CN106194273B - 制品、构件及形成制品的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及制品、构件及形成制品的方法。具体而言，提供了一种制品(100)和形成制品(100)的方法。制品(100)包括分开内部区域(203)和外部区域(205)的本体部分(201)、本体部分(201)中的孔口(101)以及管道(103)，孔口(101)将内部区域(203)流体地连接到外部区域(205)，且管道(103)在孔口(101)处从本体部分(201)的外表面(206)延伸且布置和设置成将流体从内部区域(203)可控地引导至外部区域(205)。该方法包括提供分开内部区域(203)和外部区域(205)的本体部分(201)、在本体部分(201)中提供孔口(101)，以及在孔口(101)上形成管道(103)，管道(103)从本体部分(201)的外表面(206)延伸且布置和设置成将流体从内部区域(203)可控地引导至外部区域(205)。制品(100)布置和设置成用于插入热气体通路构件(400)内。

Description

制品、构件及形成制品的方法
关于联邦政府资助研究的声明
本发明是在能源部授予的合同号DE-FC26-05NT42643下利用政府支持作出的。政府拥有本发明中的一定权利。
技术领域
本发明针对一种制品、构件及形成制品的方法。更具体而言，本发明针对一种冷却制品、包括冷却制品的冷却构件，以及形成冷却制品的方法。
背景技术
涡轮系统在不断改造以提高效率和降低成本。提高涡轮系统的效率的一种方法包括升高涡轮系统的操作温度。为了升高温度，涡轮系统必须由可在持续使用期间经得起此温度的材料构建。
除改变构件材料和涂层之外，提高涡轮构件的温度能力的常用方法包括使用冷却特征。例如，一种冷却特征包括具有形成在其中的孔口的冲击部件。冲击部件引导冷却流体穿过孔口且朝预期待冷却的表面引导冷却流体。然而，一旦冷却流体流出孔口，特别是在冲击部件与待冷却的表面之间的交叉流存在的情况下，通常难以控制冷却流体流。此外，各种构件大体上包括可能难以利用来自冲击部件的冷却流体流到达的部分。
为了确保构件的充分冷却，增加量的冷却流体通常穿过冲击部件中的孔口。当冷却流体通常从涡轮发动机中的压缩空气提供时，使增加量的冷却流体穿过孔口在到达燃烧器之前除去压缩空气的增加的部分。除去压缩空气的增加部分可降低效率且增加涡轮发动机的操作成本。
发明内容
在实施例中，一种制品包括分开内部区域和外部区域的本体部分、本体部分中的孔口以及管道，孔口将内部区域流体地连接到外部区域，且管道在孔口处从本体部分的外表面延伸且布置和设置成将流体从内部区域可控地引导至外部区域。
在另一个实施例中，一种构件包括制品，其布置和设置成朝构件的内表面引导流体。制品包括分开内部区域和外部区域的本体部分、本体部分中的孔口以及管道，孔口将内部区域流体地连接到外部区域，且管道在孔口处从本体部分的外表面延伸且布置和设置成将流体从内部区域可控地引导至外部区域的管道。
在另一个实施例中，一种形成制品的方法包括提供分开内部区域和外部区域的本体部分，在本体部分中提供孔口，孔口将内部区域流体地连接到外部区域，以及在孔口上形成管道，管道在孔口处从本体部分的外表面延伸且布置和设置成将流体从内部区域可控地引导至外部区域。制品布置和设置成用于插入涡轮发动机的热气体通路构件内。
技术方案1. 一种制品，包括：
分开内部区域和外部区域的本体部分；
所述本体部分中的孔口，所述孔口将所述内部区域流体地连接到所述外部区域；以及
管道，其在所述孔口处从所述本体部分的外表面延伸且布置和设置成将流体从所述内部区域可控地引导至所述外部区域。
技术方案2. 根据技术方案1所述的制品，其中，所述制品还包括所述本体部分中的至少一个额外孔口，所述至少一个额外孔口将所述内部区域流体地连接到所述外部区域。
技术方案3. 根据技术方案2所述的制品，其中，所述制品还包括至少一个额外管道，所述至少一个额外管道中的各个形成在所述至少一个额外孔口中的一个上。
技术方案4. 根据技术方案1所述的制品，其中，所述管道延续所述孔口的形状。
技术方案5. 根据技术方案1所述的制品，其中，所述管道布置和设置成改变来自所述孔口的流体流。
技术方案6. 根据技术方案1所述的制品，其中，所述制品包括布置和设置成用于插入涡轮喷嘴内的冲击部件。
技术方案7. 根据技术方案1所述的制品，其中，所述管道还包括与所述制品的外表面相对的孔特征，所述孔特征选自由所述管道中的收缩部、穿过所述管道形成的多个出口孔和其组合组成的组。
技术方案8. 一种构件，其中所述构件包括根据技术方案1所述的制品，所述制品布置和设置成朝所述构件的内表面引导流体。
技术方案9. 根据技术方案8所述的构件，其中，所述制品的管道将流体流从所述孔口引导至所述构件上的热点。
技术方案10. 一种形成制品的方法，所述方法包括：
提供分开内部区域和外部区域的本体部分；
在所述本体部分中提供孔口，所述孔口将所述内部区域流体地连接到所述外部区域；以及
在所述孔口上形成管道，所述管道在所述孔口处从所述本体部分的外表面延伸且布置和设置成将流体从所述内部区域可控地引导至所述外部区域；
其中所述制品布置和设置成用于插入涡轮发动机的热气体通路构件内。
技术方案11. 根据技术方案10所述的方法，其中，提供所述本体部分包括形成所述本体部分，且提供所述孔口包括在所述本体部分中形成所述孔口。
技术方案12. 根据技术方案11所述的方法，其中，形成所述本体部分、形成所述孔口和形成所述管道中的至少一者包括增材制造。
技术方案13. 根据技术方案11所述的方法，其中，所述方法还包括在所述本体部分中形成至少一个额外孔口，以及在所述至少一个额外孔口处在所述本体部分的外表面上形成至少一个额外管道。
技术方案14. 根据技术方案10所述的方法，其中，在所述孔口上形成所述管道包括使所述管道布置和设置成改变来自所述孔口的流体流。
技术方案15. 根据技术方案14所述的方法，其中，所述管道布置和设置成将来自所述孔口的冷却空气流朝所述热气体通路构件的热点引导。
本发明的其它特征和优点将从连同附图的以下更详细描述清楚，附图通过举例说明了本发明的原理。
附图说明
图1为根据本公开内容的实施例的制品的透视图。
图2为根据本公开内容的实施例的制品的截面视图。
图3为根据本公开内容的实施例的定位在构件内的制品的截面视图。
图4为根据本公开内容的实施例的制品的放大视图。
图5为根据本公开内容的实施例的用于形成制品的方法的过程图。
图6为根据本公开内容的实施例的用于形成制品的方法的示意图。
图7为根据本公开内容的实施例的制品的截面视图。
图8为根据本公开内容的实施例的制品的截面视图。
图9为根据本公开内容的实施例的制品的截面视图。
在任何可能之处，将贯穿附图使用相同的参考标号来表示相同部分。
具体实施方式
提供了一种制品、构件和形成制品的方法。例如，相比于未包括本文公开的一个或多个特征的构想，本公开内容的实施例提高了冷却效率、减少了冷却流体使用、提高了流体流的控制、将流体流提供至难以到达的区域、提高热传递、便于升高的操作温度的使用、提供了流体流集中在热点上，以及它们的组合。
制品100包括用于引导涡轮构件内的流体流的任何适合的制品。在一个实施例中，如图1中所示，制品100包括形成在其中的一个或多个孔口101。例如，在另一个实施例中，制品100包括具有多个孔口101的冲击套筒。尽管本文主要参照冲击套筒进行描述，但本领域的技术人员将理解的是，制品100可包括任何其它适合的制品，诸如但不限于冲击板、多个冲击板、任何其它的冷却制品，或它们的组合。
转到图2，孔口101形成在本体部分201中，本体部分201限定和/或分开内部区域203和外部区域205。孔口101将内部区域203流体地连接到外部区域205，从而提供内部区域203与外部区域205之间的流体流。例如，在一个实施例中，孔口101在本体部分201的内表面204与外表面206之间延伸，以便于冷却流体从内部区域203流动到外部区域205。
各个孔口101均包括用于流体地连接内部区域203和外部区域205的任何适合的几何形状。适合的几何形状包括但不限于环形、大致环形、圆形、大致圆形、椭圆形、非圆形、方形、三角形、星形、多边形、泪珠形、变化的、不规则的、任何其它几何形状，或它们的组合。孔口101的几何形状可贯穿制品100为一致的、大致一致的或变化的，其中各个孔口101的几何形状与制品100中的一个或多个其它孔口101相同、大致相同和/或不同。此外，孔口101包括便于冷却流的任何适合的定向和/或间距。孔口101之间的适合间距包括但不限于均匀的、一致的、变化的、梯度的和/或分段的，其中各个孔口101的间距与一个或多个其它孔口101相同、大致相同和/或不同。
孔口101的几何形状和/或间距至少部分地确定制品100的冷却轮廓。冷却轮廓涉及贯穿制品100的流体流的参数，诸如但不限于穿过孔口101的流体流的浓度、分布和/或速率。例如，在一个实施例中，增加孔口101的数目和/或减小孔口101之间的间距增大了特定区段中的冷却流的量和/或浓度。在另一个实施例中，孔口101的尺寸的变化改变穿过各个孔口101的冷却流的量，且/或改变穿过各个孔口101的流体流的速率。在进一步的实施例中，沿制品100改变孔口101的几何形状和/或间距改变贯穿外部区域205的冷却轮廓。
参看图1-图2，制品100还包括从本体部分的外表面206延伸的一个或多个管道103。各个管道103均定位在其中一个孔口101处，以将流体从内部区域203可控地引导至外部区域205。例如，在一个实施例中，管道103中的开口与孔口101对准或大致对准，以将流过孔口101的流体可控地引导到外部区域205中。制品100包括达到等于孔口101的数目的量的任何适合数目的管道103。尽管示为包括三排管道103，但本领域的技术人员将认识到的是，制品100可包括增加或减少数目的管道103，管道103的数目等于或少于孔口101的数目。
各个管道103的内部表面和/或外部表面均包括任何适合的截面几何形状。内部表面和/或外部表面的截面几何形状可与彼此和/或孔口101的几何形状相同、大致相同或不同。适合的几何形状贯穿制品100为一致的、大致一致的或变化的，且包括但不限于环形、大致环形、圆形、大致圆形、非圆形、星形、椭圆形、方形、三角形、多边形、泪珠形、变化的、不规则的、任何其它几何形状，或它们的组合。例如，在一个实施例中，如图3中所示，管道103包括圆形或大致圆形的截面几何形状301，其延续孔口301的几何形状。在另一个实施例中，管道103包括非圆形几何形状，诸如星形截面几何形状303，其延续孔口101的非圆形几何形状。作为备选，管道103的圆形、大致圆形、非圆形和/或其它截面几何形状可不同于孔口101的几何形状，例如，诸如定位在圆形或大致圆形的孔口上的非圆形管道。管道103的其它方面(诸如但不限于长度、直径、间距和/或角度)与孔口101的对应方面相同、大致相同或不同，且可贯穿制品100为一致的、大致一致的或变化的。
该一个或多个管道103构造成保持、延续和/或改变来自孔口101的流体流。管道103的构造选择成提供期望的冲击流和/或冷却。例如，在一个实施例中，具有与孔口101相同或大致相同的几何形状的管道103延续孔口101的定向，以保持穿过外部区域205的至少一部分的流体流。在另一个实施例中，管道103不同于孔口101的定向，以改变来自孔口101的流体流的方向。在进一步的实施例中，具有与孔口101不同的几何形状的管道103改变来自孔口101的流体流的轮廓和/或方向。此外或作为备选，管道103可包括与制品100的外表面206相对的孔特征305。孔特征305包括用于改变流出管道103的流体流的任何适合的特征，诸如但不限于收缩部(例如，槽口和/或部分闭合)、形成在管道103中的多个孔、变窄(例如，漏斗形)，或它们的组合。
转到图4，在一个实施例中，制品100构造成用于插入和/或定位在构件400内。当插入和/或定位在构件400内时，制品100的外部区域205在制品的外表面206与构件400的内表面404之间延伸。此外，当制品100插入和/或定位在构件400内时，穿过孔口101的流体流提供了构件400的冲击冷却。例如，提供至制品100的内部区域203的冷却流体可穿过孔口101和/或管道103至外部区域205，在该处，冷却流体接触构件400的内表面404以冷却构件400。孔口101和/或管道103的定向和/或间距至少部分地确定从内部区域203传送到外部区域205的冷却流体的量、方向和/或浓度。
通过保持、延续和/或改变来自孔口101的流体流，管道103提高制品100的冷却效率，向构件400的冷却提供减少量的流体，且/或便于使用升高的操作温度。例如，通过使流体出口从制品100的外表面206处的孔口101延伸至与外表面206相对的管道103的端部，管道103独立于本体部分201的大小提供流体出口与构件400的内表面404之间的距离。在一个实施例中，管道103允许使用相对较小的本体部分201，其增大本体部分201的外表面206与构件400的内表面404之间的外部区域205的尺寸。在另一个实施例中，外部区域205的增大尺寸减小了外部区域205中的交叉流速度。外部区域205中的减小的交叉流速度减小了交叉流对冲击流体流的影响，便于对冲击流体流加强控制，提高冷却效率，且/或便于以减少量的流体冷却。
此外或作为备选，管道103减小流体出口与构件400的内表面404之间的距离。流体出口与构件400的内表面404之间减小的距离减少了流体暴露至外部区域205内的交叉流，且/或增大了流体与内表面404之间的接触，这提高冷却效率。此外或作为备选，管道103可定向成朝构件400的特定部分引导和/或聚集流体流，诸如但不限于热点、构件400的热侧壁、包括涡轮喷嘴的后缘部分的难以到达的部分(见图1-图2)，或它们的组合。减小管道103的流体出口之间的距离和/或引导和/或聚集穿过管道103的流体流便于使用减少量的流体流、相比于单独的孔口101提高冷却流体的冷却效率、便于构件400的较高温度的操作、增加通过量和/或提高操作效率。
在一个实施例中，形成制品100和/或管道103包括任何适合的增材制造方法。参看图5-图6，在另一个实施例中，增材方法500包括产生和/或形成净形或近净形制品100和/或管道103。如本文使用的短语"近净形"是指制品100和/或管道103形成带有非常类似于制品100和/或管道103的最终几何形状和尺寸的几何形状和尺寸，在增材方法500之后需要较少或不需要加工和处理。如本文使用的短语"净形"是指制品100和/或管道103形成带有不需要机加工和处理的几何形状和尺寸。例如，在一个实施例中，增材方法500包括产生包括一个或多个孔口100和/或一个或多个管道103的制品100。增材方法500向制品100、孔口101和/或管道103提供任何净形或近净形。此外或作为备选，增材方法500包括形成与该一个或多个管道103分开的制品100，且然后将该一个或多个管道103装固至制品100。尽管参照在增材方法500期间形成的孔口101描述，但如本领域的技术人员将认识到的那样，至少一个孔口101可在增材方法500之后加工到制品100中，而不影响制品100的净形或近净形几何形状。
增材方法500包括通过按顺序和重复地沉积和接合材料层来形成制品100和/或管道103的任何制造方法。适合的制造方法包括但不限于本领域的普通技术人员称为直接金属激光熔化(DMLM)、直接金属激光烧结(DMLS)、激光工程化净成形、选择性激光烧结(SLS)、选择性激光熔化(SLM)、电子束熔化(EBM)、熔融沉积成型(FDM)的过程，或它们的组合。在一个实施例中，例如，增材方法500包括提供金属合金粉末601(步骤501)；利用金属合金粉末601形成初始层602(步骤502)；利用金属合金粉末601在初始层602上按顺序形成额外层622(步骤503)；以及将额外层622接合至初始层602以形成制品100和/或管道103(步骤504)。在另一个实施例中，增材方法500包括重复以下步骤：在之前形成的层上按顺序形成额外层622，以及将额外层622接合至之前形成的层(步骤505)，直到获得具有预定厚度和/或预定形状的制品100和/或管道103。之前形成的层包括制品100和/或管道103的包括初始层602和/或直接地或间接地接合至初始层602的任何其它额外层622的任何部分611。
初始层602包括预选的厚度603和预选的形状，其包括至少一个第一开口604。各个额外层622均包括第二预选厚度623和第二预选形状，第二预选形状包括对应于初始层602中的该至少一个第一开口604的至少一个第二开口624。第二预选厚度623和/或第二预选形状可在一个或多个额外层622之间为相同的、大致相同的或不同的。在接合时，初始层602的优选厚度603和额外层622的第二预选厚度623形成部分611的组合厚度633。此外，该至少一个第一开口604和对应的至少一个第二开口624形成部分611中的一个或多个组合开口634。一旦形成制品100，则一个或多个组合开口634形成将内部区域203流体地连接到部分611的外部区域205的一个或多个孔口101。
在一个实施例中，增材方法500包括DMLM过程。在另一个实施例中，DMLM过程包括提供金属合金粉末601和沉积金属合金粉末601以形成初始粉末层。初始粉末层具有预选厚度603和包括至少一个第一开口604的预选形状。在另一个实施例中，DMLM过程包括提供聚焦的能量源610，以及在初始粉末层处引导聚焦的能量源610以熔化金属合金粉末601且将初始粉末层转变成制品100和/或管道103的部分611。适合的能量源包括但不限于激光装置、电子束装置或它们的组合。
接下来，DMLM过程包括在制品100和/或管道103的部分611上按顺序沉积额外的金属合金粉末601以形成具有第二预选厚度623和第二预选形状的额外层622，第二预选形状包括对应于初始粉末层602中的至少一个第一开口604的至少一个第二开口624。在沉积金属合金粉末601的额外层622之后，DMLM过程包括利用聚焦的能量源610熔化额外层622以增大组合的厚度633且形成具有预定轮廓的至少一个组合开口634。
然后可重复按顺序沉积金属合金粉末601的额外层和熔化额外层622的步骤以形成净形或近净形制品100和/或管道103。例如，可重复步骤直到获得具有预定厚度、预定形状和具有任何适合的几何形状的一个或多个孔口101的制品100。此外，可重复步骤以形成直接在一个或多个孔口101中的至少一个上的一个或多个管道103。在一个实施例中，一个或多个管道103包括构造成在增材方法500期间提供支撑的支撑部件。支撑部件可形成制品100的一部分，或可在形成之后除去以形成没有或大致没有支撑部件的制品100。
如上文详细论述的那样，且如图7-图9中所示，管道103垂直于本体部分201和/或相对于本体部分201成角度，且可形成为保持、延续和/或改变来自孔口101的流体流。例如，如图7中所示，管道103延伸孔口101的定向和截面几何形状。在另一个示例中，如图8中所示，管道103相对于本体部分201成角度，管道103的角度保持截面几何形状，同时改变孔口101的定向。角度还可选择成在制品100的增材制造期间提供支撑。用于改变孔口101的定向和/或在增材制造期间提供支撑的适合角度包括但不限于1°到179°之间、30°到150°之间、1°到90°之间、45°到135°之间、30°到90°之间、90°到150°之间、45°到90°之间、90°到135°之间、大约45°、大约90°、大约135°，或其任何组合、子组合、范围或子范围。此外或作为备选，如图9中所示，管道103的截面几何形状可不同于孔口101的截面几何形状。
在一个实施例中，增材方法500包括在管道103上形成孔特征305。在另一个实施例中，管道103和孔特征305在制品100的形成期间形成。此外或作为备选，管道103和/或孔特征305可与制品100的形成分开形成和/或在其之后形成。例如，管道103和/或孔特征305可使用增材方法500直接地形成在之前形成的制品100上，或管道103和/或孔特征305可与制品100分开形成，然后附接到制品100。与制品100分开形成管道103和/或孔特征305可包括增材方法500或非增材方法，诸如加工和/或铸造。
尽管参照一个或多个实施例描述了本发明，但本领域的技术人员将理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下可作出各种变化且对于其元件可替换等同物。此外，在不脱离其基本范围的情况下可作出许多改型以使特定情形或材料适于本发明的教导内容。因此，意在使本发明不限于公开为用于执行本发明而构想的最佳模式的特定实施例，相反，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，在详细描述中标出的所有数值都应当理解为好像准确值和近似值两者都明确指出那样。

Claims (15)

1.一种冷却制品(100)，包括：
分开内部区域(203)和外部区域(205)的本体部分(201)；
所述本体部分(201)中的孔口(101)，所述孔口(101)将所述内部区域(203)流体地连接到所述外部区域(205)；以及
管道(103)，其在所述孔口(101)处从所述本体部分(201)的外表面(206)延伸且布置和设置成将流体从所述内部区域(203)可控地引导至所述外部区域(205)；
其中，所述管道具有的定向或截面形状不同于所述孔口的定向或截面形状。
2.根据权利要求1所述的冷却制品(100)，其特征在于，所述冷却制品(100)还包括所述本体部分(201)中的至少一个额外孔口(101)，所述至少一个额外孔口(101)将所述内部区域(203)流体地连接到所述外部区域(205)。
3.根据权利要求2所述的冷却制品(100)，其特征在于，所述冷却制品(100)还包括至少一个额外管道(103)，所述至少一个额外管道(103)中的各个形成在所述至少一个额外孔口(101)中的一个上。
4.根据权利要求1所述的冷却制品(100)，其特征在于，所述管道(103)延续所述孔口(101)的形状。
5.根据权利要求1所述的冷却制品(100)，其特征在于，所述管道(103)布置和设置成改变来自所述孔口(101)的流体流。
6.根据权利要求1所述的冷却制品(100)，其特征在于，所述冷却制品(100)包括布置和设置成用于插入涡轮喷嘴内的冲击部件。
7.根据权利要求1所述的冷却制品(100)，其特征在于，所述管道(103)还包括与所述冷却制品(100)的外表面(206)相对的孔特征(305)，所述孔特征(305)选自由所述管道(103)中的收缩部、穿过所述管道(103)形成的多个出口孔和其组合组成的组。
8.一种冷却构件(400)，其中所述冷却构件(400)包括根据权利要求1所述的冷却制品(100)，所述冷却制品(100)布置和设置成朝所述冷却构件(400)的内表面(204)引导流体。
9.根据权利要求8所述的冷却构件(400)，其特征在于，所述冷却制品(100)的管道(103)将流体流从所述孔口(101)引导至所述冷却构件(400)上的热点。
10.一种形成冷却制品(100)的方法，所述方法包括：
提供分开内部区域(203)和外部区域(205)的本体部分(201)；
在所述本体部分(201)中提供孔口(101)，所述孔口(101)将所述内部区域(203)流体地连接到所述外部区域(205)；以及
在所述孔口(101)上形成管道(103)，所述管道(103)在所述孔口(101)处从所述本体部分(201)的外表面(206)延伸且布置和设置成将流体从所述内部区域(203)可控地引导至所述外部区域(205)；
其中所述冷却制品(100)布置和设置成用于插入涡轮发动机的热气体通路构件(400)内。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，提供所述本体部分(201)包括形成所述本体部分(201)，且提供所述孔口(101)包括在所述本体部分(201)中形成所述孔口(101)。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，形成所述本体部分(201)、形成所述孔口(101)和形成所述管道(103)中的至少一者包括增材制造。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述本体部分(201)中形成至少一个额外孔口(101)，以及在所述至少一个额外孔口(101)处在所述本体部分(201)的外表面(206)上形成至少一个额外管道(103)。
14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在所述孔口(101)上形成所述管道(103)包括使所述管道(103)布置和设置成改变来自所述孔口(101)的流体流。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述管道(103)布置和设置成将来自所述孔口(101)的冷却空气流朝所述热气体通路构件(400)的热点引导。
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