CN108367345A - 涡轮叶片制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种制造涡轮叶片(1)的方法。所述方法包括以下步骤：‑通过增材制造过程产生壳体和核心组件，所述壳体和核心组件限定至少一个内部空腔并具有与所述涡轮叶片的至少一个内部冷却回路对应的内部结构；‑在所述壳体和核心组件的所述内部空腔中倒入熔化金属；‑使所述金属凝固；‑去除所述壳体和核心组件。

Description

涡轮叶片制造方法
技术领域
本公开涉及制造方法，并且更具体地涉及涡轮机部件的制造。本文中公开的实施例具体涉及涡轮机叶片的制造。
背景技术
熔模铸造或失蜡过程用于形成适当材料(例如金属)的复杂三维(3-D)部件。示范性铸造部件有燃气涡轮发动机的典型的涡轮转子叶片。
涡轮叶片包括翼型件，翼型件在其根部与叶片平台一体地接合，其下方是一体接合的支撑燕尾榫。翼型件是中空的，并包括沿其翼展延伸的一个或多个径向通道，所述通道始于叶片燕尾榫的内部，具有一个或多个入口以接纳燃气涡轮发动机运行过程中的加压冷却空气。
翼型件中可以有各种形式的错综复杂的冷却回路，以定制翼型件的前缘和后缘之间，从平台的根部到径向外尖端，相对的压力侧和吸力侧的不同部分的冷却。
复杂的冷却回路可以包括翼型件内沿前缘的专用通道，以用于提供其内部的冲击冷却。还可以提供沿翼型件的薄的后缘的专用通道以用于冷却后缘。可以在翼型件的中间在前缘和后缘之间设置多路蛇形通道。翼型件的三个冷却回路具有通过叶片燕尾榫延伸的对应入口以用于单独地接收加压冷却空气。
翼型件内的冷却通道可以包括局部特征，例如短湍流器肋，以用于提高翼型件的加热侧壁和内部冷却空气之间的热传递。将翼型件的径向通道分开的分隔部或桥可以包括从其通过的小旁路孔，例如典型的通过翼型件的前桥延伸的冲击冷却孔，以用于在运行中冲击冷却前缘的内部。
这些涡轮叶片通常由高强度超级合金金属材料以传统的铸造过程制成。在常见的熔模铸造或失蜡铸造过程中，首先制造精密陶瓷核心，以符合涡轮叶片内部期望的错综复杂的冷却通道。还产生精密模具或模型，其限定涡轮叶片的精密3-D外表面，包括其翼型件、平台和一体燕尾榫。
在两个半模具内组装陶瓷核心，两个半模具在其之间形成空间或空隙，限定将产生的叶片的金属部分。蜡被注入组合模具中以充满所述空隙，并包围在其中包封的陶瓷核心。分开两个半模具，取出模制蜡。模制蜡具有期望叶片的精密构型，接着用陶瓷材料涂布，以形成周围的陶瓷壳体。
蜡被熔化并从壳体上去掉，剩下陶瓷壳体和内部陶瓷核心之间的空隙或空间。然后将熔化金属倒入壳体中，充满其中的空隙，并再次包封壳体中包含的陶瓷核心。
熔化金属冷却并凝固，接着适当地去除外壳体和内核心，剩下其中出现内部冷却通道的期望的金属涡轮叶片。
铸造好的涡轮叶片然后可以经过后续的制造过程，例如根据需要通过翼型件的侧壁钻适当的几排膜冷却孔，以提供内部通道传输的冷却空气的出口，然后在燃气涡轮发动机运行期间在翼型件的外表面上形成保护冷却空气膜或覆盖层。
通常，通过提高运行过程中产生的热燃烧气体的温度，由此由涡轮叶片提取能量，从而提高燃气涡轮发动机的效率。涡轮叶片由超级合金金属制成，例如镍基超级合金，因为其在高温的增强强度可提高涡轮叶片的耐用性和可用寿命。
翼型件内部提供的错综复杂的冷却回路有助于在运行的涡轮叶片中保护叶片不受到热燃烧气体的损坏，以期望叶片的长寿命。
用于制造燃气涡轮发动机叶片的其它铸造方法在以下中公开：美国专利N.7,413,001。根据这些方法，首先用CAD系统等生成涡轮叶片的三维(3-D)模型。使用3-D模型通过立体光刻设备产生叶片的3-D合成模型。3-D合成模型具有内腔，在内腔中形成冷却介质通道。接着通过在3-D合成模型的空腔中注入流体核心材料例如陶瓷浆料，产生核心。使核心材料固化，并用陶瓷模制壳体涂布3-D合成模型的外表面。通过在适合的陶瓷浆料中反复地浸渍其中形成核心的3-D合成模型，形成陶瓷模制壳体。使外陶瓷涂层固化，因此形成外陶瓷模制壳体。随后，通过熔化，从陶瓷核心周围并从周围的陶瓷壳体内部去除3-D合成模型。熔化金属例如超级合金浇铸在陶瓷壳体中，以充满在去除3-D合成模型之后在其中形成的空腔。一旦金属变硬，则去除陶瓷壳体和陶瓷核心。随后根据需要对金属叶片进行适当的修整。
此改进的铸造方法相对现有的方法具有几个优点，但仍需要持久的复杂的操作程序。
因此，期望提供一种用于具有错综复杂的内部空隙的3-D部件(例如涡轮机叶片)的改进的铸造方法。
发明内容
本文中公开了一种制造涡轮叶片的方法，所述方法包括步骤：通过增材制造过程产生壳体和核心组件，所述壳体和核心组件限定至少一个内部空腔并具有与所述涡轮叶片的至少一个内部冷却回路对应的内部结构。在所述壳体和核心组件的所述内部空腔中倒入熔化金属，例如超级合金，比如镍基超级合金。一旦所述金属凝固，去除所述壳体和核心。如此获得的铸造涡轮叶片可以经过附加的处理步骤，例如热处理和/或修整。
根据一些实施例，所述壳体和核心组件由陶瓷粉末材料产生。所述陶瓷粉末晶粒可以涂有聚合物树脂。所述增材制造过程可以提供一个步骤，在此步骤中，形成相邻的硬化材料层，每一层具有所述壳体和核心组件的横截面的形状。所述硬化可以通过固化涂布了陶瓷颗粒的树脂获得。在固化之后，可以去除固化树脂，烧结形成所述壳体和核心组件的陶瓷材料。
聚合物树脂可以是光聚合树脂，即可以通过(例如由激光源产生的)光能量能量固化的树脂。在一些实施例中，UV激光源可以用作能量源，以促进增材制造过程中树脂的聚合。
在特别有利的实施例中，使金属晶粒按照金属凝固步骤中的优选方向生长。优选的单向晶粒生长可以按照叶片的根部到尖端方向进行。
附图说明
通过在结合附图考虑时参考以下详细描述，将易于获得且更好理解对本发明的公开实施例及本发明的附带多个优点的更完整了解，其中：
图1说明燃气涡轮叶片的透视图；
图2示意性说明用于产生陶瓷壳体和核心组件的增材制造过程；
图3说明在铸造之前陶瓷壳体和核心组件的示意性横截面图；
图4、图5和图6说明根据图3的IV-IV、V-V和VI-VI线的示意性横截面图；
图7、图8、图9和图10说明在铸造之后与图3-6相似的示意性横截面图。
具体实施方式
在图1中图示了部件1，其可以通过铸造工艺制造。所述部件可以具有任何适合的构型以用于铸造。在图1的实施例中，部件1是燃气涡轮叶片。
燃气涡轮叶片1包括翼型部分3，翼型部分3具有大致凹陷的压力侧2A和相对的大致凸起的吸力侧2B，其在相对的前缘5和后缘7之间延伸，并在根部9和外尖端11之间的径向翼展上延伸。
翼型件在其根部9整体地接合到平台13，所述平台限定热燃烧气体的内边界，在燃气涡轮机运行期间，热燃烧气体在翼型部分3的上方通过。安装燕尾榫15整体地形成于平台13下方，用于在涡轮转子盘(未示出)的周界中的对应燕尾槽中安装叶片1。
涡轮叶片1具有复杂的3-D形状。如下文所述，翼型部分3是空的，包括合适的内部冷却回路，内部冷却回路可以由从叶片的根部到尖端延伸的多个径向主通道组成。冷却回路的形状可以根据叶片设计而变化。内部冷却回路的示范性实施例在例如US 7,413,001,EP1495820,US 7,690,894,US 8,066,483中描述。内部冷却回路的形状与本公开无关，因为本文中公开的方法可以用于制造其中具有各种不同的冷却回路布置的叶片。通常，冷却回路配置并布置成循环冷却介质，例如叶片内部的冷却空气，以便去除叶片的热量，防止或减少对叶片造成与温度有关的损坏。
如上面指出的，常规的熔模铸造要求加工与形成叶片的内部冷却回路的各个通道对应的陶瓷核心。在已知方法中，通过在叶片模型的空体积中浇铸陶瓷浆料，形成陶瓷核心。通过在陶瓷浆料的容器中浸渍叶片模型，围绕叶片模型形成陶瓷壳体。使陶瓷浆料固化，因此形成具有一个或多个内核心和外壳体的陶瓷模具。例如通过熔化去除叶片模型。用熔化金属充满形成于陶瓷模具中的空腔，之后熔化金属变硬，最终去除陶瓷壳体和核心。
与常规方法不同，根据本公开，通过增材制造例如从涡轮叶片的3-D模型开始形成陶瓷壳体和内核心组件，所述3-D模型由例如CAD软件生成。壳体和核心组件形成模具，在模具中浇铸熔化金属例如高温镍基超级合金或适合制造叶片的任何其它可铸造材料，并硬化。去除由壳体和核心组件形成的模具，如此获得的叶片可以经过传统的附加热处理、机械加工、超精加工或其它制造步骤。
更具体地，图1图示的涡轮叶片1可以任何常规方式设计和定义，包括其CAD表示，使用编制到常规数字计算机中的适合的软件。目前行业中常见做法是创建非常复杂的零件(例如涡轮叶片)的3-D定义或模型，其由部件的整个构型(包括其外表面和内表面)的三维坐标表示。因此，涡轮叶片1可以由其3-D数字模型以常规方式表示，所述3-D数字模型包括涡轮叶片1的整个外表面，其包括翼型部分3、平台13和燕尾榫15，以及其内表面如其中形成冷却回路的通道所表示的的那样。
叶片1的3-D模型可以用来以电子方式控制增材制造设备。图2是示范性增材制造设备的示意图，其可以用于制造壳体和核心组件，以用于涡轮叶片1的后续铸造。
本领域技术人员都知道，增材制造是这样一个过程，其从粉末材料开始逐层制造具有复杂形状的物体，使用能量源局部地熔化、凝固或固化所述粉末材料。
可以使用用于产生壳体和核心组件SC的各种增材制造方法和设备。图2说明DMLM(直接金属激光熔化)装置201的示意图。所述装置包括激光源203，例如二氧化碳激光器。由激光源203产生的激光束LB由光学器件204聚焦，并且通过镜205偏转。镜205由可编程控制单元(未示出)控制，以遵循与要制造的壳体和核心组件SC的每一层的横截面对应的图案。在制造过程中，第一垂直活动工作台207支撑工件。第二垂直活动工作台209形成粉末材料容器的底部。可水平移动的刮板211从粉末材料容器向被制造的工件B的上部分配粉末材料。
由装置201执行的增材制造过程本身是已知的并可以概括如下。工作台207在上部位置移动，第一层粉末材料通过刮板211均匀地分布在工作台207上。激光源203被启动，激光束LB被控制以便局部地将能量施加到工作台207上的那层粉末材料，使得在与壳体和核心组件SC的横截面对应的那层的一部分中凝固粉末材料。然后将工作台207降低(箭头207)与后续一层的厚度对应的冲程。提升(箭头f209)工作台209，以使刮板211可使用另外的粉末材料。后者执行进一步的往复运动(箭头f211)，以在工作台207上的前的一层上分配下一粉末材料层，并且激光束LB被启动并由镜205移动以选择性地熔化第二层的粉末材料。
重复此过程，直到获得成品壳体和核心组件SC。
在图2的示意图中，使用了偏转镜205。在其它示范性实施例中，可以使用纤维激光器，其中，激光能量通过光纤传输，根据数控轴例如X和Y轴与工作台207平行地移动光纤的末端。
粉末材料可以是陶瓷粉末。例如，可以使用以下物质的粉末：氧化铝、锆石、锆石的化合物(例如氧化锆)、硅石或其组合。陶瓷粉末的平均晶粒大小可以在大约30目到大约140目之间。
在一些实施例中，粉末材料可以是涂布树脂的陶瓷粉末。树脂可以是适合用增材制造设备的能量源提供的能量固化的任何聚合物树脂。如果能量源是激光源，则可以使用光聚合树脂。在一些实施例中，可以用UV激光源固化树脂。例如，涂布树脂可以是聚合物树脂，包括环氧基、丙烯酸基、芳香族和脂族醚基。
在增材制造过程中能量的施加使树脂(其形成陶瓷颗粒涂层)固化，因此获得坚硬的壳体和核心组件SC。一旦已经完成增材制造过程，可以应用分离和烧结步骤，以去除固化的树脂，并烧结陶瓷零件，使得获得成品陶瓷壳体和核心组件SC。
图3-6示意性说明可以用如描述的增材制造过程制造的壳体和核心组件SC。更具体地，图3和图4说明根据与壳体和核心组件SC的生长方向垂直的平面的纵截面图，而图5和图6说明横截面图。
壳体和核心组件SC具有第一或底端SC1和第二或顶端SC2。外壳体用S标记，内核心用C标记。空腔17限定于外壳体S和内核心C之间。当熔化金属被倒入壳体和核心组件SC时，空腔17将被金属充满。一旦熔化金属凝固，则内核心C和外壳体S将被去除，使得由之前被核心C占据的容积形成叶片1的内部冷却回路。
在一些实施例中，具有可变特征的粉末材料可以用来制造壳体和核心组件SC。例如，粉末材料的特征可以从第一层到最后一层变化，使得获得从壳体和核心组件SC的底端SC1开始到顶端SC2导热率变化的壳体和核心组件SC。
作为实例，在图3中，示出壳体和核心组件SC的三个不同的部分，并在20、21和22示意性标示。在图3的示范性实施例中，三个部分的高度H20、H21和H22，即在壳体和核心组件SC的增材制造方向上的尺寸是彼此相同的。
在其它实施例中，部分20、21和22的高度H20、H21和H22可以彼此不同。此外，可以提供较小或较大数目的重叠部分。每一个部分20、21和22都是使用相同的粉末材料制造的，并且可以由多个重叠层形成。在增材制造过程中，一旦壳体和核心组件SC的第一部分例如开始部分20已经完成，则改变使用的粉末，制造下一部分21。一旦已经完成第二部分21，再次改变粉末，制造第三部分22。
在有利的实施例中，用于制造后续部分20、21和22的粉末材料的至少一个特征被改变，以获得从壳体和核心组件SC的第一端SC1到第二端SC2变化的导热率。例如，粉末材料的晶粒大小从第一部分20到最后一部分22可以不同。粉末材料的特征被改变以从壳体和核心组件SC的第一底端SC1到壳体和核心组件SC的第二顶端SC2具有降低的导热率。
根据一些实施例，为了修改壳体和核心组件SC的导热率特征，部分20、21和22的厚度TH也可以从壳体和核心组件SC的第一底端SC1到第二顶端SC2变化。更具体地，厚度即在与壳体和核心组件SC的生成方向垂直的方向上壳体的尺寸增大。
在一些实施例中，可以在壳体和核心组件SC的第一底端SC1提供由具有高导热率的材料制成的散热板23。散热板23可以由导热率优选等于或高于大约200Wm-1K-1，更优选等于或大于大约300Wm-1K-1的材料制成。例如，散热板23可以由铜或银制成。
在下一步骤中，在壳体和核心组件SC中例如通过合适的通道19浇铸熔化金属例如熔化超级合金，所述通道可以在壳体和核心组件SC的顶端SC2提供。热通过壳体和核心组件SC的壳体S耗散，金属逐渐凝固。壳体S的可变导热率和可变厚度使得能促进熔化金属主要在单方向凝固。更具体地，在与翼型件高度平行的单个优选方向(即平行于根部-尖端方向)上实现晶粒生长。优选的结晶方向选择为金属例如高温超级合金具有各向异性性质的方向，当晶粒在叶片的根部到尖端方向生长时，获得提高的疲劳和蠕变强度。
图7-10说明在浇铸金属之后与图3-6相同的截面图，在壳体和核心组件SC中形成叶片1。
一旦壳体和核心组件SC中浇铸的金属凝固，则去除形成壳体S和核心C的陶瓷材料，叶片1可以经过附加的传统热处理和/或机械加工，以获得成品叶片1。
虽然本文所描述的主题的公开实施例已在图式中示出且在上文结合若干示范性实施例精确且详细地进行充分描述，但对于所属领域的技术人员来说将显而易见的是，在未实质脱离本文所阐述的新颖教示、原理和概念以及所附权利要求书中叙述的主题的优点的情况下可能有许多修改、改变和省略。因此，所公开的创新的适当范围应仅由所附权利要求书的最广义解释确定，以涵盖所有此类修改、改变及省略。另外，任何过程或方法步骤的次序或序列可根据替代实施例而变化或重新排序。

Claims (14)

1.一种制造涡轮叶片的方法，所述方法包括：
-通过增材制造过程产生壳体和核心组件，所述壳体和核心组件限定至少一个内部空腔并具有与所述涡轮叶片的至少一个内部冷却回路对应的内部结构；
-在所述壳体和核心组件的所述内部空腔中倒入熔化金属；
-使所述金属凝固；
-去除所述壳体和核心组件；
其中，使所述熔化金属以优选的单向晶粒生长凝固，因此获得定向凝固的涡轮叶片。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述壳体和核心组件由陶瓷粉末材料产生。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述壳体和核心组件由涂布树脂的陶瓷粉末材料产生，所述涂布树脂的陶瓷粉末材料是逐层沉积的。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述陶瓷粉末材料涂有光聚合树脂。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其还包括步骤：去除所述树脂，并且烧结所述陶瓷粉末，以获得烧结的陶瓷壳体和核心组件。
6.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述陶瓷粉末材料从以下组成的组中选择：氧化铝、锆石、锆基化合物、氧化锆、硅石或其组合。
7.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述优选的单向晶粒生长为所述叶片的根部到尖端方向。
8.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述增材制造过程包括步骤：顺序地沉积具有不同的导热率的至少两层粉末材料。
9.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述增材制造过程包括步骤：形成壳体和核心组件，其具有从所述壳体和核心组件的第一端向所述壳体和核心组件的第二端减小的导热率。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，所述导热率从与所述涡轮叶片的平台对应的所述壳体和核心组件的底端到与所述涡轮叶片的尖端对应的所述壳体和核心组件的顶端降低。
11.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，形成所述壳体和核心组件，其中，外壳体厚度从与所述涡轮叶片的平台对应的所述壳体和核心组件的底端到与所述涡轮叶片的尖端对应的所述壳体和核心组件的顶端增加。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其还包括步骤：在所述壳体和核心组件的底端布置散热板，并通过增材制造从所述散热板开始产生所述壳体和核心组件，所述散热板面向所述壳体和核心组件的内腔。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述散热板具有的导热率等于或高于大约200W·m-1·K-1，优选等于或大于大约300Wm-1K-1。
14.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述粉末材料的平均晶粒大小在大约30目到大约140目之间。
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