CN117967411A - 防侵蚀涡轮叶片及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种制造防侵蚀涡轮叶片的方法包括提供与旋转机械(110和/或210)一起使用的涡轮叶片(300)。该涡轮叶片(300)包括在根部(312)和尖端(316)之间延伸的翼型件(302)。该翼型件(302)包括压力侧(308)和相反的吸力侧(310)，并且该压力侧和该吸力侧(308,310)中的每一者在前缘(304)和后缘(306)之间延伸。该方法还包括：借助于增材制造工艺通过跨颗粒抗侵蚀材料(412)选择性地沉积粘结剂溶液(428)来打印生坯零件(402)；以及烧结该生坯零件(402)以产生包括致密抗侵蚀材料的烧结后侵蚀防护罩(326)。该方法还包括将该侵蚀防护罩(326)联接到该涡轮叶片(300)的该前缘(304)。

Description

防侵蚀涡轮叶片及其制造方法
联邦研究声明
本公开的主题是在政府支持下根据能源部(DOE)授予的合同DE-FE0031807做出的，并且政府对本文要求保护的主题具有某些权利。
背景技术
本公开的领域整体涉及旋转机械，并且更具体地涉及与包括防侵蚀前缘的旋转机械一起使用的叶片。
至少一些已知的旋转机器包括联接到转子轴的至少一个转子组件。转子组件包括多个周向间隔开的叶片，这些叶片朝向固定壳体径向向外延伸，该固定壳体限定通过旋转机械的流动路径的一部分。多个固定叶片(或喷嘴)以周向阵列联接到壳体，使得固定叶片径向向内延伸到流动路径中。固定叶片和旋转叶片被布置成交替排，使得叶片排和紧靠下游的叶片排形成旋转机械的“级”。叶片将流引向下游叶片排，其中叶片从流中提取能量，从而产生驱动转子和/或附接负载(例如，发电机)所需的动力。例如但不限于，转子组件可以是蒸汽涡轮的一部分，或燃气涡轮发动机的压缩机或涡轮区段的一部分。
至少一些已知的蒸汽涡轮从蒸汽流中提取功以通过以下方式来发电：通过导引由锅炉生成的高温、高压蒸汽通过固定叶片和旋转叶片的各级来将该蒸汽的能量转换成旋转能。一般来讲，蒸汽涡轮可包括高压区段、中压区段和低压区段。这些区段可以串行流取向布置，其中每个区段包括任何数量的级，这些级各自包括叶片排和下游叶片排。每个涡轮级设计成从被导引通过流动路径的蒸汽中提取有用功。流动通过流动路径的蒸汽使叶片旋转地驱动转子，从而从蒸汽中提取功。蒸汽逐渐膨胀并且蒸汽的温度和压力可逐渐降低。在不同的涡轮区段之间，在蒸汽从涡轮排出口排出之前，蒸汽可被重新加热以在下一区段中做功。更高温度的蒸汽涡轮可生成增加的输出，因为蒸汽的增加的温度增加了可用于提取的总能量。
当压力和温度变化时，蒸汽可能变湿，并且包含在蒸汽中的水分可能在涡轮表面(包括喷嘴)上冷凝成细水滴。包含在蒸汽中的水分主要以水膜的形式沉积在喷嘴的凹形表面上。水膜延伸跨过喷嘴的表面并且朝向每个喷嘴的后缘流动同时增加厚度。水膜作为水滴从喷嘴的后缘释放。如果水膜为厚，则释放大而粗的水滴，这些水滴被蒸汽流分散，并且与喷嘴下游的叶片碰撞。碰撞通过高速冲击抑制叶片的扭矩，并且因此降低了涡轮的总体性能。粗水滴还可能导致叶片的表面的侵蚀，这降低了叶片的空气动力学性能并减小了区段厚度，并且因此缩短了它们的有用使用期。
在蒸汽涡轮中，呈水滴形式的后级水分可导致后级涡轮叶片的显著侵蚀。一般来讲，随着水滴的大小增大，由水滴引起的侵蚀量增大。后级叶片包括前缘，该前缘在操作期间形成叶片与流动路径的冲击区域。此类叶片的操作寿命周期可至少部分地由叶片在前缘处的损坏或劣化缩短，这种损坏或劣化是由在涡轮操作期间引起的机械和/或热应力造成的。
为了便于减小此类应力的影响，至少一些叶片可包括延伸跨过叶片的前缘的防护罩。防护罩可由不同于叶片的基底材料的抗侵蚀材料形成，诸如钴铬合金(诸如由Kennametal Inc.,Latrobe,Pa.以商标销售的那些合金)。常规方法通常经由诸如铸造或锻造的制造技术来产生侵蚀防护罩。然而，由这些技术产生的侵蚀防护罩可能在制造期间或在联接到叶片之后的后续热处理期间易于破裂。侵蚀防护罩的现有制造技术也是耗时的。
在维护、修理和大修(MRO)期间，如果侵蚀防护罩已经侵蚀超过可接受阈值，则可需要修理防侵蚀叶片。为了修理防侵蚀叶片，通常利用机加工将现有的侵蚀防护罩从叶片移除，并将新的侵蚀防护罩零件焊接到叶片上。防侵蚀叶片的修理过程可能是耗时的，并且需要长达6个月才能完成，这取决于侵蚀防护罩零件的可用性。MRO事件可能持续2周的跨度，该时间不足以制造和更换所有防侵蚀叶片的侵蚀防护罩。因此，侵蚀防护罩零件的库存通常保存在仓库中。常规方法在劳动力和制造成本以及用于储存备用侵蚀防护罩的库存成本和时间消耗方面都是昂贵的，并且将受益于便于成本和时间高效地制造侵蚀防护罩并且在MRO事件开始期间按需制造的工艺。
因此，需要解决上述问题的具有防侵蚀前缘的叶片，以及制造具有防侵蚀前缘的叶片的方法。
发明内容
在一个方面，一种形成与涡轮叶片一起使用的侵蚀防护罩的方法包括：提供与旋转机械一起使用的涡轮叶片。该涡轮叶片包括在根部和尖端之间延伸的翼型件。该翼型件包括压力侧和相反的吸力侧，并且该压力侧和该吸力侧中的每一者在前缘和后缘之间延伸。该方法还包括：借助于增材制造工艺通过跨颗粒抗侵蚀材料选择性地沉积粘结剂溶液来打印生坯零件；以及烧结该生坯零件以产生包括致密抗侵蚀材料的烧结后侵蚀防护罩。该方法还包括：将该侵蚀防护罩联接到该涡轮叶片的该前缘。
在另一方面，一种修复防侵蚀涡轮叶片的方法包括：提供与旋转机械一起使用的涡轮叶片。该涡轮叶片包括：在根部和尖端之间延伸的翼型件。该翼型件包括压力侧和相反的吸力侧，该压力侧和该吸力侧中的每一者在前缘和后缘之间延伸；以及沿着该前缘的受损区域。该方法还包括从该前缘移除该受损区域。该方法还包括：借助于增材制造工艺通过跨颗粒抗侵蚀材料选择性地沉积粘结剂溶液来打印生坯零件；烧结该生坯零件以产生包括致密抗侵蚀材料的烧结后侵蚀防护罩。该方法还包括：在移除该受损区域之后，将该烧结后侵蚀防护罩联接到该涡轮叶片的该前缘。
在另一方面，一种制造防侵蚀涡轮叶片的方法包括：提供与旋转机械一起使用的涡轮叶片。该涡轮叶片包括在根部和尖端之间延伸的翼型件，以及固定地联接到该尖端的尖端护罩。该翼型件包括压力侧和相反的吸力侧，并且该压力侧和该吸力侧中的每一者在前缘和后缘之间延伸。该方法还包括：借助于增材制造工艺通过跨颗粒抗侵蚀材料选择性地沉积粘结剂溶液来打印生坯零件；以及烧结该生坯零件以产生包括致密抗侵蚀材料的烧结后侵蚀防护罩。该方法还包括：将该侵蚀防护罩联接到该涡轮叶片的该前缘并且联接到该尖端护罩的邻近该前缘的端部，使得该侵蚀防护罩基本上延伸跨过该尖端护罩的该端部。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，将更好地理解本公开的这些和其他特征、方面和优点，附图中相同的字符在整个附图中表示相同的部件，其中：
图1是示例性旋转机械的示意图；
图2是另一示例性旋转机械的示意图；
图3是可与图1和图2所示的旋转机械中的任一者一起使用的示例性叶片的前视图；
图4是示例性增材制造系统的示意图；
图5是可使用图4的增材制造系统实施用于形成图3所示叶片的示例性工艺流程；
图6是示出了在不同的烧结温度和持续时间下烧结后抗侵蚀材料的相对密度百分比的图；并且
图7A至图7C和图8A至图8C示出了烧结后抗侵蚀材料试样的光学显微图像。
除非另外指明，否则本文提供的附图旨在示出本公开的实施方案的特征。据信这些特征适用于包括本公开的一个或多个实施方案的多种系统。因此，附图不旨在包括本领域的普通技术人员已知的实践本文所公开的实施方案所需的所有常规特征。
具体实施方式
本文所述的实施方案克服了已知的防侵蚀旋转部件以及制造和修复防侵蚀旋转部件的已知方法的至少一些缺点。这些实施方案包括防侵蚀旋转部件，该防侵蚀旋转部件包括延伸跨过该旋转部件的前缘的预成形的侵蚀防护罩。在一些实施方案中，旋转部件是用于旋转机械(诸如例如蒸汽涡轮或燃气涡轮)中的叶片。使用增材制造工艺来打印预成形的侵蚀防护罩。增材制造工艺利用了侵蚀防护罩的当前制造和修理技术，并且便于将防侵蚀旋转部件(例如，涡轮叶片)的交付时间从例如六个月的上限减少到两周。另外，库存成本被最小化，这是因为用于产生侵蚀防护罩的增材制造工艺便于减少或消除对存放侵蚀防护罩的需要，因为增材制造的侵蚀防护罩可被更成本有效地、更时间有效地、按需地且快速地产生以满足例如MRO事件期间对侵蚀防护罩的需求。
用于产生本文所述的侵蚀防护罩的增材制造方式是粘结剂喷射增材制造(BJAM)。与用于构建侵蚀防护罩的包覆工艺和其他增材制造技术相比，BJAM产生至少两个主要益处。首先，由BJAM产生的侵蚀防护罩的特征在于等轴晶粒结构，这意味着特性在所有方向上是均匀的。第二，由BJAM产生的侵蚀防护罩的特征在于在制造期间在零件中引起很少至没有残余应力，这意味着具有内应力引起的裂纹的风险几乎可忽略。侵蚀防护罩常规地由抗侵蚀材料(例如钴铬合金，诸如6)产生。该抗侵蚀材料在制造期间特别容易破裂，并且BJAM工艺便于减少或消除在由该材料形成的侵蚀防护罩中生成裂纹的风险。对由该抗侵蚀材料制成的打印和烧结零件执行的尺寸分析证实，可在公差水平内并且以期望的相对密度和均匀的低孔隙率分布以及其他有利特性来产生侵蚀防护罩。
除非另外指示，否则如本文所使用的近似语言，诸如“大体地”、“基本上”和“约”指示如本领域普通技术人员将认识到的，如此修饰的术语可以仅适用于近似程度，而不是绝对或完美程度。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。除此之外，除非另外指示，否则术语“第一”、“第二”等在本文中仅用作标记，并且不旨在对这些术语所涉及的项目施加顺序、位置或分级要求。此外，例如，对“第二”项目的引用不要求或排除存在例如“第一”或较低编号的项目或者“第三”或更高编号的项目。如本文所用，术语“上游”是指旋转机器的前端或入口端，并且术语“下游”是指旋转机器的下游端或排出口端。
如本文所用，术语“增材制造”或“增材制造技术或工艺”是指其中连续材料层沉积在彼此的顶部上以逐层地堆积三维部件的制造工艺。然后将连续层部分熔融或熔合在一起以形成单片或整体部件。
如本文所用，术语“粘结剂喷射”或“粘结剂喷射增材制造”是指使用粘结剂(例如，胶)来连结粉末微粒以形成三维物体的增材制造技术。具体地，将粘结剂选择性地沉积(或喷射)到构建体积中的连续粉末层上，其中粉末层和粘结剂层彼此粘附以形成三维物体。粉末可以是诸如例如聚合物、金属、金属合金、陶瓷等材料的颗粒。粘结剂打印零件可称为“生坯零件”，其可经受后续热处理以提供致密成品零件。例如，可将生坯零件插入在烧结炉中，该烧结炉将生坯零件加热到升高的温度(例如，大于或等于约500℃)以移除粘结剂并使粉末微粒彼此固化。
如本文所用，短语“生坯零件”是指尚未经历热处理以移除粘结剂的粘结剂打印零件或工件。生坯零件可包括尚未通过加热到颗粒材料的烧结温度而固结的颗粒材料。当加热到足够的温度以形成具有强机械特性的致密烧结后零件时，生坯零件在烧结期间固结。因此，生坯零件可具有相比烧结后零件(例如，大于或等于92％，或甚至大于或等于98％)相对更低的固体密度、更大的孔隙率(例如，大于或等于50％且小于或等于70％)。
如本文所用，术语“烧结”是指将生坯零件加热到一个或多个升高的温度。生坯零件的烧结可在一个或多个阶段中进行。例如，在实施方案中，烧结可包括将生坯零件加热到至少第一升高的温度以引起用于打印生坯零件的粘结剂的至少一部分的热分解。然后可将生坯零件加热到高于大于第一升高的温度的第二升高的温度以固结粉末微粒以形成烧结后固结零件。
图1是示例性旋转机器110的示意图。在示例性实施方案中，旋转机械110是燃气涡轮发动机。另选地，旋转机器110可以是任何其他涡轮发动机和/或旋转机器，包括但不限于蒸汽涡轮发动机、燃气涡轮风扇飞机发动机、其他飞机发动机、风力涡轮机、压缩机和/或泵。在示例性实施方案中，燃气涡轮机110包括转子组件112，该转子组件包括轴114和多个轴向间隔的转子轮118。
多个旋转叶片或叶片120联接到每个转子轮118，使得每个叶片120从每个相应转子轮118径向向外延伸。更具体地，叶片120以周向围绕每个轮118延伸的排进行布置。多个固定叶片122围绕轴114周向延伸，使得每个固定叶片122排处于一对轴向相邻的叶片120排之间。例如，涡轮机110包括多个级，该多个级包括从转子轮118延伸的固定叶片122排和旋转叶片120排。
压缩机124联接在进气区段123的下游，并且多个燃烧器126围绕转子组件112周向联接，使得每个燃烧器126与压缩机124流动连通。排气区段130联接在涡轮机110的下游。涡轮机110经由轴114可旋转地联接到压缩机124。
在操作期间，处于大气压力的空气由压缩机124压缩并且向下游递送到燃烧器126。通过向空气中添加燃料并且燃烧所得的空气/燃料混合物来加热排出压缩机的空气。然后，由燃烧级中的燃料的燃烧产生的气流膨胀通过涡轮机110，从而递送其能量中的一些以驱动涡轮机110和负载(诸如发电机)。
为了产生所需的驱动转矩，涡轮机110包括一个或多个级。每个级包括固定叶片122排和安装在转子轮118上的旋转叶片120排。固定叶片122将来自燃烧级的进入气体引导到旋转叶片120上，由此驱动转子轮118和转子轴114。
图2是另一示例性旋转机械210的示意图。在示例性实施方案中，旋转机械210是蒸汽涡轮发动机。蒸汽涡轮发动机210包括围绕旋转轴线214可旋转地安装的涡轮转子212。蒸汽涡轮发动机210包括高压(HP)区段216、中压(IP)区段218和低压(LP)区段220，每个区段安装在转子212上。虽然图2示出了HP区段216、IP区段218和LP区段220的一个示例性布置，但可利用HP区段216、IP区段218和/或LP区段220的任何合适的布置。HP区段216、IP区段218和LP区段220中的每一者包括分别在HP区段216、IP区段218和LP区段220中的每一者中的HP壳体222、IP壳体224和LP壳体226中周向地安装在转子212上的叶片或叶片(例如，图3所示的叶片300)。叶片由供给到相应区段的蒸汽驱动，其中由蒸汽引起的叶片的旋转生成机械功。在涡轮210中产生的机械功经由转子212驱动外部负载228，诸如发电机。
如图2所示，经由高压蒸汽入口230供应高压蒸汽。蒸汽在高压蒸汽出口232处从HP区段216排出并被引导至再热器234，在再热器中将附加热量添加到蒸汽。蒸汽从再热器234经由中压蒸汽入口236导引至IP区段218。蒸汽在中压蒸汽出口238处从IP区段218排出并经由低压蒸汽入口240引导至LP区段220。蒸汽然后经由低压出口242从LP区段220排出。
HP区段216、IP区段218和LP区段220中的每一者经由联轴器244沿着转子212连接。联轴器244可以是机械联轴器，诸如螺栓接头，或者可以是焊接接头。在一个实施方案中，联轴器244使得HP区段216、IP区段218和/或LP区段220中的任一者能够被选择性地解除联接以用于重新配置、检修或维护。
图3是可与旋转机械110(如图1所示)和/或旋转机械210(如图2所示)一起使用的示例性叶片300的前视图。附加地或另选地，叶片300可与其他电动涡轮机(包括但不限于燃气涡轮风扇飞行器发动机、其他飞行器发动机、风力涡轮、压缩机、风扇和/或泵)一起使用。在示例性实施方案中，旋转机械110和/或旋转机械210的每个级处的每个周向排中的叶片300是相同的。在另选的实施方案中，每排中的至少一个叶片300可不同于该排中的剩余叶片。
叶片300包括翼型件部分或翼型件302，该翼型件部分或翼型件包括前缘304和相反的后缘306。压力侧壁308和吸力侧壁310各自从前缘304延伸到后缘306。叶片300还包括根部312，该根部使得叶片300能够安装在旋转机械(例如，旋转机械110(如图1所示)和/或旋转机械210(如图2所示))中。例如，根部312使得叶片300能够联接到旋转机械110的涡轮转子轮118。在示例性实施方案中，根部312呈燕尾部312的形式。翼型件302和根部312由平台314分开，该平台可包括“天使翼”密封件(未示出)。
翼型件302沿着径向轴线R在平台314和远侧尖端316之间延伸。压力侧壁308相对于径向轴线R为大致凹形表面，并且吸力侧壁310相对于径向轴线R为大致凸形表面。因此，翼型件302具有围绕径向轴线R的弧形轮廓。限定翼型件302的弧形轮廓的压力侧壁308和吸力侧壁310的曲率可根据翼型件302旨在用于的特定涡轮和级而变化。本公开不限于翼型件302的任何特定几何结构，并且本文所公开的实施方案适合与各种几何结构的翼型件302一起使用。具体地，如图3所示，前缘304的形状取决于翼型件302的弧形轮廓，并且本文所公开的实施方案适合与前缘304的形状的多种变型一起使用并且适应该多种变型。
在示例性实施方案中，翼型件302包括在前缘304中形成的在尖端316附近的凹进区域318。前缘304包括延伸径向长度L1的凹进表面320，该径向长度在凹进区域318内并且从尖端316沿着径向轴线R测量。凹进区域318的径向长度L1短于沿着径向轴线R在平台314和尖端316之间测量的翼型件302的总径向长度，使得前缘304的部分342在凹进区域318和平台314之间延伸。在一些实施方案中，在叶片300已经用于操作之后，通过移除前缘304的受损部分，在前缘304中形成凹进区域318。形成凹进区域318可使得叶片300能够用侵蚀防护罩326改型，如本文更详细地描述。
在示例性实施方案中，翼型件302还包括一对部分跨度护罩322和324，其便于在操作期间调节和/或抑制翼型件302的振动特性。部分跨度护罩322各自以镜像关系远离翼型件302向外延伸。更具体地，护罩322从翼型件压力侧壁308向外延伸，并且护罩324从翼型件吸力侧壁310向外延伸。在示例性实施方案中，部分跨度护罩322和324各自在相同径向跨度处(即，沿着径向轴线R位于距翼型件302的尖端316的径向长度L2处)从相应侧壁308和310向外延伸。径向长度L1短于径向长度L2，使得护罩322和324各自从凹进区域318径向向内。另选地，径向长度L1可比径向长度L2长或大约等于径向长度。旋转机械210和/或旋转机械110的每个周向排中的叶片300的部分跨度护罩322和324可基本上周向对准，使得护罩322和324中的每个护罩在相同径向跨度位置处从相应翼型件302向外延伸。另选地，护罩322和324可在不同径向跨度位置处从相应翼型件302向外延伸。部分跨度护罩322和324可具有相同的大小和形状，其中每个护罩从相应侧壁308和310延伸大约相同的轴向距离，或者另选地，护罩322和324可彼此不同地设定形状和/或设定大小。
每个叶片300还包括尖端护罩336，该尖端护罩在远侧尖端316处固定地联接到翼型件302或与翼型件一体地形成。尖端护罩336大致限定叶片300的径向最外部分，并且提供基本上垂直于翼型件302延伸的表面区域，使得其盖住或覆盖翼型件302的尖端316。在操作期间，尖端护罩336在相反端部(即，第一端部338和相反的第二端部340)处接合周向相邻的叶片300的两个周向的相邻尖端护罩336，使得在叶片300级的位置处形成外接热气路径的大致环形的环或罩。该“环形环”保持翼型件302上的热路径的膨胀气体(即，其不允许气体流过翼型件叶片的端部)，以便于增加来自工作流体的可由涡轮叶片转换成机械能的能量的量。尖端护罩336经由与相邻涡轮叶片300的尖端护罩336的接触也可“固定”涡轮叶片300以便于减少每个涡轮叶片300的振动。每个尖端护罩336延伸径向长度L4并且可包括在尖端护罩336的第一端部338和第二端部340之间延伸的密封轨道(未示出)。叶片300的一些实施方案可包括另外两个密封轨道或可不包括任何密封轨道。如本领域中所理解的，在一些实施方案中，例如在叶片300与燃气涡轮发动机110一起使用的情况下，密封轨道可具有延伸穿过其的多种冷却通道(未示出)中的任一种冷却通道，以便于冷却尖端护罩336。
每个叶片300还包括延伸跨过翼型件302的前缘304的侵蚀防护罩326。适当地，侵蚀防护罩326使用粘结剂喷射增材制造(BJAM)形成，下文参考图4和图5更详细地描述。在示例性实施方案中，侵蚀防护罩326在基座端部332和鼻部334之间延伸长度L3，并且包括内表面328和外表面330。内表面328延伸跨过前缘304并且联接到前缘304，并且外表面330形成翼型件302的向外取向的表面。
在示例性实施方案中，侵蚀防护罩326接收在前缘304的凹进区域318内，并且内表面328联接到凹进表面320。此外，侵蚀防护罩326的大小和形状被设定成基本上对应于凹进区域318的大小和形状。侵蚀防护罩326的外表面330基本上匹配或补充前缘304的部分342的轮廓，使得在该外表面和该部分的轮廓之间形成平滑过渡。预期外表面330可包括附加特征，以使得侵蚀防护罩326能够如本文所述地起作用。内表面328的大小和形状被设定成基本上匹配或补充凹进表面320的三维几何结构。
当内表面328联接到凹进表面320时，侵蚀防护罩326的鼻部334邻近限定在凹进表面320和前缘304的在凹进区域318和平台314之间的部分342之间的相交处。侵蚀防护罩326的在基座端部332和鼻部334之间的长度L3可大约等于凹进区域318的径向长度L1，使得基座端部332与翼型件302的尖端316相邻并且基本上齐平。另选地，侵蚀防护罩326的长度L3可使得基座端部332延伸超过翼型件302的尖端316并且侵蚀防护罩326部分地覆盖尖端护罩336的第一端部338。可由与翼型件302类似的基底材料形成的尖端护罩336可在操作期间在第一端部338处易受侵蚀。在其中侵蚀防护罩326仅部分地覆盖或根本不覆盖尖端护罩336的第一端部338的实施方案中，单独的抗侵蚀部件可联接(例如，焊接)到尖端护罩336的第一端部338和侵蚀防护罩326的基座端部332。这种单独的抗侵蚀部件可在基座端部332附近突出超过侵蚀防护罩的外表面330，并且接触相邻叶片300的尖端护罩336的第二端部340。另选地，侵蚀防护罩326可超过尖端316延伸长度L3，使得侵蚀防护罩326基本上覆盖尖端护罩336的第一端部338以及凹进区域318，并且邻近基座端部332的内表面328联接(例如，焊接)到尖端护罩336的第一端部338。在这些实施方案中，与其中单独的抗侵蚀部件被附接以覆盖尖端护罩336的第一端部338的实施方案相比，将侵蚀防护罩326制造为覆盖凹进区域318和尖端护罩336的第一端部338的一体式部件可便于减少组装(例如，焊接)处理时间。另外，在这些实施方案中，侵蚀防护罩326在基座端部332和鼻部334之间的长度L3可大约等于凹进区域318的径向长度L1与尖端护罩336的径向长度L4的组合总和。如将理解的，侵蚀防护罩326的内表面328的大小和形状可被设定成补充或基本上匹配前缘304的凹进表面320的三维几何结构以及尖端护罩336的第一端部338的三维几何结构，其中内表面328在其被联接(例如，焊接)到凹进表面320和第一端部338的区域处被适当地设定大小和形状。当侵蚀防护罩326基本上覆盖尖端护罩336时，侵蚀防护罩326的邻近基座端部332的外表面330可包括突起(未示出)，并且外表面330的突起可接触相邻叶片300的尖端护罩336的周向相邻的第二端部340。
侵蚀防护罩326适当地由抗侵蚀材料形成，该抗侵蚀材料被选择成便于减少或消除侵蚀防护罩326延伸跨过那些部分的翼型件302的前缘304(并且，在一些实施方案中，尖端护罩336的第一端部338)的侵蚀。适当地，侵蚀防护罩326延伸跨过前缘304以及任选地跨过邻近前缘304定位的尖端护罩336的第一端部338，使得在旋转机械的操作期间，外表面330形成冲击区域。合适的抗侵蚀材料包括但不限于仅包括钴基合金、铬基合金、钨基合金、碳化铬材料和/或它们的组合。在一些实施方案中，抗侵蚀材料是钴铬合金，诸如可从Deloro Wear Solutions GmbH,Koblenz,Germany获得的钴铬合金的系列中的一种合金，包括/>6。
侵蚀防护罩326具有使得侵蚀防护罩326能够如本文所述起作用的任何合适的厚度T1。在一个实施方案中，侵蚀防护罩326的厚度T1被选择为便于例如在叶片300的预先确定的寿命期间提供足够的耐磨性和/或抗侵蚀性。在各种实施方案中，取决于叶片300的应用，侵蚀防护罩326的合适厚度T1在约5mm至约500mm之间、在约5mm至约100mm之间、在约10mm至约50mm之间、在约100mm至约500mm之间、在约200mm至约400mm之间、在约100mm至约200mm之间、高达约5mm、高达约10mm、高达约100mm、高达约500mm、大于约5mm、大于约10mm、大于约100mm、大约5mm、大约10mm、大约100mm、大约500mm或它们的任何合适的组合、子组合、范围或子范围。另外，在一些实施方案中，基于凹进区域318的形状，侵蚀防护罩的厚度T1可沿着侵蚀防护罩326的长度L3变化。例如，如图3所示，厚度T1随着侵蚀防护罩326从基座端部332朝向鼻部334延伸而逐渐变小，使得厚度T1在邻近基座端部332处最大。
用于将内表面328联接(例如，焊接)到前缘304(并且任选地，联接到尖端护罩336的邻近前缘304的第一端部338)的材料是填充材料，该填充材料被选择为便于增强内表面328到前缘304的联接过程。在一些实施方案中，填充材料是使得内表面328能够通过焊接(诸如例如经由激光焊接、气体金属电弧焊接(或金属惰性气体焊接)、电子束焊接或气体钨电弧焊接)而联接的材料。填充材料还适当地是能够承受其在操作期间可能暴露在涡轮内的热条件的材料。填充材料可赋予任何附加的期望特性。例如，在一些实施方案中，选择填充材料以便于减少或消除分层、疲劳、焊接困难、裂纹扩展和/或其他不期望的效应。例如，在一些实施方案中，填充材料提供屏障，该屏障便于限制翼型件302和可存在于侵蚀防护罩326中的较高碳材料之间的碳迁移，从而减少或消除焊接或热影响区的弱化。合适的填充材料可包括，例如，但不限于仅包括镍基材料和铁基材料。在一个示例性实施方案中，填充材料是镍铬合金材料，诸如例如可从Special Metals Corporation,Huntington,W.Va获得的镍铬高温合金材料，包括/>合金600、/>合金617和合金625。
图4是增材制造系统400的示意图，该增材制造系统经由粘结剂喷射来增材制造(或打印)生坯零件402。生坯零件402随后在合适的温度下烧结并烧结达合适的持续时间以产生具有相对烧结密度的侵蚀防护罩326。如下文将描述的，侵蚀防护罩326的所得烧结密度可大于或等于理论最大密度的92％、95％或甚至98％。相对于通过其他制造技术(例如，铸造或锻造)产生的侵蚀防护罩，如本文所述通过打印和烧结生坯零件402产生的侵蚀防护罩326的特征还在于等轴晶粒结构、均匀的低孔隙率分布、减小的残余应力以及其他改进的特性(例如，增加的断裂韧度、硬度、拉伸强度以及抗侵蚀性)。
如图所示，增材制造系统400包括外壳404、以及外壳404内的打印头406、粉末供应组件408和构建室410。粉末供应组件408包括粉末412供应源。粉末412是用于形成侵蚀防护罩326的颗粒抗侵蚀材料。例如，粉末412是钴铬合金颗粒，诸如6颗粒。粉末供应组件408还包括位于包含粉末412的粉末供应室418内的粉末活塞416。粉末活塞416可在粉末供应室418内升高，从而迫使粉末412的一部分通过粉末供应开口438离开粉末供应室418。重涂器420(诸如辊或叶片/擦拭器)可操作以移动跨过粉末供应开口438并且推动从粉末供应室418排出的粉末412跨过工作表面422并且通过构建室开口440进入到构建室410中。
增材制造系统400还包括定位在构建室410内的构建平台424。构建平台424具有支撑正被打印的生坯零件402的平坦构建表面442和包括来自粉末供应室418的过量粉末412(即，被移动到构建室410中并且不用于打印生坯零件402的粉末412)的粉末床414。构建平台424可沿着构建方向相对于打印头406移动(即，构建平台424可通过可操作地联接到构建平台424的平台致动器426升高或降低)，以使得生坯零件402的高度能够在打印期间变化。在打印生坯零件402期间，重涂器420将从粉末供应室418排出的粉末412层跨构建平台424的构建表面442散布。接下来，打印头406以表示正被打印的生坯零件402的层的图案跨粉末412层选择性地沉积粘结剂溶液428。增材制造系统400可包括任何合适数量的打印头406。例如，在例示的实施方案中，增材制造系统400包括单个打印头406。然而，在另选的实施方案中，增材制造系统400可包括两个或更多个打印头406。多个粉末412层被连续地跨构建表面442施加，并且打印头406跨粉末412层中的每个层以图案选择性地沉积粘结剂溶液428。在每次施加粉末412层之前和在选择性地沉积粘结剂溶液428之后，降低构建平台424。
如图4所示，生坯支撑结构444也可打印在构建表面442上。支撑结构444可用于在打印后热处理(例如，烧结)期间提供对生坯零件402的支撑，以减轻所打印的生坯零件402的某些结构特征的畸变，并且通常便于包括在生坯零件402内的复杂几何结构的制造。在示例性实施方案中，支撑结构444与生坯零件402一起打印，使得支撑结构444的至少一部分附接到生坯零件402或与生坯零件一体地形成。在其他实施方案中，支撑结构444可与生坯零件402分开打印或制造。支撑结构444为生坯零件402的一个或多个区域提供支撑，该一个或多个区域在打印后热处理(例如，烧结)期间可能经历热致畸变。除了支撑所打印的生坯零件402的一个或多个区域之外，支撑结构444还可经历与生坯零件402在打印后热处理期间所经历的尺寸变化类似的尺寸变化(例如，体积变化)。支撑结构444以类似于生坯零件402的方式经历尺寸变化的能力使得支撑结构444能够通过以下方式来减轻生坯零件402的畸变：在从生坯零件402到中间固结零件的整个过渡期间经由脱粘并且最终到烧结后侵蚀防护罩326向期望区域提供支撑。支撑结构444可在打印后热处理(例如，脱粘和烧结)之后移除，例如，通过机加工、溶解、蚀刻、激光切割或能够分离支撑结构444的任何其他合适工艺。
在一些实施方案中，所打印的支撑结构244具有与所打印的生坯零件402的组成不同的组成。例如，可使用不同类型的粉末412来打印支撑结构444和生坯零件402。例如，可使用具有与用于打印生坯零件402的粉末412不同的烧结特性的粉末412来打印支撑结构444。在烧结期间，支撑结构444和生坯零件402(在该阶段，该生坯零件可能已经经历脱粘并且可称为半生坯零件402)之间的表面面积与体积比改变，使得支撑结构444在烧结期间所脱离打印的半生坯零件402。例如，支撑结构444的烧结温度可高于半生坯零件402的烧结温度。烧结温度的差异导致半生坯零件402相比支撑结构444更早地收缩。支撑结构444和半生坯零件402之间的致密速率的差异可导致支撑结构444与零件402的破损或分离，从而形成固结的烧结后侵蚀防护罩326。在其他实施方案中，用于打印支撑结构444的粉末412导致烧结后支撑结构444的强度小于固结的烧结后侵蚀防护罩326的强度。因此，支撑结构444可更容易从侵蚀防护罩326裂开或脱离。在某些实施方案中，可使用不同的粘结剂溶液428来打印支撑结构444和生坯零件402。例如，可利用包括抗烧结剂的粘结剂溶液428来打印支撑结构444。抗烧结剂可防止支撑结构444的至少一部分在烧结期间固结，使得烧结后支撑结构444可容易地从侵蚀防护罩326移除。
增材制造系统400还包括计算系统430，该计算系统通信地联接到增材制造系统400的一个或多个部件(例如，打印头406、粉末活塞416、重涂器420和/或平台致动器426)，以使得计算系统400能够电子地或自动地控制此类部件的操作。一般来讲，计算系统430可包括一个或多个基于处理器的设备，诸如给定控制器或计算设备或控制器或计算设备的任何合适的组合。因此，在若干实施方案中，计算系统430可包括被配置为执行多种计算机实现的功能的一个或多个处理器432和相关联的存储器设备434。如本文所用，术语“处理器”不仅是指本领域中称为包括在计算机中的集成电路，而且是指控制器、微控制器、微计算机、可编程逻辑电路(PLC)、专用集成电路和其他可编程电路。另外，计算系统430的存储器设备434通常可包括存储器元件，包括但不限于计算机可读介质(例如，随机存取存储器(RAM))、计算机可读非易失性介质(例如，闪存存储器)、软盘、光盘-只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字通用光盘(DVD)和/或其他合适的存储器元件。此类存储器设备434通常可被配置为存储合适的计算机可读指令，这些计算机可读指令在由处理器432实现时配置计算系统430以执行各种计算机实现的功能，诸如本文将描述的方法和算法的一个或多个方面。另外，计算系统430还可包括各种其他合适的部件，诸如用户界面、通信电路或模块、一个或多个输入/输出通道、数据/控制总线等。
计算系统430的各种功能可由单个基于处理器的设备执行或可跨任何数量的基于处理器的设备分布。在此类情况下，此类基于处理器的设备可形成计算系统430的一部分。例如，计算系统430的功能可跨多个专用控制器(诸如增材制造设备控制器、远程设备(例如，膝上型计算机、台式计算机、服务器等)的控制器/计算设备等)分布。
在示例性实施方案中，计算系统430经由通信链路436通信地联接到粉末活塞416、重涂器420和平台致动器426中的每一者。计算系统430被配置为在打印生坯零件402时控制增材制造系统400的部件的操作。例如，计算系统430可控制粉末活塞416和重涂器420以在跨构建表面442提供来自粉末供应室418的粉末412时协作，控制打印头406以跨横跨构建表面442散布的粉末412层选择性地沉积粘结剂溶液428，控制平台致动器426以降低构建平台424以用于跨构建表面442连续添加粉末412，控制粉末活塞416升高以用于通过重涂器420跨构建表面442散布连续粉末412层等。
如上所述，打印头406以表示正被打印的生坯零件402的层(并且任选地，支撑结构444的层)的图案跨粉末412层选择性地沉积粘结剂溶液428并将粘结剂溶液沉积到粉末层中。具体地，计算系统430控制打印头406以选择性地沉积粘结剂溶液428，使得所打印的生坯零件402(以及任选地所打印的支撑结构444)具有期望几何形状。生坯零件402的期望几何形状使得当生坯零件402被烧结时，获得侵蚀防护罩326的期望几何形状。计算系统430例如可将生坯零件402和/或侵蚀防护罩326的CAD模型存储在存储器设备434中并且控制打印头使用CAD模型来打印生坯零件402。附加地或另选地，计算系统430可接收(例如，从用户界面)生坯零件402和/或侵蚀防护罩326的期望几何形状的输入，例如，先前产生的侵蚀防护罩326的测量结果(使用增材机加工系统400或另一制造方法)。应当理解，也可接收支撑结构444的CAD模型和/或支撑结构的几何结构的输入以便于计算系统430控制支撑结构444的打印。
在使用增材制造系统400形成生坯零件402的预期结构的整体之后，可将其上和其中沉积有粘结剂溶液428的多个粉末412层加热到固化温度(例如，大于或等于约25℃且小于或等于约100℃)，以蒸发粘结剂溶液428中的溶剂的至少一部分。可使用IR灯和/或加热板(例如，在机器上)向所打印的生坯零件402施加热量，或者可通过将所打印的生坯零件402放置在烘箱中(例如，在机器外)来进行。在固化时，根据打印到每个粉末412层中的粘结剂溶液428的图案，粘结剂粘结颗粒抗侵蚀材料(例如，钴铬合金颗粒，诸如6颗粒)，以形成生坯零件402。合适的粘结剂包括但不限于热塑性粘结剂、热固性粘结剂和非聚合物粘结剂诸如蜡和糖(例如葡萄糖、果糖、它们的衍生物或它们的组合)。应当理解，固化处理可在生坯零件402附接到支撑结构444、与支撑结构成一体或以其他方式由支撑结构支撑的情况下执行，并且形成支撑结构444的颗粒材料也可经历固化。
在形成和固化之后，可将生坯零件402(在该阶段，其可称为半生坯零件402)插入到烧结炉(未描绘)中，用于压实半生坯零件402以产生侵蚀防护罩326。半生坯零件402可包括按体积计从约50％至约70％的用于形成粉末412层的颗粒抗侵蚀材料。半生坯零件402的另约1％至约2％的体积可包括固化的粘结剂溶液(例如，从粘结剂溶液428固化)。半生坯零件402的体积的剩余部分可包括孔隙率。因此，在通过增材制造系统400生产之后，半生坯零件402通常可以是大约从约50％致密到约70％致密。应当理解，此类密度可在半生坯零件402的打印后处理(例如，转移、检查、去粉末等)的执行之后。应当理解，烧结处理可在半生坯零件402附接到支撑结构444、与支撑结构成一体或以其他方式由支撑结构支撑的情况下执行，并且形成支撑结构444的颗粒材料也可经历通过烧结进行压实。
为了烧结(或致密)半生坯零件402，半生坯零件402(和支撑结构444)被转移到烧结炉(未描绘)，该烧结炉将半生坯零件402(和支撑结构444)加热到至少合适的升高的温度并加热达合适的持续时间。在烧结期间，用于形成生坯零件402的颗粒抗侵蚀材料(例如，钴铬合金颗粒，诸如6颗粒)的固结压实颗粒抗侵蚀材料，从而导致在产生侵蚀防护罩326时生坯零件402的体积收缩。因此，烧结后侵蚀防护罩326包括由于压实而从生坯零件402按比例缩小的体积，而生坯零件402和侵蚀防护罩326的几何形状基本上相同。还应当理解，支撑结构444也可转化为烧结后固结零件，经历如上文针对生坯零件402所述的体积收缩和体积按比例缩小。
在实施方案中，生坯零件402(和支撑结构444)的烧结可在多个阶段中发生。例如，在实施方案中，烧结可包括将生坯零件402加热到至少合适的第一升高的温度(达合适的第一持续时间)以引起用于打印生坯零件402的粘结剂的至少一部分的热分解(例如，以“脱粘”生坯零件402)。然后可将生坯零件402加热到高于大于第一升高的温度的第二升高的温度以固结粉末微粒以形成烧结后固结零件(例如，侵蚀防护罩326)。第二升高的温度可称为烧结温度，在该烧结温度下，用于形成粉末412层的颗粒抗侵蚀材料(例如，钴铬合金颗粒，诸如6颗粒)开始固结生坯零件402并且将生坯零件压实到烧结后侵蚀防护罩326中。
适当地，第二升高的温度大于或等于约1200℃。(例如，大于或等于约1250℃、大于或等于约1260℃、大于或等于约1280℃)。在烧结温度下加热生坯零件402的持续时间可适当地大于或等于1小时、大于或等于约2小时、大于或等于约3小时、大于或等于约4小时，诸如达约2小时至约4小时之间的持续时间。在实施方案中，生坯零件402在约1260℃至约1300℃之间的烧结温度下烧结达约2小时至约4小时之间的持续时间，以产生侵蚀防护罩326。在实施方案中，烧结后侵蚀防护罩326具有大于或等于约92％(例如，大于或等于约95％，或大于或等于约98％)的密度。也就是说，侵蚀防护罩326可具有小于或等于约8体积％、小于或等于约5体积％或小于或等于约2体积％的孔隙率。此外，相对于通过其他制造技术(例如，铸造或锻造)产生的侵蚀防护罩，烧结后侵蚀防护罩326的特征在于等轴晶粒结构、减小的残余应力以及其他改进的特性(例如，增加的断裂韧度、硬度、拉伸强度以及抗侵蚀性)。
现在将参照图5描述制造(例如，修复)包括侵蚀防护罩326的涡轮叶片300的示例性方法500。方法500包括提供502与旋转机械(例如，旋转机械110和/或旋转机械210)一起使用的涡轮叶片300。如上所述，涡轮叶片300包括翼型件302，该翼型件包括前缘304和相反的后缘306。翼型件302包括各自从前缘304延伸到后缘306的压力侧或压力侧壁308和吸力侧或吸力侧壁310。叶片300还包括根部312，该根部使得叶片300能够安装在旋转机械(例如，旋转机械110(如图1所示)和/或旋转机械210(如图2所示))中，并且翼型件302和根部312由平台314分开。翼型件302在平台314和远侧尖端316之间延伸。叶片300还可包括尖端护罩336，该尖端护罩在远侧尖端316处固定地联接到翼型件302或与翼型件成一体。尖端护罩336通常可限定叶片300的径向最外部分，并且尖端护罩336提供基本上垂直于翼型件302延伸的表面区域，使得其盖住或覆盖翼型件302的尖端316。尖端护罩336在邻近前缘304的第一端部338和邻近后缘306的相反的第二端部340之间延伸。
在示例性方法500的一些具体实施中，所提供502的涡轮叶片300已经在操作期间使用，并且执行方法500以修复涡轮叶片300。例如，所提供502的涡轮叶片300可包括前缘304的邻近尖端316的区域，该区域已经被在涡轮操作期间引起的机械和/或热应力损坏或劣化。方法500可包括移除504前缘304的受损区域以在前缘304中邻近尖端316形成凹进区域318(如图3所示)。移除504受损区域以形成凹进区域318可例如通过机加工、溶解、蚀刻、激光切割或能够移除504前缘304的受损区域的任何其他合适的工艺来执行。由所提供的涡轮叶片300的受损区域形成凹进区域318使得现有的受损涡轮叶片300能够利用本文所述的侵蚀防护罩326进行改型。
作为另一示例，所提供502的涡轮叶片300可包括联接到前缘304的侵蚀防护罩326，并且在操作期间，侵蚀防护罩326可被在涡轮操作期间引起的机械和/或热应力损坏或劣化。方法500可包括从前缘304移除504侵蚀防护罩326(如图3所示)。从涡轮叶片300移除504的侵蚀防护罩326在本文中可称为第一侵蚀防护罩326。移除504第一侵蚀防护罩326可例如通过机加工、溶解、蚀刻、激光切割或能够从前缘304移除504第一侵蚀防护罩326的任何其他合适的工艺来执行。
方法500还包括通过增材制造工艺打印506生坯零件402。具体地，增材制造工艺是粘结剂喷射工艺。可使用增材制造系统400或任何其他合适的粘结剂喷射增材制造系统来执行用于打印506生坯零件402的粘结剂喷射增材制造。如上所述，在构建表面442上打印506生坯零件402。重涂器420跨构建表面442散布粉末412层，粉末412已经从粉末供应室418排出，并且打印头406跨粉末412层选择性地沉积粘结剂溶液428。粉末412适当地是颗粒抗侵蚀材料(例如，钴铬合金颗粒，诸如6颗粒)。当跨构建表面442散布连续粉末412层并且跨每个粉末412层选择性地沉积粘结剂溶液428时，重复该工艺。对于每个粉末412层，以表示被打印506的生坯零件402的层的图案选择性地沉积粘结剂溶液428。如上所述，用于打印506生坯零件402的粘结剂喷射工艺可由计算系统430控制。计算系统430根据生坯零件402和/或由生坯零件402的后续热处理产生的烧结后侵蚀防护罩326的CAD模型或输入测量结果来控制所打印的生坯零件402的几何结构。可在打印506生坯零件402时打印用于在后续热处理(例如，烧结)期间支撑生坯零件402的生坯支撑结构444，或者可单独地打印支撑结构444。
在打印506生坯零件402之后，方法500包括烧结508生坯零件402以产生烧结后侵蚀防护罩326。如上所述，烧结508在合适的温度下执行并执行达合适的持续时间，以便于致密生坯零件402的颗粒抗侵蚀材料，使得烧结后侵蚀防护罩326包括压实的、致密抗侵蚀材料(例如，致密钴铬合金材料，诸如致密6材料)。烧结508适当地在一定温度下执行并执行达足够的持续时间，以便于产生致密抗侵蚀材料，从而形成具有期望特性的烧结后侵蚀防护罩326。例如，烧结508可在一定温度下执行并执行达足够的持续时间，以便于产生具有等轴晶粒结构的致密抗侵蚀材料。附加地或另选地，烧结508可在一定温度下执行并执行达足够的持续时间，以便于产生具有大于或等于92％、诸如大于或等于95％、或甚至大于或等于98％的相对密度(即，相对于致密抗侵蚀材料的理论最大值)的致密抗侵蚀材料。附加地或另选地，烧结508可在一定温度下执行并执行达足够的持续时间，以便于产生具有小于或等于8体积％、小于或等于5体积％、或甚至小于或等于2体积％的孔隙率(具有基本上均匀的分布)的致密抗侵蚀材料。适当地，烧结508在大于或等于约1200℃(诸如大于或等于约1250℃、大于或等于约1260℃、或大于或等于约1280℃)的温度下执行。适当地，烧结508执行的持续时间大于或等于约1小时、大于或等于约2小时、大于或等于约3小时、或大于或等于约4小时。在一些实施方案中，烧结508在大于或等于约1260℃的温度下执行，并执行达大于或等于约2小时的持续时间。在实施方案中，烧结508在约1260℃至约1300℃之间的温度下执行达约2小时至约4小时之间的持续时间以产生侵蚀防护罩326。相对于通过其他制造技术(例如，铸造或锻造)产生的侵蚀防护罩，除了致密抗侵蚀材料的等轴晶粒结构、高的相对密度和均匀的低孔隙率分布之外，烧结后侵蚀防护罩326的特征在于具有其他改进的特性(例如，增加的断裂韧度、硬度、拉伸强度和抗侵蚀性)。
优化烧结508期间的条件以实现更高的烧结密度和期望的孔隙率分布和均匀性。为了说明，参照图6，其示出了在各种烧结条件下实现的致密6材料的相对密度，该材料是用于产生侵蚀防护罩326的示例性抗侵蚀材料。在大于约1260℃的烧结温度和约2小时至约4小时的持续时间下，致密/>6材料实现了较高的相对密度。具体地，在最佳烧结条件下(试验3-6)，实现了大于98％的相对密度。参考图7A至图7C和图8A至图8C，烧结的/>6材料试样的光学显微照片显示，烧结条件也在烧结的抗侵蚀材料中产生均匀的低孔隙率分布。具体地，图7A至图7C示出了烧结的/>6材料试样(图7A)的顶部边缘的50倍(图7B)和500倍(图7C)比例的光学显微图像，并且图8A至图8C示出了烧结的/>6材料试样(图8A)的中心的50倍(图8B)和500倍(图8C)比例的光学显微图像。光学显微图像证实烧结的试样具有均匀的低孔隙率分布。
再次参考图5，方法500还包括，在打印506和烧结508之后，将烧结后侵蚀防护罩326联接510到涡轮叶片300的前缘304。在方法500包括移除504前缘304的受损区域的实施方案中，在移除504受损区域之后执行联接510烧结后侵蚀防护罩326。例如，可在移除504第一受损侵蚀防护罩326之后执行联接510烧结后侵蚀防护罩326。附加地或另选地，可在移除504受损区域以在前缘304中形成凹进区域318之后执行联接510烧结后侵蚀防护罩326，并且联接510烧结后侵蚀防护罩326包括联接烧结后侵蚀防护罩326以延伸跨过凹进区域318。将烧结后侵蚀防护罩326联接510到前缘304可包括焊接，诸如例如经由激光焊接、气体金属电弧焊接(或金属惰性气体焊接)、电子束焊接或气体钨电弧焊接。填充材料(诸如镍基材料和铁基材料)例如可用于将侵蚀防护罩326联接510(例如，焊接)到前缘304。在一些实施方案中，可在侵蚀防护罩326和/或翼型件302的焊接区域上执行焊接后热处理，以使得热影响区能够实现所需的材料特性。侵蚀防护罩326和前缘304之间的焊缝上的过量材料可被机加工掉(例如，通过研磨)以实现侵蚀防护罩涡轮叶片300的目标公差。
在一些实施方案中，联接510烧结后侵蚀防护罩326可包括将烧结后侵蚀防护罩326联接510到前缘304以及尖端护罩336的邻近前缘304的第一端部338。常规地，单独的耐磨部件联接到尖端护罩336的第一端部338。在本文所述的实施方案中，用于打印506生坯零件402的粘结剂喷射增材制造技术可便于将侵蚀防护罩326和单独的耐磨部件固结成单个几何结构(即，单个侵蚀防护罩326)，该单个几何结构跨前缘304的期望部分并且基本上跨尖端护罩336的第一端部338散布。换句话讲，侵蚀防护罩326跨前缘304和尖端护罩336的部分(其可以是尖端护罩336的第一端部338的整体或基本上尖端护罩的整体)散布，使得对于涡轮叶片300的这些区域不需要附加的磨损部件。将这些磨损部件固结成单个几何结构(即，固结成侵蚀防护罩326)可便于减少制造时间和成本、减少焊接时间和复杂性，并且还提供其他优点。
防侵蚀旋转部件的实施方案以及制造此类防侵蚀旋转部件的方法克服了已知旋转部件的至少一些缺点，并且提供优于常规设计和工艺的若干优点。根据本实施方案的侵蚀防护罩使用粘结剂喷射增材制造技术来增材制造，该粘结剂喷射增材制造技术便于在制造和修复防侵蚀涡轮叶片时(例如，在维护、修理和大修事件期间)减少侵蚀防护罩的交付时间。可利用多个粘结剂喷射增材制造系统或具有多个打印头的粘结剂喷射增材制造系统，以便于进一步增加MRO事件期间的侵蚀防护罩的生产量。粘结剂喷射增材制造技术还便于产生包括具有期望材料特性的致密抗侵蚀材料的侵蚀防护罩的附加优点。例如，通过打印和随后烧结具有所需几何结构的生坯零件产生的烧结后侵蚀防护罩的特征在于具有等轴晶粒结构和很少至没有残余应力，这便于降低或消除抗侵蚀材料形成应力诱发的裂纹的可能性。根据上述实施方案产生的侵蚀防护罩的材料特征有利地将此类侵蚀防护罩与通过常规技术产生的侵蚀防护罩区分开来，这些常规技术诸如锻造或铸造，并且甚至是其他增材制造工艺(例如激光粉末床熔合、电子束熔融和定向能量沉积工艺)。
以上详细描述了防侵蚀旋转部件、形成用于附接到旋转部件的侵蚀防护罩的方法以及形成防侵蚀旋转部件的方法的示例性实施方案。防侵蚀旋转部件和侵蚀防护罩不限于本文所述的具体实施方案，而是系统的部件可独立地并且与本文所述的其他部件分开利用。例如，如本文所公开形成的侵蚀防护罩可与除本文具体描述的那些部件以外的旋转部件组合使用，并且防侵蚀旋转部件也可与其他旋转机械和方法组合使用，并且不限于仅与如本文所述的燃气涡轮发动机或蒸汽涡轮发动机组件一起实践。而是，示例性实施方案可以结合许多其他旋转机械应用来实施和使用。
本公开的其它方面由以下条款的主题提供：
1.一种制造防侵蚀涡轮叶片的方法，该方法包括：提供与旋转机械一起使用的涡轮叶片，该涡轮叶片包括：在根部和尖端之间延伸的翼型件，该翼型件包括压力侧和相反的吸力侧，该压力侧和该吸力侧中的每一者在前缘和后缘之间延伸；借助于增材制造工艺通过跨颗粒抗侵蚀材料选择性地沉积粘结剂溶液来打印生坯零件；
烧结该生坯零件以产生包括致密抗侵蚀材料的烧结后侵蚀防护罩；
以及将该侵蚀防护罩联接到该涡轮叶片的该前缘。
2.根据前述条款所述的方法，其中烧结该生坯零件还包括在合适的温度下烧结该生坯零件并烧结达合适的持续时间，以便于产生该烧结后侵蚀防护罩，该烧结后侵蚀防护罩包括具有等轴晶粒结构的该致密抗侵蚀材料。
3.根据任一前述条款所述的方法，其中烧结该生坯零件还包括在合适的温度下烧结该生坯零件并烧结达合适的持续时间，以便于产生该烧结后侵蚀防护罩，该烧结后侵蚀防护罩包括具有大于或等于约92％的相对密度的该致密抗侵蚀材料。
4.根据任一前述条款所述的方法，其中烧结该生坯零件还包括在合适的温度下烧结该生坯零件并烧结达合适的持续时间，以便于产生该烧结后侵蚀防护罩，该烧结后侵蚀防护罩包括具有小于或等于约8体积％的孔隙率的该致密抗侵蚀材料。
5.根据任一前述条款所述的方法，还包括：在大于或等于约1260℃
的温度下烧结该生坯零件并烧结达大于或等于约2小时的持续时间。
6.根据任一前述条款所述的方法，其中打印该生坯零件还包括跨颗粒钴铬合金材料选择性地沉积粘结剂溶液。
7.根据任一前述条款所述的方法，还包括：打印在该烧结期间支撑该生坯零件的生坯支撑结构，并且在烧结该生坯零件和该生坯支撑结构之后，从该烧结后侵蚀防护罩移除烧结后支撑结构。
8.根据任一前述条款所述的方法，其中该涡轮叶片包括固定地联接到该翼型件的该尖端的尖端护罩，并且其中将该侵蚀防护罩联接到该涡轮叶片的该前缘还包括将该侵蚀防护罩联接成基本上延伸跨过该尖端护罩的邻近该前缘的端部。
9.一种修复防侵蚀涡轮叶片的方法，该方法包括：提供与旋转机械一起使用的涡轮叶片，该涡轮叶片包括：在根部和尖端之间延伸的翼型件，该翼型件包括压力侧和相反的吸力侧，该压力侧和该吸力侧中的每一者在前缘和后缘之间延伸；以及沿着该前缘的受损区域；从该前缘移除该受损区域；借助于增材制造工艺通过跨颗粒抗侵蚀材料选择性地沉积粘结剂溶液来打印生坯零件；烧结该生坯零件以产生包括致密抗侵蚀材料的烧结后侵蚀防护罩；以及在移除该受损区域之后，将该烧结后侵蚀防护罩联接到该涡轮叶片的该前缘。
10.根据任一前述条款所述的方法，其中沿着该前缘的该受损区域是联接到该前缘的第一侵蚀防护罩，并且移除该受损区域包括从该前缘移除该第一侵蚀防护罩。
11.根据任一前述条款所述的方法，其中移除该受损区域包括在该前缘中邻近该尖端形成凹进区域，并且其中将该烧结后侵蚀防护罩联接到该前缘包括将该烧结后侵蚀防护罩联接成延伸跨过该凹进区域。
12.根据任一前述条款所述的方法，其中烧结该生坯零件还包括在合适的温度下烧结该生坯零件并烧结达合适的持续时间，以便于产生该烧结后侵蚀防护罩，该烧结后侵蚀防护罩包括具有等轴晶粒结构和大于或等于92％的相对密度的该致密抗侵蚀材料。
13.根据任一前述条款所述的方法，还包括：在大于或等于约1260℃的温度下烧结该生坯零件并烧结达大于或等于约2小时的持续时间。
14.根据任一前述条款所述的方法，其中打印该生坯零件还包括跨颗粒钴铬合金材料选择性地沉积粘结剂溶液。
15.根据任一前述条款所述的方法，还包括：打印在该烧结期间支撑该生坯零件的生坯支撑结构，并且在烧结该生坯零件和该生坯支撑结构之后，从该烧结后侵蚀防护罩移除烧结后支撑结构。
16.根据任一前述条款所述的方法，其中该涡轮叶片包括固定地联接到该翼型件的该尖端的尖端护罩，并且其中将该烧结后侵蚀防护罩联接到该涡轮叶片的该前缘还包括将该烧结后侵蚀防护罩联接成基本上延伸跨过该尖端护罩的邻近该前缘的端部。
17.一种制造防侵蚀涡轮叶片的方法，该方法包括：提供与旋转机械一起使用的涡轮叶片，该涡轮叶片包括：在根部和尖端之间延伸的翼型件，该翼型件包括压力侧和相反的吸力侧，该压力侧和该吸力侧中的每一者在前缘和后缘之间延伸；以及固定地联接到该尖端的尖端护罩；借助于增材制造工艺通过跨颗粒抗侵蚀材料选择性地沉积粘结剂溶液来打印生坯零件；烧结该生坯零件以产生包括致密抗侵蚀材料的烧结后侵蚀防护罩；以及将该侵蚀防护罩联接到该涡轮叶片的该前缘并且联接到该尖端护罩的邻近该前缘的端部，使得该侵蚀防护罩基本上延伸跨过该尖端护罩的该端部。
18.根据任一前述条款所述的方法，其中烧结该生坯零件还包括在合适的温度下烧结该生坯零件并烧结达合适的持续时间，以便于产生该烧结后侵蚀防护罩，该烧结后侵蚀防护罩包括具有等轴晶粒结构和大于或等于92％的相对密度的该致密抗侵蚀材料。
19.根据任一前述条款所述的方法，还包括：在大于或等于约1260℃
的温度下烧结该生坯零件并烧结达大于或等于约2小时的持续时间。
20.根据任一前述条款所述的方法，其中打印该生坯零件还包括跨颗粒钴铬合金材料选择性地沉积粘结剂溶液。
尽管本发明的各种实施方案的具体特征可能在一些附图中示出而在其他附图中未示出，但这仅是为了方便。此外，在以上描述中对“一个实施方案”的引用不旨在被解释为排除也包含所述特征的附加实施方案的存在。根据本发明的原理，可以结合任何其他附图的任何特征来引用和/或要求保护附图的任何特征。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果此类其他示例具有与权利要求书的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差别的等效结构元件，则此类其他示例预期在权利要求书的范围内。

Claims (15)

1.一种制造防侵蚀涡轮叶片的方法，所述方法包括：
提供与旋转机械(110和/或210)一起使用的涡轮叶片(300)，所述涡轮叶片(300)包括：在根部(312)和尖端(316)之间延伸的翼型件(302)，所述翼型件(302)包括压力侧(308)和相反的吸力侧(310)，所述压力侧和所述吸力侧(308,310)中的每一者在前缘(304)和后缘(306)之间延伸；
借助于增材制造工艺通过跨颗粒抗侵蚀材料(412)选择性地沉积粘结剂溶液(428)来打印生坯零件(402)；
烧结所述生坯零件(402)以产生包括致密抗侵蚀材料的烧结后侵蚀防护罩(326)；以及
将所述侵蚀防护罩(326)联接到所述涡轮叶片(300)的所述前缘(304)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中烧结所述生坯零件(402)还包括在合适的温度下烧结所述生坯零件(402)并烧结达合适的持续时间，以便于产生所述烧结后侵蚀防护罩(326)，所述烧结后侵蚀防护罩包括具有等轴晶粒结构的所述致密抗侵蚀材料。
3.根据权利要求1所述的方法，其中烧结所述生坯零件(402)还包括在合适的温度下烧结所述生坯零件(402)并烧结达合适的持续时间，以便于产生所述烧结后侵蚀防护罩(326)，所述烧结后侵蚀防护罩包括具有大于或等于约92％的相对密度的所述致密抗侵蚀材料。
4.根据权利要求1所述的方法，其中烧结所述生坯零件(402)还包括在合适的温度下烧结所述生坯零件(402)并烧结达合适的持续时间，以便于产生所述烧结后侵蚀防护罩(326)，所述烧结后侵蚀防护罩包括具有小于或等于约8体积％的孔隙率的所述致密抗侵蚀材料。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括：在大于或等于约1260℃的温度下烧结所述生坯零件(402)并烧结达大于或等于约2小时的持续时间。
6.根据权利要求1所述的方法，其中打印所述生坯零件(402)还包括跨颗粒钴铬合金材料(412)选择性地沉积粘结剂溶液(428)。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括：打印在所述烧结期间支撑所述生坯零件(402)的生坯支撑结构(444)，并且在烧结所述生坯零件(402)和所述生坯支撑结构(444)之后，从所述烧结后侵蚀防护罩(326)移除烧结后支撑结构(444)。
8.一种修复防侵蚀涡轮叶片的方法，所述方法包括：
提供与旋转机械(110和/或210)一起使用的涡轮叶片(300)，所述涡轮叶片(300)包括：在根部(312)和尖端(316)之间延伸的翼型件(300)，所述翼型件(302)包括压力侧(308)和相反的吸力侧(310)，所述压力侧和所述吸力侧(308,310)中的每一者在前缘(304)和后缘(306)之间延伸；以及沿着所述前缘(304)的受损区域；
从所述前缘(304)移除所述受损区域；
借助于增材制造工艺通过跨颗粒抗侵蚀材料(412)选择性地沉积粘结剂溶液(428)来打印生坯零件(402)；
烧结所述生坯零件(402)以产生包括致密抗侵蚀材料的烧结后侵蚀防护罩(326)；以及
在移除所述受损区域之后，将所述烧结后侵蚀防护罩(326)联接到所述涡轮叶片(300)的所述前缘(304)。
9.根据权利要求8所述的方法，其中沿着所述前缘(304)的所述受损区域是联接到所述前缘(304)的第一侵蚀防护罩(326)，并且移除所述受损区域包括从所述前缘(304)移除所述第一侵蚀防护罩(326)。
10.根据权利要求8所述的方法，其中移除所述受损区域包括在所述前缘(304)中邻近所述尖端(316)形成凹进区域(318)，并且其中将所述烧结后侵蚀防护罩(326)联接到所述前缘(304)包括将所述烧结后侵蚀防护罩(326)联接成延伸跨过所述凹进区域(318)。
11.根据权利要求8所述的方法，其中烧结所述生坯零件(402)还包括在合适的温度下烧结所述生坯零件(402)并烧结达合适的持续时间，以便于产生所述烧结后侵蚀防护罩(326)，所述烧结后侵蚀防护罩包括具有等轴晶粒结构和大于或等于92％的相对密度的所述致密抗侵蚀材料。
12.根据权利要求8所述的方法，还包括：在大于或等于约1260℃的温度下烧结所述生坯零件(402)并烧结达大于或等于约2小时的持续时间。
13.一种制造防侵蚀涡轮叶片的方法，所述方法包括：
提供与旋转机械(110和/或210)一起使用的涡轮叶片(300)，所述涡轮叶片(300)包括：在根部(312)和尖端(316)之间延伸的翼型件(300)，所述翼型件(302)包括压力侧(308)和相反的吸力侧(310)，所述压力侧和所述吸力侧(308,310)中的每一者在前缘(304)和后缘(306)之间延伸；以及固定地联接到所述尖端(316)的尖端护罩(336)；
借助于增材制造工艺通过跨颗粒抗侵蚀材料(412)选择性地沉积粘结剂溶液(428)来打印生坯零件(402)；
烧结所述生坯零件(402)以产生包括致密抗侵蚀材料的烧结后侵蚀防护罩(326)；以及
将所述侵蚀防护罩(326)联接到所述涡轮叶片(300)的所述前缘(304)并且联接到所述尖端护罩(336)的邻近所述前缘(304)的端部(338)，使得所述侵蚀防护罩(326)基本上延伸跨过所述尖端护罩(336)的所述端部(338)。
14.根据权利要求13所述的方法，其中烧结所述生坯零件(402)还包括在合适的温度下烧结所述生坯零件(402)并烧结达合适的持续时间，以便于产生所述烧结后侵蚀防护罩(326)，所述烧结后侵蚀防护罩包括具有等轴晶粒结构和大于或等于92％的相对密度的所述致密抗侵蚀材料。
15.根据权利要求13所述的方法，还包括：在大于或等于约1260℃的温度下烧结所述生坯零件(402)并烧结达大于或等于约2小时的持续时间。
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