CN102785058A - 具有精确表面通道的部件和混合加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有精确表面通道的部件和混合加工方法。所述方法包括使用第一加工技术，在基件的外表面中形成一个或多个初步凹槽。每个初步凹槽具有底部、且至少部分沿所述基件的所述外表面延伸，且所述基件具有内表面，所述内表面设有至少一个内部空腔。所述方法进一步包括使用第二加工技术对所述初步凹槽进行进一步加工，以形成相应凹槽。此外，所述方法包括形成一个或多个进入孔，所述进入孔穿过相应凹槽的底部，以将相应凹槽与相应的内部空腔以流连通方式连接。本发明还提供具有凹槽的部件，其特征在于，侧壁半径R在0＜R＜0.127毫米的范围内。

Description

具有精确表面通道的部件和混合加工方法
技术领域
本发明大体涉及燃气涡轮发动机，确切地说，涉及燃气涡轮发动机中的微通道冷却。
背景技术
在燃气涡轮发动机中，空气在压缩机中压缩，随后在燃烧室中与燃料混合，以产生热燃烧气体。从高压涡轮机(HPT)的气体中获得的能量可驱动压缩机，从低压涡轮机(LPT)的气体中获得的能量可驱动涡轮风扇式飞机发动机应用中的风扇，也可驱动船舶和工业应用中的外轴。
发动机效率随燃烧气体温度的升高而增加。但燃烧气体会加热相应流动通道/流路中的各种部件，因此，需要进行冷却以延长发动机的寿命。通常情况下，通过从压缩机中排出的空气来冷却热气通道部件。由于排出的空气并未用于燃烧过程中，因此，该冷却过程降低了发动机效率。
燃气涡轮发动机冷却技术已较为成熟，且包括针对各种热气通道部件中冷却回路和特征的各个方面的多项专利。例如，燃烧室包括径向的外部和内部衬里/衬管，这些外部和内部衬垫需要在操作中进行冷却。涡轮机喷嘴包括支撑在外带(outer bands)与内带(inner bands)之间的空心叶片，也需要进行冷却。涡轮机转子叶片是空心的，其中通常包括冷却回路，且叶片被涡轮机防护罩环绕，其同样需要进行冷却。热燃烧气体经由排气装置排出，所述排气装置也可设有衬垫/衬里且进行适当的冷却。
在所有此类示例性燃气涡轮发动机部件中，通常使用由高强度超耐热合金构成的薄金属壁来增加耐久性，同时最大限度地降低此类部件的冷却需求。各种冷却回路和特征可针对处于发动机中的相应环境中的此类特殊部件进行适当调整。例如，可在热气通道部件中形成一系列的内部冷却通道，即蛇形通道(serpentines)。可将冷却流体从高压间提供到蛇形通道，所述冷却流体将流过所述通道，从而冷却热气通道部件的基件和涂层。但是，这种冷却策略通常导致传热速度相对较低，部件温度分布/轮廓不均。
通过使冷却尽可能接近受热区域，微通道冷却有可能能显著降低冷却需求，从而在传热速度给定的情况下，降低主承载基件材料的热侧与冷侧的温度差。但是，为实现微通道冷却，通道应具有锐边(sharp edges)，以有助于以无裂缝方式镀覆(flaw free deposition)第一金属(结构)涂层，以及减少或消除可能导致开裂的交界面空隙。
因此，需要提供一种方法，用于形成具有锐边的微通道，以有助于以无裂缝方式镀覆第一结构涂层，以及减少或消除可能导致开裂的交界面空隙。此外，还需要提供一种方法，用于形成制程时间缩短、通道到通道之间变化减小的微通道。
发明内容
本发明的一方面提供一种用于在部件中形成一个或多个凹槽的方法。所述方法包括使用第一加工技术，在基件的外表面中形成一个或多个初步凹槽。每个初步凹槽具有底部、且至少部分沿所述基件的所述外表面延伸，且所述基件具有内表面，所述内表面设有至少一个内部空腔。所述方法进一步包括使用第二加工技术对所述初步凹槽进行进一步加工，以形成相应凹槽。此外，所述方法包括形成一个或多个进入孔，所述进入孔穿过相应凹槽的底部，以将相应凹槽与相应的内部空腔以流连通或称液体连通的方式连接。
所述方法进一步包括在所述基件的所述外表面中形成所述一个或多个初步凹槽之前，铸造所述基件。所述第一加工技术包括磨蚀性液体喷射，且其中所述一个或多个初步凹槽通过使磨蚀性液体射流作用于所述基件的所述外表面形成。所述第二加工技术系由以下项组成的群组中选出：电化学加工(ECM)、电火花加工(EDM)、使用自转电极的电火花加工(铣削EDM)、以及激光加工(激光钻孔)。所述第二加工技术包括铣削EDM。所述一个或多个凹槽中的每个凹槽具有顶部，其中使用所述磨蚀性液体喷射形成的所述一个或多个初步凹槽中的每个凹槽具有宽于所述顶部的底部，以使所述一个或多个初步凹槽中的每个凹槽包括内曲形初步凹槽，且其中所述凹槽的所述底部宽于所述顶部，以使所述一个或多个凹槽中的每个凹槽包括内曲形凹槽。
所述方法进一步包括：在实施所述第一加工技术之前，将短效涂层镀覆到所述基件的所述外表面上，其中所述基件通过所述短效涂层进行加工，且其中所述加工在所述短效涂层中形成一个或多个开口；和在实施所述第二加工技术之后移除所述短效涂层。所述方法进一步包括在形成所述一个或多个初步凹槽之前，将结构涂层镀覆到所述基件的所述外表面上，其中所述一个或多个初步凹槽的形成方法是，实施所述第一加工技术以经由所述结构涂层进行加工，从而在所述结构涂层中形成一个或多个开口；且其中所述一个或多个凹槽的形成方法是，经由所述结构涂层中的所述一个或多个开口实施所述第二加工技术。所述方法进一步包括在镀覆所述结构涂层之后进行热处理。所述结构涂层通过实施以下项中的一项或多项形成：等离子体镀覆、热喷镀方法和冷喷镀方法。所述方法进一步包括：在实施所述第一加工技术之前，将短效涂层镀覆到所述结构涂层上，其中所述基件和所述结构涂层通过所述短效涂层进行加工，且其中所述加工在所述短效涂层中形成一个或多个开口；和在实施所述第二加工技术之后移除所述短效涂层。
本发明的另一方面在于提供一种用于在部件中形成一个或多个凹槽的方法。所述方法包括将结构涂层镀覆到基件的外表面上，其中所述基件具有至少一个内部空腔。所述方法进一步包括使用第一加工技术，在所述结构涂层中形成一个或多个初步凹槽。每个初步凹槽具有底部、且至少部分沿所述基件延伸。所述方法进一步包括使用第二加工技术对所述初步凹槽进行进一步加工，以在所述结构涂层中形成相应的一个或多个凹槽。此外，所述方法包括形成一个或多个进入孔，所述进入孔穿过相应凹槽的底部，以将相应凹槽与相应的内部空腔以流连通方式连接。
所述方法进一步包括在所述结构涂层中形成所述一个或多个初步凹槽之前，铸造所述基件。所述第一加工技术包括磨蚀性液体喷射，且其中所述一个或多个初步凹槽通过使磨蚀性液体射流作用于所述结构涂层形成。所述第二加工技术系由以下项组成的群组中选出：电化学加工(ECM)、电火花加工(EDM)、使用自转电极的电火花加工(铣削EDM)、以及激光加工(激光钻孔)。所述第二加工技术包括铣削EDM。所述一个或多个凹槽中的每个凹槽具有顶部，其中使用所述磨蚀性液体喷射形成的所述一个或多个初步凹槽中的每个凹槽具有宽于所述顶部的底部，以使所述一个或多个初步凹槽中的每个凹槽包括内曲形初步凹槽；且其中所述凹槽的所述底部宽于所述顶部，以使所述一个或多个凹槽中的每个凹槽包括内曲形凹槽。
所述方法进一步包括：在实施所述第一加工技术之前，将短效涂层镀覆到所述结构涂层上，其中所述结构涂层通过所述短效涂层进行加工，且其中所述加工在所述短效涂层中形成一个或多个开口；和在实施所述第二加工技术之后移除所述短效涂层。所述方法进一步包括在镀覆所述结构涂层之后进行热处理。所述结构涂层通过实施以下项中的一项或多项进行镀覆：等离子体镀覆、热喷镀方法和冷喷镀方法。使用所述第一和第二加工技术的至少一个步骤包括加工到所述基件内，以使所述一个或多个凹槽延伸到所述基件内。
本发明的另一方面在于提供一种部件，所述部件包括具有外表面和内表面的基件，其中所述内表面设有至少一个内部空腔。所述外表面设有一个或多个凹槽，且每个凹槽至少部分沿所述基件的所述外表面延伸、且具有底部。每个凹槽的特征在于，侧壁半径R在0＜R＜0.127毫米的范围内。一个或多个进入孔穿过相应凹槽的底部，以使所述凹槽与相应的内部空腔流连通。所述部件进一步包括涂层，其设置在所述基件的所述外表面的至少一部分上且在凹槽上方延伸，以使所述凹槽与所述涂层一起形成用于冷却所述部件的一个或多个通道。
所述一个或多个凹槽中的每个凹槽具有顶部，其中所述底部宽于所述顶部，以使所述一个或多个凹槽中的每个凹槽包括内曲形凹槽。所述涂层至少包括第一和第二结构涂层，其中所述第一结构涂层不在所述一个或多个凹槽上延伸，且其中所述第二结构涂层设置在所述第一结构涂层上、且在所述一个或多个凹槽上延伸，以使所述一个或多个凹槽和所述第二结构涂层一起形成所述一个或多个冷却通道。
本发明的另一方面在于提供一种部件，所述部件包括具有外表面和内表面的基件，其中所述内表面设有至少一个内部空腔。所述部件进一步包括设置在所述基件的所述外表面的至少一部分上的结构涂层。所述结构涂层设有一个或多个凹槽，每个凹槽至少部分沿所述基件延伸、且具有底部。一个或多个进入孔穿过相应凹槽的所述底部，以使所述凹槽与相应的内部空腔流连通。每个凹槽的特征在于，侧壁半径R在0＜R＜0.127毫米的范围内。所述部件进一步包括至少一个附加涂层，其设置在所述结构涂层上方和所述凹槽上方，以使所述凹槽与所述附加涂层一起构成用于冷却所述部件的一个或多个通道。至少一个出口孔穿过每个相应通道的附加涂层，以从所述相应通道接收并排出冷却剂流体。
所述一个或多个凹槽中的每个凹槽具有顶部，其中所述底部宽于所述顶部，以使所述一个或多个凹槽中的每个凹槽包括内曲形凹槽。所述附加涂层包括第二结构涂层。所述凹槽穿过所述结构涂层延伸到所述基件中。
附图说明
在参阅附图阅读以下具体说明后，可更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，在附图中，类似的符号代表所有附图中类似的部分，其中：
图1是燃气涡轮机系统的示意图；
图2是具有冷却通道的翼片构造实例的截面示意图；
图3到图5是根据本发明各方面内容，使用混合加工方法在基件中形成凹槽的方法步骤的示意图；
图6到图8是根据本发明各方面内容，使用混合加工方法在基件中形成内曲凹槽(re-entrant grooves)的方法步骤的示意图；
图9到图11是根据本发明各方面内容，通过混合加工方法用短效涂(fugitive coating)层在基件中形成凹槽的方法步骤的示意图；
图12到图15是根据本发明各方面内容，使用混合加工方法通过结构涂层在基件中形成凹槽的方法步骤的示意图；
图16到图18是根据本发明各方面内容，使用混合加工方法在结构涂层中形成凹槽的方法步骤的示意图；
图19以示意图方式描绘三个通道实例的透视图，其中所述通道形成于所述基件中、且将冷却剂输送到相应的薄膜冷却孔；
图20是图19所示通道实例中的一个通道的截面图，其中显示了将冷却剂从进入孔输送到薄膜冷却孔的微通道；以及
图21是根据本发明各方面内容的形成于结构涂层中、具有冷却通道的翼片构造实例的截面示意图。
元件符号列表：
  参考标号   部件   参考标号   部件
  10   燃气涡轮机系统   12   压缩机
  14   燃烧室   16   涡轮机
  18   轴   20   燃料喷嘴
  30   短效涂层   32   牺牲性填料
  34   短效涂层中的开口   50   涂层
  54   第一结构涂层   56   第二结构涂层
  58   形成于第一结构涂层中的开口   80   热气通道流
  100   热气通道部件   110   基件
  112   基件的外表面   114   内部空腔
  116   基件的内表面   130   通道
  131   初步凹槽   132   凹槽
  134   凹槽的底部   135   凹槽/通道的侧壁
  136   凹槽的顶部(开口)   140   进入孔
  142   薄膜孔   160   磨蚀性液体射流
  165   自转电极(用于铣削EDM)   234   初步凹槽的底部
  236   初步凹槽的顶部
具体实施方式
本说明书所用术语“第一”、“第二”等并不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于区别不同的元件。本说明书所用术语“一”和“一个”并不表示数量限制，而是表示存在参考项中的至少一项。与数量有关的限定词“约”包括设定值，并具有上下文所指示的意义(例如，包括与特定数量的测量有关的误差度)。此外，术语“组合物”包括掺合物、混合物、合金、反应产物等。
另外，在本说明书中，后缀“(s)”通常意图包括所限定术语的单数和复数，因此，可包括该术语的一个或多个(例如，除非另有说明，否则“流通孔”可包括一个或多个流通孔)。说明书全文中提及的“一项实施例”、“另一项实施例”、“一实施例”等是指本说明书所述的至少一项实施例中包括结合所述实施例描述的特定元素(例如，特征、结构和/或特性)，所述特定元素可存在或可不存在于其他实施例中。此外，应了解，所述发明特征可在多项实施例中以任意合适的方式进行组合。
图1为燃气涡轮机系统10的示意图。所述系统10可包括一个或多个压缩机12、燃烧室14、涡轮机16和燃料喷嘴20。压缩机12和涡轮机16可通过一个或多个轴18连接。轴18可为单轴或连接在一起形成轴18的多轴段。
燃气涡轮机系统10可包括多个热气通道部件100。热气通道部件是系统10的任意部件，其至少部分暴露于流经系统10的高温气流中。例如，动叶片组件(也称为叶片或叶片组件)、喷嘴组件(也称为轮叶或轮叶组件)、防护罩组件、过渡件、固定环和压缩机排气部件均属于热气通道部件。但应了解，本发明的热气通道部件100并不限于上述实例，可以是至少部分暴露于高温气流中的任意部件。此外，应了解，本发明的热气通道部件100并不限于燃气涡轮机系统10中的部件，可以是暴露于高温气流的任意机械或部件。
当热气通道部件100暴露于热气流80时，热气通道部件100由热气流80加热，且可能达到使热气通道部件100发生故障的温度。因此，为了让系统10在高温的热气流80下进行操作，从而提高系统10的效率和性能，需要一种用于热气通道部件100的冷却系统。
通常情况下，本发明的冷却系统包括一系列小通道或微通道，其形成于热气通道部件100的表面中。对于工业尺寸的发电涡轮机部件，“小”或“微”通道尺寸可能包括0.25毫米到1.5毫米范围内的近似深度和宽度，而对于航空尺寸的涡轮机部件，通道尺寸可能包括0.15毫米到0.5毫米范围内的近似深度和宽度。热气通道部件可设有保护层(cover layer)。可将冷却流体从高压间提供到所述通道，所述冷却流体将流过所述通道以冷却保护层。
参阅图2到图15来描述在部件100中形成一个或多个凹槽132的方法。如图所示，例如，在图3中，所述方法包括使用第一加工技术，在基件110的外表面112中形成一个或多个初步凹槽131。对于图3所示的具体实例，使用磨蚀性液体射流(abrasive liquid jet)160来形成初步凹槽，该技术将在下面详细说明。如图4所示，每个初步凹槽131具有底部134，且例如如图19和图20所示，每个初步凹槽131至少部分沿基件110的外表面112延伸。如图所示，例如在图2中，基件110具有内表面116，所述内表面116设有至少一个内部空腔114。
在基件110的表面112中形成初步凹槽131之前，通常对基件110进行铸造。根据第5,626,462号美国专利案中的介绍，基件110可由任何合适的材料构成。根据部件100的预期应用，所述材料可包括镍基、钴基和铁基超耐热合金。镍基超耐热合金可以是那些含有γ和γ′相的材料，特别是那些含有γ和γ′相的镍基超耐热合金，其中γ′相占据所述超耐热合金总量的至少40％。由于此类合金同时具有各种理想性质(包括高温强度和高温抗蠕变性)，因此非常具有优势。基件材料还可包括镍铝金属间合金，因为公认这些合金同时具有多种优良性质，包括高温强度和高温抗蠕变性，这些优良性质使此类合金在用于飞机的涡轮发动机应用中极具优势。在使用铌基合金的情况下，将优选使用抗氧化性优良的涂覆有铌基的合金，尤其是那些包括Nb-(27-40)Ti-(4.5-10.5)Al-(4.5-7.9)Cr-(1.5-5.5)Hf-(0-6)V的合金(其中组成范围以原子百分比表示)。基件材料还可包括铌基合金，所述铌基合金含有至少一个次生相(secondary phase)，例如，包括硅化物、碳化物或硼化物的含铌金属间化合物。此类合金是延性相(ductilephase)(即铌基)和强化相(即含铌金属间化合物)的合成物。对于其他布置，基件材料包括钼基合金，例如具有Mo5SiB2和Mo3Si第二相的钼基合金(固溶体(solid solution))。对于其他构造，基件材料包括陶瓷基合成物，例如用SiC纤维进行强化的碳化硅(SiC)基质。对于其他构造，基件材料包括钛铝基金属间化合物。
如图所示，例如在图4中，所述方法进一步包括使用第二加工技术对一个或多个初步凹槽131进行进一步加工，以形成相应的一个或多个凹槽132。对于图4所示的具体实例，使用自转电极(spinningelectrode)165来通过铣削电火花加工(EDM)对初步凹槽进行进一步加工，如下所述。
对于图5所示的方法实例，部件制造方法进一步包括形成一个或多个进入孔140，所述进入孔140穿过凹槽132中的相应凹槽的底部134，以使凹槽132与相应的内部空腔114之间形成流连通。进入孔140通常在已形成初步凹槽131后形成，但在第一加工操作之前形成，或在第一与第二加工操作之间形成。进入孔140的截面通常成圆形或椭圆形，且例如，可使用以下项中的一项或多项形成：激光加工(激光钻孔)、磨蚀性液体喷射、EDM和电子束钻孔。进入孔140可使用第一或第二加工技术，或使用诸如激光钻孔等其它加工技术形成。进入孔140可垂直于相应凹槽132的底部134(如图5所示)，一般而言，可以与凹槽底部134成20度到90度角的方式进行钻孔。
如上所述，对于图5所示的方法实例，第一加工技术包括磨蚀性液体喷射，且初步凹槽131通过使磨蚀性液体射流160作用于基件110的外表面112而形成。2010年5月28日递交的标题为“包括人字纹薄膜冷却孔的物件以及相关方法(Articles which include chevron filmcooling holes，and related processes)”的共同转让的第12/790,675号美国专利申请案中提供了水力喷射钻孔方法和系统的实例，其中所述美国专利申请以全文引用方式并入本专利申请中。如第12/790,675号美国专利申请案所述，水力喷射方法通常使用高速磨蚀颗粒(例如磨蚀“沙粒”)流，其中所述磨蚀颗粒悬浮于高压水流中。水压可显著变化，但通常在约35至620MPa范围内变动。可使用多种磨蚀材料，例如石榴石、氧化铝、碳化硅和玻璃珠。
此外，如第12/790,675号美国专利申请所述，水力喷射系统可包括多轴计算机数控(CNC)单元。所述CNC系统为现有技术已知，并在例如第2005/0013926号已公开的美国专利申请(S·鲁科斯基(S.Rutkowski)等人)中进行了描述，所述美国专利申请以引用方式并入本说明书中。CNC系统可使切削工具沿着多个X、Y和Z轴以及旋转轴移动。有利地，初步凹槽131可通过以高达每秒2.5厘米的线速度使磨蚀性液体射流用于形成截面面积约为0.75毫米乘0.75毫米的通道。但由于使用磨蚀性液体喷射形成的初步凹槽131可能不具有高精度和均匀的宽度，同时凹槽-涂层交界面上可能缺少所需的锐边，因此使用第二加工技术来对凹槽132进行精加工。
可使用各种加工方法来用作第二加工技术。例如，第二加工技术可在由下列各项组成的群组中选出：电化学加工(ECM)、EDM、铣削EDM(采用自转电极165的EDM)和激光加工(激光钻孔)。具体而言，如果选择ECM，可经由电绝缘防护罩进行蚀刻、或进行倾入(plunge)ECM。标题为“冷却通道和制造方法”的第6,644,921号美国专利(邦克(Bunker)等人)对受脉冲作用的ECM方法进行描述，其中所述美国专利以引用方式并入本说明书中。简言之，受脉冲作用的ECM以下列方式使用ECM方法：用具有图案化防护罩的电极来阻止在无需移除材料的区域中进行加工。对于倾入ECM，无需使用防护罩。如果使用防护罩，则所述方法进一步包括在执行第一加工操作之前，将电绝缘防护罩(未图示)镀覆在基件上；使用磨蚀性液体喷射形成初步凹槽；以及随后经由所述防护罩进行蚀刻以形成凹槽。如上所述，第6,644,921号美国专利描述了通过经由防护罩进行蚀刻来完成ECM。
在图3和图4所示的方法实例中，第二加工技术包括铣削EDM。有利地，铣削EDM可对在凹槽/涂层交界面上形成所需边缘进行良好地控制。对于特定方法，也使用铣削EDM来形成进入孔140。例如，初步凹槽131可使用磨蚀性液体喷射形成，如图3所示。随后，可使用铣削EDM来形成进入孔140，并对凹槽132进行抛光。或者，可使用铣削EDM来首先对凹槽132进行抛光/精加工，然后形成进入孔140。
如上所述，磨蚀性液体喷射系统可包括多轴CNC单元(未图示)。对于某种布置，可将自转电极165安装到加工平台或与液体射流160所用的类似的装置上。对于这些构造，可通过应用与液体喷射所用的类似的加工编程来对自转电极165进行控制，从而使自转电极沿通道行进，并对侧壁进行“清理”以使其垂直，以及除去液体喷射方法所产生的任何成圆角边缘(any edge radiusing)。这种铣削EDM方法可作为单个步骤对每个通道实施，其中铣削EDM工具直径足够大，以正好配合在通道内部。但是，由于液体喷射通道可能不具有高精度和均匀的宽度，因此铣削EDM可分两个阶段进行，在每个通道侧壁135上进行一次。在该后一种情况中，铣削EDM工具直径可以小得多，因此同样不影响重铸造的成型。这也将实现在通道宽度变化方面具有更大程度的自由度，从而使铣削EDM方法与紧密公差(tighttolerances)相分离。铣削EDM工具无需延伸到通道的底部，且对于特定实施例无需如此。铣削EDM操作的主要目标是在通道顶部形成锐边。因此，可对CNC进行编程以“除去”这些边缘，并使侧壁135的剩余部分略微不垂直，如图4和图5所示。也就是说，侧壁135可具有成预定几何形状的锐边，例如竖直或成角度。
有利地，基于铣削EDM的精确加工，该混合加工方法提供磨蚀性液体喷射的速度(因此降低了制造成本)。通过这种方式，本发明方法提供所需的锐边，以有助于以无裂缝方式镀覆第一金属涂层。此外，可对这两项操作使用相似的部件基准点和编程，或者针对一项加工技术的编程可基于针对其他加工技术的编程。
图6到图8以示意图方式说明使用混合加工方法在基件110中形成内曲凹槽(re-entrant grooves)132的方法步骤。例如如图6所示，对于该方法，每个初步凹槽131是使用磨蚀性液体射流160形成的，且具有宽于顶部236的底部234，以使每个初步凹槽131包括成内曲形状(re-entrant shaped)的初步凹槽131。通过这种方式，磨蚀性液体射流160直接用于形成内曲形状的初步凹槽131。在形成内曲形状的初步凹槽131后，可使用各种加工方法来作为第二加工技术，包括ECM、EDM、铣削EDM(采用自转电极165的EDM)，和激光加工。对于图7所示的布置，使用铣削EDM来对内曲形凹槽132实施抛光或精加工操作。如图7所示，在加工操作之后，凹槽132的底部134宽于顶部136，以使每个凹槽132包括内曲形凹槽132。除了参阅图6和图7所述的方法之外，内曲凹槽可以通过形成作为开口凹槽的初步凹槽，例如如图3所示，然后使用EDM或另一加工技术来“抛光/精加工”上边缘，例如如图4所示，以及然后使用磨蚀性液体喷射来扩宽凹槽的底部，以使凹槽形成为内曲形。
内曲凹槽132在标题为“具有内曲形冷却通道的部件和制造方法(Components with re-entrant shaped cooling channels and methods ofmanufacture)”的第12/943,624号共同转让的美国专利申请(邦克(Bunker)等人)中有介绍，其中所述美国专利申请以全文引用方式并入本说明书中。有利地，使用内曲形凹槽可更容易地将涂层镀覆在横越凹槽顶部的位置，同时还能形成足够大的通道130，以满足部件100的冷却需求。对于特定构造，内曲形凹槽132中的相应凹槽的底部134的宽度至少是该相应凹槽132的顶部136的2倍。例如，如果凹槽132的底部134是0.75毫米宽，则对于构造，顶部136的宽度小于0.375毫米。对于更多特定构造，相应内曲形凹槽132的底部134的宽度至少是该相应凹槽132的顶部136的3倍，更确切地说，相应内曲形凹槽132的底部134的宽度是该相应凹槽132的顶部136的3到4倍。有利地，底部与顶部比(ratio)较大可增加微通道130的总冷却量，同时能够更容易地将涂层镀覆在横越凹槽顶部的位置。
图9到图11以示意图方式说明使用混合加工方法用短效涂层(fugitive coating)在基件110中形成凹槽132的方法步骤。例如如图9所示，该方法包括在执行第一加工操作之前，将短效涂层30镀覆在基件110的外表面112上。如图10和图11所示，对于该方法，经由短效涂层30对基件110进行加工，且所述加工在短效涂层30中形成一个或多个开口34。如标题为“使用短效涂层制造部件的方法(Methodof fabricating a component using a fugitive coating)”的第12/943,563号美国专利申请(邦克(Bunker)等人)所述，其中所述美国专利申请以全文引用方式并入本说明书中；短效涂层30用作形成通道的加工防护罩，且有助于使形成的冷却通道130在涂层交界面上具有锐利、且轮廓分明的边缘。
此外，部件制造方法可选择性地进一步包括在执行加工操作之前，对短效涂层30进行干燥、固化或烧结。对于特定的方法构造，镀覆在基件110上的短效涂层30的厚度在约0.5毫米到2.0毫米的范围内。在一项非限定性实例中，短效涂层30包括厚度为1毫米的基于聚合物的涂层。可使用各种镀覆技术来镀覆短效覆层30，包括粉末涂覆、静电涂覆、浸渍涂覆、旋涂、化学蒸镀，以及应用经过特别处理的带。具体而言，短效涂层基本均匀且能够附着，但不会在处理或后续移除的过程中危害基件110。
对于特定方法构造，使用粉末涂覆或静电涂覆来镀覆短效涂层30。对于方法构造实例，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，例如吡啶(pyridine)，该涂层可使用化学蒸镀的方法进行镀覆。其他基于聚合物的涂层材料实例包括树脂，例如聚酯(polyester)或环氧树脂(epoxies)。树脂实例包括光固化树脂，例如光固化或紫外线固化树脂，这些树脂非限定性实例包括紫外线/可见光固化掩蔽树脂(UV/Visible light curable maskingresin)，其由DYMAX公司通过商标Speedmask 729
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来进行销售，该公司在美国康涅狄格州的托灵顿(Torrington，Connecticut)具有营业地点.在这种情况下，所述方法进一步包括在执行加工操作之前，对光固化树脂30进行固化。对于其他方法/制程构造，短效涂层30包括含碳材料(carbonaceous material)。例如，短效涂层30可包括石墨涂料。聚乙烯(polyethylene)是另一项涂层材料实例。对于其他方法构造，短效涂层30可以是镀覆到基件110上的搪瓷涂层(enameled)。
短效涂层30在实施第二加工技术后移除，且应了解，短效涂层可在形成进入孔140(图5)之前或之后移除。根据具体材料和方法，短效涂层30可使用机械方法(例如磨光)、热方法(例如燃烧)、基于等离子体的方法(例如等离子体蚀刻)，或化学方法(例如在溶剂中溶解)来移除，或使用这些项的组合来移除。
图12到图15以示意图方式说明使用混合加工方法经由结构涂层54在基件110中形成凹槽132的方法步骤。例如如图12所示，该方法包括在形成初步凹槽131之前，将结构涂层54镀覆在基件110的外表面112上。第5,640,767号美国专利和第5,626,462号美国专利提供了结构涂层的实例，其中所述美国专利以全文引用方式并入本说明书中。如第5,626,426号美国专利所述，结构涂层粘接到基件110的表面112的各部分。对于实例构造，结构涂层54的厚度小于约1.0毫米，确切地说，小于约0.5毫米。例如，使用等离子体镀覆形成的结构涂层54的厚度可能小于约0.5毫米，但对于热等离子体喷涂(例如高速氧燃料)涂层，结构涂层54的厚度可能小于约1毫米。
结构涂层可通过各种技术进行镀覆。对于特定方法，结构涂层通过等离子体镀覆(阴极电弧)来进行镀覆。在共同转让的标题为“阴极电弧等离子体镀覆的方法和设备(Method and apparatus for cathodicarc ion plasma deposition)”的第20080138529号已公开的美国专利申请(维弗尔(Weaver)等人)中提供了阴极电弧等离子体镀覆的方法和设备实例，该美国专利申请以全文引用方式并入本说明书中。简言之，等离子体镀覆包括将由涂层材料形成的阴极放置到真空室内的真空环境中，在真空环境中提供基底110，并向阴极供应电流以在阴极表面形成阴极电弧，从而通过电弧使涂层材料在阴极表面腐蚀，及将阴极的涂层材料镀覆在基件表面112上。
对于某些热气通道部件100，结构涂层包括镍基或钴基合金，具体而言，包括超耐热合金或(镍钴)铬铝钇((NiCo)CrAlY)合金。例如，如果基件材料是含有γ和γ′相的镍基超耐热合金，则结构涂层可包括相同的材料成分，如下面参阅第5,626,462号美国专利详细描述。
对于特定的方法构造，结构涂层通过热喷镀方法和冷喷镀方法中的至少一项进行镀覆。例如，热喷镀方法可包括燃烧喷镀或等离子体喷镀，燃烧喷镀可包括高速氧燃料喷镀(HVOF)或高速空气燃料喷镀(HVAF)，且等离子体喷镀可包括大气(例如空气或惰性气体)等离子体喷镀，或低压等离子体喷镀(LPPS，也称为真空等离子体喷镀或VPS)。在一项非限制性实例中，NiCrAlY涂层可通过HVOF或HVAF进行镀覆。用于镀覆结构涂层的另一技术实例包括，但不限于，喷镀、电子束物理蒸镀(electron beam physical vapor deposition)、无电镀，以及电镀。此外，所述方法可选择性地进一步包括在镀覆结构涂层54之后、且在执行加工操作之前，进行热处理。
如图13所示，对于所图示的方法，初步凹槽131的形成方法是，实施第一加工技术，以经由结构涂层54进行加工，从而在结构涂层54中形成一个或多个开口58。尽管未明确显示，初步凹槽131可延伸到基件110中。同样地，如图14所示，对于所图示的方法，凹槽132的形成方法是，经由结构涂层54中的开口58实施第二加工技术。尽管未明确显示，凹槽132可延伸到基件110中。通常情况下，将在完成加工操作后将第二结构涂层(未图示)镀覆到所述结构涂层上。有利地，使用两个结构涂层可提高在关键通道分界区域中材料性质与微观结构的匹配程度。这可以强化涂层与基件之间的粘结，从而提高冷却通道的耐久性。
尽管未明确显示，上述参阅图12到图14所述的方法可进一步包括在实施第一加工技术之前，将短效涂层30镀覆到结构涂层54上。对于该方法，基件110和结构涂层54经由短效涂层30进行加工，且所述加工在短效涂层30中形成一个或多个开口34，如上文参阅图10和图11所述。该方法进一步包括在实施第二加工技术后，移除短效涂层30。但是，如图15所示，将保留结构涂层54。短效涂层30将在形成进入孔140之前或之后移除。尽管未明确图示该特定方法，图9所示的短效涂层30可镀覆在图12所示的结构涂层上，且可对两个涂层30、54实施图13和图14所示的加工步骤。如上所述，短效涂层30用作形成通道的加工防护罩，且对于该方法，有助于使形成的冷却通道130在结构涂层54与后续镀覆的结构涂层(未图示)之间的交界面上具有必要的锐利且轮廓分明的边缘。
参阅图12和图16到图18描述在部件100中形成一个或多个凹槽132的另一种方法。如图所示，例如在图12中，所述方法包括将结构涂层54镀覆到基件110的外表面112上。如图所示，例如在图18中，基件110具有至少一个内部空腔114。基件110和结构涂层54如上面所述。涂层镀覆技术的实例包括等离子体镀覆、热喷镀和冷喷镀，如上所述。所述方法可选择性地进一步包括在镀覆结构涂层54后进行热处理。
如图16所示，所述方法进一步包括使用第一加工技术在结构涂层54中形成一个或多个初步凹槽131。如图16所述，每个初步凹槽131具有底部134，且例如如图19和图20所示，至少部分沿基件110延伸。如图17所示，所述方法进一步包括使用第二加工技术对初步凹槽131进行进一步加工，以在结构涂层54中形成相应凹槽132。对于所图示的方法，在加工操作后将第二结构涂层56涂覆到结构涂层54上。这两个结构涂层可包括相同或不同的材料，且可具有相同或不同的性质。
如图18所示，所述方法进一步包括形成一个或多个进入孔140，所述进入孔140穿过凹槽132中的相应凹槽的底部134，以将相应凹槽132与相应的内部空腔114以流连通方式连接。进入孔140通常在形成凹槽后形成，但也可在第一加工操作之前、或第一与第二加工操作之间形成。如上所述，进入孔140可使用第一或第二加工技术，或使用诸如激光钻孔等其它加工技术形成。同样如上所述，使用等离子体镀覆形成的结构涂层54的厚度可能小于约0.5毫米，但对于热等离子体喷镀(例如高速氧燃料喷镀)涂层，结构涂层54的厚度可能小于约1毫米。凹槽可完全形成于结构涂层54内，如图18所述，或延伸到基件110中。
第一和第二加工技术实例如上所述。对于所图示的方法，第一加工技术包括磨蚀性液体喷射，且初步凹槽131通过使磨蚀性液体射流160作用于结构涂层54上形成。如上所述，第二加工技术的实例包括ECM、EDM、铣削EDM，以及激光加工。具体而言，如果选择ECM，则可采用倾入ECM。对于特定方法，第一加工技术包括磨蚀性液体喷射，且第二加工技术包括铣削EDM。
尽管未明确图示，可使用所述方法在结构涂层54中形成内曲形凹槽。例如，可使用磨蚀性液体射流160在结构涂层54中形成内曲形(参阅图6)初步凹槽132，然后可应用第二加工技术来对内曲形凹槽132进行抛光或称精加工，如上文参阅图6到图8所述，但此时的凹槽形成于结构涂层54中。
尽管未明确图示，短效涂层30可用作在结构涂层中形成凹槽时的防护罩(mask)。对于这种方法，所述方法进一步包括在实施第一加工技术之前，将短效涂层30镀覆在结构涂层54上。对于该方法，经由短效涂层30对结构涂层54进行加工，且所述加工在短效涂层30中形成一个或多个开口34(图10和图11)。短效涂层30在实施第二加工技术之后被移除。短效涂层可在形成进入孔140之前或之后移除。尽管未明确图示该特定方法，图3所示的短效涂层30可镀覆在图12所示的结构涂层上，且可经由两个涂层30、54实施图16和图17所示的加工步骤。如上所述，短效涂层30用作形成通道的加工防护罩(machining mask)，且对于该方法，有助于使形成的冷却通道130在结构涂层54与后续镀覆的结构涂层56(图18)之间的交界面上具有必要的锐利、且轮廓分明的边缘。
参阅图2到图8、图13到图15、以及图20描述本发明的部件100实施例。如图所示，例如在图2中，部件100包括基件110，其包括外表面112和内表面116。如图所示，例如在图2中，内表面116设有至少一个内部空腔114。如图所示，例如在图19和图20中，外表面112设有一个或多个凹槽132，其至少部分沿基件110的外表面112延伸、且具有底部134。如图所示，例如在图4中，每个凹槽132的特征在于，侧壁135的半径R在0＜R＜0.127毫米的范围内。如果凹槽132是使用上述混合加工方法形成，则在第一加工操作之后，初始侧壁半径R可在0＜R＜0.254毫米的范围内。执行第二加工操作可减小半径R，这样所获得的侧壁135的半径R在0＜R＜0.127毫米的范围内。例如，使用液体喷射形成初步凹槽可使得侧壁半径相对较大，而执行后续的铣削EDM操作可减小(在某些情况下除去)该半径。
一个或多个进入孔140穿过相应凹槽132的底部134，以使凹槽132与内部空腔114流连通，如图5和图8所示。如上所述，进入孔140可垂直于相应凹槽132的底部134(如图5和图8所示)，或者可以与凹槽132的底部134成20度到90度角钻孔形成。
如图2和图19所示，所述部件进一步包括涂层150，其设置在基件110的外表面112的至少一部分上，且在凹槽132上延伸，以使凹槽132与涂层150一起形成用于冷却部件100的一个或多个通道130。具体而言，侧壁135的半径R(例如，如图3、图10、图13和图16所示)在0＜R＜0.0508毫米的范围内。有利地，与仅使用单一磨蚀性水力喷射加工方法形成的凹槽相比，该凹槽132的凹槽-凹槽的变化较小，因为抛光操作可实现在更大程度上控制侧壁半径R。例如，侧壁半径R的凹槽-凹槽的变化小于目标额定值的约50％，确切地说，小于目标额定值的约20％。对于图19和图20所示的布置，凹槽穿过第一结构涂层54，如上文参阅图13到图15所述。对于其他布置，凹槽132不穿过结构涂层，如上文参阅图3到图5所述。
对于图8所示的构造实例，每个凹槽136的底部134宽于该凹槽的顶部136，以使每个凹槽132包括内曲形(reentrant shaped)凹槽132。内曲形凹槽如上文参阅图6和图8所述。
对于图19和图20所示的特定构造，涂层150至少包括第一和第二结构涂层54、56。如图20所示，第一结构涂层54不在凹槽132上延伸，且第二结构涂层56设置在第一结构涂层(54)上、并在凹槽132上延伸，以使凹槽132和第二结构涂层56一起构成一个或多个冷却通道130。
参阅图18到图21来描述本发明的部件100的另一项实施例。如图所示，例如在图21中，部件100包括具有外表面112和内表面116的基件110。如图所示，例如在图21中，内表面116设有至少一个内部空腔114。如图所示，例如，在图18和图21中，部件100进一步包括结构涂层54，其设置在基件110的外表面112的至少一部分上。如图18所示，结构涂层54设有一个或多个凹槽132。对于图19和图20所示的构造，每个凹槽132至少部分沿基件110延伸、且具有底部134。每个凹槽(132)的特征在于，侧壁135的半径R(图16)在0＜R＜0.127毫米的范围内，以针对部件100严格控制凹槽-凹槽的变化。如上所述，凹槽可完全形成于结构涂层54内，如图16到图18所述，或者可延伸到基件110中。凹槽和用于形成凹槽的技术如上所述。对于构造实例，凹槽成内曲形，如上文参阅图6到图8所示。
一个或多个进入孔140穿过相应凹槽132的底部134，以使凹槽132与内部空腔114流连通，如图18所示。如上所述，进入孔140可垂直于相应凹槽132的底部134(如图18所示)，或者可以与凹槽132的底部134成20度到90度角钻孔形成。
如图18所示，部件100进一步包括至少一个附加涂层56，其设置在结构涂层54上和凹槽132上，以使凹槽132和附加涂层56一起形成用于冷却部件100的一个或多个通道130。如图所示，例如在图19和图20中，至少一个出口孔142穿过每个通道132的附加涂层56，以从相应通道130获取(或接收)并排出冷却剂流体。具体而言，侧壁135的半径R在0＜R＜0.0508毫米的范围内。该布置如图18所示。
涂层54、56如上所述。对于特定构造，附加涂层56包括第二结构涂层56。如上所述，对于特定构造，结构涂层54、56包括相同的涂层材料。对于其他构造，两个结构涂层54、56可包括不同的涂层材料。结构涂层54、56可使用相同或不同的镀覆技术进行镀覆。对于构造实例，结构涂层54的厚度小于约1.0毫米，确切地说，小于约0.5毫米。例如，使用等离子体镀覆形成的结构涂层54的厚度可能小于0.5毫米，但对于热等离子体喷镀(例如高速氧燃料喷镀)涂层，结构涂层54的厚度可能小于约1毫米。
如上所述，基于铣削EDM的精确加工，上述混合加工方法提供磨蚀性液体喷射的速度(因此降低了制造成本)。通过这种方式，本发明方法可用于生产在通道/涂层交界面上具有所需锐边的冷却部件，从而有助于以无裂缝方式镀覆第一金属(结构)涂层。
尽管在本说明书中仅图示并描绘了本发明的某些特征，但所属领域的技术人员可对本发明进行多种修改和变化。因此，应理解，所附权利要求书意图包括本发明精神范围内的所有此类修改和变化。

Claims (10)

1.一种在部件(100)中形成一个或多个凹槽(132)的方法，所述方法包括：
使用第一加工技术在基件(110)的外表面(112)中形成一个或多个初步凹槽(131)，其中所述一个或多个初步凹槽(131)中的每个凹槽具有底部(134)，且至少部分沿所述基件(110)的所述外表面(112)延伸，且其中所述基件(110)具有内表面(116)，所述内表面设有至少一个内部空腔(114)；
使用第二加工技术对所述一个或多个初步凹槽(131)进行进一步加工，以形成相应的一个或多个凹槽(132)；以及
形成一个或多个进入孔(140)，其穿过所述凹槽(132)中的相应凹槽的所述底部(134)，从而将所述相应凹槽(132)与所述至少一个内部空腔(114)中的相应内部空腔以流连通方式连接。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括在所述基件(110)的所述外表面(112)中形成所述一个或多个初步凹槽(131)之前，铸造所述基件(110)，其中所述第一加工技术包括磨蚀性液体喷射，且其中所述一个或多个初步凹槽(112)通过使磨蚀性液体射流(160)作用于所述基件(110)的所述外表面(160)上形成。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第二加工技术系由以下项组成的群组中选出：电化学加工(ECM)、电火花加工(EDM)、使用自转电极(165)的电火花加工(铣削EDM)、以及激光加工(激光钻孔)。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述一个或多个凹槽(132)中的每个凹槽具有顶部(136)，其中使用所述磨蚀性液体射流(160)形成的所述一个或多个初步凹槽(131)中的每个凹槽具有宽于所述顶部(236)的底部(234)，以使所述一个或多个初步凹槽(131)中的每个凹槽包括内曲形初步凹槽(131)，且其中所述凹槽(132)的所述底部(134)宽于所述顶部(136)，以使所述一个或多个凹槽(132)中的每个凹槽包括内曲形凹槽(132)。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括在形成所述一个或多个初步凹槽(131)之前，将结构涂层(54)镀覆到所述基件(110)的所述外表面(112)上，其中所述一个或多个初步凹槽(131)的形成方法是，实施所述第一加工技术以经由所述结构涂层(54)进行加工，从而在所述结构涂层(54)中形成一个或多个开口(58)；且其中所述一个或多个凹槽(132)的形成方法是，经由所述结构涂层(54)中的所述一个或多个开口(58)实施所述第二加工技术。
6.一种在部件(100)中形成一个或多个凹槽(132)的方法，所述方法包括：
将结构涂层(54)镀覆在基件(110)的外表面(112)上，其中所述基件(110)具有至少一个内部空腔(114)；
使用第一加工技术在所述结构涂层(54)中形成一个或多个初步凹槽(131)，其中所述一个或多个初步凹槽(131)中的每个凹槽具有底部(134)，且至少部分沿所述基件(110)延伸；
使用第二加工技术对所述一个或多个初步凹槽(131)进行进一步加工，以在所述结构涂层(54)中形成相应的一个或多个凹槽(132)；以及
形成一个或多个进入孔(140)，其穿过所述凹槽(132)中的相应凹槽的所述底部(134)，从而将所述相应凹槽(132)与所述至少一个内部空腔(114)中的相应内部空腔以流连通方式连接。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，进一步包括在所述结构涂层(54)中形成一个或多个初步凹槽(131)之前，铸造所述基件(110)，其中所述第一加工技术包括磨蚀性液体喷射，其中所述一个或多个初步凹槽(131)通过使磨蚀性液体射流(160)作用于所述结构涂层(54)上形成，且其中所述第二加工技术系由以下项组成的群组中选出：电化学加工(ECM)、电火花加工(EDM)、使用自转电极的电火花加工铣削(EDM)，以及激光加工(激光钻孔)。
8.一种部件(100)，包括：
包括外表面(112)和内表面(116)的基件(110)，其中所述内表面(116)设有至少一个内部空腔(114)，其中所述外表面(112)设有一个或多个凹槽(132)，其中所述一个或多个凹槽(132)中的每个凹槽至少部分沿所述基件(110)的所述外表面(112)延伸、且具有底部(134)，其中每个凹槽(132)的特征在于，侧壁(135)半径R在0＜R＜0.127毫米的范围内，且其中一个或多个进入孔(140)穿过所述一个或多个凹槽(132)中的相应凹槽的底部(134)，以使所述凹槽(132)与所述至少一个内部空腔(114)中的相应内部空腔流连通；以及
涂层(150)，其镀覆在所述基件(110)的所述外表面(112)的至少一部分上，且在所述一个或多个凹槽(132)上延伸，以使所述一个或多个凹槽(132)和所述涂层(150)一起构成用于冷却所述部件(100)的一个或多个通道(130)。
9.一种部件(100)，包括：
包括外表面(112)和内表面(116)的基件(110)，其中所述内表面(116)设有至少一个内部空腔(114)；
结构涂层(54)，其设置在所述基件(110)的所述外表面(112)的至少一部分上，其中所述结构涂层(54)设有一个或多个凹槽(132)，其中所述一个或多个凹槽(132)中的每个凹槽至少部分沿所述基件(110)延伸、且具有底部(134)，且其中一个或多个进入孔(140)穿过所述一个或多个凹槽(132)中的相应凹槽的底部(134)，以使所述凹槽(132)与所述至少一个内部空腔(114)中的相应内部空腔流连通，其中每个凹槽(132)的特征在于，侧壁(135)半径R在0＜R＜0.127毫米的范围内；以及
至少一个附加涂层(56)，其设置在所述结构涂层(54)上和所述一个或多个凹槽(132)上，以使所述一个或多个凹槽(132)和所述附加涂层(56)一起形成用于冷却所述部件(100)的一个或多个通道(130)，其中至少一个出口孔(142)穿过相应的一个或多个通道(132)中的每个通道的所述附加涂层(56)，以从所述相应通道(130)获取和排出冷却剂流体。
10.根据权利要求25所述的部件(100)，其特征在于，所述附加涂层(56)包括第二结构涂层(56)，且其中所述凹槽(132)穿过所述结构涂层(54)延伸到所述基件(110)中。
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