專利名稱：制造制件內(nèi)部通道的方法及具有內(nèi)部通道的制件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有內(nèi)部小通道的制件，該內(nèi)部通道在制件內(nèi)部延伸，并涉及制造此種通道的方法。更準(zhǔn)確地說，本發(fā)明涉及具有小通道的透平機零件，并涉及制造此種通道的相應(yīng)方法。
背景技術(shù)：
近代技術(shù)進步能通過在基體上凝結(jié)汽化物而對基體進行覆蓋。使用汽相沉積法，覆蓋層可增強即增大基體的化學(xué)、物理或電磁特性。根據(jù)所尋求的特性不同，覆蓋層既可以用與基體相同的材料制成，也可以用不同的材料例如一種抗腐蝕合金制成。
形成一種汽化物的一般方法，是使用電子槍在一種蒸發(fā)材料上聚焦一電子束，這種蒸發(fā)材料通常是金屬。電子束在表面引起高度集中的溫度，使金屬蒸發(fā)物的一部分汽化。金屬汽化物占據(jù)整個沉積室，該沉積室具有高濃度的金屬汽化物，因為在汽化開始前沉積室被抽空氣體。汽化物在沉積室內(nèi)沉積在制件上。沉積的金屬冷卻，直至在制件上形成固態(tài)覆蓋層。覆蓋層的厚度是通過改變操作條件諸如汽化物的壓力、溫度、沉積時間和基體的機械操作來控制的。使用電子束的汽相沉積法目前被廣泛應(yīng)用。許多制件例如透平機零件可用汽相沉積法覆蓋。
燃汽透平機的透平部分和燃燒部分均經(jīng)受高溫。進入透平的燃汽溫度經(jīng)常超過制造燃汽透平機零件的合金的最大額定工作性能。透平機的零件包括，例如，透平葉片、風(fēng)扇和壁。
由于透平機零件經(jīng)受高溫，典型的方式是對它們冷卻，以保持其結(jié)構(gòu)的完整性。把空氣從透平壓縮機的出氣口轉(zhuǎn)引來冷卻葉片、風(fēng)扇和壁。然而，用壓縮機空氣冷卻降低了透平機的效率，因為不能獲得這種空氣以支持燃燒。于是，希望使用最小量的壓縮空氣去冷卻透平機的零件。
通常，冷卻是使一恒定流量的空氣從零件內(nèi)的內(nèi)部通道流過而完成的。為了實現(xiàn)恒定流量的空氣流經(jīng)一葉片翼面，葉片翼面內(nèi)的靜壓力必須超過葉片翼面外的壓力。如果外壓力超過內(nèi)壓力，燃燒氣體流入葉片翼面內(nèi)，流入的燃燒氣干擾冷卻空氣流，并可能因過熱而損壞葉片翼面。
此外，冷卻空氣流經(jīng)彎彎曲曲的通道或小薄膜孔(film hole)時，會產(chǎn)生壓力損失，這些通道或孔對于絕大多數(shù)氣冷翼面而言卻是普普通通的。因此，流體壓力損失必須最小，以保持內(nèi)部壓力高于外部壓力。
對于翼面和其它透平機零件存在一種需求，要求具有能保證空氣壓力損失低的內(nèi)冷卻通道。
制造葉片翼面的傳統(tǒng)方法，采用鑄造和多種加工兩方面的步驟。鑄造步驟需要鑄模和型芯。型芯在鑄模內(nèi)用型芯支承元件支承。熔融金屬澆注入鑄模，環(huán)繞型芯和型芯支承元件。金屬冷卻后，型芯和型芯支承元件被施加的化學(xué)溶液溶解。溶解型芯支承元件便在葉片翼面鑄件內(nèi)形成孔。然后，將鑄造葉片翼面加工至最終形狀。葉片翼面內(nèi)的冷卻通道，由型芯溶解后所留下的空穴所形成。因此型芯的幾何形狀確定了通道的形狀和尺寸。
傳統(tǒng)制造翼面通道的方法存在許多缺點，包括高昂的加工成本。此外，由于冷卻通道錯綜復(fù)雜的形狀，型芯的制造特別復(fù)雜。
此外，由于鑄造過程固有的限制，通道必須大于最優(yōu)值，并在厚翼面壁之下設(shè)置得更深。例如大型工業(yè)燃汽透平高溫合金鋼葉片，通常具有的壁厚為最大0.189英寸，最小0.070英寸。這些尺寸是西屋501G機(Westinghouse frame 501G)一和二列透平葉片所用的典型尺寸。不幸的是，大而深的通道與使冷卻通道更緊靠葉片翼面外表面相比較，從翼面?zhèn)鳠岬男矢?，這是現(xiàn)有技術(shù)眾所周知的。設(shè)置得大而深的通道的低熱傳遞效率，需要更多的冷卻空氣，這就降低整個透平機的效率。試圖用傳統(tǒng)的方法制造更小的通道和更薄的翼面壁是價格昂貴的，并可能帶來過低的生產(chǎn)率。
對于像葉片翼面和其它透平機零件等具有大量非?？拷砻姹砻娴男±鋮s通道的零件，存在著尋求可靠制造方法的需求，而這種制造方法卻沒有傳統(tǒng)方法那樣的低生產(chǎn)率。也存在對于具有這種通道的葉片翼面和其它透平機零件的需求。
發(fā)明概述本發(fā)明提供在透平機零件上制造小通道的可靠方法。本方法包括提供具有槽的基體；用填充材料填充槽；將蒸發(fā)物沉積在基體和填充材料的表面；去除填充材料。雖然本方法用于制造葉片翼面和其它透平機零件，但也可用于制造需要通道的制件。
在本發(fā)明的推薦實踐中，提供了具有大量緊靠透平機零件表面的小通道的透平機零件。這些通道使冷卻介質(zhì)能夠流過以便冷卻零件。
附圖簡介

圖1A至1E為根據(jù)本發(fā)明在透平葉片鑄件上制造通道的各階段視圖。
圖2為傳統(tǒng)蒸發(fā)處理設(shè)備的原理圖。
圖3A為具有根據(jù)本發(fā)明所制造通道的透平機零件正視圖。
圖3B為沿圖3中3B線剖切的剖面圖。
圖3C為沿圖3中3C線剖切的剖面圖。
圖4為具有根據(jù)本發(fā)明所制造通道的透平風(fēng)扇的視圖。
對推薦實施例的詳細(xì)說明為簡化起見，本發(fā)明將在透平機葉片的范圍內(nèi)來說明。然而，本發(fā)明可應(yīng)用于任何透平機零件。這里和所附權(quán)利要求中所用“透平機零件”這一術(shù)語，包括透平葉片、透平風(fēng)扇、透平轉(zhuǎn)換導(dǎo)管、以及其它需要冷卻的零件。
現(xiàn)在參看附圖，附圖中相同的字符在各圖中表示相應(yīng)的相同裝置，圖1A至圖1E為一透平葉片鑄件的根據(jù)本發(fā)明的制造方法的各步驟的局部視圖。圖3和4示出了具有上述通道的整個透平零件。參看圖1A，透平葉片的基體12a具有基體表面16a，如圖所示。雖然表面16a在圖1A至1E中均表示為平面，根據(jù)本發(fā)明的方法同樣實用于曲面，如圖3C所示。
參看圖1B，數(shù)個槽11在基體表面16a上制成。槽既可以在透平葉片的基體16a上加工出，也可在鑄造透平葉片時將槽11鑄成。
因為槽，也就是最終的通道，可容易地用這些方法制成，流體通道的壓力損失可以減至最小，這可以通過正確地確定通道總截面面積的大小和使通道制成平滑的壁而沒有劇烈的彎曲來實現(xiàn)。于是，槽11的尺寸和數(shù)量可取決于特定應(yīng)用的設(shè)計特征。例如，在本發(fā)明的實踐中，一工業(yè)燃汽透平葉片上的槽11可小至大約0.080英寸寬和0.080英寸深。另一個說明本發(fā)明實踐的例子是，每一槽11的中心線13的距離可設(shè)置成小至0.160英寸。
參看圖1C，槽11中充填填料14，該填料可用諸如陶瓷材料或金屬鹽材料。不過，最好用陶瓷材料充填槽。槽11充填后，將填料表面18和基體表面16a拋光，拋光同時暴露了基體表面16a，并使填料表面18本質(zhì)上具有與基體表面相一致的類似傾斜度和形狀。于是，拋光準(zhǔn)備了用于蒸發(fā)物17沉積的透平葉片表面。
傳統(tǒng)的汽相處理設(shè)備如圖2所示。蒸發(fā)物17是在沉積室19內(nèi)由電子束24生成。由傳統(tǒng)的電子槍26激發(fā)的電子束24撞擊在蒸發(fā)材料22的表面，如圖1D所示。蒸發(fā)物17沉積在放置在沉積室19內(nèi)的填料表面18和透平葉片基體表面。最好，透平葉片是用機器人控制以便形成均勻的皮層20a、20b、20c、20d的厚度。適當(dāng)?shù)钠嗵幚砜捎蒀hromalloy Gas Turbine Corp.的子公司Chromalloy TurbineTechnologies實施，該子公司的地址為105 Tower Drive，Middletown，NY 10940；和由Interturbine實施，其地址為1170-111th Street，Grand Prairie，TX 75050.
皮層20a、20b、20c、20d相對于其它翼面尺寸可能薄。例如，皮層20a、20b、20c、20d的厚度，與數(shù)英寸的長翼面弦長比較起來，可能大約為0.025英寸至0.030英寸，如圖3C所示。皮層20a、20b、20c、20d最好用與基體12a、12b、12c、12d相同的合金鋼制成。不過本發(fā)明提供不同于基體12a、12b、12c、12d材料制成的皮層20a、20b、20c、20d。
皮層20a在基體表面16a和填料表面18上制成后，將填料14從槽中除去。在推薦的方法中，除去填料14是通過將其暴露在一種腐蝕性溶液中實現(xiàn)的。用腐蝕溶液除去填充材料14的方法，在熔模鑄造法技術(shù)中是眾所周知的。這些方法包括使用一種低溫或高溫氫氧化鉀鹽浴槽，或者蒸壓釜。當(dāng)填料14從槽11中去除后，皮層20a和基體12a保留下來以形成通道10a，如圖1E所示。
在推薦實施例中，皮層20a、20b、20c、20d的厚度是設(shè)計成能經(jīng)受壓力冷卻介質(zhì)流經(jīng)通道10a、10b、10c、10d所產(chǎn)生的應(yīng)力，和皮層20a、20b、20c、20d與基體12a、12b、12c、12d膨脹差所固有的應(yīng)力。
現(xiàn)在參看圖3A，一作為例子的透平葉片裝配體30如圖所示，該透平葉片具有翼面部32、平臺34和根36。葉片裝配體30通過根36裝配在透平轉(zhuǎn)子輪緣35的相應(yīng)槽中。翼面32包括進氣邊40、出氣邊42、凹面44和凸面46。根據(jù)本發(fā)明，數(shù)個翼面通道10b設(shè)置在一翼面皮層20b下面。如圖3C所示，翼面通道10b可能沿翼面32周邊等距設(shè)置。
參看圖3B，翼面通道10b是設(shè)置在葉片鑄件基體12b內(nèi)。翼面通道10b與根通道38壓力連通，或與翼面芯48壓力連通，或兩者的組合，于是使冷卻介質(zhì)39能流經(jīng)通道10b。最好，透平葉片所用冷卻介質(zhì)39包括壓縮空氣，盡管蒸汽也可能使用。冷卻介質(zhì)39從設(shè)置在翼面32遠(yuǎn)端的孔排出翼面32。(圖中未示出)。
參看圖4，作為例子的，具有根據(jù)本發(fā)明所制成通道的透平風(fēng)扇裝配體50如圖所示。透平風(fēng)扇50具有一翼面部52和兩屏蔽板54a、54b。翼面通道10c設(shè)置在風(fēng)扇基體12c之風(fēng)扇皮層20c下面。此外由本發(fā)明方法制成的屏蔽板通道10d設(shè)置在每一屏蔽板54a、54b的屏蔽板基體12d內(nèi)。屏蔽板通道10d通過貫穿翼面的孔(圖中未示出)與翼面通道10c連通。最好，風(fēng)扇通道10c和屏蔽板通道10d形成一封閉回路，蒸汽從中流過以便冷卻。作為替換，壓縮空氣可用以流經(jīng)此封閉回路以便冷卻。
雖然圖3和4示出的是一種單方向通道，本發(fā)明包括由本方法所制成的徑向、切向和傾斜方向的任何組合的通道。此外，應(yīng)當(dāng)理解，盡管本發(fā)明的眾多特征與優(yōu)點，連同本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)和功能，在上述說明中已經(jīng)陳述，但是，所公開的僅僅是作為說明，在本發(fā)明原則范圍內(nèi)，在所附權(quán)利要求廣泛意義所表明的整個范圍內(nèi)，其細(xì)節(jié)可以更改，特別是可以修改形狀、尺寸、零件設(shè)置、通道和方法。
權(quán)利要求
1.一種在制件內(nèi)制造通道的方法，包括下列步驟(a)提供一基體，該基體具有一基體表面，該基體表面上具有數(shù)個槽；(b)對至少一槽的至少一部分充填一種填料，此填料具有一表面；(c)形成一蒸發(fā)劑的汽化物；(d)將汽化物沉積在基體表面和填料表面，從而在表面上形成一皮層；和(e)從至少一槽中除去填料而留下本質(zhì)上完整的皮層，于是在基體內(nèi)形成至少一通道，該通道能適合于一種冷卻介質(zhì)從中流過，以便從基體和皮層帶走熱量。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，提供具有數(shù)個槽的基體的步驟包括下列步驟之至少一步驟鑄造具有槽的基體；和，在基體上加工出槽。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，基體包括一透平機零件。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，填料由包括陶瓷材料和金屬鹽材料之一制成。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，皮層是制成橫跨于基體表面和填料表面上，并具有本質(zhì)上均勻的厚度。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括拋光基體表面和拋光填料表面至具有本質(zhì)上相似的傾斜度和形狀的步驟，以提供沉積汽化物的平滑輪廓。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，汽化物由電子束直接撞擊蒸發(fā)劑而生成。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，去除填料的步驟包括用腐蝕性溶液溶解填料。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，蒸發(fā)劑包括與基體材料本質(zhì)上相似的材料。
10.一種透平機零件，該透平機零件包括基體，該基體具有基體表面；皮層，該皮層設(shè)置在基體表面至少一部分的頂面；和數(shù)個通道，該通道設(shè)置在基體表面和皮層內(nèi)，用于使冷卻介質(zhì)流過該通道，以便從基體和皮層帶走熱量，此通道至少由下列步驟制成(a)在基體表面提供數(shù)個槽；(b)對至少一槽的至少一部分充填一種填料，此填料具有一表面；(c)形成一蒸發(fā)劑的汽化物，并將基體表面暴露在汽化物中；(d)將汽化物沉積在基體表面和填料表面，從而在表面形成一皮層；和(e)從至少一槽中除去填料而留下本質(zhì)上完整的皮層，于是在基體內(nèi)形成至少一通道，該通道能適合于一種冷卻介質(zhì)從中流過。
11.如權(quán)利要求10所述的透平機零件，其中槽由包括下列步驟之至少一步驟制造鑄造具有槽的基體；和，在基體上加工出槽。
12.如權(quán)利要求10所述的透平機零件，其中，填料由包括陶瓷材料和金屬鹽材料之一制成。
13.如權(quán)利要求10所述的透平機零件，其中，皮層是制成橫跨于基體表面和填料表面上，并具有本質(zhì)上均勻的厚度。
14.如權(quán)利要求10所述的透平機零件，還包括拋光基體表面和拋光填料表面至具有本質(zhì)上相似的傾斜度和形狀的步驟，以提供沉積汽化物的平滑輪廓。
15.如權(quán)利要求10所述的透平機零件，其中，生成汽化物的步驟還包括由電子束直接撞擊蒸發(fā)劑而使蒸發(fā)劑汽化。
16.如權(quán)利要求10所述的透平機零件，其中，去除填料的步驟包括用腐蝕性溶液溶解填料。
17.如權(quán)利要求10所述的透平機零件，其中，皮層由與基體材料組份本質(zhì)上相似的材料制成。
全文摘要
公開了一種在透平機零件內(nèi)制造大量小通道的方法。此方法包括:提供一具有槽的透平機零件基體;用填料充填槽;將汽化物沉積在基體和填料的表面;和去除填料。此方法能夠制造設(shè)置在緊靠零件表面的小通道而不像傳統(tǒng)方法制造透平機零件那樣的低生產(chǎn)率。也公開了具有用于冷卻小通道的透平機零件。這種通道可減小冷卻介質(zhì)流過時的壓力損失。
文檔編號F01D5/18GK1250487SQ98803447
公開日2000年4月12日 申請日期1998年3月3日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月17日
發(fā)明者巴里·李·麥金利 申請人:西門子西屋動力公司