CN106660125B - 制造涡轮机构件的方法、涡轮机构件和涡轮机 - Google Patents

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Abstract

一种通过粉末金属热等静压来制造涡轮机的构件(40)的方法，使用限定构件(40)的外侧表面(42A,42B,42C,42D,42E,42F,42G,42H)的容器(41)；金属插入件(443)在利用金属粉末填充容器(41)之前位于容器(41)的内侧；插入件(443)在构件(40)的制造结束之后留在构件(40)中。有利地，金属芯(44)在利用金属粉末填充容器(41)之前位于容器(41)内侧，芯(44)在构件(40)的制造结束之前从构件(40)移除。以此方式，可在没有制造试验的情况下获得净成形表面。

Description

制造涡轮机构件的方法、涡轮机构件和涡轮机
技术领域
在本文中公开的主题的实施例涉及制造涡轮机构件的方法、涡轮机构件和涡轮机。
背景技术
用于制造涡轮机构件的一个技术是粉末冶金热等静压(powder metallurgy hotisostatic pressing)，简言之为P/M-HIP；该技术例如用于制造由金属材料制成的离心压缩机的封闭叶轮。
该技术有吸引力的一个原因是，通过特定的途径，它允许制造如下金属部件，该金属部件不需要进一步的加工或需要整个部件或至少该部件的一些表面的有限量的加工；在该情况下，该技术称为“净成形HIP”，尽管该途径可应用于部件的外部表面和内部表面二者，但其当在内部表面的加工困难或有时甚至不可能时应用于这些表面时尤其有用。
加工的成本和时间取决于待加工的材料的类型、待移除的材料的量、待移除的材料的可接近性，和使用的加工技术；例如，铣削相对快但铣削工具(相对)相当小，而放电加工较慢但EDM工具(相对)相当较大。
为了获得精加工或几乎精加工的部件，即，具有“净成形表面”，需要精确地模拟用于制造该部件的(金属)容器、(金属)粉末和HIP设备的特性。
此外，即使执行精确的模拟，但仍需要一些真实的制造试验(通常一次或两次或三次)，以便满足复杂构件的所需设计尺寸公差；在各次试验之后，检测且测量所获得的部件，且对容器并且/或者对HIP过程参数(例如压力曲线和/或温度曲线)进行一些更改。
因此，“净成形表面”途径一般仅应用于一些特定表面且不应用于待制造的部件的所有表面。
模拟和试验影响用于开始新的部件的生产所需的时间和成本，且因此对于单部件生产或小批生产而言尤其是问题。在油气领域中，存在一些涡轮机的为“单部件”的一些部件；换言之，涡轮机的此种部件不同于过去制造的任何涡轮机的任何部件且不同于将来将制造的任何涡轮机的任何部件，即使此种部件可相当类似于过去的部件或类似于将来的部件。
发明内容
根据P/M-HIP技术，容器用于限定待制造的构件的外侧表面且该容器由粉末金属填充，排空存在于内侧的气体且被密封，且然后通过热等静压热循环来使粉末固结，通常，制造过程以容器的移除结束，主体的“外侧表面”是在外部界定主体的那些表面，且因此不包括通孔的和内部腔的表面。
申请人还使用P/M-HIP以用于制造具有一个或更多个内部通道的部件，内部通道包括具有精密公差的内部通道，诸如例如工作流体流动路径；为此，除容器外使用一个或更多个芯，以便限定构件的内侧表面(即，限定通道的表面)。
在P/M-HIP过程期间，当施加热量和压力时，不仅金属粉末变形，而且容器和芯(如果有)变形。这例如导致所制造的部件的任何内部通道的形状、大小和位置的变化。
变形越大，则需要越多的制造试验，因为大的变形难以通过模拟来准确预测。
申请人考虑，如果变形可能足够小，则将需要模拟但将不需要真实的制造试验；以此方式，将显著地减少用于开始通过P/M-HIP生产新部件的时间和成本。
申请人认为，最大的变形是由容器的存在经历最大收缩的大量金属粉末的那些区域导致的；而且，一般来说，不能够简单地通过改变容器的形状和大小或其区域的形状和大小来减少变形，因为这些形状和大小与待制造的部件的形状和大小强相关。
申请人想到在利用金属粉末填充容器之前将至少一个金属插入件置于容器内侧；金属插入件待置于容器的具有大或最大容积的区域中，即，根据传统P/M-HIP过程将放置大量金属粉末(其经历大或最大的收缩)的地方；一般来说，可使用多于一个插入件。
由于金属插入件是完全实心的，故其在P/M-HIP过程期间的收缩比对应量的金属粉末的收缩小得多(通常是零或几乎为零)，且这导致所制造部件(具体而言其表面)的更小的总体变形和形状和大小的变化。
根据本发明，此种插入件在部件的制造结束之后部分地留在该部件中。
如果待制造的部件具有一个或更多个内部通道，则一个或更多个金属芯可在利用金属粉末填充容器之前置于容器内侧，且该一个或更多个芯在部件的制造结束之前从该部件移除。在该情况下，该一个或更多个内部通道(具体而言它们的表面)的形状、大小和位置也经历小的变形和变化(比根据现有技术方法获得的那些小)。
第一示例性实施例涉及通过粉末金属热等静压来制造涡轮机的构件的方法，其使用限定构件的外侧表面的容器；至少一个金属插入件在利用金属粉末填充容器之前位于容器的内侧；插入件在构件的制造结束之后留在构件中。根据此种实施例，至少一个金属芯可在利用金属粉末填充容器之前置于容器内侧；该芯在构件的制造结束之前从该构件移除。
第二示例性实施例涉及通过如之前阐述的方法制造的(即，包括永久金属插入件的)涡轮机的构件。
第三示例性实施例涉及包括如之前阐述的至少一个构件的涡轮机。
附图说明
根据结合附图考虑的示例性实施例的以下说明，本发明将变得更显而易见，在附图中：
图1示出用于通过粉末金属热等静压制造第一机械部件的(根据现有技术的)第一布置和对应的涡轮机构件的简化截面图；
图2示出用于通过粉末金属热等静压制造第一机械部件的(根据本发明的)第二布置和对应的涡轮机构件的简化截面图；
图3示出用于通过粉末金属热等静压制造第二机械部件的(根据现有技术的)第三布置和对应的涡轮机构件的简化截面图；
图4示出用于通过粉末金属热等静压制造第二机械部件的(根据本发明的)第四布置和对应的涡轮机构件的简化截面图；
图5示出用于通过粉末金属热等静压制造第二机械部件的(根据本发明的)第五布置的截面图局部视图；
图6示出用于通过粉末金属热等静压制造第二机械部件的(根据本发明的)第六布置的截面图局部视图；
图7示出用于通过粉末金属热等静压制造第二机械部件的(根据本发明的)第七布置的截面图局部视图；以及
图8示出用于通过粉末金属热等静压制造第二机械部件的(根据本发明的)第八布置的截面图局部视图。
具体实施方式
示例性实施例的下列描述参照附图。在不同附图中的相同参考标号标识相同或相似的元件。下列详细描述不限制本发明。而是，本发明的范围由所附权利要求限定。
遍及说明书对“一个实施例”、或“实施例”的引用指的是与实施例结合地描述的具体特征、结构、或特性被包括在所公开主题的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”在贯穿说明书的各种位置中的出现不一定指相同的实施例。而且，具体特征、结构、或特性可以在一个或更多个实施例中以任何适当的方式组合。
在以下示例性说明中，必须假设，图中示出的所有的部件都是通过粉末金属热等静压(即P/M-HIP)制造的，即使有时可使用其他技术。
图1B示出具有轴对称性(对应于旋转轴线)的第一涡轮机构件10(具体而言涡轮的转子叶轮)的简化截面图；该构件是通过P/M-HIP制造的。
图1A示出了根据本技术的用于通过P/M-HIP制造构件10的容器11，容器11由金属粉末填充。容器11限定构件10的外侧表面；具体而言，存在顶表面12A(基本上圆形的)、上竖直表面12B、上水平表面12C、中间竖直表面12D、下水平表面12E、下竖直表面12F、底表面12G(基本上圆形的)。
在图1的实例中，可例如由容器11的区域19导致大的变形，当容器11由粉末填充时，在该区域19处存在大量金属粉末(其经历大的总收缩)；在该示例中，区域19具有椭圆体的形状。这意味着在没有适当的模拟且没有真实的制造试验的情况下，构件10的所有的表面12A、12B、12C、12D、12E、12F、12G将具有与所期望的不同的形状、位置和大小。
应注意的是，容器的壁的形状、位置和大小在P/M-HIP过程期间变化；而且，在图1中，为了绘图简单，在过程的开始之前的容器11的内部表面的形状、位置和大小对应于在过程结束之后的构件10的外部表面的形状、位置和大小。
根据本发明的教导，见图2，金属插入件23用于制造与图1的构件10对应的构件20；应注意的是，构件10和构件20具有相同的或非常类似的外侧表面，但他们具有不同的结构，即，在内侧不同。
容器21类似于容器11。
插入件23在利用金属粉末填充容器21之前位于容器21内侧(见图2A)，且在构件20的制造结束之后留在构件20中(见图2B)。
插入件23具有与构件的大半部分的形状类似的形状。以此方式，可能在热等静压期间减小容器与插入件之间的空间，且因此减小在接近插入件的区域中的构件厚度。因为在构件的该区域中的金属的厚度减小，所以当构件冷却时，收缩的风险减少。
图2的实施例的插入件23具有截头圆锥形状，且与容器21同轴；它占据在图1A中示出的区域19的大部分(这是重要的)，但它延伸为甚至超过图1A中示出的区域19。其他形状可为可能的，例如圆锥形状、棱柱形状、截头角锥形状、球体形状、椭圆体形状、...。
应注意的是，图1A中的容器11和图2A中的容器绘制为相同的，以用于绘图简单；而且，由于插入件的存在，两个容器可相当不同，因为它们的在P/M-HIP过程期间的总体变形不同，即使构件10和构件20具有相同或非常类似的外侧表面；具体而言，容器11的总体变形高于容器21的总体变形，因为容器11的区域19中的材料比容器21的存在插入件23(其变形通常为零或几乎为零)的对应区域收缩得多得多。
在图2的实施例中，插入件23具有邻近容器21的两个表面。因此，这两个表面对应于构件的外侧表面(见图2B)；具体而言，这两个表面是表面22A和22G的部分。
由于插入件23，将更容易通过P/M-HIP制造构件20，无需真实的制造试验，具有非常精确的表面，具体而言为接近插入件23的表面22B和22F，以及表面22A和22G。
图3B示出第二涡轮机构件30的简化截面图，第二涡轮机构件30具体而言为离心压缩机的封闭离心叶轮，其具有轴对称性(对应于旋转轴线)(准确地说，其具有反对称性)和轴向通孔；该构件是通过粉末金属热等静压(即，P/M-HIP)制造的。
图3A示出了用于通过P/M-HIP制造构件30的容器31；根据本技术，容器31由金属粉末填充。容器31限定构件30的外侧表面；具体而言，存在顶表面32A(基本上环形的)、上竖直表面32B、上水平表面32C、中间竖直表面32D、下水平表面32E、下竖直表面32F、底表面32G(基本上环形的)和内部竖直表面32H(其例如具有圆柱形形状且限定该构件的通孔)；在该示例中，容器31具有圆形通孔，但备选地，容器31可包括完全实心且刚性的圆柱形部分。
此外，构件30具有多个内部流动路径35；以便限定多个通孔35的表面，对应的多个金属芯34位于容器31内侧；备选地，芯34可对应于单个主体的臂。金属芯在利用金属粉末填充容器31之前位于容器31内侧(见图3A)，且在构件30的制造结束之前从构件30移除(见图3B)。
在图3的实例中，可例如由容器31的区域39导致大的变形，当容器31由粉末填充时，在该区域39处存在大量金属粉末(其经历大的总收缩)；在该示例中，区域39具有环的形状。这意味着在没有适当的模拟且没有真实的制造试验的情况下，构件30的所有的外侧表面32A、32B、32C、32D、32E、32F、32G和32H和构件30的所有内侧表面(即，限定内部路径35的表面)将具有与所期望的不同的形状、位置和大小；这在精确地加工内侧表面困难或有时甚至不可能时对于这些表面是尤其不利的。
应注意的是，容器的壁的形状、位置和大小在P/M-HIP过程期间变化；而且，在图3中，为了绘图简单，在过程的开始之前的容器31的内部表面的形状、位置和大小对应于在过程结束之后的构件30的外部表面的形状、位置和大小。
根据本发明的教导，见图4，金属插入件443用于制造与图3的构件30对应的构件40；应注意的是，构件30和构件40具有相同的或非常类似的外侧表面，但他们具有不同的结构。
容器41类似于容器31。
插入件443在利用金属粉末填充容器41之前位于容器41内侧(见图4A)，且在构件20的制造结束之后留在构件20中(见图4B)。
芯44在利用金属粉末填充容器41之前位于容器41内侧(见图4A)，且在构件40的制造结束之前从构件40移除(见图4B)。
图4的实施例的插入件443具有环的形状，且与容器41同轴；它占据在图3A中示出的区域39的大部分(这是重要的)，但它延伸为甚至超过图3A中示出的区域39。该环的截面的形状诸如占据在流动路径腔与构件旋转轴线之间的空间的大部分。
应注意的是，图3A中的容器31和图4A中的容器绘制为相同的；以用于绘图简单；而且，由于插入件的存在，两个容器可相当不同，因为它们在P/M-HIP过程期间的变形不同，即使构件30和构件40具有相同或非常类似的外侧表面，具体而言，容器31的总体变形高于容器41的总体变形，因为容器31的区域39中的材料比容器41的存在插入件443(其变形通常为零或几乎为零)的对应区域收缩得多得多。
在图4的实施例中，提供仅一个插入件且其是单件形式的大块插入件(bulkinsert)。
在图4的实施例中，插入件443具有邻近容器41的一个表面。因此，该表面对应于构件的外侧表面(见图4B)；具体而言，该表面是表面42H的一部分。
在图4的实施例中，插入件443没有邻近芯44的表面(见图4A)；插入件443的表面接近芯44且基本上平行。
由于插入件443，将更容易通过P/M-HIP制造构件40，无需真实的制造试验，具有非常精确的表面，具体而言为外侧表面，且甚至更重要的，内侧表面，即限定流动路径45的表面(芯44在制造结束时的移除之前位于此处)。
图5的实施例非常类似于图4的实施例。
不同之处在于金属插入件543为处于多个件的形式的大块插入件；这些件中的各个是环形的；件分开其邻近于彼此(即，完全接触)，以便在填充容器之前在金属粉末内形成单个主体；备选地，例如，插入件的件分开且距彼此(一点点)远，使得一些金属粉末将填充它们之间的间隙，且有助于这些件的结合；优选地，该距离优选地在0.5mm到5.0mm的范围中。
由于图5是放大视图，故可能看见容器41的更多细节。例如，容器41包括凹口，凹口设计为锁紧插入件543和芯44；具体而言，在顶壁中存在第一凹口且在容器的中间竖直壁中存在第二凹口，以用于分别锁紧芯的第一和第二端；具体而言，在容器的内部竖直壁中存在第三凹口，以用于锁紧插入件的各种件和将它们保持在一起。
在图6的实施例中，金属插入件643为处于多个件的形式的大块插入件；该多个件与彼此分开(即使部分地接触)，以便在填充容器之前在金属粉末内形成多个主体。在图6中，主体具有不同形状的几何外形和类似的大小；而且，存在许多其他可能性，包括例如不规则外形和/或不同大小，诸如例如砂砾。
图7的实施例类似于图4的实施例。
不同在于金属插入件743具有邻近芯44的表面。
由于图7是放大视图，故可能看见容器41的更多细节。例如，容器41包括凹口，凹口设计为锁紧芯44；具体而言，在顶壁中存在第一凹口且在容器的中间竖直壁中存在第二凹口，以用于分别锁紧芯的第一和第二端。
插入件743在其为环形状且其邻近芯44和容器41的壁二者时适度地锁紧在容器41的内侧(见下面的图7)，使得它不可移动。
图8的实施例非常类似于图7的实施例。
不同在于金属插入件843还具有邻近容器的另一表面。
具体而言，在容器的内部竖直壁中存在凹口，以用于甚至更好地锁紧插入件843。
优选地，用于P/M-HIP的插入件的金属材料和粉末的金属材料是相同的；以此方式，构件的两个部分匹配且连结得非常好；此外，以此方式，更容易限定用于构件的热处理，因为相同的热处理对于实心插入件和热压粉末二者将同样良好地起作用。
原则上，不同的材料也可用于插入件和粉末。
插入件的表面中的一个或更多个可具有伸出部(例如凸脊)并且/或者可以褶皱的或有纹理的或粗糙的；如果这涉及粉末和插入件的界面处的表面，则可实现压制粉末与插入件之间的更好连接，且可获得更可靠且更强的连结。
该插入件优选为完全实心的且优选为刚性的。它是在构件之前，甚至是较长时间之前制造的。它可以以不同方式制造：通过粉末金属热等静压、通过添加制造、通过锻造、通过铸造(例如熔模铸造)、...。
容器可在构件的制造结束之前从构件移除，因为这根据P/M-HIP技术是常见的，且因为这在图1、图2、图3、图4中示出。通常，容器是通过加工(例如车削或铣削)和/或通过酸洗移除的。
备选地，容器可在构件的制造结束之后至少部分地留在构件中。
通常，容器由碳钢制成；如果它必须移除，则它可能有用的是使用低碳钢以便有助于移除。
如已经说过的，芯或多个芯(如果有)在构件的制造结束之前从构件移除。通常，芯或多个芯是通过加工(例如钻孔或铣削)和/或通过酸洗移除的。通常，芯或多个芯由碳钢，优选由低碳钢制成，以便有助于移除。
在附图中示出的实施例中的一些中，金属插入件被借助于容器的内侧壁中的凹口而锁紧于容器。而且，根据备选实施例，插入件被借助于销锁紧于容器。
在附图中示出的所有实施例中，金属插入件具有环的形状。而且，根据备选实施例，插入件包括邻近彼此或分开且(一点点)远离彼此的多个(例如，两个例如180°或三个例如120°或四个例如90°)区段；此外，区段可固定于彼此。
在附图中示出的所有实施例中，金属插入件完全在容器内侧。而且，根据备选实施例，插入件到达容器的一个或更多个外侧表面(且还部分地用作容器的壁)。

Claims (21)

1.一种通过粉末金属热等静压来制造涡轮机的构件(20;40)的方法，所述方法包括：
使用容器(21;41)来限定所述构件(20;40)的外侧表面(22A,22B,22C,22D,22E,22F,22G;42A,42B,42C,42D,42E,42F,42G,42H)；
将金属插入件(23;443;543;643;743;843)和芯(44)在利用金属粉末填充所述容器(21;41)之前定位于所述容器(21;41)的内侧，以及
将所述插入件(23;443;543;643;743;843)在所述构件(20;40)制造结束之后留在所述构件(20;40)中，且
将所述芯(44)在所述构件(20;40)的制造结束之前通过酸洗和/或通过加工从所述构件(20;40)移除以在所述构件(20;40)中形成一个或更多个不规则的内部通道，
其特征在于，所述插入件(23;443;543;643;743;843)是多个件(543;643)形式的块式插入件，以便在填充所述容器(21;41)之前在所述金属粉末内形成单个主体(543)或多个主体(643)，所述多个件(543;643)布置成适应于由所述容器(21;41)与所述芯(44)所形成的内部空间，并且所述金属插入件置于所述容器的具有大或最大容积的区域中。
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：使所述容器(21;41)在所述构件(20;40)的制造结束之前从所述构件(20;40)移除或在所述构件(20;40)的制造结束之后至少部分地留在所述构件(20;40)中。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述件远离彼此，使得金属粉末可介于其间。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述件彼此的距离在0.5mm到5.0mm的范围内。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个件是分开的且与彼此接触。
6.根据前述权利要求1至5中的任一项所述的方法，其特征在于，所述插入件(23;443;543;843)具有邻近于所述容器(21;41)的至少一个表面。
7.根据前述权利要求1至5中的任一项所述的方法，其特征在于，所述插入件(743;843)具有邻近于所述芯(44)的至少一个表面。
8.根据前述权利要求1至5中的任一项所述的方法，其特征在于，所述插入件(843)具有邻近于所述容器(41)的至少一个表面和邻近于所述芯(44)的至少一个表面。
9.根据前述权利要求1至5中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：通过粉末金属热等静压、增材制造、锻造或铸造来制造所述插入件(23;443;543;643;743;843)。
10.根据前述权利要求1至5中的任一项所述的方法，其特征在于，所述插入件(23;443;543;643;743;843)的金属材料和所述粉末的金属材料是相同的。
11.一种通过根据前述中的任一项的方法制造的涡轮机的构件(20;40)。
12.根据权利要求11所述的构件(40)，其特征在于，其为离心压缩机的叶轮。
13.根据权利要求12所述的构件，其特征在于，其为离心压缩机的封闭叶轮。
14.根据权利要求11或12所述的构件(20;40)，其特征在于，包括金属插入件(23;443;543;643;743;843)。
15.根据权利要求14所述的构件(20;40)，其特征在于，所述插入件是多个件(543;643)形式的大块插入件。
16.根据权利要求14所述的构件(20;40)，其特征在于，所述插入件(443;543;743;843)是环形或盘形的。
17.根据权利要求15所述的构件，其特征在于，环形或盘形的插入件分成两个或三个或四个或五个或六个或七个或八个或更多个相同或不同的段。
18.根据权利要求14所述的构件(20;40)，其特征在于，所述插入件(23;443;543;743;843)的外部表面是所述构件(20;40)的外部表面。
19.根据权利要求14所述的构件(40)，其特征在于，所述插入件(743;843)的外部表面是所述构件(40)的内部表面。
20.根据权利要求14所述的构件(20;40)，其特征在于，所述插入件(23;443;543;643;743;843)的表面具有伸出部或者是褶皱的或有纹理的或粗糙的。
21.一种涡轮机，其包括根据权利要求11至20中的任一项的至少一个构件(20;40)。
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