CN107013251A - 物品和形成物品的方法 - Google Patents

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Abstract

提供物品(100)和冷却物品的方法。物品包括主体部分(201)和至少一个冷却特征，主体部分具有内表面(205)和外表面(203)，内表面限定内区(207)，至少一个冷却特征定位在内区内。主体部分的内表面和至少一个冷却特征中的至少一者具有约100微英寸(约2.54微米)与约3000微英寸(约76.2微米)之间的表面粗糙度。形成物品的方法包括通过添加制造技术制造主体部分，和通过添加制造技术制造至少一个冷却特征。添加制造在主体部分的内表面和至少一个冷却特征中的至少一者上一体地形成在约100微英寸(约2.54微米)与约3000微英寸(约76.2微米)之间的表面粗糙度。

Description

物品和形成物品的方法
技术领域
本发明涉及物品和形成物品的方法。更具体而言，本发明涉及被冷却物品和形成被冷却物品的方法。
背景技术
涡轮系统不断得到修改，以提高效率且降低成本。用于提高涡轮系统效率的一种方法包括提高涡轮系统的操作温度。为了提高温度，涡轮系统必须由可在持续使用期间耐受此种温度的材料构造。
提高涡轮构件的温度能力的一种通常的方法包括使用冷却特征。冷却特征通常由在燃气涡轮的高温区中使用的金属和合金形成。通常，冷却特征在制造期间铸造在构件上或内，但难以通过当前可用的铸造技术形成最复杂的冷却特征。
此外，通过构件的铸造形成的冷却特征的表面微结构通常通过特定铸造过程来确定。虽然铸造过程的不同过程参数可改变机械特性，但修改表面结构通常包括加工或表面处理。然而，对于某些构件，诸如具有内部冷却特征的物品，对物品内表面以及内部冷却特征的表面的接近是高度受限的。由于该受限的接近，修改冷却特征的表面特征是困难、耗时、且昂贵的。而且，可能不一定可能够在加工过程期间达到物品的内表面的各冷却特征或部分。
发明内容
在实施例中，物品包括主体部分和至少一个冷却特征，该主体部分具有内表面和外表面，该内表面限定内区，该至少一个冷却特征定位在该内区内。该主体部分的内表面和该至少一个冷却特征中的至少一者具有大约100微英寸(大约2.54微米)与大约3000微英寸(大约76.2微米)之间的表面粗糙度。
在另一实施例中，物品包括主体部分和至少一个冷却特征，该主体部分具有内表面和外表面，该内表面限定内区，该至少一个冷却特征定位在该内区内。该主体部分的内表面和该至少一个冷却特征包括添加制造微结构，该添加制造微结构具有大约100微英寸(大约2.54微米)与大约3000微英寸(大约76.2微米)之间的表面粗糙度，且该至少一个冷却特征是从由以下构成的集合中选择的：冲击目标、膜孔、槽道、针组(pin bank)、针肋片(pinfin)、湍流件、突出、冷却孔、和它们的组合。
在另一实施例中，形成物品的方法包括通过添加制造技术制造主体部分，和通过该添加制造技术制造至少一个冷却特征。该添加制造在该主体部分的内表面和该至少一个冷却特征中的至少一者上一体地形成在大约100微英寸(大约2.54微米)与大约3000微英寸(大约76.2微米)之间的表面粗糙度。
技术方案1：一种物品100，包括：
主体部分201，其具有内表面205和外表面203，所述内表面205限定内区207；和
至少一个冷却特征，其定位在所述内区207内；
其中，所述主体部分201的内表面205和所述至少一个冷却特征中的至少一者具有大约100微英寸(大约2.54微米)与大约3000微英寸(大约76.2微米)之间的表面粗糙度。
技术方案2：根据技术方案1所述的物品100，其中，所述至少一个冷却特征是从由以下构成的集合中选择的：冲击目标405、膜孔215、槽道217、针组214、针肋片、湍流件211、突出209、冷却孔、和它们的任何组合。
技术方案3：根据技术方案1所述的物品100，其中，所述主体部分201的内表面205和所述至少一个冷却特征具有大约100微英寸(大约2.54微米)与大约3000微英寸(大约76.2微米)之间的表面粗糙度。
技术方案4：根据技术方案3所述的物品100，其中，所述主体部分201的内表面205的表面粗糙度与所述至少一个冷却特征的表面粗糙度不同。
技术方案5：根据技术方案1所述的物品100，其中，所述表面粗糙度在所述物品100内变化。
技术方案6：根据技术方案5所述的物品100，其中，所述表面粗糙度作为来自热气体路径的热负载的函数而变化。
技术方案7：根据技术方案1所述的物品100，其中，所述表面粗糙度提高所述物品100的热传递系数。
技术方案8：根据技术方案1所述的物品100，其中，所述表面粗糙度增大构件的摩擦损耗。
技术方案9：根据技术方案1所述的物品100，其中，所述至少一个冷却特征与所述主体部分201一体。
技术方案10：根据技术方案1所述的物品100，其中，所述至少一个冷却特征形成在插入件401上，所述插入件401布置且配置成用于定位在所述主体部分201的内区207内。
技术方案11：根据技术方案10所述的物品100，其中，所述主体部分201的内表面205的表面粗糙度对应于在所述插入件401上形成的所述至少一个冷却特征的定向。
技术方案12：根据技术方案10所述的物品100，还包括在所述主体部分201中形成的至少一个额外冷却特征。
技术方案13：根据技术方案1所述的物品100，其中，所述主体部分201和所述至少一个冷却特征中的至少一者包括添加制造微结构。
技术方案14：根据技术方案1所述的物品100，其中，所述物品100是燃气涡轮构件。
技术方案15：根据技术方案14所述的物品100，其中，所述燃气涡轮构件是从由以下构成的集合中选择的：翼型件、动叶、喷嘴、护罩、燃烧器、燃烧器过渡件、和它们的组合。
技术方案16：根据技术方案14所述的物品100，其中，所述燃气涡轮构件是翼型件。
技术方案17：一种物品100，包括：
主体部分201，其具有内表面205和外表面203，所述内表面205限定内区207；和
至少一个冷却特征，其定位在所述内区207内；
其中，所述主体部分201的内表面205和所述至少一个冷却特征包括添加制造微结构，所述添加制造微结构具有大约100微英寸(大约2.54微米)与大约3000微英寸(大约76.2微米)之间的表面粗糙度；且
其中，所述至少一个冷却特征是从由以下构成的集合中选择的：冲击目标405、膜孔215、后缘槽道217、针组214、针肋片、湍流件211、突出209、冷却孔、和它们的组合。
技术方案18：一种形成物品100的方法，所述方法包括：
通过添加制造技术制造主体部分201；和
通过该添加制造技术制造至少一个冷却特征；
其中，该添加制造在所述主体部分201的内表面205和所述至少一个冷却特征中的至少一者上一体地形成在大约100微英寸(大约2.54微米)与大约3000微英寸(大约76.2微米)之间的表面粗糙度。
技术方案19：根据技术方案18所述的方法，其中，该添加制造技术包括：
对选定区分配材料的第一层；
选择性地激光熔化所述第一层；
在所述第一层上方分配该材料的至少一个额外层722；
选择性地激光熔化所述至少一个额外层722中的各个；和
由该材料形成所述物品100；
其中，分配且选择性地激光熔化该材料的步骤一体地形成在大约100微英寸(大约2.54微米)与大约3000微英寸(大约76.2微米)之间的表面粗糙度。
技术方案20：根据技术方案18所述的方法，其中，所述至少一个冷却特征的制造与所述主体部分201的制造是同时的，从而与所述主体部分201一体地形成所述至少一个冷却特征。
本发明的其他特征和优点将从结合附图作出的下列更详细的描述中变得显而易见，附图作为实例例示本发明的原理。
附图说明
图1是根据本公开的实施例的物品的前透视图。
图2是根据本公开的实施例的，沿2-2线截取的，图1的物品的截面图。
图3是根据本公开的实施例的，沿2-2线截取的，图1的物品的截面的透视图。
图4是根据本公开的另一实施例的，沿2-2线截取的，图1的物品的截面图。
图5示出根据本公开的实施例的，沿2-2线截取的，图1的物品的截面的透视图。
图6是根据本公开的实施例的物品的一部分的放大截面图。
图7是根据本公开的实施例的形成物品的方法的过程图。
只要有可能，将贯穿附图使用相同的参考标号来代表相同的部分。
部件列表
100 物品
101 涡轮动叶
103 根部部分
105 平台
107 翼型件部分
201 主体部分
203 外表面
205 内表面
207 内区
208 冷却特征
209 突出
211 湍流件
213 针
214 针组
215 膜孔
217 槽道
401 插入件
403 孔口
405 冲击目标
601 一体地形成的粗糙表面
701 金属合金粉末
702 初始粉末层
710 聚焦能量源
711 部分
722 额外层。
具体实施方式
提供物品和形成物品的方法。本公开的实施例，例如与不包括在本文中公开的特征中的一个或更多个的构思相比较，提高冷却特征的冷却效力，提高冷却效率，提高壁温度一致性，减少或消除过冷区，提高物品内的热传递系数，提高摩擦损失，在增大数量的槽道下维持流体流量，在减小的流体流量下增大冷却面积，在物品内提供变化的热传递，提供物品冷却的增强的控制，提高物品寿命，有助于使用提高的系统温度，提高系统效率，在减少的冷却流体下提供增强的物品冷却，或它们的组合。
参照图1，在一个实施例中，物品100包括涡轮动叶101或叶片。涡轮动叶101具有根部部分103、平台105、和翼型件部分107。根部部分103构造成在涡轮系统内将涡轮动叶101固连于诸如例如转子叶轮。此外，根部部分103构造成从涡轮系统接收流体，且将该流体引导到翼型件部分107中。尽管在本文中关于涡轮动叶进行了描述，但如本领域技术人员将明白的那样，物品100不因此受限，且可包括适合用于接收冷却流体的任何其他物品，诸如例如，中空构件、热气体路径构件、护罩、喷嘴、静叶、燃烧器、燃烧器过渡件、或它们的组合。
如在示出翼型件部分107截面的图2-5中例示的，物品100包括主体部分201，主体部分201具有外表面203、限定内区207的内表面205、和内区207内的一个或更多个冷却特征208。适合的冷却特征208包括但不限于冲击目标、膜孔、槽道、针、针组、针肋片、湍流件、突出、冷却孔、凹陷、肋片、孔口、或它们的任何组合。
该一个或更多个冷却特征208中的各个形成在主体部分201上和/或中，或插入件401上和/或中(见图4-5)，插入件401布置且配置为定位在物品100内。例如，参照图2-3，在一个实施例中，冷却特征208形成在主体部分201上和/或中，且包括突出209、湍流件211、针213、膜孔215、和槽道217。突出209从主体部分201的内表面205延伸到内区207中，而针213从内表面205跨过或基本上跨过内区207延伸到内区207内的相对表面。转至图4-5，在另一实施例中，冷却特征208包括形成在主体部分201上和/或中的突出209、针213、针组214、膜孔215、槽道217、和/或冲击目标405、和形成在插入件401中的孔口403。
此外，该一个或更多个冷却特征208中的各个可以以任何适合的定向定位在主体部分201、内区207、和/或插入件401上和/或中，以提供物品100的冷却。例如，如图2-3中例示的，突出209和/或针213以任何适合的布置定位且包括任何适合的几何构造，以用于提供物品100的传导冷却，诸如但不限于对准、交错、规则地间隔、可变地间隔、圆形、半圆形、方形、不规则、或它们的组合。在某些实施例中，多个针213定位为在内区207内，诸如但不限于在涡轮动叶101的后缘内，形成一个或更多个针组214。在另一示例中，湍流件211以任何适合的构造沿着主体部分201的内表面205延伸，诸如但不限于径向地(图2-3)、水平地(图3)、相对于径向方向从0到180度成角度(图3)、或它们的组合。此外，湍流件211可沿着内表面205的长度连续并且/或者断续地断开。在另一示例中，延伸穿过主体部分201的膜孔215和/或槽道217布置且配置为将内表面205流体地连接于外表面203，从而在流体行进穿过其时提供传导冷却。膜孔215和/或槽道217还可以布置且配置成提供外表面203的膜冷却。参照图4-5，在其他示例中，延伸穿过插入件401的孔口403布置且配置成朝主体部分201引导冷却流体，从而提供内表面205的冲击冷却。
如本领域技术人员将理解的，冷却特征208不限于上面论述的示例，且可包括任何其他适合的冷却特征或冷却特征组合。在一个适合的组合中，该一个或更多个冷却特征208包括形成在主体部分201和插入件401二者上和/或中的对应冷却特征208。例如，在一个实施例中，如图5中所示，插入件401包括在其中形成的孔口403中的一个或更多个，且主体部分201包括形成在其内表面205上的至少一个对应的冲击目标405。冲击特征405中的各个相对于孔口403中的一个布置且配置成使得被引导穿过孔口403的流体在到达内表面205时接触冲击目标405。此外或备选地，突出209和/或针213中的一个或更多个形成在内表面205上，且从主体部分201朝插入件401延伸(见图4-5)。在来自孔口403的流体接触内表面205之后，其形成冲击后流体。在冲击后流体在内表面205与插入件401之间延伸时，其在突出209和/或针213上方经过，这提供主体部分201的传导冷却。
在本文中公开的实施例中的各个中，内表面205和/或冷却特征208中的至少一种包括一体地形成的粗糙表面601，其示例在图6中示出。当用在本文中时，用语“粗糙表面”包括具有至少大约100微英寸(大约2.54微米)的平均表面粗糙度，诸如但不限于大约100微英寸(大约2.54微米)与大约3000微英寸(大约76.2微米)之间，大约200μin(大约5.08μ)与大约3000μin(大约76.2μ)之间、大约500μin(大约12.7μ)与大约3000μin(大约76.2μ)之间、大约500μin(大约12.7μ)与大约2500μin(大约63.5μin)之间、大约1000μin(大约25.4μ)与大约2000μin(大约50.8μ)之间、或它们的任何组合、子组合、范围、或子范围。
与没有粗糙表面的内表面和/或冷却特征相比，一体地形成的粗糙表面601提高内表面205和/或冷却特征208的热传递系数。该提高的热传递系数提高物品100的冷却效率，这有助于在减少的冷却流下冷却物品100。此外或备选地，与没有粗糙表面的内表面和/或冷却特征相比较，一体地形成的粗糙表面601增大摩擦损失。该增大的摩擦损失减少通过物品100中的膜孔215、槽道217、和其他开口的流，从而允许在物品100中形成更多开口，而不增多去往物品100的流体流。物品100中更多开口的形成增大可用于冷却的表面积，这增强热传递、提高冷却效率、在减少的冷却流下提供物品100的冷却、提高发动机效率、或它们的组合。
在一个实施例中，内表面205和冷却特征208二者包括具有相同或基本上相同的表面粗糙度的一体地形成的粗糙表面601。在另一实施例中，冷却特征208上的一体地形成的粗糙表面601的表面粗糙度不同于内表面205的表面粗糙度。在其他实施例中，表面粗糙度在内表面205和/或冷却特征208的一体地形成的粗糙表面601内变化。
该表面粗糙度的变化改变物品100内的热传递系数，从而提供对物品冷却的增强的控制。在一个实施例中，一体地形成的粗糙表面601的表面粗糙度作为物品100上的热负载(诸如来自燃气涡轮中的热气体路径的热负载)的函数而变化。通过使表面粗糙度作为热负载的函数变化，一体地形成的粗糙表面601提高主体部分201的温度的一致性、减少或消除物品100的过度冷却、减少或消除冷却流体的不必要发热、或它们的组合。例如，具有比较低的热负载的翼型件107的压力侧上的内表面205可包括大约300μin的表面粗糙度，而具有比较高的热负载的翼型件107的吸力侧上的内表面205可包括大约2000μin的表面粗糙度。吸力侧上的较大表面粗糙度提供了与压力侧相比增强的热传递，从而有助于吸力侧的增强的冷却并且/或者减少或消除压力侧的过度冷却。在另一示例中，一体地形成的粗糙表面601的表面粗糙度从翼型件107的后缘中的槽道217的入口到出口变化。槽道217内的该变化的表面粗糙度在热负载增大并且/或者冷却流体的温度增大时提高槽道217的热传递系数。
根据本文中公开的实施例中的一个或更多个，具有粗糙表面601的内表面205和/或冷却特征208还具有添加制造微结构。例如，形成具有粗糙表面601的内表面205和/或冷却特征208可包括任何适合的添加制造方法。适合的添加制造方法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)、激光射束熔化(EBM)、熔融沉积造型(FDM)、任何其他添加制造技术、或它们的组合。
在一个实施例中，FDM方法包括对喷嘴供应材料、加热喷嘴、和通过该喷嘴挤出该材料。喷嘴的加热在该材料行进通过喷嘴时熔化该材料。在通过喷嘴挤出材料时材料变硬，从而形成具有一体地形成的粗糙表面601的主体部分201和/或该一个或更多个冷却特征208。
在另一实施例中，如图7中例示的，DMLM方法包括提供金属合金粉末701且沉积该金属合金粉末701，以形成初始粉末层702。然后利用聚焦能量源710熔化初始粉末层702，从而使初始粉末层转变成构件的部分711。适合的聚焦能量源包括但不限于激光装置、电子射束装置、或它们的组合。接着，DMLM过程包括在构件的部分711上方顺序地沉积额外的金属合金粉末701以形成额外层722，和利用聚焦能量源710熔化该额外层722。额外层722的熔化将额外层722连结于之前形成的部分711，从而使部分711的厚度增大额外层722的厚度。顺序地沉积金属合金粉末701的额外层722和使该额外层722熔化的步骤然后可重复，以形成最终构件。在沉积金属合金粉末701的各步骤中，对应的初始粉末层702或额外层722形成为具有预定的几何形状和/或厚度。适合的几何形状和/或厚度包括但不限于与物品100、主体部分201、冷却特征208中的一个或更多个、插入件401、和/或一体地形成的粗糙表面601对应的那些。当组合时，初始粉末层702和额外层722的预定几何形状和/或厚度提供最终构件的最终几何形状和厚度。
在添加制造期间一体地形成粗糙表面601有助于对物品100内的粗糙表面601的平均表面粗糙度和/或位置的增强的控制。例如，在一个实施例中，金属合金粉末701的沉积和/或熔化在添加制造过程期间变化，以增大或减小物品100对应部分中的表面粗糙度。在另一实施例中，添加制造期间的粗糙表面601的一体形成允许在物品100的不能够通过传统制造和/或加工技术接近的部分中形成粗糙表面601。在其他实施例中，与通过对物品100的加工和/或附接形成的其他粗糙表面相比，一体地形成的粗糙表面601提供物品100的增强的热传递和/或冷却。
通过添加制造方法形成的最终构件包括任何适合的净形或近净形结构。当在本文中使用时，“近净形”是指该构件被形成得非常接近最终形状，从而在添加制造之后不需要较大的传统机械精整技术，诸如加工或磨削。此外，当在本文中使用时，“净形”是指该构件被形成为处于最终形状，从而在添加制造之后不需要任何传统机械精整技术。适合的净形或近净形结构包括但不限于物品100、主体部分201、内表面205、冷却特征208、插入件401、一体地形成的粗糙表面601、或它们的组合。例如，尽管最终构件在图7中示为包括在单个添加制造过程期间与主体部分201一体地形成的内表面205和/或冷却特征208的物品100，但如本领域技术人员将理解的那样，具有一体地形成的粗糙表面601的内表面205和/或冷却特征208可与主体部分201分开地形成且然后附接于主体部分201。此外，当分开地形成时，具有一体地形成的粗糙表面601的内表面205和/或冷却特征208可直接附接于主体部分201和/或插入件401，或者可形成在中间层上，该中间层固连于主体部分201和/或插入件401。
尽管已经参考一个或更多个实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，可进行各种更改并且可用等同物替换它们的要素，而不脱离本发明的范畴。此外，可进行许多修改以使具体的情形或材料适于本发明的教导而不脱离其基本范畴。因此，意图本发明不限于作为用于实施本发明的构思出的最佳模式而公开的具体实施例，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，详细说明中的所有数值都应解释为好像清楚地确定了精确值和近似值二者。

Claims (10)

1. 一种物品(100)，包括：
主体部分(201)，其具有内表面(205)和外表面(203)，所述内表面(205)限定内区(207)；和
至少一个冷却特征，其定位在所述内区(207)内；
其中，所述主体部分(201)的内表面(205)和所述至少一个冷却特征中的至少一者具有大约100微英寸(大约2.54微米)与大约3000微英寸(大约76.2微米)之间的表面粗糙度。
2.根据权利要求1所述的物品(100)，其中，所述至少一个冷却特征是从由以下构成的集合中选择的：冲击目标(405)、膜孔(215)、槽道(217)、针组(214)、针肋片、湍流件(211)、突出(209)、冷却孔、和它们的任何组合。
3.根据权利要求1所述的物品(100)，其中，所述主体部分(201)的内表面(205)和所述至少一个冷却特征具有大约100微英寸(大约2.54微米)与大约3000微英寸(大约76.2微米)之间的表面粗糙度。
4.根据权利要求3所述的物品(100)，其中，所述主体部分(201)的内表面(205)的表面粗糙度与所述至少一个冷却特征的表面粗糙度不同。
5.根据权利要求1所述的物品(100)，其中，所述表面粗糙度在所述物品(100)内变化。
6.根据权利要求5所述的物品(100)，其中，所述表面粗糙度作为来自热气体路径的热负载的函数而变化。
7.根据权利要求1所述的物品(100)，其中，所述表面粗糙度提高所述物品(100)的热传递系数。
8.根据权利要求1所述的物品(100)，其中，所述表面粗糙度增大构件的摩擦损耗。
9.根据权利要求1所述的物品(100)，其中，所述至少一个冷却特征与所述主体部分(201)一体。
10.根据权利要求1所述的物品(100)，其中，所述至少一个冷却特征形成在插入件(401)上，所述插入件(401)布置且配置成用于定位在所述主体部分(201)的内区(207)内。
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