CN104859260A - 具有分层结构的系统及其制造方法 - Google Patents

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CN104859260A
CN104859260A CN201510087115.3A CN201510087115A CN104859260A CN 104859260 A CN104859260 A CN 104859260A CN 201510087115 A CN201510087115 A CN 201510087115A CN 104859260 A CN104859260 A CN 104859260A
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intermediate layer
turbine
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hierarchy
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K.W.麦克马汉
G.D.迈尔斯
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General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
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Abstract

本发明涉及具有分层结构的系统及其制造方法。一种系统包括分层结构。分层结构包括第一和第二聚结层和设置在第一和第二聚结层之间的中间层。第一和第二聚结层比中间层具有更高的聚结程度。

Description

具有分层结构的系统及其制造方法
技术领域
本文公开的主题大体涉及结合分层结构的系统和制造分层结构的方法。
背景技术
各种机器构件(例如，涡轮机构件)在高温下运行(例如，排气温度可为大约1000℉)，诸如燃料喷嘴、压缩机叶片、涡轮叶片、压缩机叶轮、涡轮叶轮、护罩节段和燃烧器-涡轮过渡件等。这些构件大体由适合在运行期间经历的高水平热用力和热膨胀的材料构成。但是，即使这样的构件可由适当的材料制成，构件的寿命也至少部分地由于高热暴露、热膨胀和热收缩而受限。例如，机器构件可包括易于受热应力和磨损的影响(特定是因为热膨胀和收缩)的各种接头和几何结构。
发明内容
下面对在范围上与原本声明的发明相当的某些实施例进行概述。这些实施例不意图限制声明的发明的范围，而是相反，这些实施例仅意图提供本发明的可能形式的简要概述。事实上，本发明可包括可能类似于或异于下面阐述的实施例的各种形式。
在第一实施例中，一种系统包括分层结构。分层结构包括第一和第二聚结层和设置在两个聚结层之间的中间层。第一和第二聚结层比中间层具有更高的聚结程度。
在第二实施例中，一种制造机器构件的方法，包括使用不同强度的应用的能量源来烧结粉末，以形成分层结构，其中机器构件包括分层结构。
在第三实施例中，一种由工艺形成的机器构件。工艺包括将能量源应用到淀积在腔室中的粉末以烧结粉末。工艺还包括在限定分层结构的横截面几何结构中以不同程度烧结粉末，分层结构至少具有第一烧结层、第二烧结层和中间层，其中机器构件包括分层结构。
技术方案1. 一种系统，包括：
分层结构，其包括：
　　第一聚结层；
　　第二聚结层；以及
　　设置在所述第一和第二聚结层之间的中间层，其中所述第一和第二聚结层比所述中间层具有更高的聚结程度。
技术方案2. 根据技术方案1所述的系统，其特征在于，包括机器构件，其中所述机器构件包括所述分层结构。
技术方案3. 根据技术方案2所述的系统，其特征在于，所述机器构件为涡轮机构件。
技术方案4. 根据技术方案3所述的系统，其特征在于，所述涡轮机构件为涡轮喷嘴、涡轮框架、密封件、燃烧器衬套、燃烧器帽、燃料喷嘴、压缩机叶片、涡轮叶片、压缩机叶轮、涡轮叶轮、护罩节段、气体预混合器、液体燃料喷射器、燃烧器-涡轮过渡件或其任何组合。
技术方案5. 根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述中间层包括排空区域，其构造成至少在所述第一聚结层的第一部分和所述第二聚结层的第二部分之间用作热阻隔、声阻隔或其组合。
技术方案6. 根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述系统包括旋转机器系统、热气路径机器系统或其组合。
技术方案7. 根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述第一聚结层、所述第二聚结层或所述中间层中的至少一个包括在功能上分级的材料。
技术方案8. 根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述中间层包括部分地聚结的钴-铬、不锈钢、钛、铬-镍基合金或镍基合金中的至少一个。
技术方案9. 根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述第一聚结层、所述第二聚结层、所述中间层或其任何组合具有多个相应的区域，其中所述多个区域中的各个区域具有不同的烧结程度。
技术方案10. 根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述第一聚结层、所述第二聚结层或所述中间层中的至少一个在所述分层结构的至少一部分中具有不同横截面厚度。
技术方案11. 根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述第一聚结层通过穿过所述中间层的一个或多个延伸部而直接连接到所述第二聚结层上。
技术方案12. 一种制造机器构件的方法，包括：
使用不同强度的应用的能量源来烧结粉末，以形成具有不同烧结程度的分层结构，其中所述机器构件包括所述分层结构。
技术方案13. 根据技术方案12所述的方法，其特征在于，确定和应用不同强度的应用的能量源包括：
读取所述机器构件的全部或一部分的构造；
将所述构造切片成横截面，使得所述横截面包括第一聚结层、第二聚结层和设置在所述第一和第二聚结层之间的一个或多个中间层；以及
在之前的横截面的顶部上连续地构建各个横截面，其中连续地构建各个横截面包括：
　　基于所述构造的横截面而将第一强度的能量源应用到所述粉末上以产生所述第一聚结层；
　　基于所述构造的横截面而将第二强度的能量源应用到所述粉末上以产生所述第二聚结层；以及
　　基于所述构造的横截面而将第三强度的能量源应用到所述粉末上以产生所述一个或多个中间层，其中所述第一和第二聚结层比所述一个或多个中间层具有更高的聚结程度。
技术方案14. 根据技术方案13所述的方法，其特征在于，所述一个或多个中间层中的至少一个包括排空区域或相对于所述第一聚结层和所述第二聚结层较少聚结的区域，其中所述排空区域或较少聚结的区域构造成用作热阻隔、声阻隔或其任何组合。
技术方案15. 根据技术方案13所述的方法，其特征在于，所述机器构件包括涡轮机构件。
技术方案16. 根据技术方案13所述的方法，其特征在于，所述粉末在所述一个或多个中间层中的至少一个中部分地烧结。
技术方案17. 根据技术方案13所述的方法，其特征在于，所述粉末在所述第一层和所述第二层中的至少一个中完全烧结。
技术方案18. 根据技术方案13所述的方法，其特征在于，所述粉末在下者中的至少一个中以不同程度烧结：所述一个或多个中间层中的至少一个、所述第一层或所述第二层。
技术方案19. 根据技术方案12所述的方法，其特征在于，所述粉末通过直接金属激光烧结、直接金属激光熔化、选择性激光烧结、电子束熔化或其任何组合进行烧结。
技术方案20. 一种由工艺形成的机器构件，所述工艺包括：
将能量源应用到淀积在腔室中的粉末上，以便烧结所述粉末；以及
在限定分层结构的横截面几何结构中以不同程度烧结所述粉末，所述分层结构至少具有第一烧结层、第二烧结层和中间层，其中所述机器构件包括所述分层结构。
附图说明
当参照附图来阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面与优点将变得更好理解，其中，相同符合在图中表示相同部件，其中：
图1为涡轮机系统的实施例的框图；
图2为用于图1的涡轮机系统中的涡轮机构件的实施例的示意性透视图；
图3为图2的涡轮机构件的一部分的实施例的示意性横截面图；
图4为图3的涡轮机构件的分层区域的实施例的示意性横截面图；
图5为图3的涡轮机构件的分层区域的实施例的示意性横截面图；
图6为图3的涡轮机构件的分层区域的实施例的示意性横截面图；
图7为图3的涡轮机构件的分层区域的实施例的示意性横截面图；
图8为图3的涡轮机构件的分层区域的实施例的示意性横截面图；
图9为图3的涡轮机构件的分层区域的实施例的示意性横截面图；以及
图10为工艺流程图，其示出制造图3的涡轮机构件的方法的实施例。
具体实施方式
下面将对本发明的一个或多个具体实施例进行描述。为了致力于提供对这些实施例的简明描述，可能不会在说明书中对实际实现的所有特征进行描述。应当理解，当例如在任何工程或设计项目中开发任何这种实际实现时，必须作出许多对实现而言专有的决定来实现开发者的具体目标，例如符合与系统有关及与商业有关的约束，开发人员的具体目标可根据不同的实现彼此有所改变。此外，应当理解，这种开发工作可能是复杂和耗时的，但尽管如此，对具有本公开的益处的普通技术人员来说，这种开发工作将是设计、生产和制造的例行任务。
当介绍本发明的各种实施例的元件时，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”意图表示存在一个或多个该元件。用语“包括”、“包含”和“具有”意图为包括性的，并且表示除了列出的元件之外，可存在另外的元件。
如下面详细论述，(例如，机器构件的)分层结构可使用显著改进分层结构的性能(例如，热效率、排气排放、耐用性、耐久性和/或部件寿命)的方法来制造。分层结构可为机器构件的全部或一部分，例如在较长的时段经历热和机械应力的机器构件。在一些实施例中，这种机器构件可结合到涡轮机、旋转机器、热气路径机器或一些其它机器中。机器构件可为涡轮机的涡轮的构件，其中涡轮可包括燃气涡轮、蒸汽涡轮、水力涡轮和/或风力涡轮。分层结构可为涡轮机构件的全部或一部分，例如，叶片(例如，旋转叶片或固定导叶)、涡轮喷嘴、涡轮框架、密封件、燃烧器衬套、燃烧器帽、燃料喷嘴、压缩机叶片、压缩机叶轮、涡轮叶轮、护罩节段、气体预混合器、液体燃料喷射器或燃烧器-涡轮过渡件。在一些实施例中，分层结构和/或机器构件可为一体形成的一体结构(例如，没有接头)。在其它实施例中，(例如，机器构件的)分层结构可包括多个零件，它们单独地制成且连结在一起。为了清楚，分层结构可在本文论述为机器构件，并且机器构件可在本文论述为涡轮机构件，其中可描述涡轮机构件的某些实施例。但是，应当理解，根据本公开的技术可应用于任何机器、机器构件和/或分层结构，如上面所描述。
具体而言，在本公开的实施例中，涡轮机系统可包括分层涡轮机构件，其通过将其一个或多个层烧结成聚结(例如，压实)层来制成。根据本公开，包括用语“烧结”来指示用于实现聚结层的某些制造技术，其中，“聚结层”表示已经用例如粉末压实的层。换句话说，烧结可为一种制造工艺，其将粉末聚结成烧结或聚结层(例如，通过直接金属激光烧结(DMLS)、直接金属激光熔化(DMLM)、选择性激光烧结(SLS)、电子束熔化(EBM)或任何其它适当的添加式制造工艺)。粉末可包括能够通过一个前述工艺烧结的金属。通过烧结粉末而形成构件，可制造构件而不使用昂贵且费时的制造工艺，诸如焊接和其它连结工艺。另外，分层结构、机器构件或涡轮机构件中的一个区域可具有层，这些层以与同一涡轮机构件的另一个区域的层被烧结的方式不同的特定方式烧结。层(和其变型)可构造成改变构件的各种区域的属性(例如，热属性、机械属性)以处理各个相应的区域在系统的运行期间经历的热应力、热膨胀和其它这样的力。
具体而言，构件或结构的烧结层可构造成在构件或结构的某些区域中减小构件的杨氏模量、弹性模量和/或热膨胀系数(例如，减小到等效于零)，并且还可影响泊松比，这取决于构件或结构的期望特性。例如，可改变各个烧结层的一个或多个部分的厚度，使得一部分被允许比另一部分膨胀到更大的程度。构件的烧结层还可构造成使得能够操纵从构件的一个区域到另一个区域的热梯度和/或导热性，使得热梯度不超过可不利地影响构件的值。在某些实施例中，构件的烧结层可构造成减少构件的部分的氧化和/或腐蚀，例如，通过选择合乎需要的材料来用于构件的可受益于减少的氧化和/或腐蚀的区域中。
另外，在某些实施例中，一个或多个烧结层可与其它烧结层相比不那么稠密或甚至排空(例如，真空)，使得不那么稠密或排空(例如，真空)的层用作热阻隔和/或机械应力分布器(下面描述)。作为非限制性示例，诸如燃料喷嘴的在涡轮机的高温区域中运行的涡轮机构件可受益于上面描述的热阻隔。例如，涡轮机的燃料喷嘴可包括套筒，其暴露于处于压缩机排气温度的氧化剂(例如，空气)，该排气温度可包括高达1000℉(540℃)或更高的温度。燃料喷嘴的尖部可暴露于来自燃烧器的火焰辐射和对流，这可包括高达3500℉(1930℃)或更高的温度。通过经由不那么稠密或排空的层而包括上面描述的热阻隔，可阻止被燃料润湿的表面且因而路经燃料喷嘴的、接触被燃料润湿的表面的燃料暴露于上面描述的高温，该高温本来可影响燃料的流量、分解、一致性和/或效果。
另外，根据本公开，具有未压实粉末(例如，与周围层相比不那么被压实)的烧结层可通过实现力/能量的分布而至少部分地减少施加到结构的其它区域(例如，层)上的机械应力。作为一个示例，不那么稠密的层可减少涡轮机构件的共振响应。换句话说，具有未压实粉末的烧结层可用作分层结构内的声阻隔，使得共振能量分布在非烧结粉末上，而非整个结构上。例如，一些涡轮机构件由于振动而经历动态压力震荡和其它空气机械噪声。因此，未压实或不那么压实的粉末层的当前设想到的实施例可策略性地位于这样的涡轮机构件中，以“消除”或减少这样的构件涡轮机构件的经历高动态压力震荡和其它空气机械噪声的共振响应区域。
现在转到附图且首先参照图1，示出了涡轮系统10的实施例的框图。应当注意，本公开可涉及任何涡轮机系统，并且本文论述的涡轮系统10不限制本公开适用的范围。涡轮机系统可涉及在转子和流体之间传递能量(或相反)的任何系统，并且涡轮系统10仅意图用作表示涡轮机系统的实施例。此外，本文描述的某些技术还可应用于经历热机械应力的任何构件(例如，利用燃烧过程、热力发动机等的任何机器)。除了其它特征，示出的涡轮系统10包括燃料喷嘴12、燃料供应14和燃烧器16。如描绘的那样，燃料供应14将液体燃料和/或气体燃料(诸如天然气)输送到涡轮系统10，通过燃料喷嘴12而进入燃烧器16中。在与加压氧化剂混合(例如，空气)混合之后，如箭头18所显示，在燃烧器16中进行点燃，并且得到的排气使涡轮20内的叶片旋转。涡轮20中的叶片和轴22之间的联接将使轴22旋转，轴22还联接到涡轮系统10中的若干构件上，如示出的那样。例如，示出的轴22在传动方面联接到压缩机24和负载26。如理解的那样，负载26可为可通过涡轮系统10的旋转输出产生功率的任何适当的装置，诸如功率发生装置或车辆。
空气供应28可将空气通过管道输送到空气进口30，然后空气进口30将空气输送到压缩机24中。压缩机24包括多个叶片，其在传动方面联接到轴22上。当轴22由于排气在涡轮20内膨胀而旋转时，轴22还使压缩机叶片旋转，压缩机叶片压缩来自空气进口30的空气以产生压缩空气，如箭头32所描绘。压缩空气被输送到燃料喷嘴12和燃烧器16。燃料喷嘴12然后可混合加压空气和燃料，以产生空气/燃料混合物。在传送通过涡轮20之后，排气在排气出口34处离开系统。
在示出的燃气涡轮10的运行的燃烧阶段期间，温度可为大约1000℉(大约540℃)或更高，如上面所描述。实际上，图1的涡轮系统10和其它类似涡轮机系统中涉及的许多构件且特别地与燃烧器16一起工作的那些在高热载荷下运行。例如，与燃烧器16或来自燃烧器16的燃烧产物处于热连通和/或与来自压缩机24的排出的加压空气处于热连通的任何构件可看作沿着涡轮系统10的热气路径。根据当前的实施例，沿着这个热气路径布置的任何一个构件或其组合可使用本文描述的技术来制造。作为非限制性示例，这些构件可包括压缩机24的叶片和/或叶轮、涡轮20的叶片和/或叶轮、燃料喷嘴12、燃烧器16的衬套、燃烧器16的过渡件、燃烧器16的扩散板、涡轮20的护罩节段等等。
图2和3中进一步示出了根据本公开制造的燃料喷嘴12的实施例。根据本公开，使用上面所论述的任何添加式制造技术来制造燃料喷嘴12。再次，图2和3中的燃料喷嘴12的示出的实施例仅仅是可受益于本公开的涡轮机构件的代表性实施例。不管它们是否在高热应力或其它状况下运行，许多涡轮机构件可受益于本文论述的实施例。
图2和3中示出的燃料喷嘴12的实施例可负责混合压缩氧化剂(例如，空气)与燃料且将混合物输送到燃烧器16。燃料喷嘴12可围绕轴线36而居中，并且设置在燃料喷嘴12的内部管41的外表面40上的叶片38可通过使燃料和空气围绕轴线36打漩而促进压缩空气与燃料的混合。燃料可沿方向42向下移动到燃料喷嘴12的中心的内部燃料腔室中(例如，内部管41内)，其中燃料离开燃料腔室进入叶片38中且经由孔44通过叶片38而离开。因而，压缩氧化剂可沿方向42在内部管41外部且在沿着叶片38部分地延伸(或者，在其它实施例中，完全延伸)的外部管45内部行进，使得氧化剂与从内部管41内部通过叶片38的孔44排出且进入氧化剂的路径中的燃料混合。因而，在运行中，燃料喷射到围绕叶片38(例如，在内部管41和外部管45之间)的空气流中，并且空气/燃料混合物离开燃料喷嘴，如箭头46所指示。在一些实施例中，整个燃料喷嘴12可通过单独的壳体包围，该壳体沿着大体平行于轴线36(例如，如箭头46所指示)而延伸向燃烧器16(未显示)的路径引导空气/燃料混合物流。因为燃料喷嘴12定位在燃气涡轮系统10中的燃烧器16附近，所以燃料喷嘴12可在高温下运行且因此可经历高热应力。
根据实施例，全部或部分的燃料喷嘴12可制造成使得可处理这些高热应力，同时还实现低重量和/或合乎需要的几何结构。例如，叶片38、内部管41和/或外部管45可使用上面提到且在下面详细论述的任何一个添加式制造技术或其组合来制造。整个燃料喷嘴12或任何其它热气路径涡轮机构件可通过根据本公开的技术一体地形成，或者燃料喷嘴12的单独的部件(例如，叶片38、内部管41和外部管45)或任何它热气路径涡轮机构件的单独的部件可单独地形成和连结在一起。通过一体地形成整个涡轮机构件(例如，燃料喷嘴12)，制造工艺可为流线型。另外，在实施例中，通过使用上面提到且将在下面详细论述(例如，参照图3和10)的添加式制造工艺和技术来形成涡轮机构件(例如，燃料喷嘴12)或涡轮机构件的部件，涡轮机构件或涡轮机构件的部件可具有不同材料结构，诸如不同程度的密度、不同量的某些材料等等，这大体不能使用诸如浇铸的其它制造技术来实现。这个不同的材料结构可用来在燃料喷嘴12的不同的部分中实现不同的热和/或机械属性。
现在参照图3，在沿着图2的线3-3得到的横截面正视图中显示燃料喷嘴12的一部分的实施例。在示出的实施例中，各种层形成燃料喷嘴12，层已经在制造期间被烧结或聚结(例如，压实)。示出的实施例包括第一层50(例如，第一聚结层)、第二层52(例如，第二聚结层)和中间层54(例如，中间聚结层)。应当注意，因为与涡轮机构件相关联的某些类型的几何结构的原因，构件的一个区域可具有第一层50，其过渡到构件的另一个区域中的第二层52中，并且反之亦然。因此，包括用于论述整个涡轮机构件(例如，图3中的燃料喷嘴12)的用语第一层50和第二层52，以便阐明燃料喷嘴12包括多个层，以及区分设置在两个层之间的中间层54。但是，当论述涡轮机构件的特定区域的局部横截面时(例如，参照本公开的后面的图)，第一层50和第二层52可为不同的，并且在相应的区域内包括不同的几何结构和/或特性。
为了实现期望的层(例如，第一层50、第二层52和中间层54)，可根据本公开而使用添加式制造技术。例如，在示出的实施例中，燃料喷嘴12可从底部制造到顶部(例如，与方向42相反)。换句话说，垂直于纵向轴线36的从而具有第一层50、第二层52和中间层54的第一横截面切片可通过对粉末床应用选择性地应用热源来产生。热源可手动地或通过计算装置来选择性地应用，计算装置具有有形的机器可读的非瞬态介质，其存储一个或多个指令集，当由处理器执行时，指令集选择性地应用热源。一旦通过上面的技术产生第一横截面切片，则可通过与应用到淀积在第一横截面切片的顶部上的粉末床相同的技术来产生第二横截面切片。可重复该技术，直到制造燃料喷嘴12或任何其它涡轮机构件。通过选择性地应用热源(例如，通过选择性地应用不同强度的热源或选择性地应用恒定强度的热源达不同的时间量)，横截面切片的各个层(例如，第一层50、第二层52和中间层54)可相对于横截面切片的其它层(例如，第一层50、第二层52和中间层54)而烧结/聚结到不同的程度。例如，中间层54可比第一层50和第二层52烧结到更低的程度。将参照图10更详细地论述本公开的烧结技术的实施例。
继续图3的示出的实施例，第一层50和第二层52大体包围中间层54。在这个实施例中，中间层54与第一层50和第二层52相比烧结到较低的程度。在一个实施例中，第一层50和第二层52可完全烧结(例如，烧结到通过制造工艺和/或制造装备可获得的最高程度)，或可仅仅部分地烧结，但是与彼此和/或与中间层54烧结到不同的程度。作为非限制性示例，中间层54可包括部分地聚结的钴-铬、不锈钢、因科镍合金、钛或镍基合金。可在涡轮机构件的各种区域中使用各种烧结技术来构造各个层。例如，燃料喷嘴12的第一区域55可包括第一层50、第二层52和中间层54，其中第一层50和第二层52完全烧结(例如，相对于用于产生层的添加式制造技术的能力而完全烧结)，并且中间层54与第一层50和第二层52相比烧结到较低程度。示出的燃料喷嘴12或涡轮机构件的第二区域56可包括对层的在功能上分级的烧结(例如，层为在区域的一部分中为单种烧结材料，并且逐渐变成另一种烧结材料，直到层为在区域的第二部分中的不同的单种烧结材料)。另外，示出的燃料喷嘴12或其它涡轮机构件的第三区域58可包括从第三区域的一个部分到第三区域的另一个部分而具有逐渐减小的烧结程度的烧结层(例如，用来形成层的材料不会改变)。另外，示出的燃料喷嘴12或涡轮机构件的第四区域60可包括延伸部62(例如，杆或另一个延伸结构)，其在第一层50和第二层52之间延伸且延伸通过中间层54。另外，第五区域64可包括具有不同横截面厚度的一个或多个烧结层(例如，第一层50、第二层52和/或中间层54)。另外，第六区域66可包括排空区域(例如，没有粉末且填充有空气或另一种气体的区域、填充有粉末但处于真空的区域，或没有粉末且处于真空的区域)。用语“真空”可表示区域的一种状况，其气体压力低于大气压力或低于一些其它基准点。
应当注意，上面论述的各种构造可在任何涡轮构件中和在任何任何涡轮构件的任何区域中以任何组合使用。上面论述的燃料喷嘴12和各个区域的相应的位置和布置的实施例各自意图为代表性示例。
在图4中示出了第一层50、第二层52和中间层54的实施例，该图为在线4-4内得到的图。在示出的实施例中，第一层50和第二层52可完全烧结，并且中间层54可与第一层50和第二层52相比烧结到较低程度，或部分地烧结(例如，烧结程度低于制造工艺和/或制造装备所实现的最高可能烧结程度)。换句话说，相对于制造装备的能力，第一层50和第二层52可看作100%烧结，而相对于制造装备的能力，中间层54可看作低于100%烧结。因而，第一层50和第二层52中的聚结粉末较密实(例如，较稠密)，而中间层54中的聚结粉末不那么密实(例如，不那么稠密)，使得中间层54中的聚结粉末可在粉末颗粒之间包括空间，这可允许粉末颗粒膨胀，而不使颗粒和周围结构的位置移位。因此，在示出的实施例中的中间层54描绘为点，以指示与第一层50和第二层52中的粉末颗粒之间的空间相比，可在中间层54中的各个粉末颗粒之间有更多的空间。
中间层54的部分烧结可允许中间层54(例如，烧结部分和/或未烧结粉末)在被加热时膨胀。因此，中间层54可减小或消除热膨胀系数的作用。也就是说，中间层54可实现更大程度的热膨胀，这会减弱膨胀对涡轮机构件的结构完整性的作用。另外，中间层54可用作热阻隔和/或可用作对动态压力震荡或与涡轮机构件相关联的其它空气机械噪声源的共振响应的减振器，如之前所描述的那样。另外，第一层50和第二层52可完全烧结(例如，如上面描述的那样完全烧结)以增加刚度，这可提供在构件置于其它外部载荷下(例如，空气动力和/或在运行期间所经历的其它力)时的稳定性。在一些实施例中，第一层50和第二层52相对于中间层54的烧结百分比的比率的范围可为5:1至5:4、4:1至4:3或3:1至3:2或其任何子范围。
还应当注意，中间层54可与第一层50和第二层52相比具有不同的热膨胀系数。照这样，给定的热刺激所产生的膨胀程度可通过控制中间层54的延伸和几何结构来控制。另外，与中间层54与第一层50和第二层52具有类似或相同烧结程度的情况下相比，中间层54可使得第一层50和第二层52能够更均匀地进行热膨胀。
第一层50、第二层52和中间层54的另一个实施例示出在图5的图中，该图为在图3的线5-5内得到的第四区域64的图。在示出的实施例中，中间层54可与第一层50和第二层52相比烧结到较低程度，并且第一层50和第二层52可完全烧结或比中间层54烧结到更高程度。在这个实施例中，这些层中的一个或多个可在第四区域64 (或喷嘴12的任何其它部分)内具有不同横截面厚度。例如，在第四区域64的一个部分中，各个层的第一横截面厚度67大于第四区域64的第二部分中的各个层的第二横截面厚度68。在某些实施例中，仅第一层50、仅第二层52、仅中间层54或这些层的任何组合可包括不同横截面厚度。还应当注意，不同横截面厚度可为逐渐的或渐缩的，如图5的实施例中示出的那样，或可为阶梯式的。实际上，横截面厚度可以任何方式改变，并且可大体基于构件的所意图的几何结构或构件的特定区域的热考量而增大或减小。例如，可包括较大横截面厚度的中间层54，以改变(例如，降低)第四区域64的特定部分中的热膨胀。同样，可在某些区域中包括较大横截面厚度的第一层50或第二层52，以通过增加刚度而适应经历更大的载荷(例如，空气动力)的区域。
在图3的线6-6内得到的第二区域58示出在图6中。在示出在图6中的实施例中，第二区域58包括中间层54的实施例，其中，示出沿箭头70所指示的方向逐渐减小的烧结层。应当注意，箭头70指示的方向仅仅是代表性的。烧结程度可例如沿横向于(例如，垂直于)箭头70的方向逐渐减小。另外，烧结程度可从中间层54朝第一层50增大，或从中间层54朝第二层52增大，或可从中间层54的中心(或其它点、线、块或区域)且沿一个或多个方向(例如，朝第一和/或第二层50、52，或沿任何其它方向)向外而增大。另外，烧结程度的变化可不是逐渐的(例如，其可为阶梯式的)。换句话说，给定层的烧结程度的变化可为有方向的或可不为有方向的，可增加或减小，并且可为或可不为逐渐的。大体上，具有较高烧结程度的第二区域58的第一部分可实现刚性更高的结构，以处理应用到该部分的更大的外部载荷(例如，可增加该部分的刚度)，而具有较低烧结程度的第二区域58的第二部分可关于热膨胀实现更大的柔性，从而减轻热膨胀对第二区域58(或喷嘴12的全部或部分)的结构完整性的影响。在其它实施例中，在上面论述的第一层50、第二层52、中间层54或其任何组合中可出现不同的烧结程度。
图7中示出在图3的线7-7内得到的第一区域56的实施例的横截面图。在示出的实施例中，中间层54在功能上分级(例如，从一个材料到另一个材料而逐渐改变，如之前所描述)。例如，第一区域56中的中间层54的一个部分以第一材料72烧结，例如钴铬。第一材料72然后逐渐(例如，材料逐渐改变)被第一区域56的第二部分中的第二材料74替代，例如镍基合金。因而，第一区域56可包括仅包括第一材料72的部分、包括第一材料72和第二材料74的组合的部分(例如，过渡区域)，以及仅包括第二材料74的部分。中间层54可在功能上分级，使得涡轮机构件的一个部分或区域受益于第一材料72的属性，而涡轮机构件的第二部分或区域受益于第二材料74的属性，而中间或过渡区域受益于者，同时还减轻不同的材料彼此交接所产生的额外的应力(例如，在第一材料72和第二材料74具有不同的属性的情况下)。例如，可选择构件的特定区域中的材料，使得特定区域中的氧化和/或腐蚀被减少或消除。
作为另一个非限制性示例，第一材料72可增加中间层54的刚度，同时第二材料74实现中间层54的更大的柔性。应当注意，“在功能上分级”可包括两种或更多种材料，并且功能分级的方向可沿任何一个方向或其组合，并且不限于箭头70所指示的方向。例如，在其它实施例中，方向可横向于(例如，基本垂直于)箭头70所指示的方向，或任何其它一个或多个方向，并且可包括两种或更多种材料(例如，可存在两种或更多种材料的混合物，并且/或者功能分级可为从第一材料72到第二材料74，再到第三材料等。在另外的其它实施例中，在功能上分级的烧结可出现在第一层50、第二层52中，代替或补充中间层54，或第一层50、第二层52或中间层54的任何组合。
第五区域66的实施例示出在图8中，该图为在图3的线8-8内得到的横截面。在示出的实施例中，中间层54对应于或以别的方式包括排空区域(例如，中间层54被密封且基本没有物质)。排空区域可用作第五区域66的第一层50和第二层52之间的热阻隔或隔热层。换句话说，在一个实施例中，对应于中间层54的全部或部分的排空区域可不将热能从第一层50传导到第二层52，或者更一般地，可减少第一层50和第二层52之间的热传导。另外，与使用传统制造技术的传统的构造相比，排空区域(例如，在示出的实施例中的中间层54)可大体降低第一层50和第二层52的润湿的内表面76和构件的其它部分的温度。这可阻止例如液体燃料喷射器内的液体燃料的热暴露。因此，根据当前实施例的热阻隔可阻止被燃料润湿的表面且因而输送通过燃料喷射器的、接触被燃料润湿的表面的燃料完全暴露于高温和相关联的热应力。
涡轮机构件的第三区域60的实施例示出在图9中，其为在图3的线9-9内得到的横截面图。在示出的实施例中且如上面参照图3所提到的那样，延伸部62可设置(例如，连接)在第一层50和第二层52之间，并且可完全或部分地延伸通过中间层54。在某些实施例中，延伸部62可与第一层50和第二层52一体地形成。在其它实施例中，延伸部62可单独地制造，并且连结在第一层50和第二层52之间。在任何一种情况下，延伸部62可由任何之前提到的材料烧结而成(例如，延伸部62可为与层50、52和54相同的材料，或延伸部62可为不同的材料)，并且围绕延伸部62设置的中间层54可与第一层50、第二层52和/或延伸部62相比烧结到较低程度。延伸部62可用来增加包含延伸部62的涡轮机构件的部分的刚度，而中间层54减轻了热膨胀所产生的应力。因而，延伸部62可用来增强整个构件的强度，同时在构件的横截面上实现不同的热膨胀系数。延伸部62还可构造成促进第一层50和第二层52之间的热连通。例如，涡轮机构件的包括延伸部62的区域可在分层结构的一侧上(例如，在第一层50附近)比在分层结构的另一侧(例如，在第二层52附近)经历更高温度。热能可从第一层50通过延伸部62分配到第二层52，例如，使得第二层52用作第一层50的吸热装置。在某些实施例中，以这个方式分担热载荷可减少第一层50和/或第二层52的局部热区域的出现。这可降低涡轮机构件的特定区域将由于热膨胀/热应力的差异而失效的可能性。
如上面所提到，本公开的分层结构在选定的构件几何结构中相对于未使用公开的实施例构造的其它非层构件实现增加的柔性。例如，在不使用公开的技术的情况下，在第一和第二涡轮机构件之间的槽口连接可包括空间来处理构件在运行期间的热膨胀。这可在两个构件之间产生不良的密封。在具有本文论述的烧结分层结构的情况下，热膨胀不限于向外膨胀，而是还可朝中间层54向内进行，中间层54可包括空间和/或未固定就位的颗粒。因而，根据当前实施例，在具有烧结层的第一涡轮机构件和具有烧结层的第二涡轮机构件之间具有槽口连接的类似构造可实现具有较紧的配合的连接(例如，没有空间来处理热膨胀)，从而改进密封，并且在某些实施例中，整体地改进涡轮机系统的运行效率。
可通过包括一个或多个添加式制造技术的方法来制造具有各种烧结层的涡轮机构件的各个上面论述的实施例。这种方法88的一个实施例示出为图10中的流程图。方法88可通过添加式制造系统来执行，其具有专用装备和一个或多个基于处理器的控制器来执行本文描述动作。例如，执行方法88的添加式制造系统可具有一个或多个计算装置，其具有存储一个或多个指令集的有形的机器可读的非瞬态介质，当由处理器执行时，指令集使系统的各种构件执行方法88的动作。某些输入可提供给系统，以促进使用这种系统来制造一个或多个构件，诸如计算机辅助设计(CAD)图/文件、3D实体模型、材料成分输入等。
在方法88中，可例如通过实体模型限定涡轮机构件的分层或横截面切片构造(方框90)。例如，实体模型可限定燃料喷嘴、过渡件、涡轮叶片或压缩机、护罩、叶轮、密封件等的几何结构。作为非限制性示例，方框90所表示的动作可包括制造系统所执行的动作，诸如从非瞬态存储介质获得实体模型，以及将文件加载到合适的基于计算机的应用程序(例如，存储在系统上的制造软件)中。
因为某些添加式制造技术可一层一层地产生特定装置/构件，所以方法88还可包括将实体模型分成(方框91)数字切片或横截面。例如，上面描述的基于计算机的应用程序可将实体模型切片成数字切片或横截面。在一些实施例中，还可针对工件的各种层或一个或多个层的各种部分的烧结/聚结程度来提供输入，例如以产生具有不同程度的某些属性(例如，刚度、导热性等)的分层结构。
粉末例如可使用真空、圆筒形滚柱和/或能够将粉末(例如，陶瓷和/或金属粉末)转移和淀积到至少部分地排空的腔室中(例如，与环境相比处于降低的压力的腔室)的一些其它装备来淀积(方框92)到腔室中。例如，圆筒形滚柱可用来将粉末从粉末存储容器推到构建(build)腔室中。粉末存储容器可将粉末向上推，并且圆筒形滚柱可朝构建腔室滚动跨过粉末存储容器的顶部，使得粉末从粉末存储容器的顶部被推到构建腔室中。在方法88的一些实施例中，对应于中间层54的位置的粉末的部分可排空，例如以产生图8的排空区域。
在粉末恰当地定位之后或粉末恰当地定位时，将能量源应用应用(方框94)到粉末上(例如，通过激光)。可使用从方框91获得作为蓝图的数字横截面来引导能量源(例如，通过计算机数字控制(CNC))，如分别在方框94和95中所显示。烧结/聚结的特定层的几何结构可通过制造系统在其中应用能量的区域所限定，同时部件的某些属性可通过淀积到特定粉末区域中的能量的量来确定。例如，大体而言，激光束/电子束所提供的较大的通量(例如，更多的能量)可导致粉末更加烧结/聚结，从而产生更大的硬度，而系统淀积的较少能量可导致构件有结构较柔性的部分。例如，如果与涡轮机构件的层一体地形成，则上面的延伸部62可通过将更大量的能量沿着中间层54的横截面矩形部提供给粉末形成，这可最终产生三维杆状结构。实际上，可采用类似方法来产生例如图4-6和9中描绘的实施例。
在另外的其它实施例中，由方框92-95表示的动作可包括将额外类型的粉末(例如，不同的金属/合金/陶瓷)提供到腔室中，以及将那些粉末结合到制造的构件的某些部分/区域中。实际上，这样的技术可用来例如产生图7中描述的实施例。因而，在提供适当的量的能量时，粉末聚结(方框96)成物理横截面，该物理横截面具有根据方框90限定的数字横截面的几何结构。可重复方法88的全部或一部分(例如， 从方框92到方框96的工艺)，以用数字横截面产生连续的层或切片，各个层或切片具有第一层50、第二层52或中间层54中的一个或多个，并且各个横截面在物理上构建在之前的横截面的顶部上，直到涡轮机构件构建成实体模型的物理复制品。一旦各个横截面已经构建且结构是完全的，就可从组件上移除上面描述的工艺所留下的不合需要的粉末。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明的可授予专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这样的其它实例具有不异于权利要求的字面语言的结构元素，或者如果这样的其它实例包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则它们意图处于权利要求的范围之内。

Claims (10)

1. 一种系统，包括：
分层结构，其包括：
　　第一聚结层；
　　第二聚结层；以及
　　设置在所述第一和第二聚结层之间的中间层，其中所述第一和第二聚结层比所述中间层具有更高的聚结程度。
2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，包括机器构件，其中所述机器构件包括所述分层结构。
3. 根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述机器构件为涡轮机构件。
4. 根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述涡轮机构件为涡轮喷嘴、涡轮框架、密封件、燃烧器衬套、燃烧器帽、燃料喷嘴、压缩机叶片、涡轮叶片、压缩机叶轮、涡轮叶轮、护罩节段、气体预混合器、液体燃料喷射器、燃烧器-涡轮过渡件或其任何组合。
5. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述中间层包括排空区域，其构造成至少在所述第一聚结层的第一部分和所述第二聚结层的第二部分之间用作热阻隔、声阻隔或其组合。
6. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括旋转机器系统、热气路径机器系统或其组合。
7. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一聚结层、所述第二聚结层或所述中间层中的至少一个包括在功能上分级的材料。
8. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述中间层包括部分地聚结的钴-铬、不锈钢、钛、铬-镍基合金或镍基合金中的至少一个。
9. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一聚结层、所述第二聚结层、所述中间层或其任何组合具有多个相应的区域，其中所述多个区域中的各个区域具有不同的烧结程度。
10. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一聚结层、所述第二聚结层或所述中间层中的至少一个在所述分层结构的至少一部分中具有不同横截面厚度。
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