本發(fā)明涉及渦輪構(gòu)件中的孔形成，且更具體地涉及復(fù)雜成形的膜孔的形成和用于通過添加制造來制作該膜孔的方法。

背景技術(shù)：

渦輪發(fā)動機(jī)中的翼型件常常包括用于沿翼型件的外表面排放冷卻空氣膜來影響膜冷卻的冷卻孔。這些可稱為"膜冷卻孔"或"膜孔"。

為了改進(jìn)冷卻孔的性能，還已知的是修改它們的形狀來影響冷卻流擴(kuò)散。擴(kuò)散降低排放速度，且提高空氣流的靜壓。擴(kuò)散冷卻孔已知在各種構(gòu)造中通過在構(gòu)件的熱表面上提供更大覆蓋范圍的冷卻劑膜來改進(jìn)膜冷卻效率。典型的擴(kuò)散膜冷卻孔可大體上從入口到出口為圓錐形的，帶有適合的增大的面積比來用于影響擴(kuò)散而沒有不期望的流分離。典型的擴(kuò)散膜冷卻孔還在入口處或入口附近并入計(jì)量區(qū)段，以將流率控制至期望的大小。擴(kuò)散沿著孔的長度的只是一部分(典型地朝向出口)發(fā)生，且可以是沿側(cè)向和/或縱向方向，或它們的組合。在本技術(shù)領(lǐng)域中還發(fā)現(xiàn)其它類型的擴(kuò)散冷卻孔，包括大體上矩形成形的孔出口以提供變化的性能特征。

用于形成膜孔的常規(guī)方法包括鑄造和機(jī)加工。由常規(guī)方法生產(chǎn)膜孔中的一個問題在于它們在外形上受制造過程限制。

因此，存在對用于在渦輪葉片構(gòu)件中生產(chǎn)復(fù)雜成形的膜孔的制造過程的需求。這樣的復(fù)雜膜孔允許冷卻流體的精確傳送，使得在失去的發(fā)動機(jī)效率中這樣的冷卻流體的成本極小化和/或降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

該需求通過使用添加制造過程形成膜孔的一部分上的方法來解決。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種在渦輪構(gòu)件上形成冷卻孔結(jié)構(gòu)的方法。渦輪構(gòu)件具有帶有內(nèi)表面和外表面的構(gòu)件壁。開孔經(jīng)過構(gòu)件壁，且流體地連接內(nèi)表面和外表面。該方法包括：形成與開口和外表面連通的凹口；以及使用添加制造過程來在凹口中形成出口區(qū)域。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種在渦輪構(gòu)件上形成冷卻孔結(jié)構(gòu)的方法，渦輪構(gòu)件具有帶有內(nèi)表面和外表面的構(gòu)件壁，其中開孔經(jīng)過構(gòu)件壁，且流體地連接內(nèi)表面和外表面。該方法包括：形成與開口和外表面連通的凹口；以及使用添加制造過程來形成沿孔中心線隨距離改變大小的膜孔的區(qū)段。

本發(fā)明的第一技術(shù)方案中提供了一種在渦輪構(gòu)件上形成冷卻孔結(jié)構(gòu)的方法，所述渦輪構(gòu)件具有帶有內(nèi)表面和外表面的構(gòu)件壁，其中開孔經(jīng)過所述構(gòu)件壁，且流體地連接所述內(nèi)表面和所述外表面，所述方法包括：形成與所述開口和所述外表面連通的凹口；以及使用添加制造過程來在所述凹口中形成出口區(qū)域。

本發(fā)明的第二技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，還包括將粉末沉積在限定所述凹口的第一表面上；以及以對應(yīng)于結(jié)構(gòu)的層的圖案熔合所述粉末。

本發(fā)明的第三技術(shù)方案是在第二技術(shù)方案中，還包括在循環(huán)中重復(fù)沉積和熔合的步驟，來以逐層方式構(gòu)建所述結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的第四技術(shù)方案是在第三技術(shù)方案中，沉積和熔合的重復(fù)循環(huán)導(dǎo)致包括熔合和未熔合的粉末兩者的構(gòu)件，所述方法還包括除去所述未熔合的粉末。

本發(fā)明的第五技術(shù)方案是在第二技術(shù)方案中，所述粉末通過以下來粘合至所述第一表面：施加粘合劑至所述第一表面；以及施加粉末至所述粘合劑。

本發(fā)明的第六技術(shù)方案是在第五技術(shù)方案中，還包括在所述粉末被施加至所述粘合劑之后除去多余粉末。

本發(fā)明的第七技術(shù)方案是在第二技術(shù)方案中，還包括在所述開孔中形成塞，以及將粉末沉積在所述塞上。

本發(fā)明的第八技術(shù)方案是在第七技術(shù)方案中，還包括熔合所述粉末，使得所述圖案將未熔合的粉末留在所述塞的至少一部分上。

本發(fā)明的第九技術(shù)方案是在第八技術(shù)方案中，還包括通過熔合后續(xù)層來形成擴(kuò)散區(qū)段，使得各個后續(xù)層的未熔合的粉末重疊前一層的未熔合的粉末。

本發(fā)明的第十技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，所述構(gòu)件包括金屬合金。

本發(fā)明的第十一技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，所述粉末包括金屬合金。

本發(fā)明的第十二技術(shù)方案提供了一種在渦輪構(gòu)件上形成冷卻孔結(jié)構(gòu)的方法，所述渦輪構(gòu)件具有帶有內(nèi)表面和外表面的構(gòu)件壁，其中開孔經(jīng)過所述構(gòu)件壁，且流體地連接所述內(nèi)表面和所述外表面，所述方法包括：形成與所述開口和所述外表面連通的凹口；以及使用添加制造過程來形成沿孔中心線隨距離改變大小的膜孔的區(qū)段。

本發(fā)明的第十三技術(shù)方案是在第十二技術(shù)方案中，還包括將粉末沉積在限定所述凹口的第一表面上；以及以對應(yīng)于結(jié)構(gòu)的層的圖案熔合所述粉末。

本發(fā)明的第十四技術(shù)方案是在第十三技術(shù)方案中，還包括在循環(huán)中重復(fù)沉積和熔合的步驟來以逐層方式構(gòu)建所述結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的第十五技術(shù)方案是在第十四技術(shù)方案中，重復(fù)沉積和熔合的循環(huán)導(dǎo)致包括熔合和未熔合的粉末兩者的構(gòu)件，所述方法還包括除去所述未熔合的粉末。

本發(fā)明的第十六技術(shù)方案是在第十二技術(shù)方案中，所述粉末通過以下來粘合至所述第一表面：施加粘合劑至所述第一表面；以及施加粉末至所述粘合劑。

本發(fā)明的第十七技術(shù)方案是在第十六技術(shù)方案中，還包括在所述粉末被施加至所述粘合劑之后除去多余粉末。

本發(fā)明的第十八技術(shù)方案是在第十三技術(shù)方案中，還包括在所述開孔中形成塞，以及將粉末沉積在至少部分地重疊所述塞的層中。

本發(fā)明的第十九技術(shù)方案是在第十八技術(shù)方案中，還包括熔合所述層中的所述粉末，使得所述圖案將未熔合的粉末留在所述塞的至少一部分上。

本發(fā)明的第二十技術(shù)方案是在第十九技術(shù)方案中，還包括通過熔合后續(xù)層來形成膜孔的退出區(qū)段，使得各個后續(xù)層的未熔合的粉末重疊前一層的未熔合和熔合的粉末兩者。

附圖說明

本發(fā)明可連同附圖參照以下描述來最佳地理解，在附圖中：

圖1為包括在飛行器發(fā)動機(jī)中的渦輪葉片的透視圖，其中渦輪葉片的壁包括用于冷卻壁的多個膜孔；

圖2為在線2-2處截取的圖1中所示的渦輪葉片的一部分的截面視圖，示出了按照用于通過添加制造來制造膜孔的方法形成的復(fù)雜膜孔；

圖3為示出復(fù)雜膜孔的圖1中所示的渦輪葉片的一部分的平面視圖；

圖4為沿圖1中的線2-2截取的圖1的渦輪葉片的制造過程的一個步驟期間生成的壁區(qū)段坯料的一部分的截面視圖；

圖5為圖3中的壁區(qū)段的透視圖，示出了穿過其間形成的孔；

圖6為圖5的渦輪構(gòu)件的一部分的截面視圖，示出了在壁區(qū)段的孔的一端附近材料已經(jīng)從渦輪構(gòu)件除去，使得凹口被限定；

圖7為圖6中所示的壁區(qū)段的一部分的截面視圖，其中孔在凹口附近的一個區(qū)段已經(jīng)被阻塞；

圖8為圖7中所示的壁區(qū)段的一部分的截面視圖，其中粘合劑被施加到壁區(qū)段上；

圖9為圖8中的壁區(qū)段的一部分的截面視圖，示出了粉末被施加到壁區(qū)段上；

圖10為圖9中的壁區(qū)段的一部分的截面視圖，示出了被熔合的粉末；

圖11為圖10的壁區(qū)段的一部分的截面視圖，示出了已經(jīng)加至凹口以限定在阻塞的孔的一端處開始的擴(kuò)散器區(qū)段的過渡區(qū)域的新材料；

圖12為圖11的壁區(qū)段的截面視圖，其中已經(jīng)除去了未熔合的粉末；以及

圖13為圖12中所示的壁區(qū)段的截面視圖，其中已經(jīng)除去阻塞材料，且示出了按照下文所述的方法制造的復(fù)雜膜孔的輪廓。

零件列表

10 渦輪葉片

12 燕尾部

14 葉片柄

16 平臺

18 翼型件

19 根部

22 尖端

24 凹形壓力側(cè)壁

26 凸形吸力側(cè)壁

28 前緣

31 后緣

32 放氣槽口

34 尖端蓋

36 聲響器尖端

38 吸力側(cè)尖端壁

39 壓力側(cè)尖端壁

54 內(nèi)表面

56 外表面

100 膜冷卻孔

104 入口區(qū)段

108 出口區(qū)段

112 過渡區(qū)域

120 壁區(qū)段

122 開孔

124 第一端

126 第二端

131 表面

132 凹口

134 塞

139 粘合物質(zhì)

152 材料

154 內(nèi)表面

156 外表面

200 膜孔

204 入口區(qū)段

208 出口區(qū)段

212 過渡區(qū)段。

具體實(shí)施方式

參看附圖，其中相同的參考標(biāo)號表示各種視圖各處的相同元件，圖1示出了示例性渦輪葉片10。渦輪葉片10包括常規(guī)燕尾部12，其可具有任何適合的形式，包括柄腳，其接合轉(zhuǎn)子盤(未示出)中的燕尾槽的互補(bǔ)的柄腳，以用于在葉片10在操作期間旋轉(zhuǎn)時將葉片10固持到盤上。葉片柄14從燕尾部12沿徑向向上延伸，且終止于平臺16，平臺16從柄14沿側(cè)向向外突出，且包繞柄14。中空翼型件18從平臺16沿徑向向外延伸且延伸到熱氣流中。翼型件具有在平臺16和翼型件18的接合處的根部19，以及在其徑向外端處的尖端22。翼型件18具有在前緣28處和在后緣31處連結(jié)在一起的凹形壓力側(cè)壁24和凸形吸力側(cè)壁26。

翼型件18可采用適用于從熱氣流獲得能量且引起轉(zhuǎn)子盤的旋轉(zhuǎn)的任何構(gòu)造。翼型件18可將多個后緣放氣槽口32結(jié)合在翼型件18的壓力側(cè)壁24上，或者它可結(jié)合多個后緣冷卻孔(未示出)。翼型件18的尖端22由尖端蓋34封閉，尖端蓋34可整體結(jié)合到翼型件18上，或單獨(dú)地形成且附接到翼型件18上。直立的聲響器尖端(squealer tip)36從尖端蓋34沿徑向向外延伸，且設(shè)置成緊鄰組裝的發(fā)動機(jī)中的靜止護(hù)罩(未示出)，以便最小化穿過尖端22的空氣流損失。聲響器尖端36包括與壓力側(cè)尖端壁39成間隔開的關(guān)系設(shè)置的吸力側(cè)尖端壁38。尖端壁39和38整體結(jié)合到翼型件18上，且分別形成壓力側(cè)壁24和吸力側(cè)壁26的延伸部。壓力側(cè)尖端壁38和吸力側(cè)尖端壁39的外表面分別與壓力側(cè)壁24和吸力側(cè)壁26的外表面形成連續(xù)的表面。多個膜冷卻孔100經(jīng)過翼型件18的外壁。膜冷卻孔100與翼型件18的內(nèi)部空間(未示出)連通，其可包括由內(nèi)壁限定的冷卻通路的復(fù)雜布置，諸如蛇線構(gòu)造。請注意，翼型件18可由諸如具有良好高溫抗蠕變性的鎳基或鈷基合金(通常稱為"超級合金")的材料制成。

圖2更詳細(xì)示出了膜冷卻孔100中的一個。膜孔100從壓力側(cè)壁24的內(nèi)表面54延伸至壓力側(cè)壁24的外表面56。膜孔100包括入口區(qū)段104和出口區(qū)段108。入口區(qū)段104通常稱為"計(jì)量區(qū)段"，大體上是圓形，且具有中心線。入口區(qū)段104和出口區(qū)段108在過渡區(qū)域112處匯合。在此方面，入口區(qū)段104從內(nèi)表面54延伸至過渡區(qū)域112。

出口區(qū)段108具有從過渡區(qū)域112到外表面56增大的流動面積。如圖3中所見，出口區(qū)段108的大小在側(cè)向方向上相對于出口區(qū)段的中心線沿流動方向增大。此類結(jié)構(gòu)通常稱為"擴(kuò)散器區(qū)段"或"風(fēng)扇區(qū)段"，且可采用各種形狀，諸如圓錐形、四邊形或更多層面的。

圖3的示例為非限制性幾何形狀。應(yīng)當(dāng)理解的是，膜孔的擴(kuò)散可沿相對于孔中心線的一個方向(例如，如圖所示的側(cè)向)、或沿多個方向(例如，圓錐形)、或以其它各種造型出現(xiàn)。還應(yīng)理解的是，這樣的造型可出現(xiàn)在出口區(qū)域中，或過渡區(qū)域中，或以上兩者。換言之，在根據(jù)下面描述的方法形成的膜孔中，沿中心線在不同的點(diǎn)處截取的橫截面具有處于不同成形的參數(shù)的不同的面積。膜孔100構(gòu)造成使得其限定非線性流體流動通路A。流體通路A在其經(jīng)過過渡區(qū)域112時改變方向且擴(kuò)張。膜冷卻孔100為復(fù)雜膜孔的實(shí)例，且更具體而言，復(fù)雜膜孔100為非視線孔(non-line-of-sight hole)的實(shí)例。如本文中所使用的，用語"復(fù)雜"是指包括除具有單個直線圓形截面的開孔外的任何部分或特征的任何孔。舉例來說且不限制，這樣的孔包括不可由常用方法(諸如激光鉆孔和放電加工)制造的那些方法。

現(xiàn)在將描述制造復(fù)雜膜孔(諸如膜孔100)的方法。首先，提供了如圖4中所示的壁區(qū)段120。壁區(qū)段120大體上代表任何形狀(諸如平的、凸形的、凹形的和/或復(fù)雜彎曲的)的任何渦輪構(gòu)件的壁區(qū)段。一個這樣的壁區(qū)段120是上文所述的吸力側(cè)壁26，且分別包括相對的內(nèi)表面154和外表面156。應(yīng)當(dāng)理解的是，壁區(qū)段120的提供步驟包括但不限于制造壁區(qū)段120或獲得預(yù)制的壁區(qū)段120。制造壁區(qū)段120的方法包括但不限于通常已知的那些，諸如鑄造、機(jī)加工和它們的組合。其次，根據(jù)所示實(shí)施例，如圖5中所示的開孔122形成為穿過壁區(qū)段120。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到的是，開孔122根據(jù)常規(guī)手段(諸如機(jī)加工、鉆孔)形成。此外，開孔122可在壁區(qū)段120的形成期間通過諸如鑄造的方法形成。

開孔122從第一端124延伸至第二端126。參看圖6，下一個步驟為除去限定開孔122的第二端126的壁區(qū)段120的一部分。這可選地后接除去壁區(qū)段120的另一部分，使得開孔122的第二端126圍繞其圓周的至少一些重新限定。以此方式，凹口132形成在管的第二端126處，且準(zhǔn)備接收附加材料。凹口132與表面156和開孔122流體連通。凹口132由表面131限定。舉例來說而不限制，可由以下工藝中的一者形成：磨削、鑄造、鉆孔、機(jī)加工和它們的組合。

在制備用于在第二端126附近接收附加材料的開孔122的步驟之后，實(shí)施了關(guān)于使用添加制造過程來重新構(gòu)造開孔122的第二端126的步驟。

添加制造過程可選地以如圖7中所示的塞134阻塞開孔122的步驟開始。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到的是，開孔122的阻塞不是必需的，且添加制造過程可以以定位壁區(qū)段120的步驟開始，或其可以以施加粘合劑和/或施加粉末的步驟開始。在所示實(shí)施例中，塞134定位在開孔122接合凹口132的位置，且構(gòu)造成使得防止來自后續(xù)添加制造步驟的粉末進(jìn)入開孔122中。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到的是，舉例來說而不限制，開孔122可使用以下材料中的至少一者來阻塞：聚合物、未熔合的粉末、蠟或其它材料，以及它們的組合。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到的是，這些材料選擇成使得它們可通過溶解、機(jī)械手段、熱或它們的組合來從完成的部分除去。

現(xiàn)在參照圖8，可執(zhí)行在預(yù)定位置將粘合物質(zhì)139施加到凹口132上的可選步驟。

如圖9中所示，粉末P(例如，金屬、陶瓷和/或有機(jī)粉末)沉積到粘合層139上。作為非限制性實(shí)例，粉末層的厚度可為大約10微米(0.0004英寸)。

粉末P可通過使粉末滴落或噴灑到凹口132上或通過將壁區(qū)段120浸入粉末中來施加。粉末施加可選地按需要后接刷洗、刮削、吹氣或搖動，以除去多余粉末，例如，以獲得均勻的層。將注意的是，粉末施加過程不需要常規(guī)粉末床或平面工作表面，且零件可由任何期望的手段(諸如簡單的工作臺、夾具或固定裝置)來支承。

如圖10中所示，一旦粉末P粘合，則定向能量源B(諸如，激光或電子束)被用于熔化正被建造的結(jié)構(gòu)的層。定向能量源發(fā)射束，且束操縱設(shè)備用于以適合圖案在露出的粉末表面上操縱束。粉末的露出層由束加熱至允許其熔化、流動和固結(jié)的溫度，且熔合或粘合到與其接觸的基底上。以此方式，構(gòu)成粉末P的金屬顆?，F(xiàn)在作為壁區(qū)段120的一部分存在。該步驟可稱為熔合粉末。未熔合的粉末可在施加粘合劑、施加粉末和熔合粉末的下一循環(huán)之前在此階段除去。然而，在所示實(shí)施例中，在各個步驟中并未除去的未熔合的粉末仍在適當(dāng)?shù)奈恢蒙?。在此方面，未熔合的粉末可操作成支承下一層的粉末?/p>

粘合粉末、除去多余粉末且然后定向能量熔化粉末的該循環(huán)重復(fù)，直到整個構(gòu)件完成。如圖11中所示，當(dāng)構(gòu)件完成時，新材料152定位在凹口132中且限定膜孔200。膜孔200包括入口區(qū)段204，以及出口區(qū)段208，過渡區(qū)段212。膜孔200至少部分地填充有填料F。舉例來說而不限制，填料F包括以下的一者：未熔合的粉末P、粘合劑139、阻塞材料134和它們的組合。在精整步驟中，填料F和來自先前步驟的任何其它未熔合和未聯(lián)結(jié)的粉末或粘合劑可在一個清潔步驟中除去。作為備選，可使用兩個清潔步驟。一個在于通過空氣壓力或空氣射流從膜孔200除去松散的填料F材料，從而導(dǎo)致圖12中所示的結(jié)構(gòu)。而第二個為通過諸如用溶劑來溶解、使用熱來消散等的方法來除去塞134，這導(dǎo)致圖13中所示的結(jié)構(gòu)。應(yīng)當(dāng)注意的是，圖13中所示的結(jié)構(gòu)與圖2中所示的結(jié)構(gòu)基本相同，只是強(qiáng)調(diào)了經(jīng)由本方法添加的新材料。

備選地，可執(zhí)行精整和清潔步驟使得內(nèi)表面154、外表面156、以及膜孔200具有期望的精整度且除去諸如粉末和粘合顆粒的碎屑。所述的過程僅為添加制造過程的一個實(shí)例。"添加制造"是本文中用于描述工藝的用語，該工藝涉及逐層構(gòu)建或添加制造(與關(guān)于常規(guī)加工過程的材料除去相反)。此過程還可稱為"快速制造過程"。添加制造工藝包括但不限于：直接金屬激光熔化(DMLM)、激光近凈成形制造(LNSM)、電子束燒結(jié)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)、3D打印(諸如通過噴墨和激光噴射)、立體光刻(SLA)、電子束熔化(EBM)、激光工程近凈成形(LENS)，以及直接金屬沉積(DMD)。

本文所述的過程具有優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的若干優(yōu)點(diǎn)。添加制造過程關(guān)于可制造的膜孔的形狀和構(gòu)造更加靈活得多。此外，相信添加制造過程允許膜孔的形成期間的較低熱生成，且因此結(jié)晶結(jié)構(gòu)和渦輪葉片形狀較少變形。

上文所述的方法提供了用于產(chǎn)生膜孔或復(fù)雜出口成形的其它類似的孔口的手段，而不需要常規(guī)機(jī)加工過程，諸如鉆孔、EDM成型或激光穿孔。通過允許在單個過程中形成復(fù)雜的出口形狀來避免此常規(guī)方法的復(fù)雜性。這將允許制作復(fù)雜冷卻的構(gòu)件的靈活性和成本降低兩者。這繼而又具有提高渦輪構(gòu)件的冷卻效率和降低發(fā)動機(jī)比燃料消耗("SFC")的潛在可能。

前文已經(jīng)描述了用于在渦輪葉片中的膜孔的添加制造的設(shè)備及方法。本說明書(包括任何所附權(quán)利要求、摘要和附圖)中公開的所有特征和/或如此公開的任何方法或工藝的所有步驟可以以除此類特征和/或步驟中的至少一些互斥的組合外的任何組合來組合。

本說明書(包括任何所附權(quán)利要求、摘要和附圖)中公開的各個特征可由用于相同、等同或類似目的的備選特征替換，除非明確另外指出。因此，除非明確另外指出，否則公開的各個特征僅為普通的一系列等同或類似特征的一個實(shí)例。

本發(fā)明不限于前述(多個)實(shí)施例的細(xì)節(jié)。本發(fā)明延伸至本說明書(包括任何所附潛在新穎點(diǎn)、摘要和附圖)中公開的特征的任何新穎的一個、或任何新穎的組合，或延伸至如此公開的任何方法或工藝的任何新穎的一個或任何新穎的組合。