CN109290569B - 用于通过增材制造修理部件的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种用于通过增材制造修理部件(100)的方法。所述方法包括去除所述部件(100)的初始包括多个冷却孔的部分(102)以形成腔(104)，通过增材制造形成包括多个冷却孔(208)的替换部分(200)，以及在通过增材制造形成所述替换部分(200)期间改变所述多个冷却孔(208)中的至少一个冷却孔(208)的表面粗糙度和直径。所述替换部分(200)替换所述部件(100)的所述部分(102)。

Description

用于通过增材制造修理部件的方法
技术领域
本公开涉及一种用于通过增材制造来修理部件的方法。更特别地，本公开涉及一种用于使用增材制造来修理部件(例如涡轮机部件)以获得增强的冷却能力的方法。
背景技术
燃气涡轮机部件，如轮叶(叶片)，喷嘴(导叶)，燃烧器，护罩和其它热气体路径部件，通常在燃气涡轮机的操作期间暴露于极端温度、化学环境和物理条件。随着时间的推移，在操作期间持续暴露于高温可能引起部件中的热梯度和应力，这可能损坏并因此不利地影响燃气涡轮机的操作。所以，这些部件通常在其整个生命周期的各个阶段进行维修。通常，由于燃气涡轮机内的操作条件，部件的维修包括修理，去除和/或更换部件的一部分。使用常规工艺维修部件包括锻造，铸造，机械加工，这可能是昂贵的，耗时的并且增加维修期间燃气涡轮机的停机时间。诸如直接金属激光熔化(DMLM)，直接金属激光烧结(DMLS)，选择性激光烧结(SLS)，电子束熔化(EBM)的增材工艺是可能在制造和/或修理具有复杂几何结构的部件中提供显著成本和时间减少的潜在工艺。
此外，通常采用部件(例如，燃气涡轮机的燃烧器衬里和涡轮机叶片(轮叶)和导叶(喷嘴))的内部冷却来降低它们的使用温度，这允许燃气涡轮机在高温下更高效地操作。由于燃气涡轮机的操作效率可以通过更高的燃烧温度和翼型(例如，喷嘴翼型)的增强空气动力学设计来实现，因此先进的涡轮机已采用特别用于翼型的后缘的改进内部冷却配置。
内部冷却部件(例如，燃气涡轮机的空气冷却部件)通常需要冷却空气流路由通过部件内的冷却回路，然后通过仔细配置的冷却孔(或槽)排出，所述冷却孔分布部件表面上的冷却膜以增加冷却流的有效性。冷却孔的尺寸，形状和表面状况可以有助于确定离开冷却孔的空气流量(即，流速)。冷却孔内的空气流速影响冷却孔内的总体流动分布和冷却空气与冷却孔的内表面之间的热传递。当热传递最大时，冷却可能最高。因此，冷却孔的内表面可以设计成能够具有更长的接触持续时间和增加的有效面积以用于冷却空气和冷却孔的内表面之间的热传递增强。然而，形成和配置冷却孔的过程可能限制冷却，原因是在复杂的冷却孔内实现期望的表面条件或性质具有挑战性。
发明内容
在一个实施例中，描述了一种用于修理部件的方法。所述方法包括去除所述部件的初始包括多个冷却孔的部分以形成腔，通过增材制造形成包括多个冷却孔的替换部分，以及在通过增材制造形成所述替换部分期间改变所述多个冷却孔中的至少一个冷却孔的表面粗糙度和直径。所述替换部分替换所述部件的所述部分。
在一个实施例中，描述了一种用于修理部件的方法。所述方法包括去除所述部件的初始包括多个冷却孔的损坏部分以形成腔，通过增材制造在所述腔中形成包括多个冷却孔的替换部分，以及在通过增材制造形成所述替换部分期间改变所述多个冷却孔中的至少一个冷却孔的表面粗糙度和直径。所述替换部分替换所述部件的所述损坏部分。
本公开的技术方案1提供一种用于修理部件(100)的方法，所述方法包括：去除所述部件(100)初始包括多个冷却孔的部分(102)以形成腔(104)；通过增材制造形成包括多个冷却孔(208)的替换部分(200)，其中所述替换部分(200)替换所述部件(100)的所述部分(102)；以及在通过增材制造形成所述替换部分(200)期间改变所述多个冷却孔(208)中的至少一个冷却孔(208)的表面粗糙度和直径。
技术方案2：根据技术方案1所述的方法，其中所述部件(100)包括金属合金。
技术方案3：根据技术方案1所述的方法，其中所述替换部分(200)具有与所述腔(104)或所述部分(102)基本相同的形状和几何结构。
技术方案4：根据技术方案1所述的方法，其中改变步骤包括与所述部分(102)的初始提供的多个冷却孔的表面粗糙度相比增加所述至少一个冷却孔(208)的表面粗糙度。
技术方案5：根据技术方案1所述的方法，其中改变步骤包括在0.1μm Ra至10μm Ra的范围内改变所述表面粗糙度。
技术方案6：根据技术方案1所述的方法，其中改变步骤包括在1μm Ra至8μm Ra的范围内改变所述表面粗糙度。
技术方案7：根据技术方案1所述的方法，其中改变步骤包括与所述部分(102)的初始提供的多个冷却孔的直径相比增加所述至少一个冷却孔(208)的直径。
技术方案8：根据技术方案1所述的方法，其中改变步骤包括在0.1毫米至6毫米的范围内改变所述直径。
技术方案9：根据技术方案1所述的方法，其中改变步骤包括在0.5毫米至3毫米的范围内改变所述直径。
技术方案10：根据技术方案1所述的方法，其中所述形成包括在所述腔(104)中通过增材制造原位形成所述替换部分(200)。
技术方案11：根据技术方案1所述的方法，其还包括将所述替换部分(200)固定在所述腔(104)中。
技术方案12：根据技术方案1所述的方法，其中所述部件(100)包括涡轮机部件。
技术方案13：根据技术方案12所述的方法，其中所述涡轮机部件包括喷嘴、叶片、轮叶、导叶、护罩、燃烧器、或它们的组合。
技术方案14提供一种用于修理部件(100)的方法，其包括：去除所述部件(100)初始包括多个冷却孔的损坏部分(102)以形成腔(104)；通过增材制造在所述腔(104)中形成包括多个冷却孔(208)的替换部分(200)，其中所述替换部分(200)替换所述部件(100)的所述损坏部分(102)；以及在通过增材制造形成所述替换部分(200)期间改变所述多个冷却孔(208)中的至少一个冷却孔(208)的表面粗糙度和直径。
通过参考结合附图进行的以下详细描述可以更容易地理解本公开的这些和其它特征，实施例和优点，附图通过示例的方式示出本公开的方面。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，本公开的实施例的这些和其它特征和方面将变得更好理解，在所有附图中每个单独的图中的相似字符表示相似的部分，其中：
图1示出了根据本公开的一个实施例的用于修理部件的步骤的示意图。
图2是根据本公开的一个实施例的替换部分的透视图。
具体实施方式
本说明书提供了通过增材制造修理部件的方法。特别地，本公开的实施例提供了通过增材制造修理部件(例如具有冷却孔的涡轮机部件)以用于实现改善冷却的方法。通过改善涡轮机部件的冷却，涡轮机部件可以在提高的温度下使用，并且可以改善总体效率。另外，与不使用本说明书所述的一个或多个特征的工艺和制品相比，本公开的实施例减少使用过的部件的报废，增加部件寿命，允许更换部件的较大部分，减少或消除形成部件期间的焊接，减小系统停机时间，增加部件形成的效率，减少或消除热影响区域的形成，降低部件形成的成本，减少或消除部件的形成后处理，允许改变部件组成，减少或消除部件的变形，增加部件形成的可靠性，或其组合。
在以下说明书和权利要求中，单数形式“一”，“一个”和“所述”包括多个指代物，除非上下文另外明确指出。如本说明书所使用，除非上下文另有明确规定，否则术语“或”并不意味着是排他性的，而是指存在的参考部件中的至少一个，且包括其中可存在参考部件的组合的情况。
如果公开了范围，则涉及相同部件或性质的所有范围的端点是包含性的且可独立组合(例如，“约5微米至约10微米”的范围包括“约5微米至约10微米”的范围内的端点和所有中间值等)。因此，在此以及贯穿说明书和权利要求，范围限制可以被组合和/或互换，这样的范围被识别并且包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另外指示。术语“约”与包括所述值的量结合使用并且具有由上下文规定的含义(例如，包括与特定量的测量相关联的误差程度)。因此，由术语“约”修饰的值不一定仅限于指定的精确值。
如本说明书所使用的，术语“表面粗糙度(surface roughness)”是指例如由于突起、凸起、不规则、波纹或断裂而导致的物体表面的粗糙或不平坦的构造。表面粗糙度可以用于指示物体表面的构造。表面粗糙度可以表示为Ra和RMS，每一个不同地进行计算。Ra(平均粗糙度)是粗糙度分布纵坐标(roughness profile ordinates)(即表面波纹度(waviness)和/或不规则度(irregularities))的绝对值(the absolute values)的算术平均值(arithmetic average)。RMS被计算为粗糙度分布纵坐标(即表面波纹度和/或不规则度)的绝对值的均方根(Root Mean Square)。
在一些实施例中，描述了用于修理部件的方法。在一些实施例中，用于修理部件的方法由增材制造执行。该方法包括去除所述部件的初始包括多个冷却孔的部分以形成腔，通过增材制造形成包括多个冷却孔的替换部分，以及在通过增材制造形成替换部分期间改变多个冷却孔中的至少一个冷却孔的表面粗糙度和直径。替换部分替换部件的部分(即，去除部分)。在一些实施例中，该部分包括该部件的损坏部分。该方法可以包括在腔中直接形成替换部分、或独立地/分开地(separately)形成替换部分，接着将替换部分固定在腔内以形成被修理部件。在一些实施例中，该方法包括通过增材制造在腔中原位形成(in-situforming)替换部分。
如本说明书所使用的，术语“通过增材制造原位形成(in-situ forming byadditive manufacturing)”是指将材料直接布置在部件上的同时通过增材制造形成部件的一部分。
待修理的部件包括用于使替换部分形成于其上的任何合适的部件。该部件可以包括涡轮机部件。涡轮机部件可以是热气体路径部件。合适的示例包括但不限于喷嘴、叶片、轮叶、导叶、护罩、燃烧器、任何其它热气路径部件、或其组合。在某些实施例中，该部件可以包括燃气涡轮机的喷嘴。在一些实施例中，替换部分包括喷嘴的后缘部分。
在一个实施例中，图1示意性地表示用于修理部件100(例如，燃气涡轮机的喷嘴)的方法。部件100也可以被称为原始部件，并且这些术语在整个说明书中可以互换使用。该方法包括去除部件100的部分102以在部件100中形成腔104，并且通过增材制造形成替换部件100的部分102的替换部分200。在一些实施例中，部分102可以是部件100的损坏部分。在一些实施例中，在去除部分102之后，用于修理部件100的方法包括通过增材制造形成替换部分200，接着将替换部分200固定在腔104中。在一些实施例中，用于修理部件100的方法包括在去除部分102之后通过增材制造将替换部分200原位形成到部件100上，以填充腔104而没有任何固定后处理(post-securing processing)。该方法由此形成被修理部件110。
在一些实施例中，部分102包括燃气涡轮机的喷嘴的后缘部分。在一些实施例中，部分102初始包括多个冷却孔(为了图示简便，在图1中未示出)。部分102的初始提供的多个冷却孔可以具有在约0.2毫米(mm)至约5mm的范围内的直径。在一些实施例中，部分102的初始提供的多个冷却孔具有在约0.5mm至约3mm的范围内的直径。此外，部分102的初始提供的多个冷却孔可以具有在约0.05微米(μm)Ra至1μm Ra的范围内的表面粗糙度。部分102的初始提供的多个冷却孔的表面性质(例如表面粗糙度)可能取决于制造工艺，例如用于形成部件100或部件100的部分102的铸造。
替换部分200可以包括配置成填充部件100中的腔104从而形成被修理组件110的任何期望的形状和/或几何结构。在一些实施例中，替换部分200具有与腔104基本相同的形状和几何结构。在一些实施例中，替换部分200具有与部分102基本相同的形状和几何结构。如本说明书所使用的，术语“基本相同(substantially same)”表示替换部分200可以从腔104或部分102的形状和几何结构偏离小于5％。在一些实施例中，替换部分200可以从腔104或部分102的形状和几何结构偏离小于2％，并且在某些实施例中小于1％。
在一些实施例中，替换部分200包括燃气涡轮机的喷嘴的后缘部分，如图2中所示。如图2中所示，替换部分200包括内腔203的一段、成形的外表面205、以及形成在其中的多个冷却孔208。后缘部分可以替换部件100的部分102(例如喷嘴)以形成被修理喷嘴(repairednozzle)。在一些实施例中，后缘部分可以形成并固定在部件100的腔104内以形成被修理喷嘴。在一些实施例中，形成后缘部分包括在腔104中原位形成后缘部分，以形成被修理喷嘴而没有任何固定后处理。
如上所述，通过增材制造形成替换部分200。通常，增材制造工艺或技术通过顺序地和重复地沉积和联结(depositing and joining)材料层形成净形状或近似净形状结构。如本说明书所使用的，“近似净形状(near-net shape)”是指制品(例如替换部分200(图1))非常接近替换部分200的最终期望形状地被形成，其可能不需要显著的传统机械精整技术，如加工或研磨，和/或在增材制造之后的后加工处理。如本说明书所用的，“净形状(netshape)”表示制品以制品的最终形状形成，不需要任何传统的机械精整技术，如加工或研磨，和/或在增材制造之后的后加工处理。增材制造工艺的示例包括但不限于直接金属激光熔化(DMLM)、直接金属激光烧结(DMLS)、直接金属激光沉积(DMLD)、激光工程网成形(LENS)、选择性激光烧结(SLS)、选择性激光熔化(SLM)、电子束熔化(EBM)、熔融沉积建模(FDM)、或其组合。在一些实施例中，用于修理部件100的方法包括通过DMLM工艺来形成替换部分200。
在一个实施例中，用于形成替换部分200的DMLM工艺包括以预定方式分布粉末材料的多个层并且熔化粉末材料以形成多个层并联结(join)多个层，以及由此形成期望的形状和几何结构的替换部分200以填充部件100的腔104。通过DMLM工艺形成制品的工艺细节在2016年5月18日提交的在先专利申请第PCT/PL2016/050020号中描述。在一些实施例中，DMLM工艺用粉末沉积组件(powder deposition assembly)执行，如先前专利申请第PCT/PL2016/050020号中所述。
在一些实施例中，熔化粉末材料的步骤包括例如通过聚焦能量源(focusedenergy source)选择性地熔化粉末材料。用于DMLM工艺的合适的聚焦能量源包括在用于沉积雾化粉末材料的功率范围(power range)和行进速度(travel speed)下操作的任何聚焦能量源。在一些实施例中，熔化粉末材料的步骤包括选择性地激光熔化粉末材料。在一个实施例中，DMLM工艺中的聚焦能量源的功率范围包括但不限于约100瓦至约3,000瓦。在一些实施例中，功率范围在约200瓦至约2,500瓦之间，并且在一些实施例中，在约300瓦至约2,000瓦之间，或其任何组合、子组合、范围或子范围。在另一实施例中，行进速度包括但不限于高达300mm/sec，例如在约1mm/sec至约300mm/sec之间。在一些实施例中，行进速度在4mm/sec至250mm/sec之间，或其任何组合、子组合、范围或子范围。例如，在另一实施例中，聚焦能量源在约300瓦至约2,000瓦之间的功率范围内，以约4mm/sec至约250mm/sec之间的行进速度操作。在另一实施例中，标准钢、钛和/或镍合金的沉积速度包括例如高达(up to)1千克/小时、高达0.75千克/小时、高达0.5千克/小时、在约0.1千克/小时至约0.5千克/小时之间、高达0.4千克/小时、高达0.3千克/小时，或其任何组合，子组合，范围或子范围。
在某些实施例中，在选择性地熔化多个层之后，替换部分200可以经历后加工处理。在一些实施例中，在独立形成替换部分200之后或在原位形成替换部分200之后执行后加工处理。在替换部分200独立(分开地)形成的实施例中，在将替换部分200固定在腔104中之前执行后加工处理。通过DMLM工艺形成的替换部分200的后加工处理包括任何合适的后加工技术，例如但不限于热等静压(hot isostatic pressing，HIP’ing)、溶液热处理(固溶(solutionizing))和/或应力消除(stress relieving)。例如，在一个实施例中，在约1149℃至约1260℃(2100°F至2300°F)之间的高温和约68.95MPa至约137.9MPa(10,000PSI至20,000PSI)之间的高压(elevated pressure)下将替换部分200热等静压(HIP)3-5小时。在另一实施例中，除了HIP’ing之外，替换部分200可以在约1093℃至约1205℃(2000°F至约2200°F)之间的温度下在真空中溶液热处理(固溶)1-2小时。本领域技术人员将认识到，HIP’ing温度和热处理温度将高度取决于粉末材料的组成和期望的性质。
粉末材料的多个层可以包括层之间的相似或基本相似的组成、层之间不同组成、替换部分200内的梯度组成、或其组合。例如，可以在通过增材制造形成替换部分200期间通过改变流速和/或粉末材料组成而形成替换部分200内的梯度组成(gradientcompositions)。
在一些实施例中，包括部分102的部件100的材料包括用于在涡轮发动机中和/或在涡轮发动机的热气体路径内连续使用的任何合适的材料。部件100的合适材料包括但不限于金属、陶瓷、金属合金、如钢、不锈钢、工具钢、包括镍，钴，铬，钛，铝或其组合的超合金。
在一些实施例中，部件100可以包括金属合金。在一个实施例中，部件100的金属合金是钴基合金，包括但不限于以重量计约29％的铬(Cr)、约10％的镍(Ni)、约7％的钨(W)、约1％的铁(Fe)、约0.7％的锰(Mn)、约0.75％的硅(Si)、约0.25％的碳(C)、约0.01％的硼(B)、和余量(balance)的钴(Co)(例如，FSX414)；约20％至约24％的Cr、约20％至约24％的Ni、约13％至约15％的W、约3％的Fe、约1.25％的锰(Mn)、约0.2％至约0.5％的硅(Si)、约0.015％的B、约0.05％至约0.15％的C、约0.02％至约0.12％的镧(La)和余量的Co(例如，)；约22.5％至约24.25％的Cr、约9％至约11％的Ni、约6.5％至约7.5％的W、约3％至约4％的Ta、高达约0.3％的钛(Ti)(例如，约0.15％至约0.3％的Ti)、高达约0.65％的C(例如，约0.55％至约0.65％的C)、高达约0.55％的锆(Zr)(例如，约0.45％至约0.55％的Zr)、和余量的Co(例如，Mar-M-509)；约20％的Ni、约20％的Cr、约7.5％的Ta、约0.1％的Zr、约0.05％的C、和余量的Co(例如，Mar-M-918)。
在另一实施例中，部件100的金属合金是镍基合金，其包括但不限于以重量计约9.75％的Cr、约7.5％的Co、约6.0％的W、约4.2％的铝(Al)、约3.5％的Ti、约1.5％的钼(Mo)、约4.8％的Ta、约0.5％的铌(Nb)、约0.15％的铪(Hf)、约0.05％的C、约0.004％的B、和余量的Ni(例如，RenéN4)；约7.5％的Co、约7.0％的Cr、约6.5％的Ta、约6.2％的Al、约5.0％的W、约3.0％的铼(Re)、约1.5％的Mo、约0.15％的Hf、约0.05％的C、约0.004％的B、约0.01％的钇(Y)、和余量的Ni(例如，RenéN5)；约9％至约10％之间的Co、约9.3％至约9.7％之间的W、约8.0％至约8.7％之间的Cr、约5.25％至约5.75％之间的Al、约2.8％至约3.3％之间的Ta、约1.3％至约1.7％之间的Hf、高达约0.9％的Ti(例如，约0.6％至约0.9％之间)、高达约0.6％的Mo(例如，约0.4％至约0.6％之间)、高达约0.2％的Fe、高达约0.12％的Si、高达约0.1％的Mn、高达约0.1％的铜(Cu)、高达约0.1％的C(例如，约0.07％至约0.1％之间)、高达约0.1％的Nb、高达约0.02％的Zr(例如，约0.005％至约0.02％之间)、高达约0.02％的B(例如，约0.01％至约0.02％之间)、高达约0.01％的磷(P)、高达约0.004％的硫(S)、和余量的Ni(例如，René108)；约13.70％至约14.30％的Cr、约9.0％至约10.0％的Co、约4.7％至约5.1％的Ti、约3.5％至约4.1％的W、约2.8％至约3.2％的Al、约2.4％至约3.1％的Ta、约1.4％至约1.7％的Mo、约0.35％的Fe、0.3％的Si、约0.15％的Nb、约0.08％至约0.12％的C、约0.1％的Mn、约0.1％的Cu、约0.04％的Zr，约0.005％至约0.020％的B、约0.015％的P、约0.005％的S、和余量的Ni(例如可从General ElectricCompany获得)；约22.2至约22.8％的Cr、约18.5约19.5％的Co、约2.3％的Ti、约1.8至约2.2％的W、约1.2％的Al、约1.0％的Ta、约0.8％的Nb、约0.25％的Si、约0.08至约0.12％的C、约0.10％的Mn、约0.05％的Zr、约0.008％的B、和余量的Ni(例如，/>可从General Electric Company获得)；约9.75％的Cr、约7.5％的Co、约6.0％的W、约4.2％的Al、约4.8％的Ta、约3.5％的Ti、约1.5％的Mo、约0.08％的C、约0.009％的Zr、约0.009％的B、和余量的Ni(例如，/>可从General Electric Company获得)；约15.70％至约16.30％的Cr、约8.00％至约9.00％的Co、约3.20％至约3.70％的Ti、约3.20％至约3.70％的Al、约2.40％至约2.80％的W、约1.50％至约2.00％的Ta、约1.50％至约2.00％的Mo、约0.60％至约1.10％的Nb、高达约0.50％的Fe、高达约0.30％的Si、高达约0.20％的Mn、约0.15％至约0.20％的C、约0.05％至约0.15％的Zr、高达约0.015％的S、约0.005％至约0.015％的B、和余量的镍(例如，/>738)；约9.3％至约9.7％的W、约9.0％至约9.5％的Co、约8.0％至约8.5％的Cr、约5.4％至约5.7％的Al、高达约0.25％的Si、高达约0.1％的Mn、约0.06％至约0.09％的C、不可避免的杂质、和余量的Ni(例如，Mar-M-247)。
在另一实施例中，部件100的金属合金是铁基合金，包括但不限于以重量计约50％至约55％的镍和钴组合、约17％至约21％的铬、约4.75％至约5.50％的铌和钽组合、约0.08％的碳、约0.35％的锰、约0.35％的硅、约0.015％的磷、约0.015％的硫、约1.0％的钴、约0.35％至0.80％的铝、约2.80％至约3.30％的钼、约0.65％至约1.15％的钛、约0.001％至约0.006％的硼、约0.15％的铜、和余量的铁(例如，718)。现有部件101的其它材料包括但不限于CoCrMo合金，如70Co-27Cr-3Mo；陶瓷基质复合材料(CMC)或其组合。
“INCONEL”是由西弗吉尼亚州Hungtington的Huntington Alloys Corporation生产的合金的联邦注册商标。“HAYNES”是由印第安纳州Kokomo的Haynes International,Inc.生产的合金的联邦注册商标。
在一些实施例中，替换部分200可以包括金属合金。用于形成替换部分200的粉末材料的组成可以与部分102的金属合金相同、基本相同或不同。例如，在一个实施例中，粉末材料的组成包括上面关于部件100讨论的金属合金中的一种或多种。在另一实施例中，粉末材料的组成包括与上面关于部件100讨论的任何一种组成混合的碳化钨粉末。将碳化钨粉末(tungsten carbide powder)加入部件100的组成加强了由所得粉末材料形成的替换部分200。在另一实施例中，粉末材料包括以重量计约62％的Co、约29％的Cr、约7％的Mo、约0.88％的Si、约0.82％的Mn、约0.1％的C和余量的附带杂质的组成，而现有部件101包含以重量计约29％的铬(Cr)、约10％的镍(Ni)、约7％的钨(W)、约1％的铁(Fe)、约0.25％的碳(C)、约0.01％的硼(B)和余量的钴(Co)(例如，FSX414)的组成。取决于用于形成替换部分200的粉末材料组成，替换部分200的金属合金和部分102的金属合金是相同合金或不同合金中的至少一种，如上所述。
如前所述，典型地，诸如表面粗糙度的表面性质可能取决于用于形成部件的制造工艺。本公开的发明人已观察到使用增材制造能够在形成部件期间改变部件的冷却孔内的表面粗糙度。通过优化增材制造工艺(例如，DMLM工艺)的各种参数，表面粗糙度可以变化。因此，本公开的实施例有利地在通过增材制造形成替换部分期间提供对替换部分的多个冷却孔中的冷却孔的表面粗糙度的控制。由于使用用于形成替换部分的增材制造而产生的改变冷却孔的表面粗糙度的能力的益处也能够通过改变冷却的直径来实现冷却孔中的冷却流体的期望流速。
在示例中，通过增加冷却孔的表面粗糙度，冷却流体(例如，空气)的流速在冷却孔内减小，但是热传递系数增加。由于流速减小和热传递系数增加，通过冷却孔期间或之后冷却流体吸收的净热增加(net heat pick up)并且从冷却孔流出的冷却流体的温度将上升。表1示出了与试样1(具有表面粗糙度约4微米的冷却孔)相比，试样2(具有表面粗糙度约7微米的冷却孔)的改善的热传递参数。这些数据的详细信息在下面的示例部分中进行描述。通过保持至少一个冷却孔内的冷却流体的最佳流速和冷却流体吸收的净热(the net heatpick up by the cooling fluid)，可以增加至少一个冷却孔的直径以提供至少一个冷却孔的增加面积。因此，替换部分200的至少一个冷却孔208的表面粗糙度和直径与部分102的初始提供的多个冷却孔相比增加，以增强总体冷却能力和性能(指图1和2)。因此，在通过增材制造形成替换部分200期间通过根据最终用途和/或期望的冷却性能调节替换部分200的至少一个冷却孔208的表面粗糙度和直径，可以控制或定制冷却流体的流速。
再次参考图1和2，在一些实施例中，该方法包括在通过增材制造形成替换部分200期间改变多个冷却孔208中的至少一个冷却孔208的表面粗糙度和直径。改变表面粗糙度和直径可以包括分别相应地相对于部分102的初始提供的多个冷却孔的表面粗糙度和直径增加或减小替换部分200的至少一个冷却孔208的表面粗糙度和直径(先前讨论)。在一些实施例中，该方法包括分别相应地相对于部分102的初始提供的多个冷却孔的表面粗糙度和直径增加替换部分200的至少一个冷却孔208的表面粗糙度和直径。在一些实施例中，该方法包括分别相应地相对于部分102的初始提供的多个冷却孔的表面粗糙度和直径减小替换部分200的至少一个冷却孔208的表面粗糙度和直径。在一些实施例中，该方法包括相应地相对于部分102的初始提供的多个冷却孔的表面粗糙度和直径增加替换部分200的至少一个冷却孔208的表面粗糙度、并减小其直径。在一些实施例中，该方法包括相应地相对于部分102的初始提供的多个冷却孔的表面粗糙度和直径减小替换部分200的至少一个冷却孔208的表面粗糙度、并增加其直径。
如本说明书所使用的，术语“增加表面粗糙度”和“减小表面粗糙度”分别指的是替换部分200的至少一个冷却孔208的表面粗糙度(例如表面的粗度或不均匀度)与部分102的初始提供的多个冷却孔的表面粗糙度相比较的增加和减小。替换部分200的至少一个冷却孔208的表面粗糙度的该增加或减小可以通过用于形成替换部分200的制造工艺(即增材制造工艺)实现。在某些实施例中，改变表面粗糙度和直径包括与部分102的初始提供的多个冷却孔的表面粗糙度和直径相比增加替换部分200的至少一个冷却孔208的表面粗糙度和直径。
该方法的改变步骤可以包括在约0.1μm Ra至约10μm Ra的范围内改变替换部分200的至少一个冷却孔208的表面粗糙度。在一些实施例中，改变步骤可以包括在约1μm Ra至约9μm Ra的范围内改变替换部分200的至少一个冷却孔208的表面粗糙度。在某些实施例中，改变步骤可以包括在约3μm Ra至约8μm Ra的范围内改变替换部分200的至少一个冷却孔208的表面粗糙度。在某些实施例中，改变表面粗糙度包括与部分102的初始提供的多个冷却孔的表面粗糙度相比增加替换部分200的至少一个冷却孔208的表面粗糙度。
改变步骤还可以包括在约0.1mm至约6mm的范围内改变替换部分200的至少一个冷却孔208的直径。在一些实施例中，改变步骤可以包括在约0.2mm至约4mm的范围内改变替换部分200的至少一个冷却孔208的直径。在某些实施例中，改变步骤可以包括在约0.5mm至约3mm的范围内改变至少一个冷却孔208的直径。
在一些实施例中，该方法还包括将替换部分200固定在腔104内以形成被修理部件110。在形成替换部分200之后，将替换部分200固定在部件100的腔104中包括任何合适的金属和/或合金联结工艺，例如但不限于钎焊、焊接、扩散结合、或其组合。本领域技术人员将领会，用于将替换部分200联结到部件100的工艺可以基于部件100和/或替换部分200的金属合金的组成进行选择。
附加地或替代地，在一些实施例中，用于修理部件100的方法包括在去除部分102之后在腔104中通过增材制造将替换部分200原位形成到部件100上。在一个实施例中，该方法包括去除部件100的一部分102以在部件100中形成腔104，并且然后在腔104中将材料布置在部件100上以用于在腔104中通过增材制造形成替换部分200并由此形成被修理部件110。在腔104中通过增材制造布置到部件100上的材料可以包括任何合适的期望形状和/或几何结构。例如，直接布置到部件100上的材料可以形成替换部分200，例如后缘部分，其具有内腔203的段，成形外表面205和形成在其中的多个冷却孔208(图2)。直接布置到部件100的材料包括用于形成替换部分200的上述任何材料。
示例
以下示例根据具体实施例示出了方法、材料和结果，并且因此不应当解释为对权利要求施加限制。
使用标准的专有(proprietary)金属合金形成两个试样。这些试样具有多个冷却孔，每个冷却孔具有0.06英寸(～1.52毫米)的直径。试样1使用标准的专有加工方法制造，并且试样2使用DMLM工艺制造。通过Nikon Eclipse，MA200使用Clemex图像分析软件测量冷却孔的尺寸。在至少5个不同的冷却孔中取五组读数以计算平均直径(0.06英寸)。
使用Carl Zeiss Surfcom Flex 80A(10mm横向距离和2μm尖端半径)在试样1和2的冷却孔内部执行粗糙度测量。在至少5个不同的冷却孔中取五组读数以计算平均表面粗糙度。在玻璃珠喷射(glass bead blasting)之前和之后在构建试样1和2的表面上进行测量。试样1的冷却孔内部的平均表面粗糙度为约4μm Ra，并且试样2的冷却孔内部的平均表面粗糙度为约7μm Ra。使用尺寸(即冷却孔的直径和试样1和2的测量的平均表面粗糙度值)执行热传递计算。使用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)执行数值模拟(numerical simulations)以计算热传递参数，如通过冷却孔的空气的流速、进入之前和通过冷却孔之后的空气温度变化(ΔT)、试样1和2的热传递系数(heat transfercoefficient，HTC)。
表1示出了与包括具有标准平滑表面和0.06英寸直径的冷却孔的比较试样(comparative coupon)相比，试样1和2的冷却孔内部的表面粗糙度值以及普朗特数(Pr)＝0.5和Pr＝0.1的空气的对应热传递参数。参考表1，观察到试样2(具有表面粗糙度为约7μmRa的冷却孔)与试样1(具有表面粗糙度为约4μm Ra的冷却孔)相比，通过冷却孔的空气流速较低；并且ΔT和热传递系数较高。通过试样2与试样1相比冷却孔的表面粗糙度增加，由于HTC增加，试样2中的净吸热(net heat pick up)与试样1相比较高。基于该计算，分析了通过保持流速和净吸热，可以增加冷却孔的直径以在冷却孔内部提供更高的面积以便改善冷却。
表1
尽管本说明书仅示出和描述了本公开的某些特征，但是本领域技术人员将会想到许多修改和变化。因此，应当理解，所附权利要求旨在涵盖落入本公开范围内的所有这样的修改和变化。

Claims (14)

1.一种用于修理部件(100)的方法，所述方法包括：
去除所述部件(100)初始包括多个初始冷却孔的部分(102)以形成腔(104)；
通过增材制造形成包括多个冷却孔(208)的替换部分(200)，其中所述替换部分(200)替换所述部件(100)的所述部分(102)；以及
在通过增材制造形成所述替换部分(200)期间相对于所述多个初始冷却孔改变所述多个冷却孔(208)中的至少一个冷却孔(208)的表面粗糙度和直径。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述部件(100)包括金属合金。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述替换部分(200)具有与所述腔(104)或所述部分(102)基本相同的形状和几何结构。
4.根据权利要求1所述的方法，其中改变步骤包括与所述部分(102)的初始提供的多个冷却孔的表面粗糙度相比增加所述至少一个冷却孔(208)的表面粗糙度。
5.根据权利要求1所述的方法，其中改变步骤包括在0.1μm Ra至10μm Ra的范围内改变所述表面粗糙度。
6.根据权利要求1所述的方法，其中改变步骤包括在1μm Ra至8μm Ra的范围内改变所述表面粗糙度。
7.根据权利要求1所述的方法，其中改变步骤包括与所述部分(102)的初始提供的多个冷却孔的直径相比增加所述至少一个冷却孔(208)的直径。
8.根据权利要求1所述的方法，其中改变步骤包括在0.1毫米至6毫米的范围内改变所述直径。
9.根据权利要求1所述的方法，其中改变步骤包括在0.5毫米至3毫米的范围内改变所述直径。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述形成包括在所述腔(104)中通过增材制造原位形成所述替换部分(200)。
11.根据权利要求1所述的方法，其还包括将所述替换部分(200)固定在所述腔(104)中。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述部件(100)包括涡轮机部件。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述涡轮机部件包括喷嘴、叶片、轮叶、导叶、护罩、燃烧器、或它们的组合。
14.一种用于修理部件(100)的方法，其包括：
去除所述部件(100)初始包括多个初始冷却孔的损坏部分(102)以形成腔(104)；
通过增材制造在所述腔(104)中形成包括多个冷却孔(208)的替换部分(200)，其中所述替换部分(200)替换所述部件(100)的所述损坏部分(102)；以及
在通过增材制造形成所述替换部分(200)期间相对于所述多个初始冷却孔改变所述多个冷却孔(208)中的至少一个冷却孔(208)的表面粗糙度和直径。
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