DE102015102397A1

DE102015102397A1 - System mit einer Schichtstruktur und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102015102397A1
Application number: DE102015102397.0A
Authority: DE
Inventors: Kevin Weston McMahan; Geoffrey David Myers
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2014-02-25
Filing date: 2015-02-19
Publication date: 2015-08-27
Also published as: US20150239046A1; CH709268A2; US9649690B2; JP6612036B2; JP2015212073A; US20170248319A1; US11137143B2; CN104859260A

Abstract

Ein System enthält eine Schichtstruktur. Die Schichtstruktur enthält eine erste und eine zweite koaleszierte Schicht und eine Zwischenschicht, die zwischen der ersten und der zweiten koaleszierten Schicht angeordnet ist. Die erste und die zweite koaleszierte Schicht haben ein höheres Maß an Koaleszenz als die Zwischenschicht.

Description

Hintergrund
Der hierin offenbarte Gegenstand bezieht sich allgemein auf Systeme, die eine Schichtstruktur beinhalten und Verfahren zur Herstellung der Schichtstruktur.
Eine Vielzahl von Maschinenkomponenten (z.B. Turbomaschinenkomponenten) arbeitet unter hohen Temperaturen (z.B. können die Abgastemperaturen im Bereich von 1000°F liegen), wie etwa u.a. Brennstoffdüsen, Kompressorschaufeln, Turbinenschaufeln, Kompressorringe, Turbinenringe, Deckblattsegmente und Brennkammer-Turbinen-Übergangsstücke. Diese Komponenten sind allgemein aus Materialien zusammengesetzt, die für hohe Niveaus von thermischen Belastungen und thermischen Ausdehnungen, die während des Betriebs auftreten, geeignet sind. Obwohl solche Komponenten jedoch aus geeigneten Materialien hergestellt sein können, ist die Lebensdauer der Komponenten zumindest zum Teil aufgrund von Exposition gegenüber hohen Temperaturen, von thermischen Ausdehnungen und von thermischer Schrumpfung begrenzt. Z.B. können Maschinenkomponenten verschiedene Verbindungen und Formen enthalten, die für thermische Belastungen und verschleißanfällig sind, insbesondere aufgrund von thermischen Ausdehnungen und Schrumpfungen.
Kurze Beschreibung
Bestimmte Ausführungsbeispiele, die in ihrem Umfang mit der ursprünglich beanspruchten Erfindung übereinstimmen, sind nachfolgend zusammengefasst. Diese Ausführungsbeispiele sind nicht dazu bestimmt, den Schutzbereich der beanspruchten Erfindung zu beschränken, sondern diese Ausführungsbeispiele sind vielmehr dazu bestimmt, nur eine kurze Zusammenfassung von möglichen Gestaltungen der Erfindung bereitzustellen. Tatsächlich kann die Erfindung eine Vielzahl von Gestaltungen umfassen, die gleich oder verschieden von den nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispielen sind.
In einem ersten Ausführungsbeispiel enthält ein System eine Schichtstruktur. Die Schichtstruktur enthält eine erste und zweite koaleszierte Schicht und eine Zwischenschicht, die zwischen den beiden koaleszierten Schichten angeordnet ist. Die erste und zweite koaleszierte Schicht haben ein höheres Maß an Koaleszenz als der der Zwischenschicht.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel weist ein Verfahren zur Herstellung einer Maschinenkomponente das Sintern eines Pulvers unter Verwendung sich verändernder Intensitäten von einer eingesetzten Energiequelle auf, um eine Schichtstruktur zu bilden, wobei die Maschinenkomponente die Schichtstruktur enthält.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel ist eine Maschinenkomponente durch ein Verfahren hergestellt. Das Verfahren enthält das Einwirken einer Energiequelle auf ein in einer Kammer angeordnetes Pulver, um das Pulver zu sintern. Das Verfahren enthält auch das Sintern des Pulvers mit sich ändernden Graden entlang der Querschnittsgeometrie, um eine Schichtstruktur zu bilden, die zumindest eine erste gesinterte Schicht, eine zweite gesinterte Schicht und eine Zwischenschicht aufweist, wobei die Maschinenkomponente die Schichtstruktur aufweist.
Bei irgendeinem vorstehend erwähnten Ausführungsbeispiel kann es vorteilhaft sein, dass die Maschinenkomponente die Schichtstruktur aufweist.
Bei irgendeinem vorstehend erwähnten Ausführungsbeispiel kann es vorteilhaft sein, dass die Maschinenkomponente eine Turbomaschinenkomponente ist. Die Turbomaschinenkomponente kann ein Turbinenleitapparat und/oder ein Turbinenrahmen und/oder eine Dichtung und/oder eine Brennkammerummantelung und/oder eine Brennkammerkappe und/oder eine Brennstoffdüse und/oder eine Kompressorschaufel und/oder ein Turbinenschaufel und/oder einen Kompressorring und/oder einen Turbinenring und/ oder ein Deckbandsegment und/oder einen Gasvormischer und/oder einen Flüssigbrennstoffinjektor und/oder ein Brennkammer-Turbinen-Übergangsstück und/oder irgendeine Kombination davon sein.
Bei irgendeinem der vorstehend erwähnten Ausführungsbeispiele kann es vorteilhaft sein, dass die Zwischenschicht einen evakuierten Bereich aufweist, der dazu eingerichtet ist, als thermische Barriere, als akustische Barriere oder eine Kombination davon zwischen zumindest einem ersten Abschnitt der ersten koaleszierten Schicht und einem zweiten Abschnitt der zweiten koaleszierten Schicht zu dienen.
Bei irgendeinem der vorstehenden Ausführungsbeispiele kann es vorteilhaft sein, dass das System ein Rotationsmaschinensystem, ein Heißgaspfad-Maschinensystem oder eine Kombination davon ist.
Bei irgendeinem der vorstehend erwähnten Ausführungsbeispiele kann es vorteilhaft sein, dass die erste koaleszierte Schicht und/oder die zweite koaleszierte Schicht und/oder die Zwischenschicht funktionell gradierte Materialien aufweist.
Bei irgendeinem der vorstehend erwähnten Ausführungsbeispiele kann es vorteilhaft sein, dass die Zwischenschicht teilweise koalesziertes Kobalt-Chrom und/oder rostfreien Stahl und/oder Titan und/oder eine Chrom-Nickel-basierte Legierung und/oder eine nickelbasierte Legierung aufweist.
Bei irgendeinem der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele kann es vorteilhaft sein, dass die erste koaleszierte Schicht, die zweite koaleszierte Schicht, die Zwischenschicht oder eine Kombination hiervon eine Mehrzahl von entsprechenden Bereichen aufweist, wobei jeder Bereich der Mehrzahl von Bereichen einen unterschiedlichen Sintergrad aufweist.
Bei irgendeinem der vorstehend erwähnten Ausführungsbeispiele kann es vorteilhaft sein, dass die erste koaleszierte Schicht und/oder die zweite koaleszierte Schicht und/oder die Zwischenschicht eine sich ändernde Querschnittsdicke durchgängig durch zumindest einen Bereich der Schichtstruktur aufweist.
Bei irgendeinem der vorstehend erwähnten Ausführungsbeispiele kann es vorteilhaft sein, dass die erste koaleszierte Schicht unmittelbar mit der zweiten koaleszierten Schicht über eine oder mehrere Erweiterungen verbunden ist, die sich durch die Zwischenschicht erstreckt bzw. erstrecken.
Bei irgendeinem der vorstehend erwähnten Ausführungsbeispiele kann es vorteilhaft sein, dass das Bestimmen und Anwenden der sich verändernden Intensitäten der eingesetzten Energiequelle aufweist: Einlesen einer Anordnung der gesamten oder eines Teils der Maschinenkomponente; Scheibenbildung der Anordnung in Querschnitte, so dass die Querschnitte eine erste koaleszierte Schicht, eine zweite koaleszierte Schicht und eine oder mehrere Zwischenschichten aufweisen, die zwischen der ersten und der zweiten koaleszierten Schicht angeordnet sind; sukzessives Aufbauen jedes Querschnitts oben auf dem vorgehenden Querschnitt, wobei das sukzessive Aufbauen jedes Querschnitts aufweist: Anwenden einer ersten Intensität der Energiequelle auf das Pulver, um die erste koaleszierte Schicht basierend auf dem Querschnitt der Anordnung zu erzeugen; Anwenden einer zweiten Intensität der Energiequelle auf das Pulver, um die zweite koaleszierte Schicht basierend auf dem Querschnitt der Anordnung zu erzeugen; und Anwenden einer dritten Intensität der Energiequelle auf das Pulver, um die eine oder mehreren Zwischenschichten basierend auf dem Querschnitt der Anordnung zu erzeugen, wobei die erste und die zweite koaleszierte Schicht ein höheres Maß an Koaleszenz aufweisen als das der einen oder mehreren Zwischenschichten.
Bei irgendeinem der vorstehenden Ausführungsbeispiele kann es vorteilhaft sein, dass zumindest eine der einen oder mehreren Zwischenschichten einen evakuierten oder weniger koaleszierten Bereich aufweist, verglichen mit der ersten koaleszierten Schicht und der zweiten koaleszierten Schicht, wobei der evakuierte oder weniger koaleszierte Bereich dazu eingerichtet ist, als thermische Barriere, akustische Barriere oder eine Kombination davon zu dienen.
Bei irgendeinem der vorstehend erwähnten Ausführungsbeispiele kann es vorteilhaft sein, dass das Pulver in zumindest einer der einen oder mehreren Zwischenschichten teilweise gesintert ist.
Bei irgendeinem der vorstehend erwähnten Ausführungsbeispiele kann es vorteilhaft sein, dass das Pulver in zumindest der ersten Schicht oder der zweiten Schicht vollständig gesintert ist.
Bei irgendeinem der vorstehend erwähnten Ausführungsbeispiele kann es vorteilhaft sein, dass das Pulver in sich änderndem Maß in zumindest der ersten Schicht, der zweiten Schicht oder zumindest einer der einen oder mehreren Zwischenschichten gesintert ist.
Bei irgendeinem der vorstehend erwähnten Ausführungsbeispiele kann es vorteilhaft sein, dass das Pulver durch direktes Metalllasersintern, direktes Metalllaserschmelzen, selektives Lasersintern, Elektronenstrahlschmelzen oder irgendeiner Kombination davon gesintert wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden werden, wenn die nachfolgende detaillierte Beschreibung in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen durchgängig durch die Zeichnungen gleiche Teile darstellen, wobei:
1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Turbomaschinensystems ist;
2 eine schematische perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Turbomaschinenkomponente ist, die in dem Turbomaschinensystem nach 1 verwendet wird;
3 eine schematische Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines Abschnitts der Turbomaschinenkomponente aus 2 ist;
4 eine schematische Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines Schichtbereiches der Turbomaschinenkomponenten aus 3 ist;
5 eine schematische Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines Schichtbereiches der Turbomaschinenkomponenten aus 3 ist;
6 eine schematische Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines Schichtbereiches der Turbomaschinenkomponenten aus 3 ist;
7 eine schematische Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines Schichtbereiches der Turbomaschinenkomponenten aus 3 ist;
8 eine schematische Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines Schichtbereiches der Turbomaschinenkomponenten aus 3 ist;
9 eine schematische Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines Schichtbereiches der Turbomaschinenkomponenten aus 3 ist; und
10 ein Verfahrensflussdiagramm ist, das ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung der Turbomaschinenkomponente aus 3 veranschaulicht.
Detaillierte Beschreibung
Eine oder mehrere spezifische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend beschrieben werden. In dem Bemühen eine kompakte Beschreibung dieser Ausführungsbeispiele bereitzustellen, werden nicht alle Merkmale einer aktuellen Implementierung in der Beschreibung beschrieben. Es sollte verstanden werden, dass bei der Entwicklung von irgendeiner derartigen aktuellen Implementierung, wie bei jedem Ingenieurs- oder Entwicklungsprojekt, eine Vielzahl von implementierungsspezifischen Entscheidungen getroffen werden müssten, um die konkreten Ziele des Entwicklers, wie etwa Übereinstimmung mit systembezogenen und geschäftsbezogenen Bedingungen zu erreichen, die von einer Implementierung zu einer anderen variieren können. Außerdem sollte es verstanden werden, dass eine solche Entwicklungsanstrengung komplex und zeitraubend sein kann, aber dennoch eine Routineunternehmung der Entwicklung, Fabrikation und Herstellung für die Durchschnittsfachleute sein würde, die von dieser Offenbarung profitieren.
Wenn Elemente der verschiedenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eingeführt werden, sind die Artikel „ein“, „eine“, „der“ und „dieser“ dazu bestimmt, auszudrücken, dass ein oder mehrere von den Elementen vorhanden ist bzw. sind. Die Ausdrücke „aufweisend“, „enthaltend“ und „mit“ sind dazu bestimmt inklusiv zu sein und auszudrücken, dass zusätzliche andere als die angegebenen Elemente vorhanden sein können.
Wie nachfolgend im Detail erläutert, kann eine Schichtstruktur (z.B. einer Maschinenkomponente) unter Verwendung von Verfahren hergestellt sein, die letztlich die Leistungsfähigkeit (die thermische Effizienz, Abgasemissionen, Beständigkeit, die Standzeit und/oder Teilelebensdauer) der Schichtstruktur verbessern. Die Schichtstruktur kann die gesamte oder ein Teil der Maschinenkomponente sein, z.B. eine Maschinenkomponente, die thermischen und mechanischen Belastungen über längere Zeitdauern ausgesetzt ist. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann eine solche Maschinenkomponente in einer Turbomaschine, einer Rotationsmaschine, einer Heißgaspfadmaschine oder einigen anderen Maschinen enthalten sein. Die Maschinenkomponente kann eine Komponente einer Turbine der Turbomaschine sein, wobei die Turbine eine Gasturbine, eine Dampfturbine, eine Hydroturbine und/oder eine Windturbine enthalten kann. Die Schichtstruktur kann die gesamte oder einen Teil einer Turbomaschinenkomponente sein, z.B. eine Schaufel (z.B. eine Laufschaufel oder eine stationäre Leitschaufel), eine Turbinendüse, ein Turbinenrahmen, eine Dichtung, eine Brennkammerummantelung, eine Brennkammerkappe, eine Brennstoffdüse, eine Kompressorschaufel, ein Kompressorring, ein Turbinenring, ein Deckbandsegment, ein Gasvormischer, ein Flüssigbrennstoffinjektor oder ein Brennkammer-Turbinen-Übergangsteil. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Schichtstruktur und/oder die Maschinenkomponente eine einstückige Struktur sein, die integral ausgebildet ist (z.B. ohne Verbindungen). Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Schichtstruktur (z.B. der Maschinenkomponente) mehrere Teile enthalten, die separat hergestellt und miteinander verbunden sind. Zur Klarstellung, die Schichtstruktur kann hierin als Maschinenkomponente beschrieben werden und die Maschinenkomponente kann hierin als Turbomaschinenkomponente beschrieben werden, wo bestimmte Ausführungsbeispiele der Turbomaschinenkomponente beschrieben werden können. Jedoch sollte verstanden werden, dass Techniken in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung, wie vorstehend beschrieben, auf irgendeine Maschine, Maschinenkomponente und/oder Schichtstruktur anwendbar sind.
Insbesondere kann bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung ein Turbomaschinensystem eine geschichtete Turbomaschinenkomponente aufweisen, die durch Sintern von einer oder mehreren ihrer Schichten in koaleszierten (z.B. verdichteten) Schichten hergestellt ist. Der Begriff „Sintern“ wird in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung wird aufgenommen, um sich auf bestimmte Herstellungstechniken zu beziehen, die verwendet werden, um eine koaleszierte Schicht zu erhalten, wobei „koaleszierte Schicht“ sich auf eine Schicht bezieht, die z.B. aus einem Pulver verdichtet wurde. Mit anderen Worten kann Sintern ein Herstellungsprozess sein, der ein Pulver in eine gesinterte oder koaleszierte Schicht koalesziert (z.B. durch direktes Metall-Lasersintern (DMLS), direktes Metall-Laserschmelzen (DMLM), selektives Lasersintern (SLS), Elektronenstrahlschmelzen (EBM) oder irgendein anderes geeignetes additives Herstellungsverfahren). Das Pulver kann ein Metall aufweisen, das die Fähigkeit hat, durch eines der vorhergenannten Verfahren gesintert zu werden. Beim Sintern von Pulver zur Bildung der Komponente, kann die Komponente ohne Verwendung von teuren und zeitaufwendigen Herstellungsverfahren, wie etwa Schweißen oder anderen Verbindungsverfahren hergestellt werden. Außerdem kann ein Bereich der Schichtstruktur, Maschinenkomponente oder Turbomaschinenkomponente Schichten aufweisen, die auf eine besondere Weise gesintert sind, die von der Weise abweicht, wie die Schichten von anderen Bereichen derselben Turbomaschinenkomponente gesintert sind. Die Schichten (und Abwandlungen davon) können dazu eingerichtet sein, die Eigenschaften von verschiedenen Bereichen der Komponente (z.B. thermische oder mechanische) maßzuschneidern, um thermische Belastungen, thermische Ausdehnungen und andere solcher Kräfte zu berücksichtigen, die auf jeden betreffenden Bereich während des Betriebes des Systems einwirken.
Insbesondere können die gesinterten Schichten der Komponente oder der Struktur dazu eingerichtet sein, den Young-Modul, den Elastizitätsmodul und/oder die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Komponente in bestimmten Bereichen der Komponente oder Struktur zu reduzieren (z.B. auf effektiv gleich Null) und kann auch die Poisson-Zahl abhängig von einem gewünschten Verhalten der Komponente oder der Struktur beeinträchtigen. Z.B. kann eine Dicke von einem oder mehreren Abschnitten von jeder gesinterten Schicht derart variiert werden, dass es einem Abschnitt ermöglicht wird, sich in einem größeren Maß auszudehnen, als ein anderer Abschnitt. Die gesinterten Schichten der Komponente können auch dazu eingerichtet sein, die Veränderung der Temperaturgradienten und/oder der Wärmeleitfähigkeit von einem Bereich der Komponente zu dem anderen zu ermöglichen, so dass die Temperaturgradienten einen Wert nicht überschreiten, der die Komponente negativ beeinträchtigen kann. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen können die gesinterten Schichten der Komponente dazu eingerichtet sein, die Oxidation und/oder Korrosion von Abschnitten der Komponente zu reduzieren, z.B. durch das Auswählen gewünschter Materialien zur Verwendung in Abschnitten der Komponente, die von reduzierter Oxidation und/oder Korrosion profitieren können.
Außerdem können bei bestimmten Ausführungsbeispielen eine oder mehrere gesinterte Schichten weniger dicht sein als andere gesinterte Schichten oder sogar evakuiert sein (z.B. ein Vakuum), so dass die weniger dichte oder evakuierte (z.B. Vakuum) Schicht als thermische Barriere und/oder mechanischer Lastverteiler (nachfolgend beschrieben) wirkt. Mit Hilfe eines nicht beschränkenden Beispiels, können Turbomaschinenkomponenten, wie etwa Brennstoffdüsen, die in Hochtemperaturbereichen der Turbomaschine betrieben werden, von der oben beschriebenen thermischen Barriere profitieren. Z.B. können Brennstoffdüsen von Turbomaschinen Schäfte aufweisen, die einem Oxidanten (z.B. Luft) bei einer Kompressorauslasstemperatur ausgesetzt sind, die Temperaturen von bis zu 1000°F (540°C) oder mehr aufweisen kann. Die Spitzen von Brennstoffdüsen können der Abstrahlung der Flamme und der Konvektion von einer Brennkammereinrichtung ausgesetzt sein, die Temperaturen von bis zu 3500°F (1930°C) oder mehr aufweisen kann. Durch Vorsehen der oben beschriebenen thermischen Barriere durch eine weniger dichte oder eine evakuierte Schicht, kann eine brennstoffbenetzte Oberfläche und mithin Brennstoff, der durch die Brennstoffdüse geleitet wird und in Kontakt mit den brennstoffbenetzten Oberflächen kommt, vor der Exposition gegen die hohen Temperaturen abgeschirmt werden, die ansonsten die Strömung, die Auflösung, die Konsistenz und/oder Effektivität des Brennstoffs beeinflussen können.
Außerdem können gesinterte Schichten mit nicht verdichtetem Pulver (z.B. weniger verdichtet als die umgebenden Schichten) durch das Ermöglichen der Verteilung der Kraft/ Energie in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung zumindest teilweise die mechanischen Belastungen reduzieren, die auf andere Bereiche (z.B. Schichten) der Struktur ausgeübt werden. Als ein Beispiel kann die weniger dichte Schicht die Resonanzantwort der Turbomaschinenkomponenten reduzieren. Mit anderen Worten können gesinterte Schichten mit unverdichtetem Pulver als akustische Barriere innerhalb der Schichtstruktur dienen, so dass Resonanzenergie über das nicht gesinterte Pulver verteilt wird, als vielmehr über die gesamte Struktur. Z.B. erfahren einige Turbomaschinenkomponenten dynamische Druckoszillationen und andere aero-mechanische Störungen aufgrund von Vibrationen. Deswegen können die vorliegend betrachteten Ausführungsbeispiele von nicht verdichteten oder weniger verdichteten Pulverschichten strategisch in solchen Turbomaschinenkomponenten angeordnet sein, um Resonanzantwortbereiche von solchen Komponenten Turbomaschinenkomponenten zu „töten“ oder zu reduzieren, die hohe dynamische Druckoszillationen und andere aero-mechanische Störungen erfahren.
Zuwendend zu den Zeichnungen und bezugnehmend zuerst auf 1, ist ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Turbinensystems 10 veranschaulicht. Es sollte beachtet werden, dass die vorliegende Offenbarung sich auf irgendein Turbomaschinensystem beziehen kann und dass das hierin erläuterte Turbomaschinensystem den Schutzbereich nicht beschränkt, auf den sich die vorliegende Offenbarung bezieht. Ein Turbomaschinensystem kann sich auf irgendein System beziehen, das die Umformung von Energie zwischen einem Rotor und einem Fluid oder umgekehrt beinhaltet und das Turbinensystem 10 ist nur dazu beabsichtigt als eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Turbomaschinensystems zu dienen. Außerdem können bestimmte hierin beschriebene Techniken auch auf irgendwelche Komponenten anwendbar sein, die eine thermo-mechanische Belastung erfahren (z.B. irgendeine Maschine die einen Verbrennungsprozess verwendet, eine Wärmemaschine, usw.). Das dargestellte Turbinensystem 10 weist unter anderen Merkmalen eine Brennstoffdüse 12, eine Brennstoffzufuhr 14 und eine Brennkammereinrichtung 16 auf. Wie dargestellt, leitet die Brennstoffzufuhr 14 einen flüssigen Brennstoff und/oder einen gasförmigen Brennstoff, wie etwa Erdgas, an das Turbinensystem 10 durch die Brennstoffdüse 12 in die Brennkammereinrichtung 16. Nach dem Mischen mit einem unter Druck stehendem Oxidanten (z.B. Luft), dargestellt durch den Pfeil 18, tritt in der Brennkammereinrichtung 16 eine Zündung ein und das resultierende Abgas veranlasst die Schaufeln innerhalb einer Turbine 20 sich zu drehen. Die Kopplung zwischen den Schaufeln in der Turbine 20 und einer Welle 22 bewirkt die Drehung der Welle 22, die, wie veranschaulicht, auch mit einigen Komponenten durchgängig durch das Turbinensystem 10 gekoppelt ist. Z.B. ist die dargestellte Welle 22 mit einem Kompressor 24 an einer Last 26 antriebsverbunden. Es versteht sich, dass die Last 26 irgendeine geeignete Einrichtung sein kann, die mittels der Rotationsausgangsleistung des Turbinensystems 10 Energie erzeugen kann, wie etwa eine Energieerzeugungseinrichtung oder ein Fahrzeug.
Eine Luftzufuhr 28 kann Luft über Leitungen zu einem Lufteinlass 30 leiten, der die Luft dann in den Kompressor 24 leitet. Der Kompressor 24 enthält eine Mehrzahl von Schaufeln, die mit der Welle 22 antriebsgekoppelt sind. Wenn sich die Welle als Folge der Ausdehnung des Abgases innerhalb der Turbine 20 dreht, veranlasst die Welle 22 auch die Kompressorschaufeln sich zu drehen, was die Luft von dem Lufteinlass 30 komprimiert, um komprimierte Luft zu erzeugen, die als Pfeile 32 dargestellt sind. Die komprimierte Luft wird an die Brennstoffdüsen 12 und die Brennkammereinrichtung 16 geleitet. Die Brennstoffdüse 12 kann dann die unter Druck stehende Luft und den Brennstoff mischen, um ein Luft-Brennstoff-Gemisch zu erzeugen. Nach dem Durchsetzen der Turbine 20, verlassen die Abgase das System an dem Abgasauslass 34.
Während der Verbrennungsphase des Betriebes der dargestellten Gasturbine 10 können die Temperaturen, wie vorstehend beschrieben im Bereich von 1000°F (ungefähr 540°C) oder mehr liegen, Tatsächlich arbeiten viele der Komponenten, die in dem Turbinensystem 10 nach 1 oder anderen ähnlichen Turbomaschinensystemen enthalten sind und insbesondere solche, die in Verbindung mit der Brennkammereinrichtung 16 arbeiten, unter hohen thermischen Lasten. Z.B. können irgendwelche Komponenten, die in thermischer Verbindung mit der Brennkammereinrichtung 16 oder mit Verbrennungsprodukten der Brennkammereinrichtung 16 und/oder in thermischer Verbindung mit abgeführter, unter Druck stehender Luft von dem Kompressor 24 stehen, als entlang des Heißgaspfades des Turbinensystems 10 angeordnet betrachtet werden. In Übereinstimmung mit vorliegenden Ausführungsbeispielen kann irgendeine oder eine Kombination von Komponenten, die entlang dieses Heißgaspfades angeordnet sind, unter Verwendung der hierin beschriebenen Techniken hergestellt werden. Mittels eines nicht einschränkenden Beispiels, können diese Komponenten Schaufeln und/oder Ringe des Kompressors 24, Schaufeln und/oder Ringe der Turbine 20, Brennstoffdüse(n) 12, eine Verkleidung der Brennkammereinrichtung 16, ein Übergangsstück der Brennkammereinrichtung 16, eine Diffusionsplatte der Brennkammereinrichtung 16, Deckbandsegmente der Turbine 20 usw. aufweisen.
Weiter ist in den 2 und 3 ein Ausführungsbeispiel der Brennstoffdüse 12 veranschaulicht, das in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung hergestellt ist. Die Brennstoffdüse 12 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung, ist unter Verwendung von irgendeiner vorstehend erläuterten additiven Herstellungstechnik hergestellt. Nochmals, die veranschaulichten Ausführungsbeispiele der Brennstoffdüse 12 in den 2 und 3 sind lediglich repräsentative Ausführungsbeispiele von einer Turbomaschinenkomponente, die von der vorliegenden Offenbarung profitieren können. Viele Turbomaschinenkomponenten, ob sie unter hohen thermischen Belastungen oder anderweitig arbeiten, können von den hierin erläuterten Ausführungsbeispielen profitieren.
Das Ausführungsbeispiel der in den 2 und 3 veranschaulichten Brennstoffdüse 12 kann für das Mischen eines komprimierten Oxidanten (z.B. Luft) mit Brennstoff und für das Abgeben des Gemischs an eine Brennkammereinrichtung 16 vorgesehen sein. Die Brennstoffdüse 12 kann um eine Achse 36 zentriert sein und Blätter 38, die an einer äußeren Fläche 40 eines inneren Rohres 41 der Brennstoffdüse 12 angeordnet sind, können das Mischen der komprimierten Luft verbessern, indem der Brennstoff und die Luft um die Achse 36 verwirbelt werden. Der Brennstoff kann sich nach unten in Richtung 42 in eine interne Brennstoffkammer in dem Zentrum der Brennstoffdüse 12 bewegen (z.B. innerhalb des inneren Rohres 41), wo der Brennstoff aus der Brennstoffkammer austritt in die Blätter 38 und außen über Löcher 44 durch die Blätter 38 austritt. Daher kann sich der komprimierte Oxidant in Richtung 42 bewegen, außerhalb des inneren Rohres 41 und innerhalb eines äußeren Rohres 45, das sich teilweise entlang der Blätter 38 erstreckt (oder bei anderen Ausführungsbeispielen vollständig erstreckt), so dass der Oxidant mit Brennstoff gemischt wird, der von innerhalb des inneren Rohres 41 durch die Löcher 44 der Blätter 38 und in den Pfad des Oxidanten ausgestoßen wird. Daher wird der Brennstoff beim Betrieb in die Luftströmung um die Blätter 38 eingebracht (z.B. zwischen dem inneren Rohr 41 und dem äußeren Rohr 45) und das Luft-Brennstoff-Gemisch tritt aus der Brennstoffdüse aus, wie es durch die Pfeile 46 angegeben ist. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die gesamte Brennstoffdüse 12 durch ein separates Gehäuse umschlossen sein, das die Strömung des Luft-Brennstoff-Gemisches entlang des Pfades leitet, der im Wesentlichen parallel zu der Achse 36 (wie z.B. durch Pfeil 46 angegeben) zu der Brennkammereinrichtung 16 (nicht dargestellt) verläuft. Weil die Brennstoffdüse 12 in der Nähe der Brennkammereinrichtung 16 in dem Gasturbinensystem 10 angeordnet ist, kann die Brennstoffdüse 12 unter hohen Temperaturen arbeiten und kann als eine Folge hohen thermischen Belastungen ausgesetzt sein.
In Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel können die gesamte oder Teile der Brennstoffdüse 12 auf eine solche Weise hergestellt werden, um diese hohen thermischen Belastungen zu beherrschen, während ein geringeres Gewicht und/oder eine gewünschte Geometrie erreicht wird. Z.B. können die Blätter 38, das innere Rohr 41 und/oder das äußere Rohr 45 unter Verwendung einer oder eine Kombination von additiven Herstellungstechniken hergestellt werden, wie sie oben angegeben und detailliert nachfolgend erläutert werden. Die gesamte Brennstoffdüse 12 oder irgendeine andere Heißgaspfad-Turbomaschinenkomponente kann mittels Techniken in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung integral ausgebildet sein oder individuelle Teile der Brennstoffdüse 12 (z.B. die Blätter 38, das innere Rohr 41 und das äußere Rohr 45) oder von irgendeiner anderen Heißgaspfad-Turbomaschinenkomponente können individuell hergestellt und miteinander verbunden werden. Durch das integrale Ausbilden einer gesamten Turbomaschinenkomponente (z.B. der Brennstoffdüse 12), kann der Herstellungsprozess rationalisiert werden. Außerdem können durch die Verwendung von additiven Herstellungsverfahren und Techniken, auf die vorstehend Bezug genommen wurde und die im Detail nachfolgend erläutert werden (z.B. mit Bezug auf die 3 und 10), um einen Turbomaschinenkomponente (z.B. eine Brennstoffdüse 12) oder Teile der Turbomaschinenkomponenten herzustellen, bei einem Ausführungsbeispiel, die Turbomaschinenkomponente oder Teile der Turbomaschinenkomponente unterschiedliche Materialzusammensetzungen haben – wie etwa ein sich änderndes Maß der Dichte, sich ändernde Mengen von bestimmten Materialien, usw., was im Allgemeinen nicht erreicht werden kann, wenn andere Herstellungstechniken, wie etwa Gießen, verwendet werden. Diese variierende Materialzusammensetzung kann verwendet werden, um unterschiedliche thermische und/oder mechanische Eigenschaften in unterschiedlichen Bereichen der Brennstoffdüse 12 zu erreichen.
Der 3 zuwendend, ist ein Ausführungsbeispiel eines Bereichs der Brennstoffdüse 12 in einer Querschnitts-Vorderansicht innerhalb der Linie 3-3 aus 2 gezeigt. Bei diesem veranschaulichten Ausführungsbeispiel bilden verschiedene Schichten die Brennstoffdüse 12, wobei die Schichten während der Herstellung gesintert oder koalesziert (z.B. verdichtet) wurden. Das veranschaulichte Ausführungsbeispiel weist eine erste Schicht 50 (z.B. erste koaleszierte Schicht), eine zweite Schicht 52 (z.B. zweite koaleszierte Schicht) und eine Zwischenschicht 54 (z.B. koaleszierte Zwischenschicht) auf. Es sollte beachtet werden, dass aufgrund von bestimmten Arten von Geometrien, die mit Turbomaschinenkomponenten im Zusammenhang stehen, ein Bereich einer Komponente eine erste Schicht 50 haben kann, die in eine zweite Schicht 52 in einem anderen Bereich der Komponente übergeht und umgekehrt. Daher werden die Begriffe erste Schicht 50 und zweite Schicht 52, die dazu verwendet werden, die gesamte Turbomaschinenkomponente (z.B. die Brennstoffdüse 12 in 3) zu erläutern, aufgenommen, um klarzustellen, dass die Brennstoffdüse 12 mehrere Schichten aufweist und um die Zwischenschicht 54 abzugrenzen, die zwischen den beiden Schichten angeordnet ist. Wenn jedoch lokale Querschnitte von bestimmten Bereichen einer Turbomaschinenkomponente erläutert werden (z.B. unter Bezug auf spätere Figuren der vorliegenden Offenbarung), können die erste Schicht 50 und die zweite Schicht 52 verschieden sein und unterschiedliche Geometrien und/oder Eigenschaften innerhalb des jeweiligen Bereichs aufweisen.
Um die gewünschten Schichten zu erhalten (z.B. die erste Schicht 50, die zweite Schicht 52 und die Zwischenschicht 54) können additive Herstellungstechniken in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung verwendet werden. Z.B. kann die Brennstoffdüse 12 bei dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel von unten nach oben (z.B. entgegen der Richtung 42) hergestellt werden. Mit anderen Worten kann eine erste Querschnittsscheibe rechtwinklig zu der Längsachse 36, mit der ersten Schicht 50, der zweiten Schicht 52 und der Zwischenschicht 54 erzeugt werden, indem selektiv eine Wärmequelle auf ein Pulverbett einwirkt. Die Wärmequelle kann manuell oder über eine Recheneinrichtung selektiv angewandt werden, die ein physisches, maschinenlesbares, nicht flüchtiges Medium hat, das einen oder mehrere Befehlssätze speichert, die, wenn sie durch einen Prozessor ausgeführt werden, die Wärmequelle selektiv anwenden. Sobald die erste Querschnittsscheibe mittels der vorstehenden Technik erzeugt ist, kann eine zweite Querschnittsscheibe mittels derselben Technik erzeugt werden, die auf ein Pulverbett angewandt wird, das oben auf die erste Querschnittsscheibe angeordnet ist. Die Technik kann wiederholt werden, bis die Brennstoffdüse 12 oder irgendeine andere Turbomaschinenkomponente hergestellt ist. Durch das selektive Anwenden der Wärmequelle (z.B. durch selektives Anwenden einer variierenden Intensität einer Wärmequelle oder selektives Anwenden einer konstanten Intensität der Wärmequelle für eine sich ändernde Zeitdauer) kann jede Schicht (z.B. die erste Schicht 50, die zweite Schicht 52 und die Zwischenschicht 54) der Querschnittsscheibe in einem unterschiedlichen Maß mit Bezug auf die anderen Schichten (z.B. die erste Schicht 50, die zweite Schicht 52 und die Zwischenschicht 54) der Querschnittsscheibe gesintert/ koalesziert werden. Z.B. kann die Zwischenschicht 54 in einem geringeren Maß gesintert werden, als das der ersten Schicht 50 und der zweiten Schicht 52. Ausführungsbeispiele von Sintertechniken der vorliegenden Offenbarung werden detaillierter mit Bezug auf 10 erläutert.
Weiter zu dem in 3 veranschaulichten Ausführungsbeispiel, sind die erste Schicht 50 und die zweite Schicht 52 allgemein an die Zwischenschicht 54 gebunden. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Zwischenschicht 54 um ein geringeres Maß gesintert, verglichen mit der ersten und der zweiten Schicht 50, 52. Bei einem Ausführungsbeispiel können die erste und die zweite Schicht 50, 52 vollständig gesintert sein (z.B. gesintert in dem durch das Herstellungsverfahren und/oder die Herstellungseinrichtung höchstmöglichen Maß) oder können nur teilweise gesintert sein, aber gesintert in einem unterschiedlichen Maß im Vergleich zueinander und/oder im Vergleich zu der Zwischenschicht 54. Bei einem nicht beschränkenden Beispiel, kann die Zwischenschicht 54 partiell koalesziertes Kobalt-Chrom, rostfreien Stahl, Inconel, Titan oder eine nickelbasierte Legierung aufweisen. Jede Schicht kann unter Verwendung von verschiedenen Sintertechniken in verschiedenen Bereichen der Turbomaschinenkomponente hergestellt sein. Z.B. kann ein erster Bereich 55 der Brennstoffdüse 12 die erste Schicht 50, die zweite Schicht 52 und die Zwischenschicht 54 aufweisen, indem die erste und die zweite Schicht 50, 52 vollständig gesintert sind (z.B. vollständig gesintert bezogen auf die Fähigkeit der additiven Herstellungstechnik, die verwendet wird, um die Schichten zu erzeugen) und die Zwischenschicht 54 ist in einem geringeren Maß gesintert als das der ersten und der zweiten Schicht 50, 52. Ein zweiter Bereich 56 der veranschaulichten Brennstoffdüse 12 oder Turbomaschinenkomponente kann eine funktionell graduierte Sinterung einer Schicht aufweisen (z.B. ist die Schicht ein einziges gesintertes Material in einem Abschnitt des Bereiches und wird graduell zu einem anderen gesinterten Material bis die Schicht ein anderes einziges gesintertes Material in einem zweiten Abschnitt des Bereiches ist). Außerdem kann ein dritter Bereich 58 der veranschaulichten Brennstoffdüse 12 oder anderen Turbomaschinenkomponente eine gesinterte Schicht mit einem sich graduell verringerten Maß der Sinterung von einem Abschnitt des dritten Bereichs aufweisen (z.B. ändern sich die Materialien zur Bildung der Schicht nicht). Außerdem kann ein vierter Bereich 60 der veranschaulichten Brennstoffdüse 12 oder Turbomaschinenkomponente Erweiterungen 62 (z.B. Stäbe oder andere Erweiterungsmerkmale) aufweisen, die sich zwischen der ersten Schicht 50 und der zweiten Schicht 52 und durch die Zwischenschicht 54 erstrecken. Außerdem kann ein fünfter Bereich 64 einen oder mehrere gesinterte Schichten (z.B. die erste Schicht 50, die zweite Schicht 52 und/oder die Zwischenschicht 54) mit sich verändernder Querschnittsdicke aufweisen. Außerdem kann ein sechster Bereich 66 einen evakuierten Bereich aufweisen (z.B. einen Bereich der frei ist von Pulver und Luft oder ein anderes Gas aufweist, das den Bereich füllt, eine Region, die mit Pulver gefüllt, aber in einem Vakuum ist oder eine Region, die frei ist von Pulver und in einem Vakuum ist). Der Begriff „Vakuum“ bezieht sich auf einen Zustand der Region mit einem Gasdruck, der geringer ist als der atmosphärische Druck oder geringer als einige andere Bezugspunkte.
Es sollte beachtet werden, dass verschiedene vorstehend erläuterte Konfigurationen in irgendeiner Kombination in und in irgendeinem Bereich von irgendeiner Turbomaschinenkomponente verwendet werden können. Das Ausführungsbeispiel der Brennstoffdüse 12 und die betreffenden Stellen und Anordnungen jeder Region, wie es vorstehend erläutert wurde, sind jeweils als repräsentatives Beispiel zu verstehen.
Ein Ausführungsbeispiel der ersten Schicht 50, der zweiten Schicht 52 und der Zwischenschicht 54 ist in 4 veranschaulicht, die eine Ansicht innerhalb der Linie 4-4 ist. Bei dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel kann die erste und die zweite Schicht 50, 52 vollständig gesintert sein und die Zwischenschicht 54 kann in einem geringeren Maß gesintert sein, als das der ersten und der zweiten Schicht 50, 52 oder teilweise gesintert sein (z.B. gesintert in einem Maß geringer als das höchstmögliche Sinterungsmaß, das in dem Herstellungsverfahren und/oder in der Herstellungseinrichtung gegeben ist). Mit anderen Worten können die erste und die zweite Schicht 50, 52 als 100% gesintert gegenüber den Fähigkeiten der Herstellungseinrichtung betrachtet werden und die Zwischenschicht 54 kann als weniger als 100% gesintert gegenüber den Fähigkeiten der Herstellungseinrichtung betrachtet werden. Daher ist das koaleszierte Pulver in der ersten und der zweiten Schicht 50, 52 kompakter (z.B. dichter), während das koaleszierte Pulver in der Zwischenschicht 54 weniger kompakt (z.B. weniger dicht) ist, so dass das koaleszierte Pulver in der Zwischenschicht 54 Räume zwischen den Pulverpartikeln aufweisen kann, die es den Pulverpartikeln ermöglichen können, sich auszudehnen, ohne die Position der Partikel und der umgebenden Struktur(en) zu versetzen. Daher ist die Zwischenschicht 54 in dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel durch Punkte dargestellt, um anzugeben, dass mehr Raum zwischen jedem Pulverpartikel in der Zwischenschicht 54 vorhanden sein kann, verglichen mit dem Raum zwischen Pulverpartikeln in der ersten und der und zweiten Schicht 50, 52.
Das partielle Sintern der Zwischenschicht 54 kann es der Zwischenschicht 54 ermöglichen (z.B. den gesinterten Regionen und/oder dem nicht gesinterten Pulver), sich bei Erwärmung auszudehnen. Daher kann die Zwischenschicht 54 den Effekt der Wärmeausdehnungskoeffizienten reduzieren oder zunichte machen. Das heißt, dass die Zwischenschicht 54 einen höheren Grad an Wärmeausdehnung ermöglichen kann, der die Ausdehnungseffekte auf die strukturelle Integrität der Turbomaschinenkomponente mindert. Außerdem kann die Zwischenschicht 54 als thermische Barriere dienen und/oder als ein Dämpfer einer Resonanzantwort auf dynamische Druckoszillationen oder andere aero-mechanische Störungsquellen, die mit der Turbomaschinenkomponente in Zusammenhang stehen, wie es vorstehend beschrieben wurde. Außerdem können die erste und die zweite Schicht 50, 52 vollständig gesintert sein (z.B. vollständig gesintert wie oben beschrieben) um die Festigkeit zu erhöhen, was die Stabilität bereitstellen kann, wenn die Komponente unter anderen externen Lasten steht (z.B. aerodynamische Kräfte und/oder andere Kräfte die während des Betriebes einwirken). Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das prozentuale Verhältnis des Sinterns der ersten und der zweiten Schicht 50, 52 mit Bezug auf die Zwischenschicht 54 in einem Bereich von 5:1 bis 5:4, 4:1 bis 4:3 oder 3:1 bis 3:2 oder irgendein Unterbereich davon sein.
Es sollte auch beachtet werden, dass die Zwischenschicht 54 einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten im Vergleich zu der ersten und der zweiten Schicht 50, 52 aufweisen kann. Dadurch kann das Maß der Expansion aufgrund einer gegebenen thermischen Anregung durch Steuern der Größe und der Geometrie der Zwischenschicht 54 gesteuert werden. Außerdem kann die Zwischenschicht 54 die erste und die zweite Schicht 50, 52 in die Lage versetzen, sich gleichmäßiger thermisch auszudehnen, als wenn die Zwischenschicht 54 ein ähnliches oder dasselbe Maß der Sinterung verglichen mit der ersten und der zweiten Schicht 50, 52 hätte.
Ein anderes Ausführungsbeispiel der ersten Schicht 50, der zweiten Schicht 52 und der Zwischenschicht 54 ist in der Ansicht aus 5 veranschaulicht, die eine Ansicht des vierten Bereichs 64 innerhalb der Linie 5-5 aus 3 ist. Bei dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel kann die Zwischenschicht 54 in einem geringeren Maß gesintert sein, als das der ersten und der zweiten Schicht 50, 52 und die erste und die zweite Schicht 50, 52 können vollständig gesintert sein oder in einem Maß gesintert sein, das größer ist als das der Zwischenschicht 54. Bei diesem Ausführungsbeispiel können eine oder mehrere dieser Schichten eine sich ändernde Querschnittsdicke innerhalb des vierten Bereichs 64 (oder irgendeines anderen Bereiches der Brennstoffdüse 12) aufweisen. Z.B. ist in einem Abschnitt des vierten Bereichs 64 eine erste Querschnittsdicke 67 von jeder Schicht größer als eine zweite Querschnittsdicke 68 von jeder Schicht in einem zweiten Abschnitt des vierten Bereichs 64. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen kann nur die erste Schicht 50, nur die zweite Schicht 52 oder nur die Zwischenschicht 54 oder irgendeine Kombination von diesen Schichten eine sich ändernde Querschnittsdicke aufweisen. Es sollte auch beachtet werden, dass die sich ändernde Querschnittsdicke graduell oder verjüngt sein kann, wie es in dem Ausführungsbeispiel aus 5 veranschaulicht ist, oder gestuft sein kann. Tatsächlich kann die Querschnittsdicke in irgendeiner Weise variieren und kann allgemein zunehmen oder abnehmen basierend auf der beabsichtigten Geometrie der Komponente oder thermischen Betrachtungen des spezifischen Bereichs der Komponente. Z.B. kann eine größere Querschnittsdicke der Zwischenschicht 54 enthalten werden, um die Wärmeausdehnung in einem bestimmten Abschnitt der vierten Region 64 zu verändern (z.B. zu reduzieren). Gleichermaßen kann eine größere Querschnittsdicke der ersten Schicht oder der zweiten Schicht 52 in bestimmten Bereichen enthalten sein, um Bereiche anzupassen, die größere Lasten (z.B. aerodynamische Kräfte) erfahren durch das Erhöhen der Festigkeit.
Der zweite Bereich 58, innerhalb der Linie 6-6 aus 3, ist in 6 veranschaulicht. Bei dem in 6 veranschaulichten Ausführungsbeispiel weist der zweite Bereich 58 ein Ausführungsbeispiel der Zwischenschicht 54 auf, bei dem eine Schicht mit graduell abnehmender Sinterung in der Richtung vorhanden ist, die durch den Pfeil 70 angegeben ist. Es sollte beachtet werden, dass die durch den Pfeil 70 angegebene Richtung lediglich repräsentativ ist. Das Maß der Sinterung kann graduell abnehmen, z.B. in einer Richtung quer (z.B. rechtwinklig) zu dem Pfeil 70. Ferner kann das Maß der Sinterung von der Zwischenschicht 44 zu der ersten Schicht 50 oder von der Zwischenschicht 54 zu der zweiten Schicht 52 größer sein oder kann von dem Zentrum (oder einem anderen Punkt, Linie, Block oder Bereich) der Zwischenschicht 54 und in eine oder mehrere Richtungen nach außen (z.B. zu der ersten und/ oder zweiten Schicht 50, 52 oder in irgendeine andere Richtung) größer sein. Außerdem kann die Änderung in dem Maß der Sinterung nicht graduell sein (z.B. kann sie stufenweise sein). Mit anderen Worten kann die Veränderung in dem Maß der Sinterung einer gegebenen Schicht gerichtet oder nicht gerichtet sein, kann zunehmen oder abnehmen oder kann graduell oder kann nicht graduell sein. Allgemein kann ein erster Abschnitt des zweiten Bereichs 58 mit einem höheren Maß der Sinterung eine festere Struktur ermöglichen, um größere externe Lasten zu beherrschen, die auf diesen Abschnitt einwirken (z.B. kann die Festigkeit dieses Abschnitts erhöhen), während ein zweiter Abschnitt des zweiten Bereichs 58 mit einem geringeren Maß der Sinterung eine größere Flexibilität mit Bezug auf die thermische Ausdehnung ermöglichen kann, wobei der Effekt der thermischen Ausdehnung auf die strukturelle Integrität des zweiten Bereichs 58 (oder der gesamten oder von Teilen der Brennstoffdüse 12) gemindert wird. Bei anderen Ausführungsbeispielen können die sich verändernden Ausmaße der Sinterung in der ersten Schicht 50, der zweiten Schicht 52, der Zwischenschicht 54, wie vorstehend erläutert, oder in irgendeiner Kombination davon auftreten.
Eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels des ersten Bereichs 56 innerhalb der Linie 7-7 aus 3 ist in 7 veranschaulicht. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist die Zwischenschicht 54 funktionell graduiert (z.B. graduell von einem Material zu einem anderen Material verändert, wie vorstehend erläutert). Z.B. ist ein Abschnitt der Zwischenschicht 54 in dem ersten Bereich 56 mit einem ersten Material 72 gesintert, z.B. Kobalt-Chrom. Das erste Material 72 ist dann graduell ersetzt (z.B. wechselt das Material graduell) durch ein zweites Material 74 in einen zweiten Abschnitt des ersten Bereichs 56, z.B. einer nickelbasierten Legierung. Somit kann der erste Bereich 56 Abschnitte aufweisen, die nur das erste Material 72 enthalten, Abschnitte die eine Kombination des ersten und des zweiten Materials 72, 74 aufweisen (z.B. ein Übergangsbereich) und Abschnitte, die nur das zweite Material 74 aufweisen. Die Zwischenschicht 54 kann auf diese Weise funktionell graduiert sein, so dass ein Abschnitt oder Bereich der Turbomaschinenkomponente von den Eigenschaften des ersten Materials 72 profitiert, während ein zweiter Abschnitt oder Bereich der Turbomaschinenkomponente von den Eigenschaften des zweiten Materials 74 profitiert, während ein Zwischen- oder Übergangsabschnitt davon profitiert, beide aufzuweisen, während auch zusätzliche Belastungen, die durch die verschiedenen miteinander gekoppelten Materialien verursacht werden (z.B. in Situationen, in denen das erste und das zweite Material 72, 74 unterschiedliche Eigenschaften aufweist) gemindert werden. Z.B. können Materialien in einem bestimmten Bereich der Komponente ausgewählt werden, so dass Oxidation und/oder Korrosion in dem bestimmten Bereich reduziert oder eliminiert ist.
Als weiteres nicht einschränkendes Beispiel kann das erste Material 72 die Festigkeit der Zwischenschicht 54 erhöhen, während das zweite Material 74 eine größere Flexibilität der Zwischenschicht 54 ermöglicht. Es sollte beachtet werden, dass „funktionell graduiert“ zwei oder mehr Materialien enthalten kann und dass eine Richtung der funktionellen Graduierung in irgendeine oder eine Kombination von Richtungen sein kann und nicht auf die Richtung beschränkt ist, die durch den Pfeil 70 angegeben ist. Z.B. kann die Richtung in anderen Ausführungsbeispielen quer (z.B. im Wesentlichen rechtwinklig) zu der Richtung sein, die durch den Pfeil 70 angegeben ist, oder irgendeine oder mehrere andere Richtungen, und kann zwei oder mehr Materialien enthalten (z.B. kann ein Gemisch von zwei oder mehr Materialien vorhanden sein und/oder die funktionelle Graduierung kann von dem ersten Material 72 zu dem zweiten Material 74 zu einem dritten Material, usw. sein). Bei noch einem anderen Ausführungsbeispiel kann das funktionell graduierte Sintern in der ersten Schicht 50, in der zweiten Schicht 52 an Stelle von oder zusätzlich zu der Zwischenschicht 54 oder irgendeiner Kombination der ersten, zweiten und der Zwischenschicht 50, 52, 54 auftreten.
Ein Ausführungsbeispiel des fünften Bereichs 66 ist in 8 veranschaulicht, der eine Querschnittsansicht innerhalb der Linie 8-8 aus 3 ist. Bei dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel entspricht oder ansonsten enthält die Zwischenschicht 54 einen evakuierten Abschnitt (z.B. ist die Zwischenschicht 54 abgedichtet und im Wesentlichen frei von Substanzen). Der evakuierte Abschnitt kann als thermische Barriere oder thermische Isolationsschicht zwischen der ersten Schicht 50 und der zweiten Schicht 52 des fünften Bereichs 66 dienen. Mit anderen Worten kann bei einem Ausführungsbeispiel der evakuierte Bereich, der dem gesamten oder einem Abschnitt der Zwischenschicht 54 entspricht, keine thermische Energie von der ersten Schicht 50 an die zweite Schicht 52 übertragen oder allgemeiner, kann die Wärmeleitung zwischen der ersten und der zweiten Schicht 50, 52 reduzieren. Außerdem kann der evakuierte Abschnitt (z.B. die Zwischenschicht 54 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel) eine Reduktion der Temperatur der benetzten inneren Fläche 76 der ersten Schicht 50 und der zweiten Schicht 52 verursachen und von anderen Abschnitten der Komponente im Allgemeinen, verglichen mit konventionellen Konfigurationen, die traditionelle Herstellungstechniken verwenden. Das kann z.B. die thermische Exposition des flüssigen Brennstoffs innerhalb eines Flüssigbrennstoffinjektors abblocken. Demgemäß können thermische Barrieren in Übereinstimmung mit vorliegenden Ausführungsbeispielen brennstoffbenetzte Oberflächen und damit Brennstoff, der durch den Brennstoffinjektor in Kontakt mit den brennstoffbenetzten Oberflächen gelangt, davon abblocken, vollständig den hohen Temperaturen und damit verbundenen thermischen Belastungen ausgesetzt zu sein.
Ein Ausführungsbeispiel des dritten Bereichs 60 der Turbomaschinenkomponente ist in 9 veranschaulicht, die eine Querschnittsansicht innerhalb der Linie 9-9 aus 3 ist. Bei dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel und wie vorstehend mit Bezug auf 3 angegeben, können Erweiterungen 62 zwischen der ersten und der zweiten Schicht 50, 52 angeordnet sein (z.B. verbinden) und können sich vollständig oder teilweise durch die Zwischenschicht 54 erstrecken. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen können die Erweiterungen 62 integral mit der ersten und der zweiten Schicht 50, 52 ausgebildet sein. Bei anderen Ausführungsbeispielen können die Erweiterungen 62 separat hergestellt und zwischen die erste und zweite Schicht 50, 52 verbunden werden. In beiden Fällen können die Erweiterungen 62 von irgendeinem der vorstehend erwähnten Materialien gesintert sein (z.B. können die Erweiterungen 62 dasselbe Material sein wie die Schichten 50, 52 und 54 oder die Erweiterungen 62 können ein anderes Material sein) und die Zwischenschicht 54, die um die Erweiterungen 62 angeordnet ist, kann in einem geringeren Maß gesintert sein als die erste Schicht 50, die zweite Schicht 52 und/oder die Erweiterungen 62. Die Erweiterungen 62 können dazu dienen, die Festigkeit des Abschnitts der Turbomaschinenkomponente zu erhöhen, der die Erweiterungen 62 aufweist, während die Zwischenschicht 54 Belastungen reduziert, die aus der Wärmeausdehnung resultieren. Daher können die Erweiterungen 62 zur Verstärkung der Festigkeit der gesamten Komponente dienen, während sie verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten entlang des Querschnitts der Komponente ermöglichen. Die Erweiterungen 62 können auch dazu eingerichtet sein, die thermische Kommunikationsverbindung zwischen der ersten Schicht 50 und der zweiten Schicht 52 zu verbessern. Z.B. kann die Zone der Turbomaschinenkomponente, die die Erweiterungen 62 aufweist, höheren Temperaturen auf einer Seite der Schichtstruktur ausgesetzt sein (z.B. in der Nähe der ersten Schicht 50) als auf der anderen Seite der Schichtstruktur (z.B. in der Nähe der zweiten Schicht 52). Die thermische Energie kann von der ersten Schicht 50 über die Erweiterungen 52 auf die zweite Schicht 52 verteilt werden, z.B. auf eine Weise, derart, dass die zweite Schicht 52 als Kühlkörper für die erste Schicht 50 dient. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen kann das Teilen der thermischen Belastung auf diese Weise das Auftreten von lokalen heißen Bereichen der ersten Schicht 50 und/oder der zweiten Schicht 52 reduzieren. Dies kann die Wahrscheinlichkeit verringern, dass eine bestimmte Region der Turbomaschinenkomponente aufgrund von Veränderungen in der thermischen Ausdehnung/thermischen Belastung versagt.
Wie oben angegeben ermöglicht die Schichtstruktur der vorliegenden Offenbarung eine erhöhte Flexibilität bei der Auswahl der Komponentengeometrie gegenüber anderen, nicht geschichteten Komponenten, die nicht unter Verwendung der offenbarten Ausführungsbeispiele aufgebaut sind. Z.B. kann ohne die offenbarten Techniken eine geschlitzte Verbindung zwischen den ersten und zweiten Turbomaschinenkomponenten einen Raum aufweisen, um die Wärmeausdehnung der Komponenten während des Betriebes zu berücksichtigen. Dies kann zu einer schlechten Dichtung zwischen den beiden Komponenten führen. In der hierin beschriebenen gesinterten Schichtstruktur ist die Wärmeausdehnung nicht auf eine Ausdehnung nach außen beschränkt – sondern kann auch nach innen zu der Zwischenschicht 54 hin auftreten, die leere Räume und/oder Partikel enthalten kann, die nicht an ihrem Ort fixiert sind. Daher kann eine mit einer geschlitzten Verbindung vergleichbare Konfiguration zwischen einer ersten Turbomaschinenkomponente mit gesinterten Schichten und einer zweiten Turbomaschinenkomponente mit gesinterten Schichten in Übereinstimmung mit vorliegenden Ausführungsbeispielen eine Verbindung mit einer engeren Passung ermöglichen (z.B. ohne eine Raum zur Berücksichtigung der Wärmeausdehnung), was die Abdichtung verbessert und bei bestimmten Ausführungsbeispielen die Betriebseffizienz des Turbomaschinensystems insgesamt.
Jedes der vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiele der Turbomaschinenkomponente mit verschiedenen gesinterten Schichten kann durch ein Verfahren hergestellt werden, das eine oder mehrere additive Herstellungstechniken aufweist. Ein Ausführungsbeispiel eines solchen Verfahrens 88 ist in dem Flussdiagramm in 10 veranschaulicht. Das Verfahren 88 kann durch ein System zur additiven Herstellung ausgeführt werden, das eine spezialisierte Ausrüstung und einen oder mehrere prozessorbasierte Controller zur Ausführung der hierin beschriebenen Aktionen hat. Z.B. kann ein System zur additiven Herstellung, das das Verfahren 88 ausführt, einen oder mehrere Recheneinrichtungen aufweisen, die ein physisches, maschinenlesbares, nicht flüchtiges Medium aufweisen, das einen oder mehrere Befehlssätze speichert, die bei der Ausführung durch einen Prozessor verschiedene Komponenten des Systems dazu veranlassen, die Aktionen des Verfahrens 88 auszuführen. Bestimmte Eingaben können dem System bereitgestellt werden, um die Herstellung von einer oder mehrerer Komponenten unter Verwendung eines solchen Systems zu erleichtern, wie etwa computerunterstützte Konstruktionszeichnungen/-dateien (CAD-Zeichnungen/-dateien), 3D-Modelle, Materialzusammensetzungseingaben und dergleichen.
Bei dem Verfahren 88 kann eine geschichtete oder Querschnittsscheiben aufweisende Konfiguration der Turbomaschinenkomponente definiert werden (Block 90), z.B. durch ein Festkörpermodell. Das Festkörpermodell kann z.B. eine Geometrie einer Brennstoffdüse, eines Übergangsstücks, einer Turbinenschaufel oder eines Kompressors, eines Deckbandes, eines Rings, einer Dichtung, usw. definieren. Die durch den Block 90 angegebenen Aktionen können bei einem nicht beschränkenden Beispiel Aktionen aufweisen, die durch das Herstellungssystem ausgeführt werden, wie etwa den Zugriff auf das Festkörpermodell von einem nicht flüchtigen Speichermedium und laden der Datei in eine geeignete computerbasierte Anwendung (z.B. in dem System gespeicherte Herstellungssoftware).
Weil bestimmte additive Herstellungstechniken die betreffende Einrichtung/Komponente Lage für Lage erzeugen können, kann das Verfahren 88 auch das Unterteilen (Block 91) des Festkörpermodells in digitale Scheiben oder Querschnitte aufweisen. Z.B. kann die oben beschriebene computerbasierte Anwendung das Festkörpermodell in digitale Scheiben oder Querschnitte aufschneiden. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann auch eine Eingabe bereitgestellt werden, die das Maß der Sinterung/Koaleszierung von verschiedenen Schichten des Werkstücks oder verschiedenen Bereichen von einer oder mehreren Schichten betrifft, z.B. um eine Schichtstruktur zu erzeugen, die sich ändernde Maße von bestimmten Eigenschaften hat (z.B. Härt, Wärmeleitfähigkeit, usw.).
Ein Pulver kann in einer Kammer deponiert werden (Block 92), z.B. unter Verwendung eines Vakuums, einer zylindrischen Rolle und/oder einiger anderer Einrichtungen, die in der Lage sind, ein Pulver (z.B. ein keramisches und/oder ein metallisches Pulver) in eine Kammer zu transportieren und zu deponieren, die zumindest teilweise evakuiert ist (z.B. eine Kammer unter reduziertem Druck verglichen mit der Umgebung). Z.B. kann eine zylindrische Rolle verwendet werden, um das Pulver von einem Pulverspeichercontainer in eine Aufbaukammer zu schieben. Der Pulverspeichercontainer kann das Pulver nach oben schieben und die zylindrische Rolle kann über die Oberseite des Pulverspeichercontainers zur Aufbaukammer rollen, so dass Pulver von der Oberseite des Pulverspeichercontainers in die Aufbaukammer geschoben wird. Bei einigen Ausführungsbeispielen des Verfahrens 88 können Bereiche des Pulvers, die einer Position der Zwischenschicht 54 entsprechen, evakuiert werden, um z.B. den evakuierten Bereich nach 8 herzustellen.
Nachdem das Pulver angemessen positioniert wurde, wird eine Energiequelle auf das Pulver (z.B. mittels eines Lasers) eingesetzt (Block 94). Die Energiequelle kann unter Verwendung der aus dem Block 91 als Plan erhaltenen digitalen Querschnitte (z.B. mittels einer computernummerischen Steuerung (CNC)) gelenkt werden, wie jeweils in den Blöcken 94 und 95 veranschaulicht ist. Die Geometrie der betreffenden Schicht, die gesintert/koalesziert wird, kann durch die Flächen gebildet werden, auf die das Herstellungssystem Energie einwirken lässt, während bestimmte Eigenschaften des Teils durch das Maß von Energie bestimmt werden können, die auf bestimmte Zonen des Pulvers aufgebracht wird. Z.B. kann allgemein gesprochen ein größerer Fluss, der durch einen Laserstrahl/ Elektronenstrahl bereitgestellt (z.B. mehr Energie) zu einer größeren Sinterung/Koaleszierung des Pulvers führen, was zu einer größeren Härte führt, während weniger durch das System aufgebrachte Energie zu einem strukturell flexibleren Bereich der Komponente führen kann. Z.B. können die oben beschriebenen Erweiterungen 62, wenn sie integral mit den Schichten der Turbomaschinenkomponente ausgebildet sind, dadurch gebildet werden, dass eine größere Menge von Energie entlang der Querschnittsrechtecke der Zwischenschicht 54 aufgebracht wird, was letztlich zu einer dreidimensionalen stabähnlichen Struktur führen kann. Tatsächlich können ähnliche Ansätze ausgeführt werden, um z.B. die in den 4–6 und 9 veranschaulichten Ausführungsbeispiele zu erzeugen.
Bei noch anderen Ausführungsbeispielen können die durch die Blöcke 92–95 angegebenen Aktionen zusätzliche Arten von Pulver (z.B. unterschiedliche Metalle/Legierungen/Keramiken) in der Kammer bereitstellen und diese Pulver in bestimmten Bereichen/Zonen der hergestellten Komponente aufnehmen. Tatsächlich können solche Techniken verwendet werden, um z.B. das in 7 gezeigte Ausführungsbeispiel herzustellen. Daher wird das Pulver in einen physikalischen Querschnitt koalesziert (Block 96) der die Geometrie des in Übereinstimmung mit dem Block 90 definierten digitalen Querschnitts aufweist, sobald eine geeignete Menge an Energie aufgebracht wird. Das gesamte oder ein Teil des Verfahrens 88 (z.B. das Verfahren von Block 92 bis zum Block 96) kann wiederholt werden, um sukzessiv Lagen oder Scheiben aus den digitalen Querschnitten zu erzeugen, wobei jede Lage oder Scheibe eine oder mehrere erste Schichten 50, zweite Schichten 52 oder Zwischenschichten 54 aufweist und jeder Querschnitt physisch oben auf dem vorhergehenden Querschnitt aufgebaut wird, bis die Turbomaschinenkomponente als physische Replik des Festkörpermodells aufgebaut ist. Sobald jeder Querschnitt aufgebaut wurde und die Struktur vollständig ist, kann unerwünschtes Pulver, das von dem vorstehend beschriebenen Verfahren zurückgelassen wurde, von der Anordnung entfernt werden.
Die schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung zu offenbaren, einschließlich des bevorzugten Ausführungsbeispiels und auch um irgendeinen Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung auszuführen, einschließlich der Herstellung und der Verwendung von irgendwelchen Einrichtungen oder Systemen und der Ausführung irgendwelcher beinhalteter Verfahren. Der patentierbare Schutzbereich der Erfindung ist durch die Ansprüche bestimmt und kann andere Beispiele enthalten, die den Fachleuten offenbar werden. Solche anderen Beispiele sind dazu bestimmt, innerhalb des Schutzbereichs der Patentansprüche zu liegen, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die nicht von dem Wortsinn der Ansprüche abweichen oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit nicht substantiellen Unterschieden gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche aufweisen.
Ein System enthält eine Schichtstruktur. Die Schichtstruktur enthält eine erste und eine zweite koaleszierte Schicht und eine Zwischenschicht, die zwischen der ersten und der zweiten koaleszierten Schicht angeordnet ist. Die erste und die zweite koaleszierte Schicht haben ein höheres Maß an Koaleszenz als die Zwischenschicht.

Claims

System, aufweisend: eine Schichtstruktur, aufweisend: eine erste koaleszierte Schicht; eine zweite koaleszierte Schicht; und eine Zwischenschicht, die zwischen der ersten und der zweiten koaleszierten Schicht angeordnet ist, wobei die erste und die zweite koaleszierte Schicht ein höheres Maß an Koaleszenz aufweisen als die Zwischenschicht.
System nach Anspruch 1, aufweisend eine Maschinenkomponente oder eine Turbomaschinenkomponente, wobei die Maschinenkomponente oder die Turbomaschinenkomponente eine Schichtstruktur aufweist.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zwischenschicht einen evakuierten Bereich aufweist, der dazu eingerichtet ist, als thermische Barriere, als akustische Barriere oder eine Kombination davon zwischen zumindest einem ersten Abschnitt der ersten koaleszierten Schicht und einem zweiten Abschnitt der zweiten koaleszierten Schicht zu wirken.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste koaleszierte Schicht, die zweite koaleszierte Schicht und die Zwischenschicht oder irgendeine Kombination davon eine Mehrzahl von betreffenden Bereichen aufweisen, wobei jeder Bereich von der Mehrzahl der Bereiche ein unterschiedliches Sinterungsmaß aufweist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste koaleszierte Schicht und/oder die zweite koaleszierte Schicht und/oder die Zwischenschicht eine sich ändernde Querschnittsdicke durchgängig durch zumindest einen Abschnitt der Schichtstruktur aufweist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste koaleszierte Schicht unmittelbar mit der zweiten koaleszierten Schicht mittels einer oder mehrerer Erweiterungen verbunden ist, die sich durch die Zwischenschicht hindurch erstrecken.
Verfahren zur Herstellung einer Maschinenkomponente, aufweisend: Sintern eines Pulvers unter Verwendung von sich verändernden Intensitäten einer einwirkenden Energiequelle, um eine Schichtstruktur mit einem sich ändernden Sinterungsmaß auszubilden, wobei die Maschinenkomponente die Schichtstruktur aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Bestimmen und Anwenden der sich ändernden Intensitäten der einwirkenden Energiequelle aufweist: Einlesen einer Konfiguration der gesamten oder eines Teils der Maschinenkomponente; Schichten der Konfiguration in Querschnitte, so dass die Querschnitte eine erste koaleszierte Schicht, eine zweite koaleszierte Schicht und eine oder mehrere Zwischenschichten aufweisen, die zwischen der ersten und der zweiten koaleszierten Schicht angeordnet sind; und sukzessives Aufbauen jedes Querschnitts auf den vorhergehenden Querschnitt, wobei das sukzessive Aufbauen jedes Querschnitts aufweist: Einwirken mit einer ersten Intensität der Energiequelle auf das Pulver, um die erste koaleszierte Schicht basierend auf dem Querschnitt der Konfiguration zu bilden; Einwirken mit einer zweiten Intensität der Energiequelle auf das Pulver, um die zweite koaleszierte Schicht basierend auf dem Querschnitt der Konfiguration zu bilden; und Einwirken mit einer dritten Intensität der Energiequelle auf das Pulver, um die eine oder mehreren Zwischenschichten basierend auf dem Querschnitt der Konfiguration zu bilden, wobei die erste und zweite koaleszierte Schicht ein höheres Maß an Koaleszenz aufweisen, als das der einen oder mehreren Zwischenschichten.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Pulver in zumindest einer der einen oder mehreren Zwischenschichten teilweise gesintert ist und/oder wobei das Pulver in der ersten Schicht und/oder der zweiten Schicht vollständig gesintert ist und/oder wobei das Pulver mit sich änderndem Maß in der ersten Schicht und/oder der zweiten Schicht und/oder in zumindest einer der einen oder mehreren Zwischenschichten gesintert ist.
Maschinenkomponente, die durch ein Verfahren hergestellt ist, wobei das Verfahren aufweist: Einwirken mit einer Energiequelle auf ein in einer Kammer deponiertes Pulver, um das Pulver zu sintern; und Sintern des Pulvers mit sich änderndem Maß durch eine Querschnittsgeometrie, die eine Schichtstruktur mit zumindest einer ersten gesinterten Schicht, einer zweiten gesinterten Schicht und einer Zwischenschicht bildet, wobei die Maschinenkomponente die Schichtstruktur aufweist.