CN103056604A - 具有激光熔覆的部件以及制造方法 - Google Patents

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coating
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R.S.班克
D.普拉特
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General Electric Co
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General Electric Co
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Abstract

本发明提供具有激光熔覆的部件以及制造方法。所述制造方法包括使用研磨液射流，以在基底的外表面中形成一个或多个凹槽。每个凹槽具有底部和开口，并且至少部分的沿所述基底的所述外表面延伸，其中所述基底具有内表面，所述内表面设有至少一个中空的内部空间。所述制造方法进一步包括：使用激光熔覆工艺以将激光熔覆材料涂在相应凹槽的所述开口上，以便至少部分的构成一个或多个通道，以用于对部件进行冷却；以及将涂层置于所述基底的所述外表面的至少一部分上以及所述激光熔覆材料上。本发明还提供其他制造方法和部件。

Description

具有激光熔覆的部件以及制造方法
技术领域
本发明大体涉及燃气涡轮发动机，更确切地说，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，以生成热燃烧气体。从高压涡轮机(HPT)中的气体中获得的能量可驱动压缩机，从低压涡轮机(LPT)中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，或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。但是，燃烧气体会沿着其流路加热多个部件，因此，需要进行冷却以延长发动机的寿命。通常情况下，热气路径部件由从压缩机中排出的空气进行冷却。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路径部件中冷却回路和特征的各个方面的多项专利。例如，燃烧室包括径向外部和内部衬套(liner)，所述衬套在操作过程中需要冷却。涡轮机喷嘴包括支撑在外带(outer band)与内带(inner band)之间的中空轮叶，所述中空轮叶也需要进行冷却。涡轮机转子叶片是中空的，其中通常包括冷却回路，且叶片由涡轮机防护罩环绕，所述叶片同样需要进行冷却。热燃烧气体经由排气装置排出，所述排气装置也可设有衬套且进行适当的冷却。
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合金(superalloy)金属构成的薄壁来降低部件重量，并最小化此类部件的冷却需求。各种冷却回路和特征可针对在发动机中处于相应环境中的这些单独部件进行适当调整。例如，可在热气路径部件中形成一系列内部冷却通道，或蛇形通道(serpentines)。冷却流体可从增压室(plenum)提供给蛇形通道，且所述冷却流体可流过所述通道，从而冷却热气路径部件的基底和任何相关的涂层。但是，这种冷却策略通常导致传热速率相对较低，且部件温度分布不均。
通过使冷却尽可能接近受热区域，微通道冷却可能显著降低冷却需求，从而在传热速率给定的情况下，降低主承载基底材料的热侧与冷测之间的温差。
除了冷却网络之外，热气部件还通常涂有各种保护涂层以增加使用寿命。例如，结构涂层、粘结层和热障涂层可用来保护部件免受热应力和机械应力。最初的结构涂层可包括热等离子体喷涂或等离子体沉积合金。然而，热喷涂涂层尤其并不完全致密，且目前并不用于对涡轮翼型片中的微冷却通道进行涂覆以彻底桥接通道开口，因而对耐久性构成风险。
因此，需要提供一种更强的覆盖材料和工艺，以提高对微通道冷却基底的粘结。
发明内容
本发明的一方面在于一种制造方法，所述制造方法包括使用研磨液射流(abrasive liquid jet)，以在基底的外表面中形成一个或多个凹槽(groove)。每个凹槽具有底部和开口，并且至少部分的沿所述基底的所述外表面延伸。所述基底具有内表面，该内表面设有至少一个中空的内部空间。所述制造方法进一步包括：使用激光熔覆(laser clad)工艺以将激光熔覆材料涂在相应凹槽的开口上，以便至少部分构成一个或多个通道，以用于对部件进行冷却；以及将涂层置于所述基底的所述外表面的至少一部分上以及所述激光熔覆材料上。
本发明的另一方面在于一种制造方法，所述制造方法包括在基底的外表面中形成一个或多个凹槽。每个凹槽具有开口，并且至少部分的沿所述基底的所述外表面延伸。所述基底具有内表面，该内表面设有至少一个中空的内部空间。所述制造方法进一步包括：加工所述基底的所述外表面，以使相应凹槽附近的表面塑性变形，从而减少跨过所述开口的距离；以及使用激光熔覆工艺以将激光熔覆材料涂到相应一个或多个凹槽的开口上，以便至少部分构成一个或多个通道，以用于对部件进行冷却。所述制造方法进一步包括将涂层置于所述基底的所述外表面的至少一部分上以及所述激光熔覆材料上。
本发明的又一方面在于一种制造方法，所述制造方法包括将结构涂层的内层沉积在基底的外表面上，从而至少部分的在内部结构涂层中形成一个或多个凹槽。每个凹槽具有开口，并且至少部分的沿部件延伸。所述基底具有内表面，该内表面设有至少一个中空的内部空间。所述制造方法进一步包括：使用激光熔覆工艺以将激光熔覆材料涂到相应一个或多个凹槽的开口上，以便至少部分构成一个或多个通道，用于对所述部件进行冷却；以及将所述结构涂层的外层置于所述结构涂层的所述内层的至少一部分上以及所述激光熔覆材料上。
本发明的另一方面在于一种部件，所述部件包括具有外表面和内表面的基底，其中所述内表面设有至少一个中空的内部空间。所述部件进一步包括置于基底表面的至少一部分上的至少一个涂层。所述涂层包括置于所述基底的所述外表面上的内部结构涂层。一个或多个凹槽至少部分的形成于所述内部结构涂层中。每个凹槽至少部分的沿所述部件延伸，并且具有开口。一个或多个出入孔穿过相应凹槽的底部而形成，以使所述凹槽与相应的中空内部空间流体连通。激光熔覆材料置于相应一个或多个凹槽的开口上，以至少部分构成一个或多个通道，以用于对所述部件进行冷却。
附图说明
在参阅附图来阅读以下详细说明后，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面以及优点，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为燃气涡轮机系统的示意图；
图2为根据本发明各方面的具有冷却通道的示例性翼型配置的截面示意图；
图3为具有凹形(re-entrant shaped)冷却通道和置于冷却通道开口上的激光熔覆材料的冷却回路的一部分的截面示意图；
图4在透视图中示意性地描绘三个示例性微通道，所述三个微通道部分的沿基底表面延伸并将冷却剂引导到相应的薄膜冷却孔，其中激光熔覆材料置于冷却通道的开口上；
图5为图4所示的示例性微通道中的一个微通道的截面图，并图示微通道将冷却剂从出入孔输送到薄膜冷却孔；
图6示意性地描绘用于形成凹槽以及凹槽排出端处的锥形溢流区(run-out region)的示例性工具加工路径(tooling path)；
图7为图3所示通道中的一个通道的放大图，其图示了沉积在凹形凹槽的开口上的激光熔覆材料；
图8所示为激光熔覆材料的倾斜涂覆(angled application)；
图9图示了并未完全密封凹槽开口的激光熔覆材料；
图10示意性地描绘在后加工表面处理之前且在激光熔覆之前的示例性凹形冷却通道；
图11示意性地描绘在将不规则处引入所处理的表面中的后加工表面处理之后且在激光熔覆之前的图10的凹形冷却通道；
图12为在后加工表面处理之前开口大小为D1的示例性凹形冷却通道的截面图；
图13为在后加工表面处理之后开口大小减小到D2的图12的凹形冷却通道的截面图；
图14图示了凹形通道，其中激光熔覆材料密封通道且结构涂层、粘结涂层和热障涂层置于激光熔覆材料上；
图15图示了已置于凹槽开口上的激光熔覆材料，其中基底的表面已刻面于凹槽的边缘附近；以及
图16图示了由激光熔覆材料部分密封的凹形通道，其中通道形成于结构涂层的内层中，且其中多孔槽延伸穿过结构涂层的外层。
元件符号列表：
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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，而是表示存在引用项中的至少一项。与数量有关的修饰语“约”包括设定值，并具有上下文所表示的意义(例如，包括与特定数量的测量关联的误差度)。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)”通常意图包括所修饰术语的单数和复数，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)，并且所述特定元素可存在或可不存在于其他实施例中。类似地，说明书中所提及的“特定配置”是指本说明书所述的至少一项配置中包括结合所述配置描述的特定元素(例如，特征、结构和/或特性)，并且所述特定元素可存在或可不存在于其他配置中。此外，应了解，所述发明特征可在多项实施例和配置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。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的多个轴段。
燃气涡轮机系统10可包括多个热气路径部件100。热气路径部件是系统10的任意部件，其至少部分暴露于流经系统10的高温气流。例如，桨叶组件(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、过渡连接件、固定环和压缩机排气部件均为热气路径部件。但应了解，本发明的热气路径部件100并不限于上述实例，而可为至少部分暴露于高温气流的任意部件。此外，应了解，本发明的热气路径部件100并不限于燃气涡轮机系统10中的部件，而可为可暴露于高温流的任意机械或其部件。
当热气路径部件100暴露于热气流时，热气路径部件100被热气流加热，且可达到使热气路径部件100大体上退化或发生故障的温度。因此，为了让系统10在高温的热气流下进行操作，从而提高系统10的效率、性能和/或寿命，需要一种用于热气路径部件100的冷却系统。
一般而言，本发明的冷却系统包括一系列小通道或微通道，其形成于热气路径部件100的表面中。对于工业大小的发电涡轮机部件而言，“小”或“微”通道尺寸将包括0.25mm到1.5mm范围内的近似深度和宽度，而对于航空大小的涡轮机部件而言，通道尺寸将包括0.1mm到0.5mm范围内的近似深度和宽度。热气路径部件可设有保护涂层。可将冷却流体从增压室提供到通道，且所述冷却流体可流过所述通道，从而冷却热气路径部件。
参考图2到图9、图14来描述制造方法。例如，如图2和图6所示，所述制造方法包括使用研磨液射流160，以在基底110的外表面112中形成一个或多个凹槽132。例如，如图4和图5所示，每个凹槽132具有底部134和开口136，并且至少部分的沿基底110的外表面112延伸。如图2所示，基底110具有内表面116，所述内表面设有至少一个中空的内部空间114。
基底110通常在形成凹槽132之前进行铸造。如梅尔文·R·杰克逊(Melvin R.Jackson)等人的“双壁翼型(Double-wall airfoil)”的第5,626,462号美国专利所述，该专利的全文并入本说明书中，基底110可由任意合适的材料形成。根据部件100的预期应用，所述材料可包括镍基、钴基和铁基超合金。镍基超合金可为含有γ和γ′相的那些超合金，特别是那些含有γ和γ′相的镍基超合金，其中γ′相占据所述超合金量的至少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。基底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，将会优选抗氧化性优良的已涂层的铌基合金，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，其中成分范围以原子百分比表示。基底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(intermetallic compound)。此类合金是具有延性相(ductile phase)(即，铌基合金)和强化相(即，含铌金属间化合物)的复合材料。对于其他布置而言，基底材料包括钼基合金，例如，具有Mo5SiB2和Mo3Si次生相的钼基合金(固溶体)。对于其他配置而言，基底材料包括陶瓷基复合材料，例如，使用碳化硅(SiC)纤维进行强化的碳化硅基材。对于其他配置而言，基底材料包括钛铝基金属间化合物。
现参考图7到图9，制造方法进一步包括使用激光熔覆工艺，以将激光熔覆材料190涂到相应一个或多个凹槽132的开口136上，从而至少部分构成一个或多个通道130，以用于对部件100进行冷却。在激光熔覆工艺期间，粉末状或固体(例如，线状、带状或薄片)原料通过使用激光来进行熔化并熔凝，以将激光熔覆材料190沉积在开口136上。激光熔覆材料190可通过冶金方式粘结到基底110。在Ching-Pang Lee等人的“使用激光熔凝技术在涡轮机中修改端壁轮廓的方法以及由此方法衍生出的涡轮机(Method of modifying the endwall contour in a turbine using laser consolidation and the turbines derivedtherefrom)”的共同转让的美国专利申请公开案2008/0135530中描述了激光熔凝技术，所述公开案的全文并入本说明书中。
对于某些配置而言，基底110和激光熔覆材料190包括相同的材料。例如，基底110可包括第一材料，且激光熔覆材料190可通过将激光应用到粉末状的第一材料来进行涂覆。对于这些配置而言，第一材料可包括多种镍基、钴基合金，或铁基合金中的一种，所述合金包括，但不限于，镍基、钴基和铁基超合金，如以上参考梅尔文·R·杰克逊(Melvin R.Jackson)等人的第5,626,462号美国专利所述。
对于其他配置而言，基底110和激光熔覆材料190可包括不同但相容的材料，这样，激光熔覆材料将与基底材料粘结良好。例如，基底110可包括第一材料，且激光熔覆材料190可通过将激光应用到粉末状的第二材料来进行涂覆，其中第一和第二材料为不同的材料，且其中激光熔覆材料(第二材料)为将与基底材料(第一材料)粘结良好的相容材料。第一和第二材料可从多种镍基、钴基合金，或铁基合金中进行选择，所述合金包括，但不限于，镍基、钴基和铁基超合金，如上文参考梅尔文·R·杰克逊(Melvin R.Jackson)等人的第5,626,462号美国专利所述。对于特定配置而言，第二材料可包括用于结构涂层150的材料。
有利地，激光熔覆是一种可使用与用来形成微通道相同的部分基准来实现的可编程工艺。所涂覆的激光熔覆材料可包括完全致密的材料，比起传统涂层更类似焊接，而且可通过冶金方式粘结到基底。激光熔覆工艺可使通道每侧上的层厚度逐渐减少，从而形成逐渐升降的厚度，这样便可容纳其他涂层而不会生成裂缝。顶部开口的大小必须足够小，例如，25毫英寸或更小，且优选15毫英寸或更小，这样，激光熔覆工艺便可从通道的每侧增加材料，以在中部会合。可允许某些材料垂在开口的内部。图8所示为激光熔覆材料的倾斜涂覆。有利地，以一定角度将激光熔覆应用到表面，或者以相对的角度应用在待覆盖的通道每侧上可有助于从每侧架桥。
对于特定工艺而言，激光熔覆用来涂覆相对较薄的层，例如，小于五毫英寸，具体而言，厚度在约一到三毫英寸的范围内(不包括开口的颈部内部的任何材料)。例如，如图14所示，随后将标准涂层系统涂覆在此完全致密的以冶金方式粘结的局部熔覆层上，其中假设典型的总涂层系统层叠将较大程度地抑制最初激光熔覆厚度出现在最终的外表面构形中。
对于图7所示的布置而言，激光熔覆材料190密封开口136。有利地，这有助于沉积结构涂层150，而无需使用牺牲型填料(sacrificialfiller)(未图示)。对于图9所示的布置而言，激光熔覆材料190并不完全密封开口136。相反，间隙192延伸穿过激光熔覆材料190。然而，间隙192比凹槽132的开口136小得多，这样，固定到开口136每侧的激光熔覆材料190仍有助于沉积结构涂层150，而无需使用牺牲型填料(未图示)，方法是形成局部覆盖，其中结构涂层的中部附近具有某些小的残余间隙，以进行桥接。
现参考图4、图5和图14，制造方法进一步包括将涂层150置于基底110的外表面112的至少一部分上以及激光熔覆材料190上。涂层150包括合适的材料并粘结到部件。
对于特定配置而言，针对工业部件，涂层150的厚度在0.1至2.0毫米的范围内，具体而言，在0.2至1毫米的范围内，更具体而言，在0.2至0.5毫米的范围内。针对飞机部件，此范围通常是0.1至0.25毫米。但根据特定部件100的需要，也可采用其他厚度。
涂层150包括结构涂层，且可进一步包括可选的额外涂层。所述涂层可通过各种技术进行沉积。对于特定工艺而言，结构涂层通过执行等离子体沉积(阴极电弧)而沉积。在维弗尔(Weaver)等人的“用于阴极电弧等离子体沉积的方法和设备(Method and apparatus forcathodic arc ion plasma deposition)”的共同转让的第10080138529号美国公开专利申请案中提供了示例性等离子体沉积设备和方法，所述申请案以全文引用方式并入本说明书中。简而言之，等离子体沉积包括：将由涂层材料形成的消耗阴极(consumable cathode)放置到真空室内的真空环境中；在真空环境中提供基底110；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；以及将阴极的涂层材料沉积在基底表面112上。
使用等离子体沉积进行沉积的涂层的非限制性实例包括结构涂层，以及粘结涂层和抗氧化涂层，如在以下参考杰克逊(Jackson)等人的“双壁翼型(Double-wall airfoil)”的第5,626,462号美国专利更详细地论述。对于某些热气路径部件100而言，结构涂层包括镍基或钴基合金，具体而言，包括超合金或(Ni，Co)CrAlY合金。例如，如果基底材料是含有γ和γ′相的镍基超合金，则结构涂层可包括类似的材料成分，如以下参考第5,626,462号美国专利更详细地论述。
对于其他工艺配置而言，结构涂层通过热喷涂工艺和冷喷涂工艺中的至少一种工艺来进行沉积。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)，且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)。在一项非限制性实例中，(Ni，Co)CrAlY涂层可通过HVOF或HVAF进行沉积。用于沉积结构涂层的其他示例性技术包括，但不限于，溅射、电子束物理气相沉积、化学沉积，以及电镀。
对于某些配置而言，需要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进行沉积，且随后沉积的层和可选的额外层(未图示)可使用其他技术，例如，燃烧喷涂工艺或等离子体喷涂工艺进行沉积。根据所使用的材料，针对涂层使用不同的沉积技术可有利于某些性质，例如，但不限于，应变容差、强度、粘附力和/或延性。
凹槽132可使用各种技术来形成。用于形成凹槽132的示例性技术包括研磨液射流、倾入式电解加工(ECM)、具有旋转电极的电火花加工(EDM)(铣削EDM)，以及激光加工。在2010年1月29日申请的“用于形成定形气孔的工艺和系统(Process and system forforming shaped air holes)”的共同转让的第12/697,005号美国专利申请案中描述了示例性激光加工技术，所述申请案以全文引用的方式并入本说明书中。在2010年5月28日申请的“包括锯齿形薄膜冷却孔的部件和相关工艺(Articles which include chevron film cooling holes，and related processes)”的共同转让的第12/790,675号美国专利申请案中描述了示例性EDM技术，所述申请案以全文引用的方式并入本说明书中。
对于特定工艺而言，使用研磨液射流160来形成凹槽(图6)。在2010年5月28日申请的“包括锯齿形薄膜冷却孔的部件和相关工艺(Articles which include chevron film cooling holes，and relatedprocesses)”的共同转让的第12/790,675号美国专利申请案中描述了示例性水射流钻孔工艺和系统，所述申请案以全文引用的方式并入本说明书中。如第12/790,675号美国专利申请案所述，水射流工艺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。水压可发生较大变化，但通常在约35至620MPa的范围内变化。可使用多种磨蚀材料，例如，石榴石、氧化铝、碳化硅和玻璃珠。有利地，研磨液射流加工技术的能力有助于分阶段移除材料，以使深度变化，从而控制形状。这让供给通道的内部出入孔140被钻成截面不变的直孔、有形状的孔(椭圆形等)，或者如图所示的收敛孔或发散孔。
此外，如第12/790,675号美国专利申请案所述，水射流系统可包括多轴计算机数控(CNC)单元210(图6)。所述CNC系统为所属领域已知，并在，例如，美国专利公开案1005/0013926(S·鲁科斯基(S.Rutkowski)等人)中进行了描述，所述专利公开案以引用的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。
具体而言，每个凹槽132的形成方式可为，在研磨液射流160第一次通过时，以相对于基底110的表面112的侧角引导研磨液射流160，且随后以大体与所述侧角相对的角进行后续的通过，这样，每个凹槽在凹槽的开口136处较窄，且因此包括凹形凹槽。通常，将执行多次通过，以达到凹槽所需的深度和宽度。在邦克(Bunker)等人的“具有凹形冷却通道的部件和制造方法(Components with re-entrantshaped cooling channels and methods of manufacture)”的共同转让的第12/943,624号美国专利申请案中介绍了这种技术，所述申请案以全文引用的方式并入本说明书中。此外，形成凹形凹槽132的步骤可进一步包括执行至少一次额外的通过，其中朝向凹槽132的底部134以介于侧角与大体上的对角(opposite angle)之间的一种或多种角度引导研磨液射流160，从而将材料从凹槽132的底部134移除。
如图3到图5所示，例如，制造方法可进一步包括穿过凹槽132中的相应一个凹槽的底部134形成一个或多个出入孔140，以使相应凹槽132与相应的中空内部空间114流体连通。应注意，出入孔140为孔，且因此并不与通道130同延，例如，如图4所示。在邦克(Bunker)等人的“具有冷却通道的部件和制造方法(Components with coolingchannels and methods of manufacture)”的共同转让的第13/210,697号美国专利申请案中介绍了用于形成出入孔的示例性技术，所述申请案以全文引用的方式并入本说明书中。
有利地，基底与激光熔覆材料之间的冶金粘结将比与，例如，涂层相关的粘结强，所述涂层类似采用热等离子体方法沉积的NiCrAlY。因此，如果热等离子体涂层涂在激光熔覆材料上，则将减少或消除热等离子体涂层中的强度不足问题。此外，激光熔覆材料仅需沉积在每个通道的局部区域中，而非整个基底表面上。
参考图2到图13描述另一种制造方法。例如，如图2和图6所示，所述制造方法包括在基底110的外表面112中形成一个或多个凹槽132。例如，如图4和图5所示，每个凹槽132具有开口136，并且至少部分的沿基底110的外表面112延伸。如图2所示，基底110具有内表面116，所述内表面设有至少一个中空的内部空间114。所述基底以在上文中更详细地描述。对于图3、图4和图7到图16所示的示例性布置而言，每个凹槽132在其相应开口136处较窄，从而每个凹槽132包括凹形凹槽132。上文以及邦克(Bunker)等人的“具有凹形冷却通道的部件和制造方法(Components with re-entrant shapedcooling channels and methods of manufacture)”的共同转让的第12/943,624号美国专利申请案中描述了凹形凹槽的形成。
例如，如图12和图13所示，制造方法进一步包括加工基底110的外表面112，以使相应凹槽132附近的表面塑性变形，从而减少跨过开口136的距离。例如，所得处理后的外表面112在图13中图示，且跨过凹槽132的顶部146的距离因所述加工而减少，如图12和图13所示。有利地，通过减少跨过凹槽顶部的距离，所述制造方法提高了涂层直接桥接开口的能力(即，无需使用牺牲型填料)。通过减少其中加工规范中的一个加工规范，所述制造方法可降低通道的加工成本。跨过凹槽顶部的距离将根据具体应用而变化。然而，对于某些配置而言，在加工部件100的中间表面112、55之前，跨过凹槽132的顶部146的距离在约8到25毫英寸(0.2到0.6mm)的范围内，且在已加工中间表面112、55之后，跨过凹槽132的顶部146的距离在约0到15毫英寸(0到0.4mm)的范围内。
如邦克(Bunker)等人的“具有冷却通道的部件和制造方法(Components with cooling channels and methods of manufacture)”的共同转让的第13/242,179号美国专利申请案所述，该申请案以全文引用的方式并入本说明书中，用于加工基底110的外表面112的合适技术包括，但不限于，喷丸强化(shot peening)、水喷丸强化(peening)、挡板喷丸强化、重力喷丸强化、超声喷丸强化、抛光，以及激光冲击喷丸强化。可采用各种抛光技术，具体取决于所处理表面的材料以及所需的变形。抛光技术的非限制性实例包括，例如，使用滚筒、针或球来塑性揉动(massaging)部件的中间表面，以及进行低塑性抛光。
对于特定工艺而言，表面处理在基底110的外表面112中引入多个表面不规则处，例如，如图11所示。例如，基底110的外表面112可采用喷丸强化进行加工，从而在基底110的外表面112中引入多个表面不规则处。有利地，喷丸强化操作中会形成一个更为自然的凹处，所述凹处可由激光熔覆材料“填充”，以形成更均匀的表面。
对于特定工艺而言，加工基底110的外表面112的步骤还刻面于凹槽132附近的外表面112。本说明书所用的术语“刻面”应被理解成使凹槽附近的中间表面向内倾斜，例如，如图13中的圆形区域所示。有利地，使中间表面在凹槽附近向内倾斜有助于激光熔覆从通道的每侧定向和增加，从而改进激光熔覆在凹槽开口上的桥接(无需使用牺牲型填料)，这样便可放松凹槽开口的机械规范，从而有助于使用较大的水射流喷嘴来形成凹槽。这会减少凹槽所需的时间以及相关的加工成本。
如上文参考图7到图9所述，制造方法进一步包括使用激光熔覆工艺，以将激光熔覆材料190涂在相应一个或多个凹槽132的开口136上，从而至少部分的构成一个或多个通道130，以用于对部件100进行冷却。通过这种方式，完全致密的局部熔覆层可通过冶金方式粘结到基底。此外，如图4、图5和图14所示，加工方法进一步包括将涂层150置于基底110的外表面112的至少一部分上以及完全致密的激光熔覆材料190上。上文提供示例性涂层材料和沉积技术。
参考图2到图13、图16描述另一种制造方法。例如，如图16所示，所述制造方法包括：将结构涂层54的内层沉积在基底110的外表面112上；以及至少部分的在内部结构涂层54中形成一个或多个凹槽132。应注意，尽管图16所示的凹槽并未延伸到基底110中，但对于其他配置而言，凹槽延伸穿过结构涂层的内层54并延伸到基底110中。在邦克(Bunker)等人的“使用双层结构涂层制造部件的方法(Method of fabricating a component using a two-layer structuralcoating)”的共同转让的第12/966,101号美国专利申请案中提供了使用双层结构涂层形成凹槽的细节，所述申请案以全文引用的方式并入本说明书中。对于图16所示的布置而言，凹槽132为凹形凹槽。
类似于上文参考图4和图5所述的布置，每个凹槽132具有开口136，并且至少部分的沿部件100延伸。如图2所示，基底110具有内表面116，所述内表面设有至少一个中空的内部空间114。上文更详细地描述了所述基底。
类似于上文参考图7到图9所述的方法，所述制造方法进一步包括使用激光熔覆工艺，以将激光熔覆材料190涂在相应一个或多个凹槽132的开口136上，以便至少部分构成一个或多个通道130，以用于对部件100进行冷却。通过这种方式，完全致密的局部熔覆层可通过冶金方式粘结到结构涂层的内层54。
对于特定配置而言，结构涂层包括第一材料，且激光熔覆材料190通过将激光应用到粉末状的第一材料来进行涂覆。对于示例性配置而言，第一材料可包括镍基或钴基合金，具体而言，可包括超合金或(Ni，Co)CrAlY合金，如上文参考梅尔文·R·杰克逊(Melvin R.Jackson)等人的第5,626,462号美国专利所述。那么激光熔覆材料将包括相同的材料，但在进行激光熔覆之前最初为粉末状。如上文所述，结构涂层通常采用等离子体沉积或电子束气相沉积进行沉积。对于某些应用而言，可涂覆热喷涂涂层。对于替代配置而言，结构涂层的内层54包括第一材料，且激光熔覆材料190包括粉末状的第二材料，其中第一和第二材料是不同的材料。对于这些多材料配置(未图示)而言，通常，粘结层直接置于激光熔覆材料190上，而且不存在结构涂层的外层。
对于图16所示的布置而言，制造方法进一步包括将结构涂层的外层56置于结构涂层的内层54的至少一部分上以及激光熔覆材料190上。结构涂层的外层56可使用上文针对结构涂层150所述的材料和沉积技术进行沉积。
对于图12和图13所示的特定工艺而言，制造方法任选地进一步包括加工结构涂层的内层54的外表面55，以使相应凹槽132附近的表面55塑性变形，从而减少跨过开口136的距离。这种表面处理在激光熔覆工艺之前进行。上文参考邦克(Bunker)等人的第13/242,179号美国专利申请案而论述了示例性的表面处理，包括，但不限于，喷丸强化、水喷丸强化、挡板喷丸强化、重力喷丸强化、超声喷丸强化、抛光，以及激光冲击喷丸强化。
参考图2到图4、图8、图9、图11、图13以及图16描述本发明的部件100的实施例。例如，如图2所示，部件100包括具有外表面112和内表面116的基底110，其中内表面116设有至少一个中空的内部空间114。例如，如图16所示，部件100包括置于基底110的表面112的至少一部分上的至少一个涂层150，其中涂层150包括置于基底110的外表面112上的内部结构涂层54。如图16所示，一个或多个凹槽132至少部分的形成于内部结构涂层54中。如上文所述，尽管图16所示的凹槽并未延伸到基底110中，但对于其他配置而言，凹槽延伸穿过结构涂层的内层54并延伸到基底110中。类似于图4所示的布置，每个凹槽132均至少部分的沿部件110延伸，并且具有开口136。对于图16所示的布置而言，凹槽132为凹形凹槽。类似于图3所示的布置，一个或多个出入孔140穿过相应凹槽132的底部134而形成，以使凹槽132与相应的中空内部空间114流体连通。
如图16所示，部件100进一步包括激光熔覆材料190，所述激光熔覆材料置于相应一个或多个凹槽132的开口136上，以至少部分构成一个或多个通道130，以用于对部件100进行冷却。上文提供了示例性激光熔覆材料。对于图16所示的配置而言，涂层150进一步包括置于内部结构涂层54上的外部结构涂层56，其中结构涂层的外层56置于结构涂层的内层54的至少一部分上以及激光熔覆材料190上。对于某些配置而言，结构涂层54、56和激光熔覆材料190包括相同的材料。对于替代配置(未图示)而言，所述涂层并不包括结构涂层的外层56，结构涂层的内层54和激光熔覆材料190包括不同的相容材料，且粘结层置于激光熔覆材料上。
对于特定配置而言，激光熔覆材料190密封开口136，类似于图8所示的布置。对于其他配置而言，激光熔覆材料190并不完全密封开口136，例如，如图9和图16所示。
对于特定配置而言，多个表面不规则处形成于相应凹槽132附近的结构涂层的内层54的外表面55中，例如，如图11所示。对于特定配置而言，结构涂层的内层54的外表面55刻面于相应凹槽132的附近。如上文所述，“刻面”应被理解成使凹槽132附近的表面55向内倾斜，例如，如图13中的圆形区域所示。
有利地，上述方法提供高强度冶金粘结，针对所得微通道冷却部件以确保微通道以及随后沉积的涂层系统的耐久性。
尽管本说明书中仅图示并描述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，应了解，所附权利要求书旨在涵盖本发明的真实精神范围内的所有此类修改和变化。

Claims (28)

1.一种制造方法，包括：
使用研磨液射流以在基底的外表面中形成一个或多个凹槽，其中每个凹槽具有底部和开口，并且至少部分的沿所述基底的所述外表面延伸，且其中所述基底具有内表面，所述内表面设有至少一个中空的内部空间；
使用激光熔覆工艺以将激光熔覆材料涂在相应一个或多个凹槽的所述开口上，以便至少部分构成一个或多个通道，以用于对部件进行冷却；以及
将涂层置于所述基底的所述外表面的至少一部分上以及所述激光熔覆材料上。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其中每个凹槽的形成方式为，在所述研磨液射流第一次通过时，以相对于所述基底的表面的侧角引导所述研磨液射流，且随后以大体与所述侧角相对的角进行后续的通过，以使每个凹槽在所述凹槽的所述开口处较窄，且因此包括凹形凹槽。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其中形成所述凹形凹槽的步骤进一步包括执行至少一次额外的通过，其中以介于所述侧角与大体上的对角之间的一个或多个角度而朝向所述凹槽的所述底部引导所述研磨液射流，从而将材料从所述凹槽的所述底部移除。
4.根据权利要求1所述的制造方法，进一步包括穿过所述凹槽中的相应一个凹槽的所述底部形成一个或多个出入孔，以使相应的凹槽与所述至少一个中空的内部空间中的各相应空间流体连通。
5.根据权利要求1所述的制造方法，进一步包括在所述基底的所述外表面中形成所述一个或多个凹槽之前，铸造所述基底。
6.根据权利要求1所述的制造方法，其中所述基底包括第一材料，且所述激光熔覆材料通过将激光应用到包括所述第一材料的粉末而进行涂覆。
7.根据权利要求1所述的制造方法，其中所述基底包括第一材料，且所述激光熔覆材料通过将激光应用到粉末状的第二材料进行涂覆，其中所述第一和第二材料是不同的材料。
8.根据权利要求1所述的制造方法，其中所述激光熔覆材料密封所述开口。
9.根据权利要求1所述的制造方法，其中所述激光熔覆材料并不完全密封所述开口。
10.一种制造方法，包括：
在基底的外表面中形成一个或多个凹槽，其中每个凹槽具有开口，并且至少部分的沿所述基底的所述外表面延伸，且其中所述基底具有内表面，所述内表面设有至少一个中空的内部空间；
加工所述基底的所述外表面，以使相应凹槽附近的表面塑性变形，从而减少跨过所述开口的距离；
使用激光熔覆工艺以将激光熔覆材料涂在相应一个或多个凹槽的所述开口上，以便至少部分构成一个或多个通道，以用于对部件进行冷却；以及
将涂层置于所述基底的所述外表面的至少一部分上以及所述激光熔覆材料上。
11.根据权利要求10所述的方法，其中加工所述基底的所述外表面包括执行以下操作中的一个或多个：对所述外表面进行喷丸强化、对所述外表面进行水射流喷丸强化、对所述外表面进行挡板喷丸强化、对所述外表面进行重力喷丸强化、对所述外表面进行超声喷丸强化、对所述外表面进行抛光、对所述外表面进行低塑性抛光，以及对所述外表面进行激光冲击喷丸强化，以使邻近所述凹槽的所述表面塑性变形，从而减少跨过所述凹槽的所述开口的所述距离。
12.根据权利要求10所述的制造方法，其中在加工所述基底的所述外表面之前，跨过所述凹槽的所述开口的所述距离在约0.2到0.6mm的范围内，且其中在已加工所述外表面之后，跨过所述凹槽的所述开口的所述距离在约0到0.4mm的范围内。
13.根据权利要求10所述的制造方法，其中所述加工在所述基底的所述外表面中引入多个表面不规则处。
14.根据权利要求10所述的制造方法，其中加工所述基底的所述外表面的步骤还刻面于所述凹槽附近的所述外表面。
15.根据权利要求10所述的制造方法，其中所述相应一个或多个凹槽中的每个凹槽在其相应开口处较窄，从而每个凹槽包括凹形凹槽。
16.一种制造方法，包括：
将结构涂层的内层沉积在基底的外表面上；
至少部分的在内部结构涂层中形成一个或多个凹槽，其中每个凹槽具有开口并且至少部分的沿部件延伸，且其中所述基底具有内表面，所述内表面设有至少一个中空的内部空间；
使用激光熔覆工艺以将激光熔覆材料涂在相应一个或多个凹槽的所述开口上，以便至少部分构成一个或多个通道，以用于对所述部件进行冷却；以及
将所述结构涂层的外层置于所述结构涂层的所述内层的至少一部分上以及所述激光熔覆材料上。
17.根据权利要求16所述的制造方法，进一步包括加工所述结构涂层的所述内层的外表面，以使相应凹槽附近的表面塑性变形，从而减少跨过所述开口的距离，其中在所述激光熔覆工艺之前执行所述加工。
18.根据权利要求16所述的制造方法，其中所述相应一个或多个凹槽中的每个凹槽在其相应开口处较窄，从而每个凹槽包括凹形凹槽。
19.根据权利要求16所述的制造方法，其中所述结构涂层包括第一材料，且所述激光熔覆材料通过将激光应用到包括所述第一材料的粉末而进行涂覆。
20.一种部件，包括：
包括外表面和内表面的基底，其中所述内表面设有至少一个中空的内部空间；
置于所述基底的表面的至少一部分上的至少一个涂层，其中所述涂层包括置于所述基底的所述外表面上的内部结构涂层，其中一个或多个凹槽至少部分的形成于所述内部结构涂层中，其中每个凹槽至少部分的沿所述部件延伸并且具有开口，且其中一个或多个出入孔穿过相应凹槽的底部而形成，以使所述凹槽与相应的中空内部空间流体连通；以及
置于相应一个或多个凹槽的所述开口上的激光熔覆材料，以至少部分构成一个或多个通道，以用于对所述部件进行冷却。
21.根据权利要求20所述的部件，其中所述相应一个或多个凹槽中的每个凹槽在其相应开口处较窄，从而每个凹槽包括凹形凹槽。
22.根据权利要求20所述的部件，其中所述涂层进一步包括置于所述内部结构涂层上的外部结构涂层，且其中所述结构涂层的外层置于所述结构涂层的内层的至少一部分上以及所述激光熔覆材料上。
23.根据权利要求22所述的部件，其中所述结构涂层和所述激光熔覆材料包括相同的材料。
24.根据权利要求20所述的部件，进一步包括粘结层，其中所述结构涂层的所述内层包括第一材料，且所述激光熔覆材料包括粉末状的第二材料，其中所述第一和第二材料是不同的材料，且其中所述粘结层置于所述激光熔覆材料上。
25.根据权利要求20所述的部件，其中所述激光熔覆材料密封所述开口。
26.根据权利要求20所述的部件，其中所述激光熔覆材料并不完全密封所述开口。
27.根据权利要求20所述的部件，其中多个表面不规则处形成于所述相应凹槽附近的所述结构涂层的所述内层的外表面中。
28.根据权利要求20所述的部件，其中所述结构涂层的所述内层的所述外表面刻面于所述相应凹槽的附近。
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