CN105818253A - 复合工具和形成复合部件的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了复合工具（100）和用于形成复合工具（200）的方法。复合工具（100）包括三维打印聚合物主体（103），该主体（103）具有与燃气涡轮机部件的至少一个表面相对应的几何形状；和涂覆主体（103）的涂层（503），该涂层（503）为打印聚合物主体（103）提供了比未覆盖的打印聚合物主体（103）更大的对热暴露的耐受性。用于形成复合部件（200）的方法包括：提供复合工具（100）；将多个复合层（701）层叠在复合工具（100）的表面上；使复合层（701）致密来形成复合部件（200）；以及从复合部件（200）移除复合工具（100）。复合部件（200）包括与复合工具（100）的至少一部分相对应的表面几何形状。还提供了形成复合工具（100）的方法。

Description

复合工具和形成复合部件的方法
技术领域
本发明大体涉及用于功率产生的燃气涡轮机，并且更具体地涉及形成用于燃气涡轮机的复合部件的方法。
背景技术
陶瓷基复合物（CMC）材料已经被提议作为用于燃气涡轮发动机的某些部件（例如，涡轮叶片、静叶、喷嘴以及动叶）的材料。已知各种方法以用于制作CMC部件，包括离型剂（silicomp）、熔渗（MI）、化学气相渗透（CVI）、聚合物膨胀热解（PIP）以及氧化/氧化工序。尽管这些制作技术彼此显著地不同，但是各个制作技术包括了手工层叠和用刀具加工或冲模的使用来通过包括在各种处理阶段的热的施加的工序产生近终成形部分。
形成CMC部件包括多个步骤，包括使用例如型芯或模具的预成形。首先，将多个CMC纤维层叠在钢或铝型芯上。纤维以预定的图案层叠来提供部件的期望的最终或近终成形和期望的机械性质。在已经层叠纤维之后，通过烧毁循环将粘合剂从纤维移除，在该循环期间，型芯为部件提供支撑和强度。
CMC纤维层叠于其上的型芯的形状提供CMC部件的形状。但是，型芯的形状被限制为可传统地加工的形状。同样地，CMC部件的形状被限制为可传统地加工而不进行进一步的处理的形状。此外，由于用于形成钢或铝型芯的加工工序，制造型芯可耗费数周或数月来完成。
与现有技术对比显示出一个或更多个改进的部件和方法将在本领域中被期望。
发明内容
在一个实施例中，复合工具包括三维打印聚合物主体，该主体具有与燃气涡轮机部件的至少一个表面相对应的几何形状；和涂覆主体的涂层，该涂层为打印聚合物主体提供比未覆盖的打印聚合物主体更大的对热暴露的耐受性。
在另一实施例中，形成复合工具的方法包括打印三维聚合物主体，该主体具有与燃气涡轮机部件的至少一个表面相对应的几何形状；和将涂层施加至聚合物主体，该涂层为打印聚合物主体提供比未覆盖的打印聚合物主体更大的对热暴露的耐受性。
在另一实施例中，形成复合工具的方法包括提供一种复合工具，其包括三维打印聚合物主体，和涂覆主体的涂层，该涂层为打印聚合物主体提供比未覆盖的打印聚合物主体更大的对热暴露的耐受性；将多个复合层层叠在复合工具的表面上；使复合层致密来形成复合部件；以及从复合部件移除复合工具。复合部件包括与复合工具的至少一部分相对应的表面几何形状。
本发明的其它特征和优点从结合附图做出的下列更详细的描述将变得显而易见，附图借助于实例示出了本发明的原理。
本发明的第一技术方案提供了一种复合工具，包括：三维打印聚合物主体，主体具有与燃气涡轮机部件的至少一个表面相对应的几何形状；以及涂层，其涂覆主体，涂层为打印聚合物主体提供比未覆盖的打印聚合物主体更大的对热暴露的耐受性。
本发明的第二技术方案是在第一技术方案中，对热暴露的更大的耐受性包括在向比三维打印聚合物主体的玻璃转变温度更大的温度的暴露下的留存。
本发明的第三技术方案是在第一技术方案中，复合工具是型芯。
本发明的第四技术方案是在第一技术方案中，三维打印主体包括多个节段。
本发明的第五技术方案是在第四技术方案中，多个节段包括可附接至彼此来形成与燃气涡轮机部件的至少一个表面相对应的几何形状的节段。
本发明的第六技术方案是在第一技术方案中，涂层包括从铜、镍、以及它们的组合选择的材料。
本发明的第七技术方案是在第一技术方案中，燃气涡轮机部件是涡轮叶片或护罩中的一者。
本发明的第八技术方案提供了一种形成复合工具的方法，包括：打印三维聚合物主体，主体具有与燃气涡轮机部件的至少一个表面相对应的几何形状；以及将涂层施加至聚合物主体，涂层为打印聚合物主体提供比未覆盖的打印聚合物主体更大的对热暴露的耐受性。
本发明的第九技术方案是在第八技术方案中，对热暴露的更大的耐受性包括在向比三维打印聚合物主体的玻璃转变温度更大的温度的暴露下的留存。
本发明的第十技术方案是在第八技术方案中，对热暴露的更大的耐受性包括一个或更多个蒸养烧毁循环（autoclaveburnoutcycle）的留存。
本发明的第十一技术方案是在第八技术方案中，三维打印主体包括多个节段。
本发明的第十二技术方案是在第十一技术方案中，多个节段可附接至彼此来形成与燃气涡轮机部件的至少一个表面相对应的几何形状的节段。
本发明的第十三技术方案是在第八技术方案中，涂层包括从铜、镍、以及它们的组合选择的材料。
本发明的第十四技术方案是在第八技术方案中，燃气涡轮机部件是涡轮叶片或护罩中的一者。
本发明的第十五技术方案是在第八技术方案中，复合工具是型芯。
本发明的第十六技术方案提供了一种形成复合部件的方法，包括：提供一种复合工具，包括：三维打印聚合物主体；以及涂层，其涂覆主体，涂层为打印聚合物主体提供比未涂层的打印聚合物主体更大的对热暴露的耐受性；将多个复合物层层叠在复合工具的表面上；使复合层致密来形成复合部件；以及从复合部件移除复合工具；其中，复合部件包括与复合工具的至少一部分相对应的表面几何形状。
本发明的第十七技术方案是在第十六技术方案中，致密包括加热至与三维打印聚合物主体的玻璃转变温度相等或比其更大的温度。
本发明的第十八技术方案是在第十六技术方案中，致密包括加热至等于或大于350°F的温度。
本发明的第十九技术方案是在第十六技术方案中，涂层包括从铜、镍、以及它们的组合选择的材料。
本发明的第二十技术方案是在第十六技术方案中，燃气涡轮机部件是涡轮叶片或护罩中的一者。
附图说明
图1是根据本公开的实施例的复合工具的透视图；
图2是在图1的复合工具上方形成的复合部件的透视图。
图3是根据本公开的实施例的复合工具的透视图；
图4是在图3的复合工具上方形成的复合部件的透视图。
图5是根据本公开的实施例的覆盖的复合工具的剖视图；
图6是根据本公开的实施例的复合工具的分解图；
图7根据本公开的实施例的形成复合部件的方法的过程图。
图8是根据本公开的实施例的将复合工具由其移除的复合部件的剖视图。
图9是根据本公开的实施例的将复合工具的一部分由其移除的复合部件的剖视图。
图10是根据本公开的实施例的在其中包括复合工具的复合部件的剖视图。
只要有可能，遍及附图将使用相同的标号来代表相同的部分。
具体实施方式
提供的是复合工具和形成复合工具的方法。本公开的实施例，例如与未包括在本文中公开的特征中的一者或更多种的概念相比，减少了制造成本，减少了制造时间、增加了效率、减少了型芯重量、增加了型芯可动性、增加了型芯形状灵活性、允许了额外的复合工具形状的形成、允许了具有复杂几何形状的复合工具的形成、减少了在复合物的玻璃转变温度之上的温度下的聚合物型芯的变形、增加了层叠工具重复、减少了部件多孔性、减少了部件破裂、或它们的组合。
当介绍本发明的各种实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”以及“所述”意图指存在一个或更多个元件。用语“包括…的”、“包含…的”以及“具有…的”意图包含并且指可存在除了列出的元件外的附加元件。
用来产生功率的系统包括但不限于，燃气涡轮机、蒸汽涡轮机、以及其它涡轮机组件，例如，用于功率产生的陆基航改型燃气轮机（aero-derivatives）。在某些应用中，包括在其中的涡轮机（例如，涡轮、压缩机以及泵）和其它机器的功率产生系统可包括暴露于严重磨损条件的部件。例如，某些功率产生系统部件，例如，叶片、动叶、外壳、叶轮、轴、护罩、喷嘴等可在高热和高旋转环境中操作。这些部件是使用复合材料和复合工具制成的。本公开提供方法来形成复合工具和复合部件。
参照图1-4，复合工具100（图1和3）包括用于形成复合部件200（图2和4）的任何工具。在一个实施例中，复合工具100包括模具、型芯101、和任何其它构造用于在其上形成复合部件200的物体。在另一实施例中，复合工具100包括主体103。在又一实施例中，主体103包括三维打印主体。三维打印包括但不限于，本领域技术人员已知的工序：直接金属激光熔化（DMLM）、直接金属激光烧结（DMLS）、激光近形制造（LENS）、选择性热烧结（SHS）、选择性激光烧结（SLS）、选择性激光熔化（SLM）、激光束熔化（EBM）、熔融沉积制造（FDM）、或它们的组合。
三维打印主体包括与机械加工相比便于附加形状和设计的形成的任何适当的几何形状。此外，三维打印主体103减少或消除了复合工具100的超前时间和/或机械加工。适当的几何形状包括但不限于，与复合部件200的至少一个表面相对应的几何形状，与在复合部件200内的特征相对应的几何形状，或它们的组合。例如，参照图1至2，在一个实施例中，主体103三维打印有与护罩201相对应的几何形状（图2）。参照图3至4，在另一实施例中，主体103三维打印有与涡轮动叶401相对应的几何形状（图4）。
三维打印主体由能够三维打印的任何材料形成。适当的材料包括但不限于，聚合物、水溶性材料、金属或它们的组合。例如，在一个实施例中，聚合物包括，塑料、高温塑料、热塑性塑料、热固、弹性体或它们的组合。在另一实施例中，聚合物和/或高温塑料是使用SHS、SLS、FDM或它们的组合三维打印的。在另一实施例中，塑料包括聚醚酰亚胺（PEI），例如，两者均可从明尼苏达州的伊登普雷里的斯特塔西有限公司商业上可获得的Ultem?9085和/或聚苯砜（PPSF或PPSU）、聚醚醚酮（PEEK）、或它们的组合。
“ULTEM”是由明尼苏达州的伊登普雷里的斯特塔西有限公司生产的热塑性塑料的联邦注册商标。
在备选实施例中，主体103可由三维打印金属（例如，钢或铝）形成。三维打印技术提供与三维打印聚合物相比增加的工作温度，而三维打印聚合物减少了复合工具100的成本，降低了复合工具100的重量，便于复合工具100的移动，或它们的组合。如在本文中所使用的，用语“工作温度”意指在其下材料可被使用而不带有材料的几何形状和/或材料性质的显著的变形和/或退化的温度。此外，聚合物和/或塑料可三维打印有可溶解支撑件，这与金属相比便于了具有增加的复杂性的几何形状或形状的形成。例如，高度弯曲部分（例如，涡轮动叶），可用具有支撑件的塑料打印，该支撑件在打印后易于通过溶解或分裂移除。而且，塑料可以以与金属相比增加的速率三维打印。
在一个实施例中，三维打印主体包括两个或更多个分离材料。例如，主体103可包括具有第一工作温度的第一材料，和具有第二工作温度的第二材料。在另一实施例中，第二材料定位在第一材料上方，第二材料形成具有对热暴露的增加或更大的耐受性的外表面。在另一实施例中，第一材料是水溶性材料，而第二材料是非水溶性材料。第一材料和第二材料可一起打印，然后水溶性第一材料可被浸出。
参照图5，在一个实施例中，复合工具100包括涂覆主体103的涂层503。涂层503包括粘至和/或围绕主体103的任何涂层材料，并且具有比用来形成主体103的（多个）聚合物的工作温度更大的工作温度。例如，在一个实施例中，涂层材料具有大于Ultem?9085的玻璃转变温度367°F的工作温度。适当的涂层材料包括但不限于，镍、铜、铝、铂或它们的组合。
当施加至主体103时，与未涂层的三维打印材料相比，涂层503提供增加或更大的对热暴露的耐受性、强度、抗弯性、或它们的组合。当暴露至比三维打印聚合物主体的工作和/或玻璃转变温度更大的温度时，对热暴露的增加的耐受性促进了复合工具100的留存。例如，在一个实施例中，涂层503减少或消除了在主体103的材料的工作和/或玻璃转变温度之上的温度下主体103的几何形状、形状和/或构造的变化。在另一实施例中，涂层503向复合工具100提供增加的刚性。在例如但不限于蒸养烧毁循环期间，增加的刚性在主体103的工作和/或玻璃转变温度之上的温度下保持或基本保持复合工具100的尺寸。此外，通过减少或消除主体103和/或复合工具100的几何形状、形状和/或构造的变化，涂层503促进了具有在复合工具100和/或复合部件200的硫化周期温度之下的工作和/或玻璃转变温度的材料的使用。带有在复合工具100和/或复合部件200的硫化周期温度之下的工作和/或玻璃转变温度的材料的使用，减少了制造成本和/或增加了原型速度。
如在图6中所示出，复合工具100可包括一个或更多个节段611。节段611中的每一个形成了主体103的至少一部分。一个或更多个节段611可附接至彼此，附接节段611形成了与复合部件200的至少一个表面相对应的几何形状。例如，主体103可由结合在一起的多个节段611形成，并且覆盖有涂层503来形成具有与燃气涡轮机部件相对应的几何形状的复合工具100。在另一实施例中，节段611可利用销607、插口609和/或任何其它附接特征附接。备选地，节段611打印有互锁特征，其便于将节段611附接在一起。
复合部件200形成在复合工具100上方，并且包括由复合材料形成的任何部件，例如但不限于，功率产生系统部件、涡轮机部件、燃气涡轮机部件、或它们的组合。例如，适当的燃气涡轮机部件包括但不限于，护罩201（图2）、涡轮动叶401（图4）、压缩机叶片、喷嘴、热气体路径部件或它们的组合。复合材料包括但不限于，碳纤维复合物、环氧化合物、聚合物基复合物（PMC）、陶瓷基复合物（CMC）、或它们的组合。例如，CMC可为氧化物基CMC，包括例如但不限于如下的材料：氧化铝、富铝红柱石、氮化硼、碳化硼、硅铝氧氮陶瓷（sialons）（硅、铝、氧、以及氮）、金属互化物、以及它们的组合。
参照图7，在一个实施例中，形成复合部件200的方法包括提供复合工具100、将多个复合层701层叠在复合工具100的表面上、以及使复合层701致密。在另一实施例中，多个复合层701的层叠包括将多个复合层701以期望的几何形状或形状定位在复合工具100上。在另一实施例中，复合层701包括但不限于，利用各种粘合剂浸渍有SiC和碳基质的SiC纤维。如在图3中所示出，提供复合工具100可包括形成复合工具100，其包括三维打印主体103、然后将涂层503施加至主体103。涂层503的施加包括任何适当的施加方法，例如但不限于，喷雾、涂覆、电镀、浸渍涂复、任何其它沉积方法或它们的组合。
复合层701的致密包括但不限于，熔渗、化学汽相沉积、或其它适当的致密方法。例如，在一个实施例中，复合层701的致密包括将复合层701加热至等于或大于三维打印主体的玻璃转变温度的温度。在另一实施例中，三维打印聚合物主体的玻璃转变温度包括，例如：在大约275°F和大约450°F之间的温度、在大约340°F和大约400°F之间的温度、等于或大于275°F、等于或大于340°F、等于或大于350°F、等于或大于360°F、等于或大于367°F、等于或大于370°F、或它们的任何组合、子组合、范围或子范围。在另一实施例中，复合层701的致密在复合工具100上方形成了复合部件200，复合部件200包括与复合工具100的至少一部分相对应的表面几何形状。根据在本文中公开的方法形成复合部件200减少了复合部件200的多孔性和/或增加了复合部件200的纤维强度。
在形成复合部件200之后，该方法可包括从复合部件200移除复合工具100。例如，在一个实施例中，如在图8中所示出，复合工具100的主体103和涂层503被从复合部件200移除。在另一实施例中，如在图9中所示出，主体103从复合部件200移除，而涂层503保留。移除主体103包括但不限于，熔化、浸析、化学移除、或它们的组合。主体材料可在形成复合部件200之前或之后移除。当主体材料在形成复合部件200之前移除时，涂层503包括至少0.01英寸、至少0.015英寸、至少0.02英寸、在大约0.01和大约0.06英寸之间、在大约0.01和大约0.03英寸之间、或它们的组合、子组合、范围或子范围的厚度。备选地，如在图10中所示出，主体103和涂层503两者保持在复合部件200内。
此外，复合工具100可包括折叠特征、填充物、剖面特征或它们的组合。折叠特征、填充物、和/或剖面特征可在主体103的三维打印之前、期间和/或之后通过任何适当的形成方法形成。此外，折叠特征、填充物、和/或剖面特征可包括与主体103相比相同或不同的材料。例如，折叠特征、填充物、和/或剖面特征可与主体103一起三维打印，或者主体103可绕折叠特征、填充物和/或剖面特征三维地打印。在一个实施例中，填充物包括加强杆和/或肋。在另一实施例中，例如，如当主体103从涂层503内移除时，剖面特征向复合工具100提供支撑。
尽管已经参考一个或更多个实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，可进行各种更改并且为它们的元件替换等同物而不脱离本发明的范畴。此外，可进行许多修改以使特定的条件或材料适应本发明的教导而不脱离它们的基本范畴。因此，意图为，本发明不限于公开作为用于实施本发明的构思出的最佳模式的具体实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。此外，在详细说明书中识别的所有数值应当理解为仿佛精确和近似值均被清晰地识别。

Claims (10)

1.一种复合工具（100），包括：
三维打印聚合物主体（103），所述主体（103）具有与燃气涡轮机部件的至少一个表面相对应的几何形状；以及
涂层（503），其涂覆所述主体（103），所述涂层（503）为所述打印聚合物主体（103）提供比未覆盖的打印聚合物主体（103）更大的对热暴露的耐受性。
2.根据权利要求1所述的复合工具（100），其中，对热暴露的更大的耐受性包括在向比所述三维打印聚合物主体（103）的玻璃转变温度更大的温度的暴露下的留存。
3.根据权利要求1所述的复合工具（100），其中，所述复合工具（100）是型芯（101）。
4.根据权利要求1所述的复合工具（100），其中，所述三维打印主体（103）包括多个节段（611），其可附接至彼此来形成与燃气涡轮机部件的至少一个表面相对应的几何形状。
5.根据权利要求1所述的复合工具（100），其中，所述涂层（503）包括从铜、镍、以及它们的组合选择的材料。
6.根据权利要求1所述的复合工具（100），其中，所述燃气涡轮机部件是涡轮叶片或护罩中的一者。
7.一种形成复合工具（100）的方法，包括：
打印三维聚合物主体（103），所述主体（103）具有与燃气涡轮机部件的至少一个表面相对应的几何形状；以及
将涂层（503）施加至所述聚合物主体（103），所述涂层（503）为所述打印聚合物主体（103）提供比未覆盖的打印聚合物主体（103）更大的对热暴露的耐受性。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，对热暴露的更大的耐受性包括在向比所述三维打印聚合物主体（103）的所述玻璃转变温度更大的温度的暴露下的留存。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述三维打印主体（103）包括多个节段（611），其可附接至彼此来形成与燃气涡轮机部件的至少一个表面相对应的几何形状。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述涂层（503）包括从铜、镍、以及它们的组合选择的材料。
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