CN102536465B - 使用短效涂层制作构件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及使用短效涂层制作构件的方法。具体而言，提供了一种制作构件的方法。该方法包括将短效涂层沉积在基底表面上，其中基底具有至少一个中空内部空间。该方法还包括穿过短效涂层加工基底以在基底表面中形成一个或多个凹槽。该一个或多个凹槽中的各个均具有基部，且至少部分地沿基底表面延伸。该方法还包括形成穿过该一个或多个凹槽中相应一个凹槽的基部的一个或多个出入孔，以便使相应凹槽与相应中空内部空间成流体连通地连接。该方法还包括用填料填充该一个或多个凹槽，除去短效涂层、将涂层设置在基底表面的至少一部分上，以及从一个或多个凹槽除去填料，使得该一个或多个凹槽和涂层一起限定用于冷却构件的多个通道。

Description

使用短效涂层制作构件的方法
技术领域
本发明主要涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地涉及在其中的微通道冷却。
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以便产生热燃烧气体。从高压涡轮(HPT)和低压涡轮(LPT)中的气体中获取能量，其中高压涡轮向压缩机供能，而低压涡轮向涡轮风扇飞行器发动机应用中的风扇供能，或向船舶和工业应用的外轴供能。
发动机效率随燃烧器气体温度而提高。然而，燃烧气体沿其流动通路加热各种构件，这继而需要对其冷却以实现长期的发动机寿命。通常，热气体通路构件通过来自于压缩机的放出空气冷却。由于放出空气未用于燃烧过程，该冷却过程会降低发动机效率。
燃气涡轮发动机冷却领域很成熟且包括对于各种热气体通路构件中的冷却回路和特征的各种方面的许多专利。例如，燃烧器包括径向的外衬套和内衬套，它们需要在操作期间冷却。涡轮喷嘴包括支承在外带与内带之间的中空导叶，它们也需要冷却。涡轮转子叶片为中空的且通常在其中包括冷却回路，同时叶片由涡轮罩盖所包绕，它们也需要冷却。热燃烧气体经由排气口排出，该排气口也可有衬套并经受适当地冷却。
在所有这些示例性燃气涡轮发动机构件中，高强度超级合金金属的薄金属壁通常用于提高耐用性，同时最大限度地减小对其冷却的需要。各种冷却回路和特征定制为用于发动机中其对应环境中的这些单独构件。例如，一系列内部冷却管道或盘管(serpentine)可形成在热气体通路构件中。冷却流体可从仓室提供至盘管，且冷却流体可流过管道，从而冷却热气体通路构件基底和涂层。然而，该冷却策略通常会导致较低的热传递速率和不均匀的构件温度分布。
微通道冷却通过对于热区尽可能近地布置冷却而具有显著减小冷却要求的潜在可能，因此对于给定的热传递速率降低了热侧与冷侧之间的温度△。然而，当将结构涂层施加到通道上时，大多数关键区域为通道的顶边缘。如果这些边缘不尖锐且成直角，则在基底基础金属与结构涂层之间的对接面处有可能引起裂纹，或作为间隙、裂缝起始点(starter)，或作为在沉积涂层时可将裂纹传播至涂层的小空隙。
因此，将期望的是提供一种用于在无需进一步处理基底基础金属的情况下在构件中形成通道的方法，其中通道边缘形成为尖锐的直角。
发明内容
本发明的一个方面在于一种制作构件的方法。该方法包括在基底表面上沉积短效涂层，其中基底具有至少一个中空内部空间。该方法还包括穿过短效涂层来加工基底，以便在基底表面中形成一个或多个凹槽。该一个或多个凹槽中的各个均具有基部，且至少部分地沿基底表面延伸。该方法还包括穿过该一个或多个凹槽中的相应一个凹槽的基部而形成一个或多个出入孔，以便将相应凹槽与相应中空内部空间成流体连通地连接。该方法还包括用填料填充该一个或多个凹槽、除去短效涂层、在基底表面的至少一部分上设置涂层，以及从该一个或多个凹槽除去填料，使得该一个或多个凹槽和涂层一起限定用于冷却构件的多个通道。
附图说明
当参照附图来阅读如下详细描述时，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变得更容易理解，所有附图中相似的标号表示相似的零件，在附图中：
图1为燃气轮机系统的简图；
图2为根据本发明的方面的具有冷却通道的示例性翼型件构造的示意性截面；
图3至图10示意性地示出了用于在基底中形成冷却通道的工艺步骤；
图11以透视图示意性地绘出了部分地沿基底表面延伸且将冷却剂导送至相应膜冷却孔中的三个示例性冷却通道；以及
图12为图11中的其中一个示例性冷却通道的截面视图，且示出了将冷却剂从出入孔输送至膜冷却孔的通道。
零件清单
10燃气轮机系统
12压缩机
14燃烧器
16涡轮
18轴
20燃料喷嘴
30短效涂层
32填料
80热气体通路流
100热气体通路构件
110基底
112基底外表面
114中空内部空间
116基底内表面
130通道
132凹槽
136凹槽顶部(开口)
138凹槽壁
140出入孔
142膜孔(多个)
150涂层(多个)
160研磨液体射流
具体实施方式
用语"第一"、"第二"等在文中并不表示任何顺序、质量或重要程度，而是用于将一个元件与另一个元件区分开。用语"一个"和"一种"在文中并不表示对数量的限制，而是表示存在至少一个所涉及的物件。结合数量使用的修饰语"大约"表示声称值，且具有由上下文所指出的含义(例如，包括与具体数量的测定结果相关的误差程度)。此外，用语"组合"包括调混物、混合物、合金、反应产物等。
此外，在本说明书中，后缀"(多个)"通常旨在包括其所修饰的用语的单数和复数两者，从而包括一个或多个该用语(例如，"管道孔"可包括一个或多个管道孔，除非另外规定)。整个说明书中所提及的"一个实施例"、"另一个实施例"、"实施例"等意思是结合该实施例描述的特定元件(例如，特征、结构和/或特性)包括在本文所述的至少一个实施例中，且可以存在或可以不存在于其它实施例中。此外，应当理解的是，所述发明特征在各种实施例中可以任何适合的方式相结合。
图1为燃气轮机系统10的简图。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以形成轴18的多个轴区段。
燃气轮机系统10可包括多个热气体通路构件100。热气体通路构件为系统10的任何构件，其至少部分地暴露于经过系统10的高温气流。例如，轮叶组件(也称为叶片或叶片组件)、喷嘴组件(也称为导叶或导叶组件)、罩盖组件、过渡件、保持环以及压缩机排气构件都为热气体通路构件。然而，应当理解的是，本发明的热气体通路构件100不限于以上实例，而是可为至少部分地暴露于高温气流的任何构件。此外，应当理解的是，本公开内容的热气体通路构件100不限于燃气轮机系统10中的构件，而是可为可暴露于高温流的其机器或构件的任何部分。
当热气体通路构件100暴露于热气流80时，热气体通路构件100由热气流80加热，且可达到热气体通路构件100失效的温度。因此，为了容许系统10在高温下结合热气流80进行操作，从而提高系统10的效率和性能，需要一种用于热气体通路构件100的冷却系统。
总的来说，本公开内容的冷却系统包括形成在热气体通路构件100的表面中的一系列小通道或微通道。热气体通路构件可设有覆盖层。冷却流体可从仓室提供至通道，且冷却流体可流经通道，从而冷却覆盖层。
参照图3至图10来描述制作构件100的方法。例如，如图3中所示，该方法包括将短效涂层30沉积到基底110的表面112上。取决于实施方式，短效涂层可覆盖表面112的一部分，或如图3中所示那样可遍布在整个表面110上。例如，如图2中所示，基底110具有至少一个中空内部空间114。
基底110通常在将短效涂层30沉积到基底110表面112上之前进行铸造。如通过引用以其整体并入本文中的共同受让的美国专利No.5,626,462所述，基底110可由任何适合的材料形成，文中描述为第一材料。取决于构件100的预计应用，这可包括Ni基、Co基和Fe基超级合金。Ni基超级合金可为包含γ相和γ'相两者的那些超级合金，尤其是包含γ相和γ'相两者的那些Ni基超级合金，其中γ'相占据超级合金至少40％的体积。这些合金由于包括耐高温强度和抗高温蠕变的期望特性的组合而公知是有利的。第一材料还可包括NiAl金属间合金，因为还公知这些合金拥有包括耐高温强度和抗高温蠕变的优良特性的组合，其对于在用于飞行器的涡轮发动机应用中使用是有利的。在Nb基合金的情况下，具有优良抗氧化能力的涂敷Nb基合金将为优选的，如Nb/Ti合金，且特别是按原子百分数计包括Nb-(27-40)Ti-(4.5-10.5)Al-(4.5-7.9)Cr-(1.5-5.5)Hf-(0-6)V的那些合金。第一材料还可包括Nb基合金，其包括至少一个次生相，如含Nb的金属间化合物、含Nb的碳化物或含Nb的硼化物。这些合金与复合材料的类似之处在于，它们包含延性相(即，Nb基合金)和强化相(即，含Nb的金属间化合物、含Nb的碳化物或含Nb的硼化物)。
例如，如图4中所示，该方法还包括穿过短效涂层30加工基底110，以便在基底110的表面112中形成一个或多个凹槽132。对于所示的实例，多个凹槽132形成在基底110中。如图4中所示，各凹槽132均具有基部，且例如，如图11和图12中所示，至少部分地沿基底110的表面112延伸。尽管凹槽示为具有直壁，但凹槽132可具有任何构造，例如，它们可为直的、弯曲的，或具有多个弯曲部，等等。对于图11和图12中所示的实例，凹槽将流体传送至引出膜孔142。然而，其它构造并非必然有膜孔，其中通道沿基底表面112简单地延伸且离开构件边缘，如后缘或轮叶末梢，或端壁边缘。此外，应当注意的是，尽管膜孔在图11中示为圆形，但这仅为非限制性实例。膜孔还可为非圆形的孔。
凹槽132可使用多种技术形成。例如，凹槽132可使用研磨液体射流、浸入电化学加工(ECM)、具有自旋单点电极的放电加工(铣磨EDM)和激光加工(激光钻孔)中的一种或多种而形成。在通过引用以其整体并入到本文中的于2010年1月29日提交的共同受让的美国专利申请序列No.12/697,005"Processandsystemforformingshapedairholes"中描述了示例性激光加工技术。在通过引用以其整体并入到本文中的于2010年5月28日提交的共同受让的美国专利申请序列No.12/790,675"Articleswhichincludechevronfilmcoolingholes,andrelatedprocesses"中描述了示例性EDM技术。
对于特定的工艺构造，如图4中示意性绘出那样，一个或多个凹槽132通过在基底110的表面112处引导研磨液体射流160来形成。有益的是，通道边缘的任何倒圆(rounding)都将在短效材料中，而非在基底基础金属中。在通过引用以其整体并入到本文中的于2010年5月28日提交的共同受让的美国专利申请序列No.12/790,675"Articleswhichincludechevronfilmcoolingholes,andrelatedprocesses"中提供了示例性的水射流钻孔工艺和系统。如美国专利申请序列No.12/790,675中所述，水射流工艺通常使用悬浮在高压水流中的研磨颗粒(例如，研磨"粗砂")的高速流。水压可较大地变化，但通常在大约5,000psi至90,000psi的范围内。可使用许多研磨材料，例如石榴石、氧化铝、金刚砂以及玻璃珠。有益的是，水射流工艺不涉及将基底110加热至任何显著程度。因此，没有"热影响区"形成在基底表面112上，否则该基底表面112可能不利地影响对于凹槽132的期望的出口几何形状。
此外，且如美国专利申请序列No.12/790,675所述，水射流系统可包括多轴计算机数控(CNC)单元。CNC系统自身在本领域中公知，且例如在通过引用并入本文中的美国专利公布文本2005/0013926(S.Rutkowski等人)中进行了描述。CNC系统容许切割工具沿多个X轴线、Y轴线和Z轴线以及旋转轴线移动。
例如，如图5中所示，该方法还包括形成一个或多个出入孔140。更具体而言，对于每一凹槽132提供一个或多个出入孔140。对于所示的实例，对于每一凹槽132提供一个出入孔140。例如，如图10中所示，各出入孔140形成为穿过其中相应一个凹槽132的基部，以将凹槽132与其中相应的中空内部空间114成流体连通地连接。例如，如图10中所示，出入孔140使其中相应的凹槽132与至少一个中空内部空间114中的相应内部空间成流体连通地连接。该一个或多个出入孔140通常为圆形或椭圆形截面，且例如可使用激光加工(激光钻孔)、研磨液体射流、放电加工(EDM)和电子束钻孔中的一种或多种而形成。出入孔140可正交于相应凹槽132(如图6中所示)的基部，或可相对于凹槽132的基部成20度至90度范围的角进行钻取。
例如，如图6中所示，该方法还包括用填料32填充一个或多个凹槽132。例如，填料可由浆料施加，利用金属浆料"墨水(ink)"32浸渍涂布或喷涂构件100，使得填充凹槽132。对于其它构造，填料32可使用微笔或注射器施加。对于一些实施方式，凹槽132可过多地填充有填料材料32。过多的填料32可除去，例如可擦去，使得凹槽132"可见"。用于填料32的非限制性实例材料包括可光致固化的树脂(例如，可见光或UV固化的树脂)、陶瓷、铜或具有有机溶剂载体的钼墨水，以及具有水基和载体的石墨粉。更具体而言，填料32可包括利用可选的结合剂而悬浮在载体中的所关注的颗粒。此外，取决于使用的填料类型，填料可流入或可不流入出入孔140中。在通过引用以其整体并入本文中的共同受让的美国专利No.5,640,767和共同受让的美国专利No.6,321,449中论述了示例性填料材料(或通道填充剂或牺牲性材料)。对于特定的工艺构造，低强度金属浆料"墨水"用于填料。使用低强度墨水有利的是便于随后的抛光。此外，对于一些工艺构造，填料由于第一短效涂层厚度而填充在通道高度以上，使得填料将向下固化至所期望的高度或略高。
例如，如图9中所示，该方法还包括将涂层150沉积到基底110的表面112的至少一部分上。应当注意的是，如图所示，涂层150仅为覆盖通道的第一涂层或结构涂层。对于一些应用，单个涂层可为所有使用的涂层。然而，对于其它应用，也可使用结合涂层和热障涂层(TBC)。示例性涂层150提供在通过引用以其整体并入到本文中的美国专利No.5,640,767和美国专利No.5,626,462中。如美国专利No.5,626,462中所述，涂层150结合到基底110的表面112的部分上。
对于图2中所示的示例性布置，涂层150沿基底110的翼形外表面112纵向地延伸。涂层150与翼形外表面112相符，且覆盖形成通道130的凹槽132。例如，如图11和图12中所示，基底110和涂层150还可限定一个或多个出口膜孔142。更常见的是，基底110和涂层可限定大量出口孔，以将流体从通道130传送至构件100的外表面。对于图12中所示的示例性构造，通道130将冷却剂从出入孔140传送至膜冷却孔142。涂层150包括第二材料，该第二材料可为任何适合的材料，且结合到基底110的翼形外表面120上。对于特定的构造，涂层150对于工业构件具有范围为0.1毫米至2.0毫米的厚度，且更具体而言在0.1毫米至1毫米的范围内，且再更具体而言在0.1毫米至0.5毫米。对于航空构件，该范围通常为0.1毫米至0.25毫米。然而，其它厚度也可取决于特定构件100的要求而采用。
再次参看图6和图7，对于特定的工艺构造，该方法还包括在将涂层150设置在基底110的表面112上之前移除短效涂层30。取决于特定的材料和工艺，短效涂层30可使用机械(例如，抛光)或化学(例如，在溶剂中溶解)方式或使用它们的组合来除去。涂层150可使用多种技术沉积。对于特定的工艺，涂层150通过执行等离子沉积来设置在基底110的表面112的至少一部分上。在通过引用以其整体并入到本文中的Weaver等人的共同受让美国公开专利申请No.20080138529"Methodandapparatusforcathodicarcionplasmadeposition"中提供了示例性阴极电弧等离子沉积设备和方法。简略地说，等离子沉积包括将由涂层材料所形成的阴极置于真空室内的真空环境中，将基底110提供在真空环境内，将电流提供给阴极以在阴极表面上形成阴极电弧从而导致涂层材料从阴极表面腐蚀或蒸发，以及将涂层材料从阴极沉积到基底表面112上。
在一个非限制性实例中，等离子沉积工艺包括等离子气相沉积工艺。涂层150的非限制性实例包括结构涂层、结合涂层、抗氧化涂层以及热障涂层，如在下文中参照美国专利No.5,626,462更为详细地描述。对于一些热气体通路构件100，涂层150包括镍基或钴基合金，且更具体的是包括超级合金或NiCoCrAlY合金。例如，在基底110的第一材料为包含γ相和γ'相两者的Ni基超级合金的情况下，涂层150可包括这些相同的材料，如在下文中参照美国专利No.5,626,462更为详细地描述。
对于其它工艺构造，涂层150通过执行热喷涂工艺和冷喷涂工艺中的至少一种而设置在基底110表面112的至少一部分上。例如，热喷涂工艺可包括燃烧喷涂或等离子喷涂，燃烧喷涂可包括高速氧燃料喷涂(HVOF)或高速空气燃料喷涂(HVAF)，以及等离子喷涂可包括常压(如空气或惰性气体)等离子喷涂或低压等离子喷涂(LPPS，也称为真空等离子喷涂或VPS)。在一个非限制性实例中，NiCrAlY涂层通过HVOF或HVAF沉积。用于沉积涂层150的一层或多层的其它示例性技术包括但不限于溅射、电子束物理气相沉积、无电电镀以及电镀。
对于一些构造，期望使用多种沉积技术来形成涂层系统150。例如，涂层的第一层可使用等离子沉积来沉积，而随后沉积的层和可选的附加层(未示出)可使用其它技术沉积，如燃烧喷涂工艺(例如，HVOF或HVAF)或使用等离子喷涂工艺，如LPPS。取决于所使用的材料，用于涂层各层的不同沉积技术的使用可提供应变耐受性和/或延性方面的益处。
更一般而言，且如美国专利No.5,626,462中所述，用于形成涂层150的第二材料包括任何适合的材料。对于冷却的涡轮构件100的情况，第二材料必须能够经得起高达大约1150℃的温度，同时TBC可经得起高达大约1320℃的温度。涂层150必须与基底110的翼形外表面112相容，且适于结合到该翼形外表面112上。这种结合可在涂层150沉积到基底110上时形成。这种结合在沉积期间可受许多参数影响，包括沉积方法，沉积期间基底110的温度，沉积表面是否相对于沉积源偏离，以及其它参数。结合还可受随后的热处理或其它处理影响。此外，在沉积之前，基底110的表面形态、化学性质和清洁度会影响冶金结合发生的程度。除了在涂层150和基底110之间形成坚固的冶金结合之外，还期望这种结合在一定时间内且在高温下相对于相变和相互扩散保持稳定，如本文所述。通过相容，优选的是这些元件之间的结合是热动力稳定的，使得结合的强度和延性在一定时间内(例如长达3年)不会由于相互扩散或其它过程而显著地劣化，即使是对于Ni基合金翼型件支承壁40和Ni基翼型件表皮42暴露在大约1,150℃的高温下，或在使用较高温度的材料如Nb基合金的情况下暴露在大约1,300℃的较高温度下。
如美国专利No.5,626,462中所述，在基底110的第一材料为包含γ相和γ'相两者的Ni基超级合金或NiAl金属间合金的情况下，用于涂层150的第二材料可包括这些相同材料。涂层150和基底110材料的这种组合对于诸如操作环境的最高温度类似于现有发动机中的那些温度(例如，低于1650℃)的应用是优选的。在基底110的第一材料为Nb基合金的情况下，用于涂层150的第二材料还可包括Nb基合金，包括相同的Nb基合金。
如美国专利No.5,626,462中所述，对于其它应用，如施加不希望使用金属合金涂层150的温度、环境或其它约束的应用，优选的是，涂层150包括具有特性优于单独金属合金的材料，如总体形式为金属间化合物(Is)/金属合金(M)相复合材料和金属间化合物(Is)/金属间化合物(IM)相复合材料的复合材料。金属合金M可为与用于翼型件支承壁40相同的合金，或不同材料，这取决于翼型件的要求。这些复合材料一般来说相似之处在于它们将延性相对较大的相M或IM与延性相对较小的相Is组合，以便产生获得两种材料的优点的涂层150。此外，为了具有结果良好的复合材料，两种材料必须相容。如本文关于复合材料所用，用语“相容”意思是材料必须能够形成它们的相的期望初始分布，且在如上文所述的延长的时间周期内以使用温度为1,150℃或更高来保持该分布，而不会经历显著削弱复合材料的强度、延性、强韧性和其它重要特性的冶金反应。这种相容性还可表示为相稳定性。即是说，复合材料的单独相必须在操作期间，在延长的时间周期内的温度下具有稳定性，以便这些相保持分离和清晰，从而保持其单独的一致性和特性，且不会由于相互扩散而变为单相或多个不同的相。相容性还可表示为IS/M或IS/IM复合材料层之间的相间边界界面的形态稳定性。这种不稳定性可通过卷积(convolution)来显现，该卷积中断任一层的连续性。还应当注意的是，在给定的涂层150内，多种IS/M或IS/IM复合材料也可使用，且这些复合材料不限于两种材料或两相的组合。使用这类组合仅为示范性的，而非穷举性的或限制潜在的组合。因此，M/IM/IS、M/IS1/IS2(其中IS1和IS2是不同的材料)和许多其它组合也是可能的。
如美国专利No.5,626,462中所述，在基底110包括包含γ相和γ'相两者的混合物的Ni基超级合金的情况下，IS可包括Ni3[Ti,Ta,Nb,V],NiAl,Cr3Si,[Cr,Mo]XSi,[Ta,Ti,Nb,Hf,Zr,V]C,Cr3C2和Cr7C3金属间化合物和中间相，以及M可包括包含γ相和γ'相两者的混合物的Ni基超级合金。在包含γ相和γ'相两者的混合物的Ni基超级合金中，元素Co,Cr,Al,C和B几乎总是表现为合金组分，以及Ti,Ta,Nb,V,W,Mo,Re,Hf和Zr的变化组合。因此，所述的示例性IS材料的组分对应于通常在Ni基超级合金中发现的可用作第一材料(以形成基底110)的一种或多种材料，且因此可适于实现本文所述的相和相互扩散稳定性。作为附加的实例，在第一材料(基底110)包括NiAl金属间合金的情况下，IS可包括Ni3[Ti,Ta,Nb,V],NiAl,Cr3Si,[Cr,Mo]XSi,[Ta,Ti,Nb,Hf,Zr,V]C,Cr3C2和Cr7C3金属间化合物和中间相，以及IM可包括Ni3Al金属间合金。另外，在NiAl金属间合金中，元素Co,Cr,C和B中的一个或多个几乎总是表现为合金组分，以及Ti,Ta,Nb,V,W,Mo,Re,Hf和Zr的变化组合。因此，所述的示例性IS材料的组分对应于通常在NiAl合金中发现的可用作第一材料的一种或多种材料，且因此可适于实现本文所述的相和相互扩散稳定性。
如美国专利No.5,626,462中所述，在基底110包括Nb基合金(包括含有至少一个次生相的Nb基合金)的情况下，IS可包括含Nb的金属间化合物、含Nb的碳化物或含Nb的硼化物，以及M可包括Nb基合金。优选的是，此种IS/M复合材料包括含有Ti的Nb基合金的M相，使得合金的Ti与Nb(Ti/Nb)的原子比在0.2-1的范围内，以及IS相包括由Nb基硅化物、Cr2[Nb,Ti,Hf]和Nb基铝化物所构成的组，且其中在原子的基础上，Nb、Ti和Hf中的Nb为Cr2[Nb,Ti,Hf]的主要组分。这些化合物都具有作为公共组分的Nb，且因此可适于实现美国专利No.5,626,462中所述的相和相互扩散稳定性。
现在参看图10，该方法还包括从凹槽132除去牺牲性填料32，使得凹槽132和涂层150一起限定多个通道130来用于冷却构件100。例如，填料32可使用化学淋滤工艺从通道130浸出。如美国专利No.5,640,767中所述，填料(或通道填充剂)例如可通过熔化/提取、高温分解或侵蚀除去。同样，在美国专利No.6,321,449中论述的填料材料(牺牲性材料)可通过溶解在水、酒精、丙酮、氢氧化钠、氢氧化钾或硝酸中来除去。
除涂层系统150外，通道130的内表面可进一步改变以改善其抗氧化和/或抗热腐蚀能力。用于将抗氧化涂层(未清楚示出)施加到凹槽132(或通道130)的内表面上的适合技术包括气相或浆料镀铬、气相或浆料镀铝或通过蒸发、溅射、等离子沉积、热喷涂和/或冷喷涂来覆盖沉积。示例性抗氧化覆盖涂层包括MCrAlY族(M＝{Ni,Co,Fe})中的材料和选自NiAlX族(X＝{Cr,Hf,Zr,Y,La,Si,Pt,Pd})的材料。在除去牺牲性填料32之后，如果使用的话，则抗氧化涂层将通常使用气相或浆料镀铬和浆料镀铝中的一种或多种来施加到通道130的内表面上。
对于图11和图12中所示的示例性布置，通道130将冷却流从相应的出入孔140导送至出口膜孔142。通常，通道长度在膜孔直径的10至1000倍的范围内，且更具体而言是在膜孔直径的20倍至100倍的范围内。有益的是，通道130可在构件表面上的任何位置使用(翼型件本体、前缘、后缘、叶片末梢、端壁、平台)。此外，尽管通道示为具有直壁，但通道130可具有任何构造，例如它们可为直的、弯曲的或具有多个弯曲部等。
现在参看图3，对于特定工艺构造，沉积在基底110表面112上的短效涂层30的厚度在0.5毫米至2.0毫米的范围内。在一个非限制性实例中，短效涂层30包括一毫米厚基于聚合物的涂层。短效涂层30可使用多种沉积技术沉积，包括粉末涂布、静电涂布、浸渍涂布、自旋涂布、化学气相沉积和制备带的应用。更具体而言，短效涂层基本上是均匀的，且能够粘附，但不会对基底基础材料有害。
对于特定的工艺构造，短效涂层30使用粉末涂布或静电涂布来沉积。对于示例性工艺构造，短效涂层30包括聚合物。例如，短效涂层30可包括基于聚合物的涂层，如吡啶，其可使用化学气相沉积来沉积。基于其它示例性聚合物的涂层材料包括树脂，如聚酯或环氧树脂。示例性树脂包括光致固化的树脂，如光固化或UV固化的树脂，其非限制性实例包括由营业地点在Torrington,Connecticut的DYMAX以商标Speedmask销售的UV/可见光固化掩模树脂，在此情况下，该方法还包括在形成凹槽132之前固化可光致固化的树脂30。对于其它工艺构造，短效涂层30可包括含碳材料。例如，短效涂层30可包括石墨涂料。聚乙烯为又一示例性涂层材料。对于其它工艺构造，短效涂层30可涂在基底110的表面112上。
再次参看图3和图4，对于特定的工艺构造，该方法还包括在加工基底110之前固化短效涂层30。短效涂层30用作为形成通道的加工掩模。该掩模导致产生期望的尖锐通道边缘。因此，在加工操作期间存在短效涂层来形成凹槽132有助于使冷却通道130形成为在涂层界面处具有所需的尖锐、良好限定的边缘。这是冷却构思中的单个最关键区域，且上述制作过程实现了比不使用短效涂层所需的更低的加工精确度和较为简单的填充的期望结果。
尽管未清楚地示出，但对于特定工艺构造，该方法还包括在用填料32填充凹槽之前除去短效涂层30。涂层30可使用多种技术来除去，这些技术的非限制性实例包括化学移除(例如，淋滤)或机械移除(例如，通过抛光)。移除短效涂层除去了短效涂层上的任何过多填料，且有利的是在基底基础金属中留下了尖锐的通道边缘，因为短效涂层在形成凹槽期间遮蔽研磨液体射流(例如)。移除工艺将不会影响牺牲性填料。该方法还可包括抛光表面以在沉积涂层系统150之前除去任何过多的牺牲性填料。
对于其它工艺构造，如图6和图7中所示的那些，在移除短效涂层之前沉积和固化填料。有益的是，这有助于在施加结构涂层之前填充凹槽，因为短效涂层表现为遮蔽基底基础金属且用作引导件或模板来用于常规的填充工艺。例如，对于图6中所示的示例性工艺构造，该方法可选的是可包括固化填料32的步骤。例如，对于包括可光致固化树脂的填料32，填料通过施加光来固化。对于陶瓷填料，填料32通过热处理除去载体溶液来固化。对于包括具有有机溶剂载体的铜或钼墨水的填料，填料通过热处理以除去载体来固化。对于一些实施方式，固化过程可有效地除去短效涂层30。例如，如果烧结温度超过600℃，则固化步骤将从基底110除去聚合物掩模30。
因为牺牲性填料32可由于短效涂层30(例如，如图6和图7中所示)的厚度而填充高于通道高度，故填料32将向下固化至期望的高度或比期望的略高。基底110的表面112然后可经抛光以在沉积涂层150之前除去过多的填料。如果固化过程导致牺牲性填料的过大收缩且导致填料拉离通道壁，则附加的填料可在除去短效涂层之前添加。如通过引用以其整体并入到本文中的共同受让的美国专利No.6,32,449中所述，在镍基超级合金基底110中使用的适合的牺牲性材料32表现出：(a)在沉积涂层(在翼型件100的情况为翼型件表皮)150所需的温度(例如，对于等离子沉积而言为至少400℃)下与镍基超级合金的组分相容性；(b)在涂层(翼型件表皮)150沉积温度下的热稳定性；(c)在涂层(表皮)沉积之后除去的容易程度；(d)在分别在涂层(表皮)沉积之前和期间在较低温度和较高温度下至镍基基底110上的粘合；(e)当填料32在涂层(表皮)沉积期间加热时相对于镍基基底110的最小致密化收缩；(f)对于镍基超级合金的可比较的热膨胀系数(CTE)；(g)在涂层(表皮)沉积以便涂层(表皮)150沉积和直接地结合到基底110上之前从基底110除去的容易程度；以及(h)可形成为完全地填充凹槽132且实现涂层(表皮)150沉积于其上的光滑、适度密集填充的表面。如果条目(d)至(h)中的任一个都不满足，则在表皮沉积期间可能在凹槽内存在间隙，如果间隙非常大，则这将导致涂层(翼型件表皮)中不可接受的缺陷。
对于图6和图7中所示的工艺，该方法还包括在干燥、固化或烧结填料32之后(共同称为"固化"填料)和将涂层150设置在基底110的表面112上之前除去短效涂层30。例如，可在单个步骤中执行短效涂层30的移除和抛光基底110的表面112(以便除去任何过多的干燥、固化或烧结(共同为"固化")的填料32)。对于其它执行方式，可采用两个单独的步骤来除去短效涂层30和抛光基底110的表面112，以便除去任何过多的固化填料32。
实例
示例性的工艺步骤顺序如下。然而，这是实例而并非意图限制本发明。将包括SpeedmaskUV/可见光固化掩模树脂的短效涂层施加到单个结晶超级合金(ReneeN5)基底的表面上。使用研磨水射流穿过短效涂层在基底中形成凹槽。将包括铜墨水的填料材料作为浆料施加到短效涂敷基底的整个表面上和凹槽内。过多的填料将擦去，且然后固化剩余的填料。通过在500摄氏度下执行热处理来除去保护层(短效涂层)，而不会有损通道中的填料，但除去了保护层上的任何过多填料。然后通过磨削表面来平缓地冲洗通道中的剩余固化填料。使用HVOF工艺施加最终的金属结合涂层和YSZ(氧化钇-稳定二氧化锆)热障涂层，以及使用浓缩的硝酸来浸出填料。
有益的是，上述方法能够形成冷却通道，其中通道边缘形成为尖锐的直角，而无需进一步处理基底基础金属。这些尖锐的通道边缘减小了在基底基础金属与结构涂层之间界面处引发裂纹(例如，在结构涂层沉积时可将裂纹传播至结构涂层的间隙、裂缝发起点或小空隙)的可能。此外，本技术有助于在施加结构涂层之前填充凹槽，因为短效涂层表现为遮蔽基底基础金属且用作引导件或模板来用于常规的填充过程。
尽管本文仅示出和描述了本发明的一些实施例，但本领域的技术人员将会想到许多修改和变化。因此，应当理解到，所附权利要求意图涵盖落入本发明的真正精神内的所有这些修改和变化。

Claims (10)

1.一种使用短效涂层制作构件(100)的方法，所述方法包括：
将短效涂层(30)沉积到基底(110)的表面(112)上，其中所述基底(110)具有至少一个中空内部空间(114)；
穿过所述短效涂层(30)加工所述基底(110)以在所述基底(110)的表面(112)中形成一个或多个凹槽(132)，其中所述一个或多个凹槽(132)中的各个均具有基部且至少部分地沿所述基底(110)的表面(112)延伸；
穿过所述一个或多个凹槽(132)中的相应一个凹槽的基部形成一个或多个出入孔(140)，以便使相应凹槽(132)与相应中空内部空间(114)成流体连通地连接；
用填料(32)填充所述凹槽(132)；
除去所述短效涂层(30)；
在所述基底(110)的表面(112)的至少一部分上设置涂层(150)；以及
从所述一个或多个凹槽(132)除去所述填料(32)，使得所述一个或多个凹槽(132)和所述涂层(150)一起限定一个或多个通道(130)来用于冷却所述构件(100)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在将所述短效涂层(30)沉积到所述基底(110)的表面(112)上之前铸造所述基底(110)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一个或多个凹槽(132)使用研磨液体射流、浸入电化学加工(ECM)、具有自旋电极的放电加工、以及激光加工中的一种或多种而形成。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述涂层(150)沉积在所述基底(110)的表面(112)的至少一部分上包括执行等离子沉积，以及其中所述涂层(150)包括镍基合金或钴基合金。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述基底(110)的表面(112)的至少一部分上沉积所述涂层(150)包括执行以下各项中的至少一种：
热喷涂工艺，其包括高速氧燃料喷涂(HVOF)、高速空气燃料喷涂(HVAF)、常压等离子喷涂，或低压等离子喷涂(LPPS)；以及
冷喷涂工艺。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述短效涂层(30)沉积在所述基底(110)的表面(112)上的厚度在0.1毫米至2.0毫米的范围内，以及其中所述短效涂层(30)包括聚合物或含碳材料。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在加工所述基底(110)之前干燥、固化或烧结所述短效涂层(30)。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
干燥、固化或烧结所述填料(32)；以及
在干燥、固化或烧结所述填料(32)之后且在所述基底(110)的表面(112)上设置所述涂层(150)之前除去所述短效涂层(30)。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在用所述填料(32)填充所述一个或多个凹槽之前除去所述短效涂层(30)。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述短效涂层(30)使用选自由粉末涂布、静电涂布、浸渍涂布、自旋涂布、化学气相沉积和制备带的应用所构成的组的沉积技术来沉积。
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