CN107030849B - 具有集成的膜冷却的互锁材料过渡区 - Google Patents

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Abstract

提供了一种使用添加制造来连结两个构件的方法。该方法包括形成由第一材料制成的第一构件(12)；由第一材料和第二材料形成互锁过渡区(10)；以及形成由第二材料制成的第二构件(14)。互锁过渡区(10)包括多个凸起(16)，其分别从第一构件(12)和第二构件(14)交替地延伸，以不可拆卸地联接第一构件(12)和第二构件(14)。

Description

具有集成的膜冷却的互锁材料过渡区
技术领域
本主题大体上涉及沿互锁过渡区连结两个构件的添加制造方法。
背景技术
在制造中，通常合乎需要的是连结两个或更多个构件来产生单个部件。然而，连结构件的当前方法通常导致较差的机械性质，不论这些构件是否由相同或不类似的材料制成。
例如，连结两个构件的现有技术的方法可包括金属熔化过程，如焊接或硬钎焊，使用机械紧固件如铆钉或螺钉，或施加结构粘合剂和使其固化。这些接头可展现较差的物理性质，并且提供弱机械联结，如较差的剪切联结或粘合。由于那些区域中的集中应力，故这些接头还可倾向于沿材料过渡线或平面的裂缝开始和传播。
此外，在一些应用中，合乎需要的是具有允许连结构件之间的一些相对移动的接头。例如，不是柔韧或柔性的两个或更多个构件之间的接头可展现关于接头的疲劳耐久性、抗冲击性和总体寿命的问题。在其中构件或连结材料具有不同热膨胀系数的情况下，不允许相对移动的接头不可补偿热增长失配，因此导致接头在某些温度环境中的失效。
此外，在连结构件之间延伸的冷却孔可为合乎需要的。然而，取决于接头和构件的方位和构造，不可为可能的是，使用当前的方法(如，钻孔或机加工)在不损害接头的完整性的情况下形成冷却孔。不可为可能的是，例如在孔在接头自身内的情况下，或在钻取孔可另外弱化接头的情况下，产生冷却孔。
因此，具有改进的结构完整性的连结两个或更多个构件的方法是合乎需要的。更具体而言，用于形成允许构件之间的相对移动或包括冷却孔(如果期望)，同时仍提供强机械联结的接头的方法将是特别有用的。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或者可从描述为明显的，或者可通过本发明的实践学习。
在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种用于使用添加制造来连结两个构件的方法。该方法包括形成由第一材料制成的第一构件；由第一材料和第二材料形成互锁过渡区；以及形成由第二材料制成的第二构件。互锁过渡区包括多个凸起，其分别从第一构件和第二构件交替地延伸，以不可拆卸地联接第一构件和第二构件。
在本公开的另一个示例性实施例中，提供了一种添加制造的构件。添加制造的构件包括：包括第一材料的多个熔合层的第一构件；包括第二材料的多个熔合层的第二构件；以及互锁过渡区，其包括分别从第一构件和第二构件交替地延伸以不可拆卸地联接第一构件和第二构件的多个凸起。
技术方案1. 一种使用添加制造来连结两个构件的方法，所述方法包括：
形成由第一材料制成的第一构件；
由所述第一材料和第二材料形成互锁过渡区；以及
形成由所述第二材料制成的第二构件，
其中所述互锁过渡区包括多个凸起，其分别从所述第一构件和所述第二构件交替地延伸，以不可拆卸地联接所述第一构件和所述第二构件。
技术方案2. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，形成所述第一构件包括相继地沉积所述第一材料的层，并且其中形成所述第二构件包括相继地沉积所述第二材料的层。
技术方案3. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，形成所述互锁过渡区包括将所述第一材料和所述第二材料的层相继地沉积到所述第一构件上。
技术方案4. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述第一构件与所述第二构件之间的相邻凸起的至少一部分防止所述第一构件与所述第二构件之间的相对运动。
技术方案5. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述多个凸起中的各个允许所述第一构件与所述第二构件之间的相对运动。
技术方案6. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述多个凸起中的各个具有梯形形状，其从所述第一构件或所述第二构件延伸，使得各个梯形的最宽部分设置在分别从所述第一构件或所述第二构件的所述凸起的远侧端部处。
技术方案7. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，各个凸起包括从所述第一构件或所述第二构件延伸的轴，所述轴的远侧端部还包括具有大于所述轴的直径的直径的球柄。
技术方案8. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述第一材料不同于所述第二材料。
技术方案9. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述第二构件为保护涂层。
技术方案10. 根据技术方案9所述的方法，其特征在于，所述保护涂层为热障涂层。
技术方案11. 根据技术方案9所述的方法，其特征在于，所述保护涂层为热障涂层的联结涂层。
技术方案12. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述第一材料具有第一热膨胀系数，并且所述第二材料具有第二热膨胀系数，其中所述第一热膨胀系数不同于所述第二热膨胀系数。
技术方案13. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述互锁过渡区具有形成在其中的流体通道，其中所述流体通道构造成允许流体流动穿过所述互锁过渡区。
技术方案14. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，硬钎焊接头位于所述第一构件与所述第二构件之间以用作粘合剂。
技术方案15. 一种添加制造的构件，包括：
包括第一材料的多个溶合层的第一构件；
包括第二材料的多个溶合层的第二构件；以及
互锁过渡区，其包括分别从所述第一构件和所述第二构件交替地延伸以不可拆卸地联接所述第一构件和所述第二构件的多个凸起。
技术方案16. 根据技术方案15所述的添加制造的构件，其特征在于，所述第一构件与所述第二构件之间的相邻凸起的至少一部分防止所述第一构件与所述第二构件之间的相对运动。
技术方案17. 根据技术方案15所述的添加制造的构件，其特征在于，所述多个凸起中的各个允许所述第一构件与所述第二构件之间的相对运动。
技术方案18. 根据技术方案15所述的添加制造的构件，其特征在于，各个凸起包括从所述第一构件或所述第二构件延伸的轴，所述轴的远侧端部还包括具有大于所述轴的直径的直径的球柄。
技术方案19. 根据技术方案15所述的添加制造的构件，其特征在于，所述第一材料不同于所述第二材料。
技术方案20. 根据技术方案15所述的添加制造的构件，其特征在于，所述第一构件和所述第二构件由聚合物材料制成，并且所述多个熔合层由热固性过程形成。
技术方案21. 根据技术方案15所述的添加制造的构件，其特征在于，所述第一构件和所述第二构件由环氧树脂制成，并且所述多个熔合层由交联过程形成。
技术方案22. 根据技术方案15所述的添加制造的构件，其特征在于，所述第一构件和所述第二构件由陶瓷材料制成，并且所述多个熔合层由烧结过程形成。
技术方案23. 根据技术方案15所述的添加制造的构件，其特征在于，所述第一构件和所述第二构件由粉末金属制成，并且所述多个熔合层由熔化过程形成。
本发明的这些及其它的特征、方面和优点将参照以下描述和所附权利要求变得更好理解。并入在本说明书中并且构成本说明书的部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同描述用于阐释本发明的原理。
附图说明
包括针对本领域技术人员的其最佳模式的本发明的完整且开放的公开在参照附图的说明书中阐述，在该附图中：
图1为根据本公开的示例性实施例的互锁过渡区的透视图，其中第一构件和第二构件示为分开来提供凸起的清楚视图；
图2为根据示例性实施例的具有轴和球柄凸起的互锁过渡区的侧视图；
图3为根据示例性实施例的具有梯形凸起的互锁过渡区的侧视图；
图4为根据示例性实施例的具有长形轴和球柄凸起的互锁过渡区的侧视图；
图5为根据示例性实施例的具有轴和球柄凸起的互锁过渡区的侧视图，其中硬钎焊材料用作第一构件与第二构件之间的粘合剂；
图6为根据示例性实施例的具有延伸穿过的冷却孔的非平面互锁过渡区的侧视图；以及
图7为根据示例性实施例的具有延伸穿过的冷却孔的互锁过渡区的透视截面视图。
本说明书和附图中的附图标记的重复使用旨在表示本发明的相同或相似的特征或元件。
部件列表
10 互锁过渡区
12 第一构件
14 第二构件
16 凸起
18 轴
20 球柄
22 第一构件表面
24 第二构件表面
26 间隙
28 梯形凸起
30 长形凸起
32 长形轴
34 相对运动箭头
36 接头粘合层
38 冷却孔。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的实施例，其一个或更多个实例在附图中示出。各个实例经由阐释本发明提供，而不限制本发明。实际上，对本领域技术人员而言将显而易见的是，可在本发明中作出各种改型和变型，而不脱离本发明的范围或精神。例如，示为或描述为一个实施例的部分的特征可与另一个实施例一起使用以产生又一个实施例。因此，意图是，本发明覆盖归入所附权利要求和它们的等同物的范围内的此类改型和变型。
添加制造技术实现通过典型地沿垂直(Y)方向逐点、逐层建造物体的复杂物体的制造。尽管以下论述涉及材料的添加，但本领域技术人员将认识到，本文中公开的方法和结构可利用任何添加制造技艺或技术实践。例如，本发明的实施例可使用层添加过程、层减去过程或混合过程。在一些实施例中，本文中公开的方法和结构可提供由互锁过渡区10连结且由一种或更多种材料的连续沉积层形成的两个或更多个构件。
本公开的实施例提供了用于使用添加制造技术连结两个或更多个构件的方法和结构。在这点上，多个构件可产生，其为独立实体，但产生有它们的构造中的互锁特征以有效地形成机械"根部"，其横跨联结区域到达，由此阻止拆卸和横跨过渡区传送结构负载。所得的接头可为平面或非平面的，并且可展现改进的机械强度和粘合。互锁材料过渡区例如还可用于将高抗冲击保护涂层装固于基础材料。此外，互锁特征可间隔开，以容许构件之间的小范围运动，并且接头可具有集成的冷却孔或通路。
现在参照附图，图1示出了根据本公开的示例性实施例的互锁过渡区10的透视图，其中第一构件12和第二构件14示为分开来提供多个凸起16的清楚视图。如所示，互锁过渡区10可在由X-Z平面限定的平面区域中延伸。值得注意地，附图中仅示出了互锁过渡区10，但本领域技术人员将认识到，第一构件12和第二构件14可为使用添加制造技术制造的任何简单或复杂的物体。此外，第一构件12和第二构件14和连接它们的互锁过渡区10可缩放至任何尺寸。例如，各个凸起16可在截面中范围从几纳米到若干厘米或更大。假定其多功能性和可缩放性，用于使用添加制造技术连结两个或更多个构件的当前公开的方法和结构可在各种应用和技术领域中实践。
图2为根据一个示例性实施例的具有轴18和球柄20凸起16的互锁过渡区10的侧视图。如所示，第一构件12和第二构件14中的各个包括分别从第一构件表面22和第二构件表面24延伸的多个凸起16。尽管所示实施例示出了沿大致垂直方向延伸的各个凸起16，但本领域技术人员将认识到，在其它实施例中，各个凸起16可相对于构件表面22,24成任何角制造。各个凸起16包括轴18，其具有位于其远侧端部处的球柄20。在图1和2中所示的实施例中，轴18为圆柱形的，并且球柄20为球形的。然而，在一些实施例中，轴18可改为具有为正方形、矩形、椭圆形、不规则形状或任何其它适合形状的截面，并且可处于共同或不同的长度。类似地，球柄20可为正方形、长方形或任何其它适合形状。
多个凸起16可从第一构件12和第二构件14交替地延伸，以形成沿纵向方向(X)和侧向方向(Z)两者延伸的互锁过渡区10。在一些实施例中，球柄20的直径大于轴18的直径，并且轴18沿第一构件12和第二构件14间隔，使得球柄20可配合在相邻轴18之间。以该方式，多个凸起16形成互锁过渡区10，其机械地联接第一构件12和第二构件14。由于互锁过渡区10可使用添加制造逐层打印，故所得的互锁过渡区10不可拆卸地联接第一构件12和第二构件14。在这点上，第一构件12和第二构件14连结成使得它们可不通过非破坏手段分开。在一些实施例中，相邻凸起16的至少一部分可防止构件12,14之间的相对运动。如下文更详细阐释的，在其它实施例中，轴18的间距可调整成允许多个凸起16的相对移动，并且向互锁过渡区10提供一些柔性。
在一些示例性实施例中，凸起16可具有不同形状。在这点上，多个凸起16可为不规则形状，并且各个凸起16可填充相邻凸起16之间的整个区域，或者可留下间隙或小空隙26。例如，如图3中所示，凸起16可为梯形凸起28。在这点上，各个梯形凸起28具有分别邻近第一构件12或第二构件14的窄截面。梯形凸起28的截面区域在梯形凸起28远离第一构件12或第二构件14朝梯形凸起28的远侧端部(其中截面为最大的)延伸时变得更大。
现在具体参照图4的实施例，多个凸起16可为长形凸起30。在这点上，长形凸起30可具有长形轴32，或者可另外制造成允许第一构件12与第二构件14之间的一些相对运动。例如，长形轴32可允许第一构件12和第二构件14关于彼此沿Z方向(如由箭头34指示)滑动，直到相邻的球柄20与彼此接触。类似地，在一些实施例中，多个凸起16的间距可增大，以便容许在X,Y和Z平面中的小范围的运动，以及绕着X,Y和Z轴线的旋转。如本领域技术人员将认识到的，多个凸起16的尺寸、形状和间距可针对任何特定应用调整成按需要容许或约束运动。
现在具体参照图5，互锁过渡区10的一些实施例可具有粘合剂36或其它材料，其设置在第一构件表面22与第二构件表面24之间，以便进一步确保强联结。该粘合剂层36可为例如环氧树脂或固化树脂，或者接头可通过将硬钎焊填充材料引入在第一构件12与第二构件14之间来产生。作为备选，粘合剂层36可为第一构件12与第二构件14之间的另一添加制造的层，并且可由适合于用在添加制造过程中的任何材料制成，如下文所论述。以该方式，粘合剂层36可改进互锁过渡区10的机械联结强度。
在一些情况下，合乎需要的是包括冷却孔38，其延伸穿过互锁过渡区10以提供第一构件12与第二构件14之间和/或互锁过渡区10内的冷却流体的连通。图6示出了具有集成的冷却孔38的非平面互锁过渡区10的侧视图。图7为具有集成的冷却孔38的互锁过渡区10的透视截面视图。在这些示例性实施例中，冷却孔38可通过在添加制造过程期间选择性地沉积材料以形成通路或冷却孔38而形成穿过构件。冷却孔38可在内部延伸穿过互锁过渡区10，使得它们是整装的并且不暴露于连结构件的任何外表面。此外，冷却孔38可具有任何形状或尺寸，并且可置于任何位置。例如，尽管图6和7中绘出的冷却孔38是线性的并且从第一构件12笔直地延伸穿过互锁过渡区10至第二构件14，但冷却孔38可改为是弯曲的或蛇线的。
本文中公开的添加制造过程使得第一构件12和第二构件14能够由多种材料中的任一种制成。各个构件可由相同材料或不同材料制成。实际上，甚至单个构件可包括不同材料的多层。在一些实施例中，第一构件12可为第一部件，并且第二构件14可为第二部件，使得互锁过渡区10产生多部件组件。此外，本领域技术人员将认识到，本文中所述的方法和结构不需要限于两个构件，而是可用于连结多于两个构件。在一些实施例中，第一构件12可为基础材料，并且第二构件14可为保护涂层。例如，第二构件14可为热障涂层或热障涂层的联结涂层，以向第一构件12提供改进的热耐久性。在其它实施例中，保护涂层可为展现高抗冲击性的非常耐久的材料。以该方式，保护涂层可保护下覆构件免受冲击损坏并且延长其寿命。
如上文所指示，第二构件14可为保护涂层，如热障涂层(TBC)系统或环境阻隔涂层(EBC)系统。此类TBC和EBC系统可大体上包括覆盖第一构件12的外表面的联结层，以及设置在联结层之上的热障层。如大体上理解的，联结层可由设计成抑制下覆的第一构件12的氧化和/或腐蚀的抗氧化金属材料形成。例如，在若干实施例中，联结层可由包括"MCrAlY"的材料形成，其中"M"代表铁、镍或钴，或者来自铝化物或贵金属铝化物材料(例如，铝化铂)。类似地，热障层可由耐高温材料形成，以便提高第一构件12的操作温度能力。例如，在若干实施例中，热障层可由各种已知的陶瓷材料形成，如由氧化钇、氧化镁或其它贵金属氧化物部分或完全稳定的氧化锆。
此外，通过使用上文公开的方法和结构来产生互锁过渡区10，TBC和EBC系统的联结层可完全消除。在这点上，联结层典型地用于TBC和EBC系统中，以便提供第一构件12与热障涂层之间的中间层，以补偿热失配，即，第一构件12和热障涂层可具有不同热膨胀系数，在置于高温环境中时在材料以不同速率增长时引起应力。联结层提供附加机械强度和粘合来确保热失配不导致联结区域失效。然而，如上文所论述，多个凸起16形成互锁过渡区10，其提供构件之间的强机械联结和改进的粘合。因此，如果互锁过渡区10将保护热障涂层联接于第一构件12，则联结层可完全消除，并且组件可仍耐受高温环境。
此外，本领域技术人员将认识到，用于联结那些材料的多种材料和方法可使用并且构想为在本公开的范围内。例如，材料可为塑料、金属、混凝土、陶瓷、聚合物、环氧树脂、光敏聚合物树脂，或可呈固体、液体、粉末、片材或任何其它适合形式的任何其它适合的材料。如本文中使用的，提到"熔合"可表示用于产生以上材料中的任一种的联结层的任何适合的过程。例如，如果物体由聚合物制成，则熔合可表示产生聚合物材料之间的热固性联结。如果物体为环氧树脂，则联结可由交联过程形成。如果材料为陶瓷，则联结可由烧结过程形成。如果材料为粉末金属，则联结可由熔化过程形成。本领域技术人员将认识到，熔合材料来由添加制造制作构件的其它方法是可能的，并且目前公开的主题可利用那些方法来实践。
在一些实施例中，第一材料和第二材料具有不同的热膨胀系数。在此类实施例中，可合乎需要的是将多个凸起16构造成允许一些相对移动，由此减小由于由热增长失配产生的集中应力而引起的失效的可能性。
添加制造技术实现产生多个构件，其为独立实体，但产生有它们的构造中的互锁特征来限制它们的运动范围和/或拆卸。在这点上，两个或更多个独立的构件可制造有互锁特征，其有效地形成横跨互锁过渡区10到达的机械"根部"，阻止拆卸，并且具有横跨互锁过渡区10传送结构负载的能力。使用添加制造技术有效地连结两个或更多个构件的能力引入了宽范围的平面或非平面接头，并且可实现产生独特的组件。
互锁材料过渡区10可提供优于现有技术的技术和商业优点。使用所述方法产生的接头具有改进的机械强度，展现不同功能、成分或微观结构的区域之间的改进的剪切联结，以及微规模或宏规模下的增强粘合。互锁材料过渡区10例如还可用于将高抗冲击保护涂层装固于基础材料。联结层的多功能性也改进，其中构件可由相同或不类似的材料制成，并且接头可为平面或非平面的。此外，互锁特征可间隔开，以容许构件之间的小范围运动，并且接头可具有集成的冷却孔或通路。
该书面的描述使用实例以公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实践本发明(包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何并入的方法)。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这些其它实例包括不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其它实例意图在权利要求的范围内。

Claims (8)

1.一种使用添加制造来连结两个构件的方法，所述方法包括：
形成由第一材料制成的第一构件；
由所述第一材料和第二材料形成互锁过渡区；以及
形成由所述第二材料制成的第二构件，其中所述互锁过渡区包括多个凸起，其分别从所述第一构件和所述第二构件交替地延伸，以不可拆卸地联接所述第一构件和所述第二构件；
其中所述多个凸起中的各个允许所述第一构件与所述第二构件之间的相对运动。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述第一构件包括相继地沉积所述第一材料的层，其中形成所述第二构件包括相继地沉积所述第二材料的层，并且其中形成所述互锁过渡区包括将所述第一材料和所述第二材料的层相继地沉积到所述第一构件上。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个凸起中的各个具有梯形形状，其从所述第一构件或所述第二构件延伸，使得各个梯形的最宽部分设置在分别从所述第一构件或所述第二构件的所述凸起的远侧端部处。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，各个凸起包括从所述第一构件或所述第二构件延伸的轴，所述轴的远侧端部还包括球柄，其具有大于所述轴的直径。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二构件为保护涂层。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述互锁过渡区具有形成在其中的流体通道，其中所述流体通道构造成允许流体流动穿过所述互锁过渡区。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，硬钎焊接头位于所述第一构件与所述第二构件之间以用作粘合剂。
8.一种添加制造的构件，包括：
包括第一材料的多个溶合层的第一构件；
包括第二材料的多个溶合层的第二构件；以及
互锁过渡区，其包括分别从所述第一构件和所述第二构件交替地延伸以不可拆卸地联接所述第一构件和所述第二构件的多个凸起，并且
其中所述多个凸起中的各个允许所述第一构件与所述第二构件之间的相对运动。
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