CN105705731B - 具有负cte特征的涡轮构件 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮构件(10)包括：具有相对的内表面和外表面的金属壁(24,26,228)，壁构造成用于引导燃气涡轮发动机中的燃烧气流；以及刚性地附接到其中一个表面的金属负CTE结构(48,50,54)。

Description

具有负CTE特征的涡轮构件
技术领域
本发明大体上涉及涡轮构件，并且更具体地涉及用于高温环境中的涡轮构件。
背景技术
典型燃气涡轮发动机包括涡轮机核心，其具有成串流关系的高压压缩机、燃烧器和高压涡轮。核心可以以已知方式操作来生成主气流。高压涡轮包括一个或多个级，其从主气流取得能量。各个级均包括静止涡轮喷嘴，随后是承载涡轮叶片的下游转子。这些"热区段"构件在促进金属合金的热腐蚀和氧化的极高温度的环境中操作。
在现有技术中，热区段构件通常由具有良好抗高温蠕变的镍基或钴基合金(通常称为"超级合金")铸造成。这些合金主要设计成满足机械性质要求，诸如蠕变断裂强度和疲劳强度。铸造过程控制成产生期望的微观结构，例如，定向固化("DS")或单晶("SX")。单晶微观结构是指没有结晶晶界的结构。单晶铸造需要晶种元件(即，用于冷却的成核点)，以及冷却期间对温度的小心控制。然而，此结构的产生很昂贵且具有相对低的制造产量。
因此，所需的是一种具有较高的高温蠕变和应力破裂抗性的燃气涡轮发动机构件。
发明内容
该需要通过本发明解决，本发明提供了一种包括负热膨胀系数("CTE")结构的金属构件。
根据本发明的一个方面，一种涡轮构件包括：具有相对的内表面和外表面的金属壁，壁构造成用于引导燃气涡轮发动机中的燃烧气流；以及刚性地附接到其中一个表面的金属负CTE结构。
根据本发明的另一个方面，负CTE结构刚性地附接到内表面。
根据本发明的另一个方面，负CTE结构与金属壁整体形成。
根据本发明的另一个方面，金属壁形成燃气涡轮发动机的翼型件的部分。
根据本发明的另一个方面，金属壁为翼型件的压力侧壁或吸力侧壁。
根据本发明的另一个方面，负CTE结构包括六边形单元的重复阵列。
根据本发明的另一个方面，负CTE结构包括大体上沙漏形单元的重复二维阵列，各个单元均具有由两个间隔开的凸形壁接合的两个间隔开的凹形壁。
根据本发明的另一个方面，负CTE结构包括具有方形形状的单元的二维阵列。
根据本发明的另一个方面，壁包括相对的间隔开的外层，以及具有填充它们之间的空间的负CTE结构。
根据本发明的另一个方面，一种用于制造构件的方法包括：将金属粉末沉积在工作面上；从定向能量源引导射束来以对应于构件的截面层的图案熔化粉末；在循环中重复沉积和熔化的步骤来以逐层方式构造壁，壁具有相对的内表面和外表面，壁构造成用于引导燃气涡轮发动机中的燃烧气流；以及使金属负CTE结构与其中一个表面整体形成。
根据本发明的另一个方面，负CTE结构与内表面整体形成。
根据本发明的另一个方面，壁为燃气涡轮发动机翼型件的压力侧壁或吸力侧壁。
根据本发明的另一个方面，负CTE结构包括六边形单元的重复阵列。
根据本发明的另一个方面，负CTE结构包括大体上沙漏形单元的重复二维阵列，各个单元均具有由两个间隔开的凸形壁接合的两个间隔开的凹形壁。
根据本发明的另一个方面，负CTE结构包括具有方形形状的单元的二维阵列。
根据本发明的另一个方面，壁包括相对的间隔开的外层，以及具有填充它们之间的空间的负CTE结构。
附图说明
本发明可连同附图参照以下描述来最佳地理解，在附图中：
图1为根据本发明的方面构建的示例性涡轮构件的示意性透视图；
图2为示例性负CTE结构的示意图；
图3为另一个示例性负CTE结构的示意图；
图4为另一个示例性负CTE结构的示意图；
图5为图1的涡轮构件的示意性截面视图；
图6为沿图5的线6-6截取的视图；
图7为根据本发明的方面构建的增材制造设备的局部截面示意性侧视图；
图8为沿图7的线8-8截取的视图；
图9为根据本发明的方面构建的增材制造设备的局部截面示意性侧视图；
图10为沿图9的线10-10截取的视图；
图11为根据本发明的方面构建的增材制造设备的局部截面示意性侧视图；
图12为沿图11的线12-12截取的视图；
图13为涡轮构件的壁的一部分的示意性平面视图；以及
图14为沿图13的线14-14截取的视图。
具体实施方式
参看附图，其中相同的参考标号表示贯穿各个视图的相同元件，图1示出了示例性涡轮叶片10。涡轮叶片10包括常规燕尾部12，其可具有包括柄脚的任何适合形式，柄脚接合转子盘(未示出)中的燕尾槽的互补的柄脚，以用于在其在操作期间旋转时将叶片10固持至盘。叶柄14从燕尾部12沿径向向上延伸，且终止于平台16，平台16从柄部14沿侧向向外突出且包绕柄部14。中空翼型件18从平台16沿径向向外延伸且延伸到热气流中。翼型件具有在平台16和翼型件18的接合处的根部20，以及在其径向外端处的末梢22。翼型件18具有在前缘28处和在后缘30处接合在一起的凹形压力侧壁24和凸形吸力侧壁26。压力侧壁24和吸力侧壁26共同构成外围壁，其包围内部空间，外围壁具有面向内部空间的内表面，以及面向外部环境的相对的外表面。翼型件18可采用适合于从热气流获得能量且引起转子盘的旋转的任何构造。翼型件18可包括多个后缘冷却孔32，或其可在翼型件18的压力侧壁24上包括一定数目的后缘放出槽口(未示出)。翼型件18的末梢22由末梢盖34封闭，末梢盖34可整体结合到翼型件18，或单独地形成且附接到翼型件18。直立的声响器末梢36从末梢盖34沿径向向外延伸，且设置成紧邻组装的发动机中的静止护罩(未示出)，以便最大限度减少越过末梢22的气流损失。声响器末梢36包括与压力侧末梢壁40成间隔开的关系设置的吸力侧末梢壁38。末梢壁40和38整体结合到翼型件18，且分别形成压力侧壁24和吸力侧壁26的延伸部。压力侧末梢壁40和吸力侧末梢壁38的外表面分别形成与压力侧壁24和吸力侧壁26的外表面连续的表面。多个膜冷却孔44穿过翼型件18的外壁。膜冷却孔44与翼型件18的内部空间(未示出)连通。如图5和图6中所见，翼型件18的内部可包括由内壁46限定的冷却通路的复杂布置，诸如蛇形构造。
为了具有足够的蠕变断裂强度和疲劳强度，且为了抵抗热腐蚀和氧化，涡轮叶片10由诸如具有良好抗高温蠕变的镍基或钴基合金(通常称为"超级合金")的材料制成。包括此超级合金的所有材料响应于温度的变化膨胀或收缩。称为热膨胀系数或"CTE"的材料性质使材料的尺寸(即，体积或线性大小)的变化与温度的变化有关。大体上，CTE分别表示为αV = 1/V (dV/dT) 或 αL = 1/L (dL/dT)，其中α表示CTE、V体积、L长度和T温度。
包括超级合金的大多数材料具有正CTE，这意味着在认作是均质物质(例如，矩形固体)时，其大小随增加的温度增大。正CTE是由于蠕变的增长和由于破裂的潜在构件故障的影响因素。
即使组成材料具有正CTE，但一些结构由于其几何形状呈现出负CTE。换言之，结构的大小随增加的温度而减小。如本文使用的用语"负CTE结构"指呈现出该性质的任何结构。
图2-图4示出了呈现出负CTE的若干已知的结构的示例。图2为包括单元48的重复二维阵列的蜂窝结构，其中各个单元48均为由壁63限定的规则六边形。
图3为包括单元50的重复二维阵列的图案，其大体上为由多个壁52限定的沙漏形。各个单元50均具有两个壁52，其相对于单元50凹入，由相对于该单元50凸出的两个壁52'接合。各个单元50相对于其相邻的单元50旋转90度。结果，第一单元50的各个凹形壁52还限定相邻单元50的凸形壁52'。
图4为包括具有方形形状的单元54的重复二维阵列的图案。
翼型件18包括负CTE结构以提供热膨胀抵消效果。在所示示例中，如图5和图6中最佳所见，负CTE结构包括如上文所述的六边形单元48的图案，其分别与压力侧壁24和吸力侧壁26的内表面整体结合形成。负CTE结构可覆盖翼型件外围壁的全部或选择部分。如图所示，负CTE结构为连续的，但可在翼型件18内的局部区域中实现。限定单元48的壁63具有厚度或深度"T1"，其为翼型件外围壁的总厚度"T2"的部分。较大的厚度或深度T1预计具有较大的热膨胀抵消效果，而同时将外围翼型件壁的质量减小到较大程度。因此，准确的厚度分数或比率T1/T2将取决于特定应用的要求选择。在平面视图(见图2)中，单元48具有主要大小或直径"D"。连同壁63的厚度"W"，该大小还将取决于特定应用改变。
将注意的是，仅考虑热膨胀抵消效果，负CTE结构可设置在翼型件18的外表面上，但出于实际原因，诸如保持翼型件的空气动力特征和避免至翼型件18的热传递，负CTE结构优选设置在翼型件外围壁的内表面上。
负CTE结构限定"支架"，其刚性地附接到翼型件18。负CTE结构可为整体的、一件的、翼型件18的单件结构或元件。翼型件18在高温环境中操作，且经历由热负载和机械负载以及基础合金的正CTE驱动的蠕变和可能的应力破裂。然而，负CTE结构响应于高温的收缩提供了抵消构件增长的对抗力。这还提供了针对构件破裂的安全裕度。
将注意的是，上文所述的涡轮叶片10仅为许多类型的构件的一个示例，本文中大体上指定为"C"，其可包括负CTE结构。这些原理适用的涡轮构件的非限制性示例包括旋转翼型件(例如，叶片、轮叶)、非旋转翼型件(例如，涡轮轮叶、导叶)、涡轮护罩和燃烧器构件。这些构件中的各个具有带有内表面和外表面的壁的共同特征，其中壁构造成用于在燃气涡轮发动机的操作期间引导或导送燃烧气流。
负CTE结构也可直接地包括到构件壁的内部结构中。例如，图13和图14示出了壁228的部分，大体上代表涡轮构件壁，诸如上文所述的压力侧壁24或吸力侧壁28。壁228包括相对的间隔开的外层230和232，具有填充它们之间的空间的负CTE结构234。
包括如上文所述的负CTE结构的构件C尤其适用于使用增材制造方法生产，因为小规模的内部构件难以或不可能使用常规铸造或加工工艺来制造。图7示意性地示出了用于执行增材制造方法的设备100。基本构件为台112、粉末供应源114、刮具116、溢出容器118、可选由构造封壳122包绕的构造平台120、定向能量源124，以及射束操纵设备126。这些构件中的各个将在下文中更详细描述。设备100还可选地包括外部热控制设备，其将在下文中描述。
台112为提供平坦工作表面128的刚性结构。工作表面128与虚拟工作面共面且限定虚拟工作面。在所示的示例中，其包括与构造封壳122连通且暴露构造平台120的中心开口130、与粉末供应源114连通的供应开口132，以及与溢出容器118连通的溢出开口134。
刮具116为位于工作表面128上的刚性侧向伸长的结构。其连接到促动器136，促动器136可操作成使刮具116沿工作表面128选择性地移动。促动器136在图7中示意性地绘出，其中理解到诸如气动或液压缸、滚珠螺杆或线性电促动器等的装置可用于此目的。
粉末供应源114包括供应容器138，其在供应开口之下且与其连通，以及升降器140。升降器140为板状结构，其可在供应容器138内垂直地滑动。其连接到促动器142，促动器142可操作成使升降器140选择性地向上或向下移动。促动器142在图7中示意性地绘出，其中理解到诸如气动或液压缸、滚珠螺杆或线性电促动器等的装置可用于此目的。当升降器140降低时，期望的合金成分的金属粉末"P"的供应可装载到供应容器138中。当升高升降器140时，其使粉末P暴露在工作表面128上方。
构造平台120为板状结构，其可在中心开口130下方垂直地滑动。其连接到促动器121，促动器121可操作成使构造平台120选择性地向上或向下移动。促动器121在图7中示意性地绘出，其中理解到诸如气动或液压缸、滚珠螺杆或线性电促动器等的装置可用于此目的。
溢出容器118在溢出开口134之下且与其连通，且用作多余粉末P的储存器。
定向能量源124可包括可操作成生成适合功率的射束以及在构造过程期间熔融和熔化金属粉末的其它操作特征的任何已知的装置，如下文更详细描述的那样。例如，定向能量源124可为具有大约104W/cm2的数量级的输出功率密度的激光器。其它定向能量源(诸如电子束枪)为激光器的适合的备选方案。
射束操纵设备126包括一个或多个反射镜、棱镜和/或透镜，且设有适合的促动器，且布置成使得来自定向能量源124的射束"B"可聚焦至期望的斑点大小，且在与工作表面128一致的X-Y平面中操纵至期望位置。
如本文使用的用语"外部热控制设备"是指不同于定向能量源124的设备，其有效地将定位在构造平台120上的构件C保持在适合的溶解温度下(即，保持预定的温度轮廓)，且因此在构造过程期间控制固化粉末P的结晶性质。如下文更详细所述，外部热控制设备可通过直接地用作热源(即，热能输入)或通过保持由定向能量加热过程生成的热来操作。
图5-图12中示出了各种类型的外部热控制设备的示例。在图7和图8中，隔热物144的层包绕构造封壳122。隔热物144有效阻止热从构造的构件C传递，从而减小其冷却速率且保持升高的温度。
图9和图10示出了包括一个或多个加热器的外部热控制设备。带型电阻加热器146环绕在构造封壳122的外部，且连接到电功率源148。在启用时，加热器146通过热传导加热构造封壳122(且因此内部的构件C)。
外部热控制设备的另一可选类型为辐射加热源。例如，图9示出了布置成具有至构件C的视线且连接到电功率源152的石英灯150(也称为石英卤素灯)。此灯是市售的，分别额定为几千瓦输出。当启用时，石英灯150通过辐射热传递来加热构件C。石英灯150可替代上文所述的带加热器146使用或除其之外使用。
外部热控制设备的另一个选择为感应加热，其中在感应线圈中流动的AC电流感应出磁场，其继而又在附近传导物体中感应出涡流，导致物体的电阻加热。在图11和图12中所示的示例中，感应加热器154包括包绕构造平台120的一个或多个独立的感应线圈156，其连接到电功率源158。在所示的示例中，提供了多个感应线圈156。在启用时，感应加热器154有效加热构件C。由发明人根据经验证明的是，此类外部感应加热154将优选加热粉末床内的熔化/固化构件C，而不将疏松粉末P充分加热至引起其熔化或以其它方式附接到构造的构件C。
使用上述设备用于构件"C"的构造过程如下。构造平台120移动到初始高的位置。可选地，晶种元件160(见图2)可首先置于构造平台120上。晶种元件160用作用于冷却的成核点，且具有选择的结晶结构。如果期望制造单晶构件C，则晶种元件将具有单晶微观结构。此晶种元件160可由已知技术制成。一旦定位晶种元件160，则构造平台120降低到工作表面128以下达到选择的层增量。层增量影响构件C的速度和辨析率。举例来说，层增量可为大约10到50微米(0.0003到0.002英寸)。粉末"P"然后沉积在构造平台120和晶种元件160上。例如，供应容器138的升降器140可升高来推动粉末通过供应开口132，以使其暴露在工作表面128上方。刮具116移动越过工作表面，以使升高的粉末P在构造平台120上水平地扩散。当刮具116从左行进到右时，任何多余的粉末P通过溢出开口134落入溢出容器118中。随后，刮具116可缩回到起始位置。
定向能量源124用于熔化构造的构件C的二维截面。定向能量源124发射射束"B"，且射束操纵设备126用于以适合图案在暴露的粉末表面上操纵或扫描射束B的焦点"S"。粉末P的暴露层由射束B加热至允许其融化、流动和固结的温度。
构造平台120垂直地向下移动达到层增量，且另一层粉末P以类似的厚度施加。定向能量源124再次发射射束B，且射束操纵设备126用于以适合图案在暴露的粉末表面上操纵或扫描射束B的焦点S。粉末P的暴露层由射束B加热至允许其在顶层内且与之前固化的较低层一起融化、流动和固结的温度。
移动构造平台120、施加粉末P和然后定向能量熔化粉末的该循环重复，直到整个构件C完成。使用的扫描图案选择成使得负CTE结构形成为构件C的组成部分。
构件C不必具有均质的合金成分。成分可通过在增材制造过程期间改变粉末P的成分来改变，以产生构件C的变化的层或区段。例如，图1中所示的翼型件18可具有带有第一合金成分的径向内部或本体部分17(虚线下方)，以及带有不同于第一合金的第二合金成分的径向外部或末梢部分19(虚线上方)。
如果构件C可选形成带有单晶微观结构，则这需要在制造期间控制整个构件C的温度和冷却速率。定向能量热输入足以保持构件C的最上方部分的所需温度，新的层主动地铺设在其附近，但并非用于其全部范围。为了解决该问题，本发明的方法在粉末沉积和定向能量熔化的循环期间使用外部热控制设备。
外部热控制设备可操作成控制整个构件C的温度和加热速率两者。例如，一种已知的溶解热处理包括以下步骤：(1)将构件加热至大约1260℃(2300℉)大约两小时以使微观结构均匀化，(2)以大约5.5℃(10℉)每小时的速率将温度从大约1260℃(2300℉)逐渐地升高到大约1320℃(2415℉)的溶解温度，然后(3)将构件保持在那个温度下大约两小时，随后是(4)在三分钟或更短内冷却至大约1120℃(2050℉)的老化温度。
由于外部热控制设备与定向能量源124分开，故其还可用于其它热处理过程，诸如构造过程完成之后老化构件C。例如，一种已知的老化过程涉及在几小时的时期内在老化温度下初步老化该构件以实现期望的微观结构。
本文所述的涡轮构件具有优于现有技术的若干优点。负CTE结构抵消构件蠕变，且针对应力破裂提供裕度。负CTE结构可允许较少合金在关键的发动机应用中执行功能，可能消除对单晶材料的需要。负CTE结构还可用作热机械系统的部分，以降低构件热传递的总体温度。负CTE结构可用于湍流促进器或"湍流器"的功能，其比现有技术的铸造湍流器更致密，以用于改善的热传递。同样，如果负CTE结构容纳在翼型件本体的外表面和内表面的壁内，其还可用作换热器来更有效地冷却外壁。
前文描述了具有负CTE结构的涡轮构件，以及用于其制造的方法。此说明书中公开的所有特征(包括任何所附权利要求、摘要和附图)和/或如此公开的任何方法或工艺的所有步骤可以以除至少一些此类特征和/或步骤相互排斥的组合外的任何组合来组合。
此说明书中公开的各个特征(包括任何所附权利要求、摘要和附图)可由用于相同、等同或类似目的的备选特征替换，除非明确另外指出。因此，除非明确另外指出，则公开的各个特征仅为普通的一系列等同或类似特征的一个示例。
本发明不限于前述实施例的细节。本发明延伸至此说明书(包括任何所附潜在新颖点、摘要和附图)中公开的任何新颖的一个特征或特征的任何新颖组合，或延伸至如此公开的任何方法或工艺的任何新颖的一个步骤或步骤的任何新颖组合。

Claims (16)

1.一种涡轮构件，包括：
具有相对的内表面和外表面的金属壁(24,26,228)，所述壁构造成用于引导燃气涡轮发动机中的燃烧气流；以及
刚性地附接到所述表面中的一个的金属负CTE结构(48,50,54)。
2.根据权利要求1所述的构件(10,228)，其特征在于，所述负CTE结构(48,50,54)刚性地附接到所述内表面。
3.根据权利要求1所述的构件(10,228)，其特征在于，所述负CTE结构与所述金属壁(24,26,228)整体地形成。
4.根据权利要求1所述的构件(10,228)，其特征在于，所述金属壁(24,26)形成燃气涡轮发动机翼型件(18)的部分。
5.根据权利要求4所述的构件(10,228)，其特征在于，所述金属壁(24,26)为所述翼型件的压力侧壁(24)或吸力侧壁(26)。
6.根据权利要求1所述的构件(10,228)，其特征在于，所述负CTE结构包括六边形单元(48)的重复阵列。
7.根据权利要求1所述的构件(10,228)，其特征在于，所述负CTE结构包括大体上沙漏形单元(50)的重复二维阵列，各个单元均具有由两个间隔开的凸形壁(52')接合的两个间隔开的凹形壁(52)。
8.根据权利要求1所述的构件(10,228)，其特征在于，所述负CTE结构包括具有方形形状的单元(54)的重复二维阵列。
9.根据权利要求1所述的构件(10,228)，其特征在于，所述壁(228)包括相对的间隔开的外层(230,232)，以及具有填充它们之间的空间的负CTE结构(234)。
10.一种制造构件(C,18,228)的方法，包括：
将金属粉末(P)沉积在工作面(128)上；
从定向能量源(124)引导射束来以对应于所述构件(C)的截面层的图案熔化所述粉末(P)；
在循环中重复沉积和熔化的步骤来以逐层方式构造壁，所述壁(24,26,228)具有相对的内表面和外表面，所述壁(24,26,228)构造成用于引导燃气涡轮发动机中的燃烧气流；且具有与所述表面中的一个整体形成的金属负CTE结构(48,50,54)。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述负CTE结构(48,50,54)与所述内表面整体形成。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述壁(24,26)为燃气涡轮发动机翼型件(18)的压力侧壁(24)或吸力侧壁(26)。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述负CTE结构包括六边形单元(48)的重复阵列。
14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述负CTE结构包括大体上沙漏形单元(50)的重复二维阵列，各个单元均具有由两个间隔开的凸形壁(52')接合的两个间隔开的凹形壁(52)。
15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述负CTE结构包括具有方形形状的单元(54)的重复二维阵列。
16.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述壁(228)包括相对的间隔开的外层(230,232)，以及具有填充它们之间的空间的负CTE结构(234)。
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