CN113623013A - 用于部件的共形涂层掩模和系统 - Google Patents

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CN113623013A
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杰弗里·克拉伦斯·琼斯
扎卡里·约翰·斯奈德
C·D·波特
布拉德·威尔逊·万塔塞尔
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General Electric Co
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Abstract

本发明题为用于部件的共形涂层掩模和系统。本发明提供了一种共形涂层掩模(300)，该共形涂层掩模与具有多个冷却孔(201)的涡轮部件一起使用。该共形涂层掩模(300)包括至少两个锚定件(301,310)；多个径向掩模条(303)，多个径向掩模条(303)与至少两个锚定件(301、310)中的每一个锚定件一体形成并且在至少两个锚定件(301、310)之间延伸；和至少一个涂层掩模固定插入件(330)。至少一个涂层掩模固定插入件(330)的每个涂层掩模固定插入件与相应的至少一个径向掩模条(303)一体形成；其中多个径向掩模条(303)与多个冷却孔(201)对齐并覆盖多个冷却孔。

Description

用于部件的共形涂层掩模和系统
背景技术
本公开整体涉及包括与部件同时形成的涂层掩模的系统。具体地，本公开涉及包括共形涂层掩模的系统，该共形涂层掩模通过增材制造与涡轮叶片部件同时形成。
发明内容
本公开的第一方面提供了与具有多个冷却孔的涡轮部件一起使用的共形涂层掩模。该共形涂层掩模包括至少两个锚定件；多个径向掩模条，该多个径向掩模条与至少两个锚定件中的每个锚定件一体形成并且在至少两个锚定件中之间延伸；至少一个涂层。至少一个涂层掩模固定插入件的每个与相应的至少一个径向掩模条一体形成；其中多个径向掩模条与多个冷却孔对齐并覆盖多个冷却孔。
本公开的第二方面提供了一种系统，系统包括涡轮部件和与部件同时形成的共形涂层掩模。涡轮部件包括翼型件和其中的多个冷却孔。共形涂层掩模包括：包括至少两个锚定件；多个径向掩模条，该多个径向掩模条与至少两个锚定件中的每个锚定件一体形成并且在至少两个锚定件中之间延伸；和至少一个涂层掩模固定插入件。至少一个涂层掩模固定插入件的每个与相应的至少一个径向掩模条一体形成；其中多个径向掩模条与多个冷却孔对齐并覆盖多个冷却孔。
本公开的示例性方面被设计成解决本文描述的问题和/或未讨论的其他问题。
附图说明
从结合描绘本公开的各种实施方案的附图的对本公开的各个方面的以下详细描述，将更容易理解本公开的这些和其他特征，其中：
图1示出了根据本公开实施方案的具有共形涂层掩模的叶片的示意性透视图；
图2示出了根据本公开实施方案的沿图1的线2-2截取的具有共形涂层掩模的叶片的剖视图；
图3示出了根据本公开的实施方案的在叶片冷却孔中的涂层掩模固定插入件的侧面剖视图；
图4示出了根据本公开实施方案的涂层掩模固定插入件的侧面剖视图；
图5示出了根据本公开实施方案的涂层掩模固定插入件的侧面剖视图；
图6示出了根据本公开实施方案的沿图4中的线6-6截取的涂层掩模固定插入件的顶部透视图；
图7示出了根据本公开实施方案的沿图4中的线6-6截取的涂层掩模固定插入件的顶部透视图；
图8示出了根据本公开实施方案的涂层掩模固定插入件的底部透视图；
图9示出了根据本公开实施方案的涂层掩模固定插入件的底部透视图；
图10示出了根据本公开实施方案的用于冷却孔的涂层掩模固定插入件的另一个方面；并且
图11示出了根据本公开实施方案的涂层掩模固定插入件的又一方面。
应当注意，本公开的附图未必按比例绘制。附图旨在仅描绘本公开的典型方面，并且因此不应当被视为限制本公开的范围。在附图中，类似的编号表示附图之间的类似的元件。
具体实施方式
首先，为了清楚地描述当前技术，当提及和描述通过增材制造与具有冷却孔的涡轮叶片或其他涡轮部件(下文称为“涡轮叶片”或“叶片”，以便于参考)同时形成的共形涂层掩模时，有必要选择特定术语。这些共形涂层掩模系统在涡轮叶片形成后的任何加工(诸如但不限于涂覆)期间为涡轮叶片提供冷却孔保护。在可能范围内，通用行业术语将以与术语的接受含义一致的方式来使用和采用。除非另有说明，否则应当对此类术语给出与本申请的上下文和所附权利要求书的范围一致的广义解释。本领域的普通技术人员将了解，通常可以使用若干不同或重叠术语来引用特定部件。在本文中可描述为单个零件的物体可以包括多个部件并且在另一个上下文中被引用为由多个部件组成。另选地，本文中可描述为包括多个部件的物体可在别处称为单个零件。
此外，本文中可能会定期使用若干描述性术语，并且在本节开始时定义这些术语应当证明是有帮助的。除非另有说明，否则这些术语以及其定义如下。如本文所用，“下游”和“上游”是指示相对于流体流动的方向的术语，诸如通过涡轮引擎的工作流体，或者例如通过燃烧器的空气流或通过涡轮机的部件系统之一的冷却剂。术语“下游”对应于流体流动方向，并且术语“上游”是指与流动相反的方向。在没有任何另外的特殊性的情况下，术语“前”和“后”是指方向，其中“前”是指引擎的前端或压缩机端，并且“后”是指引擎的后端或涡轮机端。
通常需要描述相对于中心轴线设置在不同径向位置的零件。术语“径向”是指垂直于轴线的移动或位置。例如，如果第一部件比第二部件更靠近轴线，则本文将说明第一部件沿第二部件“径向向内”或在第二部件的“内侧”。另一方面，如果第一部件比第二部件更远离轴线驻留，则本文可以说明第一部件是第二部件的“径向向外”或“外侧”。术语“轴向”是指平行于轴线的移动或位置。最后，术语“圆周”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应用。
此外，在本文中可以有规律地使用若干描述性术语，如下所述。术语“第一”、“第二”和“第三”可以可互换地使用，以将一个部件与另一个部件区分开，并且不旨在表示单独部件的位置或重要性。
本文使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的并且不旨在限制本公开。如本文所用，单数形式“一个”、“一种”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确地说明。将进一步理解，当在说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定存在陈述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组。“任选的”或“任选地”意指随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生，并且该描述包括事件发生的实例和事件不发生的实例。
在元件或层被称为“在…上”、“接合到”、“连接到”或“联接到”另一个元件或层的情况下，它可直接在另一个元件或层上、接合到、连接到或联接到另一个元件或层，或者可存在居间元件或层。相比之下，当元件被称为“直接处于另一个元件或层上”、“直接接合到另一个元件或层”、“直接连接到另一个元件或层”或“直接联接到另一个元件或层”时，可不存在居间元件或层。用于描述元件之间关系的其他词语应以类似的方式解释(例如，“在…之间”与“直接在…之间”，“相邻”与“直接相邻”等)。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。
为了有利于理解本公开的实施方案，发电、航空领域和其他领域的变化和改进速度伴随着制造这些领域中使用的部件的广泛研究。金属、塑料或陶瓷复合部件的常规制造一般包括先从材料板铣削或切削掉区域，再处理并修改切下的材料而产生零件，这可例如在绘图软件中使用计算机模型模拟。可由金属形成的制造的部件可包括例如用于安装在涡轮机(诸如飞机发动机或发电系统)中的翼型部件。
增材制造(AM)包括通过材料的连续层叠而不是材料的移除来生产部件的多种过程。因此，增材制造可形成复杂的几何形状，而无需使用任何种类的工具、模具或夹具，并且很少浪费或不浪费材料。并非由实心材料坯体(其中许多被切削掉并丢弃)加工部件，增材制造中使用的唯一材料是使部件成形所需的材料。
增材制造技术通常包括采用待形成的部件的三维计算机辅助设计(CAD)文件，以电子方式将该部件切成层(例如，18微米至102微米厚)并且创建具有每个层的二维图像(包括向量、图像或坐标)的文件。然后，可将该文件加载到制备软件系统中，该制备软件系统解读该文件，使得可通过不同类型的增材制造系统来构建该部件。在增材制造的3D打印、快速成型(RP)和直接数字制造(DDM)形式中，对材料层进行选择性分配、烧结、成形、沉积等以形成该部件。
在金属粉末增材制造技术诸如直接金属激光熔化(DMLM)(也称为选择性激光熔化(SLM))中，将金属粉末层顺序地熔化在一起以形成该部件。更具体地讲，使用涂敷器均匀地分布于金属粉末床上之后，将细金属粉末层顺序地熔化。每个涂敷器包括由金属、塑料、陶瓷、碳纤维或橡胶制成的模唇、刷、刮刀或滚筒形式的涂敷器元件，该涂敷器元件将金属粉末均匀铺展在构建平台上方。金属粉末床可在竖直轴中移动。该过程在具有精确控制的气氛的处理室中发生。一旦形成每个层，就可通过选择性地熔化金属粉末来使部件几何形状的每个二维切片熔凝。该熔化可通过高功率的熔化束(诸如100瓦镱激光器)执行，以便完全焊接(熔化)金属粉末而形成固体金属。该熔化束使用扫描镜在X-Y方向上移动，并且其强度足以完全焊接(熔化)金属粉末以形成固体金属。可降低金属粉末床以用于每个后续二维层，并且该过程重复进行，直至完全形成该部件。
此外，涡轮部件诸如但不限于气体涡轮引擎的翼型件、涡轮叶片和导叶(喷嘴)通常需要复杂的冷却方案，其中冷却空气流过翼型件，然后通过仔细构造的冷却孔排出。例如，但仅为本公开的说明，部件的冷却孔可包括在翼型件的后缘处的冷却孔。涡轮叶片性能与提供翼型件表面的均匀冷却的能力相关。因此，对冷却孔大小和形状的控制在涡轮翼型件设计中是重要的，因为开口的大小和形状可确定离开给定孔的流量、跨翼型件的孔分布以及冷却回路内的总体流量分布。其他因素(诸如回流余量)也受到开口大小变化的影响。因此，保护冷却孔的预期构型(包括在后部件处理诸如涂覆之后)将使得冷却孔能够实现其预期功能。
除了常规钻孔技术诸如激光加工和放电加工(EDM)之外，还可使用复杂的先进铸造实践来产生具有尺寸上正确的冷却孔开口的翼型件，以便可重复地控制开口大小。一旦铸造，就必须执行后续翼型件制造操作，使得铸造至一定大小的冷却孔开口不会通过将更改一些或全部冷却孔开口的尺寸的操作来处理。
然而，随着一些涡轮的空气通过标准日益复杂，已采用增材制造过程(如上所论述)来形成涡轮部件。增材制造过程使得能够以比一些传统形成方法更容易、更有效且成本更低的方式形成错综的、蛇形的和复杂的冷却通道和冷却孔开口。
无论如何形成，随着涡轮部件的操作环境日益苛刻，通常在制造涡轮部件时以及可能地在维修期间也将保护性涂层涂覆到这些涡轮部件。现代高效燃烧涡轮具有超过约1,000摄氏度的点火温度，并且随着对更高效发动机的需求持续，预期甚至更高的点火温度。形成“热气体路径”燃烧器和涡轮段的许多部件直接暴露于侵蚀性热燃烧气体，这些部件例如燃烧器衬里、燃烧段和涡轮段之间的过渡导管、以及涡轮静止导叶和旋转叶片以及周围的环段。除了热应力之外，这些部件和其他部件也暴露于机械应力和负载，从而对部件造成进一步的磨损。
通过用保护性涂层涂覆部件，使传统上用于制造在燃烧涡轮引擎的热气体路径段中使用的大部分燃烧涡轮部件的许多基于铁、钴和镍的超合金材料与热气体流隔离，以便在此侵蚀性高温燃烧环境中经受长期操作。保护性涂层包括但不限于热障涂层(TBC)、粘结涂层、环境障涂层(EBC)、它们的组合、以及现在已知或下文开发的其他涂层。保护性涂层可通过多步过程制备，该多步过程包括根据涡轮部件的预期用途和与该用途相关联的环境来例如用粘结涂层和后续的附加涂层涂覆需要保护性涂层的表面。
TBC是高度先进的材料体系。这些涂层用作保护性涂层，以通过利用绝热材料来使部件与大而长时间的热负载隔离，这些绝热材料可维持承载合金和涂层表面之间的可测量的温差。这样做可允许这些涂层具有更高操作温度，同时限制结构部件的热暴露，从而通过减少氧化和热疲劳来延长部件寿命。
TBC通过各种方法涂覆到涡轮部件。喷涂通常用于涂覆TBC(或其他涂层)。例示性喷雾涂覆过程包括但不限于空气和真空两者中的等离子喷涂、冷喷涂、静电喷涂、电子束物理气相沉积、化学气相沉积、热喷涂、高速氧-燃料涂覆、物理气相沉积、它们的组合、以及现在已知或下文开发的其他喷涂技术。
参考图1，涡轮叶片100包括翼型件105和基部116。基部116包括翼型件105附接到的平台104。翼型件105具有其中限定有凹陷部122的顶端108。翼型件105还包括前缘110和后缘111。
如上所述，在气体涡轮引擎部件中通常需要冷却孔。冷却孔通常需要复杂的冷却方案，其中冷却空气流过翼型件，然后通过精心配置的冷却孔排出。在图1和图2中，复杂的冷却方案包括冷却通道128(图2)，这些冷却通道通向顶端108中的顶端冷却孔201。复杂的冷却方案还包括通过连接管129连接到冷却通道128的翼型件冷却孔200(图2)。冷却孔200通常设置在从平台104到翼型件105上的顶端108的柱中，与冷却通道128对齐。
根据本公开的实施方案的喷雾涂覆涡轮部件(诸如叶片100)的一个方面围绕对叶片100的冷却孔200、201周围的喷雾的控制或缺乏控制。这里喷雾的控制意味着喷雾避免了冷却孔200、201周围的砂堵以及后续的返工需求。当然，任何涂覆或其他后处理/形成部件处理都不得妨碍翼型件满足操作要求，包括通过翼型件的冷却空气气流要求以及通过翼型件表面处的冷却孔排出。
“砂堵”是一种应当避免的后处理/形成涂层结果，其为涂层在被涂覆表面和涂层掩模边缘之间的积聚，从而堵塞间隙。涂层掩模旨在将涂层保持在冷却孔之外，并且过度的砂堵阻止掩模容易地从被涂覆部件移除。涂层掩模必须与表面间隔足够远以防止砂堵，但又必须足够靠近表面以保持涂层材料离开冷却孔。当然，为了维持冷却孔的预期功能，应控制砂堵。
如下文将详细论述的，砂堵是由于喷雾(例如TBC，但其并不旨在限制实施方案)在沉积于部件(此处为叶片100)上时的“遮蔽”效应所致。可通过将物体放置在光源前方并且观察由该物体投射的阴影来使遮蔽效应最佳地可视化。环绕物体的光线代表沉积的喷雾，而由物体投射的阴影代表沉积的喷雾中的空隙。然而，在称为遮蔽的自然过程中，由于涂层可自身堆积而“砂堵”孔，因此相对彼此太小或太靠近的孔(诸如冷却孔200、201)可产生砂堵。在这些孔处，涂层可能会堵塞孔。此外，涂层材料可能不会严格地粘结或粘附到部件或基材。因此，将需要返工以清除“砂堵”的孔200、201(当涂层堆积在目标区域和孔上方时)或在一定位置处(其中涂层未严格地粘结或粘附到部件或基材)重新涂覆，这可能延长处理时间、需要另外的资源并且可能导致机会成本损失等。
如本公开所体现的，提供了与涡轮部件(例如，叶片100)同时形成的共形涂层掩模，以减轻并且在一些情况下避免形成后处理(诸如但不限于涂覆)造成的砂堵和其他不期望的效果。如图1和图2所示，共形涂层掩模300通过增材制造与叶片100同时形成。因此，共形涂层掩模300可使其构型共形于叶片100的形状、轮廓和公差。如图所示，共形涂层掩模300包裹并环绕叶片100的至少一部分，并且与共形涂层掩模300环绕翼型件105的轮廓对齐。
共形涂层掩模300包括自偏置锚定件301、302。锚定件301、302优选地定位在叶片100的顶端108和平台104附近。锚定件301、302被柔性地形成，以用于包裹并环绕翼型件105。锚定件301、302形成有端部320和321，该端部320和321可位于翼型件105周围的各种位置处。锚定件301、302可从翼型件105上任何位置处的端部320、321开始，并且在图1中，端部320位于后缘111处，在该后缘处，初始涂层掩模固定插入件330被构造成插入对应的冷却孔200中(如本文所述)。锚定件301、302可缠绕并环绕翼型件105，使得端部321终止于翼型件105上，通常到达锚定件301、302几乎完全环绕翼型件105的位置。末端涂层掩模固定插入件330被构造为插入相应的冷却孔200中(也如下文所述)，以将端部插头盖331固定到翼型件105上。
锚定件301、302可包括通过增材制造形成的铰链结构308(图2)。铰链结构308能够并有助于将共形涂层掩模300安装在叶片100上。铰链结构308使得锚定件301、302能够围绕叶片100上弯曲部和的其他复杂表面轮廓区域定位。
此外，期望但非必要的是，锚定件301、302围绕翼型件105延伸以对应于翼型件105的定位有冷却孔200的区域。因此，如下文所述，共形涂层掩模300包括具有涂层掩模固定插入件330的径向掩模条303。径向掩模条303在锚定件301、302之间延伸并且延伸翼型件105的总高度。如本文所述，在增材制造期间形成与翼型冷却孔200对齐的锚定件301、302和径向掩模条303将使涂层掩模固定插入件330定位成与冷却孔200对齐，以掩模那些冷却孔200。
径向掩模条303通常与成列的冷却孔200对齐，并且包括至少一个涂层掩模固定插入件330，并且优选地多个涂层掩模固定插入件330。涂层掩模固定插入件330同时与插头条303和锚定件301、302一起增材制造。因此，如本文所述，涂层掩模固定插入件330与冷却孔200对齐。
如图1和图3所示，径向掩模条303上的涂层掩模固定插入件330被构造成与翼型件205上的冷却孔200对齐。在本公开的一个非限制性方面，所有冷却孔200具有对应的涂层掩模固定插入件330。本公开的其他非限制性方面包括在翼型件205上的仅用于一列(径向掩模条306)的一个冷却孔200的径向掩模条303上的涂层掩模固定插入件330；用于一列(径向掩模条305)的多个冷却孔200的径向掩模条303上的涂层掩模固定插入件330；或用于一列(径向掩模条304)的每个冷却孔200的径向掩模条303上的涂层掩模固定插入件330。
径向掩模条303被构造成在翼型件105的整个长度上延伸，从顶端108延伸到平台104。另选地，径向掩模条303被构造成在翼型件105的整个长度的一部分上延伸，诸如从顶端108延伸但在平台104之前终止、从顶端108下部起始并终止于平台104、或从顶端108下部起始且在平台104之前终止。
涂层掩模固定插入件330在增材制造期间与每个径向掩模条303一体形成，并且被构造为覆盖并对应于冷却孔200。涂层掩模固定插入件330有助于将径向掩模条303对齐并固定在适当位置。通过涂层掩模固定插入件330将径向掩模条303对齐并固定在冷却孔200中可通过进入冷却孔200的每个径向掩模条303的至少一个涂层掩模固定插入件330的插入部件350来实现。
在某些情况下，插入部件350被构造成简单地装配在冷却孔200内以对齐并将径向掩模条303固定在适当位置。在申请的其他实施方案中，插入部件350被构造成装配在冷却孔200内，以摩擦接合冷却孔200的一部分，从而对齐并将径向掩模条303固定在适当位置。
在实施方案的非限制性方面，如图3所示，径向掩模条303的插入部件350形成有可压缩部分332，该可压缩部分332被构造为当使用共形涂层掩模300对叶片100进行掩模时设置在冷却孔200、201内。共形涂层掩模300和叶片100的同时增材制造允许共形涂层掩模300共形于并匹配叶片100的表面106。然而，增材制造元件(此处为叶片100)包括独特的轮廓和公差，同时增材制造被构造成共形于叶片100的共形涂层掩模300允许涂层掩模固定插入件330与翼型件105上的冷却孔200、201的期望对准。
涂层掩模固定插入件330包括插头盖331(图3)。插头盖331具有凸起的顶部部分，并且在周边配置上与被增材制造以进行掩模的相应冷却孔200互补。插头盖331的周边构型可为椭圆形周边(图6)、圆形周边(图7)、或现在已知的或之后开发的任何其它冷却孔互补周边构型。无论插头盖331周边的形状如何，插头盖331的周边都被构造为在每个对应的冷却孔200的整体上延伸，每个涂层掩模固定插入件330与每个对应的冷却孔200对齐并且可定位在每个对应的冷却孔200上。椭圆形周边(图6)被构造成用于在翼型件105的特别弯曲的表面部分(诸如但不限于前缘110和后缘111)处的冷却孔200。圆形周边(图7)被构造成用于定位在翼型件105上的中间位置处的冷却孔200。此外，本公开的实施方案旨在包括覆盖在冷却孔上面的插头盖331的任何构型。
涂层掩模固定插入件330的可压缩部分332形成于涂层掩模固定插入件330的底部表面339上。可压缩部分332使得能够将涂层掩模固定插入件330插入和安装到冷却孔200中。涂层掩模固定插入件330的可压缩部分332具有足够的弹性以在涂层掩模固定插入件330进入冷却孔200时被压缩。可压缩部分332接触冷却孔200的壁，从而压缩可压缩部分332。此后，可压缩部分332将以摩擦方式将涂层掩模固定插入件330固定在冷却孔200中。
涂层掩模固定插入件330的可压缩部分332包括两个可压缩腿部333、334(为便于描述，可压缩腿部333、334将被称为“腿部333、334”)。腿部333、334在增材制造期间与插头盖331、径向掩模条303和共形涂层掩模300一体形成。腿部333、334被形成为装配在冷却孔200中。腿部333、334的回弹力使得涂层掩模固定插入件330能够具有施加于其以将腿部333、334在间隙335中朝彼此压缩的力。当在冷却孔200中时，腿部333、334可解压缩以摩擦接合冷却孔200的壁并将涂层掩模固定插入件330保持在其中。因此，腿部333、334摩擦地将冷却孔200中的共形的涂层掩模300与叶片100保持在一起。
此外，腿部333、334可被设想为分体式锥形结构。锥形的基部形成在底部339上，锥形从顶端到基部基本上“分裂”成两半。从其顶点起的每一半以“分裂”或间隔开的结构增材制造或形成为彼此间隔开的，同时基部部分在涂层掩模固定插入件330的底部表面339上保持完整。因此，顶点被构造成形成V形间隙335，该V形间隙的横截面为三角形，如本文所述。
如图3至图5、图8和图9，V形间隙335被构造为允许涂层掩模固定插入件330在插入冷却孔200中时使腿部333、334被压缩(如本文所述)。腿部333、334的压缩可通过适当的外力进行，例如但绝不是对本公开的限制，个人的手指对腿部333、334施加压力以使腿部333、334朝向彼此移动并减小V形间隙335尺寸，因此涂层掩模固定插入件330可插入到冷却孔200中。另选地，如本文所述，当共形涂层掩模300附接到叶片100时，邻接冷却孔200内表面的腿部333、334(参见图3)，将使腿部333、334朝向彼此移动并压缩。在上述情况的每一种中，涂层掩模固定插入件330的腿部333、334可解压缩(至少至一定程度)以将涂层掩模固定插入件330摩擦地保持在冷却孔200中。
虽然腿部333、334被示出为大致锥形构型，但其仅仅是腿部333、334可能的多种构型的示例。当然，如果腿部333、334具有互补且对应的接合表面，则腿部333、334抵靠冷却孔200的压缩将更平滑。腿部333、334的构型可以是与冷却孔200一致并对齐的任何形状、横截面和/或长度。因此，本公开的各方面包括具有任何构造的腿部333、334，这些构造的腿部333、334允许腿部333、334可压缩到冷却孔200中并且回弹以将涂层掩模固定插入件330摩擦地保持在冷却孔200中。
如图3所示，每个涂层掩模固定插入件330覆盖在翼型件105的表面106上。插头盖331的覆盖取向和结构与插头盖331和径向掩模条303的同时增材制造一起产生。共形涂层掩模300和组件(此处为叶片100)的同时形成允许共形涂层掩模300匹配叶片100的表面公差，如上所述，并且允许涂层掩模固定插入件330与翼型件105的冷却孔200对齐。
图10和图11示出了至少一个涂层掩模固定插入件330的插入部件350的其他实施方案。图10以细长螺旋形或螺旋拔塞器形部分351的形式示出了插入部件350。细长螺旋形或螺旋拔塞器形部分351被构造成在存在或不存在接合冷却孔200、201的侧壁的情况下延伸到冷却孔200、201中。因此，细长螺旋形或螺旋拔塞器形部分351被构造成延伸到冷却孔200、201中，可与冷却孔200、201摩擦接合或不接合，简单地将涂层掩模固定插入件330的细长螺旋形或螺旋拔塞器形部分351以及径向掩模条303定位在其上。
图11以正弦曲线部分353的形式示出了第四插入部件350。正弦曲线部分353被构造成在具有或不具有接合冷却孔200、201的侧壁的情况下延伸到冷却孔200、201中。因此，正弦曲线部分353被构造成延伸到冷却孔200、201中，可与冷却孔200、201摩擦接合或不接合，简单地将涂层掩模固定插入件330的正弦曲线部分353和径向掩模条303定位在其上。
对于每个插入部件350，涂层掩模固定插入件330的细长螺旋形或螺旋拔塞器形部分351或正弦曲线部分353和径向掩模条303均可与插头盖331的任何构型一起使用，如本文所体现。此外，插头盖331可具有细长螺旋形或螺旋拔塞器形部分351或正弦曲线部分353，或者可不具有凹陷340，如本文所述。
增材制造工艺形成具有如下构型的涂层掩模固定插入件330：当涂层掩模固定插入件330的插入部件350插入到冷却孔200中时，涂层掩模固定插入件330的底部表面339在冷却孔200处覆盖表面106其间相隔距离A(图4)。距离A足以防止涂层进入插头盖331下面到达表面106。因此，涂层不会进入插头盖331下方并且不会砂堵冷却孔200。通过有目的且有利地设定距离A，从而消除插头盖331下方的涂层量，共形涂层掩模300防止涂层材料落在冷却孔200周围，并防止冷却孔200之间的砂堵。
参照图8和图9，在本公开的一些方面，插头盖331的底部表面339是平坦的并且可通过增材制造形成为从腿部333、334延伸。根据本公开的另一方面，插头盖331包括具有凹陷340的底部表面339(图5)，该凹陷340形成为从底部表面339朝插头盖331的顶部延伸。凹陷340减少了形成共形涂层掩模300、插入部件350、径向掩模条303和涂层掩模固定插入件330所需的材料量。凹陷340还可增强对涂层掩模固定插入件330的任何操纵，因为涂层掩模固定插入件330将更轻，因此更易于根据需要移入和移出冷却孔200。
一旦叶片100和共形涂层掩模300已通过增材制造同时打印完成，共形涂层掩模300就可与叶片100对齐以与其摩擦接合。因此，由于同时形成，共形涂层掩模300及其特征匹配叶片100的表面公差和轮廓。
参考图1，为了将共形涂层掩模300附接到叶片100，锚定件301、302被定位成使得端部320和第一初始径向掩模条303与一列冷却孔200对齐。因此，可通过使相应涂层掩模固定插入件330的至少一个插入部件350进入或摩擦接合在相应的冷却孔200中，来固定共形涂层掩模300。此后，移动锚定件310、302以环绕翼型件105，并且每个相应的径向掩模条303上的涂层掩模固定插入件330可与相应的冷却孔对齐并插入到相应的冷却孔中，直到与端部322相关联的最后末端径向掩模条303可与冷却孔200对齐，并且将相应的涂层掩模固定插入件330在端部322处的插入部件350插入到冷却孔200中。
另选地，用于将共形涂层掩模300附接到叶片100的另一种方法将锚定件301、302定位成使得端部320和第一初始径向掩模条303与一列冷却孔200对齐。因此，可通过将至少一个涂层掩模固定插入件330的插入部件350摩擦接合在该第一初始径向掩模条303处的对应冷却孔200中，来固定共形涂层掩模300。此后，移动锚定件310、302以环绕翼型件105，并且每个相应的径向掩模条303上的涂层掩模固定插入件330可与冷却孔200对齐(但涂层掩模固定插入件330的插入部件350不插入冷却孔200中)。接下来，可将与端部322相关的最后末端径向掩模条303与一列冷却孔200对齐，并将该端部322上的各个涂层掩模固定插入件330的插入部件350插入到冷却孔200中。然后，一旦第一初始末端径向掩模条303和最后末端径向掩模条303摩擦地固定到对应的冷却孔200中，涂层掩模固定插入件330的插入部件350的其余部分就可随后插入到冷却孔200中。
如可从实施方案的即时描述中看出，共形涂层掩模300、自偏置锚定件301、302和径向掩模条303各自具有掩模几何形状，掩模几何形状的尺寸和形状设定成适于覆盖冷却孔200，从而防止涂层堵塞冷却孔200。因此，总体构型防止部件表面与共形涂层掩模300的边缘之间的涂层砂堵。
从实施方案的描述中还可以看出，共形涂层掩模300的特征部及其在叶片100上的使用提供了一种掩模涡轮部件的方法，以在形成后的涂覆处理期间阻挡涡轮部件中的任何孔。该方法包括通过增材制造同时形成共形涂层掩模300和涡轮叶片100。在形成之后，共形涂层掩模300被定位成覆盖叶片100，因此至少一个闭合插头覆盖至少一个对应的冷却孔200。向一个或多个涂层掩模固定插入件330或径向掩模条303施加力，从而将至少一个但优选全部的插入部件350的移动到相应的冷却孔200中。
可进行涂覆(或其他形成后处理)，并且通过插入涂层掩模固定插入件330防止涂层进入叶片100上的冷却孔200。此外，即使在未提供涂层掩模固定插入件330或未将涂层掩模固定插入件330插入到冷却孔200中的情况下，也可防止涂层进入冷却孔200，因为至少一个径向掩模条303覆盖紧密贴近的冷却孔200的列。每个径向掩模条303将掩模一列冷却孔200。因此，并非每个冷却孔200都可能需要对应的涂层掩模固定插入件330，并且仍可实现掩模。换句话讲，涂层掩模固定插入件330用于在锚定件301、302中的一者断裂的情况下将掩模条303对齐并固定在适当位置。本文的实施方案不需要用于每个冷却孔的插入部件350和涂层掩模固定插入件330，但是每个冷却孔200上方的掩模条303将防止涂层进入孔中。
一旦完成任何形成后处理，就可通过提起共形涂层掩模300的任何部分(例如但不限于锚定件301、302、径向掩模条303或任何涂层掩模固定插入件330)来移除共形涂层掩模300。
本公开的另一方面提供了一种掩模涡轮部件的方法，以在形成后处理期间阻挡涡轮部件中的任何孔。该方法包括在通过增材制造涡轮部件的同时，通过增材制造形成共形涂层掩模。形成共形涂层掩模包括通过增材制造一体形成：包括至少两个锚定件；多个径向掩模条，该多个径向掩模条与至少两个锚定件中的每一个一体形成并且在至少两个锚定件之间延伸；和至少一个涂层掩模固定插入件。至少一个涂层掩模固定插入件的每个与相应的至少一个径向掩模条一体形成，其中多个径向掩模条与多个冷却孔对齐并覆盖多个冷却孔。
如在整个说明书和权利要求书中使用的，近似语言可以用于修改可以允许变化的任何定量表示，而不会导致与其相关的基本功能的变化。因此，由一个或多个术语(诸如“约”、“大约”和“基本上”)修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度。这里以及整个说明书和权利要求书中，范围限制可以可以组合和/或互换。除非上下文或语言另有说明，否则这些范围被识别并包括其中包含的所有子范围。应用于范围的特定值的“大约”适用于两个终止值，除非另外依赖于测量值的仪器的精度，否则可以指示所述值的+/-10％。
以下权利要求书中的所有装置或步骤加功能元件的对应结构、材料、动作和等同物旨在包括用于结合具体要求保护的其他要求保护的元件执行功能的任何结构、材料或动作。已经出于说明和描述的目的给出了对本公开的描述，但其并不旨在穷举或将本公开限制于所公开的形式。在不脱离本公开的范围和实质的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员将是显而易见的。选择和描述了实施方案以便最好地解释本公开的原理和实际应用，并且使得本领域的其他技术人员能够理解具有适合于预期的特定用途的各种修改的本公开的各种实施方案。

Claims (15)

1.一种与具有多个冷却孔(201)的涡轮部件一起使用的共形涂层掩模(300)，所述共形涂层掩模(300)包括：
至少两个锚定件(301、310)；
多个径向掩模条(303)，所述多个径向掩模条(303)与所述至少两个锚定件(301、310)中的每一个一体形成并且在所述至少两个锚定件(301、310)之间延伸；和
至少一个涂层掩模固定插入件(330)，所述至少一个涂层掩模固定插入件(330)的每个涂层掩模固定插入件与相应的至少一个径向掩模条(303)一体形成；
其中所述多个径向掩模条(303)与所述多个冷却孔(201)对齐并覆盖所述多个冷却孔(201)。
2.根据权利要求1所述的共形涂层掩模(300)，其中所述至少两个锚定件(301、310)、所述多个径向掩模条(303)和所述至少一个涂层掩模固定插入件(330)通过增材制造而一体形成。
3.根据权利要求1所述的共形涂层掩模(300)，其中所述至少一个涂层掩模固定插入件(330)的每个涂层掩模固定插入件包括：
插头盖(331)；和
插入部件(350)，所述插入部件能够进入至少一个冷却孔(200)中。
4.根据权利要求3所述的共形涂层掩模(300)，其中所述插入部件(350)摩擦接合所述至少一个冷却孔(200)的壁。
5.根据权利要求3所述的共形涂层掩模(300)，其中所述插入部件(350)包括正弦曲线部分(353)。
6.根据权利要求3所述的共形涂层掩模(300)，其中所述插入部件(350)包括细长螺旋形部分。
7.根据权利要求3所述的共形涂层掩模(300)，其中所述插入部件(350)包括可压缩部分(332)，所述可压缩部分(332)包括与所述插头盖(331)一体形成的多个可压缩腿部(333、334)，所述多个可压缩腿部(333、334)通过间隙(335)彼此分离，所述多个可压缩腿部(333、334)能够通过施加在所述多个可压缩腿部(333、334)上的力运动到所述间隙(335)中，其中一旦所述力被移除，所述多个可压缩腿部(333,334)就从所述间隙(335)返回。
8.根据权利要求7所述的共形涂层掩模(300)，其中所述多个可压缩腿部(333、334)仅包括两个可压缩腿部(333、334)。
9.根据权利要求7所述的共形涂层掩模(300)，其中所述间隙(335)的横截面形状为三角形。
10.根据权利要求3所述的共形涂层掩模(300)，其中所述插头盖(331)包括凸起的顶部部分并且具有椭圆形周边。
11.根据权利要求3所述的共形涂层掩模(300)，其中所述插头盖(331)包括凸起的顶部部分并且具有圆形周边。
12.根据权利要求3所述的共形涂层掩模(300)，其中所述插头盖(331)的所述底部表面(339)包括凹陷(340)。
13.一种系统，所述系统包括：涡轮部件和与所述部件同时形成的共形涂层掩模(300)；
所述涡轮部件包括翼型件(105、205)和其中的多个冷却孔(201)；
所述共形涂层掩模(300)包括：
至少两个锚定件(301、310)；
多个径向掩模条(303)，所述多个径向掩模条(303)一体形成并且在所述至少两个锚定件(301、310)之间延伸；和
至少一个涂层掩模固定插入件(330)，所述至少一个涂层掩模固定插入件与所述至少一个径向掩模条(303)中的相应一个径向掩模条一体形成；
其中所述多个径向掩模条(303)与所述多个冷却孔(201)对齐并覆盖所述多个冷却孔(201)。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述至少一个涂层掩模固定插入件各自包括插头盖；和插入部件，所述插入部件可不进入至少一个冷却孔。
15.根据权利要求13所述的系统，其中可不进入至少一个冷却孔的所述插入部件包括以下中的至少一者：多个腿部，所述多个腿部与所述插头盖一体形成，所述多个腿部从所述插头盖的底部表面延伸以摩擦地接合冷却孔的壁；正弦曲线部分；和细长螺旋部分。
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