CN106544721A - 用于处理内部通道的超临界水方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于处理内部通道的超临界水方法。具体而言，一种降低工件(W)的内部通道(P)中的表面粗糙度的方法包括将内部通道(P)与包括处于或接近超临界条件的水的腐蚀性工作流体(F)接触。

Description

用于处理内部通道的超临界水方法
技术领域
本发明涉及制造方法，且更具体而言，涉及用于降低工件的内部通道中的表面粗糙度的方法。
背景技术
在制造过程中，存在在构件的小内部通路中降低表面粗糙度的期望。这对于带有复杂内部几何形状的部分尤其正确，例如通过铸造或通过增材制造过程制成的构件或组件。
已知降低表面粗糙度的各种方法，诸如机械抛光、电化学抛光、化学钝化，以及使用强酸的化学抛光。虽然所有这些方法是有效的，但分别具有缺点。
例如，机械抛光在内部通道尺寸缩小时变得困难，且可在曲线和其它内部特征周围由于流场中(尤其是在流场的“死区”中)的改变而产生不均匀的结果。电化学抛光需要将电极插入得接近将要抛光的表面，其在复杂内部几何形状上不可行。使用强酸的化学抛光提出重要的环境、健康和安全挑战。
因此，仍然存在对于降低内部通道中的表面粗糙度的方法的需要。
发明内容
此需要通过使用近临界或超临界的水溶液来清洁内部通道的方法解决。
技术方案1. 一种降低工件的内部通道中的表面粗糙度的方法，包括将所述内部通道与包括处于或接近超临界条件的水的腐蚀性工作流体接触。
技术方案2. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述方法还包括在将所述内部通道与所述工作流体接触之后漂洗所述内部通道。
技术方案3. 根据技术方案2所述的方法，其中，所述方法还包括交替将所述内部通道与包括处于或接近超临界条件的水的腐蚀性工作流体接触和漂洗所述内部通道的步骤。
技术方案4. 根据技术方案1所述的方法，其中，通过将所述工作流体的性质转变为非腐蚀性亚临界条件来漂洗内部通道。
技术方案5. 根据技术方案4所述的方法，其中，所述方法还包括交替将所述内部通道与包括处于或接近超临界条件的水的腐蚀性工作流体接触和通过将所述工作流体的性质转变为非腐蚀性亚临界条件来漂洗所述内部通道的步骤。
技术方案6. 根据技术方案5所述的方法，其中，所述工作流体的性质通过改变其温度而转变。
技术方案7. 根据技术方案5所述的方法，其中，所述工作流体的性质通过改变其压力而转变。
技术方案8. 根据技术方案1所述的方法，其中，使用泵使所述工作流体通过所述内部通道流通。
技术方案9. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述方法还包括加压所述工作流体，通过：
将所述工作流体泵入到所述内部通道中，同时使用流出控制阀来阻止所述工作流体从所述内部通道排出。
技术方案10. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述工作流体还包括至少一种助溶剂。
技术方案11. 根据技术方案10所述的方法，其中，所述助溶剂包括无机酸、有机酸、有机碱、无机碱和盐中的至少一者。
技术方案12. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述方法还包括将所述工作流体通过与所述内部通道流体连通的入口歧管传送到所述工件中。
技术方案13. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述方法还包括将所述工作流体通过与所述内部通道流体连通的出口歧管传送到所述工件外。
技术方案14. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述工件包括金属合金。
技术方案15. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述工作流体处于超临界条件。
技术方案16. 一种降低工件的内部通道中的表面粗糙度的方法，包括：
将包括储器和泵的装置联接至带有所述内部通道的流体流线路中的所述工件；
使用所述泵使包括水的工作流体通过所述流体流线路流通，其中所述工作流体在所述工件的内部通道中时处于或接近超临界条件且为腐蚀性的。
技术方案17. 根据技术方案16所述的方法，其中，所述方法还包括在所述工作流体在所述流体流线路中流通时，通过将所述工作流体的性质转变为非腐蚀性亚临界条件来漂洗所述内部通道。
技术方案18. 根据技术方案17所述的方法，其中，所述方法还包括在所述工作流体在所述流体流线路中流通时，在腐蚀性超临界或近超临界条件和非腐蚀性亚临界条件之间交替所述工作流体的性质。
技术方案19. 根据技术方案17所述的方法，其中，所述工作流体的性质通过在所述流保持加压时改变其温度而转变。
技术方案20. 根据技术方案17所述的方法，其中，所述工作流体的性质通过改变其压力而转变。
附图说明
本发明可通过参照结合附图的以下描述最好地理解，在附图中：
图1是说明水基化学抛光方法的流程图；
图2是联接至工件的用于水基化学抛光的装置的示意图；
图3是备选装置的示意图；
图4是备选夹具的示意图；且
图5是另一备选夹具的示意图。
部件清单
10 装置
14 入口歧管
16 出口歧管
18 储器
20 泵
22 入口
24 出口
26 加热器件
28 排水管路
30 流出控制阀
100 装置
118 流体储器
126 热交换器
120 泵
114 入口歧管
116 出口歧管
130 压力调节阀
128 回流管路
214 入口歧管
216 出口歧管
232 具有平坦密封面
234 端口
314 入口歧管
316 出口歧管
334 开放气室。
具体实施方式
参照附图，其中相同的参照标号贯穿各个视图表示同样的元件，图1是大体说明用于处理工件的内部通道的方法的流程图。本文描述的方法适合于处理许多类型的工件中的内部通道。在第一步骤中，方框100，内部通道与包括处于或接近超临界条件的水的工作流体(可选地带有一种或多种助溶剂)接触。
在水中，临界点发生在约374℃(705℉)和22.064MPa(3.2KSIA)。水在接近临界点(即，“近超临界”条件)和高于临界点(即，“超临界”条件)的条件下对金属是高度腐蚀性的。水的性质在低于临界点约10%时开始实质上地变化，即，约19至20MPa(2.8至2.9KSIA)及以上的压力和约325至350℃(617至662℉)及以上的温度。不限于特定压力或温度，本领域的普通技术人员将理解水在技术上仍为气态或液态且非超临界流体的条件下表现出腐蚀性质上明显实质的增加。如本文所使用，用语“近超临界”表示带有这种高度腐蚀性质的水。
工作流体的物理状态和/或组成可改变以适合特定应用，其中最有效的条件是随合金而变的。例如，镍已知在略低于临界点且在更酸性条件中溶解得最快。另一方面，铬看来在高于临界点且在碱性条件下更加可溶。助溶剂可按照需要而添加以达到特定酸性或碱性条件。合适的助溶剂的非限制性示例包括：无机酸、有机酸、有机碱、无机碱和盐。
工作流体的腐蚀性特性导致表面粗糙的溶解，降低内部通道的表面粗糙度。此过程可在本文中称作“化学抛光”。
随后，方框102，内部通道被冲洗或漂洗以停止化学抛光过程且移除溶解的金属碎片。漂洗可例如通过使用单独的非腐蚀性的漂洗流体来执行。备选地，工作流体可转变到亚临界条件以便为非腐蚀性的且然后用作漂洗流体。
通道可检查以判断处理是否完成(方框104)，且后接漂洗的抛光的步骤可根据需要而重复以达到期望的表面光洁度。
可选地，内部通道可干燥(方框106)，例如通过强制加热的空气循环。
图2示意性示出可用于执行上文描述的方法的装置10的示例，联接至具有一个或多个内部通道“P”的工件“W”。图2中所示的示例性工件W包括基本上直的上通道以及包含多个弯曲部的下通道。
本文描述的过程适合于化学抛光易受超临界或近超临界的水的腐蚀作用影响的任何工件中的内部通道。该过程适合于在由宇航合金(诸如镍基和钴基合金)制成的工件上使用。该过程可在燃气涡轮发动机构件(诸如翼形件和燃料喷嘴)的内部通道上使用。该过程对于使用带有由诸如铸造或增材制造的过程制成的多个内部通道的复杂构件尤其有用。“增材制造”是本文用于描述涉及逐层构造或增材制造(相对于如关于常规机加工过程的材料移除)的过程的用语。此过程也可被称为“快速制造过程”。增材制造过程包括但不限于：直接金属激光熔化(DMLM)、激光净成形制造(LNSM)、电子束烧结、选择性激光烧结(SLS)、3D打印(诸如通过喷墨打印机和激光打印机)、立体光刻(SLA)、电子束熔化(EBM)、激光工程化净成形(LENS)和直接金属沉积(DMD)。
工件W联接至包括入口歧管14和出口歧管16的夹具。歧管14、16的目的是在通道P和装置10的其余部分之间提供方便的流体流路。将理解的是歧管14、16中的一者或两者可由其它硬件替代，诸如管和配件的组合。
储器18包含如上文描述的工作流体“F”的供应。备选地，工作流体可从另一源(诸如建筑水供应管(未示出))供应。
泵20具有连接至储器18的入口22和连接至入口歧管14的出口24。共同地，储器18、泵20和工件W的内部通道P限定流体流线路。
可提供诸如电阻加热器或热交换器的加热器件26以将工作流体加热至合适的温度(处于或接近超临界条件)。在此示例中，加热器件26示为浸入储器18中。
出口歧管16连接至排水管路28。排水管路28可传送至排水设备(building drain)或废物收集容器，或可传送回储器18以用于再循环。流出控制阀30布置在排水管路28中。流出控制阀30可手动或远程操作。
装置10可用于将加热的工作流体“F”从储器18通过泵20泵送到工件W的内部通道P中。当流出控制阀30关闭时，流体压力积聚直到工作流体如上文描述处于或接近超临界条件。高度腐蚀性工作流体导致表面粗糙的溶解，化学抛光内部通道的表面。
随后，流出控制阀30打开，放出工作流体且降低其压力至亚临界条件。当泵20继续操作时，工作流体现在作用为非腐蚀性漂洗流体以冲洗出溶解的金属颗粒。流出控制阀30可为打开的、关闭的和/或根据需要调制的以维持期望的压力且使工作流体在亚临界和超临界条件之间循环。
图3示意性示出了可用于执行上文描述的方法的备选装置100。该装置包括流体储器118、热交换器126、泵120、入口歧管114和出口歧管116、压力调节阀130以及回流管路128。
储器118包含如上文描述的工作流体“F”的供应且配置使得其可被加压。装置100可通过运行泵120来操作以使工作流体F流通。流体流回路关闭且因此导致压力积聚，通过压力调节阀130或其它合适的器件调节。压力调节阀130可使其设定点构造成高于或接近工作流体F的临界点的压力。
然后可使用热交换器126以加热工作流体F至高于或接近临界点的温度。高度腐蚀性工作流体导致表面粗糙的溶解，化学抛光内部通道的表面。随后，工作流体可被冷却(通过自然对流或通过穿过热交换器126冷却)。当泵120继续操作时，工作流体现在作用为非腐蚀性漂洗流体以冲洗出溶解的金属颗粒。
上文描述的夹具可改变以适合特定应用。例如，图4示出了具有用于接合工件W的平坦密封面232的入口歧管214和出口歧管216，以及与工件W的内部通道P连通的独立端口234。图5示出了具有用于接合工件W的周边密封边缘332的入口歧管314和出口歧管316，以及与工件的内部通道P连通的开放气室334。
上文描述的过程具有用于化学抛光内部通道的许多益处。水化学相对安全且环境友好且不太可能留下任何可影响部件性能的残留物。所需要的压力和温度远远低于构件(诸如燃料喷嘴)的设计限制。其将产生一致的结果(甚至在弯曲的通道中)且避免“死角”。其不需要待处理的表面在工件的外部附近。此过程预期在移除激光粉末层增材制造过程中的表面的表面粗糙度中尤其有用。
前文已经描述了使用超临界或近超临界的水降低表面粗糙度的方法。此说明书(包括任何伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的全部特征、和/或如此公开的任何方法或过程的全部步骤可在任何组合中组合，除了其中此类特征和/或步骤中的至少一些相互排斥的组合之外。
在此说明书(包括任何伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的各个特征可由用于相同、等同或相似目的的备选特征替代，除非另外特别地说明。因此，除非另外特别地说明，公开的各个特征是一般系列的等同物或相似特征的仅一个示例。
本发明不局限于前述实施例的细节。本发明延伸至在此说明书(包括任何伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的特征的任何新颖的一个或任何新颖的组合，或如此公开的过程或任何方法的步骤的任何新颖的一个或任何新颖的组合。

Claims (10)

1.一种降低工件(W)的内部通道(P)中的表面粗糙度的方法，包括将所述内部通道(P)与包括处于或接近超临界条件的水的腐蚀性工作流体(F)接触。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在将所述内部通道(P)与所述工作流体(F)接触之后漂洗所述内部通道(P)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括交替将所述内部通道(P)与包括处于或接近超临界条件的水的腐蚀性工作流体(F)接触和漂洗所述内部通道(P)的步骤。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过将所述工作流体(F)的性质转变为非腐蚀性亚临界条件来漂洗内部通道(P)。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括交替将所述内部通道(P)与包括处于或接近超临界条件的水的腐蚀性工作流体(F)接触和通过将所述工作流体(F)的性质转变为非腐蚀性亚临界条件来漂洗所述内部通道(P)的步骤。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述工作流体(F)的性质通过改变其温度而转变。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述工作流体(F)的性质通过改变其压力而转变。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用泵(20,120)使所述工作流体(F)通过所述内部通道(P)流通。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括加压所述工作流体(F)，通过：
将所述工作流体(F)泵入到所述内部通道(P)中，同时使用流出控制阀(30)来阻止所述工作流体(F)从所述内部通道(P)排出。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工作流体(F)还包括至少一种助溶剂。
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