CN102953828B - 带有冷却通道的构件和制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及带有冷却通道的构件和制造方法。提供了构件，其包括具有外表面和内表面的基件，其中内表面限定至少一个中空内部空间。构件限定一个或更多凹槽，其中每个凹槽至少部分地沿着基件的外表面延伸且具有基部和顶部。基部宽于顶部，使得每个凹槽包括凹入形凹槽。一个或更多入孔穿过相应凹槽的基部形成，以将凹槽连接成与相应中空内部空间流体连通。每个入孔具有超过相应凹槽顶部的开口宽度d的出口直径D。构件还包括置于基件表面的至少一部分上方的至少一个涂层，其中凹槽和涂层一起限定用于冷却该构件的一个或更多凹入形通道。还提供了用于制造构件的方法，其中凹槽和入孔作为单个连续过程被机械加工，使得凹槽和入孔形成连续冷却通路。

Description

带有冷却通道的构件和制造方法
技术领域
本发明大体而言涉及燃气涡轮发动机，且更具体而言，涉及其中的微通道冷却。
背景技术
在燃气涡轮发动机中，空气在压缩机中被加压且在燃烧器中与燃料混合以生成热燃烧气体。从高压涡轮(HPT)和低压涡轮(LPT)中的气体提取能量，高压涡轮向压缩机提供动力，低压涡轮向涡轮风扇航空发动机应用中的风扇提供动力或者向用于海洋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升高而增加。然而，燃烧气体沿着其流动路径加热各个构件，各个构件继而需要其冷却以实现较长发动机寿命。通常，热气路径构件由来自压缩机的排出空气冷却。这种冷却过程降低了发动机效率，因为排出的空气并不用于燃烧过程。
燃气涡轮发动机冷却技术是成熟的且包括针对冷却回路的各个方面和各种热气路径构件中的特征的许多专利。例如，燃烧器包括径向外衬套和内衬套，其在运转期间需要冷却。涡轮喷嘴包括支承于外带与内带之间的中空静叶，其也需要冷却。涡轮转子叶片为中空的且通常在其中包括冷却回路，其中叶片由涡轮护罩包围，涡轮护罩也需要冷却。热燃烧气体通过排气口排放，排气口也可被加衬且被合适地冷却。
在所有这些示例性燃气涡轮发动机构件中，高强度超合金金属的薄金属壁通常用于增强的耐用性同时减小对于其冷却的需要。各种冷却回路和特征被定制用于在发动机中其相对应环境中的这些个别构件。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。冷却流体可从增压室(plenum)提供给盘管，并且冷却流体可流动通过通路，冷却热气路径构件基件和涂层。然而，这种冷却策略通常导致相对较低的传热速率和不均匀的构件温度分布。
微通道冷却具有通过将冷却尽可能地靠近受热区域放置而显著地减小冷却需求的可能性，因此对于给定传热速率而言减小了在主承载基件材料的热侧和冷侧之间的温度差异。用于形成微通道冷却的构件的当前技术通常需要使用视线加工来形成用于微通道的入孔(access hole)。此外，用于形成穿过微通道的顶部开口的入孔的当前技术通常适合于钻出带有等于或小于通道的顶部开口大小的直径的有效出口直径(基于所围住的区域)的入孔。即，对于当前的机械加工技术，工具的一个尺寸必须典型地小于开口宽度，并且这对该工具能在该相同维度或方向上机械加工的入孔的大小设置了上限。
此外，常规机械加工方法将多特征要求的形成分成常常使用不同加工工具的不同且单独的操作。例如，微通道冷却通路可通过铣削通道、然后潜孔钻出入孔、然后将通道出口成形来制成。通常，在每个操作中将使用不同的工具头部，这将涉及重新定位该工具或部件，并且也将在所得到的通道或孔中造成一些过渡或不连续性。对于诸如涡轮部件的微冷却的流动通路，这些不连续性和起止是不期望的，导致了材料缺陷和尺寸变化。
因此，将期望提供机械加工冷却通道及其相关联的入孔和通道出口的改进的方法。还将期望提供穿过现有受限制的进入表面形成较大大小的入孔的方法。
发明内容
本发明的一个方面在于一种构件，其包括具有外表面和内表面的基件，其中内表面限定至少一个中空内部空间。该构件限定了一个或更多凹槽，其中每个凹槽至少部分地沿着基件延伸且具有基部和顶部。基部比顶部更宽，使得每个凹槽包括凹入形凹槽。一个或更多入孔穿过相应凹槽的基部形成，以将凹槽连接成与相应中空内部空间流体连通。每个入孔具有超过相应凹槽的顶部的开口宽度d的出口直径D，其中直径D为基于所围住区域的有效直径。该构件还包括至少一个涂层，其置于基件的表面的至少一部分上方，其中(多个)凹槽和涂层一起限定用于冷却该构件的一个或更多凹入形通道。
本发明的另一方面在于一种制造方法，其包括：在包括基件的构件中形成一个或更多凹槽，其中基件具有至少一个中空内部空间。每个凹槽至少部分地沿着基件延伸且具有基部和顶部。该制造方法还包括：穿过相应凹槽的基部形成至少一个入孔，以将凹槽连接成与相应中空内部空间流体连通。每个入孔具有超过相应凹槽的顶部的开口宽度d的出口直径D，其中直径D为基于所围住区域的有效直径。
发明的又一方面在于一种制造方法，其包括：在包括基件的构件中形成凹槽，其中基件具有至少一个中空内部空间。该凹槽至少部分地沿着基件延伸且具有基部和顶部。该制造方法还包括：穿过相应凹槽的基部形成至少一个入孔，以将凹槽连接成与相应中空内部空间流体连通。凹槽和(多个)入孔作为单个连续过程被机械加工，使得凹槽和(多个)入孔形成连续冷却通路。
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、方面和优点将变得更好理解，在所有附图中，相似的标记表示相似的部件，其中：
图1为燃气涡轮系统的示意图；
图2为根据本发明的方面带有凹入形冷却通道的示例翼型件配置的示意截面图；
图3为带有恒定直径D的入孔的凹入形通道的示意截面图；
图4为根据本发明的方面带有发散入孔的凹入形通道的示意截面图；
图5为根据本发明的方面带有会聚入孔的凹入形通道的示意截面图；
图6示出了根据本发明的方面用于通过执行磨料液体射流的多个道次(pass)来形成入孔的方法；
图7示出了根据本发明的方面用于通过执行磨料液体射流的多个道次来形成发散入孔的方法；
图8以截面图示出了用于冷却通道的入孔的三种不同形状；
图9为带有形成于结构涂层中的发散入孔和可渗透槽的三个示例凹入形通道的示意截面图；
图10示意性地示出了用于在基件中形成入孔的机械加工操作；
图11示出了用于在单个机械加工操作中清扫(sweep)冷却通道和相关联入孔的一示例程序化例程；
图12示出了用于在单个机械加工操作中清扫冷却通道和相关联入孔的另一示例程序化例程；
图13示意性地描绘了用于在凹槽的排放端形成凹槽和渐缩离开(run-out)区的示例加工路径；
图14为比相应凹槽更宽的示例扩散器形离开区的顶视图；
图15显示了涂覆有涂层的图13的示例冷却通道；以及
图16显示了图15的示例冷却通道，其中通过移除离开区中的涂层的一部分而在离开区中形成膜孔。
附图标记：
10 燃气涡轮系统
12 压缩机
14 燃烧器
16 涡轮
18 轴
20 燃料喷嘴
54 结构涂层的内层
56 (多个)外层(外结构涂层)
62 (多个)出口区
66 出口壁
100 热气路径构件
110 基件
112 基件的外表面
114 内部空间
116 基件的内表面
130 冷却通道
132 (多个)凹槽
134 凹槽的基部
136 凹槽的顶部(开口)
140 (多个)入孔
141 在第一道次中移除的材料
142 (多个)膜冷却孔
143 在第二道次中移除的材料
144 (多个)多孔间隙
145 在第三道次中移除的材料
150 (多个)涂层
160 磨料液体射流
170 排放端
172 离开区
174 膜出口
202 入孔的入口
204 入孔的出口
210 多轴运动控制器。
具体实施方式
文中的术语“第一”、“第二”等并不表示任何顺序、量或重要性，而是用于区分一个元件与另一个元件。文中的术语“一”和“一个”并不表示数量的限制，而是表示存在着所提及项中的至少一个。结合量使用的修饰词“约”包括所陈述的值，并且具有由上下文决定的含义(例如，包括与特定量的测量相关联的误差度)。此外，术语“组合”包括掺混物、混合物、合金、反应产物等。
此外，在本说明书中，前缀“(多个)”通常意图包括其所修饰的术语的单数和复数，从而包括该术语的一个或更多(例如，“通路孔”可包括一个或更多通路孔，除非另外规定)。在整个说明书中对“一个实施例”、“另一实施例”、“一实施例”等的提及表示结合该实施例描述的特定元件(例如，特征、结构和/或特性)被包括在本文所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。类似地，对于“特定配置”的提及表示结合该配置描述的特定元件(例如，特征、结构和/或特性)被包括在本文所述的至少一个配置中，并且可存在或可不存在于其它配置中。此外，应当了解，所描述的发明特征可以任何合适方式组合在各种实施例和配置中。
图1是燃气涡轮系统10的示意图。该系统10可包括一个或更多压缩机12、燃烧器14、涡轮16以及燃料喷嘴20。压缩机12和涡轮16可由一个或更多轴18联接。轴18可为单根轴或联接在一起而形成轴18的多个轴段。
燃气涡轮系统10可包括一些热气路径构件100。热气路径构件为至少部分地暴露于穿过系统10的高温气流的系统10的任何构件。例如，动叶组件(也已知为叶片或叶片组件)、喷嘴组件(也已知为静叶或静叶组件)、护罩组件、过渡件、固持环以及压缩机排气构件均为热气路径构件。然而，应当了解，本发明的热气路径构件100并不限于上述示例，而是可为至少部分地暴露于高温气流的任何构件。另外，应当了解，本公开的热气路径构件100并不限于燃气涡轮系统10中的构件，而是可为可暴露于高温流的它的任何机械零件或构件。
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在高温下利用热气流80运转，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。
一般而言，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。对于工业型发电涡轮构件，“小”或“微”通道尺寸将涵盖在0.25mm至1.5mm的范围内的近似深度和宽度，而对于航空型涡轮构件，通道尺寸将涵盖在0.15mm至0.5mm的范围内的近似深度和宽度。热气路径构件可设有覆盖层。冷却流体可从增压室提供给通道，并且冷却流体可流动通过通道，冷却覆盖层。
参照图2至图10和图13描述制造方法。如例如在图10中所示，制造方法包括在包括基件110(其一部分例如显示在图3至图5中)的构件100中形成一个或更多凹槽132。如例如在图2中所示，基件110具有至少一个中空内部空间114。如例如在图8和图13中所示，每个凹槽132至少部分地沿着基件110延伸且具有基部134和顶部136。
对于图示的示例，基部134比顶部136更宽，使得每个凹槽132包括凹入形凹槽132，如例如在图3中所示的那样。然而，凹槽可具有其它形状，例如，对于其它配置而言，它们可具有简单的凹槽。凹入形凹槽在R. Bunker 等人的共同受让的美国专利申请Ser. No. 12/943,624“Components with re-entrant shaped cooling channels and methods ofmanufacture”中论述，该专利申请以其整体并入本文中。尽管凹槽显示为具有直壁，但凹槽132可具有任何配置，例如它们可为直的、弯的或具有多个弯曲。
基件110通常在形成(多个)凹槽132之前铸成。如在R. Jackson等人的美国专利No. 5,626,462“Double-wall airfoil”(其以其整体并入本文中)中所论述的那样，基件110可由任何合适材料形成。取决于构件100的预期的应用，这可包括Ni基、Co基和Fe基超合金。Ni基超合金可为包含γ和γ'相两者的那些，特别是其中γ'相占超合金的至少40体积%的包含γ和γ'相两者的那些Ni基超合金。由于包括高温强度和高温抗蠕变性的期望性质的组合，这样的合金已知是有利的。基件材料也可包括NiAl金属间合金，因为这些合金已知拥有优良性质的组合，包括高温强度和高温抗蠕变性，其有利地在用于飞行器的涡轮发动机应用中使用。在Nb基合金的情况下，具有优良抗氧化性的涂覆的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，其中组成范围是以原子百分比计的。基件材料也可包括包含至少一个二次相的Nb基合金，诸如包括硅化物、碳化物或硼化物的含Nb金属间化合物。这样的合金为延性相(即，Nb基合金)和强化相(即，含Nb金属间化合物)的复合物。对于其它布置，基件材料包括钼基合金，诸如基于带有Mo5SiB2和Mo3Si第二相的钼(固溶体)的合金。对于其它配置，基件材料包括陶瓷基质复合物，诸如用SiC纤维强化的碳化硅(SiC)基质。对于其它配置，基件材料包括TiAl基金属间化合物。
对于图10所示的示例工艺，制造方法还包括：穿过相应凹槽132的基部134形成至少一个入孔140，以将凹槽132连接成与相应中空内部空间114流体连通。对于图4至图7所示的示例配置，每个入孔140具有超过相应凹槽132的顶部136的开口宽度d的出口直径D。直径D为基于所围住区域的有效直径。有益的是，该制造方法允许穿过现有受限制的进入表面形成较大大小的入孔。这特别有利于凹入形通道的情况，因为在对凹入形通道进行机械加工之后穿过壁钻出孔时，或者在凹入形通道的机械加工期间，由于通道的最小顶部开口大小，存在进一步的限制。因此，例如直径为30mil的孔可穿过凹入形通道的底部中的其余壁厚钻出，该凹入形通道的上部开口大小远小于30mil。这减轻了与燃气涡轮中被冷却构件的碎屑堵塞相关联的最小孔大小的问题。
可使用多种技术形成凹槽132和入孔140。用于形成(多个)凹槽132的示例技术包括磨料液体射流、插入电化学机械加工(ECM)、利用旋转电极的放电机械加工(EDM)(铣削EDM)以及激光机械加工。示例激光机械加工技术在2010年1月29日提交的共同受让的美国专利申请Ser. No. 12/697,005“Process and system for forming shaped air holes”中描述，该专利申请以其整体引用的方式并入本文中。示例EDM技术在2010年5月28日提交的共同受让的美国专利申请Ser. No. 12/790,675“Articles which include chevronfilm cooling holes, and related processes”中描述，该专利申请以其整体引用的方式并入本文中。
类似地，用于形成(多个)入孔140的示例技术包括使用下列中的一种或更多：磨料液体射流、利用旋转电极的放电机械加工(EDM)(铣削EDM)以及冲击式(脉冲)激光机械加工。例如，磨料液体射流、激光或铣削EDM可用于位于上部最小限制区域的喉部中“工具”的支点。有益的是，这些机械加工类型中的任一种可移除有限深度的包中的选定材料，从而允许运动控制以限定三维空间中的内孔成形同时保持支点固定。
对于在图6和图7中所示的示例工艺，通过应用磨料液体射流160的多个道次141、143、145来形成每个入孔140。应当指出，三个道次的使用只是一个示例，并且可使用其它数量的道次。示例水射流钻出工艺和系统在2010年5月28日提交的共同受让的美国专利申请Ser. No. 12/790,675“Articles which include chevron film cooling holes, andrelated processes”中提供，该专利申请以其整体引用的方式并入本文中。如在美国专利申请Ser. No. 12/790,675中所解释的那样，水射流工艺通常利用悬浮于高压水流中的磨料颗粒(例如，磨料“砂砾”)的高速流。水压可显著变化，但常常在约35-620MPa的范围内。可使用多种磨料材料，诸如石榴石、氧化铝、碳化硅和玻璃珠。有益的是，磨料液体射流机械加工技术的能力便于分阶段移除材料来改变深度，并控制成形。这允许将供给通道的内孔钻出为恒定截面的直孔、成形的孔(椭圆形等)或者会聚或发散的孔，如图所示。
此外且如在美国专利申请Ser. No. 12/790,675中所解释的那样，水射流系统可包括多轴计算机数字控制(CNC)单元210(图10)。CNC系统本身为本领域中已知的，并且例如在美国专利公开1005/0013926(S. Rutkowski等)中描述，该专利公开以引用的方式并入本文中。CNC系统允许切割工具沿着多个X、Y和Z轴以及旋转轴的移动。
对于图7所示的示例工艺，在每个随后的道次中移除相继更少的材料，使得入孔140包括发散入孔140。即，图7中的入孔140从较小入口202沿着冷却剂流的方向发散到较大出口204。为了形成图5所示的会聚入孔140，在入孔的深度增加时(即，在每个随后的道次中)从基件移除相继更多的材料，使得入孔140包括会聚入孔140。即，图5中的入孔140从较大入口202沿着冷却剂流的方向会聚到较小出口204。
对于图6所示的示例工艺，通过应用磨料液体射流160的多个道次141、143、145在入孔的所有深度从基件110移除基本上恒定量的材料，使得入孔140包括直的入孔140(即，其不发散或会聚)。也就是说，在沿着入孔140的任何给定点处移除的材料的量相对于在沿着入孔140的任何其它点处移除的材料的量有小于其值的10%的差异。此外，在图6中三个道次的使用只是说明性的，并且可采用其它数量的道次。另外，入孔可具有名义上恒定的有效直径，但也可在各个截面处具有不同的直径和形状。如在图3至图7中所示，入孔可正交于凹槽132的基部134而形成。对于其它布置，入孔可相对于凹槽132的基部134以角度α形成，如在图8的示例中所示的那样。应当指出，角度α可相对于凹槽132的基部134沿任何方向定向。此外，入孔可以一定角度机械加工且仍包括所指出的各种形状。例如，发散、直的和会聚的入孔可相对于凹槽132的基部134成角度，如在图8中所示的那样。
如上文所指出的那样，磨料液体射流并非用于形成带有成形和方位的入孔的唯一方案。例如，冲击式激光钻出工艺也移除少量材料，使得激光运动同时维持通道顶部开口的窄部中的支点将允许类似的入孔成形。类似地，铣削EDM可用于形成带有期望成形和方位的入孔，假设工具头部小于顶部通道开口大小的话。
对于在图2和图9中所示的示例配置，该制造方法还包括将涂层150置于基件110的表面112的至少一部分上方。如在图2和图9中所示的那样，(多个)凹槽132和涂层150限定了用于冷却构件100的一个或更多通道130。涂层150包括合适材料且粘结至构件。对于图示的示例，通道130为凹入形通道。
对于特定配置，就工业构件而言，涂层150具有在0.1-2.0毫米范围内且更特定地在0.1至1毫米范围内且仍更特定地在0.1至0.5毫米范围内的厚度。就航空构件而言，这个范围通常为0.1至0.25毫米。然而，取决于特定构件100的要求，可利用其它厚度。
涂层150包括结构涂层，并且还可包括可选的额外(多个)涂层。(多个)涂层可使用多种技术来沉积。对于特定工艺，通过执行等离子体沉积(阴极电弧)来沉积(多个)结构涂层。示例等离子体沉积设备和方法在Weaver 等人的共同受让的美国专利申请公开No.10080138529，“Method and apparatus for cathodic arc ion plasma deposition”中提供，该专利申请公开以其整体引用的方式并入本文中。简言之，等离子体沉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，在真空环境内提供基件110，向阴极供应电流以在阴极表面上形成阴极电弧，以及在基件表面112上沉积来自阴极的涂层材料，阴极电流导致了来自阴极表面的涂层材料的电弧引起的腐蚀。
使用等离子体沉积进行沉积的涂层的非限制性示例包括结构涂层以及粘结涂层和抗氧化涂层，如参考Jackson等人的美国专利No. 5,626,462“Double-wall airfoil”在下文中更详细地论述的那样。对于某些热气路径构件100，结构涂层包括镍基或钴基合金，且更特定地包括超合金或(NiCo)CrAlY合金。例如，在基件材料为包含γ和γ'相两者的Ni基超合金的情况下，结构涂层可包括类似的材料组合物，如参考美国专利No. 5,626,462在下文更详细地论述的那样。
对于其它工艺配置，通过执行热喷涂工艺和冷喷涂工艺中的至少一个来沉积结构涂层。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气燃料喷涂(HVOF)或高速空气燃料喷涂(HVAF)，并且等离子体喷涂可包括气氛(诸如空气或惰性气体)等离子体喷涂，或者低压等离子体喷涂(LPPS，其也已知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来沉积NiCrAlY涂层。用于沉积结构涂层的其它示例技术包括但不限于溅镀、电子束物理气相沉积、无电镀和电镀。
对于某些配置，期望采用多种沉积技术来沉积结构涂层和可选的额外涂层。例如，第一结构涂层可使用等离子体沉积来沉积，且随后沉积的层和可选的额外层(未显示)可使用其它技术来沉积，诸如燃烧喷涂工艺或等离子体喷涂工艺。取决于所用的材料，用于涂层的不同沉积技术的使用可提供性质方面的益处，诸如但不限于应变耐受性、强度、粘附性和/或延展性。
对于由图9示出的示例工艺，涂层150包括结构涂层的外层56，并且制造方法还包括：在形成(多个)凹槽132和一个或更多入孔140之前，在基件110的外表面112上沉积结构涂层的内层54。如在图9中所示的那样，每个凹槽132至少部分地形成于内结构涂层54中。尽管图9所示的凹槽并未延伸到基件110内，但对于其它配置而言，凹槽延伸穿过结构涂层的内层54且延伸到基件110中。然而，对于许多配置，凹槽132完全形成于基件110(图3至图8，图10至图13，图15和图16)中，且在已形成凹槽132之后沉积涂层。
有益的是，上文所述的制造方法允许穿过现有受限制的进入表面形成较大大小的入孔，从而减轻了与燃气涡轮中被冷却构件的碎屑堵塞相关联的最小孔大小的问题。在商业上，这种技术是有价值的，不仅在微通道冷却部件的制备中，而且也在需要这样的内孔而不需要从构件内部机械加工入孔的其它构件中。
参照图2至图9、图15和图16描述构件100。如例如在图2中所示，构件100包括基件110，基件110包括外表面112和内表面116。如例如在图2中所示，内表面116限定了至少一个中空的内部空间114。如例如在图2和图4中所示，构件100限定了一个或更多凹槽132。如例如在图15和图16中所示，每个凹槽132至少部分地沿着基件110延伸且如图4所示例如具有基部134和顶部136。
对于图示的示例，基部134比顶部136更宽，如例如在图4中所示，使得每个凹槽132包括凹入形凹槽132。如上文所指出的那样，凹入形凹槽在美国专利申请Ser. No. 12/943,624中描述。对于特定配置，每个凹入形凹槽132的基部134是相应凹槽132的顶部136的至少两倍宽。对于更特定的布置，基部134在为相应凹槽132的顶部136的大约3-4倍宽的范围内。示例凹入形凹槽132显示在图3至图7中。
如例如在图4至图7中所示，一个或更多入孔140穿过相应凹槽132的基部134形成，以将凹槽132连接成与相应中空内部空间114流体连通。每个入孔具有超过相应凹槽132的顶部136的开口宽度d的出口直径D，其中，直径D为基于所围住区域的有效直径。入孔140可正交于凹槽132的基部134，如例如在图3至图7中所示的那样。对于其它配置，入孔140可相对于凹槽132的基部134成角度，如例如在图8中所示的那样。如上文所指出的，穿过较小大小的通道顶部形成较大大小的入孔减轻了与燃气涡轮中被冷却构件的碎屑堵塞相关联的最小孔大小的问题。
如例如在图2中所示，构件100还包括置于基件110的表面112的至少一部分上方的至少一个涂层150。(多个)凹槽132和涂层150一起限定了用于冷却该构件100的一个或更多凹入形通道130。在上文中描述了合适的涂层。
对于图3至图8所示的配置，凹槽132形成于基件中。对于其它配置，凹槽132可至少部分地形成于内结构层54中。Ronald S. Bunker 等人的美国专利申请Ser. No. 12/966,101“Method of fabricating a component using a two-layer structural coating”(其以其整体本文中)描述了凹槽在内结构层中的形成。对于图9所示的布置，涂层150包括置于基件110的外表面112上的内结构涂层54和置于内结构涂层54上的外结构涂层56，其中每个凹槽132至少部分地形成于内结构涂层54中。对于图9所示的布置，凹槽132完全形成于内结构涂层54中。然而，对于其它布置(未图示)，凹槽可延伸穿过内结构涂层54到基件110中。
对于图4所示的示例配置，入孔140的入口202(即，用于冷却剂流从中空内部空间114到入孔中的入口)小于相应入孔140的出口204(其为用于冷却剂流从入孔到凹槽132中的出口)，使得入孔140包括发散入孔140。也就是说，图4中的入孔140从较小入口202沿着冷却剂流的方向发散到较大出口204。对于特定配置，相应入孔140的出口204直径为相应入孔140的入口202直径的至少1.5倍大。对于更特定的布置，出口204的直径为相应入孔的入口202直径的至少二倍大。发散入孔可正交于凹槽132的基部134定向，如例如在图4和图7中所示。作为备选，发散入孔140可相对于凹槽132的基部134以角度α″定向，如例如在图8中所示。如上文所指出的那样，角度α可相对于凹槽132的基部134沿任何方向定向。
对于图6所示的配置，入孔140的截面积基本上在整个入孔140上相同，使得入孔既不发散也不会聚。如本文所用的，以“基本上相同”，它意味着沿着入孔140的任何给定点处的截面积相对于沿着入孔140的任何其它点处的截面积有小于其值的10%的差异。对于这种基本上恒定的截面积配置，入孔可正交于凹槽132的基部134定向，如图6所示的那样。作为备选，入孔140可相对于凹槽132的基部134以角度α(沿任何方向)定向，如例如在图8中所示的那样。对于仍然其它配置，入孔可会聚(也就是所，图5中的入孔140从较大入口202沿着冷却剂流的方向会聚到较小出口204)，如图5所示，并且可正交于凹槽132的基部134定向，如图5所示，或者相对于凹槽132的基部134以角度α′定向。
入孔140可具有多种形状。每个入孔140具有邻近相应中空内部空间114的入口202和邻近相应凹槽132的出口204。对于图12所示的示例配置，每个入孔140的入口202和出口204中的至少一个具有跑道(racetrack)形状。更特定而言，对于图12所示的示例布置，跑道形状的入孔140的短轴小于冷却通道132的顶部146。
对于图5所示的示例配置，入孔140的入口202大于入孔140的出口204，使得入孔140包括会聚入孔140。也就是说，图5中的入孔140从较大入口202沿着冷却剂流的方向会聚到较小出口204。会聚入孔可正交于凹槽132的基部134定向，如图5所示。作为备选，入孔140可相对于凹槽132的基部134以角度α′(沿任何方向)定向，如例如在图8中所示。
有益的是，相对于较小大小的通道开口(顶部146)，上文所述的构件采用了较大大小的入孔。如上文所指出的那样，这特别有利于具有相对较小宽度的顶部开口的凹入形通道的情况。因此，带有有效直径D的入孔可形成于凹入形通道中，凹入形通道的上部开口宽度d远小于D。这些较大直径的入孔帮助减少燃气涡轮中被冷却构件的碎屑堵塞。
参考图3至图8以及图10至图16描述另一制造方法。如例如在图10中所示的那样，该制造方法包括：在包括基件110的构件100中形成凹槽132。基件110具有至少一个中空内部空间114，并且凹槽132至少部分地沿着基件110延伸且具有基部134和顶部136。该制造方法还包括：穿过相应凹槽132的基部134形成至少一个入孔140，以将凹槽132连接成与相应中空内部空间114流体连通。对于该工艺，凹槽132和(多个)入孔140作为单个连续过程被机械加工，使得凹槽132和(多个)入孔140形成连续冷却通路132、140，如例如在图11和图12中所示的那样。如本文所用的，连续过程为使用相同的程序化运动控制来机械加工凹槽和(多个)相应入孔的过程。连续机械加工过程可包括机械加工工具的一次或多次暂停。为了避免疑问，应当指出，使用相同的程序化机器控制首先机械加工凹槽且然后孔应被理解为是连续过程。
对于图11和图12所示的布置，形成凹槽132和形成(多个)相应入孔140的步骤重复一次或多次，从而形成多个凹槽132和相应入孔140。每个凹槽132和(多个)相应入孔140作为单个连续过程被机械加工，使得相应的凹槽132和(多个)入孔140形成连续冷却通路132、140。有益的是，作为单个连续过程形成每个凹槽和(多个)相应入孔去除了不期望的不连续性和起止，从而减少了所得凹槽和(多个)入孔中的材料缺陷和/或尺寸变化。
对于图11和图12所示的示例布置，基部134比凹槽132的顶部136更宽，使得凹槽132包括凹入形凹槽132。如上文所指出的那样，凹入形凹槽在美国专利申请Ser. No. 12/943,624中描述。此外，对于图11所示的示例布置，每个入孔140具有超过相应凹槽132的顶部136的开口宽度d的出口直径D，其中直径D为基于所围住区域的有效直径。
该制造方法通常还包括在形成凹槽132之前铸成基件110。用于形成凹槽132的示例技术包括使用下列中的一种或更多：磨料液体射流、插入电化学机械加工(ECM)、利用旋转电极的放电机械加工(EDM)(铣削EDM)以及激光机械加工。类似地，用于形成(多个)入孔140的示例技术包括使用下列中的一种或更多：磨料液体射流、利用旋转电极的放电机械加工(EDM)(铣削EDM)以及冲击式(脉冲)激光机械加工。对于由图10示出的工艺，形成凹槽132的步骤包括使用多轴运动控制器210来控制磨料液体射流160的多个道次的应用，以在每个道次中从构件100移除材料，并且，形成(多个)入孔140的步骤也包括使用多轴运动控制器210来在凹槽132中的选定点改变磨料液体射流160的速度且控制磨料液体射流160的多个道次141、143、145(图6和图7)的应用，以在每个道次中从构件100移除材料。如上文所指出的那样，多轴CNC系统本身是本领域中已知的且例如描述在S. Rutkowski 等人的美国专利公开1005/0013926中。多轴CNC系统允许切割工具沿着多个X、Y和Z轴以及旋转轴的移动。
更特定而言，磨料性流体射流通过多个道次中的程序化机械加工(例如沿着长度来回)以在每个道次移除一定量的材料而形成有限且受控制深度和宽度(和形状)的简单通道。射流的功率密度以及其直径和偏移距离决定每厘米运动移除多少材料。运动控制决定了成形。现在替代停止和重新定位射流以钻出冷却供应孔，如当前常规做法那样，运动控制在期望点使装置变慢且也可转动或倾斜或逗留以在每个道次中移除该孔的一部分。在通道出口端中可做出同样事情。作为总过程，通过控制每个区域中的材料移除的一系列道次中的连续运动和参数控制，形成了完整的通道、入口和出口。
如例如在图13和图14中所示的那样，凹槽132具有至少一个排放点170。对于图13所示的示例工艺，制造方法还包括邻近每个凹槽132的相应排放点170形成离开区172。有益的是，凹槽132和离开区172作为单个连续过程被机械加工，使得凹槽132和离开区172形成连续冷却通路132、172。离开区172在Ronald S. Bunker的共同受让的美国专利申请Ser.No. 13/026,595“Components with cooling channels and methods of manufacture”中论述，该专利申请以其整体并入本文中。
对于图13所示的特定工艺，形成离开区172的步骤包括：使用多轴运动控制器210来控制磨料液体射流160的一个或更多道次的应用，以在每个道次中从构件100移除材料。对于图13所示的示例，通过从基件110的外表面112提升磨料液体射流160而形成离开区172，使得离开区172是渐缩的。对于图14所示的示例配置，离开区172比凹槽132更宽。更特定而言，图14为比相应凹槽更宽的示例扩散器形离开区的顶视图。替代停止和重新定位磨料液体射流以形成通道端部，如当前常规做法那样，运动控制在期望点使装置变慢且也可转动或倾斜或逗留以在每个道次中移除该通道端部的一部分。因此，如上文所指出的那样，通过控制每个区域中的材料移除的一系列道次中的连续运动和参数控制，形成了完整的通道、入口和出口。
如图15所示，该制造方法还可包括将涂层150置于基件110的表面112的至少一部分上方。如图15所示，凹槽132和涂层150限定了用于冷却构件100的通道130。图16显示了在移除离开区中的涂层的一部分之后图15的示例冷却通道。对于图15和图16所示的布置，涂层150不跨接离开区172，使得离开区172形成凹槽132的膜孔174。
对于图3至图8所示的配置，凹槽132形成于基件中。对于其它配置，凹槽132可至少部分地形成于内结构层54中，如例如在图9中所示的那样。为了形成这些布置，涂层150包括结构涂层的外层，并且该方法还包括：在形成凹槽132和(多个)入孔140之前，在基件110的外表面112上沉积结构涂层54的内层，其中凹槽132至少部分地形成于内结构涂层54中。如上文所指出的那样，Ronald S. Bunker等人的美国专利申请Ser. No. 12/966,101“Methodof fabricating a component using a two-layer structural coating”描述了凹槽在内结构层中的形成。然而，使用本技术，凹槽132和(多个)入孔140作为单个连续过程被机械加工，使得凹槽132和(多个)入孔140形成连续冷却通路132、140，例如，如在图11和图12中所示的那样。
有益的是，上文所述的制造方法使得能够在诸如涡轮翼型件的构件的表面中通过连续的程序化机器运动来机械加工完整且一体的冷却通道，包括冷却剂入口入孔和出口区。通过作为一个连续过程机械加工通道和入孔而不使该机器重置、停止或重启，形成了没有不连续性的连续不间断的冷却通路。这提供了更短的机械加工时间、更好的可重复性以及可能缺陷或不合规范结果的避免。
虽然在本文中示出和描述了本发明的仅仅某些特征，但本领域技术人员将会想到许多修改和变化。因此，应当了解，所附权利要求意图覆盖落在本发明的真实精神内的所有修改和变化。

Claims (9)

1.一种带有冷却通道的构件(100)，包括：
基件(110)，其包括外表面(112)和内表面(116)，其中所述内表面(116)限定至少一个中空内部空间(114)，其中所述构件(100)限定一个或多个凹槽(132)，其中每个凹槽(132)至少部分地沿着所述基件(110)延伸且具有基部(134)和顶部(136)，其中所述基部(134)比所述顶部(136)更宽，使得每个凹槽(132)包括凹入形凹槽(132)，其中一个或多个入孔(140)穿过相应凹槽(132)的基部(134)形成，以将所述凹槽(132)连接成与相应中空内部空间(114)流体连通，其中每个入孔具有出口直径D，所述出口直径D超过所述相应凹槽(132)的顶部(136)的开口宽度d，其中所述直径D为基于所围住区域的有效直径；
其中，所述凹槽(132)通过使用多轴运动控制器(210)来控制磨料液体射流(160)的多个道次，以在所述道次的每一个中从所述构件(100)移除材料来形成，并且
其中，所述入孔(140)通过使用所述多轴运动控制器(210)来在所述凹槽(132)中的选定点改变所述磨料液体射流(160)的速度且控制所述磨料液体射流(160)的多个道次(141，143，145)，以在所述道次的每一个中从所述构件(100)移除材料来形成；以及
至少一个涂层(150)，其置于所述基件(110)的表面(112)的至少一部分上方，其中所述一个或多个凹槽(132)和所述涂层(150)一起限定了用于冷却所述构件(100)的一个或多个凹入形通道(130)。
2.根据权利要求1所述的构件(100)，其特征在于，相应入孔(140)的入口(202)小于所述相应入孔(140)的出口(204)，使得所述入孔(140)包括发散入孔(140)，并且其中，相应入孔(140)的出口直径为所述相应入孔(140)的入口直径的至少1.5倍大。
3.根据权利要求1所述的构件(100)，其特征在于，相应入孔(140)的入口(202)小于所述相应入孔(140)的出口(204)，使得所述入孔(140)包括发散入孔(140)，并且其中，每个入孔(140)相对于所述凹槽(132)的基部(134)以角度α″定向。
4.一种用于带有冷却通道的构件的制造方法，包括：
在构件(100)中形成一个或多个凹槽(132)，所述构件(100)包括基件(110)，其中所述基件(110)具有至少一个中空内部空间(114)，其中每个凹槽(132)至少部分地沿着所述基件(110)延伸且具有基部(134)和顶部(136)；以及
穿过相应凹槽(132)的基部(134)形成至少一个入孔(140)，以将所述凹槽(132)连接成与相应中空内部空间(114)流体连通，其中每个入孔(140)具有出口直径D，所述出口直径D超过所述相应凹槽(132)的顶部(136)的开口宽度d，其中所述直径D为基于所围住区域的有效直径；
其中，形成所述凹槽(132)的步骤包括使用多轴运动控制器(210)来控制磨料液体射流(160)的多个道次，以在所述道次的每一个中从所述构件(100)移除材料，并且
其中，形成所述至少一个入孔(140)的步骤包括使用所述多轴运动控制器(210)来在所述凹槽(132)中的选定点改变所述磨料液体射流(160)的速度且控制所述磨料液体射流(160)的多个道次(141，143，145)，以在所述道次的每一个中从所述构件(100)移除材料。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，通过应用磨料液体射流(160)的多个道次(141，143，145)来形成每个入孔(140)，其中，从所述基件(110)移除相继更少的材料，使得所述入孔(140)包括发散入孔(140)。
6.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，还包括：将涂层(150)置于所述基件(110)的外表面(112)的至少一部分上方，其中所述凹槽(132)和所述涂层(150)限定了用于冷却所述构件(100)的一个或多个通道(130)，并且其中，所述涂层(150)包括结构涂层的外层(56)，所述方法还包括：在形成所述一个或多个凹槽(132)和所述至少一个入孔(140)之前，将所述结构涂层的内层(54)沉积于所述基件(110)的外表面(112)上，其中每个凹槽(132)至少部分地形成于所述结构涂层的内层(54)中。
7.一种用于带有冷却通道的构件的制造方法，包括：
在构件(100)中形成凹槽(132)，所述构件(100)包括基件(110)，其中所述基件(110)具有至少一个中空内部空间(114)，其中所述凹槽(132)至少部分地沿着所述基件(110)延伸且具有基部(134)和顶部(136)；以及
穿过所述凹槽(132)的基部(134)形成至少一个入孔(140)，以将所述凹槽(132)连接成与相应中空内部空间(114)流体连通，其中，将机械加工所述凹槽(132)和所述至少一个入孔(140)作为单个连续过程，使得所述凹槽(132)和所述至少一个入孔(140)形成连续冷却通路(132，140)；
其中，形成所述凹槽(132)的步骤包括使用多轴运动控制器(210)来控制磨料液体射流(160)的多个道次，以在所述道次的每一个中从所述构件(100)移除材料，并且
其中，形成所述至少一个入孔(140)的步骤包括使用所述多轴运动控制器(210)来在所述凹槽(132)中的选定点改变所述磨料液体射流(160)的速度且控制所述磨料液体射流(160)的多个道次(141，143，145)，以在所述道次的每一个中从所述构件(100)移除材料。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述凹槽(132)具有至少一个排放点(170)，所述制造方法还包括邻近每个凹槽(132)的相应排放点(170)形成离开区(172)，使得所述凹槽(132)和所述离开区(172)形成连续冷却通路(132，172)，其中形成所述离开区(172)的步骤包括使用多轴运动控制器(210)来控制所述磨料液体射流(160)的一个或多个道次，以在每个道次中从所述构件(100)移除材料，并且其中，通过从所述基件(110)的外表面(112)提升所述磨料液体射流(160)而形成所述离开区(172)，使得所述离开区(172)是渐缩的。
9.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述凹槽(132)具有至少一个排放点(170)，所述制造方法还包括邻近每个凹槽(132)的相应排放点(170)形成离开区(172)，使得所述凹槽(132)和所述离开区(172)形成连续冷却通路(132，172)，所述制造方法还包括将涂层(150)置于所述基件(110)的表面(112)的至少一部分上方，其中所述凹槽(132)和所述涂层(150)限定了用于冷却所述构件(100)的通道(130)，并且其中，所述涂层(150)不跨接所述离开区(172)，使得所述离开区(172)形成所述凹槽(132)的膜孔(174)。
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