CN102560481A - 使用两层式结构涂层来制造构件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及使用两层式结构涂层来制造构件的方法。提供了一种制造构件的方法。该制造方法包括使第一结构涂层层淀积在衬底的外表面上。衬底具有至少一个空心内部空间。该制造方法进一步包括通过第一结构涂层层而加工衬底，以在第一结构涂层层中限定一个或多个开口，以及在衬底的外表面中形成相应的一个或多个凹槽。各个凹槽均具有相应的基部，并且至少部分地沿着衬底的表面延伸。该制造方法进一步包括使第二结构涂层层淀积在第一结构涂层层上面以及在凹槽(一个或多个)上面，使得凹槽(一个或多个)和第二结构涂层层共同限定一个或多个通道以冷却构件。还公开了一种构件。

Description

使用两层式结构涂层来制造构件的方法
技术领域
本发明大体涉及燃气轮机发动机，并且，更具体而言，涉及在其中进行冷却的微通道。
背景技术
在燃气轮机发动机中，空气在压缩机中被加压，并且在燃烧器中与燃料混合而产生热的燃烧气体。在高压涡轮(HPT)和低压涡轮(LPT)中从气体中抽取能量，高压涡轮对压缩机提供动力，低压涡轮在涡轮扇航空器发动机应用中对风扇提供动力，或者对用于船舶应用和工业应用的外部轴提供动力。
发动机效率随燃烧气体的温度的升高而提高。但是，燃烧气体沿着它们的流径加热各种构件，这继而需要对它们进行冷却，以实现长的发动机寿命。典型地，通过从压缩机放出空气来冷却热气路径构件。这个冷却过程会降低发动机效率，因为放出的空气在燃烧过程中不会被使用。
燃气轮机发动机冷却技术是成熟的，并且对于各种热气路径构件中的冷却回路和特征的各方面包括许多专利。例如，燃烧器包括在运行期间需要冷却的径向外部衬套和径向内部衬套。涡轮喷嘴包括支承在外部带和内部带之间的、也需要冷却的空心导叶。涡轮转子叶片是空心的，并且典型地在其中包括冷却回路，叶片被涡轮护罩包围，涡轮护罩也需要冷却。热的燃烧气体通过排气装置而排出，排气装置也可装有衬套且被恰当地冷却。
在所有这些示例性燃气轮机发动机构件中，典型地使用高强度超合金金属制成的薄金属壁来获得增强的耐用性，同时最大程度地减小对其进行冷却的需要。针对这些单独的构件，在它们在发动机中的对应的环境中定制了各种冷却回路和特征。例如，一系列内部冷却通路或盘管可形成于热气路径构件中。可从气室中对盘管提供冷却流体，并且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，这个冷却策略典型地导致有相当低的热传递速率和不均匀的构件温度分布。
微通道冷却具有通过这样来显著地降低冷却要求的潜力：将冷却布置成尽量接近被加热的区域，从而针对给定的热传递速率而降低主承载衬底材料的热侧和冷侧之间的温差。以前在涡轮翼型件中形成冷却微通道的制造方法是在翼型铸件的外皮中形成通道，以及然后将结构涂层涂覆在通道上面。参见例如Melvin R.Jackson等人的美国专利No.5,626,462“Double-Wall Airfoil(双壁式翼型件)”，该专利通过引用而以其整体结合在本文中。但是，现有的制造技术可损害结构涂层和下面的衬底材料之间的面间区域的完整性，尤其是在冷却通道的边缘处，此处的应力集中可为高的。
因此提供一种用于制造改进结构涂层和下面的衬底材料之间的面间区域的完整性的微通道冷却的构件的方法将是合乎需要的。具体而言，合乎需要的将是，减少缺陷以及改进关键的通道面间区域处的材料属性和微结构的匹配，以便增强涂层和衬底之间的结合。
发明内容
本发明的一方面在于一种制造构件的方法。该方法包括使第一结构涂层层淀积在衬底的外表面上，其中衬底具有至少一个空心内部空间。该制造方法进一步包括通过第一结构涂层层而加工衬底，以在第一结构涂层层中限定一个或多个开口，以及在衬底的外表面中形成相应的一个或多个凹槽。各个凹槽均具有相应的基部，并且至少部分地沿着衬底的表面延伸。该制造方法进一步包括使第二结构涂层层淀积在第一结构涂层层上面以及在凹槽(一个或多个)上面，使得凹槽(一个或多个)和第二结构涂层层共同限定一个或多个通道以冷却构件。
本发明的另一方面在于一种包括具有外表面和内表面的衬底的构件，其中内表面限定至少一个空心内部空间。外表面限定一个或多个凹槽，并且各个凹槽至少部分地沿着衬底的外表面延伸，并且具有相应的基部。一个或多个进入孔延伸通过相应的凹槽的基部，以将凹槽布置成与相应的空心内部空间处于流体连通。该构件进一步包括设置在衬底的外表面的至少一部分上面的涂层。该涂层至少包括第一结构涂层层和第二结构涂层层。第一结构涂层层不在凹槽(一个或多个)上面延伸，并且第二结构涂层层设置在第一结构涂层层上面，并且在凹槽(一个或多个)上面延伸，使得凹槽(一个或多个)和第二结构涂层层共同限定一个或多个通道以冷却构件。
附图说明
当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中，相同符号在图中表示相同部件，其中：
图1是燃气轮机系统的示意图；
图2是根据本发明的各方面的、具有冷却微通道的一个实例翼型构造的示意性截面；
图3-8示意性地示出了用于在衬底中形成通道的过程步骤；
图9在透视图中示意性地描绘了三个实例通道，它们部分地沿着衬底的表面延伸，并且将冷却剂引导到相应的膜冷却孔；
图10是图9的实例通道中的一个的截面图，并且显示了将冷却剂从进入孔传送到膜冷却孔的微通道；
图11-18示意性地示出了用于使用两层式结构涂层之外的短时(fugitive)涂层来在衬底中形成通道的备选过程步骤；以及
图19-20示意性地示出了用于使用两层式结构涂层来在衬底中形成凹穴形通道的备选过程步骤，未使用牺牲填料，并且其中产生的通道具有可渗透槽口。
部件列表：
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短时涂层
32牺牲填料
34短时涂层中的开口
50涂层层
54第一结构涂层层
56第二结构涂层层
58第一结构涂层层中的开口
80热气路径流
100热气路径构件
110衬底
112衬底的外表面
114空心内部空间
116衬底的内表面
130通道
132凹槽
134凹槽的基部
136凹槽的顶部(开口)
140进入孔
142膜孔(一个或多个)
160磨料液体射流
具体实施方式
用语“第一”、“第二”等在本文中不表示任何顺序、数量或重要性，而是相反，它们用来使一个元件与另一个元件区别开。用语“一个”和“一种”在本文中不表示对数量的限制，而是相反，它们表示存在所参照的项目中的至少一个。结合数量所使用的修饰语“大约”包括本数，并且具有上下文所规定的含义，(例如包括与特定的数量的测量相关联的误差度)。另外，用语“组合”包括掺合物、混合物、合金、反应产物等等。
此外，在本说明书中，后缀“(一个或多个)”通常意图包括其修饰的项目的单数和复数两者，从而包括该项目中的一个或多个(例如“通路孔”可包括一个或多个通路孔，除非另有说明)。贯穿说明书，对“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等等的参照意味着结合该实施例所描述的特定的元素(例如特征、结构和/或特性)包括在本文描述的至少一个实施例中，并且可存在或可不存在于其它实施例中。另外，将理解，所描述的有创造性的特征可按任何适当的方式结合在各种实施例中。
图1是燃气轮机系统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而形成轴18的多个轴节段。
燃气轮机系统10可包括许多热气路径构件100。热气路径构件是至少部分地暴露于通过系统10的高温气流的系统10的任何构件。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)、护罩组件、过渡件、固持环和压缩机排气构件全部都是热气路径构件。但是，应当理解，本发明的热气路径构件100不限于上面的实例，而是可为至少部分地暴露于高温气流的任何构件。另外，应当理解，本公开的热气路径构件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机器或其构件的任何零件。
当热气路径构件100暴露于热气流80时，热气路径构件100被热气流80加热，并且可达到热气路径构件100失效的温度。因此，为了允许系统10用处于高温的热气流80来运行，从而提高系统10的效率和性能，需要一种用于热气路径构件100的冷却系统。
大体上，本公开的冷却系统包括形成于热气路径构件100的表面中的一系列小通道或微通道。对于工业用大小的动力发生涡轮构件，“小”或“微”通道尺寸将包括在0.25mm至1.5mm的范围中的近似深度和宽度，而对于航空用大小的涡轮构件，通道尺寸将包括在0.15mm至0.5mm的范围中的近似深度和宽度。热气路径构件可设有覆盖层。可从气室中将冷却流体提供给通道，并且冷却流体可流过通道，从而冷却覆盖层。
参照图2-20来描述制造构件100的方法。如例如在图3中所指示的那样，该构件制造方法包括使第一结构涂层层54淀积在衬底110的表面112上。如例如在图2中所指示的那样，衬底110具有至少一个空心内部空间114。
典型地在使第一结构涂层层54淀积在衬底110的表面112上之前铸造衬底110。如在美国专利No.5,626,462中论述的那样，衬底110可由任何适当的材料形成。取决于构件100的预期应用，这可包括Ni基、Co基和Fe基超合金。Ni基超合金可为含有γ相和γ′相两者的那些，尤其是含有γ相和γ′相两者的、其中γ′相占超合金的至少40％(体积)的那些Ni基超合金。已知这样的合金是有利的，因为结合了合乎需要的属性，包括高温强度和高温抗蠕变性。衬底材料还可包括NiAl金属间合金，因为还知道这些合金具有对于在用于航空器的涡轮发动机应用中使用来说有利的良好属性(包括高温强度和高温抗蠕变性)的组合。在Nb基合金的情况下，具有良好的抗氧化性的经涂覆的Nb基合金将是优选的，特别是包含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，其中成分范围以原子百分数为单位。衬底材料还可包括包含至少一个次生相(例如包括硅化物、碳化物或硼化物的含Nb的金属间化合物)的Nb基合金。这样的合金类似于延展相(即Nb基合金)和加强相(即含Nb的金属间化合物)的复合物。对于其它布置，衬底材料包括钼基合金，例如以具有Mo5SiB2和Mo3Si次生相的钼(固态溶液)为基础的合金。对于其它构造，衬底材料包括陶瓷基质复合物，例如用碳化硅(SiC)纤维加强的SiC基质。对于其它构造，衬底材料包括TiAl基金属间化合物。
如例如在图4中所指示的那样，该构件制造方法进一步包括通过第一结构涂层层54而加工衬底110，以在第一结构涂层层54中限定一个或多个开口58，以及在衬底110的表面112中形成一个或多个相应的凹槽132。对于示出的实例，多个开口58限定在第一结构涂层层54中，而多个相应的凹槽132形成于衬底110中。如图4中所指示的那样，凹槽132中的各个均具有基部134，并且如例如图9和10中显示的那样，至少部分地沿着衬底110的表面112延伸。虽然显示了凹槽具有直壁，但是凹槽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。
可使用各种各样的技术来形成凹槽132。例如，可使用下者中的一个或多个来形成凹槽132：磨料液体射流、投浸式(plunge)电化学加工(ECM)、具有旋转单点电极的放电加工(铣削EDM)和激光加工(激光钻孔)。在共同转让的2010年1月29日提交的序列号为No.12/697,005的美国专利申请“Process and system for forming shaped air holes(用于形成成形空气孔的过程和系统)”中描述了实例激光加工技术，该专利申请通过引用而以其整体结合在本文中。在共同转让的2010年5月28日提交的序列号为No.12/790,675的美国专利申请“Articles whichinclude chevron film cooling holes，and related processes(包括人字纹膜冷却孔的物品和相关过程)”中描述了实例EDM技术，该专利申请通过引用而以其整体结合在本文中。
对于特定的过程构造，借助于通过第一结构涂层层54而将磨料液体射流160引导到衬底110的表面112处来形成凹槽132，如图4中示意性地描绘的那样。因而，通道边缘的任何倒圆将在结构涂层54中，而不在衬底基部金属中。在共同转让的2010年5月28日提交的序列号为No.12/790,675的美国专利申请“Articles which includechevron film cooling holes，and related processes(包括人字纹膜冷却孔的物品和相关过程)”中提供了实例水射流钻孔过程和系统，该专利申请通过引用而以其整体结合在本文中。如在序列号为No.12/790,675的美国专利申请中阐述的那样，水射流过程典型地利用悬浮在高压水流中的高速磨料颗粒流(例如磨料“砂粒”)。水的压力可有相当大的变化，但是通常在大约35Mpa-620Mpa的范围中。可使用许多磨料材料，例如金刚砂、氧化铝、碳化硅和玻璃珠。
另外，以及如在序列号为No.12/790,675的美国专利申请中阐述的那样，水射流系统可包括多轴计算机数字控制(CNC)单元。CNC系统本身在本领域中是已知的，并且在例如美国专利公开2005/0013926(S.Rutkowski等人)中有所描述，该专利公开通过引用而结合在本文中。CNC系统允许切削刀具沿着X轴、Y轴和Z轴以及旋转轴中的许多而运动。
如例如在图7、17和20中所指示的那样，该构件制造方法进一步包括使第二结构涂层层56淀积在第一结构涂层层54以及在凹槽(一个或多个)132上面，使得凹槽(一个或多个)132和第二结构涂层层56共同限定一个或多个通道130以冷却构件100。在美国专利No.5,640,767和美国专利No.5,626,462中提供了实例结构涂层，这两项专利通过引用而以其整体结合在本文中。如美国专利No.5,626,426中论述的那样，结构涂层结合到衬底110的表面112的一部分上。应当注意到，虽然在图4-9和12-18中显示了凹槽132和通道130为长方形，但是它们也可呈其它形状。例如，凹槽132(和通道130)可为凹穴凹槽132(凹穴通道130)，如下面参照图19和20所描述的那样。另外，凹槽132(通道130)的侧壁不必是直的。对于各种应用，凹槽132(通道130)的侧壁可为弯曲的或圆的。
对于图2、9和10中示出的实例布置，第二结构涂层层56沿着衬底110的翼型形外表面112沿纵向而延伸。第二结构涂层层56与翼型形外表面112一致，并且覆盖凹槽132，从而形成冷却通道130。如例如图9和10中所指示的那样，衬底110和第二结构涂层层56可进一步限定一个或多个出口膜孔142。对于图10中显示的实例构造，冷却通道130将冷却剂从进入孔140传送到膜冷却孔142。应当注意到，如所描绘的那样，第二结构涂层层56仅仅是覆盖通道的第一涂层或结构涂层。对于某些应用，没有使用额外的涂层。但是，对于其它应用，还使用了结合层和/或隔热涂层(TBC)。对于图9和10中示出的实例布置，冷却通道130将冷却流从相应的进入孔140传送到出口膜孔142。对于图9和10中显示的实例，凹槽将流体传送到出口膜孔142。但是，其它构造不需要膜孔，冷却通道只是沿着衬底表面112延伸并且离开构件的边缘，例如后缘或轮叶尖部或端壁边缘。另外，应当注意到，虽然在图9中显示了膜孔是圆的，但是这是非限制性实例。膜孔还可为非圆形孔。
典型地，冷却通道长度在膜孔直径的10倍至1000倍的范围中，并且更具体而言，在膜孔直径的20倍至100倍的范围中。有益地，可在构件的表面上的任何地方(翼型件本体、前缘、后缘、叶片尖部、端壁、平台)使用冷却通道130。另外，虽然显示了冷却通道具有直壁，但是通道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。结构涂层包括任何适当的材料，并且结合到衬底110的外表面112上。对于特定的构造，第一结构涂层层54和/或第二结构涂层层56具有的厚度可在0.02毫米-2.0毫米的范围中，并且更具体而言，在0.1毫米至1毫米的范围中，并且另外更具体而言，对于工业燃气轮机构件，在0.1毫米至0.5毫米的范围中。对于航空构件，这个范围典型地为0.02毫米至0.25毫米，并且更具体而言0.05毫米至0.125毫米。但是，可使用其它厚度，这取决于特定的构件100的要求。
对于图19和20中显示的实例构造，凹槽132中的各个均具有基部134和顶部136，其中，基部134比顶部136更宽，使得凹槽132中的各个均包括凹穴形凹槽132。对于特定的构造，凹穴形凹槽132中的相应的一个的基部134为相应的凹槽132的顶部136的至少两倍宽。对于更加特定的构造，相应的凹穴形凹槽132的基部134为相应的凹槽132的顶部136的至少三倍宽，并且更具体而言，在大约3倍宽-4倍宽的范围中。在共同转让的Ronald S.Bunker等人的序列号为No.12/943,624的美国专利申请“Components with re-entrant shapedcooling channels and methods of manufacture(具有凹穴形冷却通道的构件和制造方法)”中提供了用于形成凹穴凹槽132的技术，该专利申请通过引用而以其整体结合在本文中。有益地，第二结构涂层层56可淀积在未填充的凹穴凹槽132(也就是说未用牺牲填料填充或部分地填充凹槽)上面，如例如图19和20中所指示的那样。另外，相对于简单形状的凹槽(即具有大致相等宽度的顶部136和基部的凹槽)，凹穴凹槽提供了增强的冷却。
类似地，对于较小的构件，凹槽可为足够小，使得第二结构涂层层56可淀积在未填充的凹槽132(具有任意形状，也就是它们不必是凹穴形的)上面，而无需填充或部分地填充凹槽。对于较小的(例如航空大小的)构件可为这种情况。
更具体而言，对于图20中显示的布置，第二结构涂层层56限定一个或多个可渗透槽口144，使得第二结构涂层层56不完全桥接该一个或多个凹槽132中的各个。但是，对于图8和18中描绘的实例构造，第二结构涂层层56完全桥接相应的凹槽132，从而密封相应的通道130。虽然针对凹穴通道130的情况下显示了可渗透槽口144，但是还可针对其它通道几何结构形成渗透槽口144。典型地，可渗透槽口(空隙)144具有不规则的几何结构，随着结构涂层的施用以及其厚度的增加，空隙144的宽度有所变化。在将第一结构涂层层施用到衬底110上时，随着结构涂层的积聚，空隙144的宽度可从大致通道130的顶部136的宽度变窄。对于特定实例，空隙144在其最狭窄的点处为相应的通道顶部136的宽度的5％至20％。另外，可渗透槽口144可为多孔的，在这种情况下，“多孔”空隙144可具有一些连接部，也就是说，具有零空隙的一些点或地点。有益地，空隙144为涂层150提供应力消除。
取决于它们的特定的功能，可渗透槽口144可延伸或者(1)通过所有涂层层，或者(2)通过一些但非所有涂层，例如，可渗透槽口144可形成于一个或多个涂层层50中，随后淀积的层桥接槽口，从而有效地密封槽口144。有益地，可渗透槽口144对于结构涂层(一个或多个)起应力/应变消除部的作用。另外，可渗透槽口144在其延伸通过所有涂层时可用作冷却机构，也就是说，对于这个构造，可渗透槽口144构造成将来自相应的通道130的冷却剂流体传送到构件的外表面。另外，可渗透槽口144在由上部涂层桥接时，在那些涂层受损或散裂时的情况下可用作被动冷却机构。
对于图5和13中显示的实例过程，该构件制造方法进一步包括通过凹槽132中的相应的一个的基部134而形成一个或多个进入孔140，以在凹槽132和空心内部空间(一个或多个)114之间提供流体连通。在淀积第二结构涂层层56之前，形成进入孔140。进入孔140典型地在截面方面为圆形或椭圆形，并且可例如使用下者中的一个或多个来形成进入孔140：激光加工(激光钻孔)、磨料液体射流、放电加工(EDM)和电子束钻孔。进入孔140可垂直于相应的凹槽132的基部134(如图6中显示的那样)，或者更一般而言，可相对于凹槽的基部134以在20度-90度的范围中的角度来钻出进入孔140。
对于图6和7中显示的实例过程，该构件制造方法进一步包括通过第一结构涂层层54中的相应的开口(一个或多个)58而用牺牲填料32来填充凹槽(一个或多个)132。例如，可通过用金属浆料“墨”32对构件100进行浆料涂覆、浸渍涂覆或喷涂来施用填料，使得凹槽132被填充。对于其它构造，可使用微笔或注射器来施用填料32。对于某些实施，凹槽132可被填料材料32填充得过满。可移除(例如可抹掉)多余的填料32。填料32的非限制性实例材料包括光致固化树脂(例如，可见光固化树脂或UV固化树脂)、陶瓷、具有有机溶剂载体的铜或钼墨，以及具有水基和载体的石墨粉。更一般而言，牺牲填料32可包括所关注的、悬浮在具有可选的结合剂的载体中的颗粒。另外，取决于所采用的填料的类型，填料可流入或可不流入进入孔140中。在共同转让的美国专利No.5,640,767和共同转让的美国专利No.6,321,449中论述了实例填料材料(或通道填充机构或牺牲材料)，这两项专利通过引用而以其整体结合在本文中。对于特定的过程构造，对填料使用低强度金属浆料“墨”。使用低强度墨有益地有助于随后的抛光和/或精修。
对于图7中显示的过程，第二结构涂层层56淀积在第一结构涂层层54上面以及在设置在凹槽(一个或多个)132中的填料32上面。如图8中所指示的那样，该方法进一步包括在已经淀积第二结构涂层层56之后，从凹槽(一个或多个)132中移除牺牲填料32。对于图3-8中示出的实例过程，在用牺牲填料32填充凹槽132之前，形成进入孔140。
对于图8中显示的实例布置，该构件制造方法进一步包括使额外的涂层层50淀积在第二结构涂层层56上面。例如，可对某些应用使用结合层和/或隔热涂层(TBC)。类似地，虽然没有针对图11-18和19-20中示出的过程进行清楚的显示，但是这些方法还可包括使额外的涂层层50淀积在第二结构涂层层56上面。但是，对于其它应用，结构涂层可为所有针对图3-8、11-18和/或图19-20中显示的三个概念所使用的结构涂层。
对于特定的过程概念，该构件制造方法进一步包括在淀积第一结构涂层层54之后执行热处理。可在淀积第二结构涂层层56之后和/或在淀积额外的涂层层之后，执行额外的热处理。例如，在金属涂层的情况下，在淀积第二结构涂层层56之后，经涂覆的构件100可加热到在大约0.7Tm-0.9Tm的范围中的温度，其中Tm是以开氏温度为单位的涂层的熔化温度。有益地，这个热处理促进了两个结构涂层层54、56彼此互相扩散以及随后互相粘附，从而降低通道边缘处有面间缺陷的可能性。
可使用各种各样的技术来淀积结构涂层层54、56和可选的额外的涂层层(一个或多个)50。对于特定的过程，通过执行等离子区淀积(阴极电弧)来淀积第一结构涂层层54和第二结构涂层层56。在共同转让的Weaver等人的美国已公开专利申请No.20080138529“Methodand apparatus for cathodic arc ion plasma deposition(用于阴极电弧等离子区淀积的方法和设备)”中提供了实例等离子区淀积设备和方法，该专利申请通过引用而以其整体结合在本文中。简要而言，等离子区淀积包括：将由涂层材料形成的阴极置于真空室内的真空环境中；在真空环境内提供衬底110；对阴极供应电流以在阴极表面上形成阴极电弧，从而导致阴极表面的涂层材料有电弧引起的腐蚀；以及使来自阴极的涂层材料淀积到衬底表面112上。
使用等离子区淀积而淀积的涂层的非限制性实例包括结构涂层54、56，以及结合涂层和抗氧化涂层(它们在本文中单独地和共同地由参考标号50标识)，如下面参照美国专利No.5,626,462更加详细地论述的那样。对于某些热气路径构件100，结构涂层54、56包括镍基或钴基合金，并且更具体而言，包括超合金或(NiCo)CrAlY合金。例如，在衬底材料为含有γ相和γ′相两者的Ni基超合金时，结构涂层54、56可包括类似的材料成分，如下面参照美国专利No.5,626,462更加详细地论述的那样。
对于其它过程构造，通过执行热喷过程和冷喷过程中的至少一个来淀积第一结构涂层层54和第二结构涂层层56。例如，热喷过程可包括燃烧喷涂或等离子体喷涂，燃烧喷涂可包括高速氧气燃料喷涂(HVOF)或高速空气燃料喷涂(HVAF)，而等离子体喷涂可包括大气(例如空气或隋性气体)等离子体喷涂，或低压等离子体喷涂(LPPS，这也称为真空等离子体喷涂或VPS)。在一个非限制性实例中，通过HVOF或HVAF来淀积NiCrAlY涂层。用于淀积结构涂层层54、56的其它实例技术包括(无限制)溅射、电子束物理气相淀积、无电镀敷和电镀。
对于某些构造，合乎需要的是采用多种淀积技术来淀积结构涂层层54、56和可选的额外的涂层层50。例如，可使用等离子区淀积来淀积第一结构涂层层，并且可使用其它技术(例如燃烧喷涂过程或等离子体喷涂过程)来淀积随后淀积的层和可选的额外的层(未显示)。取决于所使用的材料，对涂层层使用不同的淀积技术可在诸如(但不限于)抗应变性、强度、粘附性和/或延展性的属性方面提供益处。
更一般而言，以及如在美国专利No.5,626,462中论述的那样，用来形成涂层150的材料包括任何适当的材料。对于被冷却的涡轮构件100的情况，结构涂层材料必须能够经受住高达大约1150℃的温度，而TBC可经受住高达大约1425℃的温度。结构涂层54、56必须能够与衬底110的翼型形外表面112相容且适于结合到该翼型形外表面112上，如在共同转让的Bunker等人的序列号为No.12/943,563的美国专利申请“Method of fabricating a component using a fugitivecoating(使用短时涂层来制造构件的方法)”论述的那样，该专利申请通过引用而以其整体结合在本文中。
如在美国专利No.5,626,462中论述的那样，在衬底材料为含有γ相和γ′相两者的Ni基超合金时，用于结构涂层层54、56的材料可包括与衬底类似的材料成分。涂层54、56材料和衬底110材料的这种组合对于特定的应用是优选的，例如在运行环境的最大温度(即气体温度)类似于现有发动机的最大温度(例如低于1650℃)的情况下。在衬底材料为Nb基合金、NiAl基金属间合金或TiAl基金属间合金的情况下，结构涂层54、56同样可包括类似的材料成分。
如在美国专利No.5,626,462中论述的那样，对于其它应用，例如施加使得使用单金属或金属间合金涂层54、56不适合的温度约束、环境约束或其它约束的应用，优选的是结构涂层54、56包括复合物。复合物可由金属间合金相和金属合金相的混合物和金属间相的混合物组成。金属合金可为与用于衬底110的相同的合金，或者是不同的材料，这取决于构件100的要求。另外，两个组分相必须在化学方面相容，如在Bunker等人的序列号为No.12/943,563的美国专利申请中论述的那样。还注意到，在给定的涂层内，也可使用多种复合物，并且这样的复合物不限于两种材料或两相的组合。在美国专利No.5,626,462中提供了关于实例结构涂层材料的额外的细节。
对于图11-18中显示的实例过程构造，该构件制造方法进一步包括在加工衬底110之前，使短时涂层30淀积在第一结构涂层层54上，如例如图11和12中所指示的那样。对于这个过程，通过短时涂层30和第一结构涂层层54两者而加工衬底110，如图12中所指示的那样。加工会在短时涂层30中形成一个或多个开口34，如图13显示的那样。对于特定的过程构造，淀积在衬底110的表面112上的短时涂层30的厚度在0.5毫米-2.0毫米的范围中。在一个非限制性实例中，短时涂层30包括一毫米厚的基于聚合物的涂层。可使用各种各样的淀积技术来淀积短时涂层30，包括粉末涂覆、静电涂覆、浸渍涂覆、旋涂、化学汽相淀积和应用准备好的胶带。更具体而言，短时涂层本质上是均匀的，并且能够粘附衬底基部金属，但在处理期间或随后的移除期间不损害衬底基部金属。
对于特定的过程构造，使用粉末涂覆或静电涂覆来淀积短时涂层30。对于实例过程构造，短时涂层30包括聚合物。例如，短时涂层30可包括基于聚合物(例如氮杂苯)的涂层，其可使用化学气相淀积来淀积。基于聚合物的涂层材料的其它实例包括树脂，例如聚酯或氧树脂。实例树脂包括光致固化树脂，例如光固化树脂或UV固化树脂，其非限制性实例包括由DYMAX(在康涅狄格州托灵顿有营业场所)以商标Speedmask
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出售的UV固化掩模树脂/可见光固化掩模树脂，在这种情况下，该方法进一步包括在形成凹槽132之前使光致固化树脂30固化。对于其它过程构造，短时涂层30可包括含碳材料。例如，短时涂层30可包括石墨涂料。聚乙烯是又一个实例涂层材料。对于其它过程构造，短时涂层30可釉漆到衬底110的表面112上。
如图15-17中所指示的那样，在淀积第二结构涂层层56之前，移除短时涂层30。取决于特定的材料和过程，可使用机械手段(例如抛光)、热手段(例如燃烧)、基于等离子体的手段(例如等离子体蚀刻)或化学手段(例如在溶液中分解)或使用它们的组合来移除短时涂层30。更具体而言，该方法进一步包括在加工衬底110之前，对短时涂层30进行干燥、固化或烧结。如在Bunker等人的序列号为No.12/943,563的美国专利申请中论述的那样，短时涂层30用作用于形成通道的加工掩模，并且有助于形成在涂层界面处具有必要的尖锐的、界限分明的边缘的冷却通道130。
现在参看图14，图11-18中示出的构件制造方法进一步包括通过第一结构涂层层54中的开口(一个或多个)58而用牺牲填料32来填充凹槽(一个或多个)132。虽然没有清楚地显示，但是对于某些过程构造，可在用填料32填充凹槽之前移除短时涂层30。如图17中所指示的那样，第二结构涂层层56淀积在第一结构涂层层54上面以及在设置在凹槽(一个或多个)132中的填料32上面。该构件制造方法可以可选地包括在淀积第二结构涂层层56之前，对填料32进行干燥、固化或烧结，以及进一步包括在已经淀积第二结构涂层层56之后，从凹槽(一个或多个)132中移除填料32。
对于图11-18中示出的方法，该构件制造方法进一步包括在加工衬底110之前，使短时涂层30淀积在第一结构涂层层54上。另外，该构件制造方法可以可选地进一步包括在加工衬底110之前，对短时涂层30进行干燥、固化或烧结。如图12和13中所指示的那样，通过短时涂层30和第一结构涂层层54两者而加工衬底110，使得加工会在短时涂层30中形成一个或多个开口34。如图14中所指示的那样，该构件制造方法进一步包括通过第一结构涂层层54中的相应的开口(一个或多个)58以及通过短时涂层30中的相应的开口(一个或多个)34而用牺牲填料32来填充凹槽(一个或多个)132。该构件制造方法可以可选地包括在淀积第二结构涂层层56之前，对填料32进行干燥、固化或烧结。如图17中所指示的那样，第二结构涂层层56淀积在第一结构涂层层54上面以及在设置在凹槽(一个或多个)132中的牺牲填料32上面。如图14-17中所指示的那样，该构件制造方法进一步包括在淀积第二结构涂层层56之前，移除短时涂层30。另外，如图17和18中所指示的那样，该构件制造方法进一步包括在已经淀积第二结构涂层层56之后，从凹槽(一个或多个)132中移除牺牲填料32。
冷却通道的上边缘处的结构涂层54、56和下面的衬底材料之间的面间区域的完整性对于冷却通道的耐用性是至关重要的。有益地，使用两个结构涂层层，上面描述的构件制造方法改进了在关键的通道面间区域处的材料属性和微结构的匹配。这增强了涂层和衬底之间的结合，从而增强冷却通道的耐用性。
参照图2、4-9和12-20描述了本发明的构件100实施例。如例如在图2中所指示的那样，构件100包括包含外表面112和内表面116的衬底110。如例如在图2中所指示的那样，内表面116限定至少一个空心内部空间114。如例如在图2、4-9和12-20中所指示的那样，外表面112限定一个或多个凹槽132。如例如在图4-9和12-20中所指示的那样，凹槽132中的各个至少部分地沿着衬底110的表面112延伸，并且具有基部134。一个或多个进入孔140延伸通过相应的凹槽132的基部134，以将凹槽132布置成与空心内部空间(一个或多个)114处于流体连通，如例如图8、18和20中显示的那样。如上面所论述的那样，进入孔140可垂直于相应的凹槽132的基部134(如图8、18和20中显示的那样)，或者可相对于凹槽132的基部134以在20度-90度的范围中的角度来钻出进入孔140。
如例如图8、18和20中所指示的那样，构件100进一步包括设置在衬底110的表面112的至少一部分上面的涂层150。涂层150至少包括第一结构涂层层54和第二结构涂层层56。如图8、18和20中所指示的那样，第一结构涂层层54不在凹槽(一个或多个)132上面延伸，而第二结构涂层层56设置在第一结构涂层层54上面，并且在凹槽(一个或多个)132上面延伸，使得凹槽(一个或多个)132和第二结构涂层层56共同限定一个或多个通道130以冷却构件100。对于特定的布置，第一结构涂层层54具有在0.005mm-0.25mm的范围中的厚度，而第二结构涂层层56具有在0.1mm-0.5mm的范围中的厚度。更具体而言，结构涂层的第一结构涂层层54的厚度在0.01mm-0.2mm的范围中，而第二结构涂层层56的厚度在0.125mm-0.25mm的范围中。
对于特定的构造，第一结构涂层层54和第二结构涂层层56在选自由密度、粗糙度、孔隙率和热膨胀系数组成的组的至少一个属性方面是不同的。例如，第一结构涂层层54可比第二结构涂层层56更稠密和更平滑(也就是说，第二结构涂层层56可比第一结构涂层层54更粗糙或更多孔)。这可通过例如使用不同的淀积技术来淀积两个结构涂层层54、56而实现。在一个非限制性实例中，第一结构涂层层54具有由锥形触针式轮廓测量仪所确定的大约1.5微米至2.5微米的平均粗糙度RA，而第二结构涂层层56具有由锥形触针式轮廓测量仪所确定的大约5至10微米的平均粗糙度RA。
对于其它构造，第一结构涂层层54和第二结构涂层层56可具有类似的或本质上相同的属性。例如，两个层可由在类似或相同的条件下使用相同的技术淀积而成的同样的材料形成。
如上面参照图19和20所论述的那样，对于某些构造，第二结构涂层层56限定一个或多个可渗透槽口144，使得第二结构涂层层56不完全桥接该一个或多个凹槽132中的各个。如上面所提到的那样，虽然针对凹穴通道130的情况而在图19和20中显示了可渗透槽口144，但是可渗透槽口144还可形成为其它通道几何结构。另外，可渗透槽口144在其延伸通过所有涂层时可用作冷却机构，也就是说，对于这些构造，可渗透槽口144构造成将冷却剂流体从相应的通道130传送到构件的外表面。但是，对于其它构造，可渗透槽口(一个或多个)144在由上部涂层(结合涂层和/或TBC)桥接时可用作被动冷却机构，例如，在那些涂层受损或散裂时的情况下。在共同转让的RonaldScott Bunker等人的序列号为No.12/943,646的美国专利申请“Component and methods of fabricating and coating a component(构件以及制造和涂覆构件的方法)”中描述了可渗透槽口144的形成，该专利申请通过引用而以其整体结合在本文中。
但是，对于图8和18描绘中的实例构造，第二结构涂层层56完全桥接相应的凹槽132，从而密封相应的通道130。可例如通过这样来实现这个特定的构造：在淀积第二涂层层56的期间使衬底110绕着一个或多个轴线旋转，或者通过以别的方式以相对于衬底110的表面法线而倾斜大于大约+/-20度的入射角淀积第二涂层层56，以便基本涂覆在形成于第一涂层层54中的开口58上面。用于产生连续的第二结构涂层层56的其它技术将为施用备选(相对于层54)类型的第二涂层(例如空气等离子喷涂涂层)，或者施用较厚的第二涂层层56，如在Bunker等人的序列号为No.12/943646的美国专利申请中描述的那样。
对于图19和20中显示的特定的构造而言，对于凹槽132中的各个，基部134比顶部136更宽，使得凹槽132中的各个均包括凹穴形凹槽132，并且因此，冷却通道130中的各个均包括凹穴形通道130。在Bunker等人的序列号为No.12/943,624的美国专利申请中描述了凹穴形通道130的各种属性和益处，以及用于形成凹穴形通道130的技术。
有益地，通过使用两个结构涂层层，上面描述的构件制造方法改进了在关键的通道面间区域处的材料属性和微结构的匹配。这增强了涂层和衬底之间的结合，从而增强冷却通道的耐用性。
虽然在本文中示出和描述了本发明的仅某些特征，但是本领域技术人员将想到许多修改和改变。因此，将理解，所附权利要求意图覆盖落在本发明的真实精神内的所有这样的修改和改变。

Claims (10)

1.一种制造构件(100)的方法，所述方法包括：
使第一结构涂层层(54)淀积在衬底(110)的外表面(112)上，其中，所述衬底(110)具有至少一个空心内部空间(114)；
通过所述第一结构涂层层(54)而加工所述衬底(110)，以在所述第一结构涂层层(54)中限定一个或多个开口(58)，以及在所述衬底(110)的所述外表面(112)中形成相应的一个或多个凹槽(132)，其中，所述一个或多个凹槽(132)中的各个均具有基部(134)，并且至少部分地沿着所述衬底(110)的所述表面(112)延伸；以及
使所述第二结构涂层层(56)淀积在所述第一结构涂层层(54)上面以及在所述一个或多个凹槽(132)上面，使得所述一个或多个凹槽(132)和所述第二结构涂层层(56)共同限定一个或多个通道(130)以冷却所述构件(100)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
通过所述第一结构涂层层(54)中的相应的一个或多个开口(58)而用填料(32)填充所述一个或多个凹槽(132)，其中，所述第二结构涂层层(56)淀积在所述第一结构涂层层(54)上面以及在设置在所述一个或多个凹槽(132)中的所述填料(32)上面；
在已经淀积所述第二结构涂层层(56)之后，从所述一个或多个凹槽(132)中移除所述填料(32)；以及
通过所述凹槽(132)中的相应的一个的所述基部(134)而形成一个或多个进入孔(140)，以将相应的凹槽(132)连接成与所述至少一个空心内部空间(114)中的相应的一些处于流体连通，以及其中，在用所述填料(32)填充所述凹槽(132)之前形成所述一个或多个进入孔(140)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述第二结构涂层层(56)淀积在所述一个或多个凹槽(132)上面时，未填充所述一个或多个凹槽(132)。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
使额外的涂层层(50)淀积在所述第二结构涂层层(56)上面；以及
在淀积所述第一结构涂层层(54)之后执行热处理，
其中，通过执行下者中的至少一个来淀积所述第一结构涂层层和第二结构涂层层(54，56)：等离子区淀积、热喷涂过程和冷喷涂过程。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
在加工所述衬底(110)之前，使短时涂层(30)淀积在所述第一结构涂层层(54)上，其中，通过所述短时涂层(30)和所述第一结构涂层层(54)两者而加工所述衬底(110)，以及其中，所述加工在所述短时涂层(30)中形成一个或多个开口(34)；以及
在淀积所述第二结构涂层层(56)之前，移除所述短时涂层(30)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
通过所述第一结构涂层层(54)中的相应的一个或多个开口(58)而用填料(32)来填充所述一个或多个凹槽(132)，其中，所述第二结构涂层层(56)淀积在所述第一结构涂层层(54)上面以及在设置在所述一个或多个凹槽(132)中的所述填料(32)上面，其中，在用所述填料(32)填充所述凹槽之前，移除所述短时涂层(30)；
对所述填料(32)进行干燥、固化或烧结；以及
在已经淀积所述第二结构涂层层(56)之后，从所述一个或多个凹槽(132)中移除所述填料(32)。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
在加工所述衬底(110)之前，使短时涂层(30)淀积在所述第一结构涂层层(54)上，其中，通过所述短时涂层(30)和所述第一结构涂层层(54)两者而加工所述衬底(110)，以及其中，所述加工在所述短时涂层(30)中形成一个或多个开口(34)；
通过所述第一结构涂层层(54)中的相应的一个或多个开口(58)以及通过所述短时涂层(30)中的相应的一个或多个开口(34)而用填料(32)来填充所述一个或多个凹槽(132)；
对所述填料(32)进行干燥、固化或烧结；
在淀积所述第二结构涂层层(56)之前，移除所述短时涂层(30)，其中，所述第二结构涂层层(56)淀积在所述第一结构涂层层(54)上面以及在设置在所述一个或多个凹槽(132)中的所述填料(32)上面；以及
在已经淀积所述第二结构涂层层(56)之后，从所述一个或多个凹槽(132)中移除所述填料(32)。
8.一种构件(100)，包括：
包括外表面(112)和内表面(116)的衬底(110)，其中，所述内表面(116)限定至少一个空心内部空间(114)，其中，所述外表面(112)限定一个或多个凹槽(132)，其中，所述一个或多个凹槽(132)中的各个至少部分地沿着所述衬底(110)的所述外表面(112)延伸，并且具有基部(134)，以及其中，一个或多个进入孔(140)延伸通过所述一个或多个凹槽(132)中的相应的一个的所述基部(134)，以将所述凹槽(132)布置成与所述至少一个空心内部空间(114)中的相应的一些处于流体连通；以及
设置在所述衬底(110)的所述外表面(112)的至少一部分上面的涂层(150)，其中，所述涂层(150)至少包括第一结构涂层层和第二结构涂层层(54，56)，其中，所述第一结构涂层层(54)不在所述一个或多个凹槽(132)上面延伸，以及其中，所述第二结构涂层层(56)设置在所述第一结构涂层层(54)上面，并且在所述一个或多个凹槽(132)上面延伸，使得所述一个或多个凹槽(132)和所述第二结构涂层层(56)共同限定一个或多个通道(130)以冷却所述构件(100)。
9.根据权利要求8所述的构件(100)，其特征在于，所述第一结构涂层层和第二结构涂层层(54，56)在选自由孔隙率、粗糙度、强度、延展性和热膨胀系数组成的组的至少一个属性方面有所不同。
10.根据权利要求8所述的构件(100)，其特征在于，所述第二结构涂层层(56)限定一个或多个可渗透槽口(144)，使得所述第二结构涂层层(56)不完全桥接所述一个或多个凹槽(132)中的各个，以及其中，所述可渗透槽口(144)构造成将来自相应的一个或多个通道(130)的冷却剂流体传送到所述构件的外表面。
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