CN105408041A - 使用增材制造工艺的机械接合 - Google Patents

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Abstract

一种制造组件(10)的方法，包括：将第一部件(12)和第二部件(14)彼此定位处于期望的位置关系；和通过将材料一层接一层地沉积到组件的表面(24，26)上而建立锁定部件(16)，直到在原位形成将第一部件和第二部件保持处于期望的位置关系的完成的锁定部件。

Description

使用增材制造工艺的机械接合
技术领域
本发明涉及通过将部件借助逐层增材制造工艺在原位形成组件的机械接合。
背景技术
在燃气涡轮发动机领域，单个部件的各种部分可能具有宽范围变化的操作要求。某些材料可以很好地适合于各种部分中的一个部分的操作要求，而另一材料可以更好地适合于另一个的操作要求。模块化部件因此可以用来适配用于变化的操作要求的材料。在该方式中，更昂贵或难以制作的材料可以限于部件的在需要处的那些部分，而别处可以使用不太昂贵或易于制作的材料。此外，制造部件的该模块化途径允许单个模块而不是整个部件的更换，以延长部件的服务寿命。
这些部件的接合传统上包括诸如焊接和钎焊等的冶金接合。然而，存在着非常难以焊接而不龟裂的很多高温涡轮机材料。这对于钎焊接头不算问题，但是钎焊接头仅如钎焊材料一样强。机械接合在接合异种材料或难以焊接的材料时提供优点。然而，存在着机械接头可能在服务期间失效并且使硬件释放到发动机内的频繁的担忧。结果，在本领域中仍然存在着用于改进的空间。
附图说明
在以下描述中鉴于附图说明发明，附图示出：
图1是组件的示例性实施例的示意性图。
图2是组件的可选示例性实施例的示意性图。
图3是组件的又另一可选示例性实施例的示意性图。
具体实施方式
本发明人设计出一种用于接合部件以形成组件的创新途径。具体地，组件的部件被相对于彼此保持处于它们在当它们是部件的一部分时所具有的位置关系。当部件被保持处于期望的位置关系时，完成组件的锁定部件借助增材制造工艺被形成在组件的其他部件中的一个上的适当位置处，其中锁定部件被逐层地形成。组件内的互锁关系将组件保持在一起，并且锁定部件确保互锁关系的互锁元件保持处于彼此接合的状态。锁定部件因此形成组件的一部分并且有效地确保互锁关系保持完好不变，由此将组件保持在一起。
图1示出具有类似于翼型的长形形状的组件10的示例性实施例的示意性纵向截面。组件10包括第一部件12、第二部件14和锁定部件16。在该示例性实施例中，组件10通过由彼此接合的第一互锁特征20和第二互锁特征22形成的两个互锁关系18被保持在一起。只要互锁特征20、22彼此接合就形成互锁关系18并且这将组件10保持在一起。因此，锁定部件16被配置成作为组件10的一部分并且同时确保互锁关系18保持完好不变。在该示例性实施例中，用于各互锁关系18的第一互锁特征20被形成为锁定部件16的一部分。然而，锁定部件16可以包括或可以不包括形成互锁关系18的一部分的几何形状。而是，锁定部件16被形成为确保互锁关系18保持完好不变，而不管组件10中的哪个部件实际上包括形成互锁关系18的几何形状特征。
锁定部件16可以通过可被限定为将材料接合以从数据模型制成三维固态物体的工艺的增材制造工艺层层地形成。这与依靠使用诸如切割、钻孔、铣削和研磨等的技术进行的材料的去除的消减制造方法学形成对比。被设想用于该方法的增材制造工艺的许多可能的示例中的一个是激光工程化净成形(LENS)。在该工艺中，金属粉末被注射到由激光束创建的熔池内。正被形成的部件坐落在可在激光的焦点下方移动的表面上，并且激光可以在形成层之后被升高以便在已形成的层的顶部形成另一层。所形成的部件被认为是完全致密(完全烧结)的并因此当达到最终形状时被完全形成。此外，锁定部件可以是陶瓷的，或者如示例性实施例中那样，它可以是金属的。
作为该逐层途径的结果，借助逐层增材工艺形成的粉末冶金部件具有当与使用其他粉末冶金工艺制成的部件相比时独特的微观结构。首先，部件的颗粒结构中的颗粒大小被限制为颗粒驻留所在的沉积层的厚度，因为由工艺形成的熔化的材料池的大小被限制为近似层的厚度，并且焊池的大小限制了颗粒的大小。(焊池的大小进而由来自激光的热输入和粉末层的厚度控制)。小体积的熔融材料和快速的冷却速率有效地防止颗粒生长。因此，由于各层在被沉积时基本上完全形成，所以层内的任何颗粒不能生长得比它的层的厚度还厚。当形成在第一层的顶部的随后的层可以使第一层的上侧部分熔化以便结合至其上时，第一层中存在的任何颗粒都不会生长到第二层内。
其次，在逐层途径中，部件中的颗粒将会具有作为层叠工艺的结果的层状结构。相比之下，在传统粉末冶金工艺中，单个粉末颗粒在暴露于烧结工艺中的高温(在熔点之下)时不会熔化，而是它们通过互相扩散接合在一起。粉末颗粒具有相对于彼此随机的定向并且颗粒之间的界面变成晶界。这导致在传统粉末冶金工艺中更均匀地各方等轴的结构。由逐层工艺产生的层状结构可以导致各向异性性质，(其中，可以存在有在平行于建立方向测量的性质中的与相对于建立方向成90度的性质相比不同的差异)。
可以从形成该类型的组件的该方法实现几个优点。例如，如果图1的组件10是燃气涡轮发动机中使用的翼型，并且如果第一部件12是翼型部分而第二部件14是顶部挂件(coupon)，(在这样的示例性实施例中锁定部件16可以采取环或筒的形状)，则这些部件两者可以从具有不同组合物受益。具体地，翼型部分可能在燃气涡轮发动机中的诸如由热燃烧气体所创建的那些等的环境中要求具有较大的抗蠕变性，但是不一定需要特别地是磨蚀的。可能会遇到护罩或环段的耐磨损部分的顶部挂件部分可能需要较大的磨蚀性质。但经常出现在燃气涡轮机组件中时，用于第一部件12的材料的最佳选择可能与用于第二部件14的材料的最佳选择在冶金上不兼容。该不兼容性使得通过焊接将部件接合即使不是不可能但也是非常困难的。所产生的任何这样的焊接都可能归因于龟裂等而小于期望的。强度要求可以排除钎焊的使用，并且碎屑的担忧可以防止传统机械接合的组件(例如螺栓连接)的使用。因此，在一些实例中尚不能形成冶金上理想的组件。该方法通过准许满足组件的变化的冶金、成本和可靠性需要等而没有与焊接、钎焊及传统机械接合相关联的任何担心的组件的创建而克服了该问题。另一优点包括更换单个部件而不是整个组件以延长服务寿命的能力。为了便于组件的分解和单个部件的更换，或者出于被认为是重要的任何其他原因，可能期望如下地形成锁定部件：使得在锁定部件与组件的部件的表面(锁定部件的第一层被沉积在其上)之间没有冶金结合。例如，在图1的示例性实施例中，锁定部件16被形成在第一部件12的表面24和第二部件14的表面26两者上。另一方面，如果冶金结合待形成在第一部件12的表面24与锁定部件16之间的界面28和/或第二部件14的表面26与锁定部件16之间的界面30处，那么表面24、26可以被适当地清洁以准许冶金结合形成。适当的清洁对于本领域技术人员已知类似于焊接操作中以准许合适的焊接的形成所必要的清洁。相比之下，如果没有冶金结合待形成在界面28或界面30处，那么可以消除清洁步骤。可选地，如果没有结合待形成，则氧化物层可以被允许形成在第一部件12的表面24和第二部件14的表面26中的任一个或两者上。氧化物层在增材制造工艺的第一层的施加期间可能被烧掉或者可能不被烧掉，但是在任一种情况中都很可能防止锁定部件16与被用作用于第一层的基部的任何表面之间的冶金结合的形成。
然涡轮发动机组件经常经历组件内的热生长不匹配。这可能在当例如异种材料希望对热改变作出不同反应但被迫作出相同反应时、诸如当异种材料被焊接在一起时出现。使用这里所公开的方法，可以制作出组件10，降低或消除通过部件的策略定位的问题。例如，在图1中，第一部件12和第二部件14被端部对端部地布置。这允许了各部件独立于其他地对热改变作出反应。另外，间隙32可以被内置到组件10中，使得当组件10处于操作温度时，部件的朝向彼此的任何热生长将由间隙32容纳，由此消除了可能以其他方式产生的任何应力。
图2示出组件10的另一示例性实施例的示意性纵向截面。在这里再次第一部件12和第二部件14通过锁定部件16被保持在适当位置。然而，在该示例性实施例中，第二部件14被组装到第一部件12上并且接着形成锁定部件16。锁定部件16仅与第一部件12互锁，而第二部件简单地通过第一部件12和锁定部件16的存在被保持在适当位置。在该示例性实施例中，组件10可以是其中第一部件12是翼型部件并且第二部件14是通过锁定部件16被接合至翼型部件的护罩的燃气涡轮发动机导叶。在这样的组件10中，热气体通常存在于第二部件14的热气体侧40上。通过将锁定部件16锁定在第二部件14的相对冷的一侧42上，选择在锁定部件16中使用的材料不需要经得住由热气体创建的操作环境。结果，由于能够经得住该操作环境的材料经常更昂贵且更难以制作，所以该配置节省了材料成本和组件成本。
在作为图2的变型的又另一示例性实施例中，图3描绘了具有第三部件44的组件10的纵向截面。第三部件44可以在构造上是模块化的，例如开口环，并且第三部件44和第一部件分别具有第一互锁特征20和第二互锁特征22，并因此形成了互锁关系18。锁定部件16将第三部件44保持在适当位置，并因此锁定部件16有效地确保第一部件12与第三部件44的互锁关系18被维持。如所示出的，锁定部件16与第三部件44之间的界面46相对于组件10的纵向轴线48成一角度。如果在界面46处没有冶金结合则该配置是有利的，因为组件10的几何形状将锁定部件16保持在适当位置。可选地，假如界面46与组件10的纵向轴线48之间没有所期望的角度，则冶金结合可以被允许在界面处形成使得锁定部件16被冶金结合至第三部件44。该冶金结合会将锁定部件16保持在适当位置并由此将互锁关系18保持在适当位置。此外，在该配置中，锁定部件16与第一部件12和第二部件14分离，这可以防止它们彼此不分离时的兼容性问题。
从前面所述显而易见的是，本发明人已创建了一种制作组件的独特方式并且该独特方法可以产生解决本领域中的已知问题的组件。然而，解决方案使用了能够容易应用的技术，并因此实施可以快速且不贵。结果，这图本领域中的改进。
虽然在这里已示出并描述了本发明的各种实施例，但显然这样的实施例是仅通过示例的方式提供的。可以在不脱离这里的发明的情况下做出多种变型、改变和替换。因此，意在发明仅由随附权利要求的精神和范围限制。

Claims (20)

1.一种制造组件的方法，包括：
将第一部件和第二部件彼此定位处于期望的位置关系；和
通过将材料一层接一层地沉积到所述组件的表面上而建立锁定部件，直到原位形成将所述第一部件和所述第二部件保持处于所述期望的位置关系的完成的锁定部件。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括选择准许所述第一部件与所述第二部件之间的相对热生长的期望的位置关系。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括确保所述锁定部件没有形成到所述第一部件或第二部件的冶金结合。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述锁定部件与所述第一部件互锁，并且其中所述第二部件至少通过所述锁定部件被保持处于所述期望的位置关系。
5.一种组件，包括：
第一部件和第二部件；和
锁定部件，其通过逐层增材制造工艺形成并且包括层状颗粒结构，其中所述颗粒结构中的所有颗粒包括不大于各层的厚度的尺寸，并且其中所述锁定部件将所述第一部件、所述第二部件和所述锁定部件以互锁关系固定在一起。
6.根据权利要求5所述的组件，其中所述逐层增材制造工艺包括激光工程化净成形。
7.根据权利要求5所述的组件，其中所述锁定部件与所述第一部件互锁，并且其中所述第二部件至少通过所述锁定部件被相对于所述第一部件保持处于适当位置。
8.根据权利要求7所述的组件，其中所述锁定部件与所述第二部件互锁。
9.根据权利要求5所述的组件，其中所述第一部件包括翼型部件，其中所述第二部件包括被组装到所述翼型部件上的护罩部件，并且其中所述锁定部件与所述翼型部件互锁且将所述护罩部件保持在适当位置。
10.根据权利要求5所述的组件，其中所述第一部件和所述第二部件通过由所述锁定部件维持的互锁布置被保持在一起。
11.根据权利要求10所述的组件，其中所述互锁布置在所述第一部件与第三部件之间，并且其中所述锁定部件防止所述第三部件从所述第一部件脱离。
12.根据权利要求11所述的组件，其中所述第一部件包括翼型部件，其中所述第二部件包括被组装到所述翼型部件上的护罩部件，其中所述第三部件包括与所述翼型部件互锁的模块化构造，并且其中所述锁定部件将所述模块化构造保持在适当位置。
13.根据权利要求5所述的组件，其中所述组件不包括到所述锁定部件的冶金结合。
14.根据权利要求5所述的组件，其中所述第一部件和所述第二部件被以准许相对热生长的方式组装。
15.一种制造组件的方法，包括：
将第一部件和第二部件彼此定位处于期望的位置关系；和
借助逐层增材制造工艺在原位形成锁定部件，其中所述锁定部件有效地通过互锁关系维持所述期望的位置布置。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述逐层增材制造工艺包括激光工程化净成形。
17.根据权利要求15所述的方法，进一步包括将所述锁定部件形成到不洁净的表面上，有效地防止其间的冶金结合。
18.根据权利要求15所述的方法，进一步包括选择准许所述第一部件与所述第二部件之间的相对热生长的期望的位置关系。
19.根据权利要求15所述的方法，其中在所述互锁关系中所述锁定部件与所述第一部件互锁，并且其中所述第二部件至少通过所述锁定部件被保持处于所述期望的位置关系。
20.根据权利要求15所述的方法，其中所述锁定部件将第三部件保持在适当位置，并且所述第三部件与所述第一部件互锁以形成所述互锁关系并且将所述第二部件保持处于所述期望的位置关系。
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