CN107587903A - 具有制造辅助特征的用于热气体路径部件的试样块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有制造辅助特征的用于热气体路径部件的试样块。在一个实施例中，所述试样块包括：主体，其具有外表面；和多个研磨深度指示器，其在主体的外表面中。在另一个实施例中，所述试样块包括：主体，其具有构造成与切口的边缘周边配合的边缘周边，并且主体的边缘周边的至少一部分的壁厚大于切口的边缘周边的壁厚。实施例可以一起或单独地使用。

Description

具有制造辅助特征的用于热气体路径部件的试样块
技术领域
本发明大体涉及热气体路径部件，并且更具体地涉及用于替换热气体路径部件的切口的试样块(coupon)。
发明背景
热气体路径部件在涡轮机械中用来以形成能量的方式导向工作流体。热气体路径部件可呈现多种形式，例如涡轮机械叶片(转子叶片或静止的静叶)，其包括导向工作流体以形成能量的翼型件。转子叶片联接到涡轮转子且用来转动涡轮转子，静止的静叶联接到涡轮机械的壳体以将工作流体朝转子叶片导向。
最先进的热气体路径部件中的一些包括近壁冷却构型，以冷却部件的外壁。然而，近壁冷却构型为制造带来显著的挑战。近年来，已经出现作为一种用于这样的超高效近壁冷却布置的可靠制造方法的增材制造，例如，直接金属激光熔融(DMLM)或选择性激光熔融(SLM)。增材制造技术的出现也提供了替换诸如涡轮机械叶片的前边缘或后边缘的热气体路径部件的部段的能力。例如，涡轮机械叶片的前边缘的一部分可以被移除，这在叶片中留下切口，并且可以将新部段(在本说明书称为“试样块”)联接在切口中。试样块可替换旧的涡轮机械叶片的磨损部段，或者作为新涡轮机械叶片的零件而添加。试样块仅可替换涡轮机械叶片的内部冷却结构，或者可以提供在原始涡轮机械叶片中未提供的附加的或改进的冷却结构，例如，近壁冷却通道、内部冷却通道、冲击套管、销组等。
尽管用于形成试样块的增材制造在发展，但使用试样块来替换热气体路径部件的部段带来许多制造方面的挑战。
为了释放用于部件的较大区段的靶向替换的这种方法的潜力，需要试样块与精密加工切口的精确匹配以获得可靠的接合质量。用于接合的间隙(在试样块和部件中的切口之间的间隙)依赖于试样块和原始部件的轮廓修整的精度。任何不匹配都会导致间隙距离的偏差。如果选择窄间隙硬钎焊工艺，则需要间隙宽度低于100μm的严格的间隙公差。为了获得这样严格的公差并确保两零件之间的最佳配合，试样块和原始部件的电火花线切割加工(EDM)使用相同的加工路径。在一种方法中，线EDM控制程序被准备并首先用于试样块的精密加工。然后，相同的控制程序被第二次使用以加工热气体路径部件中的匹配切口。在此第二步骤期间，仅补偿切割工具的宽度(即，EDM线厚度)，从而在增材制造的试样块和原始部件之间实现几乎“零间隙”的配合。即便这种方法，在试样块和原始部件中的切口之间仍可能存在间隙。
对于使用试样块替换的另一个挑战是在试样块接合之后提供精确的手动轮廓再修整。特别地，在带有接近热气体表面的冷却通道的部件的轮廓再修整期间，可能会违反最小壁厚要求，并且可能破坏近壁冷却方案。当壁厚公差严格并且当在研磨过程期间没有为研磨操作者提供关于剩余壁厚的直接反馈时，这种情况特别麻烦。可能需要在热气体侧和近壁冷却通道之间的最小壁厚(例如，1.2毫米)来实现机械完整性和寿命评估。
在试样块的接合和轮廓再修整步骤实施之后，一个或多个保护性涂层(例如，结合涂层和热障涂层)被施加。(多个)涂层带来的一个问题是现有冷却通道不可避免地被涂层过度喷涂物阻塞。常规地，在施加(多个)涂层之后，需要对堵塞的冷却通道进行再开通步骤，以便满足热气体路径部件的气流要求。由于冷却通道布置，近壁冷却通道出口孔的这种再开通必须非常小心地完成，以避免阻塞出口孔的任何风险。特别地，开口中急剧弯曲的角度可能导致铰孔工具断裂，从而形成额外的阻塞。因此，该工艺是耗时且昂贵的。
发明内容
本发明的第一方面提供了一种用于替换涡轮机械的热气体路径部件中的切口的试样块(coupon)，该试样块包括：主体，其具有外表面；和多个研磨深度指示器，其在主体的外表面中。
其中，所述多个研磨深度指示器各自包括在所述主体的所述外表面中的凹陷，每个凹陷具有圆形周边；其中，在所述凹陷的底部处的所述主体的壁的厚度匹配所述试样块的预选的操作壁厚。
其中，所述主体包括构造成与所述切口的边缘周边配合的边缘周边，其中所述主体的所述边缘周边的至少一部分的壁厚大于所述切口的所述边缘周边的壁厚；其中，壁厚大于所述切口的所述边缘周边的所述壁厚的所述主体的所述边缘周边的所述至少一部分由以下限定：渐缩的肋，其具有大于所述主体的剩余部分的壁厚的周边外部厚度；其中，所述主体由凹型压力侧外壁和凸型吸力侧外壁限定，所述凹型压力侧外壁和所述凸型吸力侧外壁沿着每一者的第一径向延伸边缘连接，并且其中，所述主体的所述边缘周边由所述凹型压力侧外壁和所述凸型吸力侧外壁限定，所述凹型压力侧外壁还包括由第二径向延伸边缘分离的第一端部边缘和第二端部边缘，所述凸型吸力侧外壁包括由第三径向延伸边缘分离的第三端部边缘和第四端部边缘，并且其中，所述渐缩的肋沿着所述第一端部边缘、所述第二端部边缘、所述第二径向延伸边缘、所述第三端部边缘、所述第四边缘和所述第三径向延伸边缘邻接。
其中，所述试样块通过增材制造形成。
本发明的第二方面提供了一种用于替换涡轮机械的热气体路径部件中的切口的试样块，该试样块包括：主体，其具有构造成与切口的边缘周边配合的边缘周边，其中，主体的边缘周边的至少一部分的壁厚大于切口的边缘周边的壁厚。
其中，壁厚大于所述切口的所述边缘周边的所述壁厚的所述主体的所述边缘周边的所述至少一部分由以下限定：渐缩的肋，其具有大于所述切口的所述边缘周边的所述壁厚的周边外部厚度和等于所述主体的壁厚的周边内部厚度；其中，所述主体由凹型压力侧外壁和凸型吸力侧外壁限定，所述凹型压力侧外壁和所述凸型吸力侧外壁沿着每一者的第一径向延伸边缘连接，并且其中，所述主体的所述边缘周边由所述凹型压力侧外壁和所述凸型吸力侧外壁限定，所述凹型压力侧外壁还包括由第二径向延伸边缘分离的第一端部边缘和第二端部边缘，所述凸型吸力侧外壁包括由第三径向延伸边缘分离的第三端部边缘和第四端部边缘，并且其中，所述渐缩的肋沿着所述第一端部边缘、所述第二端部边缘、所述第二径向延伸边缘、所述第三端部边缘、所述第四边缘和所述第三径向延伸边缘邻接。
所述试样块还包括在所述主体的所述外表面中的多个研磨深度指示器；其中，所述多个研磨深度指示器各自包括在所述主体的所述外表面中的凹陷。；其中，每个凹陷具有圆形周边，在所述凹陷的底部处的所述主体的壁的厚度匹配所述试样块的预选的操作壁厚。
本发明的第三方面提供了一种非暂时性计算机可读存储介质，其存储代表用于替换涡轮机械的热气体路径部件中的切口的试样块的代码，该试样块由计算机化的增材制造系统在执行所述代码时物理地生成，所述代码包括代表该试样块的代码，该试样块包括：主体，其具有外表面；和多个研磨深度指示器，其在主体的外表面中。
其中，所述多个研磨深度指示器各自包括在所述主体的所述外表面中的凹陷；其中，所述主体包括构造成与所述切口的边缘周边配合的边缘周边，其中所述主体的所述边缘周边的至少一部分的壁厚大于所述切口的所述边缘周边的壁厚；其中，壁厚大于所述切口的所述边缘周边的所述壁厚的所述主体的所述边缘周边的所述至少一部分由以下限定：渐缩的肋，其具有大于所述切口的所述边缘周边的所述壁厚的周边外部厚度和等于所述主体的壁厚的周边内部厚度。
其中，所述主体由凹型压力侧外壁和凸型吸力侧外壁限定，所述凹型压力侧外壁和所述凸型吸力侧外壁沿着每一者的第一径向延伸边缘连接，并且其中，所述主体的所述边缘周边由所述凹型压力侧外壁和所述凸型吸力侧外壁限定，所述凹型压力侧外壁还包括由第二径向延伸边缘分离的第一端部边缘和第二端部边缘，所述凸型吸力侧外壁包括由第三径向延伸边缘分离的第三端部边缘和第四端部边缘，并且其中，所述渐缩的肋沿着所述第一端部边缘、所述第二端部边缘、所述第二径向延伸边缘、所述第三端部边缘、所述第四边缘和所述第三径向延伸边缘邻接。
本发明的第四方面提供了一种用于替换涡轮机械的热气体路径部件中的切口的试样块，该试样块包括：主体，其具有外表面；室，其在主体内以用于接纳冷却剂流；和通道，其从所述室延伸至主体的外表面，其中，通道包括：在主体的壁内的内部部分，其具有第一垂直横截面区域；和在主体的外表面处的出口部分，其具有大于第一垂直横截面区域的第二垂直横截面区域。
本发明的第五方面提供了一种涡轮机械的热气体路径部件，该部件包括：主体，其具有外表面；室，其在主体内以用于接纳冷却剂流；和通道，其从所述室延伸至主体的外表面，其中，通道包括：在主体的壁内的内部部分，其具有第一垂直横截面区域；和在主体的外表面处的出口部分，其具有大于第一垂直横截面区域的第二垂直横截面区域。
本发明的第六方面提供了一种非暂时性计算机可读存储介质，其存储代表用于替换涡轮机械的热气体路径部件中的切口的试样块的代码，该试样块由计算机化的增材制造系统在执行所述代码时物理地生成，所述代码包括代表该试样块的代码，该试样块包括：主体，其具有外表面；室，其在主体内以用于接纳冷却剂流；和通道，其从所述室延伸至主体的外表面，其中，通道包括：在主体的壁内的内部部分，其具有第一垂直横截面区域；和在主体的外表面处的出口部分，其具有大于第一垂直横截面区域的第二垂直横截面区域。
本发明的示例性方面设计用于解决本说明书描述的问题和/或未讨论的其它问题。
附图说明
根据结合附图的本发明的各个方面的以下详细描述，本发明的这些和其它特征将更容易被理解，附图示出本发明的各种实施例，其中：
图1示出了呈燃气涡轮系统形式的示例性涡轮机械的示意图。
图2示出了示例性燃气涡轮组件的剖视图，该组件可以与图1中的燃气涡轮系统一起使用。
图3示出了涡轮转子叶片的透视图，该涡轮转子叶片是本发明的实施例可以用于的类型。
图4示出了涡轮静叶的透视图，该涡轮静叶是本发明的实施例可以用于的类型。
图5示出了根据本发明的实施例的试样块的上部透视图。
图6示出了从试样块的凸型吸力侧看的图5的试样块的侧视图。
图7示出了从试样块的凸型吸力侧看的图5的试样块沿着图5中的线7-7的剖视图。
图8示出了从试样块的凹型压力侧看的图5的试样块的侧视图。
图9示出了从试样块的凹型压力侧看的图5的试样块沿着图5中的线9-9的剖视图。
图10示出了安装在切口中的试样块的一部分沿着图4中的线10-10的放大剖视图。
图11示出了根据本发明的实施例的试样块的另一个上部透视图。
图12示出了根据本发明的实施例的包括研磨深度指示器的试样块的示意性剖视图。
图13示出了根据本发明的另一个实施例的安装在切口中的试样块的一部分沿着图4中的线10-10的放大剖视图。
图14示出了根据本发明的实施例的研磨深度指示器的透视图。
图15示出了常规的近壁冷却通道的局部剖视图。
图16示出了根据本发明的实施例的包括近壁冷却通道的试样块的局部剖视图。
图17示出了根据本发明的实施例的包括近壁冷却通道的图16的试样块的局部剖视图，其具有施加到其的至少一个涂层。
图18示出了根据本发明的另一个实施例的包括近壁冷却通道的试样块的局部剖视图。
图19示出了根据本发明的实施例的包括近壁冷却通道的图18的试样块的局部剖视图，其具有施加到其的至少一个涂层。
图20示出了增材制造工艺的框图，该工艺包括存储代表根据本发明的实施例的试样块的代码的非暂时性计算机可读存储介质。
应当指出，本发明的附图不按比例绘制。附图旨在仅示出本发明的典型方面，因此不应视为是对本发明范围的限制。在附图中，相同的数字表示各图之间的相同元件。
具体实施方式
首先，为了清楚地描述本发明，有必要在引用和描述燃气涡轮内的相关机器部件时选择某些术语。此时，如有可能，将通过与其公认的含义一致的方式使用和采用通用的工业术语。除非另有说明，此类术语应获得与本申请的语境和所附权利要求的范围一致的广义的解释。本领域的普通技术人员应当理解，特定的部件常常可能使用若干不同或重叠的术语来引用。在本说明书中可能描述为单件的对象在另一语境下可包括多个部件和被引用为由多个部件组成。备选地，在本说明书中可能描述为包括多个部件的对象可能在其它地方被引用为单件。
此外，若干描述性术语可以在本说明书中经常使用，并且在此部分开始处定义这些术语可能证明是有帮助的。除非另有说明，这些术语及其定义如下所述。如本说明书所用，“下游”和“上游”是指示相对于诸如通过涡轮发动机的工作流体的流体的流动或例如通过燃烧器的空气或通过涡轮的部件系统之一的冷却剂的流动的方向的术语。术语“下游”对应于流体流动的方向，术语“上游”是指与流动相对的方向。在没有任何进一步指明的情况下，术语“前”和“后”是指方向，其中“前”是指发动机的前端或压缩机端，并且“后”是指发动机的后端或涡轮端。常常需要描述相对于中心轴线处于不同径向位置的零件。术语“径向”是指垂直于一轴线的移动或位置。在这样的情况下，如果第一部件位于比第二部件更靠近轴线处，则在本说明书中将表述为第一部件在第二部件的“径向向内”处或“内侧”。另一方面，如果第一部件位于比第二部件更远离轴线处，则在本说明书中可以表述为第一部件在第二部件的“径向向外”处或“外侧”。术语“轴向”是指平行于轴线的移动或位置。最后，术语“周向”是指围绕轴线的移动或位置。应当理解，此类术语可以相对于涡轮的中心轴线而应用。
本说明书在说明书和权利要求书中通篇使用的近似语言可用于修饰任何定量表示，这些定量表示可容许变化而不会导致其相关的基本功能变化。因此，由诸如“约”、“大约”和“基本上”的一个或多个术语修饰的值不限于指定的确切值。在至少一些情况下，近似语言可对应于用于测量该值的仪器的精度。此处以及说明书和权利要求书通篇中，范围极限可以组合和/或互换，这样的范围被标示且包括包含在其中的所有子范围，除非上下文或语言表明不是这样。应用于一范围的特定值的“大约”适用于两个值，并且除非另外依赖于测量该值的仪器的精度，可以指示所述值的+/-10％。
本发明包括用于利用试样块改造和升级燃气涡轮热气体路径部件的模块化制造概念。该概念依赖于用试样块(插件)替换热气体路径部件的较大区段，该试样块可以包含性能增加的特征，例如，更高效的冷却设计。本发明提供了一种试样块，其不仅能够实现更高的性能，而且提供有助于以较低成本实现高质量制造的制造辅助特征。
图1示出了呈燃烧或燃气涡轮系统形式的示例性涡轮机械100的示意图。涡轮机械100包括压缩机102和燃烧器104。燃烧器104包括燃烧区域105和燃料喷嘴组件106。涡轮机械100还包括涡轮组件108和压缩机/涡轮公共轴110(有时称为转子110)。在一个实施例中，燃烧涡轮系统是可从南卡罗来纳州格林维尔的通用电气公司商购获得的MS7001FB发动机，有时称为7FB发动机。本发明不限于任何一种特定的燃烧涡轮系统，并且可以结合其它发动机植入，包括例如通用电气公司的MS7001FA(7FA)、MS9001FA(9FA)、7HA和9HA发动机型号。此外，本发明不限于任何特定的涡轮机械，并且可以适用于例如蒸汽涡轮、喷气发动机、压缩机、涡扇发动机等。
在操作中，空气流过压缩机102，并且压缩空气被供应至燃烧器104。具体而言，压缩空气被供应至与燃烧器104一体化的燃料喷嘴组件106。组件106与燃烧区域105流连通(flow communication)。燃料喷嘴组件106也与燃料源(图1中未示出)流连通，并将燃料和空气导引至燃烧区域105。燃烧器104点燃并燃烧燃料。燃烧器104与涡轮组件108流连通，气体流热能由于涡轮组件而转化为机械旋转能。涡轮组件108可旋转地联接到转子110并驱动转子。压缩机102也可旋转地联接到转子110。在示例性实施例中，存在多个燃烧器104和燃料喷嘴组件106。
图2示出了涡轮机械100(图1)的示例性涡轮组件108的剖视图，其可以与图1中的燃气涡轮系统一起使用。涡轮组件108包括叶片排109，其联接到涡轮机械100的静止的壳体并且轴向地邻近另一叶片排113。这里，叶片排109包括静止的叶片或静叶112。静叶112可以由径向外部平台114和径向内部平台116保持在涡轮组件108中。涡轮组件108中的叶片排113包括旋转的叶片120，其联接到转子110且随转子旋转。旋转的叶片120可包括联接到转子110的径向向内平台122(在叶片的根部处)和径向向外顶端护罩124(在叶片的顶端处)。如本说明书所用，术语“叶片”或“热气体路径部件”应总体上表示静止的静叶或叶片112和旋转的叶片120，除非另外说明。
图3和图4示出了涡轮机械的示例性热气体路径部件，其中试样块替换热气体路径部件中的切口。图3示出了涡轮转子叶片130的透视图，该涡轮转子叶片是本发明的实施例可以用于的类型。涡轮转子叶片130包括根部132，转子叶片130通过根部132附接到转子110(图2)。根部132可包括燕尾榫，其被构造用于安装在转子盘的周边中的对应的燕尾榫狭槽内。根部132还可包括在燕尾榫和平台134之间延伸的叶柄，平台134设置在翼型件136和根部132的接合部处，并且限定通过涡轮100的流动路径的内侧边界的一部分。应当理解，翼型件136是转子叶片130的活动部件，其截断工作流体的流并且引起转子盘旋转。虽然本示例的叶片是涡轮转子叶片130，但应当理解，本发明也可以应用于涡轮发动机100内的其它类型的叶片，包括涡轮静止叶片112(图2)(静叶)。可以看到，转子叶片130的翼型件136包括凹型压力侧(PS)外壁140和周向或侧向相对的凸型吸力侧(SS)外壁142，外壁140和外壁142分别在相对的前边缘144和后边缘146之间轴向延伸。侧壁140和142也在径向方向上从平台134延伸至外侧顶端148。
图4示出了静叶150的透视图，该静叶是本发明的实施例可以用于的类型。静止的静叶150包括外部平台152，静止的静叶150通过外部平台152附接到涡轮机械的壳体。外部平台152可包括任何目前已知或以后开发的安装构型，以用于安装在壳体中的对应的安装座中。静止的静叶150还可包括内部平台154，以用于定位在相邻的涡轮转子叶片130(图3)平台134(图3)之间。平台152、154限定穿过涡轮100的流动路径的外侧和内侧边界的相应部分。应当理解，翼型件156是静止的静叶150的活动部件，其截断工作流体的流并将其朝涡轮转子叶片130(图3)导向。可以看到，静止的静叶150的翼型件156包括凹型压力侧(PS)外壁160和周向或侧向相对的凸型吸力侧(SS)外壁162，外壁160和外壁162分别在相对的前边缘164和后边缘166之间轴向延伸。侧壁160和162也在径向方向上从平台154延伸至平台152。
作为热气体路径部件的示例的涡轮转子叶片130(图3)和静止的静叶150(图4)也都包括根据本发明的实施例的试样块170、300，其分别被定位在叶片130的前边缘144和静叶150的前边缘164的切口172中。根据本发明和本说明书所述的试样块170、300的实施例将包括适用于涡轮转子叶片130或静叶150的方面。应当理解，本说明书未描述的试样块170、300的其它特征可以针对特定应用(即，转子叶片或静叶)被定制化，例如但不限于内部冷却结构、切口形状、外壁角度调整/形状等。
如图3和图4所示，试样块170、300被非常紧密地定位在切口172内。为了实现这些严格的公差并确保在试样块和叶片之间的最佳配合，相同的加工路径可以用于形成试样块和切口，例如，使用试样块和热气体路径部件的电火花线切割加工(EDM)。如本说明书所指出的，在一种方法中，线EDM控制程序(wire EDM control program)被准备并首先用于试样块的精密加工。然后，相同的控制程序被第二次使用以加工热气体路径部件中的匹配切口。在此第二步骤期间，仅补偿切割工具的宽度(即，EDM线厚度)，从而在增材制造的(additivemanufactured)试样块和原始部件之间实现几乎“零间隙”的配合。然而，如所指出的，在试样块和切口之间仍可存在间隙。
参看图5-9，更详细地示出了根据本发明的实施例的试样块170。图5示出了试样块170的上部透视图；图6示出了侧视图，并且图7示出了从试样块170的凸型吸力侧看的剖视图(沿着图5中的线7-7)；图8示出了侧视图，并且图9示出了从试样块170的凹型压力侧看的剖视图(沿着图5中的线9-9)。试样块170可包括主体180。如图所示，主体180可具有外表面182。主体180可以由凹型压力侧外壁184和凸型吸力侧外壁186限定，如在图5中最清楚所示，外壁184和外壁186沿着每一者的径向延伸边缘188联接(边缘188在如图所示前边缘试样块中是前边缘)。外壁184、186在两者间限定径向延伸的室190。连接壁192(图5)可以在凹型压力侧外壁184和凸型吸力侧外壁186的相应的后边缘194、196(图6-9)之间延伸以封闭试样块170的后端。虽然未清楚示出，但应当理解，径向延伸的室190(图5、图7和图9)可包括分隔室的许多种冷却结构中的任一者，例如但不限于：肋、冲击套管和销组。
试样块170可以利用高温硬钎焊技术以试样块170与热气体路径部件中的切口172的高度准确的几何配合联接到切口172(图3和4)中。为了获得试样块170和切口172之间的最佳配合并确保足够的硬钎焊区域，根据本发明的实施例，试样块170在硬钎焊接头的紧邻区域中加厚。为了进一步解释，如图5-9所示和在图10的放大剖视图中最清楚所示，主体180还包括边缘周边200(图5)，其被构造成与切口172的边缘周边202(图3和图4)配合。根据本发明的实施例，主体180的边缘周边200的至少一部分210(图5-9中的阴影部分)的壁厚TR(图10)大于切口172的边缘周边202的壁厚T1(图10)。此外，主体180的边缘周边200的所述至少一部分210也可具有这样的壁厚TR(图10)：其大于试样块170的其余部分，即主体180的其余部分(当完工时)的壁厚TN(图10)(TR>TN)。如在图10中最清楚所示，具有更大的壁厚的主体180的边缘周边200的所述至少一部分210可以由下列部分限定：渐缩的肋212(图5-9中的阴影部分)。渐缩的肋212可具有大于切口172的边缘周边202的壁厚T1的周边外部厚度TR(图10)和主体180的周边内部厚度TN。内部壁厚TN可大致厚于切口172的边缘周边202的壁厚T1。渐缩的肋212在试样块170的周边处提供相比热气体路径部件的标称壁厚TN略厚的壁，这确保在试样块170和切口172之间的硬钎焊接头的足够大的横截面，以提供用于硬钎焊接合的最佳配合，例如，小于50μm的间隙。渐缩的肋212可以从外周边200向内延伸，并且它可以接着逐渐地减小至试样块170的标称壁厚(图10)。
如所指出的，主体180由沿着每一者的第一径向延伸边缘188连接的凹型压力侧外壁184和凸型吸力侧外壁186限定。主体180的边缘周边200可以由凹型压力侧外壁184和凸型吸力侧外壁186的边缘限定。为此，凹型压力侧壁184包括由第二径向延伸边缘224分离的第一端部边缘220(图7-8)和第二端部边缘222(图5和图7-8)，并且凸型吸力侧外壁186包括由第三径向延伸边缘230分离的第三端部边缘226和第四端部边缘228。图11示出了试样块170的另一个透视图。渐缩的肋212沿着第一端部边缘220、第二端部边缘222、第二径向延伸边缘224、第三端部边缘226、第四边缘228和第三径向延伸边缘230邻接。然而，应当强调，渐缩的肋212可以仅沿着附加的硬钎焊材料被保证(warranted)的所选边缘延伸。如图7、图9和图11所示，渐缩的肋214的至少一部分也可以沿着连接壁192的边缘(上部和/或下部)延伸。如图所示，渐缩的肋214可以从边缘向内延伸，并且它可以接着逐渐地减小至试样块170的标称壁厚(图7和图9)。
渐缩的肋212、214可具有任何厚度，并且可以从需要提供足够的材料和润湿表面以进行硬钎焊(brazing)的相应的边缘延伸任何距离。在一个实施例中，渐缩的肋212、214可具有例如大约0.5毫米(mm)的附加厚度。渐缩的肋212、214可具有从周边朝前边缘188测量的1至5mm的长度。渐缩提供逐渐的过渡，这避免在试样块170的外侧和内侧上的过度急剧变化的台阶，过度急剧变化的台阶与常规增材制造实践相称，常规增材制造实践旨在使试样块尺寸保持尽可能小，以避免必须从粉末床生成的任何多余的材料体积。
根据本发明的另一个实施例，如在图12的示意性剖视图和图13的放大剖视图中所示，试样块170可包括壁184、186，其可以相比热气体路径部件的标称壁厚TN(最终操作厚度)略厚。作为示例，相比常规试样块，例如0.2mm的附加壁厚TA可添加到试样块170的外表面182。附加的0.2mm厚度TA提供足够的材料，以用于在试样块170硬钎焊之后的手动轮廓再修整步骤，并且确保在这样的轮廓再修整之后试样块的所需壁厚。渐缩的肋212、214可以添加至附加的0.2mm的顶部上，即，在周边处0.4mm的总附加厚度。在图13所示另一个选项中，例如大约0.4mm厚的附加的材料213也可被添加至试样块170的内表面183，在该处存在渐缩的肋212、214，以确保用于接合的足够的硬钎焊区域，甚至当试样块和切口之间可能存在少量的失配时。该附加厚度远离渐缩的肋212、214。
即使在外表面182添加了附加的厚度TA，在试样块接合之后提供精确的手动轮廓再修整也存在保持最小壁厚要求方面的挑战，尤其对于近壁冷却方案来说。为了解决这个问题并且相比常规试样块，如在图5、图6和图8中最清楚所示，试样块170也可包括在主体180的外表面182中的多个研磨深度指示器250。“研磨深度指示器”可包括在主体180的外表面182中具有预定且受控的深度的任何几何特征。在一个实施例中，如图12所示，研磨深度指示器250各自包括在主体180的外表面182中的凹陷252，即，如通过附加厚度TA所添加的那样。虽然它们实际上可呈现任何形状，但在图14的透视图所示的一个示例中，每个凹陷可具有圆形周边254，即，类似于在高尔夫球上的常规圆形凹坑。在任何情况下，如图12所示，在凹陷252的底部处的主体180的壁(例如，184、186)的厚度TD匹配或几乎匹配试样块170的预选操作壁厚。深度指示器250可以均匀分布在外表面182上(例如，图8的左侧)，或者在外表面182上具有某些簇(例如，参见图8中的虚线椭圆)。
在操作中，研磨操作者对试样块170进行轮廓再修整，当深度指示器250变得较浅且最终消失时，它们提供关于在哪里停止研磨的指示，从而提供均匀的平滑化而没有过度的局部研磨。只要深度指示器250的部分可见，研磨者就能确信在部件的热气体侧与外壁184、186内的径向内室190和/或一体化的近壁冷却通道之间的壁厚仍高于标称壁厚。试样块170的增材制造的使用允许在无额外成本的情况下添加深度指示器250。参看图12，在其中深度指示器250的深度TI为150微米(μm)并且厚度TO的过大尺寸为200μm的示例性实施中，当深度指示器250开始消失时，可以存在与试样块170的标称壁厚TN的例如50μm的安全裕度TS。距深度指示器250的中心的小的残余标记可以被容忍，因为它们的相对面积比起外表面182的平滑化面积是非常小的。因此，在结合涂层和热障涂层的例如后续的涂布步骤期间，存在形成结合缺陷的忽略不计的风险。在施加(多个)涂层之后，深度指示器250的任何剩余部分在试样块170的新的外表面上是不可见的。
虽然研磨深度指示器250和渐缩的肋212、214示出为一起使用，但应当强调，试样块170可包括每次仅深度指示器250或渐缩的肋212、214中的一个。
进一步参照在接合和轮廓再修整步骤实施之后施加到试样块的涂层，本发明的另一个实施例解决了由涂层过度喷涂导致的现有冷却通道的不可避免的阻塞问题。图15示出了具有图示近壁冷却通道262的常规试样块260的局部剖视图。冷却通道262可包括在试样块260的主体268的壁266(外壁)内延伸的内部部分264，其与主体268的外表面270平行或成<15°的角度。在内部部分264的弯曲部274之后，出口部分272以相对于外表面270不垂直的角度与外表面270相交。通道262可具有贯穿的均匀的垂直横截面区域(对于圆形横截面，由在部分264、272中的直径D1指示)；然而，这不是所有情况下必要的。如本说明书所用，“垂直横截面区域”指示由横跨通道的内表面正交地截取的横截面限定的区域。如图所示，由于涂层280、282的喷涂的方向(箭头)，在涂层260被施加之后，涂层280、282部分地填充出口部分272，因此有必要进行堵塞的冷却通道的再开通步骤，以便满足热气体路径部件的气流要求。通道出口部分272的这种再开通是耗时且昂贵的，并且可以导致断裂的工具阻塞通道。
参看图16-19，在另一个实施例中，提供了试样块300，以用于替换涡轮机械的热气体路径部件中的切口172(图3和图4)。图16-17示出了一个实施例，图18-19示出了另一个实施例，它们可以单独地或共同地使用。图16-19均示出了试样块300的局部剖视图，图16和图18是在涂层施加之前，图17和图19是在涂层施加之后。在这些实施例中，试样块300可包括近壁冷却通道，其中在主体的外表面处的出口部分包括由在出口部分中的后仰角(laybackangle)和/或凹处(nook)形成的相比出口部分272(图15)扩大的空间，以防止被施加在其上的(多个)涂层阻塞。扩大空间的凹部提供了能够接纳(多个)涂层的空间，使得通道的垂直横截面区域保持足够大，以提供所需的冷却并防止被再开通出口部分所需的任何工具的破碎物堵塞。
如图16-19所示，试样块300可包括具有外表面304的主体302。主体302可以基本上类似于主体180(图5-11)，并且可包括上述实施例中的任一个。主体302可包括外壁305，类似于外壁184、186(图5-11)。室306被定位在主体302内以用于接纳冷却剂的流。室306可包括任何目前已知的或以后开发的室，例如，其径向延伸的室190(图5)和/或隔离的室。通道310从室306延伸至主体302的外表面304，以从室306内递送冷却剂，从而冷却壁305和其它结构。通道310可具有任意多种横截面形状，例如，圆形、多边形等。在任何情况下，如图17和图19所示，通道310包括：内部部分312，其在主体302的壁305内且具有第一垂直横截面区域(用附图标记D2表示)；和出口部分314，其在主体302的外表面304处且具有大于第一垂直横截面区域(在D2处)的第二垂直横截面区域(用附图标记D3表示)。如将要描述的，第二垂直横截面区域(在D3处)大于第一垂直横截面区域(在D2处)，即使已施加至少一个涂层322、324。
出口部分314以相对于外表面304的非垂直角度α与外表面304相交。内部部分312可包括至少一个部段，其在主体302的壁305内相对于主体302的外表面304以小于15°的角度延伸，并且如理解那样在向内端处通往室306(参见图16和图18中的虚线)、且在弯曲部316处过渡至出口部分314。在一个实施例中，内部部分312可包括至少一个部段，其在主体302的壁305内与主体302的外表面304平行地(成0°)延伸。虽然示出了内部部分312的特定示例，但应当强调，内部部分可采用各种各样的备选路径，例如，具有沿着冷却剂流动路径的至少一个弯曲部的非直路径。虽然第二垂直横截面区域显示处于弯曲部316下游的特定位置(D3)处，但应当理解，在弯曲部316下游的任何位置处的垂直横截面区域可以大于第一垂直横截面区域(用附图标记D2表示)，其本身可以在弯曲部316上游的任何位置处。
如图16-19所示，第二垂直横截面区域D3可以由过量涂层凹部320限定，过量涂层凹部320的扩大的空间由图16和图18中的淡阴影显示，以用于在其中保持如图17和图19所示至少一个涂层322、324。在图16和图17中，过量涂层凹部320可以通过使出口部分314的边缘接近外表面304的角度β后仰(laying back)(β<α)而形成，从而形成在弯曲部316下游扩大的第三垂直横截面区域D4。比较图15和图16。也就是说，第三垂直横截面区域D4被限定在第二垂直横截面区域D3的位置处，但在其中具有所述至少一个涂层322、324且大于第一垂直横截面区域D2。在图18和图19中，通过使出口部分314的边缘接近外表面304的角度β后仰(β<α)并且使弯曲部316下游的通道310进一步凹进，可以形成过量涂层凹部320(参见附加的凹处或凹陷处330)，从而形成弯曲部316下游的扩大的第四垂直横截面区域D5。比较图17和图19。也就是说，第四垂直横截面区域D5被限定在第二垂直横截面区域D3的位置处，但在其中具有(多个)涂层322、324且大于第一垂直横截面区域D2。第四垂直横截面区域D5也可以大于第三垂直横截面区域D4(图17)。
无论如何设置，凹部320都可以提供用于接纳(多个)涂层322、324的增加的空间，使得出口部分314的空间足够大，以提供所需的冷却剂流，即使在其一部分被(多个)涂层322、324填充时。凹部320充当(多个)涂层322、324过度喷涂的贮存器，并且在选择手动加工来移除过度喷涂物时减少加工工具的弯曲。凹部320也使在(多个)涂层322、324的沉积之后出口部分314的再开通变得容易且迅速得多，并且也减小了工具破碎的风险。凹部320也可消除对通过手动加工提供对通道310的任何再开通/铰扩(reaming)的需求。凹部320的大小(即，后仰角β和/或凹处330的大小)可以被定制，以便在给定通道310的其它尺寸和/或曲率、所用(多个)涂层及其预计厚度等的情况下确保所需的冷却剂流量。如有必要，可以调整其它结构以适应出口部分314，例如，可以调整出口部分314的另一边缘的角度，可以调整在相邻内部部分312之间的间距等。
在一个示例中，(多个)涂层322、324示出为包括结合涂层322和热障涂层(TBC)324；然而，(多个)涂层可包括在涡轮机械环境中施加的任何目前已知的或以后开发的材料层。在另一示例中，仅金属结合/包覆涂层被施加，而不存在TBC。
虽然本说明书将各种实施例和试样块170、300描述为单独的变型，但应当强调，本发明的任何教导可共同地或单独地使用。此外，虽然本说明书将试样块170、300描述和示出为前边缘试样块，但本发明的教导同样地适用于后边缘试样块。试样块170、300也可包括与其目的相称的任何其它目前已知或以后开发的结构，例如，内部冷却结构、近壁冷却通道等。在一个特定示例中，切口172的径向面向内部的端部可与试样块170、300的配合的端部成角度，使得从其凹型压力侧外壁施加到试样块170、300的压力将试样块挤入切口172中，即，切口将试样块座置在其中。
试样块170、300(分别在图5-11和图16-19中)可以通过多种方式形成。在一个实施例中，试样块170、300可以通过浇注制成。然而，如本说明书所指出的，增材制造特别适合制造试样块170、300。如本说明书所用，增材制造(AM)可包括通过材料的连续的成层而不是像在常规工艺中那样移除材料来生产物体的任何工艺。增材制造可形成复杂的几何形状，而不使用任何种类的工具、模具或夹具，并且很少或没有废料。代替从塑料或金属的实心坯加工部件(许多材料被切掉并丢弃)，在增材制造中使用的唯一材料是使零件成形所需的材料。增材制造工艺可包括但不限于：3D打印、快速成型(RP)、直接数字化制造(DDM)、结合剂喷射、选择性激光熔融(SLM)和直接金属激光熔融(DMLM)。在目前情况下，已发现DMLM或SLM具有许多优点。
为了图示增材制造工艺的示例，图20示出了用于生成物体902的示例性计算机化增材制造系统900的示意图/框图。在该示例中，系统900布置用于DMLM。应当理解，本发明的一般教导同等地适用于其它形式的增材制造。物体902示出为双层壁的涡轮元件；然而，应当理解，增材制造工艺可容易地适用于制造试样块170、300。AM系统900通常包括计算机化增材制造(AM)控制系统904和AM打印机906。如将要描述的，AM系统900执行代码920，该代码包括限定试样块170、300的一套计算机可执行指令，以使用AM打印机906物理地生成物体。每种AM工艺可以使用呈例如细粒粉末、液体(例如，聚合物)、片材等形式的不同的原材料，其坯料可以保持在AM打印机906的室910中。在这种情况下，试样块170、300可以由能够经受涡轮机械100(图1)的环境的金属或金属化合物制成。如图所示，施用器912可以形成扩展为空白画布的原材料914的薄层，最终物体的每个连续的切片将从空白画布形成。在其它情况下，施用器912可以将下一层直接施加或打印在前一层上，如由代码920所限定的，例如，在使用金属结合剂喷射工艺的情况下。在所示示例中，激光或电子束916使每个切片的颗粒熔合，如由代码920所限定的，但在采用快速定型的液体塑料/聚合物的情况下这可能不是必要的。AM打印机906的各种零件可以移动以适应每个新层的添加，例如，在每个层之后，构建平台918可以下降和/或室910和/或施用器912可以升高。
AM控制系统904显示为在计算机930上实施为计算机程序代码。在这种情况下，计算机930显示为包括存储器932、处理器934、输入/输出(I/O)接口936和总线938。此外，计算机930显示为与外部I/O设备/资源940和存储系统942。通常，处理器934执行诸如AM控制系统904的计算机程序代码，该代码在来自代表本说明书所述试样块170、300的代码920的指令下存储在存储器932和/或存储系统942中。在执行计算机程序代码的同时，处理器934可从存储器932、存储系统942、I/O设备940和/或AM打印机906读取数据和/或写入数据到存储器932、存储系统942、I/O设备940和/或AM打印机906。总线(Bus)938提供在计算机930中的每一个部件之间的通信链路，并且I/O设备940可包括允许用户与计算机940交互的任何设备(例如，键盘、定点设备、显示器等)。计算机930仅代表硬件和软件的各种可能的组合。例如，处理器934可包括单个处理单元，或者分布在一个或多个位置的一个或多个处理单元之间，例如，在客户端和服务器上。类似地，存储器932和/或存储系统942可以驻留在一个或多个物理位置处。存储器932和/或存储系统942可包括各种类型的非暂时性计算机可读存储介质的任何组合，包括磁介质、光学介质、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)等。计算机930可包括任何类型的计算设备，例如，网络服务器、台式计算机、膝上型计算机、手持设备、移动电话、传呼机、个人数据助理等。
增材制造工艺始于存储代表试样块170、300的代码920的非暂时性计算机可读存储介质(例如，存储器932、存储系统942等)。如所指出的，代码920包括限定外部电极的一组计算机可执行指令，在由系统900执行该代码时，该电极可用来物理地生成顶端。例如，代码920可包括外部电极的精确地限定的3D模型，并且可从各种各样的熟知的计算机辅助设计(CAD)软件系统中的任一种生成，软件系统为例如DesignCAD 3DMax等。就这一点而言，代码920可采用任何目前已知或以后开发的文件格式。例如，代码920可以为以下格式：标准镶嵌语言(Standard Tessellation Language，STL)，该语言开发用于3D系统的立体平版印刷(stereolithography)CAD程序；或增材制造文件(AMF)，其为美国机械工程师学会(ASME)标准，并且是一种基于可扩展标记语言(extensible markup-language，XML)的格式，设计用于允许任何CAD软件来描述将在任何AM打印机上制造的任何三维物体的形状和组成。代码920可以在不同的格式之间转化，转换成一组数据信号并作为一组数据信号发送、接收，并且根据需要转换为代码、存储等。代码920可以是系统900的输入，并且可以来自零件设计者、知识产权(IP)提供方、设计公司、系统900的操作者或所有者，或来自其它来源。在任何情况下，AM控制系统904执行代码920，将试样块170、300分成一系列的薄切片，并使用AM打印机906将这些薄切片组装成液体、粉末、片材或其它材料的连续层。在DMLM示例中，每个层熔融至由代码920限定的严格几何形状并且熔合至前层。随后，试样块170、300可以暴露于任意多种精修工艺，例如，本说明书针对轮廓再修整或其它小型加工、密封、抛光等描述的那些。
本说明书所用的技术术语仅用来描述特定实施例，而并非旨在限制本发明。如本说明书所用，单数形式“一个”、“一种”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文明确表示不是这样。进一步应当理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定了所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或增加。“可选的”或“可选地”表示随后描述的事件或情形可以发生或可以不发生，并且该描述包括事件发生的情况和事件不发生的情况。
以下权利要求书中的所有手段或步骤加功能元素的对应的结构、材料、动作和等同物旨在包括如具体要求保护的用于与其它要求保护的元素结合执行该功能的任何结构、材料或动作。本发明的描述已为了说明和描述目的而提出，但其并非意图为穷举性的或局限于所公开形式的本发明。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，许多修改和变型对于本领域的普通技术人员将显而易见。实施例被选择和描述，以便最好地解释本发明及其实际应用的原理，并且使本领域的其他普通技术人员能够针对具有适合设想到的特定用途的各种修改的各种实施例理解本发明。

Claims (10)

1.一种用于替换涡轮机械的热气体路径部件中的切口的试样块，所述试样块包括：
主体，其具有外表面；以及
多个研磨深度指示器，其在所述主体的所述外表面中。
2.根据权利要求1所述的试样块，其中，所述多个研磨深度指示器各自包括在所述主体的所述外表面中的凹陷；
其中，每个凹陷具有圆形周边；其中，在所述凹陷的底部处的所述主体的壁的厚度匹配所述试样块的预选的操作壁厚。
3.根据权利要求1所述的试样块，其中，所述主体包括构造成与所述切口的边缘周边配合的边缘周边，其中所述主体的所述边缘周边的至少一部分的壁厚大于所述切口的所述边缘周边的壁厚；
其中，壁厚大于所述切口的所述边缘周边的所述壁厚的所述主体的所述边缘周边的所述至少一部分由以下限定：渐缩的肋，其具有大于所述主体的剩余部分的壁厚的周边外部厚度；
其中，所述主体由凹型压力侧外壁和凸型吸力侧外壁限定，所述凹型压力侧外壁和所述凸型吸力侧外壁沿着每一者的第一径向延伸边缘连接，并且
其中，所述主体的所述边缘周边由所述凹型压力侧外壁和所述凸型吸力侧外壁限定，所述凹型压力侧外壁还包括由第二径向延伸边缘分离的第一端部边缘和第二端部边缘，所述凸型吸力侧外壁包括由第三径向延伸边缘分离的第三端部边缘和第四端部边缘，并且
其中，所述渐缩的肋沿着所述第一端部边缘、所述第二端部边缘、所述第二径向延伸边缘、所述第三端部边缘、所述第四边缘和所述第三径向延伸边缘邻接。
4.根据权利要求1所述的试样块，其中，所述试样块通过增材制造形成。
5.一种用于替换涡轮机械的热气体路径部件中的切口的试样块，所述试样块包括：
主体，其具有构造成与所述切口的边缘周边配合的边缘周边，
其中，所述主体的所述边缘周边的至少一部分的壁厚大于所述切口的边缘周边的壁厚。
6.根据权利要求5所述的试样块，其中，壁厚大于所述切口的所述边缘周边的所述壁厚的所述主体的所述边缘周边的所述至少一部分由以下限定：渐缩的肋，其具有大于所述切口的所述边缘周边的所述壁厚的周边外部厚度和等于所述主体的壁厚的周边内部厚度；
其中，所述主体由凹型压力侧外壁和凸型吸力侧外壁限定，所述凹型压力侧外壁和所述凸型吸力侧外壁沿着每一者的第一径向延伸边缘连接，并且
其中，所述主体的所述边缘周边由所述凹型压力侧外壁和所述凸型吸力侧外壁限定，所述凹型压力侧外壁还包括由第二径向延伸边缘分离的第一端部边缘和第二端部边缘，所述凸型吸力侧外壁包括由第三径向延伸边缘分离的第三端部边缘和第四端部边缘，并且
其中，所述渐缩的肋沿着所述第一端部边缘、所述第二端部边缘、所述第二径向延伸边缘、所述第三端部边缘、所述第四边缘和所述第三径向延伸边缘邻接。
7.根据权利要求5所述的试样块，还包括在所述主体的所述外表面中的多个研磨深度指示器；
其中，所述多个研磨深度指示器各自包括在所述主体的所述外表面中的凹陷，每个凹陷具有圆形周边；其中，在所述凹陷的底部处的所述主体的壁的厚度匹配所述试样块的预选的操作壁厚。
8.一种非暂时性计算机可读存储介质，其存储代表用于替换涡轮机械的热气体路径部件中的切口的试样块的代码，所述试样块由计算机化的增材制造系统在执行所述代码时物理地生成，所述代码包括：
代表所述试样块的代码，所述试样块包括：
主体，其具有外表面；以及
多个研磨深度指示器，其在所述主体的所述外表面中。
9.根据权利要求8所述的存储介质，其中，所述多个研磨深度指示器各自包括在所述主体的所述外表面中的凹陷。
10.根据权利要求8所述的存储介质，其中，所述主体包括构造成与所述切口的边缘周边配合的边缘周边，其中所述主体的所述边缘周边的至少一部分的壁厚大于所述切口的所述边缘周边的壁厚。
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