CN104511590A - 用于3d打印用于涡轮护罩的表面的图案的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于3D打印用于涡轮护罩的表面的图案的方法。提供了一种制造工业制品的方法，其包括以下步骤：将第一涂层喷涂到衬底上，以及通过3D打印设置成图案的材料来将第二涂层淀积在第一涂层上。图案包括设置在涡轮部件的底表面处的凸脊。各个凸脊由第一和第二侧壁限定，各个侧壁具有第一和第二端部。端部从底表面延伸，侧壁朝彼此倾斜，直到在相应的第一和第二侧壁的第二端部处相遇，从而限定中心线和凸脊的顶部部分。侧壁相对于底表面以基本相等但相反的斜度倾斜。凸脊对应于涡轮轮叶的后部部分，并且相对于轮叶的旋转轴线以第一角度定向。

Description

用于3D打印用于涡轮护罩的表面的图案的方法

技术领域

本发明涉及置于燃气涡轮发动机、径向入流压缩机和包括微型涡轮和涡轮增压器的径向涡轮的金属构件的表面处的图案，这些金属构件暴露于高温环境，并且具体而言，涉及用于对在燃气涡轮发动机中使用的涡轮护罩应用图案以改进涡轮叶片(也称为"轮叶")的性能和效率的新方法。

背景技术

燃气涡轮发动机用于各种不同的应用中，大多数是发电。这样的发动机典型地包括涡轮压缩机，其借助于多级轴向流压缩机将空气压缩到高压。压缩空气传送通过燃烧器，燃烧器接受空气和来自燃料供应的燃料，并且提供连续的燃烧，因而使工作气体的温度和压力升高到高水平。燃烧器将高温气体输送到涡轮，随着工作流体从压缩机形成的高压膨胀到大气压，涡轮又从高压气体工作流体中抽取工。

随着气体离开燃烧器，温度可容易地超过用于构造涡轮中的喷嘴和轮叶的材料的可接受的温度极限。虽然热气在它们膨胀时冷却，但是排气的温度通常保持远高于环境。因而，涡轮的较早的级的过度冷却对于确保构件具有足够的寿命是必要的。在涡轮的较早的级中的高温会产生关于接触热气的构件的完整性、金相和期望寿命相关的各种问题，诸如旋转轮叶和涡轮护罩。虽然高燃烧温度通常对于较高效的发动机是合乎需要的，但是高的气体温度可能需要从压缩机获得气体来冷却涡轮部件，这往往会降低总的发动机效率。

为了实现最高的发动机效率(以及对应的最高发电量)，重要的是，轮叶以最小的干涉的在涡轮壳体或"护罩"内旋转，并且相对于从膨胀的工作流体可获得的能量的量具有最高的可能效率。

在运行期间，涡轮壳体(护罩)相对于旋转轮叶保持固定。典型地，最高效率可通过在护罩和轮叶末端之间保持最小阈值间隙来实现，以从而防止热气在轮叶的末端上不合需要地"泄漏"。增加的间隙将导致泄漏问题，并且使燃气涡轮发动机的总效率显著降低。在不牺牲发动机效率的情况下，可容忍仅最小量的热气在轮叶的外部周缘(即在轮叶末端和涡轮护罩之间的小的环形空间)处"泄漏"。进一步，当轮叶不在涡轮护罩的内表面的特定部分附近时，在该特定部分上的热气流会产生损失。

保持足够的间隙而不显著损失效率的需要较难满足，因为在涡轮旋转时，作用在涡轮构件上的离心力可使轮叶在朝向护罩的向外的方向上膨胀，尤其是当受到高的运行温度的影响时。另外，轮叶末端和护罩之间的间隙可能在护罩的整个周边上不均匀。不均匀性由多个因素产生，包括加工公差、堆叠公差和由于不同的热质量和热响应产生的不均匀膨胀。因而，重要的是，在最高的预期运行温度下，在护罩和轮叶末端之间建立最低的有效运行间隙。

如果例如护罩被扭曲或轮叶末端在护罩的陶瓷或金属的流表面上摩擦，则轮叶末端的磨损会产生燃气涡轮效率的显著损失。如果轮叶末端摩擦在护罩的特定位置上使得轮叶末端被磨损，则轮叶末端的磨损会在其它位置处增大轮叶末端和护罩之间的间隙。再一次，当涡轮旋转时，轮叶在与护罩的界面处的任何这种退化最终将导致总的发动机性能和效率的显著降低。

在过去，已经对涡轮护罩应用可磨蚀类型的涂层，以帮助在稳态温度状况下在护罩和轮叶末端之间建立最小(即最佳)运行间隙。具体而言，已经使用材料来对护罩的面向轮叶的表面应用涂层，在轮叶在护罩内部以高速转动时，该材料可容易地被轮叶的末端磨蚀，而不对轮叶末端产生损害或很少损害。已经通过下者来应用可磨蚀类型的涂层：通过掩模或筛进行喷涂而产生图案，或喷涂固体垫或层且然后以机械的方式在可磨蚀垫中铣削出图案。这两个已知技术的缺点在于，需要许多步骤和堆叠层，并且得到的可磨蚀图案的凸脊高度很难以紧密公差实现。

最初，在燃气涡轮停机且构件处于环境温度时，在轮叶末端和涂层之间存在间隙。后来，在正常运行期间，间隙由于离心力和在旋转和静态构件中的温度变化而减小，从而不可避免地导致轮叶末端有至少一些径向延伸，从而使它们接触护罩上的涂层且磨掉涂层的一部分，而建立最小运行间隙。在没有可磨蚀涂层的情况下，在轮叶末端和护罩之间的冷间隙必须足够大，以防止在后面的高温运行期间在旋转轮叶末端和护罩之间有接触。在具有可磨蚀涂层的情况下，另一方面，冷间隙可减小，并且确保在出现接触时，牺牲部件是可磨蚀涂层，而非轮叶末端。

但是，从护罩移除(磨蚀)掉的任何涂层材料应当不影响下游发动机构件。理想地，对于燃气涡轮的整个运行寿命，可磨蚀涂层材料保持粘合到护罩上，并且不会随着时间的推移而显著退化。换句话说，可磨蚀材料稳固地粘合到涡轮护罩上，并且保持粘合，而涂层的一部分在启动、停机或热再启动期间被轮叶叶片移除。优选地，在大量运行循环期间，涂层也应当保持固定到护罩上，即不管燃气涡轮发动机在启动和停机或周期性的功率甩负荷期间重复的热循环如何。

发明内容

根据本发明的一方面，提供一种制造工业制品的方法。方法包括以下步骤：将第一涂层喷涂到衬底上，以及通过3D打印设置成图案的材料来将第二涂层淀积到第一涂层上。图案包括设置在涡轮部件的底表面处的第一多个凸脊。第一多个凸脊中的各个凸脊由第一侧壁和第二侧壁限定。第一和第二侧壁各自具有第一端部和相对的第二端部。第一和第二侧壁的第一端部从底表面延伸，并且第一和第二侧壁朝彼此倾斜，直到在相应的第一和第二侧壁的第二端部处相遇，从而限定中心线和凸脊的顶部部分。第一和第二侧壁相对于底表面以基本相等但相反的斜度倾斜。第一多个凸脊的至少第一部分对应于涡轮轮叶的至少后部部分，并且相对于涡轮轮叶的旋转轴线以第一角度定向。第一角度的范围为大约20度至大约70度。图案包括第一多个凸脊，其设置在底表面处，使得第一多个凸脊中的各个凸脊基本平行于彼此。第一角度等于涡轮轮叶的后缘的离开角度。

根据本发明的一方面，提供一种制造工业制品的方法。方法包括以下步骤：将第一隔热涂层喷涂到部件上，其中第一隔热涂层由致密的沿竖向裂开的涂层形成。淀积步骤通过将第二隔热涂层3D打印成图案来将第二隔热涂层淀积到第一隔热涂层上。图案包括设置在部件的底表面处的多个凸脊。第二隔热涂层的孔隙率通过调节3D打印属性来控制，并且这些属性包括下者中的至少一个：粒度分布、饱和水平、粘合剂/体积比率或层厚度。

一种制造工业制品的方法，所述方法包括：

将第一涂层喷涂到衬底上；

通过3D打印设置成图案的材料来将第二涂层淀积到所述第一涂层上，其中，所述图案包括：

　　设置在涡轮部件的底表面处的第一多个凸脊，

　　所述第一多个凸脊中的各个凸脊由第一侧壁和第二侧壁限定，所述第一和第二侧壁各自具有第一端部和相对的第二端部，所述第一和第二侧壁的第一端部从所述底表面延伸，所述第一和第二侧壁朝彼此倾斜，直到在相应的第一和第二侧壁的第二端部处相遇，从而限定中心线和所述凸脊的顶部部分，所述第一和第二侧壁相对于所述底表面以基本相等但相反的斜度倾斜；

其中，所述第一多个凸脊的与涡轮轮叶的至少后部部分相对应的至少第一部分相对于所述涡轮轮叶的旋转轴线以第一角度定向；

其中，所述第一角度的范围为大约20度至大约70度；

其中，所述图案包括所述第一多个凸脊，其设置在所述底表面处，使得所述第一多个凸脊中的各个凸脊基本平行于彼此；以及

其中，所述第一角度等于所述涡轮轮叶的后缘的离开角度。

在一个实施例中，所述第二涂层的孔隙率通过调节3D打印属性来控制，所述属性包括下者中的至少一个：

粒度分布、饱和水平、粘合剂/体积比率或层厚度。

在一个实施例中，所述粒度分布介于大约50微米和大约200微米之间。

在一个实施例中，所述第二涂层的孔隙率介于大约5%和大约50%之间。

在一个实施例中，所述第二涂层的孔隙率介于大约10%和大约30%之间。

在一个实施例中，所述第一涂层为致密的沿竖向裂开的隔热涂层。

在一个实施例中，所述第一多个凸脊中的各个凸脊相对于彼此相等地间隔开大约1毫米至大约14毫米。

在一个实施例中，沿竖向从所述底表面到所述顶部部分进行测量的各个凸脊的高度的范围为大约0.25毫米至大约4毫米。

在一个实施例中，第二多个凸脊相对于所述涡轮轮叶的旋转轴线以第二角度设置在所述底表面处，使得第一和第二多个凸脊相交，并且所述第二角度不同于所述第一角度。

在一个实施例中，所述第一多个凸脊延伸到所述第一多个凸脊的与所述涡轮轮叶的前部部分相对应的第二部分，所述第二部分限定所述第一多个凸脊的弯曲区段；以及

其中，所述弯曲区段包括所述第一多个凸脊，其设置成使得所述凸脊基本对应于所述涡轮轮叶的中弧线形状而弯曲。

在一个实施例中，所述底表面包括下者中的至少一个：

隔热涂层；

金属粘合涂层；以及

所述涡轮护罩的表面，所述涡轮护罩的表面为金属和陶瓷中的至少一个。

在一个实施例中，所述隔热涂层包括中的至少一个：

钡锶铝硅酸盐；

纯氧化锆；

氧化钇稳定的氧化锆；

氧化镱稳定的氧化锆；

氧化镁稳定的氧化锆；以及

氧化钙稳定的氧化锆；以及

其中，所述金属粘合涂层包括下者中的至少一个，

Beta-NiAl的金属间化合物；以及MCrAlX，所述M包括镍、钴、铁中的至少一个，而X包括氧化钇、锆、硅、铪中的至少一个。

在一个实施例中，所述材料包括下者中的至少一个：

陶瓷涂层；

涡轮护罩的陶瓷表面；

金属涂层；以及

所述涡轮护罩的金属表面。

一种制造工业制品的方法，所述方法包括：

将第一隔热涂层喷涂到部件上，所述第一隔热涂层由致密的沿竖向裂开的涂层形成；

通过将第二隔热涂层3D打印成图案来将所述第二隔热涂层淀积到所述第一隔热涂层上，其中，所述图案包括设置在所述部件的底表面处的多个凸脊；以及

其中，所述第二隔热涂层的孔隙率通过调节3D打印属性来控制，所述属性包括下者中的至少一个：粒度分布、饱和水平、粘合剂/体积比率或层厚度。

在一个实施例中，所述粒度分布介于大约50微米和大约200微米之间。

在一个实施例中，所述第二隔热涂层的孔隙率介于大约5%和大约50%之间。

在一个实施例中，所述第二隔热涂层的孔隙率介于大约10%和大约30%之间。

在一个实施例中，所述多个凸脊中的各个凸脊相对于彼此相等地间隔开大约1毫米至大约14毫米；以及

沿竖向从所述底表面到顶部部分进行测量的所述多个凸脊中的各个凸脊的高度的范围为大约0.25毫米至大约4毫米。

在一个实施例中，所述第一隔热涂层和所述第二隔热涂层包括下者中的至少一个：

钡锶铝硅酸盐；

纯氧化锆；

氧化钇稳定的氧化锆；

氧化镱稳定的氧化锆；

氧化镁稳定的氧化锆；以及

氧化钙稳定的氧化锆。

在一个实施例中，所述材料包括下者中的至少一个：

陶瓷涂层；

涡轮护罩的陶瓷表面；

金属涂层；以及

所述涡轮护罩的金属表面。

根据结合附图阅读的以下描述，本发明的以上和其它目标、特征和优点将变得显而易见，在附图中，相同参考标号表示相同元件。

附图说明

现在参照附图，其中相同元件在若干图中以相同方式标号：

图1为曲线图，除了在涡轮轮叶末端和涡轮护罩的内表面之间的间隙的减小之外，其显示了由于存在图案而得到的涡轮的空气动力学性能的改进；

图2为可磨蚀图案的平面图，其以虚线线显示接触根据示例性实施例的可磨蚀图案的涡轮轮叶末端的外表面的轮廓；

图3为限定可磨蚀图案的示例性实施例的凸脊的横截面图；

图4为限定图案的示例性实施例的凸脊的横截面图。

图5为具有可磨蚀图案的底表面的平面图，其中，图案为根据示例性实施例的多个平行的凸脊；

图6为具有可磨蚀图案的底表面的平面图，其中，图案为第一多个平行凸脊，其与第二多个平行凸脊相交而形成菱形形状；

图7显示通过涡轮轮叶的横截面的中弧线；

图8为具有可磨蚀图案的底表面的平面图，其中，图案为平行线，其在图案的与涡轮轮叶的前部部分相对应的部分处弯曲向中弧线；以及

图9为根据本发明的一方面的3D打印方法的流程图。

部件列表：

9前部部分

10轮叶末端

11后部部分

12可磨蚀图案

13前表面

14平移方向

15后表面

16凸脊

17箭头

20底表面

21可磨蚀涂层

22中心线

24凸脊高度

30第一侧壁

31第一端部

32第二侧壁

33第二端部

34顶部部分

37可旋转轴

42基准线

43涡轮护罩

44距离

48第一角度

50第二多个凸脊

52第二角度

60中弧线

62离开角度

66第一端部

68第二端部

70弯曲区段

72笔直区段

116第一多个凸脊

900方法

910步骤

920步骤。

具体实施方式

本发明的示例性实施例包括应用限定图案的可磨蚀涂层的方法，该图案改进可磨蚀材料的可磨蚀性且通过改进围绕涡轮轮叶末端的密封而改进涡轮的空气动力学性能。另一个示例性实施例包括应用形成于涡轮护罩的内表面中的图案的方法。大体上，通过用材料3D打印多个凸脊来形成图案。材料可例如与涡轮护罩或工业制品的内表面成整体。图案的示例性实施例通过减小涡轮轮叶末端和涡轮护罩之间的空间来改进涡轮的空气动力学性能，从而改进围绕涡轮轮叶末端的密封。由于图案减小了多个涡轮轮叶末端中的各个涡轮轮叶末端的空气动力学损失，所以实现了额外的空气动力学性能改进。涡轮护罩的内表面上的带图案表面对外壁上的主流提供引导。因而，即使未改进密封，带图案的表面也会减小空气动力学损失。图1是示出改进的图案的各种备选实施例的空气动力学益处的曲线图。如图1中显示，除了存在图案所产生的间隙的任何实际减小之外，通过将图案设置在涡轮护罩的内表面上，减小了涡轮轮叶末端和涡轮护罩的内表面之间的有效间隙。图案的示例性实施例还改进了可磨蚀性，因为减小了在与涡轮轮叶末端摩擦期间必须被移除的可磨蚀涂层的体积。图案的改进的可磨蚀性导致涡轮轮叶末端较少被磨蚀，从而消除处理各个涡轮轮叶末端以减少其这种磨蚀的需要。

图2是可磨蚀图案12的示例性实施例的图，其显示接触区域。接触区域为以阴影线显示的涡轮轮叶末端10的与可磨蚀图案12接触的外表面的轮廓。箭头17显示涡轮轮叶末端10相对于可磨蚀图案12的平移方向。在示例性实施例中，涡轮轮叶末端10的平移由涡轮轮叶末端10的旋转产生。箭头17表示流体流相对于可磨蚀图案12的方向。涡轮轮叶末端10包括前部部分9和后部部分11。前部部分9为涡轮轮叶末端10的在涡轮运行期间首先将流体流接收在叶片排中的部分。涡轮轮叶末端10的前部部分9沿与平移方向14相反的方向弯曲，以改进涡轮轮叶末端10的空气动力学特性。前表面13为涡轮轮叶末端10的表面，当涡轮轮叶末端10在正常运行期间旋转时，该表面相对于平移方向14在涡轮轮叶末端10的前部。后表面15为涡轮轮叶末端10的表面，当涡轮轮叶末端10在正常运行期间旋转时，该表面相对于平移方向14在涡轮轮叶末端10的前表面13的后部。后部部分11为涡轮轮叶末端10的一部分，当涡轮轮叶末端10在正常运行期间旋转时，该部分相对于平移方向14在前部部分9之后。

可磨蚀图案12由设置在底表面20上的第一多个凸脊16限定。多个凸脊16中的各个凸脊16基本平行于各个其它凸脊16。多个凸脊16中的各个凸脊16还相对于各个其它凸脊16基本等距。

图3显示示例性实施例中的第一多个凸脊16中的一个凸脊16的横截面图。凸脊16设置在底表面20上。在示例性实施例上，底表面20设置在涡轮护罩43的内表面处，但是，底表面20不限于此，而是包括其它适当的表面。底表面20包括例如应用到涡轮护罩43的内表面上的隔热涂层、应用到涡轮护罩43的内表面上的金属粘合涂层，或涡轮护罩的暴露的内表面。涡轮护罩的暴露的内表面包括但是不限于金属和陶瓷表面。隔热涂层包括例如钡锶铝硅酸盐或部分地或完全用氧化钇(例如，大约7%至大约20%)稳定的氧化锆、氧化镱稳定的氧化锆、纯氧化锆(未稳定的，即大约99.9%)、氧化镁、氧化钙，或其它稳定剂。金属粘合涂层包括Beta-NiAl的金属间化合物；以及MCrAlX，M包括镍、钴、铁中的至少一个和镍、钴和铁的任何组合，而X包括氧化钇、锆、硅、铪中的至少一个和氧化钇、锆、硅、铪的任何组合。例如，金属粘合涂层可包括MCrAlX，M包括镍、钴或铁中的至少一个(或它们的组合)，而X包括氧化钇、锆、硅、铪中的至少一个(或它们的组合)。底表面20可选地覆盖在一层可磨蚀涂层21中。如果使用该层可磨蚀涂层21，则该层的高度相对于底表面20高达大约0.32毫米。凸脊16具有中心线22和凸脊高度24。在中心线22处的凸脊高度24从底表面20测量到顶部部分34。如果使用该层可磨蚀涂层21，则凸脊高度24从该层可磨蚀涂层21的外表面测量到顶部部分34。各个凸脊16的凸脊高度24等于第一多个凸脊16中的各个其它凸脊16的凸脊高度24。凸脊高度24的范围为大约0.1毫米至大约4毫米，而优选的凸脊高度24为大约0.25毫米至大约2毫米。各个凸脊16由第一侧壁30和第二侧壁32限定。第一侧壁30和第二侧壁32由第一端部31和第二端部33限定。第一侧壁30和第二侧壁32两者的第一端部31设置成接触底表面20且从底表面20延伸。第一侧壁30和第二侧壁32两者的第二端部33连结在一起且限定顶部部分34。第一侧壁30和第二侧壁32成设置使得第一侧壁30和第二侧壁32随着它们从底表面20延伸而朝向彼此倾斜。在顶部部分34处的中分凸脊16对应于各个凸脊16的中心线22。第一侧壁30和第二侧壁32相对于底表面20以基本相等但相反的斜度倾斜向中心线22。顶部部分34的形状可对应于相应的第一侧壁30和第二侧壁32的连接的第二端部而基本弯曲，如示出的那样，或当在横截面图中看时限定三角形的两边。

可磨蚀涂层21和/或凸脊16可由隔热涂层(TBC)构成。TBC可邻近且覆盖粘合涂层。TBC的厚度典型地范围为大约1至大约100密耳(大约25至大约2540微米)，并且将取决于各种因素，包括所涉及的制品的设计参数。例如，对于涡轮护罩，TBC典型地较厚且通常范围为大约30至大约70密耳(大约762至大约1778微米)，更典型地大约40至大约60密耳(大约1016至大约1524微米)。相反，在涡轮叶片的情况下，TBC典型地较薄且范围为大约3至大约30密耳(大约76至大约762微米)，更典型地大约3至大约10密耳(大约76至大约254微米)。

TBC可包括高断裂韧度内层，其邻近且覆盖粘合涂层。已经发现，冲击破坏产生的TBC的剥落和移除典型地不以逐渐的磨蚀状方式出现。相反，已经发现其典型地为沿竖向延伸的裂缝的结果，该裂缝从TBC的外表面(由于硬物体的冲击)形成和传播到TBC和粘合涂层之间的界面，因而导致TBC在这个界面处或附近的失效，即，在这里出现TBC的最终分层。已经进一步发现，水平地延伸的裂缝也可形成在TBC的各种深度或水平处，它们相对于这个界面间隔开。因此，一系列的“层叠的”区段或层可在TBC中形成这些水平裂缝处脱开和掉下。定位在粘合涂层和外部隔热层之间的界面处的TBC的内层的高断裂韧度相信会中断这些沿竖向延伸的裂缝的传播，以及最大程度地减少或阻止水平地延伸的裂缝的形成和传播，因而对TBC以及特别是外部隔热层赋予耐冲击和剥落性。对于具有减小的导热性的、往往更易于出现冲击损害所产生的这样的竖向裂缝传播的某些外部隔热层，这种高断裂韧度内层的使用可为特别合乎需要的。

内层典型地形成为较薄的层，以对TBC赋予耐冲击和剥落性，特别是外部层，并且不过度地影响TBC的其它合乎需要的(例如，机械和隔热)属性，包括应变容忍性、模量和导热性。在这方面，内层应当具有高达大约5密耳(127微米)的厚度。典型地，内层的厚度的范围为大约0.5至大约2密耳(大约13至大约51微米)，更典型地大约1至大约2密耳(大约25至大约51微米)。

TBC的内层可包括含氧化锆的陶瓷成分，其在正方晶相的某个区域中被稳定，以便增加断裂韧度且因而为TBC赋予改进的耐冲击性。这些内层的断裂韧度和耐冲击性可基于与相应的含氧化锆的陶瓷成分等效的氧化锆晶格稳定性的作用来预测。已经发现断裂韧度和耐冲击性能与等效的氧化锆晶格稳定性有关。

可计算这些含氧化锆的陶瓷成分在正方晶相中的晶格稳定性，包括逐步增加稳定金属氧化物(诸如氧化钇)的作用。随着含氧化锆的陶瓷成分中的氧化钇的水平降低，c/a比率相反地增加。已经进一步发现，随着c/a比率增加，断裂韧度增加且耐冲击性得到改进，即，降低氧化钇水平会增加包括含氧化锆的陶瓷成分的高断裂韧度内层的断裂韧度和改进耐冲击性能。

为了提供具有适当的耐冲击性能的高断裂韧度内层，含氧化锆的陶瓷成分具有的c/a比率应当典型地范围为大约1.011至大约1.016，更典型地范围为大约1.013至大约1.015。用于高断裂韧度内层中的、具有这些c/a比率的适当的含氧化锆的成分可包括至少大约90%的氧化锆。典型地，这些含氧化锆的成分包括大约93%至大约96%的氧化锆，更典型地大约93.5%至大约95.5%的氧化锆。用于高断裂韧度内层26中的、具有这些c/a比率的适当的含氧化锆的成分进一步包括稳定量的稳定金属氧化物。典型地，包括成分的大约4%至大约7%的量的稳定金属氧化物。适当的稳定金属氧化物可选自下者组成的组：氧化钇、氧化钙、二氧化铈、氧化钪、氧化镁、氧化铟、氧化镧、氧化钆、氧化钕、氧化钐、氧化镝、氧化铒、氧化镱、氧化铕、氧化镨和其混合物。用于高断裂韧度内层中的含氧化锆的陶瓷成分典型地包括氧化钇作为稳定金属氧化物，其量为成分的大约4.5%至大约6.5%。

虽然含氧化锆的成分的c/a比率对断裂韧度和耐冲击性能具有特别强的作用，但是已经进一步发现，TBC的得到的保护性内层的孔隙率水平也具有作用。因此，可通过可选地使内层较致密(即，通过降低其孔隙率)来获得额外的断裂韧度和耐冲击性益处。这典型地通过将内层形成为具有为大约0.20或更小，更典型地大约0.15或更小的小数的孔隙率来实现。典型地，内层具有为大约0.10至大约0.20，更典型地大约0.10至大约0.15的小数的孔隙率。

进一步的断裂韧度和耐冲击性益处可以可选地通过在内层中提供高达大约10%的二氧化铪来获得。典型地，二氧化铪在内层中存在的量为大约2至大约7%，更典型地大约4至大约6%。诸如氧化镧、氧化钕、氧化钆和其混合物的其它金属氧化物还可以可选地在内层中存在高达大约1%的量，更典型地范围为大约0.3至大约0.5%的量。仅作为几个示例，包括二氧化铪和/或这些其它金属氧化物的适当的含氧化锆的陶瓷成分包括在以下表1中显示的那些：

表1

。

图4显示备选示例性实施例，其中，第一侧壁30和第二侧壁32如上面描述的那样设置，只是第一和第二侧壁基本垂直于底表面20。顶部部分34连接第一侧壁30和第二侧壁32中的各个的第二端部33。顶部部分34的形状是平坦的，并且顶部部分34基本平行于底表面20。在其中底表面20为护罩的金属或陶瓷内表面的备选示例性实施例中，底表面20和凸脊16成整体。在这个示例性实施例中，将多个凸脊16加工到涡轮护罩43的内表面中。换句话说，护罩43的内表面和多个凸脊成整体。虽然在示例性实施例中加工出多个凸脊16，但是要理解，构想到在护罩的金属或陶瓷内表面中形成凸脊的任何方法。

图5显示可磨蚀图案的示例性实施例，其中第一多个凸脊16设置成平行线的图案，其类似于图2的那些。箭头14指示涡轮轮叶末端10(图2)相对于第一多个凸脊16的平移方向。涡轮护罩43的内表面上的基准线42表示涡轮轮叶(未显示)的旋转轴线，如由双箭头显示的那样。涡轮轮叶围绕在图4中在大体37处指示的可旋转轴旋转。在示例性实施例中，底表面20可为涡轮护罩43的内表面。虽然涡轮护罩基本为圆柱形形状，为了清楚，其在本文显示为平坦表面。第一多个凸脊16设置成使得各个凸脊16基本平行于第一多个凸脊16中的各个其它凸脊16。各个凸脊16还设置成使得在各个其它凸脊16之间存在相等距离。各个凸脊16之间的距离44的范围介于大约1毫米至大约14毫米之间。各个凸脊16之间的优选的距离44的范围介于大约2毫米至大约7毫米之间。各个凸脊16进一步设置成使得相对于基准线42形成第一角度48。第一角度48的范围为大约20度至大约70度。

图6显示备选示例性实施例，其中，相对于基准线42设置成第一角度48的第一多个凸脊16与第二多个凸脊50相交，第二多个凸脊50相对于基准线42设置成第二角度52。第一多个凸脊16和第二多个凸脊50的相交所形成的图案为菱形图案。在这个实施例中，箭头14显示涡轮轮叶末端10相对于第一多个凸脊16和第二多个凸脊50的平移方向。第一多个凸脊16设置成使得第一多个凸脊16中的各个凸脊16基本平行于第一多个凸脊16中的各个其它凸脊16，如图2和5中显示。第一多个凸脊16中的各个凸脊16还设置成使得在各个凸脊16之间存在相等距离。连续凸脊16之间的距离44的范围介于大约1毫米至大约14毫米之间。连续凸脊16之间的优选的距离44的范围介于大约2毫米至大约7毫米之间。各个凸脊50基本平行于各个其它凸脊50。各个凸脊50还设置成使得在连续凸脊50之间存在相等距离。各个凸脊50之间的距离54的范围介于大约1毫米至大约14毫米之间，各个凸脊50之间的优选的距离54的范围介于大约2毫米至大约7毫米之间。将认识到，各个凸脊16和各个凸脊50之间的距离44和54在图6的菱形图案中基本彼此相等。第二多个凸脊50设置成使得各个凸脊相对于基准线42形成第二角度52。第二角度52不同于第一角度48。在示例性实施例中，第二角度52与第一角度48互补。

图7显示通过涡轮轮叶的横截面的中弧线60，其对应于涡轮轮叶末端10。中弧线是假想线，其位于涡轮轮叶末端10的前表面13和后表面15之间的中间处。中弧线60具有第一端部66和第二端部68。箭头14显示涡轮轮叶末端10相对于第一多个凸脊16的平移方向。箭头17指示流体流相对于轮叶末端10的方向。中弧线60在涡轮轮叶末端10的前部部分9附近为基本弯曲形状，并且中弧线60在涡轮轮叶末端10的后部部分11附近是基本笔直的。中弧线60的基本弯曲形状包括在与平移方向14相反的方向上的弯曲部。随着从第二端部68接近第一端部66，弯曲部在转弯半径方面增加。中弧线60通过涡轮轮叶末端10从第一端部66延伸到第二端部68。离开角度62形成于基准线42和涡轮轮叶末端10的部分后表面15的后缘64之间。后缘64在第二端部68附近对应于后部部分11。在示例性实施例中，各个凸脊16的第一角度48(参见图5和6)选择成匹配离开角度62。

图8显示可磨蚀涂层的图案的备选示例性实施例的示意图，其限定第一多个凸脊116。图案包括弯曲区段70和笔直区段72。弯曲区段70设置在图案的一部分处，在涡轮轮叶末端10与图案处于可磨蚀连通时，该部分与涡轮轮叶末端10的前部部分9相对应。笔直区段72设置在凸脊116的一部分处，当涡轮轮叶末端10与图案处于可磨蚀连通时，该部分与涡轮轮叶末端10的后部部分11相对应。笔直区段72处于凸脊116的第一端部。第一多个凸脊116设置在底表面20上，使得第一多个凸脊116中的各个凸脊16在笔直区段72中基本平行于各个其它凸脊116。各个凸脊116还设置成使得在弯曲和笔直区段70和72中的连续凸脊116之间存在相等距离。各个凸脊116之间的距离44的范围介于大约1毫米至大约14毫米之间，各个凸脊116之间的优选距离44的范围介于大约2毫米至大约7毫米之间。第一多个凸脊116在笔直区段72中设置成使得相对于基准线42形成第一角度48。第一角度48的范围为大约20度至大约70度。在示例性实施例中，第一角度48选择成匹配离开角度62(参见图7)。弯曲区段70包括构造成基本匹配通过弯曲区段70的中弧线60的形状的半径。

图9是根据本发明的方面的将图案3D打印到衬底上的方法的流程图。用于制造工业制品的方法900包括步骤910：将第一隔热涂层喷涂到涡轮护罩上，第一隔热涂层由致密的沿竖向裂开的涂层形成，该涂层包括钡锶铝硅酸盐、氧化钇稳定的氧化锆、氧化镱稳定的氧化锆、氧化镁稳定的氧化锆和氧化钙稳定的氧化锆中的至少一个。第二步骤920通过将第二隔热涂层3D打印成图案来将第二隔热涂层淀积在第一隔热涂层上，第二隔热涂层包括钡锶铝硅酸盐、氧化钇稳定的氧化锆、氧化镁稳定的氧化锆和氧化钙稳定的氧化锆中的至少一个。图案包括第一多个凸脊，其设置在涡轮部件的底表面处。第一多个凸脊中的各个凸脊由第一侧壁和第二侧壁限定。第一和第二侧壁各自具有第一端部和相对的第二端部。第一和第二侧壁的第一端部从底表面延伸。第一和第二侧壁倾斜向彼此，直到在相应的第一和第二侧壁的第二端部处相遇，从而限定中心线和凸脊的顶部部分。第一和第二侧壁倾斜相对于底表面以基本相等但相反的斜度倾斜。第一多个凸脊的至少第一部分对应于涡轮轮叶的至少后部部分，并且相对于涡轮轮叶的旋转轴线以第一角度定向。第一角度的范围为大约20度至大约70度。图案包括第一多个凸脊，其设置在底表面处，使得第一多个凸脊中的各个凸脊基本平行于彼此。第一角度等于涡轮轮叶的后缘的离开角度。

外部层凸脊的孔隙率非常重要，因为实心或致密的凸脊(低孔隙率)在轮叶末端上磨损得太多。外部层凸脊的孔隙率范围合乎需要地在大约10%至大约30%的范围中。也可使用比这个高和低的范围，这取决于轮叶末端的具体材料。本发明的优点在于，可控制凸脊的孔隙率，并且甚至各个凸脊的不同的层可具有不同的孔隙率值。

三维打印使用了陶瓷粉末和液体粘合剂。陶瓷粉末可为钡锶铝硅酸盐、氧化锆、氧化钇稳定的氧化锆、氧化镁稳定的氧化锆、氧化钙稳定的氧化锆或任何其它适当的陶瓷材料或混合物。这个陶瓷粉末可以大约50微米至大约200微米的粒度分布供应。粘合剂材料典型地为蒸馏水和异丙醇或变性乙醇的混合物。其它粘合剂材料和混合物也可如期望的那样与特定陶瓷一起使用。

凸脊孔隙率可通过控制陶瓷粉末的粉末粒度分布、饱和水平(粘合剂/体积比率)和/或层厚度来控制。例如，可使用较细的粒度(例如，50微米)来降低孔隙率，并且可通过使用较大的粒度(例如，200微米)来增大孔隙率。粒度(即，粒度分布)的混合可用来获得对期望的凸脊或层孔隙率的精细控制。也可调节饱和水平或粉末和粘合剂之间的比率，以控制孔隙率。随着饱和水平(粉末/粘合剂比率)增大，可获得较少的粘合剂来用于粉末粘合/凝固，所以孔隙率增大。相反，随着饱和水平降低，存在更多的粘合剂用于粉末粘合/凝固，所以孔隙率降低。层厚度还可用来控制孔隙率。用于各个3D打印行程的较厚的层使得粘合剂较难到达所有的粉末，并且较薄的打印行程使粘合剂更容易到达粉末。较薄的层产生较致密/较低的孔隙率，并且较厚的层可产生不那么致密或较高的孔隙率。

仅作为一个示例，10%-30%孔隙率水平可通过大约100微米的粒度分布(或粉末粒度)和/或大约75%饱和比率来实现。这个方法可应用于凸脊中的多个层，使得下层具有下较低孔隙率(例如，大约10%)，并且凸脊的上部或顶部部分可打印成具有较高的孔隙率(例如，大约30%)。这可通过在3D打印工艺期间主动地修改粒度(粒度分布)、饱和比率或层厚度来实现。这里的较大的优点在于，可以特定的孔隙率形成多孔陶瓷层，其转化成凸脊的期望的可磨蚀品质。

第一多个凸脊中的各个凸脊可彼此相等地间隔开大约1毫米至大约14毫米或大约2毫米至大约7毫米。各个凸脊的高度的范围可为大约0.1毫米至大约4毫米，这沿竖向从底表面到顶部部分进行测量，或大约0.25毫米至大约2毫米，这沿竖向从底表面到顶部部分进行测量。第二多个凸脊可相对于涡轮轮叶的旋转轴线以第二角度设置在底表面处，使得第一和第二多个凸脊相交，并且第二角度不同于第一角度。第一多个凸脊延伸到第一多个凸脊的第二部分，其对应于涡轮轮叶的前部部分，并且第二部分限定第一多个凸脊的弯曲区段。弯曲区段可包括第一多个凸脊，其设置成使得凸脊基本对应于涡轮轮叶的中弧线形状而弯曲。

本文描述的方法900已经展示意料之外的显著改进的结果。结果是意料之外的，因为在可磨蚀涂层中3D打印凸脊的方法900导致有较少的工艺步骤和改进的公差。

另外，虽然参照优选实施例对本发明进行了描述，但本领域技术人员将理解，可在不偏离本发明的范围的情况下作出各种修改，而且等效物可代替本发明的元件。另外，可在不偏离本发明的实质范围的情况下作出许多改良，以使具体情况或内容适于本发明的教导。因此，意图的是本发明不限于被公开为为了执行本发明而构想的最佳模式的特定实施例，相反，本发明将包括落在所附权利要求的范围内的所有实施例。此外，使用用语第一、第二等不表示任何顺序或重要性，而是相反，用语第一、第二等用来使一个元件与另一个区分开。此外使用用语一个、一种等不表示对量的限制，而是相反，表示存在至少一个所引用的项目。

Claims (10)

1. 一种制造工业制品的方法，所述方法包括：

将第一涂层喷涂到衬底上；

通过3D打印设置成图案的材料来将第二涂层淀积到所述第一涂层上，其中，所述图案包括：

　　设置在涡轮部件的底表面处的第一多个凸脊，

　　所述第一多个凸脊中的各个凸脊由第一侧壁和第二侧壁限定，所述第一和第二侧壁各自具有第一端部和相对的第二端部，所述第一和第二侧壁的第一端部从所述底表面延伸，所述第一和第二侧壁朝彼此倾斜，直到在相应的第一和第二侧壁的第二端部处相遇，从而限定中心线和所述凸脊的顶部部分，所述第一和第二侧壁相对于所述底表面以基本相等但相反的斜度倾斜；

其中，所述第一多个凸脊的与涡轮轮叶的至少后部部分相对应的至少第一部分相对于所述涡轮轮叶的旋转轴线以第一角度定向；

其中，所述第一角度的范围为大约20度至大约70度；

其中，所述图案包括所述第一多个凸脊，其设置在所述底表面处，使得所述第一多个凸脊中的各个凸脊基本平行于彼此；以及

其中，所述第一角度等于所述涡轮轮叶的后缘的离开角度。

2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二涂层的孔隙率通过调节3D打印属性来控制，所述属性包括下者中的至少一个：

粒度分布、饱和水平、粘合剂/体积比率或层厚度。

3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述粒度分布介于大约50微米和大约200微米之间。

4. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第二涂层的孔隙率介于大约5%和大约50%之间。

5. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第二涂层的孔隙率介于大约10%和大约30%之间。

6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一涂层为致密的沿竖向裂开的隔热涂层。

7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一多个凸脊中的各个凸脊相对于彼此相等地间隔开大约1毫米至大约14毫米。

8. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，沿竖向从所述底表面到所述顶部部分进行测量的各个凸脊的高度的范围为大约0.25毫米至大约4毫米。

9. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第二多个凸脊相对于所述涡轮轮叶的旋转轴线以第二角度设置在所述底表面处，使得第一和第二多个凸脊相交，并且所述第二角度不同于所述第一角度。

10. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一多个凸脊延伸到所述第一多个凸脊的与所述涡轮轮叶的前部部分相对应的第二部分，所述第二部分限定所述第一多个凸脊的弯曲区段；以及

其中，所述弯曲区段包括所述第一多个凸脊，其设置成使得所述凸脊基本对应于所述涡轮轮叶的中弧线形状而弯曲。