CN106232270B - 将从属结构件形成到涡轮叶片的方法及所形成的涡轮叶片 - Google Patents

将从属结构件形成到涡轮叶片的方法及所形成的涡轮叶片 Download PDF

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Abstract

一种用于在现有的本体(比如涡轮叶片)上进行部件的修复以及实体自由成形制造的方法和装置，该创新性方法和装置以及由此获得的产品具有以下优点：a)可以在现有的3‑D表面上构造。不限于水平平坦表面，b)能够用于难以进行焊接的金属，c)能够适应于新的损坏模式的稳健的方法，d)不需要通过惰性气体对熔池进行保护，e)较大范围的粉末粒度。

Description

将从属结构件形成到涡轮叶片的方法及所形成的涡轮叶片
技术领域
本发明涉及使涡轮叶片辅助部件直接形成到涡轮叶片上的领域，并且具体地涉及使减振器直接形成到涡轮叶片上，其中，减振器的特性和结构与涡轮叶片的特性和结构一致。
背景技术
在动力生成中，涡轮叶片受到范围很严苛的性能要求，包括承受高温及温度波动、高压、高速旋转、振动负载/应力、金属疲劳、不规则的部件的几何形状和几乎连续的涡轮发动机使用。同时，辅助的叶片部件比如叶片减振器也面临承受这些极端运行条件的挑战。
在涡轮发动机中，减振器被设置为成对的叶片之间的界面并且有助于尽量减小由叶片经受的振动载荷及应力。减振器向叶片提供额外的刚度，这又对叶片设计选项产生了影响——比如，允许减小轴向叶片宽度或优化叶片频率响应。减振器设计并选定成在涡轮叶片的极其严苛的运行环境中运行。
形成机械部件以及接合机械部件的典型方法存在着难以将这些技术应用于形成减振器以及使减振器与涡轮叶片成一体的限制。例如，一些方法需要在添加用于构造减振器的材料之前挖空涡轮叶片的部分。这些经挖空的区域呈现出对原始叶片设计改变，从改变叶片的整体空气动力学到对叶片的结构整体性造成削弱。
形成及接合机械部件的其他方法包括使叶片和减振器经受高温，比如通过使用焊接工艺，这必然会改变叶片的物理性能。
总的来说，由于减振器用于增强涡轮发动机的性能，因此需要优化减振器的设计、减振器的组成以及用于将减振器附接到涡轮叶片上的技术。
发明内容
本发明的发明人已经研发出通过利用定向能量束使连续的金属粉末层熔融到铸造金属部件上而将从属结构件形成到铸造金属部件的表面上的方法，其中，所述熔融不延及铸造金属部件的全部晶粒深度。
具体地，本发明的发明人已经研发出将减振器直接形成到定向凝固的铸造涡轮叶片上的方法，其中，减振器的特性和结构与涡轮叶片的特性和结构一致或者匹配。因此，发明人已经研发出这样的涡轮叶片减振器：其具有与宿主涡轮叶片的机械特性定制匹配或一致的机械特性。
有利地并且具体地，由本发明的发明人研发的涡轮叶片加上减振器的组合件至少在其结合处包括共同的晶粒取向，从而保持涡轮叶片的机械特性。
对于定向凝固的单晶超级合金涡轮叶片而言，本发明的发明人已经意识到在保持涡轮叶片的铸造期间获得的叶片晶粒取向的同时将辅助部件添加至涡轮叶片的益处。
如上面所论述的，虽然利用各种技术比如焊接已经实现将辅助部件比如减振器附接至涡轮叶片，但是利用这些技术以将减振器直接形成在涡轮叶片上通常导致叶片的机械特性的降低，比如叶片的定向凝固的不期望的取向改变以及叶片壁厚度的减小。
本发明的发明人已经研发出用于在现有的本体(比如涡轮叶片)上进行部件的修复以及实体自由成形制造的方法和装置，该创新性方法和装置以及由此获得的产品具有以下优点：
a)可以在现有的3-D表面上构造。不限于水平平坦表面。
b)能够用于难以进行焊接的金属。
c)能够适应于新的损坏模式的稳健的方法。
d)不需要通过惰性气体对熔池进行保护。
e)较大范围的粉末粒度。
产生金属粉末和其他组成物——比如焊剂粉末——的松散金属粉末混合物或预成形件，其包含待添加至以增材方式制造或者修复的部件(比如叶片减振器)的金属。
“松散”意味着散开的，与合并、压实以及/或烧结成块或者其他自我支承的形式相对。与比如在本文中稍后所描述的紧密预成形件情况相比，松散的颗粒的益处在于激光能量通过颗粒之间的反射而穿透更大的深度。所述颗粒可以构成以预定体积比混合的相应的金属颗粒和焊剂颗粒，或可以构成涂覆有或包含焊剂的金属颗粒，比如于2013年5月30日的美国专利申请公开US 2013/0136868中所描述的那样，该文件通过参引并入本文中。
可以将选定的金属粉末(以混合物或预成形件的方式提供)约束成下述分布的形式：该分布限定了部件——比如叶片减振器或其他涡轮部件——的层或薄片的形状。
将金属粉末混合物或金属粉末预成形件被预先布置在待修复的部件表面上或者前一层上。
接着，通过定向的能量比如激光束或其他形式的能量使混合物或预成形件熔化。这在处理期间形成了金属层和对所述层进行保护和隔离的熔渣覆盖层。随后将熔渣去除，并且可以增加后续的层。
附图说明
根据附图在以下描述中对本发明进行说明，所述附图示出了：
图1示出了在跨距中间附近设置有减振器的涡轮叶片。
图2呈现了指示位于涡轮叶片上的减振器的分解图。
图3是示出了本发明的一实施方式的各方面的预成形件的侧视截面图。
图4A是减振器的层的俯视图。
图4B是减振器的层的俯视图。
图5A是在单晶粒叶片上正在成形的减振器层的侧视图。
图5B是在多晶粒叶片上正在成形的减振器层的侧视图。
图6是在单晶粒叶片上正成形的减振器层的侧视图。
图7是形成到单晶粒叶片上的减振器层的侧视图。
图8是在多晶粒叶片上正成形的减振器层的侧视图。
图9是形成到多晶粒叶片上的减振器层的侧视图。
具体实施方式
参照附图，图1示出了涡轮叶片200，具有位于其跨距中间附近的减振器300。叶片200(或翼面)通常至少包括叶片根部201、叶片尖端部202和叶片平台部203。
图2呈现了显示出定位在涡轮叶片200上的减振器300的分解图。如示出的，涡轮叶片200包括形成在叶片200的表面或壁210中的开口215。叶片200可以通过已知的方法比如熔模铸造而形成，并且叶片200可以是中空的，例如用以使叶片重量最小化，或者用以提供用于流体流(比如空气流)的路径。
另外，叶片200可以形成为包括如在图5A至图9中所示的选定的定向凝固晶粒图案220或优选的叶片晶粒结构220。叶片可以铸造成具有如图5A、图6和图7中所示的单晶体晶粒结构220。叶片可以铸造成具有如在图5B、图8和图9中所示的多晶体晶粒结构220。叶片的晶粒结构(包括单晶体结构或多晶体结构)可以从叶片根部201或平台部203朝向叶片(或翼面)200的尖端部202延伸。
如下面更详细地说明的，减振器300可以构造成与叶片晶粒结构220匹配或对应。减振器300通常开始于由金属粉末的沉积形成的减振器第一层370，并且可以包括其他组分比如隔绝材料、焊剂材料或其他添加剂比如干冰。
与叶片200的表面210相邻的减振器第一层370的晶粒取向320可以与叶片晶粒结构220匹配。
如图2中所示，除减振器第一层370之外，减振器还可以包括额外的或后续的层371。减振器300的后续的层371的晶粒取向可以以与减振器第一层370的晶粒取向结构320的制造方式类似的方式形成。替代性地，后续的层371的晶粒取向可以通过独特方法而形成，该独特方法选择成向所述层赋予期望的机械特性。
进一步通过以下方式选择性地产生减振器层370、371的与叶片晶粒结构220匹配的晶粒结构320：在减振器层370、371经受如图5A和图5B所示的定向能量束500并随后冷却凝固时，对减振器层370、371的热传递的方向和强度以及冷却进行控制。
例如，如图5A中所示，正在成形的减振器的晶粒结构320可以选定成平行于叶片晶粒结构220。
可以部分地通过以下方式实现对由减振器层370、371经受的热传递的方向和强度以及冷却进行的控制：选择性地利用各种系统引导部405(此处所使用的系统引导部尤其包括能量束参数，所述能量束参数包括路径、强度和持续时间，以及编程及计算函数和算法)。
与应用经优化的系统引导部405结合，激光阻挡元件及材料(包括隔绝材料410和焊剂材料420)——本文中也称作热传递控制元件——被选择性地布置在叶片表面210或与适用的减振器层370、371相关的其他位置上，以对后续的减振器层371的形成起作用。
具有较高导热性的热传递控制材料——比如石墨——通过促进快速冷却而造成凝固的金属粉末或预成形件(preform)中的细晶粒结构。具有较低导热性的激光阻挡材料——比如氧化锆——可以通过将热去除的方向主要限制在减振器300的优选晶粒取向320的方向上来引起减振器中的定向凝固。因此，可以通过选择周围的热传递控制材料而在整个部件本体上定制并改变减振器300中的金属的晶粒结构。
利用热流控制元件400，能够精确地控制从定向能量束到铸造金属部件(比如叶片200)和从属结构件(比如正在成形的减振器300)的热传递，以将热从正凝固的金属去除并且在从属结构件中实现优选的晶粒生长。因此，例如，热传递能够被控制成使得金属粉末的熔融不延及铸造金属部件的全部晶粒深度。
利用该方法，可以例如保持从柱状(定向的)晶粒结构到后续减振器层371中的等轴晶粒结构的边界清晰的转变，从而提供这样的减振器：其在同一减振器的特定区域中具有包括柱状晶粒结构和等轴晶粒结构特征的层370和371。这使得能够为减振器300赋予任何期望的晶粒结构的组合。
减振器300在第一层370处可以具有单晶体晶粒结构，其中，减振器在第一层370处接合至叶片200的单晶体结构件，并且在第一层370之后，后续的减振器层371可以具有等轴晶粒结构，并且其他后续减振器层371可以具有柱状晶粒结构。
图3是示出了本发明的实施方式的各方面的预成形件322A的侧视截面图。更具体地，图3示出了预成形件322A(比如构造为减振器第一层370的预成形件)的截面侧视图，该预成形件322A实施为包含有金属332、334和焊剂333的松散颗粒的封闭容器，如袋状物、包封件、套筒或管。
该容器具有壁324、326，壁324、326具有密封的周缘328。所述壁可以是能够保持粉末的任何类型的片材，比如织物、膜或箔。所述片材可以由不形成有害烟尘的材料制成，并且可以辅助焊剂，比如铝箔、或氧化铝或硅纤维的织物。该容器可以通过分隔部329被缝合或划分，以保持这样的颗粒分布：其能够响应于能量束而形成金属层的期望形状。这种分隔部329也可以用于处于不适当位置(非平坦)的材料沉积应用。可以容许预成形件厚度的一些变化，原因在于熔池在一定程度上是自调平的。分隔部可以提供不同尺寸和/或不同材料的颗粒332、334的隔室，不同尺寸和/或不同材料针对部件的部段的不同需求进行了优化。可以为较大的结构特征提供较大颗粒尺寸，并且为较小且更精细的结构特征提供较小的颗粒尺寸。以织物为壁的隔室的网格尺寸可以适于保持相应的颗粒尺寸，并可以在预成形件各处根据需要而相应地适当改变，或者隔室可以具有衬里，比如以铝箔为衬里，以保持细粉末颗粒。铝随后变成合金熔融物的组成部分。
可选地，周缘328可以包括非金属且不熔化的激光阻挡材料330，比如石墨或氧化锆，其为熔池外的激光扫描线提供能量吸收转向区域。激光阻挡材料330可以形成固体周缘框架，壁324、326的周缘328可以通过高温接合剂附接至所述固体周缘框架。这种框架提供制造部件的边界清晰(highly defined)的外表面。
可选地，干冰的颗粒可以与金属和焊剂的颗粒332混合或者可以包含在周缘隔室或内部隔室中，来替代激光阻挡材料330或者与激光阻挡材料330一起来控制加热并供应CO2气体的氧化防护物。
图4A和图4B呈现了通过本方法和装置的实施方式的、待成形在涡轮叶片200上的减振器300的俯视图。为了获得减振器300的适合的晶粒成形比如为了获得特定的晶粒图案，热流控制元件400定位在叶片表面210中的开口215周围的选定位置450中。
所选择的用以形成减振器第一层370的材料也定位在叶片表面210中的开口215周围。热流控制元件400的隔绝材料410和焊剂材料420选定成用以实现获得减振器第一层370的期望晶粒结构所需的减振器第一层370的组分的期望的热传递。减振器区段375包含形成减振器层370的独特部分所需的金属粉末组分。
被选定成用于形成额外的后续减振器层371的减振器区段375构成后续的减振器层371。
如所示的，热流控制元件400根据需要设置在不同的位置，以将热传递朝向期望的方向引导。热流控制元件400和相关的制造部件600可以定位在分段的减振器层370周围的离散位置，或者甚至布置在其他的热流控制元件400的顶上。
在根据需要而定位减振器层370和热流控制元件400的情况下，应用系统引导部405，系统引导部405选择性地向减振器层370和热流控制元件400施加定向能量束，以在正在成形的减振器中产生选定的晶粒图案。
减振器层370可以包括较大颗粒、小颗粒和任意组合的定形部段以形成区段。减振器层370还可以包括激光阻挡边界或定向能量束阻挡物，比如石墨，用于激光转向区域。减振器层370还可以包括内激光阻挡部段，用于提供部件的内表面的清晰边界并对晶粒结构进行控制。
由于石墨不黏附至金属，所以可以在对每层进行激光处理之后容易地去除激光阻挡部段。激光阻挡部段可以是颗粒状的或固体状的。可选地，可以允许激光阻挡部段一层一层积累直到完成制造为止，使得每个激光阻挡部段支承在前一激光阻挡部段上。固体激光阻挡部段可以在其上具有对准特征，例如在上表面上具有突起而在下表面上具有凹陷，以将当前的预成形件相对于前一个预成形件对准。
如图4B中所示，热流控制元件400可以定位在叶片表面210中的开口215内并且可以包括格栅状结构件217，其中，基于每个格栅单元415的特性以及选定的向各个格栅单元415施予定向能量的引导部设定405而在方向上控制热流。
如图5A中所示，叶片呈现出在叶片200的铸造期间所获得的晶粒图案220。通过流入、流出及流过减振器第一层370的热的受控传递而实现由热流控制元件400提供的系统热流控制，而生成与叶片晶粒图案220部分地重复的减振器第一层370。特别地，热流控制元件400构造成有助于将叶片200的枝状晶粒结构至少赋予减振器300的第一层370。
图5A是设计成用以形成图4A和图4B的减振器第一层370的实施方式的侧视图。该侧视图示出了形成位于涡轮叶片200的表面210上的减振器第一层370的金属粉末层。如所示的，可以可选地沉积焊剂420，以有助于在叶片200与减振器300之间的冶金接头385处、在叶片表面210与减振器第一层370之间形成润湿接合部380。当减振器第一层370的金属粉末熔融时，在减振器第一层370的熔融金属粉末与叶片表面210会合的润湿接合部处可以形成弯月部386。
重要地，在不需要如传统进行的那样将叶片表面210的一部分挖空的情况下，润湿接合部380提供叶片表面210与减振器第一层370之间的经优化的热传递。如图5A中所示的，减振器第一层370的金属粉末熔融以形成减振器层，该减振器层具有位于下面的涡轮叶片200的单晶粒图案。注意，本文中所公开的实施方式中的任一实施方式可以包括润湿接合部380。
如图5A中所示，通过热流控制元件400的精确布置以及以独特方式构造的减振器层370，仅叶片200的全部晶粒深度219的一部分206会经受金属粉末的熔融和定向能量束的热。这使得能够保持其余的晶粒结构不受干扰。因此，金属粉末的熔融不延及铸造金属部件200的全部晶粒深度219。在一些实施方式中，涡轮叶片壁仅是一个晶粒厚，熔融行进得少于全部晶粒深度。在一些实施方式中，涡轮叶片壁在厚度上是多晶粒，熔融行进得少于所有的多晶粒。有利地，壁的铸态晶粒结构中的至少一些晶粒结构在减振器的沉积期间保持未熔融。
可以在不干扰铸态叶片晶粒结构220的情况下，产生正在成形的减振器的与叶片晶粒结构220平行的晶粒结构320。如图5A中所示，沉积在叶片200上的金属粉末的至少第一层370可以具有平行于叶片壁210的晶粒220定向的定向凝固晶粒320。
另外地，在由后续的层371形成减振器300的情况下，后续层371的熔融不会使位于下面的叶片壁210的全部厚度219熔融和重新成形。
对热传递的优选方向的精确控制使得能够在叶片200的壁210上形成减振器300，同时限制冶金接头385延伸得少于叶片壁210的全部厚度，这保留了位于冶金接头385下方的叶片壁210的铸态晶粒结构220。
系统引导部装置405、热流控制元件400和减振器层特性配合以使得能够形成以下减振器300：其具有与宿主涡轮叶片的特性相关的物理性能和机械特性，比如晶粒结构。
图5B是设计成将图4A和图4B的减振器的层370形成在具有多晶粒结构的涡轮叶片上的实施方式的侧视图。该侧视图示出了形成位于涡轮叶片200的表面210上的减振器第一层370的金属粉末层。叶片壁的铸态晶粒结构220是这样的定向凝固晶粒结构：其多晶粒223的厚度从叶片根部201延伸至叶片尖端202，并且冶金接头385不延伸到所有的多晶粒223中。
如图5B中所示，通过热流控制元件400的精确布置以及以独特方式构造的减振器层370，多晶粒223的仅一部分207经受定向能量束影响。这允许其余晶粒结构223保持不受干扰或者不被金属粉末的熔融延及。此外，该构型允许在叶片的晶体结构220的仅一部分有很小的定向改变的情况下、将叶片晶体结构的枝状形成传递至正在成形的减振器。
首先，具有期望特征的减振器层的第一层370(由选定的金属粉末组分形成或者由预成形件组分形成)与相关联的制造部件600(比如支承结构件、间隔件或空隙)一起定位在叶片开口215周围。减振器第一层370和相关联的制造部件600经受能量束，以使形成减振器第一层370的金属粉末熔融并有助于使热沿期望方向传递。这至少在减振器层的第一层370中产生与涡轮叶片200中存在的晶粒结构220适当对应的期望晶粒结构320。
如图6中所示，在形成与具有单晶粒厚度219的涡轮叶片300对应的减振器时，减振器第一层370的金属粉末布置在涡轮叶片210的表面上。可选地，可以向金属粉末和叶片表面施以焊剂以有助于对热传递进行控制。
如图7中所示，由于系统引导部装置405以及热传递控制元件的构型，减振器第一层370的金属粉末会复制叶片的晶粒取向220，并且在减振器第一层370的熔融金属粉末与叶片表面210会合的接合部或冶金接头385处可以形成有弯月部386。
如图8中所示，在形成与具有多晶粒223厚度的涡轮叶片300对应的减振器时，减振器第一层370的金属粉末布置在涡轮叶片210的表面上。可选地，可以向金属粉末和叶片表面施以焊剂以有助于对热传递进行控制。
如图9中所示，由于系统引导部装置405以及热传递控制元件的构型，减振器第一层370的金属粉末会复制叶片的最接近减振器第一层370的晶粒处的晶粒取向220。如示出的，熔融粉末可以延及叶片晶粒223的一部分或小部分207，而使其余叶片晶粒223不受干扰。系统引导部405和热传递控制元件可以构造成使得：叶片晶粒的受到熔融金属粉末的影响或者被熔融金属粉末延及的部分207根据需要以不同的保真度复制相邻的叶片晶粒220/223的叶片晶粒图案，而不延及叶片的所有晶粒。
例如，在图9中，第一层370的金属粉末被示出为包容在最靠近减振器第一层的头两个叶片晶粒内，以形成与未受干扰的叶片晶粒223的晶粒图案非常匹配但不是完全匹配的晶粒图案。在头两个叶片晶粒与减振器第一层370之间形成的统一的晶粒结构可以构造成根据需要赋予选定的机械特性。
此外，如图5B中所示，叶片可以具有等轴晶粒并且叶片晶粒223的一部分或小部分207被重新定向成遵循与减振器第一层370的熔融金属粉末一样的晶粒图案。
另外，在减振器第一层370的熔融金属粉末与叶片表面210会合的接合部或冶金接头385处可形成有弯月部386。
如在图5A至图9中所示的，通过对哪些叶片晶粒受到减振器层370的熔融金属粉末的影响或者被减振器层370的熔融金属粉末延及进行控制，冶金接头385可以选定成小于叶片壁210的全部厚度，这保留了位于冶金接头385下方的叶片壁210的铸态晶粒结构220。
尽管在本文中已经示出并描述了本发明的各种实施方式，但明显的是这些实施方式仅作为示例提供。在不脱离本文中的本发明的情况下可以进行多种变化、改变和替换。因此，本发明应仅受所附权利要求的精神和范围的限制。

Claims (10)

1.一种将从属结构件直接形成到铸造金属部件的表面上的方法，包括：
通过利用定向能量束(500)将连续的金属粉末的层熔融到所述铸造金属部件(200)上而将从属结构件形成到所述铸造金属部件的表面上，
其中，所述金属粉末的熔融不延及所述铸造金属部件的全部晶粒深度(219)，
所述方法还包括：利用热流控制元件来实现从所述定向能量束到所述铸造金属部件和所述从属结构件的热传递，通过从粉末熔融物去除热来实现优选的晶粒生长。
2.根据权利要求1所述的将从属结构件直接形成到铸造金属部件的表面上的方法，其中，所述铸造金属部件包括涡轮叶片并且所述从属结构件包括涡轮减振器(300)。
3.根据权利要求1所述的将从属结构件直接形成到铸造金属部件的表面上的方法，其中，所述铸造金属部件包括定向凝固晶粒(320)，并且
将所述从属结构件的层中的至少第一层的晶粒结构形成为与所述铸造金属部件的定向凝固晶粒平行。
4.根据权利要求3所述的将从属结构件直接形成到铸造金属部件的表面上的方法，还包括:
将所述从属结构件形成为具有所述铸造金属部件的晶粒结构和至少一种不同的晶粒结构。
5.根据权利要求1所述的将从属结构件直接形成到铸造金属部件的表面上的方法，还包括：
将所述金属粉末提供为具有预成形形状的预成形件，
其中，所述金属粉末的预成形件包括所述热流控制元件(400)。
6.根据权利要求1所述的将从属结构件直接形成到铸造金属部件的表面上的方法，其中，所述热流控制元件包括阻挡所述定向能量束的隔绝材料(410)。
7.根据权利要求6所述的将从属结构件直接形成到铸造金属部件的表面上的方法，其中，所述定向能量束为激光。
8.根据权利要求6或7所述的将从属结构件直接形成到铸造金属部件的表面上的方法，还包括结合所述热流控制元件应用系统引导部(405)来控制热传递，使得所述金属粉末的熔融不延及所述铸造金属部件的全部晶粒深度；并且，所述系统引导部包括定向能量束参数以及编程及计算的函数和算法，以向位于所述铸造金属部件和所述从属结构件处或附近的选定位置施加能量，其中，所述定向能量束参数包括路径、强度和持续时间。
9.一种涡轮叶片(200)，包括：
壁，所述壁限定翼面形状；以及
减振器(300)，所述减振器通过利用定向能量束(500)使金属粉末的连续的层熔融到所述壁的表面上而形成到所述壁上，
其中，所述金属粉末的连续的层的熔融不使位于下面的涡轮叶片的壁(210)的全部厚度(219)熔融和重新成形，
其中，利用热流控制元件来实现从所述定向能量束到所述金属粉末的连续的层和所述壁的热传递，通过从熔融的所述金属粉末的连续的层去除热来实现优选的晶粒生长。
10.根据权利要求9所述的涡轮叶片，所述减振器包括：
第一减振器层(370)，所述第一减振器层具有与所述涡轮叶片的定向凝固一致的晶粒方向；以及
至少一个后续减振器层(371)，所述至少一个后续减振器层具有与所述第一减振器层不同的晶粒方向。
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