CN106907187A - 制品及形成制品的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种制品(100)和形成制品(100)的方法。制品(100)包括具有内表面(205)和外表面(203)的本体部分(201)，内表面(205)限定内区域，以及定位在内区域内的至少一个冷却特征。本体部分(201)包括第一材料(201)，并且至少一个冷却特征包括第二材料(502)，第二材料(502)具有高于第一材料(501)的热导率。该方法包括通过添加制造技术制造本体部分(201)，以及通过添加制造技术制造至少一个冷却特征。本体部分(201)包括第一材料(501)，并且至少一个冷却特征包括第二材料(502)，第二材料(502)具有高于第一材料(501)的热导率。

Description

制品及形成制品的方法
技术领域
本发明涉及一种制品和形成制品的方法。更具体而言，本发明涉及一种冷却的制品和形成冷却的制品的方法。
背景技术
涡轮系统在不断修改以提高效率和降低成本。用于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继续使用期间耐受此类温度的材料构成。
提高涡轮构件的温度能力的一种常见方法包括使用冷却特征。冷却特征通常由用于燃气涡轮的高温区域中的金属和合金形成。典型地，冷却特征在制造期间铸造在构件上或内。冷却特征还可通过构件在制造之后的机加工来形成。然而，难以通过构件的铸造和/或机加工来形成复杂冷却特征。
此外，通过构件的铸造和/或机加工形成的冷却特征大体上包括与构件相同的材料。尽管这些材料能够耐受涡轮系统的操作温度，但它们还包括与构件相同的热导率。因此，由于耐受燃气涡轮操作温度的材料通常包括相对低的热导率，故由其形成的冷却特征也是。因此，用于冷却构件的当前方法经常包括使增加量的冷却流体在具有相对低的热导率的冷却特征之上经过，这降低系统的操作效率。
发明内容
在实施例中，一种制品包括具有内表面和外表面的本体部分，内表面限定内区域，以及定位在内区域内的至少一个冷却特征。本体部分包括第一材料，并且至少一个冷却特征包括第二材料，第二材料具有高于第一材料的热导率。
在另一个实施例中，一种制品包括具有内表面和外表面的本体部分，内表面限定内区域，以及从内表面延伸的至少一个集成的冷却特征。本体部分包括第一材料，并且至少一个冷却特征包括第二材料，第二材料具有高于第一材料的热导率，并且相比于第一材料提供了增大的冷却效力。此外，本体部分和至少一个集成的冷却特征包括添加制造的微结构。
在另一个实施例中，一种形成制品的方法包括通过添加制造技术制造本体部分，以及通过添加制造技术制造至少一个冷却特征。本体部分包括第一材料，并且至少一个冷却特征包括第二材料，第二材料具有高于第一材料的热导率。
技术方案1. 一种制品，其包括：
具有内表面和外表面的本体部分，所述内表面限定内区域；以及
定位在所述内区域内的至少一个冷却特征；
其中所述本体部分包括第一材料，并且所述至少一个冷却特征包括第二材料，所述第二材料具有高于所述第一材料的热导率。
技术方案2. 根据技术方案1所述的制品，其特征在于，所述冷却特征包括所述第一材料和所述第二材料两者。
技术方案3. 根据技术方案2所述的制品，其特征在于，所述冷却特征的所述第二材料至少部分地覆盖所述冷却特征的所述第一材料。
技术方案4. 根据技术方案2所述的制品，其特征在于，所述第二材料在所述冷却特征的所述第一材料之上形成导热表面。
技术方案5. 根据技术方案2所述的制品，其特征在于，所述第一材料形成从所述内表面延伸的所述冷却特征的近侧部分，而所述第二材料形成从所述近侧部分延伸的所述冷却特征的远侧部分。
技术方案6. 根据技术方案2所述的制品，其特征在于，所述冷却特征包括材料梯度，其中相对增加量的所述第一材料邻近所述本体部分的所述内表面，而相对增加量的所述第二材料远离所述内表面。
技术方案7. 根据技术方案1所述的制品，其特征在于，所述冷却特征由所述第二材料构成。
技术方案8. 根据技术方案1所述的制品，其特征在于，所述第二材料相比于所述第一材料提供增大的冷却效力。
技术方案9. 根据技术方案1所述的制品，其特征在于，所述至少一个冷却特征与所述本体部分集成。
技术方案10. 根据技术方案9所述的制品，其特征在于，所述本体部分和所述至少一个冷却特征中的至少一个包括添加制造的微结构。
技术方案11. 根据技术方案1所述的制品，其特征在于，所述至少一个冷却特征选自由销组、湍流器、凸块、翅片和它们的组合构成的组。
技术方案12. 根据技术方案1所述的制品，其特征在于，所述第二材料包括铜。
技术方案13. 根据技术方案1所述的制品，其特征在于，所述制品为燃气涡轮构件。
技术方案14. 根据技术方案13所述的制品，其特征在于，所述燃气涡轮构件选自由翼型件、轮叶、喷嘴、护罩和它们的组合构成的组。
技术方案15. 根据技术方案1所述的制品，其特征在于，所述制品还包括定位在所述本体部分与所述至少一个冷却特征之间的中间材料。
技术方案16. 根据技术方案1所述的制品，其特征在于，所述至少一个冷却特征中的各个为中空的。
技术方案17. 一种制品，其包括：
具有内表面和外表面的本体部分，所述内表面限定内区域；以及
从所述内表面延伸的至少一个集成的冷却特征；
其中所述本体部分包括第一材料，并且所述至少一个冷却特征包括第二材料，所述第二材料具有高于所述第一材料的热导率；
其中所述本体部分和所述至少一个集成的冷却特征包括添加制造的微结构；并且
其中所述第二材料相比于所述第一材料提供增大的冷却效力。
技术方案18. 一种形成制品的方法，所述方法包括：
由添加制造技术制造本体部分；以及
由所述添加制造技术制造至少一个冷却特征；
其中所述本体部分包括第一材料，并且所述至少一个冷却特征包括第二材料，所述第二材料具有高于所述第一材料的热导率。
技术方案19. 根据技术方案18所述的方法，其特征在于，所述添加制造技术包括：
将材料的第一层分配至选择的区域，所述材料包括第一材料和第二材料中的至少一种；
选择性地激光熔化所述第一层；
将所述材料的至少一个附加层分配在所述第一层之上；
选择性地激光熔化所述至少一个附加层中的各个；以及
由所述材料形成所述制品；
其中各层中的所述材料的成分和布置对应于所述制品的预定部分。
技术方案20. 根据技术方案18所述的方法，其特征在于，所述至少一个冷却特征的制造与所述本体部分的制造同时发生，与所述本体部分集成地形成所述至少一个冷却特征。
本发明的其它特征和优点将从连同附图进行的以下更详细描述为显而易见的，该附图经由实例示出本发明的原理。
附图说明
图1为根据本公开的实施例的制品的正视透视图。
图2为根据本公开的实施例的沿线2-2截取的图1的制品的截面视图。
图3示出了根据本公开的实施例的图2的一部分的透视图。
图4示出了根据本公开的另一个实施例的图2的一部分的透视截面视图。
图5为根据本公开的实施例的冷却特征的截面视图。
图6为根据本公开的备选实施例的冷却特征的截面视图。
图7为根据本公开的备选实施例的冷却特征的截面视图。
图8为根据本公开的备选实施例的冷却特征的截面视图。
在可能的任何地方，相同的附图标记将遍及附图用于表示相同的部分。
部件列表
100 制品
101 喷嘴
103 第一端壁
105 第二端壁
107 翼型件部分
201 本体部分
203 外表面
205 内表面
207 内区域
209 冷却特征
211 湍流器
213 销
215 凸块
501 第一材料
502 第二材料
510 实心
520 中空
801 中间材料。
具体实施方式
提供了制品和形成制品的方法。例如，相比于不包括本文中公开的特征中的一个或更多个的构思，本公开的实施例提高冷却效率，便于制品冷却的增加控制，延长制品寿命，便于使用升高的系统温度，提高系统效率，以减少的冷却流体提供增加的制品冷却，或它们的组合。
参照图1，在一个实施例中，制品100包括构造用于在涡轮发动机的热气体路径中使用的喷嘴101。在另一个实施例中，喷嘴101包括定位在第一端壁103与第二端壁105之间的翼型件部分107。翼型件部分107布置和设置成引导空气流穿过热气体路径的一部分，并且构造成通过第一端壁103和第二端壁105中的至少一个接收冷却流体。尽管在本文中关于喷嘴描述，但如将由本领域技术人员认识到的，制品100不如此限制，并且可包括适合于接收冷却流体的任何其它制品，如例如，中空构件、热气体路径构件、轮叶、叶片、翼型件、护罩、导叶、叶片平台、导叶侧壁、燃烧器或它们的组合。
如示出翼型件部分107的截面的图2中所示，制品100包括本体部分201，其具有外表面203、限定内区域207的内表面205，以及形成在其中的一个或更多个冷却特征209。适合的冷却特征包括但不限于湍流器211、销213、凸块215、凹座、翅片、孔口或它们的组合。一个或更多个冷却特征209以任何适合的定向定位在内区域207内，如，在内表面205上和/或从内表面205延伸，在内表面205之上的中间层上和/或从其延伸，在定位在内表面207内的构件上和/或从其延伸，适合于传导冷却的任何其它定向，或它们的组合。
在一个实施例中，如图2-4中所示，一个或更多个冷却特征209包括定位在制品100的内表面205上的多个凸块215，多个凸块215从内表面205延伸到内区域207中。凸块215以任何适合的布置定位，并且包括任何适合的几何构造，如，但不限于对准(图2-3)、交错(图4)、规则间隔、可变地间隔、圆形、半圆形、正方形、无规则，或它们的组合。在另一个实施例中，一个或更多个冷却特征209包括以任何适合的构造沿本体部分201的内表面205延伸的湍流器211，如，但不限于，沿径向(图2-3)、水平地(图4)、关于径向方向成0到180度之间的角(图4)，或它们的组合。此外，湍流器211可沿内表面205的长度为连续的和/或间断地断开。在又一个实施例中，一个或更多个冷却特征209包括销213(图2和4)，其具有任何适合的几何形状和/或定向，如但不限于圆形、长方形、椭圆形、跑道形、正方形、无规则，或它们的组合。销213完全地或部分地延伸横跨内区域207(图2)，并且可关于彼此共线或交错(图4)。在某些实施例中，如图2中所示，多个销213定位成形成一个或更多个销组。尽管示为图2中的销组，但如本领域技术人员将认识到的，销213不限于销组布置，并且可包括任何其它布置、定向，或它们的组合。
一个或更多个冷却特征209与本体部分201集成形成，和/或与本体部分201分开接着装固于其来形成。在分开形成时，一个或更多个冷却特征209可直接地装固于内表面205，或者它们可形成在装固于内表面205的中间层上。在另一个实施例中，本体部分201和/或一个或更多个冷却特征209包括通过添加制造技术形成的添加结构材料。适合的添加制造技术包括但不限于直接金属激光熔化(DMLM)、直接金属激光烧结(DMLS)、选择性激光熔化(SLM)、选择性激光烧结(SLS)、电子束熔化(EBM)、熔融沉积成型(FDM)、粉末喷射粘结剂处理、任何其它添加制造技术，或它们的组合。
例如，DMLM技术包括将材料的第一层分配至选择的区域，选择性地激光熔化第一层，将材料的至少一个附加层分配在第一层之上，以及选择性地激光熔化至少一个附加层中的各个。第一层和至少一个附加层的选择性激光熔化形成本体部分201和/或一个或更多个冷却特征209，其中各层内的材料的成分和/或布置提供至制品100内的对应成分。在一个实施例中，材料为雾化粉末。在另一个实施例中，DMLM在惰性气体气氛中执行。作为备选，FDM包括将材料供应至喷嘴，加热喷嘴，以及通过喷嘴挤出材料。在材料穿过喷嘴时，喷嘴的加热熔化材料。在材料通过喷嘴挤出之后，材料变硬，形成本体部分201和/或一个或更多个冷却特征209。
在另一个实例中，粉末喷射粘结剂处理包括选择性地沉积液体粘结剂来选择性地连结粉末层的一部分内的粉末颗粒，接着添加一个或更多个附加粉末层，以及将液体粘结剂选择性地沉积在附加粉末层中的各个之上。液体粘结剂在附加粉末层中的各个之上的选择性沉积选择性地连结粉末层的一部分内和/或粉末层之间的粉末颗粒，形成制品100。在建造过程期间没有热的添加的情况下和/或在没有建造板的情况下，液体粘结剂连结粉末颗粒。在建造过程期间连结粉末颗粒和/或层之后，制品100可经历处理，包括固化、烧结、渗透和/或等静压制。处理使制品100固化，并且/或者在建造过程之后增大制品100的密度。
添加制造技术中的各种形成近净形结构。如本文中使用的，"近净形"意思是本体部分201和/或一个或更多个冷却特征209形成为非常接近最终形状，在添加制造之后不需要显著传统机械精整技术，如，机加工或磨削。一个或更多个冷却特征209的近净形可为一致的、大致一致的或变化的，并且包括任何适合的截面形状。此外，一个或更多个冷却特征209中的各个的截面形状可与内区域207内的至少一个其它冷却特征209的截面形状相同、大致相同或不同。尽管大体上示为一致或大致一致的轴或杆形凸块213，但如本领域技术人员将认识到的，冷却特征209不如此限制，并且可包括正方形、三角形、八角形、圆形、圆环、半圆形、圆柱形、圆锥形、沙漏形、抛物线形、中空的、任何其它几何形状，或它们的组合。
参照图5-8，本体部分201由第一材料501形成，并且一个或更多个冷却特征209中的各个包括第二材料502。在如图5中所示的一个实施例中，一个或更多个冷却特征209完全由第二材料502形成。在另一个实施例中，冷却特征209可为实心的510、中空的520，或者制品100可包括它们的组合。此外或作为备选，如图6-8中所示，一个或更多个冷却特征209包括材料的组合，如但不限于双金属材料，其包括第一材料501和第二材料502。例如，参照图6，在一个实施例中，冷却特征209包括设置在第一材料501上的一层第二材料502。参照图7，在另一个实施例中，在冷却特征209远离内表面205延伸时，冷却特征209的成分从第一材料501过渡至第二材料502。参照图8，在又一个实施例中，中间材料801定位在冷却特征209与本体部分201之间，中间材料801与第一材料501和/或第二材料502相同、大致相同或不同。在某些实施例中，中间材料801便于将冷却特征209装固于本体部分201，如例如，通过提供单独形成的冷却特征209与本体部分201之间的硬钎焊膏或箔。如本领域技术人员将认识到的，一个或更多个冷却特征209不限于以上实例，并且可包括任何其它材料组合，如，成分梯度、其它过渡构造、局部涂层，或它们的组合。
第一材料501包括具有适合的强度、氧化和蠕变性质用于在涡轮系统的热气体路径中继续使用的任何材料，如但不限于γ'超级合金、镍基超级合金、钴基超级合金、其它适合的超级合金、不锈钢，或它们的组合。用于第一材料501的适合的成分包括但不限于合金，如γ'超级合金或不锈钢。在一个实施例中，γ'超级合金包括例如按重量的以下成分：大约9.75%的铬、大约7.5%的钴、大约4.2%的铝、大约3.5%的钛、大约1.5%的钼、大约6.0%的钨、大约4.8%的钽、大约0.5%的铌、大约0.15%的铪、大约0.05%的碳、大约0.004%的硼，以及余量的镍和附带杂质。在另一个实例中，γ'超级合金包括按重量的以下成分：大约7.5%的钴、大约7.0%的铬、大约6.5%的钽、大约6.2%的铝、大约5.0%的钨、大约3.0%的铼、大约1.5%的钼、大约0.15%的铪、大约0.05%的碳、大约0.004%的硼、大约0.002%到大约0.03%之间的钇，以及余量的镍和附带杂质。在另一个实施例中，γ'超级合金包括按重量的以下成分：大约8.0%到大约8.7%之间的铬、大约9%到大约10%之间的钴、大约5.25%到大约5.75%之间的铝、达到大约0.9%的钛(例如，大约0.6%到大约0.9%之间)、大约9.3%到大约9.7%之间的钨、达到大约0.6%的钼(例如，大约0.4%到大约0.6%之间)、大约2.8%到大约3.3%之间的钽、大约1.3%到大约1.7%之间的铪、达到大约0.1%的碳(例如，大约0.07%到大约0.1%之间)、达到大约0.02%的锆(例如，大约0.005%到大约0.02%之间)、达到大约0.02%的硼(例如，大约0.01%到大约0.02%之间)、达到大约0.2%的铁、达到大约0.12%的硅、达到大约0.1%的锰、达到大约0.1%的铜、达到大约0.01%的磷、达到大约0.04%的硫、达到大约0.1%的铌，以及余量的镍和附带杂质。
第二材料502包括相比于第一材料501具有较大的热导率的任何材料。用于第二材料502的一种适合的材料包括铜。用于第二材料502的其它适合的材料包括但不限于铝、银、镍合金、铜合金、具有大于第一材料501的热导率的其它合金，或它们的组合。当暴露于内区域207时，第二材料502形成导热表面，其便于制品100的增加的热传递和/或冷却。具体而言，在冷却流体穿过制品100的内区域207时，第二材料502的增大的热导率相比于由第一材料501形成的冷却特征209增加了本体部分201的冷却。此外，相比于由第一材料501形成的传统冷却特征209，包括第二材料502的一个或更多个冷却特征209提供增大的冷却效力，提高系统性能，或它们的组合。此外，通过提高冷却效率和/或效力，包括第二材料502的冷却特征209便于以减少的冷却流来冷却制品100，这提高了系统的操作效率。
尽管第二材料502的热导率相对大于第一材料501，但第二材料502的热和/或机械阻抗可与第一材料501的相同、大致相同或不同。例如，在某些实施例中，本体部分201完全包绕一个或更多个冷却特征209，减少第二材料502暴露于包绕制品100的操作环境的热应力和/或机械应力。减少第二材料502暴露于操作环境的热应力和/或机械应力容许了使用具有相比于本体部分201的第一材料501的提高的热导率以及减小的热和/或机械阻抗的材料。
尽管已经参照一个或更多个实施例描述了本发明，但本领域技术人员将理解，可作出各种改变，并且等同方案可替换其元件，而不脱离本发明的范围。此外，可作出许多改型以使特定情形或材料适合于本发明的教导，而不脱离其基本范围。因此，意图是，本发明不限于公开为构想用于执行本发明的最佳模式的特定实施例，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，在详细描述中识别的所有数值应当解释为如同准确值和近似值两者确切地识别的。

Claims (10)

1. 一种制品(100)，其包括：
具有内表面(205)和外表面(203)的本体部分(201)，所述内表面(205)限定内区域；以及
定位在所述内区域内的至少一个冷却特征；
其中所述本体部分(201)包括第一材料(501)，并且所述至少一个冷却特征包括第二材料(502)，所述第二材料(502)具有高于所述第一材料(501)的热导率。
2.根据权利要求1所述的制品(100)，其特征在于，所述冷却特征包括所述第一材料(501)和所述第二材料(502)两者。
3.根据权利要求2所述的制品(100)，其特征在于，所述冷却特征的所述第二材料(502)至少部分地覆盖所述冷却特征的所述第一材料(501)。
4.根据权利要求2所述的制品(100)，其特征在于，所述第二材料(502)在所述冷却特征的所述第一材料(501)之上形成导热表面。
5.根据权利要求2所述的制品(100)，其特征在于，所述第一材料(501)形成从所述内表面(205)延伸的所述冷却特征的近侧部分，而所述第二材料(502)形成从所述近侧部分延伸的所述冷却特征的远侧部分。
6.根据权利要求2所述的制品(100)，其特征在于，所述冷却特征(209)包括材料梯度，其中相对增加量的所述第一材料(501)邻近所述本体部分(201)的所述内表面(205)，而相对增加量的所述第二材料(502)远离所述内表面(205)。
7.根据权利要求1所述的制品(100)，其特征在于，所述冷却特征由所述第二材料(502)构成。
8.根据权利要求1所述的制品(100)，其特征在于，所述第二材料(502)相比于所述第一材料(501)提供增大的冷却效力。
9.根据权利要求1所述的制品(100)，其特征在于，所述至少一个冷却特征与所述本体部分(201)集成。
10.根据权利要求9所述的制品(100)，其特征在于，所述本体部分(201)和所述至少一个冷却特征中的至少一个包括添加制造的微结构。
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