[发明专利]具有激光熔覆的部件以及制造方法

说明书

技术领域

本发明大体涉及燃气涡轮发动机，更确切地说，涉及燃气涡轮发动机中的微通道冷却。

背景技术

在燃气涡轮发动机中，空气在压缩机中压缩，随后在燃烧室中与燃料混合，以生成热燃烧气体。从高压涡轮机(HPT)中的气体中获得的能量可驱动压缩机，从低压涡轮机(LPT)中的气体中获得的能量可驱动涡轮风扇式飞机发动机应用中的风扇，或可驱动船舶和工业应用中的外轴。

发动机效率随燃烧气体温度的升高而增加。但是，燃烧气体会沿着其流路加热多个部件，因此，需要进行冷却以延长发动机的寿命。通常情况下，热气路径部件由从压缩机中排出的空气进行冷却。由于排出的空气并未用于燃烧过程中，因此，该冷却过程降低了发动机效率。

燃气涡轮发动机冷却技术已较为成熟，且包括针对各种热气路径部件中冷却回路和特征的各个方面的多项专利。例如，燃烧室包括径向外部和内部衬套(liner)，所述衬套在操作过程中需要冷却。涡轮机喷嘴包括支撑在外带(outer band)与内带(inner band)之间的中空轮叶，所述中空轮叶也需要进行冷却。涡轮机转子叶片是中空的，其中通常包括冷却回路，且叶片由涡轮机防护罩环绕，所述叶片同样需要进行冷却。热燃烧气体经由排气装置排出，所述排气装置也可设有衬套且进行适当的冷却。

在所有此类示例性燃气涡轮发动机部件中，通常使用由高强度超合金(superalloy)金属构成的薄壁来降低部件重量，并最小化此类部件的冷却需求。各种冷却回路和特征可针对在发动机中处于相应环境中的这些单独部件进行适当调整。例如，可在热气路径部件中形成一系列内部冷却通道，或蛇形通道(serpentines)。冷却流体可从增压室(plenum)提供给蛇形通道，且所述冷却流体可流过所述通道，从而冷却热气路径部件的基底和任何相关的涂层。但是，这种冷却策略通常导致传热速率相对较低，且部件温度分布不均。

通过使冷却尽可能接近受热区域，微通道冷却可能显著降低冷却需求，从而在传热速率给定的情况下，降低主承载基底材料的热侧与冷测之间的温差。

除了冷却网络之外，热气部件还通常涂有各种保护涂层以增加使用寿命。例如，结构涂层、粘结层和热障涂层可用来保护部件免受热应力和机械应力。最初的结构涂层可包括热等离子体喷涂或等离子体沉积合金。然而，热喷涂涂层尤其并不完全致密，且目前并不用于对涡轮翼型片中的微冷却通道进行涂覆以彻底桥接通道开口，因而对耐久性构成风险。

因此，需要提供一种更强的覆盖材料和工艺，以提高对微通道冷却基底的粘结。

发明内容

本发明的一方面在于一种制造方法，所述制造方法包括使用研磨液射流(abrasive liquid jet)，以在基底的外表面中形成一个或多个凹槽(groove)。每个凹槽具有底部和开口，并且至少部分的沿所述基底的所述外表面延伸。所述基底具有内表面，该内表面设有至少一个中空的内部空间。所述制造方法进一步包括：使用激光熔覆(laser clad)工艺以将激光熔覆材料涂在相应凹槽的开口上，以便至少部分构成一个或多个通道，以用于对部件进行冷却；以及将涂层置于所述基底的所述外表面的至少一部分上以及所述激光熔覆材料上。

本发明的另一方面在于一种制造方法，所述制造方法包括在基底的外表面中形成一个或多个凹槽。每个凹槽具有开口，并且至少部分的沿所述基底的所述外表面延伸。所述基底具有内表面，该内表面设有至少一个中空的内部空间。所述制造方法进一步包括：加工所述基底的所述外表面，以使相应凹槽附近的表面塑性变形，从而减少跨过所述开口的距离；以及使用激光熔覆工艺以将激光熔覆材料涂到相应一个或多个凹槽的开口上，以便至少部分构成一个或多个通道，以用于对部件进行冷却。所述制造方法进一步包括将涂层置于所述基底的所述外表面的至少一部分上以及所述激光熔覆材料上。

本发明的又一方面在于一种制造方法，所述制造方法包括将结构涂层的内层沉积在基底的外表面上，从而至少部分的在内部结构涂层中形成一个或多个凹槽。每个凹槽具有开口，并且至少部分的沿部件延伸。所述基底具有内表面，该内表面设有至少一个中空的内部空间。所述制造方法进一步包括：使用激光熔覆工艺以将激光熔覆材料涂到相应一个或多个凹槽的开口上，以便至少部分构成一个或多个通道，用于对所述部件进行冷却；以及将所述结构涂层的外层置于所述结构涂层的所述内层的至少一部分上以及所述激光熔覆材料上。