CN105592961B - 中空金属物体和用于制造其的方法 - Google Patents

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Abstract

一种制造中空金属构件的方法，包括以下步骤：提供至少一个芯部，其包括第一侧面和相反侧面；使用第一金属喷涂工艺以将至少一种金属或金属合金施加至芯部的第一侧面，从而产生包括第一侧面和相反侧面的部分形成的结构；以及使用第二金属喷涂工艺以将至少一种金属或金属合金施加至在部分形成的结构和芯部的相反侧面，从而产生粗糙结构。中空金属构件包括具有内外表面的第一侧面，具有内外表面的相反侧面，第一侧面和相反侧面的内表面限定至少一个空腔。构件是一体形成的，且具有包括相对不同材料组分的区域，区域在其间具有材料的逐渐过渡。

Description

中空金属物体和用于制造其的方法
背景技术
本文中描述的技术大体上涉及用于制造中空金属物体的方法，并且更具体地涉及用于燃气涡轮发动机的用作翼型件的这类物体。
许多燃气涡轮发动机组件包括中空金属物体，诸如风扇叶片形式的翼型件，和/或非旋转固定翼型件，诸如导叶。物体内的中空区域可用于减轻重量和/或给予其它期望的结构性能。
带有好的性能和尺寸控制的中空金属结构常常很难加工，并且由于常规技术的处理复杂及低的产量，这些结构可以是昂贵的。
现已通过几种方法制造中空金属结构。铸造是花费得起的，但薄壁区段可能难以控制并且材料性能可能很差。可以以多种方式来完成制造。零部件可由金属板材切割和形成、铸造、研磨和/或“超塑性形成”。结合可以通过熔焊、固态焊接、扩散结合、活化扩散结合、钎焊、螺栓连接或粘接结合。焊接生成局部的热影响区，其需要后续的热处理。由于局部的合金化，钎焊和活化扩散结合可具有局部的低性能区域。粘接结合可缺乏足够的强度。在高温长时间处理会降低材料的性能，诸如疲劳性能和延展性。
存在对用于制造具有成本效率且生产带有号的物理性能和尺寸控制的结构的中空金属物体的改善的制造方法的需求。
发明内容
在一方面，制造中空金属构件的方法包括以下步骤：提供至少一个芯部，其包括第一侧面和相反侧面；使用第一金属喷涂工艺以将至少一种金属或金属合金施加至芯部的第一侧面，从而产生包括第一侧面和相反侧面的部分形成的结构；以及使用第二金属喷涂工艺以将至少一种金属或金属合金施加至部分形成的结构和芯部的相反侧面，从而产生粗糙结构。
在另一方面，一种中空金属构件包括具有内外表面的第一侧面，具有内外表面的相反侧面，第一侧面和相反侧面的内表面限定至少一个空腔。构件是一体地形成的，且具有包括相对不同材料组分的区域，区域在其之间具有材料的逐渐过渡。
附图说明
图1是示例性的燃气涡轮发动机的立面横断面视图；
图2是用于燃气涡轮发动机的现有技术风扇叶片形式的示例性中空金属物体的立面图；
图3是风扇叶片形式的现有技术中空金属物体的横断面图示；
图4是图3的现有技术风扇叶片的扩散结合区域的放大横断面视图；以及
图5-12是在形成过程中的八个阶段处的示例性中空金属物体的横断面图示。
具体实施方式
图1是具有纵向轴线11的示例性燃气涡轮发动机组件10的横断面示意图。燃气涡轮发动机组件10包括风扇组件12和核芯燃气涡轮发动机13。核芯燃气涡轮发动机13包括高压压缩机14、燃烧器16和高压涡轮机18。在示例性的实施例中，燃气涡轮发动机组件10还包括低压压缩机20、和多级增压器32，以及基本环绕增压器32的分流器34。
风扇组件12包括从转子盘26径向向外延伸的风扇叶片24的阵列，其前部部分通过流线型整流罩25包封。燃气涡轮发动机组件10具有进气侧28和排气侧30。风扇组件12、增压器32、涡轮机20通过第一转子轴21联接在一起，并且压缩机14和涡轮机18通过第二转子轴22联接在一起。
运行中，空气流动穿过风扇组件12，并且空气流的第一部分50被引导穿过增压器32。从增压器32排出的压缩空气被引导穿过压缩机14，其中在压缩机141处空气流被进一步压缩并输送至燃烧器16。来自燃烧器16的燃烧热产物(在图1中没有示出)被用于驱动涡轮18和20，且涡轮20被用于通过轴21的方式驱动风扇组件12和增压器32。燃气涡轮发动机组件10在设计运行条件和非设计运行条件之间的运行条件范围内是可运行的。
从风扇组件12排出的空气流的第二部分52被引导穿过旁通管40以旁通来自风扇组件12的空气流的一部分环绕核芯燃气涡轮发动机13。更特别地，旁通管40在风扇壳或罩36和分流器34之间延伸。因此，例如，来自风扇组件12的空气流的第一部分50被引导穿过增压器32，然后进入到如上所述的压缩机14，来自风扇组件12的空气流的第二部分52被引导穿过旁通管40来为飞行器提供推力。分流器34将进入的空气流分别分流为第一和第二部分50和52。燃气涡轮发动机组件10还包括风扇支架组件60来为风扇组件12提供结构支撑并还用于将风扇组件12连接至核芯燃气涡轮发动机13。
风扇框架组件60包括多个出口导向叶片70，其在径向外部安装的凸缘和径向内部安装的凸缘之间基本径向地延伸并在旁通管40内周向地间隔。风扇框架组件60还包括在径向外部安装的凸缘和径向内部安装的凸缘之间联接的多个支柱。在一个实施例中，风扇框架组件60制成弧形段，其中凸缘联接至出口导向叶片70和支柱。在一个实施例中，出口导向叶片和支柱在旁通管40内同轴地联接。可选地，出口导向叶片70在旁通管40内联接在支柱的下游。
风扇框架组件60是燃气涡轮发动机组件10的各种框架和支撑组件中的一个，其用于有助于维持燃气涡轮发动机组件10内各种构件的定向。更特别地，这种框架和支撑组件与固定构件相连接并提供转子轴承支撑。风扇框架组件60在旁通管40内联接在风扇组件12的下游使得出口导向叶片70和支柱围绕风扇组件12的出口周向地间隔并延伸横穿从风扇组件12排出的空气流路径。
风扇组件的构件和风扇框架组件(诸如风扇叶片、风扇叶片的金属前缘、出口导向叶片，及支柱)常常是基本中空的，以便减轻重量和/或赋予其它期望的结构性能。然而，这种中空构件利用常规的工艺常常加工困难并很昂贵。另外，常规的工艺可能会导致构件具有不期望的特征，诸如薄壁；围绕结合、焊缝和钎焊的弱区域；由于制造限制的厚壁；以及带有不足的相异的材料性能的构件。
图2示出了通过常规制作工艺制造的风扇叶片24形式的常规的中空金属物体，其中叶片被成形为两部分，然后两部分通过扩散结合连结在一起以形成内部中空空间。图3是风扇叶片24的横断面图，示出了两部分81、82沿着结合线83连结。如图4示出的放大部分，存在诸如84处所示边缘缺陷及两部分结合的许多接触表面存在应力集中的可能，以及确保完整地和恰当地形成扩散结合以避免诸如85处所示的不结合区域的挑战。
如图2中所示，风扇叶片24可具有对性能和/或耐久性或其它考虑期望的不同特性的不同的区域。例如，在外前缘的区域A可期望具有高密度和高的模量特性。在外前缘的区域B和在平台区域的D可期望有高的断裂应变特性(如15％的延伸)。在叶片的弦线中点区域的区域C可期望具有高的模量和低的密度特性。在叶片的根部附近的区域E可期望具有最佳的高循环疲劳比低循环疲劳(HCF/LCF)特性及用于构造的焊接能力，其可焊接至圆盘来结合以形成整体叶盘。
常规地制备的诸如图2-4的风扇叶片24的中空风扇叶片利用蜂巢芯并钎焊在一起，通过超塑成形和扩散连结(SPF-DB)的桁架芯(truss core)，及通过机械加工和扩散结合或焊接的肋芯(rib core)来制造。带有多种材料特性的叶片常规地通过将不同材料结合在一起形成(MLE到复合或铝制的叶片)来制造。
中空叶片(诸如风扇叶片24)使用目前的常规加工方法典型地是昂贵的。金属叶片通常在整个叶片上限于一种材料特性。用于复合或金属叶片的结合前缘使用常规的加工方法加工是昂贵的，且需要二次工艺来附接至机翼。
在下面描述的和在图5-12描绘的制造中空金属物体的方法可消除常规制造的中空构件的一个或更多个材料缺陷，这些缺陷包括但不限于，由于薄壁、钎焊、焊接或结合导致的弱区域。此外，通过本文中描述的方法制造的制件可在不同的区域以不同的材料制成，使得不同的区域包括不同的材料特性。因此按照本文中描述的方法制造的中空构件可定制成在不同的区域具有期望的材料特性。包括的是带有前述的优点中的一个或更多个的中空构件以及制造具有前述优点中的一个或更多个的中空构件的方法。
通常，金属喷涂是用于在基体上建造金属层的附加的制造工艺。通过改变原料(金属粉末)的组分，喷涂地区的不同区域可由不同的合金形成。这对一些构件可能是有利的，这些构件可从在不同区域的不同材料特性获益，诸如图2中描绘的风扇叶片24。另外，可生成一般熔化工艺中所没有的非常规合金。
通常，在金属喷涂工艺中，细金属粉末颗粒被加速并撞击至它们所粘附的基体。随后的热处理和压力处理可确保带有细晶粒的100％密集的物体。制件的化学组分是原料(金属粉末)的化学组分的反映。通过改变原料(金属粉末)的组分，喷涂地区的不同部分可由不同的合金形成，诸如在图5-12中所描绘的八个步骤工艺。粉末可由预合金材料制成，或者由不同的合金的混合物制成。在后者的情形时，在随后的热操作期间金属变得部分地或全部地合金化。这可导致由熔化工艺不能产生的合金。
构件典型地不要求在所有的位置具有相同的材料特性。实际上，期望的是具有在构件的不同区域带有不同的材料特性的构件，诸如上面关于风扇叶片24的区域A-E所描述的。采用折衷而导致不必要的重量或厚度，或者零件由不同材料的多个件制成。本文中描述的方法允许构件的材料特性定制成满足构件的每个区域内的局部要求。本文中描述的构件包括由不同材料组成的区域，同时仍然是基本整体地形成的。
在一个实施例中，诸如图5-12中所示，一种方法使用金属喷涂来将金属喷涂至背衬工具或成形工具和(多个)芯部以生成中空金属零件。另一个实施例是由这种方法生成的中空金属零件。在本发明的一个实施例中，方法包括第一金属喷涂工艺，其在整个单个或多个芯部喷涂金属使得随后芯部可被机械地、化学地或热处理(如通过熔化或热解)地去除，结果形成中空金属零件。备选地，轻质材料的芯部可保留在适当位置。成形工具可包括一个或更多个件。芯部构成各种材料的插入件的或分离的件，典型地这些材料比在其上形成的材料具有更轻的质量和更低的密度。芯部可仅呈现为实现在成品零件件内形成中空空间或赋予其它期望的性能。芯部可以是细长的管或带，或它们可以具有其它更复杂的几何形状，诸如格栅或网状。为了形成临近的、非芯部的区域，可使用背衬工具或成形设备。这种背衬工具或成形设备允许临近于芯部的固体金属喷涂区域的同时建立，结果形成部分地形成的结构。更复杂的形状可通过随后从背衬工具或成形设备移除零件及在另一侧执行第二金属喷涂工艺产生粗糙的结构来完成。备选地，临近的非芯部区域可直接地建立在芯部上。
图5-12示出了使用芯部和成形工具形成诸如风扇叶片的中空金属物体的八个步骤工艺。
在图5中，设置有用于要形成的期望制件的合适大小和形状的成形工具90。设置有一个或更多个芯部91，每个芯部具有第一侧面和相反侧面，并且它们的相反侧面被固定至成形工具90的表面，以用于在成品物体内创建中空或轻质空腔。在备选的实施例中，在没有成形工具的情况下设置有一个或更多个芯部并且材料可同时地或顺序地施加到(多个)芯部的相对侧面。
图6示出了图5的工具90和芯部91，并且材料1已沉积在工具90的期望的区域上。图7然后描绘了在工具90和芯部91期望的区域沉积材料2的进一步的步骤。材料2可以与材料1相同或不同，使得成品物体的不同区域可由带有不同性能的不同材料形成。如果材料1和2相同和/或仅涉及一种材料，图6和7的步骤可组合和/或一个步骤可被省略。
图8描绘了在材料1的第一沉积的附近在材料2的一部分上沉积另外数量的材料1的进一步的步骤，使得材料1环绕材料2沉积的端部，并且在材料2之上的中部区域沉积第三材料3。更多的或更少的量的不同材料可以以相同的方式施加。
在图5-12的方法中的任何或所有的步骤之间可采用合适的设定、暂停或停留时间。可执行另外的中间处理步骤，诸如热处理或化学处理或机械(例如，机加工或喷丸)操作。
在图8中描绘的步骤之后，成形工具然后如图9中所示地移除以暴露(多个)芯部91以及包括之前沉积的材料(1、2和3，如可应用的)的部分地形成的结构的的反向模具。如图10中所示，附加量的材料2然后被施加到(多个)芯部91和部分地形成的结构的相反侧面，使得芯部在相对的材料层2内被围绕和包裹。图11示出了在部分地形成的结构的中央区域内材料3的施加。这完成了如在芯部之上和环绕芯部的诸如金属或金属合金的材料的施加过程。
取决于期望的构件和/或使用的芯部的构造，施加金属涂层的步骤可被连续地完成，由此生成喷涂施加步骤在一个组合步骤中完成而不是分散地在各自具有开始和结束的第一和第二步骤完成的方法。
图12示出了在致密化和精加工之后的可选步骤的成品中空金属物品，诸如风扇叶片24。根据期望或为了预期的应用，在所有或部分成品物体上也可施加合适的涂层。在许多情形中，致密化之后可需要机加工和/或抛光，但有时期望在其它的工艺之间(即，在金属喷涂之间或致密化之前)执行一些机加工。
操作的顺序，即如本文中所描述的哪一侧是第一侧及哪一侧是相反侧，可根据待制备构件的性质及制造、机械加工、表面轮廓和表面完成考虑的来选择。例如，在翼型件的情形中，可期望的是首先在吸力侧或凸面执行操作，随后在压力侧或凹侧执行操作。
粗糙结构不是100％致密并需要诸如热等静压(HIP)或其他类似工艺的致密化过程。该致密化过程可在(多个)芯部和/或成形工具在适当位置或在(多个)芯部和/或成形工具移除后完成。如果需要，(多个)芯部和/或成形工具的表面可通过在喷涂之前例如通过电镀使用基体材料或其它合适的材料涂覆(多个)芯部和/或成形工具来密封。因此(多个)芯部可由施加的材料完全地环绕以形成封闭的空腔。
一个技术优点在于所得的微结构是非常细小的颗粒，并且完成的结构可具有比通过其它的中空金属制作方法生成的中空结构更优良的机械性能，以及更加优良的铸造性能。此方法还允许使用与使用粉末原料/添加剂制造相关的其他材料技术的改进。
相对于常规的制造技术，该方法的商业优势在于它允许更快的处理、减少加工要求和更好的材料利用率，所有这些都可能转化为较低的成本。
技术优点是比常规的固体钛刀片更薄、更轻的风扇叶片。商业优势是中空风扇叶片或金属前边缘(MLE)的制造成本比常规的更便宜。
技术优点在于构件可以由单件材料(即，一体成形地)制成，但设计为在构件的不同地区利用不同的材料特性。这可导致完成的构件的重量或厚度减小。此外可使用在熔融工艺中一般不能使用的合金，扩展了这种优点。商业优势在于由于在不同的地区不同的材料特性要求而一般需要制造的构件可由单个件一体成形。消除粘接、焊接、钎焊和/或螺栓连接操作并减少零件的数量会节约成本。
在现有构件上建立金属喷涂是常见的。构件可通过利用金属喷涂替换损失的材料、然后进行最终的机加工来修复。经受磨损的局部地区可被涂覆耐磨材料。在这些情形中构件被常规地制造然后在分散的位置通过添加不同材料来修改。相比于现有的施加金属喷涂的应用，该建议的方法允许在单个操作中形成构件，这种构件包括由具有相对不同材料特性组成的区域，其中带有这种不同材料区域间的逐渐过渡。
通过本文中描述的方法制备的构件可以是翼型件并适用于用作转动翼型件(诸如风扇叶片)，或用于静止叶片(诸如导向叶片)。利用本文中描述的方法和材料制造的翼型件可具有在不同的位置内变化以适应不同的需求的材料特性。中空金属物体(诸如翼型件)可以是中空的，可以是整个翼型件，或可以是部分的翼型件(诸如用于结合至复合翼型件金属前缘)。
翼型件可以是中空的，以具有所需的频率，而相对于实心翼型件具有降低的重量。对于振动和冲击响应，中空翼型件需要多种小空腔而不是少量的大空腔。使用上述的在芯部上金属喷涂的制造方法可生成具有若干小空腔的中空翼型件，其比经由常规的方法制备的翼型件成本更低并且具有优良的机械性能。通过定制局部的材料特性以满足更小的重量或厚度的设计目标可改善翼型件的特性。例如，风扇叶片可通过本文中描述的方法制备。通过增加前缘的模量、屈服强度和致密度，风扇叶片的冲击损坏可被减小。例如，这可通过在前缘材料内合金化更致密的元素(诸如钨(W))来实现。这将允许更薄的边缘以用于改善的空气动力性能。围绕翼型件和柄部的区域对弯曲模态响应有很大的影响。例如，在该区域内将硼(B)与钛合金化可增加模量和强度，允许与更薄的叶片相同的频率。描述的加工方法和多种性能还可应用于诸如用于复合风扇叶片的金属前缘(MLE)的实施例。
与常规地制造的中空构件相比，体现本发明的构件具有非常细的晶粒微观结构并具有优良的机械性能和材料特性。由于相对于常规的技术和常规制造的中空构件更快的处理、降低的工具要求和更好的材料利用率，本发明的实施例提供了商业优势及更低的成本。
金属喷涂工艺是需要原料的附加加工工艺，原料可包括金属粉末，加速原料的组成，且将所述组成撞击至它们粘附的基体上。层聚集，最终形成由原料组成的产品。原料的组成可以改变使得基体的不同区域可以由不同的金属和/或金属合金形成，最终形成在产品的不同区域带有不同材料特性的产品。致密化过程导致整体成形的100％的致密构件。
芯部和背衬工具或成形工具可用于在由金属喷涂工艺中生成的构件内赋予一个或更多个中空区域。在本发明的一个实施例中，该方法使用金属喷涂工艺以在成形工具和一个或更多个芯部喷涂一种或更多种金属粉末以生成部分形成的结构。成形工具允许金属在围绕芯部的空间内建立。移除成形工具，在相反侧面执行第二金属喷涂工艺，产生粗糙结构。芯部在第一金属喷涂工艺之后或者在第二技金属喷涂工艺之后可机械地或化学地移除，或者由轻质材料制成的芯部可被保留在原位。粗糙结构然后经历致密化过程以生成中空构件。本发明的另一个实施例是由此方法制成的中空构件。
利用本文中描述的方法和材料可以制造很多种中空金属结构。例如，可制造转动的和静止的翼型件，及诸如支柱和其它的静止结构的非气动元件，其中金属材料具有轻质的优点是期望的。
尽管本发明已经以各种特定实施例来描述，但是本领域的技术人员将意识到在权利要求的精神和范围内可实践带有修改的本发明。

Claims (9)

1.一种制造中空金属构件的方法，包括以下步骤：
提供成形工具；
提供至少一个芯部，其包括第一侧面和相反侧面，所述芯部的所述相反侧面与所述成形工具接触；
使用第一金属喷涂工艺以将至少一种金属或金属合金施加至所述芯部的所述第一侧面，从而产生包括第一侧面和相反侧面的部分形成的结构；
将所述成形工具从所述部分形成的结构移除同时将所述芯部固持在所述部分形成的结构内，由此暴露所述部分形成的结构的相反侧面和所述芯部的相应的相反侧面；
使用第二金属喷涂工艺以将至少一种金属或金属合金施加至所述部分形成的结构的相反侧面和所述芯部的相反侧面，从而产生粗糙结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，多个芯部彼此间隔的关系设置并且至少一种金属或金属合金施加在所述多个芯部之间。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粗糙结构经历致密化过程。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括用于移除所述芯部的步骤。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述芯部在所述致密化过程之后移除。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括在使用所述第一金属喷涂工艺之前密封所述成形工具、所述芯部或它们的组合。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，多种金属、金属合金或它们的组合使用在所述第一金属喷涂工艺中。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，多种金属、金属合金或它们的组合使用在所述第二金属喷涂工艺中。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括用于精加工所述粗糙结构的步骤。
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3096911B1 (en) * 2014-01-21 2019-12-25 United Technologies Corporation Method for forming single crystal components using additive manufacturing and re-melt
US10914185B2 (en) * 2016-12-02 2021-02-09 General Electric Company Additive manufactured case with internal passages for active clearance control
US11168566B2 (en) * 2016-12-05 2021-11-09 MTU Aero Engines AG Turbine blade comprising a cavity with wall surface discontinuities and process for the production thereof
CN109676141B (zh) * 2017-12-06 2020-10-23 全亿大科技（佛山）有限公司 异形复杂金属制品的制造方法及异形复杂金属制品
US10793943B2 (en) 2018-03-15 2020-10-06 Raytheon Technologies Corporation Method of producing a gas turbine engine component
CA3048456A1 (en) 2018-07-17 2020-01-17 National Research Council Of Canada Manufactured metal objects with hollow channels and method for fabrication thereof
FR3087701B1 (fr) * 2018-10-30 2021-11-26 Safran Aircraft Engines Hybridation des fibres du renfort fibreux d'une aube de soufflante
US11441545B2 (en) * 2020-02-25 2022-09-13 General Electric Company Tungsten-based erosion-resistant leading edge protection cap for rotor blades

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1903127A1 (de) * 2006-09-21 2008-03-26 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum Herstellen von Bauteilen durch Kaltgasspritzen und Turbinenbauteil

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2641439A (en) * 1947-10-01 1953-06-09 Chrysler Corp Cooled turbine or compressor blade
US3848307A (en) * 1972-04-03 1974-11-19 Gen Electric Manufacture of fluid-cooled gas turbine airfoils
US4334495A (en) * 1978-07-11 1982-06-15 Trw Inc. Method and apparatus for use in making an object
JPS57152459A (en) 1980-10-06 1982-09-20 Gen Electric Plasma flame-spray casted article
US4447466A (en) * 1981-08-14 1984-05-08 General Electric Company Process for making plasma spray-cast components using segmented mandrels
US4574451A (en) * 1982-12-22 1986-03-11 General Electric Company Method for producing an article with a fluid passage
JP2982523B2 (ja) * 1992-10-29 1999-11-22 石川島播磨重工業株式会社 中空耐熱合金部品の製作方法
JPH1018911A (ja) 1996-07-02 1998-01-20 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 流通路形成方法
US6447704B1 (en) 2000-05-23 2002-09-10 Gmic, Corp. Thermal-sprayed tooling
US7384596B2 (en) 2004-07-22 2008-06-10 General Electric Company Method for producing a metallic article having a graded composition, without melting
US7138323B2 (en) * 2004-07-28 2006-11-21 Intel Corporation Planarizing a semiconductor structure to form replacement metal gates
US7316057B2 (en) 2004-10-08 2008-01-08 Siemens Power Generation, Inc. Method of manufacturing a rotating apparatus disk
US20060222776A1 (en) * 2005-03-29 2006-10-05 Honeywell International, Inc. Environment-resistant platinum aluminide coatings, and methods of applying the same onto turbine components
US20070003416A1 (en) 2005-06-30 2007-01-04 General Electric Company Niobium silicide-based turbine components, and related methods for laser deposition
GB0709838D0 (en) * 2007-05-23 2007-07-04 Rolls Royce Plc A hollow blade and a method of manufacturing a hollow blade
CN101418706B (zh) * 2008-11-20 2010-12-22 浙江工业大学 一种汽轮机抗气蚀叶片及其成形方法
US8192799B2 (en) * 2008-12-03 2012-06-05 Asb Industries, Inc. Spray nozzle assembly for gas dynamic cold spray and method of coating a substrate with a high temperature coating
US8453327B2 (en) * 2010-02-05 2013-06-04 Siemens Energy, Inc. Sprayed skin turbine component
US20130104567A1 (en) * 2011-10-31 2013-05-02 Douglas Gerard Konitzer Method and apparatus for cooling gas turbine rotor blades

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1903127A1 (de) * 2006-09-21 2008-03-26 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum Herstellen von Bauteilen durch Kaltgasspritzen und Turbinenbauteil

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Publication number Publication date
JP6475701B2 (ja) 2019-02-27
US10408083B2 (en) 2019-09-10
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CA2914530A1 (en) 2014-12-11
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