專利名稱：使用短效涂層制作構(gòu)件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，并且更具體地涉及在其中的微通道冷卻。
背景技術(shù)：
在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，空氣在壓縮機(jī)中加壓，且在燃燒器中與燃料相混合以便產(chǎn)生熱燃燒氣體。從高壓渦輪(HPT)和低壓渦輪(LPT)中的氣體中獲取能量，其中高壓渦輪向壓縮機(jī)供能，而低壓渦輪向渦輪風(fēng)扇飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用中的風(fēng)扇供能，或向船舶和工業(yè)應(yīng)用的外軸供能。發(fā)動(dòng)機(jī)效率隨燃燒器氣體溫度而提高。然而，燃燒氣體沿其流動(dòng)通路加熱各種構(gòu)件，這繼而需要對(duì)其冷卻以實(shí)現(xiàn)長期的發(fā)動(dòng)機(jī)壽命。通常，熱氣體通路構(gòu)件通過來自于壓縮機(jī)的放出空氣冷卻。由于放出空氣未用于燃燒過程，該冷卻過程會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)效率。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻領(lǐng)域很成熟且包括對(duì)于各種熱氣體通路構(gòu)件中的冷卻回路和特征的各種方面的許多專利。例如，燃燒器包括徑向的外襯套和內(nèi)襯套，它們需要在操作期間冷卻。渦輪噴嘴包括支承在外帶與內(nèi)帶之間的中空導(dǎo)葉，它們也需要冷卻。渦輪轉(zhuǎn)子葉片為中空的且通常在其中包括冷卻回路，同時(shí)葉片由渦輪罩蓋所包繞，它們也需要冷卻。 熱燃燒氣體經(jīng)由排氣口排出，該排氣口也可有襯套并經(jīng)受適當(dāng)?shù)乩鋮s。在所有這些示例性燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件中，高強(qiáng)度超級(jí)合金金屬的薄金屬壁通常用于提高耐用性，同時(shí)最大限度地減小對(duì)其冷卻的需要。各種冷卻回路和特征定制為用于發(fā)動(dòng)機(jī)中其對(duì)應(yīng)環(huán)境中的這些單獨(dú)構(gòu)件。例如,一系列內(nèi)部冷卻管道或盤管(serpentine) 可形成在熱氣體通路構(gòu)件中。冷卻流體可從倉室提供至盤管，且冷卻流體可流過管道，從而冷卻熱氣體通路構(gòu)件基底和涂層。然而，該冷卻策略通常會(huì)導(dǎo)致較低的熱傳遞速率和不均勻的構(gòu)件溫度分布。微通道冷卻通過對(duì)于熱區(qū)盡可能近地布置冷卻而具有顯著減小冷卻要求的潛在可能，因此對(duì)于給定的熱傳遞速率降低了熱側(cè)與冷側(cè)之間的溫度A。然而，當(dāng)將結(jié)構(gòu)涂層施加到通道上時(shí)，大多數(shù)關(guān)鍵區(qū)域?yàn)橥ǖ赖捻斶吘?。如果這些邊緣不尖銳且成直角，則在基底基礎(chǔ)金屬與結(jié)構(gòu)涂層之間的對(duì)接面處有可能引起裂紋，或作為間隙、裂縫起始點(diǎn) (starter)，或作為在沉積涂層時(shí)可將裂紋傳播至涂層的小空隙。因此，將期望的是提供一種用于在無需進(jìn)一步處理基底基礎(chǔ)金屬的情況下在構(gòu)件中形成通道的方法，其中通道邊緣形成為尖銳的直角。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)方面在于一種制作構(gòu)件的方法。該方法包括在基底表面上沉積短效涂層，其中基底具有至少一個(gè)中空內(nèi)部空間。該方法還包括穿過短效涂層來加工基底，以便在基底表面中形成一個(gè)或多個(gè)凹槽。該一個(gè)或多個(gè)凹槽中的各個(gè)均具有基部，且至少部分地沿基底表面延伸。該方法還包括穿過該一個(gè)或多個(gè)凹槽中的相應(yīng)一個(gè)凹槽的基部而形成一個(gè)或多個(gè)出入孔，以便將相應(yīng)凹槽與相應(yīng)中空內(nèi)部空間成流體連通地連接。該方法還包括用填料填充該一個(gè)或多個(gè)凹槽、除去短效涂層、在基底表面的至少一部分上設(shè)置涂層，以及從該一個(gè)或多個(gè)凹槽除去填料，使得該一個(gè)或多個(gè)凹槽和涂層一起限定用于冷卻構(gòu)件的多個(gè)通道。


當(dāng)參照附圖來閱讀如下詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的這些及其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將變得更容易理解，所有附圖中相似的標(biāo)號(hào)表示相似的零件，在附圖中圖I為燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的簡圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明的方面的具有冷卻通道的示例性翼型件構(gòu)造的示意性截面；圖3至圖10示意性地示出了用于在基底中形成冷卻通道的工藝步驟；圖11以透視圖示意性地繪出了部分地沿基底表面延伸且將冷卻劑導(dǎo)送至相應(yīng)膜冷卻孔中的三個(gè)示例性冷卻通道；以及圖12為圖11中的其中一個(gè)示例性冷卻通道的截面視圖，且示出了將冷卻劑從出入孔輸送至膜冷卻孔的通道。零件清單
10燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)
12壓縮機(jī)
14燃燒器
16渦輪
18軸
20燃料噴嘴
30短效涂層
32填料
80熱氣體通路流
100熱氣體通路構(gòu)件
110基底
112基底外表面
114中空內(nèi)部空間
116基底內(nèi)表面
130通道
132凹槽
134凹槽基部
136凹槽頂部(開口)
138凹槽壁
140出入孔
142膜孔(多個(gè))
150涂層(多個(gè))
160研磨液體射流
具體實(shí)施例方式用語"第一"、"第二"等在文中并不表示任何順序、質(zhì)量或重要程度，而是用于將一個(gè)元件與另一個(gè)元件區(qū)分開。用語"一個(gè)"和"一種"在文中并不表示對(duì)數(shù)量的限制，而是表示存在至少一個(gè)所涉及的物件。結(jié)合數(shù)量使用的修飾語"大約"表示聲稱值，且具有由上下文所指出的含義(例如，包括與具體數(shù)量的測(cè)定結(jié)果相關(guān)的誤差程度)。此外， 用語"組合"包括調(diào)混物、混合物、合金、反應(yīng)產(chǎn)物等。此外，在本說明書中，后綴"(多個(gè))"通常旨在包括其所修飾的用語的單數(shù)和復(fù)數(shù)兩者，從而包括一個(gè)或多個(gè)該用語(例如，"管道孔"可包括一個(gè)或多個(gè)管道孔，除非另外規(guī)定)。整個(gè)說明書中所提及的"一個(gè)實(shí)施例"、"另一個(gè)實(shí)施例"、"實(shí)施例"等意思是結(jié)合該實(shí)施例描述的特定元件(例如，特征、結(jié)構(gòu)和/或特性)包括在本文所述的至少一個(gè)實(shí)施例中，且可以存在或可以不存在于其它實(shí)施例中。此外，應(yīng)當(dāng)理解的是，所述發(fā)明特征在各種實(shí)施例中可以任何適合的方式相結(jié)合。圖I為燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)10的簡圖。系統(tǒng)10可包括一個(gè)或多個(gè)壓縮機(jī)12、燃燒器14、 渦輪16和燃料噴嘴20。壓縮機(jī)12和渦輪16可由一個(gè)或多個(gè)軸18聯(lián)接。軸18可為單個(gè)軸或聯(lián)接在一起以形成軸18的多個(gè)軸區(qū)段。燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)10可包括多個(gè)熱氣體通路構(gòu)件100。熱氣體通路構(gòu)件為系統(tǒng)10的任何構(gòu)件，其至少部分地暴露于經(jīng)過系統(tǒng)10的高溫氣流。例如，輪葉組件(也稱為葉片或葉片組件)、噴嘴組件(也稱為導(dǎo)葉或?qū)~組件)、罩蓋組件、過渡件、保持環(huán)以及壓縮機(jī)排氣構(gòu)件都為熱氣體通路構(gòu)件。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明的熱氣體通路構(gòu)件100不限于以上實(shí)例，而是可為至少部分地暴露于高溫氣流的任何構(gòu)件。此外，應(yīng)當(dāng)理解的是，本公開內(nèi)容的熱氣體通路構(gòu)件100不限于燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)10中的構(gòu)件，而是可為可暴露于高溫流的其機(jī)器或構(gòu)件的任何部分。當(dāng)熱氣體通路構(gòu)件100暴露于熱氣流80時(shí)，熱氣體通路構(gòu)件100由熱氣流80加熱，且可達(dá)到熱氣體通路構(gòu)件100失效的溫度。因此，為了容許系統(tǒng)10在高溫下結(jié)合熱氣流80進(jìn)行操作，從而提高系統(tǒng)10的效率和性能，需要一種用于熱氣體通路構(gòu)件100的冷卻系統(tǒng)?？偟膩碚f，本公開內(nèi)容的冷卻系統(tǒng)包括形成在熱氣體通路構(gòu)件100的表面中的一系列小通道或微通道。熱氣體通路構(gòu)件可設(shè)有覆蓋層。冷卻流體可從倉室提供至通道，且冷卻流體可流經(jīng)通道，從而冷卻覆蓋層。參照?qǐng)D3至圖10來描述制作構(gòu)件100的方法。例如，如圖3中所示，該方法包括將短效涂層30沉積到基底110的表面112上。取決于實(shí)施方式，短效涂層可覆蓋表面112 的一部分，或如圖3中所示那樣可遍布在整個(gè)表面110上。例如，如圖2中所示，基底110 具有至少一個(gè)中空內(nèi)部空間114。基底110通常在將短效涂層30沉積到基底110表面112上之前進(jìn)行鑄造。如通過引用以其整體并入本文中的共同受讓的美國專利No. 5，626，462所述，基底110可由任何適合的材料形成，文中描述為第一材料。取決于構(gòu)件100的預(yù)計(jì)應(yīng)用，這可包括Ni基、Co基和Fe基超級(jí)合金。Ni基超級(jí)合金可為包含Y相和Y '相兩者的那些超級(jí)合金，尤其是包含Y相和Y '相兩者的那些Ni基超級(jí)合金，其中Y '相占據(jù)超級(jí)合金至少40%的體積。 這些合金由于包括耐高溫強(qiáng)度和抗高溫蠕變的期望特性的組合而公知是有利的。第一材料還可包括NiAl金屬間合金，因?yàn)檫€公知這些合金擁有包括耐高溫強(qiáng)度和抗高溫蠕變的優(yōu)良特性的組合，其對(duì)于在用于飛行器的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用中使用是有利的。在Nb基合金的情況下，具有優(yōu)良抗氧化能力的涂敷Nb基合金將為優(yōu)選的，如Nb/Ti合金，且特別是按原子百分?jǐn)?shù)計(jì)包括 Nb-(27-40) Ti-(4. 5-10. 5) Al-(4. 5-7. 9) Cr-(I. 5-5. 5) Hf- (0-6) V 的那些合金。第一材料還可包括Nb基合金，其包括至少一個(gè)次生相，如含Nb的金屬間化合物、含Nb 的碳化物或含Nb的硼化物。這些合金與復(fù)合材料的類似之處在于，它們包含延性相(即， Nb基合金)和強(qiáng)化相(即，含Nb的金屬間化合物、含Nb的碳化物或含Nb的硼化物)。例如，如圖4中所示，該方法還包括穿過短效涂層30加工基底110，以便在基底 110的表面112中形成一個(gè)或多個(gè)凹槽132。對(duì)于所示的實(shí)例，多個(gè)凹槽132形成在基底 110中。如圖4中所示，各凹槽132均具有基部134，且例如，如圖11和圖12中所示，至少部分地沿基底110的表面112延伸。盡管凹槽示為具有直壁，但凹槽132可具有任何構(gòu)造，例如，它們可為直的、彎曲的，或具有多個(gè)彎曲部，等等。對(duì)于圖11和圖12中所示的實(shí)例，凹槽將流體傳送至引出膜孔142。然而，其它構(gòu)造并非必然有膜孔，其中通道沿基底表面112 簡單地延伸且離開構(gòu)件邊緣，如后緣或輪葉末梢，或端壁邊緣。此外，應(yīng)當(dāng)注意的是，盡管膜孔在圖11中示為圓形，但這僅為非限制性實(shí)例。膜孔還可為非圓形的孔。凹槽132可使用多種技術(shù)形成。例如，凹槽132可使用研磨液體射流、浸入電化學(xué)加工(ECM)、具有自旋單點(diǎn)電極的放電加工(銑磨EDM)和激光加工(激光鉆孔)中的一種或多種而形成。在通過引用以其整體并入到本文中的于2010年I月29日提交的共同受讓的美國專利申請(qǐng)序列 No. 12/697，005" Process and system for forming shaped airholes"中描述了示例性激光加工技術(shù)。在通過引用以其整體并入到本文中的于2010 年5月28日提交的共同受讓的美國專利申請(qǐng)序列No. 12/790，675 " Articles which include chevron film cooling holes, andrelated processes"中描述了不例性 EDM 技術(shù)。對(duì)于特定的工藝構(gòu)造，如圖4中示意性繪出那樣，一個(gè)或多個(gè)凹槽132通過在基底110的表面112處引導(dǎo)研磨液體射流160來形成。有益的是，通道邊緣的任何倒圓(rounding)都將在短效材料中，而非在基底基礎(chǔ)金屬中。在通過引用以其整體并入到本文中的于2010年5月28日提交的共同受讓的美國專利申請(qǐng)序列 No. 12/790,675 " Articleswhich include chevron film cooling holes, and related processes"中提供了示例性的水射流鉆孔工藝和系統(tǒng)。如美國專利申請(qǐng)序列 No. 12/790,675中所述，水射流工藝通常使用懸浮在高壓水流中的研磨顆粒(例如，研磨" 粗砂")的高速流。水壓可較大地變化，但通常在大約5，OOOpsi至90，OOOpsi的范圍內(nèi)。 可使用許多研磨材料，例如石榴石、氧化鋁、金剛砂以及玻璃珠。有益的是，水射流工藝不涉及將基底110加熱至任何顯著程度。因此，沒有"熱影響區(qū)"形成在基底表面112上，否則該基底表面112可能不利地影響對(duì)于凹槽132的期望的出口幾何形狀。此外，且如美國專利申請(qǐng)序列No. 12/790，675所述，水射流系統(tǒng)可包括多軸計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)單元。CNC系統(tǒng)自身在本領(lǐng)域中公知，且例如在通過引用并入本文中的美國專利公布文本2005/0013926 (S. Rutkowski等人)中進(jìn)行了描述。CNC系統(tǒng)容許切割工具沿多個(gè)X軸線、Y軸線和Z軸線以及旋轉(zhuǎn)軸線移動(dòng)。例如，如圖5中所示，該方法還包括形成一個(gè)或多個(gè)出入孔140。更具體而言，對(duì)
7于每一凹槽132提供一個(gè)或多個(gè)出入孔140。對(duì)于所示的實(shí)例，對(duì)于每一凹槽132提供一個(gè)出入孔140。例如，如圖10中所示，各出入孔140形成為穿過其中相應(yīng)一個(gè)凹槽132的基部134，以將凹槽132與其中相應(yīng)的中空內(nèi)部空間114成流體連通地連接。例如，如圖10 中所示，出入孔140使其中相應(yīng)的凹槽132與至少一個(gè)中空內(nèi)部空間114中的相應(yīng)內(nèi)部空間成流體連通地連接。該一個(gè)或多個(gè)出入孔140通常為圓形或橢圓形截面，且例如可使用激光加工(激光鉆孔)、研磨液體射流、放電加工(EDM)和電子束鉆孔中的一種或多種而形成。出入孔140可正交于相應(yīng)凹槽132 (如圖6中所示)的基部134，或可相對(duì)于凹槽132 的基部134成20度至90度范圍的角進(jìn)行鉆取。例如，如圖6中所示，該方法還包括用填料32填充一個(gè)或多個(gè)凹槽132。例如，填料可由漿料施加，利用金屬漿料"墨水(ink)" 32浸潰涂布或噴涂構(gòu)件100，使得填充凹槽 132。對(duì)于其它構(gòu)造，填料32可使用微筆或注射器施加。對(duì)于一些實(shí)施方式，凹槽132可過多地填充有填料材料32。過多的填料32可除去，例如可擦去，使得凹槽132"可見"。用于填料32的非限制性實(shí)例材料包括可光致固化的樹脂(例如，可見光或UV固化的樹脂)、陶瓷、銅或具有有機(jī)溶劑載體的鑰墨水，以及具有水基和載體的石墨粉。更具體而言，填料32 可包括利用可選的結(jié)合劑而懸浮在載體中的所關(guān)注的顆粒。此外，取決于使用的填料類型， 填料可流入或可不流入出入孔140中。在通過引用以其整體并入本文中的共同受讓的美國專利No. 5，640，767和共同受讓的美國專利No. 6，321，449中論述了示例性填料材料(或通道填充劑或犧牲性材料)。對(duì)于特定的工藝構(gòu)造，低強(qiáng)度金屬漿料"墨水"用于填料。使用低強(qiáng)度墨水有利的是便于隨后的拋光。此外，對(duì)于一些工藝構(gòu)造，填料由于第一短效涂層厚度而填充在通道高度以上，使得填料將向下固化至所期望的高度或略高。例如，如圖9中所示，該方法還包括將涂層150沉積到基底110的表面112的至少一部分上。應(yīng)當(dāng)注意的是，如圖所示，涂層150僅為覆蓋通道的第一涂層或結(jié)構(gòu)涂層。 對(duì)于一些應(yīng)用，單個(gè)涂層可為所有使用的涂層。然而，對(duì)于其它應(yīng)用，也可使用結(jié)合涂層和熱障涂層(TBC)。示例性涂層150提供在通過引用以其整體并入到本文中的美國專利 No. 5，640，767和美國專利No. 5，626，462中。如美國專利No. 5，626，462中所述，涂層150 結(jié)合到基底110的表面112的部分上。對(duì)于圖2中所示的示例性布置，涂層150沿基底110的翼形外表面112縱向地延伸。涂層150與翼形外表面112相符，且覆蓋形成通道130的凹槽132。例如，如圖11和圖 12中所示，基底110和涂層150還可限定一個(gè)或多個(gè)出口膜孔142。更常見的是，基底110 和涂層可限定大量出口孔，以將流體從通道130傳送至構(gòu)件100的外表面。對(duì)于圖12中所示的示例性構(gòu)造，通道130將冷卻劑從出入孔140傳送至膜冷卻孔142。涂層150包括第二材料，該第二材料可為任何適合的材料，且結(jié)合到基底110的翼形外表面120上。對(duì)于特定的構(gòu)造，涂層150對(duì)于工業(yè)構(gòu)件具有范圍為0. I毫米至2. 0毫米的厚度，且更具體而言在
0.I毫米至I毫米的范圍內(nèi)，且再更具體而言在0. I毫米至0. 5毫米。對(duì)于航空構(gòu)件，該范圍通常為0. I毫米至0. 25毫米。然而，其它厚度也可取決于特定構(gòu)件100的要求而采用。再次參看圖6和圖7，對(duì)于特定的工藝構(gòu)造，該方法還包括在將涂層150設(shè)置在基底110的表面112上之前移除短效涂層30。取決于特定的材料和工藝，短效涂層30可使用機(jī)械(例如，拋光)或化學(xué)(例如，在溶劑中溶解)方式或使用它們的組合來除去。涂層 150可使用多種技術(shù)沉積。對(duì)于特定的工藝，涂層150通過執(zhí)行等離子沉積來設(shè)置在基底110的表面112的至少一部分上。在通過引用以其整體并入到本文中的Weaver等人的共同受讓美國公開專利申請(qǐng)No. 20080138529" Method and apparatus for cathodic arc ion plasmadeposition"中提供了示例性陰極電弧等離子沉積設(shè)備和方法。簡略地說，等離子沉積包括將由涂層材料所形成的陰極置于真空室內(nèi)的真空環(huán)境中，將基底110提供在真空環(huán)境內(nèi)，將電流提供給陰極以在陰極表面上形成陰極電弧從而導(dǎo)致涂層材料從陰極表面腐蝕或蒸發(fā)，以及將涂層材料從陰極沉積到基底表面112上。在一個(gè)非限制性實(shí)例中，等離子沉積工藝包括等離子氣相沉積工藝。涂層150的非限制性實(shí)例包括結(jié)構(gòu)涂層、結(jié)合涂層、抗氧化涂層以及熱障涂層，如在下文中參照美國專利No. 5，626，462更為詳細(xì)地描述。對(duì)于一些熱氣體通路構(gòu)件100，涂層150包括鎳基或鈷基合金，且更具體的是包括超級(jí)合金或NiCoCrAH合金。例如，在基底110的第一材料為包含Y相和Y '相兩者的Ni基超級(jí)合金的情況下，涂層150可包括這些相同的材料，如在下文中參照美國專利No. 5，626，462更為詳細(xì)地描述。對(duì)于其它工藝構(gòu)造，涂層150通過執(zhí)行熱噴涂工藝和冷噴涂工藝中的至少一種而設(shè)置在基底110表面112的至少一部分上。例如，熱噴涂工藝可包括燃燒噴涂或等離子噴涂，燃燒噴涂可包括高速氧燃料噴涂(HVOF)或高速空氣燃料噴涂(HVAF)，以及等離子噴涂可包括常壓(如空氣或惰性氣體)等離子噴涂或低壓等離子噴涂(LPPS，也稱為真空等離子噴涂或VPS)。在一個(gè)非限制性實(shí)例中，NiCrAH涂層通過HVOF或HVAF沉積。用于沉積涂層 150的一層或多層的其它示例性技術(shù)包括但不限于濺射、電子束物理氣相沉積、無電電鍍以及電鍍。對(duì)于一些構(gòu)造，期望使用多種沉積技術(shù)來形成涂層系統(tǒng)150。例如，涂層的第一層可使用等離子沉積來沉積，而隨后沉積的層和可選的附加層(未示出)可使用其它技術(shù)沉積，如燃燒噴涂工藝(例如，HVOF或HVAF)或使用等離子噴涂工藝，如LPPS。取決于所使用的材料，用于涂層各層的不同沉積技術(shù)的使用可提供應(yīng)變耐受性和/或延性方面的益處。更一般而言，且如美國專利No. 5，626，462中所述，用于形成涂層150的第二材料包括任何適合的材料。對(duì)于冷卻的渦輪構(gòu)件100的情況，第二材料必須能夠經(jīng)得起高達(dá)大約1150°C的溫度，同時(shí)TBC可經(jīng)得起高達(dá)大約1320°C的溫度。涂層150必須與基底110的翼形外表面112相容，且適于結(jié)合到該翼形外表面112上。這種結(jié)合可在涂層150沉積到基底110上時(shí)形成。這種結(jié)合在沉積期間可受許多參數(shù)影響，包括沉積方法，沉積期間基底 110的溫度，沉積表面是否相對(duì)于沉積源偏離，以及其它參數(shù)。結(jié)合還可受隨后的熱處理或其它處理影響。此外，在沉積之前，基底110的表面形態(tài)、化學(xué)性質(zhì)和清潔度會(huì)影響冶金結(jié)合發(fā)生的程度。除了在涂層150和基底110之間形成堅(jiān)固的冶金結(jié)合之外，還期望這種結(jié)合在一定時(shí)間內(nèi)且在高溫下相對(duì)于相變和相互擴(kuò)散保持穩(wěn)定，如本文所述。通過相容，優(yōu)選的是這些元件之間的結(jié)合是熱動(dòng)力穩(wěn)定的，使得結(jié)合的強(qiáng)度和延性在一定時(shí)間內(nèi)(例如長達(dá)3年)不會(huì)由于相互擴(kuò)散或其它過程而顯著地劣化，即使是對(duì)于Ni基合金翼型件支承壁 40和Ni基翼型件表皮42暴露在大約1，150°C的高溫下，或在使用較高溫度的材料如Nb基合金的情況下暴露在大約1，300°C的較高溫度下。如美國專利No. 5，626，462中所述，在基底110的第一材料為包含Y相和Y丨相兩者的Ni基超級(jí)合金或NiAl金屬間合金的情況下，用于涂層150的第二材料可包括這些相同材料。涂層150和基底110材料的這種組合對(duì)于諸如操作環(huán)境的最高溫度類似于現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)中的那些溫度(例如，低于1650°C )的應(yīng)用是優(yōu)選的。在基底110的第一材料為Nb 基合金的情況下，用于涂層150的第二材料還可包括Nb基合金，包括相同的Nb基合金。如美國專利No. 5，626，462中所述，對(duì)于其它應(yīng)用，如施加不希望使用金屬合金涂層150的溫度、環(huán)境或其它約束的應(yīng)用，優(yōu)選的是，涂層150包括具有特性優(yōu)于單獨(dú)金屬合金的材料，如總體形式為金屬間化合物(Is)/金屬合金(M)相復(fù)合材料和金屬間化合物 (Is)/金屬間化合物(Im)相復(fù)合材料的復(fù)合材料。金屬合金M可為與用于翼型件支承壁40 相同的合金，或不同材料，這取決于翼型件的要求。這些復(fù)合材料一般來說相似之處在于它們將延性相對(duì)較大的相M或Im與延性相對(duì)較小的相Is組合，以便產(chǎn)生獲得兩種材料的優(yōu)點(diǎn)的涂層150。此外，為了具有結(jié)果良好的復(fù)合材料，兩種材料必須相容。如本文關(guān)于復(fù)合材料所用，用語“相容”意思是材料必須能夠形成它們的相的期望初始分布，且在如上文所述的延長的時(shí)間周期內(nèi)以使用溫度為1，150°C或更高來保持該分布，而不會(huì)經(jīng)歷顯著削弱復(fù)合材料的強(qiáng)度、延性、強(qiáng)韌性和其它重要特性的冶金反應(yīng)。這種相容性還可表示為相穩(wěn)定性。即是說，復(fù)合材料的單獨(dú)相必須在操作期間，在延長的時(shí)間周期內(nèi)的溫度下具有穩(wěn)定性，以便這些相保持分離和清晰，從而保持其單獨(dú)的一致性和特性，且不會(huì)由于相互擴(kuò)散而變?yōu)閱蜗嗷蚨鄠€(gè)不同的相。相容性還可表示為Is/M或IS/IM復(fù)合材料層之間的相間邊界界面的形態(tài)穩(wěn)定性。這種不穩(wěn)定性可通過卷積(convolution)來顯現(xiàn),該卷積中斷任一層的連續(xù)性。還應(yīng)當(dāng)注意的是，在給定的涂層150內(nèi)，多種Is/M或IS/IM復(fù)合材料也可使用，且這些復(fù)合材料不限于兩種材料或兩相的組合。使用這類組合僅為示范性的，而非窮舉性的或限制潛在的組合。因此，M/IM/IS、M/IS1/IS2(其中Isi和Is2是不同的材料)和許多其它組合也是可能的。如美國專利No. 5，626，462中所述，在基底110包括包含Y相和Y丨相兩者的混合物的 Ni 基超級(jí)合金的情況下，Is 可包括 Ni3 [Ti，Ta，Nb，V]，NiAl，Cr3Si，[Cr，Mo]xSi，[Ta， Ti，Nb, Hf，Zr，V]C，Cr3C2和Cr7C3金屬間化合物和中間相，以及M可包括包含y相和y , 相兩者的混合物的Ni基超級(jí)合金。在包含Y相和Y'相兩者的混合物的Ni基超級(jí)合金中，元素Co，Cr，Al，C和B幾乎總是表現(xiàn)為合金組分，以及Ti，Ta，Nb, V，W，Mo，Re，Hf和Zr 的變化組合。因此，所述的示例性Is材料的組分對(duì)應(yīng)于通常在Ni基超級(jí)合金中發(fā)現(xiàn)的可用作第一材料(以形成基底110)的一種或多種材料，且因此可適于實(shí)現(xiàn)本文所述的相和相互擴(kuò)散穩(wěn)定性。作為附加的實(shí)例，在第一材料(基底110)包括NiAl金屬間合金的情況下，Is 可包括 Ni3[Ti，Ta, Nb, V]，NiAl，Cr3Si, [Cr, Mo]xSi, [Ta, Ti, Nb, Hf, Zr, V]C, Cr3C2 和 Cr7C3 金屬間化合物和中間相，以及Im可包括Ni3Al金屬間合金。另外,在NiAl金屬間合金中，兀素Co，Cr，C和B中的一個(gè)或多個(gè)幾乎總是表現(xiàn)為合金組分，以及Ti，Ta，Nb, V，W，Mo，Re，Hf 和Zr的變化組合。因此，所述的示例性Is材料的組分對(duì)應(yīng)于通常在NiAl合金中發(fā)現(xiàn)的可用作第一材料的一種或多種材料，且因此可適于實(shí)現(xiàn)本文所述的相和相互擴(kuò)散穩(wěn)定性。如美國專利No. 5，626，462中所述，在基底110包括Nb基合金(包括含有至少一個(gè)次生相的Nb基合金)的情況下，Is可包括含Nb的金屬間化合物、含Nb的碳化物或含Nb 的硼化物，以及M可包括Nb基合金。優(yōu)選的是，此種Is/M復(fù)合材料包括含有Ti的Nb基合金的M相，使得合金的Ti與Nb (Ti/Nb)的原子比在0. 2-1的范圍內(nèi)，以及Is相包括由Nb基硅化物、Cr2[Nb，Ti,Hf]和Nb基鋁化物所構(gòu)成的組，且其中在原子的基礎(chǔ)上，Nb、Ti和Hf中的Nb為Cr2[Nb，Ti，Hf]的主要組分。這些化合物都具有作為公共組分的Nb，且因此可適于實(shí)現(xiàn)美國專利No. 5, 626, 462中所述的相和相互擴(kuò)散穩(wěn)定性。現(xiàn)在參看圖10，該方法還包括從凹槽132除去犧牲性填料32，使得凹槽132和涂層150 —起限定多個(gè)通道130來用于冷卻構(gòu)件100。例如，填料32可使用化學(xué)淋濾工藝從通道130浸出。如美國專利No. 5，640，767中所述，填料(或通道填充劑)例如可通過熔化 /提取、高溫分解或侵蝕除去。同樣，在美國專利No. 6，321，449中論述的填料材料(犧牲性材料)可通過溶解在水、酒精、丙酮、氫氧化鈉、氫氧化鉀或硝酸中來除去。除涂層系統(tǒng)150外，通道130的內(nèi)表面可進(jìn)一步改變以改善其抗氧化和/或抗熱腐蝕能力。用于將抗氧化涂層(未清楚示出)施加到凹槽132 (或通道130)的內(nèi)表面上的適合技術(shù)包括氣相或漿料鍍鉻、氣相或漿料鍍鋁或通過蒸發(fā)、濺射、等離子沉積、熱噴涂和/ 或冷噴涂來覆蓋沉積。示例性抗氧化覆蓋涂層包括MCrAH族(M= {Ni,Co,Fe})中的材料和選自NiAlX族(X= {Cr，Hf ,Zr，Y，La，Si，Pt，Pd})的材料。在除去犧牲性填料32之后， 如果使用的話，則抗氧化涂層將通常使用氣相或漿料鍍鉻和漿料鍍鋁中的一種或多種來施加到通道130的內(nèi)表面上。對(duì)于圖11和圖12中所示的示例性布置，通道130將冷卻流從相應(yīng)的出入孔140 導(dǎo)送至出口膜孔142。通常，通道長度在膜孔直徑的10至1000倍的范圍內(nèi)，且更具體而言是在膜孔直徑的20倍至100倍的范圍內(nèi)。有益的是，通道130可在構(gòu)件表面上的任何位置使用(翼型件本體、前緣、后緣、葉片末梢、端壁、平臺(tái))。此外，盡管通道示為具有直壁，但通道130可具有任何構(gòu)造，例如它們可為直的、彎曲的或具有多個(gè)彎曲部等?，F(xiàn)在參看圖3，對(duì)于特定工藝構(gòu)造，沉積在基底110表面112上的短效涂層30的厚度在0. 5毫米至2. 0毫米的范圍內(nèi)。在一個(gè)非限制性實(shí)例中，短效涂層30包括一毫米厚基于聚合物的涂層。短效涂層30可使用多種沉積技術(shù)沉積，包括粉末涂布、靜電涂布、浸潰涂布、自旋涂布、化學(xué)氣相沉積和制備帶的應(yīng)用。更具體而言，短效涂層基本上是均勻的，且能夠粘附，但不會(huì)對(duì)基底基礎(chǔ)材料有害。對(duì)于特定的工藝構(gòu)造，短效涂層30使用粉末涂布或靜電涂布來沉積。對(duì)于示例性工藝構(gòu)造，短效涂層30包括聚合物。例如，短效涂層30可包括基于聚合物的涂層，如吡啶， 其可使用化學(xué)氣相沉積來沉積。基于其它示例性聚合物的涂層材料包括樹脂，如聚酯或環(huán)氧樹脂。示例性樹脂包括光致固化的樹脂，如光固化或UV固化的樹脂，其非限制性實(shí)例包括由營業(yè)地點(diǎn)在Torrington, Connecticut的DYMAX以商標(biāo)Speedmask 729 銷售的UV/可見光固化掩模樹脂，在此情況下，該方法還包括在形成凹槽132之前固化可光致固化的樹脂30。對(duì)于其它工藝構(gòu)造，短效涂層30可包括含碳材料。例如，短效涂層30可包括石墨涂料。聚乙烯為又一示例性涂層材料。對(duì)于其它工藝構(gòu)造，短效涂層30可涂在基底110的表面112上。再次參看圖3和圖4，對(duì)于特定的工藝構(gòu)造，該方法還包括在加工基底110之前固化短效涂層30。短效涂層30用作為形成通道的加工掩模。該掩模導(dǎo)致產(chǎn)生期望的尖銳通道邊緣。因此，在加工操作期間存在短效涂層來形成凹槽132有助于使冷卻通道130形成為在涂層界面處具有所需的尖銳、良好限定的邊緣。這是冷卻構(gòu)思中的單個(gè)最關(guān)鍵區(qū)域，且上述制作過程實(shí)現(xiàn)了比不使用短效涂層所需的更低的加工精確度和較為簡單的填充的期望結(jié)果。盡管未清楚地示出，但對(duì)于特定工藝構(gòu)造，該方法還包括在用填料32填充凹槽之前除去短效涂層30。涂層30可使用多種技術(shù)來除去，這些技術(shù)的非限制性實(shí)例包括化學(xué)移除(例如，淋濾)或機(jī)械移除(例如，通過拋光)。移除短效涂層除去了短效涂層上的任何過多填料，且有利的是在基底基礎(chǔ)金屬中留下了尖銳的通道邊緣，因?yàn)槎绦繉釉谛纬砂疾燮陂g遮蔽研磨液體射流(例如)。移除工藝將不會(huì)影響犧牲性填料。該方法還可包括拋光表面以在沉積涂層系統(tǒng)150之前除去任何過多的犧牲性填料。對(duì)于其它工藝構(gòu)造，如圖6和圖7中所示的那些，在移除短效涂層之前沉積和固化填料。有益的是，這有助于在施加結(jié)構(gòu)涂層之前填充凹槽，因?yàn)槎绦繉颖憩F(xiàn)為遮蔽基底基礎(chǔ)金屬且用作引導(dǎo)件或模板來用于常規(guī)的填充工藝。例如，對(duì)于圖6中所示的示例性工藝構(gòu)造，該方法可選的是可包括固化填料32的步驟。例如，對(duì)于包括可光致固化樹脂的填料 32，填料通過施加光來固化。對(duì)于陶瓷填料，填料32通過熱處理除去載體溶液來固化。對(duì)于包括具有有機(jī)溶劑載體的銅或鑰墨水的填料，填料通過熱處理以除去載體來固化。對(duì)于一些實(shí)施方式，固化過程可有效地除去短效涂層30。例如，如果燒結(jié)溫度超過600°C，則固化步驟將從基底110除去聚合物掩模30。因?yàn)闋奚蕴盍?2可由于短效涂層30 (例如，如圖6和圖7中所示)的厚度而填充高于通道高度，故填料32將向下固化至期望的高度或比期望的略高?；?10的表面 112然后可經(jīng)拋光以在沉積涂層150之前除去過多的填料。如果固化過程導(dǎo)致犧牲性填料的過大收縮且導(dǎo)致填料拉離通道壁，則附加的填料可在除去短效涂層之前添加。如通過引用以其整體并入到本文中的共同受讓的美國專利No. 6，32，449中所述，在鎳基超級(jí)合金基底110中使用的適合的犧牲性材料32表現(xiàn)出(a)在沉積涂層(在翼型件100的情況為翼型件表皮)150所需的溫度(例如，對(duì)于等離子沉積而言為至少400°C )下與鎳基超級(jí)合金的組分相容性；(b)在涂層(翼型件表皮)150沉積溫度下的熱穩(wěn)定性；(c)在涂層(表皮) 沉積之后除去的容易程度；(d)在分別在涂層(表皮)沉積之前和期間在較低溫度和較高溫度下至鎳基基底110上的粘合；(e)當(dāng)填料32在涂層(表皮)沉積期間加熱時(shí)相對(duì)于鎳基基底110的最小致密化收縮；(f)對(duì)于鎳基超級(jí)合金的可比較的熱膨脹系數(shù)(CTE) ；(g) 在涂層(表皮)沉積以便涂層(表皮)150沉積和直接地結(jié)合到基底110上之前從基底110 除去的容易程度；以及(h)可形成為完全地填充凹槽132且實(shí)現(xiàn)涂層(表皮)150沉積于其上的光滑、適度密集填充的表面。如果條目(d)至(h)中的任一個(gè)都不滿足，則在表皮沉積期間可能在凹槽內(nèi)存在間隙，如果間隙非常大，則這將導(dǎo)致涂層(翼型件表皮)中不可接受的缺陷。對(duì)于圖6和圖7中所示的工藝，該方法還包括在干燥、固化或燒結(jié)填料32之后(共同稱為"固化"填料)和將涂層150設(shè)置在基底110的表面112上之前除去短效涂層30。 例如，可在單個(gè)步驟中執(zhí)行短效涂層30的移除和拋光基底110的表面112 (以便除去任何過多的干燥、固化或燒結(jié)(共同為"固化")的填料32)。對(duì)于其它執(zhí)行方式，可采用兩個(gè)單獨(dú)的步驟來除去短效涂層30和拋光基底110的表面112，以便除去任何過多的固化填料 32。實(shí)例示例性的工藝步驟順序如下。然而，這是實(shí)例而并非意圖限制本發(fā)明。將包括 Speedmask 729 UV/可見光固化掩模樹脂的短效涂層施加到單個(gè)結(jié)晶超級(jí)合金(Renee N5)基底的表面上。使用研磨水射流穿過短效涂層在基底中形成凹槽。將包括銅墨水的填料材料作為漿料施加到短效涂敷基底的整個(gè)表面上和凹槽內(nèi)。過多的填料將擦去，且然后固化剩余的填料。通過在500攝氏度下執(zhí)行熱處理來除去保護(hù)層(短效涂層)，而不會(huì)有損通道中的填料，但除去了保護(hù)層上的任何過多填料。然后通過磨削表面來平緩地沖洗通道中的剩余固化填料。使用HVOF工藝施加最終的金屬結(jié)合涂層和YSZ (氧化釔-穩(wěn)定二氧化鋯)熱障涂層，以及使用濃縮的硝酸來浸出填料。有益的是，上述方法能夠形成冷卻通道，其中通道邊緣形成為尖銳的直角，而無需進(jìn)一步處理基底基礎(chǔ)金屬。這些尖銳的通道邊緣減小了在基底基礎(chǔ)金屬與結(jié)構(gòu)涂層之間界面處引發(fā)裂紋(例如，在結(jié)構(gòu)涂層沉積時(shí)可將裂紋傳播至結(jié)構(gòu)涂層的間隙、裂縫發(fā)起點(diǎn)或小空隙)的可能。此外，本技術(shù)有助于在施加結(jié)構(gòu)涂層之前填充凹槽，因?yàn)槎绦繉颖憩F(xiàn)為遮蔽基底基礎(chǔ)金屬且用作引導(dǎo)件或模板來用于常規(guī)的填充過程。盡管本文僅示出和描述了本發(fā)明的一些實(shí)施例，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)想到許多修改和變化。因此，應(yīng)當(dāng)理解到，所附權(quán)利要求意圖涵蓋落入本發(fā)明的真正精神內(nèi)的所有這些修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種制作構(gòu)件(100)的方法，所述方法包括將短效涂層(30)沉積到基底(110)的表面(112)上，其中所述基底(110)具有至少一個(gè)中空內(nèi)部空間(114)；穿過所述短效涂層(30)加工所述基底(110)以在所述基底(110)的表面(112)中形成一個(gè)或多個(gè)凹槽(132)，其中所述一個(gè)或多個(gè)凹槽(132)中的各個(gè)均具有基部(134)且至少部分地沿所述基底(110)的表面(112)延伸；穿過所述一個(gè)或多個(gè)凹槽(132)中的相應(yīng)一個(gè)凹槽的基部(134)形成一個(gè)或多個(gè)出入孔(140)，以便使相應(yīng)凹槽(132)與相應(yīng)中空內(nèi)部空間(114)成流體連通地連接；用填料(32)填充所述凹槽(132)；除去所述短效涂層(30)；在所述基底(110)的表面(112)的至少一部分上設(shè)置涂層(150);以及從所述一個(gè)或多個(gè)凹槽(132)除去所述填料(32)，使得所述一個(gè)或多個(gè)凹槽(132)和所述涂層(150) —起限定一個(gè)或多個(gè)通道(130)來用于冷卻所述構(gòu)件(100)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在將所述短效涂層(30) 沉積到所述基底(110)的表面(112)上之前鑄造所述基底(110)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述一個(gè)或多個(gè)凹槽(132)使用研磨液體射流、浸入電化學(xué)加工(ECM)、具有自旋電極的放電加工(銑磨EMD)，以及激光加工(激光鉆孔)中的一種或多種而形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，將所述涂層(150)沉積在所述基底(110) 的表面(112)的至少一部分上包括執(zhí)行等離子沉積，以及其中所述涂層(150)包括鎳基合金或鈷基合金。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在所述基底(110)的表面(112)的至少一部分上沉積所述涂層(150)包括執(zhí)行以下各項(xiàng)中的至少一種熱噴涂工藝，其包括高速氧燃料噴涂(HVOF)、高速空氣燃料噴涂(HVAF)、常壓等離子噴涂，或低壓等離子噴涂(LPPS);以及冷噴涂工藝。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述短效涂層(30)沉積在所述基底 (110)的表面(112)上的厚度在0. I毫米至2.0毫米的范圍內(nèi)，以及其中所述短效涂層(30) 包括聚合物或含碳材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在加工所述基底(110)之前干燥、固化或燒結(jié)所述短效涂層(30)。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述方法還包括干燥、固化或燒結(jié)所述填料(32);以及在干燥、固化或燒結(jié)所述填料(32)之后且在所述基底(110)的表面(112)上設(shè)置所述涂層(150)之前除去所述短效涂層(30)。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在用所述填料(32)填充所述一個(gè)或多個(gè)凹槽之前除去所述短效涂層(30)。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述短效涂層(30)使用選自由粉末涂布、靜電涂布、浸潰涂布、自旋涂布、化學(xué)氣相沉積和制備帶的應(yīng)用所構(gòu)成的組的沉積技術(shù)來沉積。
全文摘要
本發(fā)明涉及使用短效涂層制作構(gòu)件的方法。具體而言，提供了一種制作構(gòu)件的方法。該方法包括將短效涂層沉積在基底表面上，其中基底具有至少一個(gè)中空內(nèi)部空間。該方法還包括穿過短效涂層加工基底以在基底表面中形成一個(gè)或多個(gè)凹槽。該一個(gè)或多個(gè)凹槽中的各個(gè)均具有基部，且至少部分地沿基底表面延伸。該方法還包括形成穿過該一個(gè)或多個(gè)凹槽中相應(yīng)一個(gè)凹槽的基部的一個(gè)或多個(gè)出入孔，以便使相應(yīng)凹槽與相應(yīng)中空內(nèi)部空間成流體連通地連接。該方法還包括用填料填充該一個(gè)或多個(gè)凹槽，除去短效涂層、將涂層設(shè)置在基底表面的至少一部分上，以及從一個(gè)或多個(gè)凹槽除去填料，使得該一個(gè)或多個(gè)凹槽和涂層一起限定用于冷卻構(gòu)件的多個(gè)通道。
文檔編號(hào)F02C7/12GK102536465SQ20111037380
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2011年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月10日
發(fā)明者D·M·利普金, R·B·雷巴克, R·S·班克, 魏斌 申請(qǐng)人:通用電氣公司