CN108698128A - 具有瓦楞端部壁的燃气轮机叶片 - Google Patents

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Abstract

一种燃气涡轮发动机叶片(10)，包括具有铸造壁的基体部分(12)，以及附接到该基体部分并具有通过增材制造方法形成的壁(60)的端部部分(14)。该端部部分壁可以形成为实心的并且厚度小于2mm，或者其可以为瓦楞状的并且厚度大于2mm。限定壁的瓦楞的开口(80)的截面形状可以为半圆形、矩形、梯形或椭圆形。得到的叶片具有较低的端部质量，同时保持足够的机械性能。端部部分可以形成为在具有等轴晶粒结构的基体部分上具有定向凝固的晶粒结构。

Description

具有瓦楞端部壁的燃气轮机叶片
本申请为在2014年7月14日提交的并且作为美国专利申请公开号US 2015/0034266 A1公布的美国专利申请号14/330,226的部分继续申请，其通过引证并入本文。该申请继而为在2013年8月1日提交的并且作为美国专利申请公开号US 2015/0033559 A1公布的美国专利申请号13/956,635的部分继续申请，其通过引证并入本文。
技术领域
本发明总体涉及金属连接和增材制造的领域，并且更具体地，涉及通过铸造基板然后使用增材制造方法将金属沉积到先前铸造的基板上以完成部件来制造部件的方法。
背景技术
燃气涡轮发动机的发电量一直在增加，并且单个发动机的联合循环输出现在超过500兆瓦。较高的功率输出的机器倾向于物理上较大，并且一个功率限制特性是旋转涡轮叶片的最后一排的大小，因为在这种长叶片产生的离心力可能超过已知合金的材料强度能力。
已经开发了几种技术来降低涡轮叶片的重量，从而便于设计更大的机器。Jackson等人的美国专利5,626,462公开了一种双壁螺旋桨(airfoil)，其中外层以冶金方式粘结到内支撑壁上。双壁包括集成的冷却通道。然而，外层和内支撑壁的粘结以及在粘结处产生的尖角允许可能影响部件寿命的应力上升。Campbell等人的美国专利8,079,821公开了通过柔顺结构连接内壁和外壁以使内层和外层之间能够热膨胀。然而，这种布置可能需要复杂的制造步骤以将柔顺构件固定到内壁和外壁上。Campbell等人的美国专利8,720,526公开了形成长燃气涡轮发动机叶片的方法，其具有主壁，该主壁具有在端部附近的较薄部分。在Campbell中，叶片铸造为具有比期望的更厚的端部。随后将端部加工成所需大小，这增加了制造方法的成本。Mazzola等人的美国专利8,979,498公开了通过冶金粘结或紧固件将铸造端部附接到铸造基体上来制造螺旋桨。然而，因为其是铸造的，端部局限于通过铸造方法可实现的特性。
由于市场上需要下一代的甚至更大的燃气涡轮发动机，因此需要进一步改进叶片设计和制造。
附图说明
在以下描述中基于附图解释本发明：
图1示出了用于燃气涡轮发动机的叶片，其具有铸造基体部分和通过增材制造方法在该铸造基体部分上形成的端部部分。
图2为根据本发明的实施方式的增材制造方法的示意图。
图3示出了沿图1的截面3-3的图1的叶片的端部部分的示例性实施方式的截面。
图4-7以截面示出了图1的叶片的替代实施方式的端部部分的前缘区域的示例性实施方式。
图8示出了具有铸造基体部分和通过增材制造方法形成的后缘部分的本发明的实施方式。
具体实施方式
当前的燃气涡轮发动机操作条件使涡轮叶片暴露于各种力，包括与旋转相关的那些。叶片端部处的质量需要在端部下方的结构支撑以支撑在旋转期间端部处质量的拉力。结构支撑增加了叶片的总质量，导致叶片比期望的质量大得多。为此，重要的是形成尽可能薄的叶片壁。铸造是形成叶片的常规方法。然而，难以铸造薄壁的螺旋桨，特别是在非常大的涡轮叶片中，因为常规的铸造限于基于至少约为二(2)毫米的厚度的壁，甚至这也是一个挑战。为了获得比目前可实现的更长的叶片，期望的是将端部处的质量减小到小于二(2)毫米厚的壁中存在的那些。
发明人已经设计出一种用于制造涡轮叶片的新方法，其允许减小叶片端部处的质量。这允许制造和使用更长的涡轮叶片，其提高了发动机效率。提出的方法以新颖的方式结合铸造和增材制造来制造叶片。具体地，叶片的基体使用常规技术铸造，但没有端部部分。基体部分材料可以为任何已知的适用于涡轮叶片的材料，包括超合金。随后通过增材制造方法在基体部分上形成端部部分。端部部分材料可以为任何已知的适用于涡轮叶片的材料，包括超合金。端部部分材料可以与基体部分材料相同，或者端部部分材料可以与基体部分材料不同。例如，可以基于叶片端部局部的设计要求如磨损性等来选择端部部分材料。
增材制造方法，如在母申请US2015/0034266A1中讨论的激光粉末沉积方法，提供了大得多的控制，并因此能够制成厚度低至约0.5毫米的壁。这使得制成叶片端部部分的至少两种选项是可能的。在第一实施方式中，端部部分中的壁可以通过使用增材制造方法简单地形成为具有小于二(2)毫米的厚度的实心壁。在第二实施方式中，端部部分中的壁可以形成为瓦楞壁(例如，工程设计的壁)，并且对于任何给定的厚度，瓦楞壁将具有比铸造/实心壁更小的质量，同时保持相当或更大的结构强度和稳定性。
例如，虽然端部部分中的具有一(1)毫米的厚度的实心壁可以充分地减小叶片的其余部分上的旋转力，但是不清楚一(1)毫米厚的壁是否能够承受其他应力源(例如，压力和循环疲劳)。然而，端部部分中的两(2)毫米厚的瓦楞壁将具有可接受的质量，并且根据工程设计的结构的性质，其还具有可接受的结构强度、改善的刚度并且能够更好地承受其他应力源。本发明利用增材制造方法将叶片的端部部分形成在铸造基体部分上，并且其允许形成具有实心(如小于2mm)或瓦楞类型的壁(如至少2mm)的端部部分，或甚至形成具有其中存在实心和工程设计的部分两者的混合壁的端部部分。
铸造没有端部的的叶片的基体部分可以比铸造接近铸造方法的极限的长叶片的全叶片便宜得多。减小的长度改善了芯部刚度并有利于芯部定位。另外，减小的质量可以有助于固化并且可以减轻外壳鼓起和其他质量相关的铸造挑战。因此，在铸造没有端部叶片时可以提高产量。这些节省抵消了单独的增材制造步骤的成本。而且，本发明使得能够生产具有比用已知技术可实现的叶片更大的长度的叶片。
图1示出了叶片10的示例性实施方式，其具有在界面16处以冶金方式粘结到端部部分14的基体部分12。基体部分12可以通过常规的铸造操作形成，并且端部部分14可以随后通过增材制造方法在基体部分上形成。本领域普通技术人员应认识到可接受的增材制造技术包括但不限于选择性激光熔化(SLM)和选择性激光烧结(SLS)等。
叶片10包括翼型部分18并且具有总叶片径向长度20。总叶片径向长度20包括基体部分径向长度22和端部部分径向长度24。虽然已知使用增材制造方法对叶片端部(凹槽叶顶)处的磨损表面进行修复，但本发明利用增材制造方法用于原始制造叶片的整个端部部分14，包括至少一些翼型部分18。在示例性实施方式中，端部部分径向长度24可以在总叶片径向长度20的5-40％内。对每个特定的叶片设计选择在铸造基体部分12的相对较低的成本和相对较高的成本但较轻的端部部分14之间的平衡。在示例性实施方式中，总叶片径向长度20可以为870mm，并且端部部分径向长度24可以为87mm或更大。在示例性实施方式中，基体部分12为中空的，并且基体部分12的壁厚(未示出)可以为2毫米或更大，这将提供在其上开始增材制造方法的足够的基板。铸造壁可以包括或可以不包括如冷却通道等的开口。
图2示出了根据本发明的实施方式的并用于在基体部分12上形成端部部分14的增材制造方法，如选择性激光烧结或选择性激光熔化，本文统称为选择性激光加热。增材制造设备30包括粉末进料部分32和制造部分34。粉末进料部分32包含一定体积的粉末36，其通过如辊38的粉末进料和分配装置选择性地移动到制造部分34，辊38在制造部分34的制造粉末床40的顶表面上输送预定厚度的未加工粉末36。然后扫描系统42横跨制造粉末床40的表面的部分以编程的图案选择性地扫描能量束如激光束44以选择性地加热(熔化、部分熔化或烧结)并固化粉末的区域，从而在基体部分12上形成沉积层46。在一些SLS和SLM技术中，输送活塞48然后向上移动以使另外的粉末36可用于辊38，制造活塞50向下移动以允许制造粉末床40接收另一层粉末36，并且重复该过程，其中激光束44的指标的图案有效地形成端部部分14的期望的形状。
对于涉及超合金材料的现有技术选择性激光加热方法，将粉末状超合金材料在惰性覆盖气体下加热，以保护熔化或部分熔化的粉末36不与空气接触。相反，图2所示的本发明的实施方式使用粉末状超合金材料36'加粉末状助熔剂36”作为粉末36，并因此加热不需要(尽管可选地需要)在惰性覆盖气体下进行，因为熔化的助熔剂提供必要的对空气的屏蔽。如上描述的，粉末36可以为粉末状超合金材料36'和粉末状助熔剂36”的混合物，或其可以是合金和助熔剂的复合颗粒。为了增强过程的精确度，粉末36可以为细网格，例如20至100微米，并且粉末状助熔剂36”可以与粉末状超合金材料36'的颗粒的网格大小范围重叠或相同。粉末状助熔剂36”作用为帮助吸收激光能量的光阱，且得到的熔渣52减慢冷却速率并包含过程能量。在一些实施方式中，粉末状助熔剂36”可以配制为有助于沉积化学过程。虽然不是必要的，但可以有利的是在加热步骤之前加热粉末36和/或基体部分12。过程后热等静压制在一些实施方式中也是不必要但可以使用。即使对于难以焊接的超合金，也可以以较低的再加热开裂风险进行完成的叶片10的焊接后热处理。
图3示出了端部部分14的示例性实施方式沿图1的线3-3的截面。端部部分包括瓦楞壁60，其具有吸力侧62、压力侧64，以及横跨其间的瓦楞肋条66。吸力侧62和压力侧64各自从前缘70延伸到后缘72。如本文所用，瓦楞结构(例如，壁或肋条)是指具有外板74、内板76和从外板74跨越到内板76的整体连接78的结构。整体连接78限定外板74和内板76之间的开口80，并且开口80可以可选地限定冷却通道82。在所示的实施方式中，瓦楞壁60的特征在于厚度84可以为约二(2)毫米。外板74、内板76和整体连接78可以各自特征在于低至0.5毫米的厚度，这取决于增材制造方法的限制。
整体连接78可以限定具有任何期望的截面形状的开口80。图4-7示出了图1的叶片的前缘区域的示例性替代实施方式的特写。图4示出了示例性实施方式，其中开口80的截面的特征在于具有弯曲侧92和平面侧94的半圆形状90。在该示例性实施方式中，半圆形状90的取向从前缘70到后缘72是交替的。该构形产生相对于外板74和内板76成角度的整体连接78。这提供了刚度益处，而在相应界面处形成的圆角96减少了应力上升。外板厚度100、内板厚度102和整体连接厚度104可以小至0.5毫米并且可以保持恒定或者可以根据需要在局部变化。
例如，外板前缘厚度106可以为约一(1)毫米，而外板厚度100在其他地方为0.5毫米。通过提出的增材制造方法的使用，使得瓦楞壁60的尺寸和形状的这种局部定制成为可能。还可以看到跨越外板74和内板76的非瓦楞肋条108。根据需要，可以在给定的端部部分14中使用瓦楞肋条66、非瓦楞肋条108或两者的组合。瓦楞肋条66可以包括公开的形状以及任何期望的形状的开口80。
图5至7示出了可以由整体连接78形成的开口80的交替截面形状。图5示出了具有圆角的矩形形状，图6示出了也具有圆角的梯形形状。图7示出了椭圆形开口。当使用提出的增材制造方法时，可以容易地形成期望的任何截面，并且单个叶片可以在叶片的不同区域中包括不同的壁瓦楞设计，以及沿着给定的截面包括实心部分和瓦楞部分的壁。当在如图3-7中所示的截面中观察时，瓦楞壁通常可以包括55-75％的空隙/实心面积比。
叶片10的端部部分14可以形成为具有与基体部分12不同的材料成分。例如，已知在美国专利3,061,426中描述的由International NickelCompany,Inc.开发的并且称为IN-100的合金具有理想的较低的密度/强度比，并且可用于燃气轮机叶片应用。然而，该合金难以铸造并且在铸造成大叶片形状时会遭受热撕裂。因为当通过增材制造方法沉积IN-100时可以控制热撕裂，所以本发明有利于将相对较轻的材料用于叶片10的端部部分14，同时使用更容易铸造但更密集的材料，如CM-247合金，用于基体部分12。因为离心力效应对于位于叶片端部的质量更明显，所以本发明使得叶片设计者能够获得使用IN-100材料的许多益处，同时减轻其缺点。
此外，叶片10的端部部分14可以形成为具有与基体部分12不同的晶粒结构。例如，定向凝固(DS)的端部部分14可以形成在常规铸造(CC)的基体部分12上。通过在增材制造过程期间控制热流方向，可以产生材料的定向凝固的晶粒。如果基体部分12的基板层为常规铸造的并且包含等轴晶粒结构，则首先沉积一个或多个相对较厚的包层(例如2mm激光包层)以促进定向凝固的(垂直取向的)晶粒的引发可以是有用的。然后，后续层可以更薄(例如0.5mm选择性激光熔化层)以制成端部部分14的期望的几何形状。
图8示出了燃气涡轮发动机叶片110，其具有通过传统铸造方法制成的基体部分112和通过增材制造方法制成的端部部分114。在该实施方式中，端部部分114仅临近叶片110的后缘116延伸，而叶片110的前缘118完全在基体部分112内。后缘端部区域通常为燃气涡轮叶片的最高热应力区域。本发明允许该区域响应于这些条件而特别设计，如通过由与基体部分112不同的材料形成和/或通过并入使用常规铸造技术可能无法实现的独特冷却通道几何形状。铸造基体部分112和增材制造部分114之间的界面120可由叶片设计者限定，以优化铸造和增材制造方法两者的优点。例如，端部部分114的径向长度可以在叶片110的翼型部分的总径向长度(例如，前缘118的径向长度)的10-90％的范围内延伸。此外，可以通过增材制造方法制成叶片的多于一个区域。
鉴于前述可以看出，所提出的方法简化并降低了铸造步骤的成本，同时允许更好地控制端部部分。结果是涡轮叶片易于制造、具有更高的产率并且提高涡轮发动机的效率。因此，其代表了现有技术的改进。
尽管本文已经示出和描述了本发明的各种实施方式，但是明显的是这些实施方式仅作为示例的方式提供。在不脱离本发明的情况下，可以做出许多变型、改变和替换。因此，本发明旨在仅受所附权利要求的精神和范围限制。

Claims (20)

1.一种制造燃气涡轮发动机叶片(10)的方法，所述方法包括通过增材制造方法在所述叶片的铸造基体部分(12)上形成所述叶片的端部部分(14)。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括形成所述端部部分以包括截面小于2mm厚度的实心壁。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括通过所述增材制造方法形成所述端部部分以包括瓦楞壁(60)。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述铸造基体部分包括常规铸造的等轴晶粒结构，并且进一步包括形成所述端部部分以包括定向凝固的晶粒结构。
5.根据权利要求3所述的方法，进一步包括形成所述瓦楞壁以包括内板(76)、外板(74)和其间的整体连接(78)，并形成所述内板和所述外板使得每个在至少一个各自的位置包括不大于0.5毫米的截面厚度。
6.根据权利要求3所述的方法，进一步包括形成所述瓦楞壁以包括开口(80)，当在截面中观察时，所述开口包括选自由矩形、梯形和椭圆形组成的组的截面形状。
7.根据权利要求3所述的方法，进一步包括形成所述瓦楞壁以包括多个开口，所述开口在截面中观察时具有半圆形形状并且设置在沿着所述壁的长度从所述瓦楞壁的前缘(70)到所述瓦楞壁的后缘(72)的方向上，相邻的半圆形形状具有交替的取向。
8.根据权利要求3所述的方法，进一步包括形成所述端部部分以包括在沿着所述叶片的壁的两个位置处不同的截面壁厚。
9.根据权利要求3所述的方法，进一步包括通过所述增材制造方法形成所述端部部分以包括瓦楞结构肋条(66)。
10.根据权利要求3所述的方法，进一步包括形成所述端部部分，使得所述端部部分的径向长度为所述叶片的总径向长度的5-40％。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述端部部分仅临近所述叶片的后缘延伸，并且所述叶片的前缘完全在所述基体部分内。
12.一种燃气涡轮发动机叶片，包括：
基体部分，包括铸造壁；以及
端部部分，附接到所述基体部分并包括通过增材制造方法制成的瓦楞壁。
13.根据权利要求12所述的叶片，其中，所述基体部分包括等轴晶粒结构，并且所述端部部分包括定向凝固的晶粒结构。
14.根据权利要求12所述的叶片，其中，所述瓦楞壁包括开口，并且其中当在截面中观察时，所述开口包括选自由矩形、梯形和椭圆形组成的组的形状。
15.根据权利要求12所述的叶片，其中，所述瓦楞壁包括开口，并且其中，当在截面中观察时，所述开口包括半圆形形状，所述半圆形形状从所述瓦楞壁的前缘到所述瓦楞壁的后缘交替取向。
16.根据权利要求12所述的叶片，其中，所述瓦楞壁的厚度在沿着所述壁的两个位置之间是不同的。
17.根据权利要求12所述的叶片，其中，所述端部部分进一步包括通过所述增材制造方法制成的瓦楞肋条。
18.根据权利要求12所述的叶片，其中，所述端部部分的长度为所述叶片的总径向长度的5-40％。
19.根据权利要求12所述的叶片，其中，所述瓦楞壁包括内板、外板和其间的整体连接，并且其中，所述内板和所述外板每个在至少一个各自的位置包括不大于0.5毫米的厚度。
20.根据权利要求12所述的叶片，其中，所述端部部分仅临近所述叶片的后缘延伸，并且所述叶片的前缘完全在所述基体部分内。
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