降低成本。用于提高涡轮系统的效率的一种方法包括升高涡轮系统的操作温度。为了升高温度，涡轮系统必须由可在继续使用期间耐受此类温度的材料构成。

除了修改构件材料和涂层之外，提高涡轮构件的温度容量的一个常用方法包括使用复杂冷却通道。复杂冷却通道经常形成在用于燃气涡轮的高温区域中的金属和合金中。形成复杂冷却通道的一种当前方法包括钻孔或放电加工。除了昂贵之外，可难以使用钻孔或放电加工形成复杂冷却通道。例如，关于钻孔或放电加工，难以形成成形的孔，以及特别是小成形孔。

形成复杂冷却通道的备选方法可包括添加制造。然而，某些制品的添加制造可为困难的，并且大体上相对于各种几何形状受限。具体而言，薄垂直结构如冲击套筒的添加制造典型地在制造期间导致塌缩。因此，大多数冲击套筒当前通过卷起金属板件来形成。

示出相比于现有技术的一个或更多个改进的制品和形成制品的方法将是本领域中合乎需要的。

技术实现要素：

在实施例中，一种冷却制品包括分开内区域和外区域的本体部分、本体部分中的孔口，孔口流体地连接内区域和外区域，以及沿本体部分至少部分地延伸的增强特征，增强特征相对于建造方向定向。

在另一个实施例中，一种形成冷却制品的方法包括形成限定内区域和外区域的本体部分、与本体部分的形成同时地形成至少一个增强特征，至少一个增强特征沿本体部分至少部分地延伸，以及形成本体部分中的孔口，孔口将内区域流体地连接于外区域。形成本体部分、形成孔口和形成至少一个增强特征包括添加制造。

在另一个实施例中，一种形成冷却制品的方法包括形成限定内区域和外区域的本体部分、与本体部分的形成同时地形成至少一个增强特征，至少一个增强特征沿本体部分至少部分地延伸、形成本体部分中的孔口，孔口将内区域流体地连接于外区域，以及除去至少一个增强特征。形成本体部分、形成孔口和形成至少一个增强特征包括添加制造。

技术方案1. 一种冷却制品，包括：

本体部分，其分开内区域和外区域；

所述本体部分中的孔口，所述孔口流体地连接所述内区域和所述外区域；以及

增强特征，其沿所述本体部分至少部分地延伸，所述增强特征相对于建造方向定向。

技术方案2. 根据技术方案1所述的冷却制品，其特征在于，所述增强特征延伸到所述内区域中。

技术方案3. 根据技术方案1所述的冷却制品，其特征在于，所述增强特征延伸到所述外区域中。

技术方案4. 根据技术方案1所述的冷却制品，其特征在于，所述增强特征布置和设置成在所述冷却制品的添加制造期间提供支承。

技术方案5. 根据技术方案1所述的冷却制品，其特征在于，所述增强特征垂直或大致垂直于所述建造方向。

技术方案6. 根据技术方案1所述的冷却制品，其特征在于，所述增强特征相对于所述建造方向的定向从由垂直、成角、阶梯、螺旋和它们的组合构成的组选择。

技术方案7. 根据技术方案1所述的冷却制品，其特征在于，所述冷却制品选自由冲击套筒和冲击板构成的组。

技术方案8. 根据技术方案1所述的冷却制品，其特征在于，所述增强特征包括形成在其上的至少一个冷却特征。

技术方案9. 根据技术方案8所述的冷却制品，其特征在于，所述冷却特征选自由冷却孔、冷却通道和它们的组合构成的组。

技术方案10. 根据技术方案1所述的冷却制品，其特征在于，所述增强特征包括选自由T、L、I、F、E和它们的组合构成的组的形状。

技术方案11. 根据权利要去1所述的冷却制品，其特征在于，所述冷却制品还包括至少一个附加增强特征。

技术方案12. 根据技术方案11所述的冷却制品，其特征在于，间隔在选自由所述增强特征、所述至少一个附加增强特征和它们的组合构成的组的特征之间变化。

技术方案13. 根据技术方案1所述的冷却制品，其特征在于，所述增强特征形成所述冷却制品的表面中的褶皱。

技术方案14. 一种形成冷却制品的方法，所述方法包括：

形成限定内区域和外区域的本体部分；

与所述本体部分的形成同时地形成至少一个增强特征，所述至少一个增强特征沿所述本体部分至少部分地延伸；以及

形成所述本体部分中的孔口，所述孔口将所述内区域流体地连接于所述外区域；

其中形成所述本体部分、形成所述孔口和形成所述至少一个增强特征包括添加制造。

技术方案15. 根据技术方案14所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将所述冷却制品插入到冷却的构件中，所述冷却制品提供所述冷却的构件的冲击冷却。

技术方案16. 根据技术方案14所述的方法，其特征在于，所述添加制造包括直接金属激光熔化。

技术方案17. 根据技术方案14所述的方法，其特征在于，形成所述至少一个增强特征选自由以下构成的组：在所述本体部分的外表面上形成所述至少一个增强特征、在所述本体部分的内表面上形成所述至少一个增强特征、在所述本体部分内形成所述至少一个增强特征，以及它们的组合。

技术方案18. 根据技术方案14所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述至少一个增强特征上形成至少一个冷却特征。

技术方案19. 一种形成冷却制品的方法，所述方法包括：

形成限定内区域和外区域的本体部分；

与所述本体部分的形成同时地形成至少一个增强特征，所述至少一个增强特征沿所述本体部分至少部分地延伸；

形成所述本体部分中的孔口，所述孔口将所述内区域流体地连接于所述外区域；以及

除去所述至少一个增强特征；

其中形成所述本体部分、形成所述孔口和形成所述至少一个增强特征包括添加制造。

技术方案20. 根据技术方案19所述的方法，其特征在于，除去所述至少一个增强特征包括在形成最终冷却制品几何形状之后加工所述至少一个增强特征。

本发明的其它特征和优点将从连同附图进行的以下更详细描述为显而易见的，该附图经由实例示出本发明的原理。

附图说明

图1为根据本公开的实施例的冷却制品的透视图。

图2为根据本公开的实施例的冷却制品的截面视图。

图3为根据本公开的实施例的冷却制品的截面视图。

图4为根据本公开的实施例的定位在构件内的冷却制品的截面视图。

图5为根据本公开的实施例的形成冷却制品的方法的过程视图。

图6为根据本公开的实施例的形成冷却制品的方法的示意图。

只要可能，相同的附图标记将遍及附图用于表示相同的部分。

部件列表

100 冷却制品

101 孔口

103 增强特征

105 第一端部

107 第二端部

109 垂直建造方向

201 本体部分

203 内区域

204 内表面

205 外区域

206 外表面

211 内部增强特征

213 外部增强特征

215 集成增强特征

221 开口

400 构件

404 内表面

500 添加方法

601 金属合金粉末

602 初始层

602 预选厚度

604 第一变化

610 聚焦能量源

611 部分

622 附加层

623 第二预选厚度

624 第二变化

633 组合厚度

634 组合开口。

具体实施方式

提供了冷却制品和形成冷却制品的方法。例如，相比于不能包括本文中公开的特征中的一个或更多个的构思，本公开的实施例便于冷却制品的添加制造，便于冷却制品沿垂直方向的添加制造，增大制造期间的冷却制品支承，减小制造期间的冷却制品塌缩，提高效率，便于形成具有增加的复杂性的冷却特征，便于形成复杂冷却通道，或它们的组合。

冷却制品100包括用于便于涡轮构件的冷却的任何适合的制品。在一个实施例中，如图1-3中所示，冷却制品100包括一个或更多个孔口101和/或形成于其中的一个或更多个增强特征103。例如，在另一个实施例中，冷却制品100包括具有多个孔口101和多个增强特征103的冲击套筒。尽管本文中主要关于冲击套筒描述，但如本领域技术人员将理解的，冷却制品100可包括任何其它适合的制品，如但不限于冲击板、多个冲击板、构造用于插入在构件内的任何其它制品，或它们的组合。

参照图2，冷却制品100的本体部分201限定和/或分开内区域203和外区域205。本体部分201包括面对内区域203的内表面204，以及面对外区域205的外表面206。一个或更多个孔口101和/或一个或更多个增强特征103形成在本体部分201上和/或中。在一个实施例中，一个或更多个孔口101形成在本体部分201中，将内区域203流体地连接于外区域205，并且提供内区域203与外区域205之间的流体流。例如，孔口101可在内表面204与外表面206之间延伸，便于冷却流体从内区域203流至外区域205。

孔口101中的各个包括用于流体地连接内区域203和外区域205的任何适合的几何形状。适合的几何形状包括但不限于圆环、大致圆环、圆形、大致圆形、椭圆形、非圆形、正方形、三角形、星形、多边形、变化的、不规则的、任何其它几何形状，或它们的组合。此外，孔口101包括用于便于冷却流的任何适合的定向和/或间隔。孔口101之间的适合的间隔包括但不限于均匀的、均一的、变化的、梯度的、分段的或它们的组合。孔口101的几何形状和/或间隔可遍及冷却制品100为均一、大致均一或变化的，其中孔口101中的各个的几何形状和/或间隔与冷却制品100中的一个或更多个其它孔口101相同、大致相同和/或不同。

一个或更多个增强特征103形成在本体部分201上和/或中，一个或更多个增强特征103中的各个在冷却制品100的第一端部105与第二端部107之间至少部分地延伸。例如，在一个实施例中，一个或更多个增强特征103沿本体部分201的内表面204至少部分地延伸，形成延伸到内区域203中的内部增强特征211。在另一个实施例中，一个或更多个增强特征103沿本体部分201的外表面206至少部分地延伸，形成延伸到外区域206中的外部增强特征213。在又一个实施例中，一个或更多个增强特征103包括形成在本体部分201内并且沿本体部分201至少部分地延伸的集成增强特征215。适合的集成增强特征215包括但不限于褶皱、增大厚度的区段、内表面204和/或外表面206的起伏(corrugation)、对本体部分201的任何其它修改，或它们的组合。此外，起伏可包括任何一种或更多种截面形状，如但不限于正弦、尖角(见图2)、波状、方波、锯齿或它们的组合。

(多个)增强特征103的定位、定向、量和/或几何形状选择成在本体部分201的添加制造期间提供期望的支承。如上文详细论述的，(多个)增强特征103的适当定位包括在本体部分201的外表面206上、在本体部分201的内表面204上，和/或在本体部分201内。例如，尽管图2中示为包括内部增强特征211、外部增强特征213和集成增强特征215中的各个，但如本领域技术人员将认识到的，冷却制品100并未如此受限，并且可包括仅内部增强特征211、仅外部增强特征213、仅集成增强特征215，或它们的任何组合。

用于支承本体部分201的适合的定向包括但不限于垂直、成角、螺旋、阶梯、弯曲、垂直于建造方向、平行于建造方向、相对于建造方向另外定向，或它们的组合。各个增强特征103的定向可为相同的、大致相同的，或沿本体部分201和/或相对于至少一个其它增强特征103变化。例如，如图3中所示，增强特征103为大致垂直的、弯曲的，并且沿本体部分201和/或在独立增强特征103之间变化。

增强特征103的适合布置包括但不限于单个增强特征103、许多增强特征103，或多个增强特征103。在一个实施例中，增强特征103的布置基于本体部分201的厚度和/或高度选择。例如，较短和/或较厚的本体部分201可包括相对减少量的增强特征103，而较长和/或较薄的本体部分201可包括相对增加量的增强特征103。此外，增强特征103的大小和/或间隔可选择成提供本体部分201的期望支承。增强特征103的大小和/或间隔至少部分地基于提供的增强特征103的量，并且可为相同的、大致相同的，或沿本体部分201和/或在独立增强特征103之间变化。例如，较厚的增强特征103和/或增强特征103之间的减小的间隔可针对相对较长和/或较薄的本体部分201提供，而较薄的增强特征103和/或增强特征103之间的减小的间隔可针对相对较短和/或较厚的本体部分201提供。

增强特征103的适合几何形状包括但不限于T形、L形、I形、F形、E形、任何其它规则或不规则的几何形状，或它们的组合。此外或作为备选，一个或更多个增强特征103的几何形状可包括非实心部分和/或构造，如但不限于中空、多孔、网状、网纹(cross-hatched)或它们的组合。一个或更多个增强特征103的几何形状可相同、大致相同，或沿本体部分201和/或在独立增强特征103之间变化。

在一个实施例中，(多个)增强特征103的几何形状修改内区域203内的流体流。在另一个实施例中，如图2中所示，一个或更多个增强特征103中的至少一个包括形成在其中的一个或更多个开口221，一个或更多个开口221提供穿过其的流体流。在又一个实施例中，改变增强特征103中的开口221的尺寸、定向和/或量改变穿过增强特征103的流体流，这改变内区域203内的流体流。通过改变内区域203内的流体流，增强特征103中的开口221改变穿过孔口101的流体流，便于对流体流的增加控制，并且/或者便于对冲击冷却流的增加控制。

例如，如图4中所示，在一个实施例中，冷却制品100构造用于插入和/或定位在构件400内。当插入和/或定位在构件400内时，冷却制品100的外区域205在冷却制品的外表面206与构件400的内表面404之间延伸。此外，当冷却制品100插入和/或定位在构件400内时，穿过孔口101的流体流提供了构件400的冷却。例如，提供至冷却制品100的内区域203的冷却流体可穿过孔口101至外区域205，其中冷却流体接触构件400的内表面404并且提供构件400的冲击冷却。孔口101的定向和/或间隔至少部分地确定从内区域203经过至外区域205的流体的量、方向和/或浓度。

在一个实施例中，根据本文中公开的实施例中的一个或更多个形成的(多个)增强特征103容许冷却制品100的添加制造。在另一个实施例中，相比于形成为没有(多个)增强特征103的冷却制品，(多个)增强特征103便于具有增大的长度和/或减小的厚度的本体部分201的添加制造。在又一个实施例中，(多个)增强特征103便于以添加制造垂直建造冷却制品100。如本文中使用的，用语垂直是指与重力方向和/或冷却制品100的建造方向对准或大致对准的方向。例如，参照图1，建造可包括沿从第二端部107延伸至第一端部105的垂直建造方向109形成冷却制品100。

在具有增大的长度和/或减小的厚度的本体部分201的垂直建造和/或形成期间，(多个)增强特征103提高本体部分201的稳定性。由(多个)增强特征103提供的稳定性的提高减小或消除了在制造期间的本体部分201的塌缩，并且/或者保持本体部分201的期望几何形状，这容许冷却制品100的添加制造。此外，相比于不以添加制造形成的冷却制品，冷却制品100的添加制造容许使冷却制品100形成为单件和/或形成具有增加的复杂性的冷却特征。冷却特征如孔口101的增加的复杂性减少冷却流体的使用，容许使用升高的操作温度，增大吞吐量，提高效率，增大冲击热传递效率(HTC)，和/或便于再使用冷却流。

包括(多个)增强特征103的冷却制品100和/或本体部分201的添加制造包括任何适合的添加制造方法500。参照图5-6，在一个实施例中，添加方法500包括制造和/或形成净或近净形状冷却制品100和/或增强特征103。如本文中使用的，短语"近净"是指冷却制品100和/或(多个)增强特征103形成有非常类似于在添加方法500之后需要很少或不需要加工和处理的、冷却制品100和/或(多个)增强特征103的最终几何形状和尺寸的几何形状和尺寸。如本文中使用的，短语"净"是指冷却制品100和/或(多个)增强特征103形成有不需要加工和处理的几何形状和尺寸。

根据本文中公开的实施例中的一个或更多个，添加方法500包括集成地形成一个或更多个孔口101和/或与冷却制品100集成的一个或更多个增强特征103。作为备选，如本领域技术人员将认识到的，(多个)孔口101中的至少一个可在添加方法500之后加工到冷却制品100中，而不影响冷却制品100的净或近净几何形状。此外，在形成包括(多个)增强特征103的冷却制品100之后，(多个)增强特征103可除去，如通过磨削，以形成没有或大致没有(多个)增强特征103的冷却制品100(见图6)。在某些实施例中，(多个)增强特征103间断地接触本体部分201，便于(多个)增强特征103的较容易除去(如果期望)。

添加方法500包括用于通过顺序地且重复地沉积和连结材料层来形成冷却制品100和/或(多个)增强特征103的任何制造方法。适合的制造方法包括但不限于本领域技术人员已知为直接金属激光熔化(DMLM)、直接金属激光烧结(DMLS)、激光工程化净成形、选择性激光烧结(SLS)、选择性激光熔化(SLM)、电子束熔化(EBM)、熔融沉积成型(FDM)或它们的组合的过程。在一个实施例中，例如，添加方法500包括提供金属合金粉末601(步骤501)；以金属合金粉末601形成初始层602(步骤502)；以金属合金粉末601使附加层622顺序地形成在初始层602之上(步骤503)；以及将附加层622连结于初始层602以形成冷却制品100和/或(多个)增强特征103(步骤504)。在另一个实施例中，添加方法500包括重复以下步骤：在先前形成的层之上顺序地形成附加层622，以及将附加层622连结于先前形成的层(步骤505)，直到获得具有预定厚度和/或预定形状的冷却制品100和/或(多个)增强特征103。先前形成的层包括冷却制品100和/或(多个)增强特征103的任何部分611，其包括初始层602和/或直接地或间接地连结于初始层602的任何其它附加(多个)层622。

初始层602包括预选厚度603和预选形状。在形成一个或更多个孔口101时，可提供预选厚度603中的至少一个第一变化604，至少一个第一变化604对应于一个或更多个孔口101的一部分。附加层622中的各个包括第二预选厚度623和第二预选形状。第二预选形状包括对应于初始层602中的至少一个第一变化604的至少一个第二变化624、对应于外表面206的形状，和/或对应于一个或更多个增强特征103的形状。第二预选厚度623和/或第二预选形状可在附加层622中的一个或更多个之间为相同的、大致相同的或不同的。当连结时，初始层602的预选厚度603和附加(多个)层622的第二预选厚度623形成部分611的组合厚度633。此外，至少一个第一变化604和对应的至少一个第二变化624形成部分611中的一个或更多个组合开口634。一旦形成冷却制品100，则一个或更多个组合开口634形成将冷却制品100的内区域203流体地连接于外区域205的一个或更多个孔口101。

在一个实施例中，添加方法500包括DMLM过程。在另一个实施例中，DMLM过程包括提供金属合金粉末601和沉积金属合金粉末601以形成初始粉末层。初始粉末层具有包括至少一个第一变化604的预选厚度603和预选形状。在又一个实施例中，DMLM过程包括提供聚焦能量源610，以及将聚焦能量源610引导在初始粉末层处以熔化金属合金粉末601，并且使初始粉末层转变成冷却制品100和/或(多个)增强特征103的部分611。适合的聚焦能量源包括但不限于激光装置、电子束装置或它们的组合。

接下来，DMLM过程包括将附加金属合金粉末601顺序地沉积在冷却制品100和/或(多个)增强特征103的部分611之上，以形成具有第二预选厚度623和第二预选形状的附加层622。在沉积金属合金粉末601的附加层622之后，DMLM过程包括利用聚焦能量源610熔化附加层622，以增大组合厚度633并且形成冷却制品100的至少一部分。顺序地沉积金属合金粉末601的附加层622和熔化附加层622的步骤接着可重复以形成净或近净形状冷却制品100和/或(多个)增强特征103。例如，步骤可重复，直到获得具有预定厚度、预定形状、一个或更多个孔口101和/或一个或更多个(多个)增强特征103的冷却制品100。

尽管已经参照一个或更多个实施例描述了本发明，但本领域技术人员将理解，可作出各种改变，并且等同方案可替换其元件，而不脱离本发明的范围。此外，可作出许多改型以使特定情形或材料适合于本发明的教导，而不脱离其基本范围。因此，意图是，本发明不限于公开为构想用于执行本发明的最佳模式的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。此外，在详细描述中识别的所有数值应当如同准确值和近似值两者清楚地识别那样解释。