CN102678199B

CN102678199B - 带有冷却通道的构件及制造方法

Info

Publication number: CN102678199B
Application number: CN201210116096.9A
Authority: CN
Inventors: R·S·班克
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co PLC
Priority date: 2011-02-14
Filing date: 2012-02-14
Publication date: 2016-03-23
Anticipated expiration: 2032-02-14
Also published as: CN102678199A; EP2487330A3; US20130316100A1; US8533949B2; US8938879B2; EP2487330B1; EP2487330A2; US20120207953A1

Abstract

本发明涉及带有冷却通道的构件及制造方法。提供了一种制造构件(100)的方法。该方法包括在衬底(110)的外表面(112)中形成一个或多个凹槽(132)。各个凹槽(132)至少部分地沿着衬底(110)的表面(112)延伸，并具有基部(134)、顶部(136)以及至少一个排出点(170)。该方法进一步包括形成邻近各个凹槽(132)的排出点(170)的流出区域(172)，以及在衬底(110)的表面(112)的至少一部分上面设置涂覆物(150)。凹槽(一个或多个)(132)和涂覆物(150)限定用于冷却构件(100)的一个或多个通道(130)。还提供了一种带有冷却通道(130)的构件(100)。

Description

带有冷却通道的构件及制造方法

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，涉及其中的微通道冷却。

背景技术

在燃气轮机发动机中，空气在压缩机中加压，并在燃烧器中与燃料混合以产生热的燃烧气体。在高压涡轮(HPT)和低压涡轮(LPT)中从气体中提取能量，高压涡轮(HPT)向压缩机提供动力，而低压涡轮(LPT)在涡轮风扇航空发动机应用中向风扇提供动力，或者向用于船舶和工业应用的外部轴提供动力。

发动机效率随着燃烧气体的温度的升高而上升。然而，燃烧气体沿着其流径加热多种构件，这些构件继而需要对它们进行的冷却以获得长的发动机寿命。典型地，通过从压缩机放出空气来冷却热气路径构件。该冷却过程降低了发动机效率，因为放出的空气没有用于燃烧过程中。

燃气轮机发动机冷却技术是成熟的，并且针对多种热气路径构件中的冷却回路和特征的多种方面包括许多专利。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(band)和内部带之间的也需要冷却的中空导叶。涡轮转子叶片是中空的，并且典型地在其中包括冷却回路，叶片被也需要冷却的涡轮护罩包围。热的燃烧气体通过排气装置排出，该排气装置可能也是加了衬套的并被适当地冷却。

在所有这些示例性的燃气轮机发动机构件中，典型地使用了高强度超合金制成的薄金属壁，以增强耐久性同时最大程度地减小其冷却需要。针对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多种冷却回路和特征。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。冷却流体可从气室提供至盘管，并且冷却流体可流过通路，从而冷却热气路径构件的衬底和涂覆物。然而，这种冷却策略典型地导致有相当低的传热速率和不均匀的构件温度分布。

微通道冷却具有潜力来通过将冷却布置成尽可能靠近受热区域而显著地降低冷却需求，从而针对给定的传热速率减小主承载衬底材料的热侧和冷侧之间的温差。当前，借助于通过整个衬底壁而钻到翼型件内部的膜孔来提供冷却。然而，用于形成膜孔的过程可能是劳动密集型的、耗时的，并且因此相对昂贵。另外，因为尺寸限制的原因，可能难以使膜孔适用于微通道冷却。

因此，提供一种克服了这些及其它问题的用于形成膜孔以允许冷却剂离开冷却通道的方法将是合乎需要的。

发明内容

本发明的一个方面在于一种制造构件的方法。该方法包括在衬底的外表面中形成一个或多个凹槽。各个凹槽至少部分地沿着衬底的表面延伸，并具有基底、顶部以及至少一个排出点。该方法进一步包括形成邻近各个凹槽的相应的排出点的流出区域，以及在衬底的表面的至少一部分上面设置涂覆物。凹槽(一个或多个)和涂覆物限定用于冷却构件的一个或多个通道。

本发明的另一方面在于一种构件，该构件包括衬底，衬底包括外表面和内表面。外表面限定一个或多个凹槽和一个或多个流出区域。各个凹槽至少部分地沿着衬底的外表面延伸，并具有基部和至少一个排出点。各个流出区域邻近相应的凹槽的相应的排出点。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覆物，使得凹槽(一个或多个)和涂覆物共同限定用于冷却构件的一个或多个通道。

附图说明

当参照附图阅读下面的详细描述时，本发明的这些及其它的特征、方面和优势将变得更好理解，在附图中，相同符号在所有图中代表相同部件，其中：

图1为燃气轮机系统的示意图；

图2为根据本发明的各方面的带有冷却微通道的示例翼型件构造的示意性横截面；

图3在透视图中示意性地描绘了部分地沿着衬底的外表面延伸且将冷却剂引导至形成于衬底的外表面中的相应的流出区域的三个示例冷却通道；

图4为图3的示例冷却通道中的一个的横截面图，并且显示了将冷却剂输送至形成于冷却通道的排出点处的斜的流出区域的通道；

图5显示应用有涂覆物的图4的示例冷却通道；

图6显示带有膜孔的图5的示例冷却通道，该膜孔通过移除流出区域中的涂覆物的一部分而形成于流出区域中；

图7为比相应的凹槽更宽的示例流出区域的俯视图；

图8为比相应的凹槽更宽的示例扩散器形流出区域的俯视图；

图9示意性地描绘了在衬底的外表面中使用磨蚀性液体射流形成三个示例凹槽或流出区域；

图10示意性地描绘了用于形成凹槽和凹槽的排出端处的斜的流出区域的示例加工路径；

图11-图16示意性地示出了使用短效涂覆物和牺牲填料形成凹槽和流出区域的方法；

图17-图19示意性地示出了使用两个结构涂覆物层形成通道和流出区域的方法；以及

图20在透视图中示意性地描绘了带有多个流出区域的三个示例冷却通道。

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短效涂覆物

32牺牲填料

34短效涂覆物中的开口

50涂覆物层

54第一结构涂覆物层

56第二结构涂覆物层

58第一结构涂覆物层中的开口

80热气路径流

100热气路径构件

110衬底

112衬底的外表面

114中空内部空间

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磨蚀性液体射流

170冷却通道的排出点

172流出区域

174膜孔

176流出区域的覆盖区域

178流出区域的相对端

具体实施方式

在本文中，用语“第一”、“第二”等不表示任何顺序、数重或重要性，而是相反，它们用于把一个要素同另一个区分开。在本文中，用语“一个”和“一种”不表示数量的限制，而是相反，表示存在至少一个所引用的项目。与数量结合起来使用的修饰语“大约”包括本数，并且具有由上下文指示的含义(例如，包括与特定数量的测量相关的误差度)。另外，术语“组合”包括掺合物、混合物、合金、反应产物等。

此外，在该说明书中，后缀“(一个或多个)”通常意图包括其修饰的用语的单数和复数两者，因此包括一个或多个该用语(例如，“通路孔”可包括一个或多个通路孔，除非有其它规定)。在整个说明书对“一个实施例”、“另一实施例”、“实施例”等的参照是指结合实施例描述的特定要素(例如特征、结构和/或特性)被包括在本文中描述的至少一个实施例中，并且可能存在或不存在于其它实施例中。另外，将懂得，所描述的创造性特征可以任何适当的方式结合至多种实施例中。

图1为燃气轮机系统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以及燃料喷嘴20。压缩机12和涡轮16可由一个或多个轴18相联接。轴18可为单个轴或是联接在一起而形成轴18的多个轴节段。

燃气轮机系统10可包括若干热气路径构件100。热气路径构件是系统10的至少部分地暴露至通过系统10的高温气流的任何构件。例如，轮叶组件(也称为叶片或叶片组)、喷嘴组件(也称为导叶或导叶组件)、护罩组件、过渡件、保持环以及压缩机排气构件都是热气路径构件。然而，应当懂得，本发明的热气路径构件100并不限于以上示例，而可为至少部分地暴露至高温气流的任何构件。另外，应当懂得，本公开的热气路径构件100并不限于燃气轮机系统10中的构件，而可为可能暴露至高温流的机器或其构件的任何零件。

当热气路径构件100暴露至热气流80时，热气路径构件100被热气流80加热并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运行而提高系统10的效率和性能，需要用于热气路径构件100的冷却系统。

大体上，本公开的冷却系统包括一系列形成于热气路径构件100的表面中的小通道或微通道。对于工业规模的动力发生涡轮构件，“小”或“微”通道尺寸将包含0.25mm至1.5mm的范围内的大致深度和宽度，而对于航空规模的涡轮构件，通道尺寸将包含0.15mm至0.5mm的范围内的大致深度和宽度。热气路径构件可设有覆盖层。冷却流体可从气室提供至通道，并且冷却流体可流过通道，从而冷却覆盖层。

参照图2-图20，描述了一种制造构件100的方法。例如，如图3和图9中所指示，构件制造方法包括在衬底110的外表面112中形成一个或多个凹槽132。例如，如图3和图4中所指示，各个凹槽132至少部分地沿着衬底110的外表面112延伸，并具有基部134、顶部136以及至少一个排出点170。对于图3和图4中所显示的示例构造而言，各个凹槽132具有单个排出点170，而对于图20中所显示的示例布置而言，各个凹槽132具有多个排出点170。对于图2中所显示的示例布置而言，衬底110具有至少一个中空内部空间114。

典型地，在衬底110的外表面112中形成凹槽132和流出区域172之前，铸造衬底110。如共同受让的MelvinR.Jackson等人的美国专利No.5,626,462“Double-WallAirfoil(双壁翼型件)”中所论述，衬底110可由任何合适的材料形成，该专利通过引用以其整体结合至本文中。取决于构件100所意图的应用，这可包括Ni基、Co基以及Fe基超合金。Ni基超合金可为包含γ相和γ′相两者的那些，特别是其中γ′相占据至少40％的超合金体积的包含γ相和γ′相两者的那些Ni基超合金。已知这样的合金是有优势的，因为结合了合乎需要的性质，包括高温强度和抗高温蠕变性。衬底材料也可包括NiAl金属间合金，因为也已知这些合金拥有优良性质的组合，包括有利于在用于航空器的涡轮发动机应用中使用的高温强度和抗高温蠕变性。在Nb基合金的情况下，具有优良的抗氧化性的被涂覆的Nb基合金将是优选的，特别是包括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，其中组分范围是以原子百分数为单位。衬底材料也可包括包含至少一种二次相(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。这些合金是韧性相(即Nb基合金)和增强相(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，例如基于钼(固溶体)的带有Mo₅SiB₂和Mo₃Si二次相的合金。对于其它构造，衬底材料包括陶瓷基质复合物，例如利用SiC纤维进行增强的碳化硅(SiC)基质。对于其它构造，衬底材料包括TiAl基金属间化合物。

例如，如图3和图4中所指示，构件制造方法进一步包括：邻近各个凹槽132的各个排出点170而形成流出区域172。应当注意到，虽然示出的流出区域具有平的表面，但是流出区域不必是平的表面。相反，流出区域可为弯曲的。例如，如图5和图16中所显示，构件制造方法进一步包括在衬底110的外表面112的至少一部分上面设置涂覆物150。例如，如图5中所指示，该一个或多个凹槽132和涂覆物150限定用于冷却构件100的一个或多个通道130。虽然凹槽显示为具有直壁，但是凹槽132可具有任何构造，例如，它们可为笔直的、弯曲的，或者具有多个弯曲部。另外，对于图20中所显示的示例布置，构件制造方法进一步包括：针对各个凹槽132，形成一个或多个额外的流出区域172。有益的是，多个流出区域布置(例如图20中所显示的布置)可方便地定位成和形成为离开任何冷却通道，带有所期望的局部定向，并且出口成形为提供增强的膜效果。

对于图3和图20中所示出的示例布置，通道130将冷却流从相应的进入孔140引导至离开膜孔(显示为图3和图20中的流出区域172)。典型地，通道长度处于膜孔直径的10至1000倍的范围中，并且更特别地，处于膜孔直径的20至100倍的范围中。有益的是，通道130可用于构件表面上的任何位置(翼型件本体、前缘、后缘、叶片尖部、端壁、平台)。另外，虽然通道显示为具有直壁，但是通道130可具有任何构造，例如，它们可为笔直的、弯曲的，或者具有多个弯曲部等。涂覆物150包括合适的材料并结合至衬底110的翼型形状的外表面120。对于特定构造，涂覆物150对于工业构件具有的厚度在0.1-2.0毫米范围中，并且更特别地，在0.1-1毫米的范围中，并且仍更特别地，在0.1-0.5毫米的范围中。对于航空构件，该范围典型地为0.1至0.25毫米。然而，取决于特定构件100的需求，可利用其它厚度。

涂覆物150包括结构涂覆物层，并且可进一步包括可选的额外涂覆物层(一个或多个)。可使用多种技术来淀积涂覆物层(一个或多个)。对于特定过程，通过执行等离子区淀积(阴极电弧)来淀积结构涂覆物层(一个或多个)。示例等离子区淀积设备和方法在共同受让的Weaver等人的美国公开的专利申请No.20080138529“Methodandapparatusforcathodicarcionplasmadeposition(用于阴极电弧等离子区淀积的方法和设备)”中提供，该专利申请通过引用而以其整体结合至本文中。简要地说，等离子区淀积包括：将由涂覆材料形成的阴极放置在真空室内的真空环境中，在真空环境内提供衬底110，向阴极供应电流而在阴极表面上形成阴极电弧从而导致阴极表面上的涂覆材料有电弧诱发的侵蚀，以及将来自阴极的涂覆材料淀积到衬底表面112上。

使用等离子区淀积所淀积的涂覆物的非限制性示例包括结构涂覆物，以及结合涂覆物和抗氧化涂覆物，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，结构涂覆物包括镍基或钴基合金，并且更特别地，包括超合金或(NiCo)CrAlY合金。例如，在衬底材料是包含γ相和γ′相两者的Ni基超合金的情况下，结构涂覆物可包括类似的材料组分，如下面参照美国专利No.5,626,462更加详细地论述的那样。

对于其它工艺构造，可通过执行热喷涂工艺和冷喷涂工艺中的至少一种来淀积结构涂覆物。例如，热喷涂工艺可包括燃烧喷涂或等离子体喷涂，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)，而等离子体喷涂可包括大气(例如空气或惰性气体)等离子体喷涂或低压等离子体喷涂(LPPS，也称为真空等离子体喷涂或VPS)。在一个非限制性示例中，通过HVOF或HVAF来淀积NiCrAlY涂覆物。用于淀积结构涂覆物的其它示例技术包括(无限制)溅射、电子束物理气相淀积、无电镀覆以及电镀。

对于某些构造，采用多种淀积技术来淀积结构涂覆物层和可选的额外涂覆物层是合乎需要的。例如，可使用等离子区淀积来淀积第一结构涂覆物层，并且随后淀积的层和可选的额外层(未显示)可使用其它技术来淀积，例如燃烧喷涂工艺和等离子体喷涂工艺。取决于所使用的材料，针对涂覆物层使用不同淀积技术可提供性质上的益处，例如但不限于耐应变性、强度、附着力和/或展延性。

可使用多种技术来形成凹槽132和流出区域172。例如，可使用磨蚀性液体射流、浸入电化学加工(ECM)、带有旋转的单点电极的放电加工(铣削EDM)以及激光加工(激光打孔)中的一个或多个来形成凹槽132和流出区域172。示例激光加工技术在于2010年1月29日提交的共同受让的序列号为No.12/697,005的美国专利申请“Processandsystemforformingshapedairholes(用于形成成形空气孔的工艺和系统)”中进行了描述，该专利申请通过引用而以其整体结合至本文中。示例EDM技术在于2010年5月28日提交的共同受让的序列号为No.12/790,675的美国专利申请“Articleswhichincludechevronfilmcoolingholes，andrelatedprocesses(包括人字形膜冷却孔的物品和相关工艺)”中进行了描述，该专利申请通过引用而整体结合至本文中。

对于特定的工艺构造，如图9和图10中示意性地描绘的，通过将磨蚀性液体射流160指向衬底110的外表面112而形成凹槽132和流出区域172。对于其它工艺构造，流出区域172可通过其它手段形成，例如铣削EDM(带有旋转的单点电极的EDM)。对于图10中所示的特定构造，通过将磨蚀性液体射流160从衬底110的外表面112升高而形成流出区域172，使得流出区域172是斜的。例如，膜排出口的倾斜形状的或成角度形状的边缘可在出口的流动方向部分中形成，使得冷却剂只在相对于外部热气最有利的方向上进行扩散。可通过当磨蚀性射流上升离开表面时使磨蚀性射流流出而形成这种下游成形边缘。示例水射流打孔工艺和系统在序列号为No.12/790,675的美国专利申请中提供。如序列号为No.12/790,675的美国专利申请所阐明的，水射流工艺典型地利用了悬浮在高压水流中的高速磨蚀性颗粒(例如，磨蚀性“砂”)流。水压可能有很大不同，但是常常处于大约35-620MPa的范围中。可使用多种磨蚀性材料，例如石榴石、氧化铝、碳化硅以及玻璃珠。

另外，并且如序列号为No.12/790,675的美国专利申请所阐明的，水射流系统可包括多轴计算机数控(CNC)单元。CNC系统本身在本领域中是已知的，并且例如在美国专利公开2005/0013926(S.Rutkowski等人)中进行了描述，该专利公开通过引用而结合至本文中。CNC系统允许切割工具沿着多个X轴、Y轴和Z轴以及旋转轴移动。

对于图13、图16及图19中所示的示例工艺，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，以提供凹槽132和中空内部空间(一个或多个)114之间的流体连通。进入孔140在淀积涂覆物150之前形成。进入孔140的横截面典型地为圆形或椭圆形，并且例如可使用激光加工(激光打孔)、磨蚀性液体射流、放电加工(EDM)以及电子束打孔中的一个或多个来形成。进入孔140可与相应的凹槽132的基部134相垂直(如图13、图16及图19中所示)，或者更一般地，可相对于凹槽的基部134以20-90度的范围中的角来打孔。

对于特定的布置，流出区域172被设计得足够宽，使得涂覆物150不跨接流出区域172。对于图7和图8中的俯视图中所示的示例布置，流出区域(由图7和图8中的覆盖区域176指示)比相应的凹槽(由图7和图8中的通道130指示)更宽。对于图5中所示的示例构造，涂覆物150不跨接流出区域172，使得流出区域172为相应的凹槽132形成膜孔(由图6中的标号174指示)。更一般地，流出区域内的涂覆物中的开口定位膜孔位置，然后可相对简单地加工该膜孔位置而形成膜孔。对于图5和图6中所示的示例布置，涂覆物150的一部分淀积在流出区域172中，而构件制造方法进一步包括移除淀积在流出区域172中的涂覆物150的至少一部分，使得流出区域172为相应的凹槽132形成膜孔174。膜孔174可为圆形或非圆形的孔。可应用来形成膜孔174的材料移除技术的非限制性示例包括使用磨蚀性液体射流或激光。有益的是，该技术提供了一种用于形成膜孔的经济的手段。

对于图3所示的布置，凹槽132是凹腔形的。即，各个凹槽的基部134比顶部136更宽。对于特定的构造，流出区域172不是凹腔形的。对于图7中所示的布置，流出区域172比相应的凹槽132的顶部136更宽。对于特定的布置，涂覆物150不跨接流出区域(一个或多个)172，使得各个流出区域172为相应的凹槽132形成膜孔174(图6)。凹腔形的凹槽132在Bunker等人的共同受让的序列号为No.12/943,624的美国专利申请“Componentswithre-entrantshapedcoolingchannelsandmethodsofmanufacture(具有凹腔形冷却通道的构件和制造方法)”中进行了论述，该专利申请通过引用而以其整体结合至本文中。如序列号为No.12/943,624的美国专利申请所描述，为了促进在凹槽132上面淀积涂覆物150而不使涂覆物填充凹槽132，使凹槽132的基部134显著大于凹槽的顶部136是合乎需要的。这也容许形成足够大的通道130，以满足构件100的冷却需求。对于特定构造，凹腔形凹槽132中的相应的一个的基部134是相应的凹槽132的顶部136的至少2倍宽。例如，对于该构造，如果凹槽132的基部134的宽度为0.75毫米，那么顶部136的宽度将小于0.375毫米。对于更加特定的布置，相应的凹腔形凹槽132的基部134是相应的凹槽132的顶部136的至少3倍宽，并且仍更特别地，相应的凹腔形凹槽132的基部134在相应的凹槽132的顶部136的至少3-4倍宽的范围中。有益的是，对于微通道130，大的基部-顶部比增加了整体冷却体积，同时有利于在凹槽132上面淀积涂覆物150，而不使涂覆物150填充凹槽132。

有益的是，通过形成凹腔凹槽132，不需要使用牺牲填料(未显示)来将涂覆物150施加至衬底110。这消除了对填充工艺和更加困难的移除工艺的需要。通过形成带有狭窄开口136(顶部)(例如带有宽约10-12密耳范围的开口136)的凹腔形凹槽，开口136可在不使用牺牲填料的情况下被涂覆物150跨接，从而消除了用于常规的通道形成技术的两个主要的处理步骤(填充和浸出)。如在序列号为No.12/943,624的美国专利申请中参照其图7和图11论述的，并且如下面更加详细地论述的，对于某些构造，涂覆物150完全跨接相应的凹槽132，使得涂覆物150密封了相应的冷却通道130。对于其它布置，涂覆物150限定一个或多个多孔空隙(也称为“可渗透槽口”)，例如涂覆物150中的多孔结构或涂覆物中的空隙，使得涂覆物150不完全跨接相应的凹槽132中的各个。

另外，通过形成凹腔形的凹槽132和非凹腔形的流出区域172(其中流出区域172比相应的凹槽132的顶部136更宽(图7))，涂覆物150可跨接凹槽132(或者完全地或者部分地)，同时涂覆物150不跨接流出区域(一个或多个)172，使得各个流出区域172为相应的凹槽132形成膜孔174(图6)。对于其它布置，可部分地保持凹腔形状，正好直到流出长度并贯穿流出长度。在这种情况下，为了在涂覆之后清理流出端并形成所期望的膜出口，典型地应用了磨蚀性液体射流或激光。

图11-图16示意性地示出了使用短效涂覆物和牺牲填料形成凹槽132和流出区域的方法。虽然流出区域没有清楚地显示出，但是可使用图11-图16所示出的方法来形成流出区域。对于示出的工艺，如图11中所指示，构件制造方法进一步包括在衬底110的外表面112上淀积短效涂覆物30。如图11和图12中所指示，在形成凹槽(一个或多个)132之前淀积短效涂覆物30。如图12中所指示，借助于通过短效涂覆物30而加工衬底110来形成各个凹槽132和流出区域172。上面论述了示例加工技术。如图15和图16中所指示，构件制造方法进一步包括在衬底110的外表面112上面淀积涂覆物150之前移除短效涂覆物30。取决于具体的材料和工艺，可使用机械手段(例如，抛光)或化学手段(例如，在溶剂中溶解)或者使用两者的组合来移除短效涂覆物30。

短效涂覆物30的使用在RonaldS.Bunker等人的共同受让的序列号为No.12/943,563的美国专利申请“Methodoffabricatingacomponentusingafugitivecoating(使用短效涂覆物来制造构件的方法)”中进行了描述，该专利申请通过引用而以其整体结合至本文中。如序列号为No.12/943,563的美国专利申请中所论述，对于特定构造，淀积在衬底110的表面112上的短效涂覆物30的厚度处于0.5-2.0毫米的范围中。在一个非限制性示例中，短效涂覆物30包括一毫米厚的基于聚合物的涂覆物。可使用多种淀积技术来淀积短效涂覆物30，包括粉末涂覆、静电涂覆、浸涂、旋涂、化学气相淀积以及应用准备好的带。更特别地，短效涂覆物是基本上均匀的并且能够附着，但是不会损害衬底基底金属。

对于特定的工艺构造，使用粉末涂覆或静电涂覆来淀积短效涂覆物30。对于示例工艺构造，短效涂覆物30包括聚合物。例如，短效涂覆物30可包括基于聚合物的涂覆物，例如嘧啶，其可使用化学气相淀积来淀积。其它示例的基于聚合物的涂覆材料包括树脂，例如聚酯或环氧树脂。示例树脂包括光固化树脂，例如光固化树脂或UV固化树脂，其非限制性的示例包括DYMAX(在康涅狄格州的托灵顿有营业所)以商标进入市场的UV/可见光固化掩蔽树脂，在这种情况下，该方法进一步包括在形成凹槽132之前固化光固化树脂30。对于其它工艺构造，短效涂覆物30可包括含碳材料。例如，短效涂覆物30可包括石墨漆料。聚乙烯是又一个示例涂覆材料。对于其它工艺构造，短效涂覆物30可被涂釉至衬底110的表面112上。

另外，对于图14和图15中所示的示例工艺，构件制造方法进一步包括在移除短效涂覆物30之前用牺牲填料32填充各个凹槽132和各个流出区域172。例如，可通过用金属浆“墨”32对构件100进行稀浆涂覆、浸涂或喷涂来应用填料，使得凹槽132被填充。对于其它构造，可使用微型笔或注射器来应用填料32。对于某些实现，凹槽132可能被填料32过度填充。多余的填料32可被移除，例如可被擦掉，使得凹槽132和流出区域172被“看到”。填料32的非限制性示例材料的包括光固化树脂(例如，可见光或UV固化树脂)、陶瓷、带有机溶剂载体的铜墨或钼墨、以及带有水基体和载体的石墨粉。更一般地，填料32可包括悬浮在带有可选的粘合剂的载体中的所关注的颗粒。此外，取决于所采用的填料的类型，填料可流入或不流入进入孔140中。示例填料材料(或通道填充手段或牺牲材料)在共同受让的美国专利No.5,640,767且在共同受让的美国专利No.6,321,449中进行了论述，这些专利通过引用而以其整体结合至本文中。对于特定的工艺构造，对填料使用低强度的金属浆“墨”。低强度墨的使用有益地促进后续的抛光。另外，对于某些工艺构造，由于第一短效涂覆物的厚度，填料填充到高于通道高度，使得填料将固化至期望高度或稍高。

对于图15-图16所示出的工艺，构件制造方法进一步包括在衬底110的外表面112上淀积涂覆物150之后从各个凹槽132且从各个流出区域172中移除牺牲填料32。例如，可使用化学浸出工艺从通道130浸出填料32。如美国专利No.5,640,767中所论述，填料(或通道填充手段)可通过例如熔化/提取、热解或者蚀刻而移除。类似地，美国专利No.6,321,449中所论述的填料材料(牺牲材料)可通过溶解于水、乙醇、丙酮、氢氧化钠、氢氧化钾或硝酸中来移除。

除了这里参照图11-图16描述的工艺步骤之外，序列号为No.12/943,563的美国专利申请中还公开了一些额外的可选工艺步骤。例如且如序列号为No.12/943,563的美国专利中请中所论述，对于特定工艺构造，构件制造方法进一步包括在加工衬底110之前固化短效涂覆物30。还应当注意到，虽然示出的技术采用了牺牲填料，但是对于其它工艺构造，牺牲填料可省略，例如对于凹腔形凹槽或狭窄凹槽。

有益的是，如序列号为No.12/943,563的美国专利申请中所阐明的，短效涂覆物30起到用于形成通道的加工掩模的作用。该掩模导致了有所期望的锐利的通道边缘。因此，在进行加工操作来形成凹槽132和流出区域172期间，短效涂覆物的存在促进形成在涂覆物界面处带有必要锐利的、轮廓分明的边缘的冷却通道130。这是在冷却概念中单个最关键的区域，并且与在不使用短效涂覆物的情况下将需要的相比，上述制造工艺利用更低精度的加工和更低复杂度的填充来实现所期望的结果。

图17-图19示意性示出了使用两个结构涂覆物层形成通道130和流出区域172的方法。例如，如图17中所指示，构件制造方法进一步包括在形成凹槽(一个或多个)132之前在衬底110的外表面112上淀积第一结构涂覆物层54。示例结构涂覆物在美国专利No.5,640,767和美国专利No.5,626,462中提供，这些专利通过引用而以其整体结合至本文中，下面更详细地论述合适的涂覆材料。下面描述了用于淀积第一结构涂覆物层的合适技术。例如，如图18中所指示，借助于通过第一结构涂覆物层54而加工衬底110来形成各个凹槽132和流出区域172。对于该布置，涂覆物150包括第二结构涂覆物层，如图19中所指示。应当注意到，在图18和图19中所示的步骤之间，存在着一些步骤(没有明确显示)。即，在第二结构涂覆物层150的淀积之前，形成进入孔142并用牺牲填料32填充凹槽132。此外，虽然示出的技术采用了牺牲填料，但是对于其它工艺构造，牺牲填料可省略，例如对于凹腔形凹槽或狭窄凹槽。

两个结构涂覆物层的使用在共同受让的RonaldS.Bunker等人的序列号为No.12/966,101的美国专利申请“Methodoffabricatingacomponentusingatwo-layerstructuralcoating(使用两层结构涂覆物来制造构件的方法)”中进行了描述，该专利申请通过引用而以其整体结合到本文中。如序列号为No.12/966,101的美国专利申请中所论述，对于特定的构造，第一和/或第二结构涂覆物层54、150对于工业燃气轮机构件具有的厚度可处于0.02-2.0毫米的范围中，并且更特别地，处于0.1至1毫米的范围中，并且仍更特别地，为0.1至0.5毫米。对于航空构件，该范围典型地为0.02至0.25毫米，并且更特别地为0.05至0.125毫米。然而，取决于特定构件100的需求，可利用其它厚度。如序列号为No.12/966,101的美国专利申请中所论述，对于特定的工艺概念，构件制造方法进一步包括在淀积第一结构涂覆物层54之后进行热处理。可在淀积第二结构涂覆物层150且/或淀积额外的涂覆物层之后执行额外的热处理。例如，在金属涂覆物的情况下，被涂覆的构件100可在淀积第二结构涂覆物层150之后被加热至约0.7-0.9Tm的范围中的温度，其中Tm是以开尔文度为单位的涂覆物的熔化温度。有益的是，该热处理促进了两个结构涂覆物层54、150的相互扩散和后续附着，从而减少了在通道边缘处有界面缺陷的可能性。

现在参照图19，如序列号为No.12/966,101的美国专利申请中所论述，结构涂覆物54、150之间的界面区域和在冷却通道的上边缘处的下面的衬底材料的完整性对于冷却通道的耐久性是重要的。有益的是，使用两个结构涂覆物层改进了关键的通道界面区域处的材料性质与微观结构的匹配。这增强了涂覆物和衬底之间的结合，从而增强了冷却通道的耐久性。

有益的是，上述方法为按分立元件处理膜孔提供了定位和形成的方便。另外，上述方法不专门依靠涂覆物厚度来限定膜孔，并且因而克服了与最小的L/D相关联的某些典型的实践限制，其中L和D为膜孔的长度和直径。此外，上述方法提供了用于形成膜孔的经济的手段，因为膜孔的最终形成通过应用磨蚀性液体射流来完成。

参照图2-图8、图11以及图16-图20描述构件100。例如，如图3中所指示，构件100包括衬底110，该衬底110包括外表面112和内表面116。上面描述了衬底110。例如，如图3和图20中所指示，外表面112限定一个或多个凹槽132和一个或多个流出区域172。对于图20中所示的示例构造，衬底110的外表面112进一步针对各个凹槽132限定一个或多个额外的流出区域172。有益的是，多流出区域构造(例如图20中所示的)可便利地定位成和形成为离开任何冷却通道，带有所期望的局部定向，并且出口成形为提供增强的膜效果。

例如，如图4中所指示，各个凹槽132至少部分地沿着衬底110的外表面112延伸，并且具有基部134和排出端170，而各个流出区域172邻近相应凹槽132的排出端170。例如，如图6中所指示，涂覆物150设置在衬底110的外表面112的至少一部分上面，使得凹槽(一个或多个)132和涂覆物150共同限定用于冷却构件100的一个或多个通道130。

如美国专利No.5,626,462中所论述，用于形成涂覆物150的材料包括任何合适的材料。对于被冷却的涡轮构件100的情况，结构涂覆材料必须能够经受高达约1150℃的温度，而热障涂覆物(TBC)能够经受高达约1425℃的温度。结构涂覆物必须可兼容衬底110的翼型形状的外表面112并适于结合至该外表面112上，如Bunker等人的序列号为No.12/943,563的美国专利申请“Methodoffabricatingacomponentusingafugitivecoating(使用短效涂覆物来制造构件的方法)”中所论述。

如美国专利No.5,626,462中所论述(其中衬底材料是含有γ相和γ′相两者的镍基超合金)，用于结构涂覆物的材料可包括类似于衬底的材料的组分。涂覆物材料和衬底110材料的这种组合对于特定应用是优选的，例如在运行环境的最高温度(即气体温度)类似于现有发动机的最高温度(例如，低于1650℃)时。在其中衬底材料为Nb基合金、NiAl基金属间合金或TiAl基金属间合金的情况下，结构涂覆物层同样可包括类似的材料组分。

如美国专利No.5,626,462中所论述，对于其它应用，例如施加使得单片金属涂覆物或金属间合金涂覆物的使用不适宜的温度、环境或其它约束的应用，优选结构涂覆物包括复合物。复合物可由金属间合金相和金属合金相的混合物或者金属间相的混合物组成。取决于构件100的需求，金属合金可为与用于衬底110的合金相同的合金，或是不同的材料。此外，两个组成相必须是在化学方面可兼容的，如Bunker等人的序列号为No.12/943,563的美国专利申请中所论述。也注意到，在给定的涂覆物内，还可使用多种复合物，并且这些复合物不限于两种材料或两种相的组合。关于示例结构涂覆材料的另外的细节在美国专利No.5,626,462中提供。

对于图2中所示的示例布置，衬底110的内表面116限定至少一个中空的内部空间114。例如，如图3中所指示，一个或多个进入孔140延伸通过相应的凹槽132的基部134而将凹槽132布置成与中空内部空间(一个或多个)114处于流体连通，例如如图2和图16中所指示。上面描述了进入孔140。

取决于应用，流出区域172可具有多种几何结构和尺寸。如上所论述，对于特定的布置，流出区域172被设计得足够宽，使得涂覆物150不跨接流出区域172。对于图7和图8中的俯视图中所示的示例布置，流出区域(由图7和图8中的覆盖区域176指示)比相应的凹槽(由图7和图8中的通道130指示)更宽。对于图5中所示的示例构造，涂覆物150不跨接流出区域172，使得流出区域172为相应的凹槽132形成膜孔(由图6中的参考标号174指示)。膜孔174可为圆形孔或非圆形孔。

凹槽132可具有多种几何结构和尺寸。如上所述，对于特定的布置，各个凹槽的基部134比顶部136更宽，使得各个凹槽132包括凹腔形的凹槽132。如在序列号为No.12/943,624的美国专利申请中参照其图7和图11所论述的，并且如下面更加详细地论述的，对于某些构造，涂覆物150完全跨接相应的凹槽132，使得涂覆物150密封相应的冷却凹槽130。对于其它布置，涂覆物150限定一个或多个多孔空隙(也称为“可渗透槽口”)，例如涂覆物150中的多孔结构或涂覆物中的空隙，使得涂覆物150不完全跨接各个相应的凹槽132。当应用结构涂覆物并且其积聚一定厚度时，可渗透槽口(多孔空隙)典型地具有不规则的几何结构，空隙的宽度不同。当第一结构涂覆物层应用至衬底110时，随着结构涂覆物积聚，空隙的宽度可大致从通道130的顶部136的宽度收窄。对于特定的示例，空隙的宽度在其最窄点处为相应的通道顶部136的宽度的5％至20％。另外，可渗透槽口可为多孔的，在该情况下，“多孔的”空隙可具有一些连接部，即一些没有空隙的点或位置。取决于它们的具体功能，可渗透槽口可延伸或者(1)通过所有涂覆物层，或者(2)通过一些而不是所有涂覆物，例如，可渗透槽口可形成于一个或多个涂覆物层中，随后淀积的层跨接槽口，从而有效地密封槽口。在序列号为No.12/943,624的美国专利申请且在序列号为No.12/966,101的美国专利申请中论述了可渗透槽口。有益的是，槽口为涂覆物150提供了应力释放。另外，当可渗透槽口延伸通过所有涂覆物时，可渗透槽口可用作冷却手段，即，对于这种构造，可渗透槽口构造成将冷却剂流体从相应的通道130输送至构件的外表面。此外，当可渗透槽口被上部涂覆物跨接时，在那些涂覆物被损坏或破碎的情况下，可渗透槽口可用作被动冷却手段。

对于某些布置，凹槽132为凹腔形，而流出区域172不是凹腔形。对于图7中所示的布置，流出区域172比相应的凹槽132的顶部136更宽。对于特定的构造，涂覆物150不跨接流出区域(一个或多个)172，使得各个流出区域172为相应的凹槽132形成膜孔174(图6)。

流出区域172相对于凹槽的定向可取决于应用而有所不同。对于图7和图8中所指示的布置，各个流出区域172与相应的凹槽132共线。对于图3中所示的布置，各个流出区域172相对于相应的凹槽132以角度α进行定向。另外，流出区域172的几何结构可取决于应用而有所不同。

如图7和图8中所指示，流出区域172的覆盖区域176可基于应用而有所不同。对于图8中所示的示例构造，各个流出区域172的覆盖区域176在相应凹槽132的排出端170处较窄，而在流出区域172的相对端178处较宽，使得流出区域172形成扩散膜孔174。

如上参照图17-图19所论述的，对于特定构造，涂覆物至少包括第一结构涂覆物层54和第二结构涂覆物层56。例如，如图18和图19中所指示，第一结构涂覆物层54不在凹槽(一个或多个)132上面延伸，也不在流出区域(一个或多个)172上面延伸。例如，如图19中所指示，第二结构涂覆物层56设置在第一结构涂覆物层54上面并在凹槽(一个或多个)132上面延伸，使得凹槽(一个或多个)132和第二结构涂覆物层56共同限定冷却通道(一个或多个)130。

有益的是，上述方法和构件促进经济地形成用于允许冷却剂离开相应的冷却通道的膜孔。此外，由于涂覆物相对于期望膜孔尺寸有有限的总厚度的原因，上述技术克服了将在当前情况下(即形成用于冷却通道130的膜孔，这与形成延伸通过衬底110直至内部114的膜孔相反)出现的关于L/D比(其中L和D分别是膜孔的长度)的某些典型的设计实践局限。合乎需要地，上述技术通过形成流出区域而克服该局限。

虽然本文中仅仅示出且描述了本发明的某些特征，但是本领域技术人员将会想到许多修改和变化。因此，将懂得，所附的权利要求意图覆盖所有落入本发明的真实要旨内的所有这样的修改和变化。

Claims

1.一种制造带有通道的构件的方法，所述方法包括：

在衬底的外表面中形成一个或多个凹槽，其中，所述一个或多个凹槽中各个凹槽至少部分地沿着所述衬底的所述外表面延伸，并具有基部、顶部以及至少一个排出点；

形成邻近所述一个或多个凹槽中各个凹槽的所述排出点的流出区域，使得对于各个凹槽形成至少一个流出区域，以及使得各个流出区域从相应的凹槽的所述排出点延伸离开；以及

在所述衬底的所述外表面的至少一部分上面设置涂覆物，其中，所述一个或多个凹槽和所述涂覆物限定用于冷却所述构件的一个或多个通道，其中所述涂覆物不跨接所述各个流出区域，使得所述各个流出区域为所述一个或多个凹槽中所述相应的凹槽形成膜孔。

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在所述衬底的所述外表面中形成一个或多个凹槽和流出区域之前，铸造所述衬底。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过将磨蚀性液体射流指向所述衬底的所述外表面来形成所述一个或多个凹槽中各个凹槽，并且其中，使用所述磨蚀性液体射流来形成所述各个流出区域。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过将所述磨蚀性液体射流从所述衬底的所述外表面升高来形成所述各个流出区域，使得所述各个流出区域是斜的。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述衬底具有至少一个中空内部空间，所述方法进一步包括形成一个或多个进入孔，其中，各个进入孔形成为通过相应的凹槽的基部，以将所述凹槽连接成与相应的中空内部空间处于流体连通。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述各个流出区域比相应的凹槽更宽。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述涂覆物的一部分淀积在所述各个流出区域中，所述方法进一步包括移除淀积在所述各个流出区域中的所述涂覆物的至少一部分，使得所述各个流出区域为所述一个或多个凹槽中所述相应的凹槽形成膜孔。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，各个凹槽的所述基部比所述顶部更宽，使得各个凹槽包括凹腔形的凹槽，其中，没有流出区域是凹腔形的，其中，各个流出区域比相应的凹槽的所述顶部更宽，并且其中，所述涂覆物不跨接所述各个流出区域，使得各个流出区域为相应的凹槽形成膜孔。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，各个流出区域的覆盖区域在相应的凹槽的所述排出点处较窄，而在所述各个流出区域的相对端处较宽，使得所述各个流出区域形成扩散膜孔。

10.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：

在形成所述一个或多个凹槽之前，在所述衬底的所述外表面上淀积短效涂覆物，其中，借助于通过所述短效涂覆物而加工所述衬底来形成各个凹槽和流出区域；以及

在将所述涂覆物淀积在所述衬底的所述外表面上面之前，移除所述短效涂覆物。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

在移除所述短效涂覆物之前，用牺牲填料填充各个凹槽和各个流出区域；以及

在所述衬底的所述外表面上淀积所述涂覆物之后，从各个凹槽且从各个流出区域中移除所述牺牲填料。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述涂覆物包括外结构涂覆物层，所述方法进一步包括在形成所述一个或多个凹槽之前，将内结构涂覆物层淀积在所述衬底的所述外表面上，其中，借助于通过所述内结构涂覆物层而加工所述衬底来形成各个凹槽和流出区域。

13.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至少一个凹槽的相应的排出端处形成一个或多个额外的流出区域。

14.一种带有通道的构件，包括：

衬底，其包括外表面和内表面，其中，所述外表面限定一个或多个凹槽和一个或多个流出区域，其中，各个凹槽至少部分地沿着所述衬底的所述外表面延伸，并具有基部和至少一个排出点，并且其中，各个流出区域邻近所述一个或多个凹槽中相应的凹槽的相应的排出点；以及

涂覆物，其设置在所述衬底的所述外表面的至少一部分上面，使得所述一个或多个凹槽和所述涂覆物共同限定用于冷却所述构件的一个或多个通道，其中所述涂覆物不跨接所述一个或多个流出区域，使得所述一个或多个流出区域中各个流出区域为所述一个或多个凹槽中所述相应的凹槽形成膜孔。

15.根据权利要求14所述的构件，其特征在于，所述内表面限定至少一个中空内部空间，并且其中，一个或多个进入孔延伸通过所述一个或多个凹槽中的相应的所述基部，以将所述凹槽布置成与所述至少一个中空内部空间处于流体连通。

16.根据权利要求14所述的构件，其特征在于，所述各个流出区域比相应的凹槽的顶部更宽。

17.根据权利要求14所述的构件，其特征在于，各个凹槽的所述基部比顶部更宽，使得各个凹槽包括凹腔形的凹槽。

18.根据权利要求17所述的构件，其特征在于，所述涂覆物完全跨接相应的一个或多个凹槽，使得所述涂覆物密封相应的通道。

19.根据权利要求17所述的构件，其特征在于，所述涂覆物限定一个或多个多孔空隙，使得所述涂覆物不完全跨接各个凹槽。

20.根据权利要求17所述的构件，其特征在于，没有流出区域是凹腔形的，其中，各个流出区域比相应的凹槽的所述顶部更宽，并且其中，所述涂覆物不跨接所述一个或多个流出区域，使得各个流出区域为相应的凹槽形成膜孔。

21.根据权利要求14所述的构件，其特征在于，各个流出区域与相应的凹槽共线。

22.根据权利要求14所述的构件，其特征在于，各个流出区域定向成相对于相应的凹槽成角度α。

23.根据权利要求14所述的构件，其特征在于，各个流出区域的覆盖区域在相应的凹槽的所述排出点处较窄，而在所述各个流出区域的相对端处较宽，使得所述各个流出区域形成扩散膜孔。

24.根据权利要求14所述的构件，其特征在于，所述涂覆物至少包括第一结构涂覆物层和第二结构涂覆物层，其中所述第一结构涂覆物层不在所述一个或多个凹槽上面延伸，也不在所述一个或多个流出区域上面延伸，并且其中，所述第二结构涂覆物层设置在所述第一结构涂覆物层上面且在所述一个或多个凹槽上面延伸，使得所述一个或多个凹槽和所述第二结构涂覆物层共同限定所述通道。

25.根据权利要求14所述的构件，其特征在于，所述衬底的所述外表面进一步为各个凹槽限定一个或多个额外的流出区域。