CN102644483A - 带有近表面冷却通路的涡轮构件及其方法 - Google Patents

带有近表面冷却通路的涡轮构件及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及带有近表面冷却通路的涡轮构件及其方法，具体而言，涉及一种用于在空气冷却式涡轮机构件中形成近表面冷却通路的方法。该方法需要在构件的表面区域中形成通道使得该通道在表面处开口并且流体连接到构件内的第一冷却通路上。然后将金属层沉积在表面上并沉积在通道上方而不填充通道。金属层在表面区域的表面处封闭通道，以与该通道在构件内限定流体连接到第一冷却通路上的第二冷却通路。然后将涂层***沉积在金属层上，以限定构件的最外表面。第二冷却通路比第一冷却通路更靠近构件的最外表面。

Description

带有近表面冷却通路的涡轮构件及其方法
技术领域
本发明涉及在高温下操作的构件，例如涡轮机的涡轮翼型件构件。更具体而言，本发明涉及一种在高温构件中形成近表面冷却通道以促进构件的热传递特性的方法。
背景技术
涡轮机的构件，例如工业和飞行器燃气涡轮发动机的轮叶(叶片)、喷嘴(导叶)和其它热气路径构件，典型地由具有用于涡轮工作温度和条件的期望机械特性和环境特性的镍基、钴基或铁基超合金形成。由于涡轮机的效率取决于其工作温度，所以需要诸如涡轮轮叶和喷嘴之类的构件能够耐受越来越高的温度。当超合金构件的最高局部温度接近超合金的熔点时，强制空气冷却变得必要。为此，燃气轮机轮叶和喷嘴的翼型件常需要复杂的冷却方案，其中迫使典型地为排气(bleedair)的空气通过翼型件内的内部冷却通路，然后在翼型件表面处通过冷却孔排放，以从该构件传递热量。冷却孔还能够构造为使得冷却空气用于对构件周围的表面进行薄膜冷却。
通过铸造工艺形成的轮叶和喷嘴需要型芯来限定内部冷却通路。型芯和它们在铸造工艺过程中移位的可能性限制了常规的铸造工艺能够将冷却通路定位在构件外表面附近的范围。结果，冷却通路典型地位于铸造的涡轮轮叶或喷嘴的基础金属面下方约0.1英寸(约2.5毫米)或更远处。然而，如果冷却通路能够布置成比当前可能的更靠近表面，则能够显著提高热传递效率。
发明内容
本发明提供一种用于在空气冷却式涡轮机构件中形成一个或更多近表面冷却通路的方法，该涡轮机构件的知名但非限制性的实例包括燃气轮机的轮叶(叶片)、喷嘴(导叶)、护罩和其它热气路径构件。
根据本发明的第一方面，该方法需要在构件的表面区域的表面中形成通道，使得该通道在表面处开口并且流体连接到构件内的第一冷却通路。然后将金属层沉积在表面上并在该通道上方而不填充该通道。金属层在表面区域的表面处封闭通道，以与该通道一起在构件内限定出第二冷却通路，该第二冷却通路流体连接到第一冷却通路上并且比第一冷却通路更靠近金属层的外表面。然后将涂覆***沉积在金属层上，以限定该构件的最外表面。第二冷却通路比第一冷却通路更靠近构件的最外表面。
本发明的另一方面是一种通过包括上述步骤的方法形成的构件。
本发明的技术效果是将冷却通路布置在铸造构件内的能力，该冷却通路比在铸造工艺过程中使用型芯形成的冷却通路更靠近构件表面。因此，本发明具有显著提高构件、特别是位于燃气涡轮发动机的热气路径中的空气冷却式涡轮机构件的热传递效率的能力。
本发明的其它方面和优点将从以下详细描述而变得更好理解。
附图说明
图1是能够受益于本发明的类型的高压涡轮轮叶的透视图。
图2呈现了图1的轮叶的表面区域的局部截面图，并且描绘了根据本发明的实施例在表面区域的表面中限定的多个通道。
图3是呈现沉积在图2的通道上方的层的截面图。
图4是呈现图3的层中的镀铝表面区域的截面图。
图5是呈现沉积在图4的层中的镀铝表面区域上的粘合涂层和热障涂层的截面图。
图6是表示直接沉积在图4的层中的镀铝表面区域上的热障涂层的截面图。
部件列表
10    轮叶    110
12    翼型件  112
14    燕尾榫  114
16    平台    116
18    孔      118
20            120
22    区域    122
23    通道    123
24    表面    124
26    通路    126
28    通路    128
30    层      130
32    表面    132
34    材料    134
36    区域    136
38    涂层    138
40    涂层    140
42    涂层    142
44    表面    144
具体实施方式
本发明总体适用于在特征为相对高的温度的环境内工作的构件，并且特别适用于其最高表面温度接近形成该构件的材料的熔点从而必须使用强制式空气冷却来降低构件表面温度的构件。此类构件的知名实例包括涡轮机如工业或飞行器燃气涡轮发动机的高压和低压涡轮轮叶(叶片)、喷嘴(导叶)、护罩和其它热气路径构件。
涡轮轮叶10的非限制性的实例在图1中示出。轮叶10一般包括翼型件12，热燃烧气体在燃气涡轮发动机运行期间对着该翼型件被引导，并且该翼型件的表面因此面临很高的温度。翼型件12示出为构造成锚固到带有形成在轮叶10的根部区段上的燕尾榫14的涡轮盘(未示出)上，该燕尾榫通过平台16与翼型件12分开。翼型件12包括冷却孔18，经轮叶的根部区段进入轮叶10的排气被迫使通过冷却孔18以从轮叶10传递热量。虽然将参考图1中所示的轮叶10来描述本发明的优点，但本发明的教导通常适用于工业和飞行器燃气涡轮发动机的其它热气路径构件以及面临极端温度的各种其它构件。
图2示出轮叶10的外表面区域22，例如图1中的翼型件12或翼型件12的平台16的表面区域。表面区域22典型地是轮叶10的基材，例如镍基、钴基或铁基超合金，其知名但非限制性的实例包括镍基超合金，例如GTD-(通用电气公司)、GTD-
Figure BSA00000644655600042
(通用电气公司)、IN-738、IN-738、René105和René108。轮叶10可形成为各向等大、定向固化(DS)或单晶(SX)铸件，以承受其在燃气涡轮发动机内面临的高温和应力。适合生产轮叶10的熔化和铸造工艺是众所周知的，因此在此不进行任何详细的论述。
图2还示出了已被限定在表面区域22中的多个通道23，使得通道23在区域22的表面24处开口。通道23随后将在轮叶10内限定出近表面冷却通路(图5和6)，且因此希望通道23具有充足的截面积以允许诸如压缩机排气之类的冷却空气流经其中。例如，通道23优选具有高达约0.1英寸(约2.5mm)的宽度和深度(分别平行和垂直于表面24)，且典型范围为约0.01至约0.050英寸(约0.25至约1.25mm)，尽管更小和更大的温度也是可能的。此外，通道23优选具有高达约0.01in2(约6.5mm2)例如约0.0001至约0.0025英寸(约0.065至约1.6mm2)的截面积。通道23被表示为具有矩形截面，尽管可以预见能够为通道23实现矩形以外的截面形状。然而，矩形截面将通过各种方法产生，通过这些方法能够容易地在表面区域22中限定出通道23，例如铣削、线切割(wire EDM)、电火花铣削(milled EDM)、水射流切槽(waterjet trenching)和激光切槽。通道23被表示为形成为多组，一组的单独通道彼此比相邻组的通道更靠近。然而，此构造不是必需的，并且可设想其它构造。
通道23形成在区域22的表面24中，以便流体联接到位于表面24下方更深处的一个或更多冷却通路28(其中一个在图2-6中示出)上，如图2中所示。冷却通路28通过轮叶10的根部区段中的一个或更多开口(未示出)接收诸如压缩机排气之类的冷却空气，然后将冷却空气供应给通道23及冷却孔18。因此，各冷却通路28优选具有比任何一个通道23更大的截面积。冷却通路28能够通过常规方法形成，例如，利用用来铸造轮叶10的传统铸造方法中采用的型芯。冷却通路28相对于轮叶10的铸造表面24和最终通过轮叶10上的涂层形成的任何最外表面的接近度受在铸造工艺过程中精确地安放型芯并维持其位置的能力限制，并且在大部分情况下将与铸造表面24相距约0.1英寸(约2.5毫米)或更大。
图3示出在铸造表面24及其通道23上涂敷一层30以在表面24处封闭通道23的结果。层30能够涂敷在轮叶10的任何部分并且特别是轮叶10的任何外表面上方，不过也可能采用掩模技术(maskingtechnique)使得层30刚好涂敷在通道23形成在其中的轮叶10的那些表面上。如从图3显而易见的，通道23和层30配合而限定轮叶10内部的通路26。由于通道23仅通过层30的厚度与层30的表面32分开，所以通路26比冷却通路28更靠近层30的表面32，通过冷却通路28给通路26供给冷却空气。
层30优选通过镀层法涂敷，以紧密地粘附于表面24。值得注意的镀层技术包括电镀和化学镀层，这些技术是众所周知的，因此不需要任何详细的论述。为了避免镀层材料沉积在通道23中，图3还将通道23表示为被填充有填料或掩模材料34。掩模材料34在层30的沉积过程中存在，但另外在将轮叶10投入使用前在通路26中不存在。因此，掩模材料34优选能够在层30已沉积之后的某个点被去除，例如通过熔化掩模材料34。用于此目的的合适的材料的非限制性实例包括蜡、石墨和能够填充通道23并且能够在其上方镀层同时保持通过化学或热处理去除的其它材料。因此，可以预见可开发或者以其它方式确定用作掩模材料34的各种材料。据信镀层法就它们避免了过早熔化掩模材料34的相对低的处理温度、对相对复杂的形状的表面进行镀层的能力、精确地控制沉积层30的厚度的能力和能够通过镀层沉积的材料的多样性而言是用于沉积层30的优选方法。然而，可以采用某些等离子喷涂技术或钎焊技术来形成层30。
层30的组分优选与表面区域22的材料在化学上和物理上相容。因此，如果表面区域22由镍基超合金形成，则用于层30的特别值得注意的材料为镍、含镍合金或镍基合金。例如，镍能够通过这样一种方法来沉积，即，能够通过该方法将其它元素的粒子分散在镍基基质中。美国公布专利申请No.2003/0211239中教导了一种这样的方法，通过该方法，铬、铝、锆、铪、钛、钽、硅、钙、铁、钇和/或镓的粒子能够通过镀层法结合到镍、钴和/或铁的镀层中。能够通过镀层法生产的理想含镍合金为MCrAlY型涂层，例如NiCoAlY。层30的厚度影响冷却空气流过通路26以冷却暴露于热气路径的轮叶10的外表面的能力。因此，层30的厚度典型地将是约0.01英寸(约250微米)或更小，尽管更大的厚度是可预见的。层30的厚度还将影响表面区域22的结构完整性，因此该层30的最低厚度典型地将是约0.005英寸(约125微米)。虽然层30的组分将决定其强度和导热率，但相信在约0.005至约0.01英寸(约125至约250微米)范围内的厚度典型地将是合适的。
图4示出了从通路26去除掩模材料34并对层30的表面32镀铝以在层30的表面32内形成含铝区域36的结果。区域36可称为富含铝的，意味着区域36比区域36形成在其中的衬底包含更多铝(以原子百分比计)。镀铝法沉积铝并且同样在层30的表面32上和表面32下方形成铝化物(铝金属间化合物)。能够使用各种方法来形成含铝区域36，其实例包括美国公布专利申请No.2009/0214773和No.2009/0126833中公开的方法，尽管能够类似于用于形成扩散铝化物粘合涂层和环境涂层的方法来使用各种其它扩散铝化物方法。
层30的表面32的镀铝由于与图5和6中示出的涂层***有关的若干原因而是可选但优选的步骤。在图5中，将粘合涂层38表示为已直接沉积在含铝区域36上，接着将热障涂层(TBC)40沉积在粘合涂层38上。在图6中，将热障涂层42表示为已直接沉积在含铝区域36上而不包括介于中间的粘合涂层。用于热障涂层40和42的典型但非限制性的材料是陶瓷材料，其知名的实例是使用氧化钇(YSZ)或另一种氧化物如氧化镁、氧化钪、二氧化铈和/或氧化钙以及可选地其它氧化物进行部分或完全稳定以减小导热率的氧化锆。热障涂层40和42被沉积到一定厚度，该厚度足以为轮叶10的下方表面区域22提供期望的热保护水平，该厚度的大小一般为约75至约300微米，尽管更小或更大的厚度也是可能的。
如对于用于燃气涡轮发动机的构件的TBC***典型的那样，粘合涂层38优选是含铝复合物，例如，诸如MCrAlX(其中M是铁、钴和/或镍，而X是钇、稀土金属和/或活性金属)的覆盖涂层，尽管也可预见使用其它粘合涂层复合物。诸如MCrAlX之类的含铝粘合涂层自然地形成铝氧化物(氧化铝)垢体(未示出)，该垢体能够抑制其覆盖的表面(例如层30的表面32)的氧化，并且能够将热障涂层40化学地粘合于粘合涂层38上。特别合适的MCrAlX涂层材料典型地包含约5重量％或以上的铝，尽管也可使用含有低于5重量％的铝的MCrAlX涂层。粘合涂层38典型地具有约12至约75微米的厚度，尽管更小或更大的厚度也是可能的。粘合涂层38能够通过各种方法来沉积，例如物理汽相沉积(PVD)法和热喷涂，且据信优选的方法是热喷涂法，例如等离子喷涂、HVOF(高速火焰喷涂(high velocity oxy-fuel))和电弧喷涂。
如果层30不包含任何铝，例如，镍或镍合金，则粘合涂层38内的铝倾向于扩散到层30中，从而耗尽粘合涂层38中的铝含量。最终，会充分地耗尽粘合涂层38内的铝的含量而进一步阻止保护性垢体的缓慢生长，从而允许非保护性氧化物更快速的生长并从而降低粘合涂层38给表面区域22提供抗氧化性并粘附热障涂层40的能力。因此，通过在层30的表面32内形成含铝区域36，减小了促进铝从粘合涂层38扩散的化学梯度。
在图6的实施例中，含铝区域36代替了图5的粘合涂层38，并且在区域36上生长的铝垢提供了抗氧化性并且促进了热障涂层42的粘附。在此实施例中，含铝区域36优选通过扩散法沉积以包含铂铝化物(PtAl)金属间化合物。
热障涂层40和42在图5和6中被表示为具有不同结构。图5中示出的涂层40通过诸如空气等离子喷涂(APS)之类的热喷涂法沉积，通过该方法，软化的粒子作为“层片(splat)”沉积在由粘合涂层38形成的沉积表面上，并导致具有非柱状、不规则的平整晶粒和一定程度的不均质性和多孔性的涂层40。这种类别的热障涂层包括称为密集垂直裂化(dense vertically cracked)(DVC)TBC的涂层，其通过等离子喷涂沉积以具有垂直微裂纹，从而改善耐久性，如美国专利No.5830586、5897921、5989343和6047539中所报道的。另一方面，图6中示出的涂层42通过PVD法如电子束物理汽相沉积(EBPVD)沉积，该方法产生能够在不产生引起裂变(spallation)的破坏性应力的情况下膨胀和收缩的柱状晶体结构。备选地，图6的涂层42能够通过也称为真空等离子喷涂(VPS)的低压等离子喷涂(LPPS)法作为薄膜沉积。
作为上述方法步骤的结果，轮叶10内由通道23和层30限定的通路26是比在轮叶10的铸造过程中通过常规的型芯法形成的冷却通路28更靠近轮叶10的最外表面44(由热障涂层40或42中的一者限定)的近表面冷却通路26。开口(未示出)可形成在通路26中，来自通路28的冷却空气经通路26***到轮叶10的外部，或者通路26可流体连接到翼型件12中存在的冷却孔18上。由于每个通路26与最外表面44之间的距离由层30、粘合涂层38(如果存在的话)和热障涂层40和42决定，并且这些层的组合厚度能够通过它们各自的沉积法来控制，所以通路26能够位于轮叶10的最外表面44下方约两毫米或更近处，更优选例如最外表面44下方约一毫米或更近处，并且甚至能够位于轮叶的最外表面44下方约200微米或更近处，这些距离中的每一个都显著小于对于利用传统的铸造方法通过型芯形成的常规的冷却通路28而言可能的距离。因此，通路26与冷却通路28相比能够显著提高轮叶10的热传递效率。
虽然已就特定实施例描述了本发明，但显而易见的是，本领域技术人员能够采用其它形式。因此，本发明的范围仅通过所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种在涡轮机的热气路径构件(10)中设置冷却通路(26，28)的方法，所述方法包括：
在所述构件(10)的表面区域(22)的表面(24)中形成通道(23)，所述通道(23)在所述表面(24)处开口并且流体连接到所述构件(10)内的第一冷却通路(28)上；
将金属层(30)沉积在所述表面(24)上并沉积在所述通道(23)上方而不填充所述通道(23)，所述金属层(30)在所述表面区域(22)的表面(24)处封闭所述通道(23)，以与所述通道在所述构件(10)内限定第二冷却通路(26)，所述第二冷却通路流体连接到所述第一冷却通路(28)上并且比所述第一冷却通路(28)更靠近所述金属层(30)的外表面(32)；以及
将涂层***(34，40；42)沉积在所述金属层(30)上，所述涂层***(34，40；42)限定所述构件(10)的最外表面(44)，所述第二冷却通路(26)比所述第一冷却通路(28)更靠近所述构件(10)的所述最外表面(44)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二冷却通路(26)与所述构件(10)的所述最外表面(44)相距不超过两毫米。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在沉积所述金属层(30)的步骤之前将掩模材料(34)沉积在所述通道(23)中；以及
在沉积所述金属层(30)的步骤之后从所述通道(23)去除所述掩模材料(34)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述金属层(30)具有选自由镍、含镍合金和镍基合金组成的群组的复合物。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在将所述涂层***(34，40；42)沉积在所述金属层(30)上之前对所述金属层(30)的外表面(32)镀铝以在所述外表面(32)中形成含铝区域(36)的步骤。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述涂层***(34，40)包括沉积在所述金属层(30)上的金属粘合涂层(34)和沉积在所述粘合涂层(34)上的陶瓷涂层(40)。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述涂层***(42)包括直接沉积在所述金属层(30)上的陶瓷涂层(42)。
8.一种涡轮机的热气路径构件(10)，所述构件(10)包括：
在所述构件(10)的表面区域(22)的表面(24)中的通道(23)，所述通道(23)流体连接到所述构件(10)内的第一冷却通路(28)上；
在所述表面(24)上并在所述通道(23)上方而不填充所述通道(23)的金属层(30)，所述金属层(30)在所述表面区域(22)的所述表面(24)处封闭所述通道(23)，以与所述通道在所述构件(10)内限定第二冷却通路(26)，所述第二冷却通路流体连接到所述第一冷却通路(28)上并且比所述第一冷却通路(28)更靠近所述金属层(30)的外表面(32)；以及
在所述金属层(30)上的涂层***(34，40；42)，所述涂层***(34，40；42)限定所述构件(10)的最外表面(44)，所述第二冷却通路(26)比所述第一冷却通路(28)更靠近所述构件(10)的所述最外表面(44)。
9.根据权利要求8所述的热气通路构件(10)，其特征在于，所述第二冷却通路(26)与所述构件(10)的所述最外表面(44)相距不超过两毫米。
10.根据权利要求8或9所述的热气通路构件(10)，其特征在于，所述构件(10)是涡轮轮叶或涡轮喷嘴。
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