專(zhuān)利名稱(chēng)：在工件中孔的內(nèi)表面上提供紊流結(jié)構(gòu)的方法和相關(guān)工件的制作方法
背景技術(shù)：
概括地說(shuō)，本發(fā)明涉及在高溫零件中提高冷卻效率的方法。在某些更具體的實(shí)施方案中，本發(fā)明旨在向渦輪機(jī)零件(turbine engine components)中冷卻孔的內(nèi)表面上提供粗糙部分。
當(dāng)前有多種技術(shù)可用于保持渦輪機(jī)零件的溫度低于臨界值。例如，來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮機(jī)的冷卻空氣通常沿著一個(gè)或多個(gè)零件表面直接通過(guò)零件。而且，較長(zhǎng)的徑向冷卻孔通常鉆通渦輪機(jī)葉片，以用作冷卻空氣的導(dǎo)管。
徑向冷卻孔通常是由“異型管電解加工”或“STEM鉆孔”工藝形成的。STEM工藝是一種電化學(xué)加工技術(shù)，該技術(shù)尤其適用于鉆具有大深徑比的小孔。這種工藝的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是，它可用于向冷卻孔的內(nèi)表面上提供粗糙部分。該粗糙部分極大地提高了通過(guò)該孔的傳熱。在各種參考文獻(xiàn)中都提到了STEM鉆孔，例如在US專(zhuān)利5,927,946和5,820,744。
簡(jiǎn)要地說(shuō)，STEM系統(tǒng)經(jīng)常使用一個(gè)或多個(gè)帶負(fù)電荷的鈦管，酸電解液和帶正電荷的基體或工件(article)。電解液被泵送到基體中，并能溶解冷卻孔預(yù)先選定的通道中的金屬。為了在孔中產(chǎn)生粗糙部分，電解液的噴射，隨著孔深度的增加，而間歇地停止。這種間歇式行為導(dǎo)致沿著冷卻孔的孔深的方向形成突起。這些突起提供了提高傳熱所需要的粗糙部分和表面區(qū)域。
盡管STEM鉆孔在許多方面是有用的技術(shù)，但它也有一些缺點(diǎn)。例如，該工藝非常慢。因此，當(dāng)要鉆大量的孔時(shí)，所需要的大量時(shí)間導(dǎo)致高加工成本。所需要的設(shè)備也是非常昂貴的。而且，STEM鉆孔能產(chǎn)生蝕刻碎屑，如沒(méi)有適時(shí)地清除，這些碎屑能降低孔內(nèi)的傳熱效率。而且，STEM鉆孔有時(shí)在通道孔表面上產(chǎn)生不一致的粗糙圖案，這也對(duì)傳熱效率有不好的影響。
因此，在該領(lǐng)域中，向工件的通道孔表面上提供紊流結(jié)構(gòu)的新方法受到歡迎。該方法應(yīng)能夠?qū)⑽闪鹘Y(jié)構(gòu)固定到孔壁的任意選擇的區(qū)域上。而且，該方法應(yīng)允許操作者改變所要求的紊流結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸和圖案及其組成。該方法還可以與任何其它在工件中使用的工藝相配合，而不會(huì)給其制造增加額外的成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案提出一種向至少一個(gè)通道孔的內(nèi)表面上提供紊流結(jié)構(gòu)的方法。通道孔可位于各種不同的工件中。一個(gè)重要的例子是渦輪機(jī)零件中某些部分的冷卻孔的布置方式，例如延伸穿過(guò)渦輪機(jī)葉片的徑向冷卻孔。(此處，“孔”包括工件中的各種內(nèi)部區(qū)域或間隙，包括凹槽和空心區(qū)域)。渦輪機(jī)零件通常是由鎳基或鈷基超耐熱合金材料形成的。
首先將紊流結(jié)構(gòu)施加到最后能插入通道孔中的基體(substrate)上。在多個(gè)實(shí)施方案中，基體或“芯軸”是由犧牲材料形成的棒或桿，如下所述。(棒可以是實(shí)心或空心的，在后者的情況下，有時(shí)叫做“管”)。通常包括鎳基或鈷基金屬合金的紊流結(jié)構(gòu)材料能以各種形式施加到基體上。例如，以粉末的形式自由地施加，或作為漿料、金屬箔或帶(例如生焊料帶(green brazetape))的部分。
紊流結(jié)構(gòu)施加到基體上后，基體能插入到通道孔中。將基體插入足夠的程度以使紊流結(jié)構(gòu)鄰近于孔內(nèi)表面的所選的區(qū)域。然后用下述的多種加熱技術(shù)將紊流結(jié)構(gòu)材料熔合到內(nèi)表面上。之后，可用多種技術(shù)從孔中除去犧牲基體。
其它將紊流結(jié)構(gòu)施加到基體上的方法也是構(gòu)成本發(fā)明的一部分。例如，可向基體的表面提供凹槽，凹槽的尺寸與通道孔所需的紊流結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)。凹槽中填充有接合劑(bonding agent)-紊流結(jié)構(gòu)組合物，然后將基體插入通道孔中。在熔合步驟和消除基體之后，紊流結(jié)構(gòu)通過(guò)接合劑保持附著在孔表面上。
此外，較細(xì)的基體(通常是棒或桿)可用作多個(gè)環(huán)的支撐體。這些環(huán)圍繞著棒，其中每個(gè)環(huán)由接合劑-紊流結(jié)構(gòu)組合形成。由犧牲材料所形成的環(huán)沿著基體的長(zhǎng)度方向與接合劑-紊流結(jié)構(gòu)環(huán)交替排列。將基體-環(huán)組件插入通道孔后，可抽出基體，同時(shí)含有紊流結(jié)構(gòu)的環(huán)可熔合到孔壁上。如下所述，可從通道孔中除去犧牲環(huán)。
此外，基體本身就是由接合劑材料形成的金屬箔。紊流結(jié)構(gòu)能施加到箔片上，箔片可切割成足夠的尺寸以裝配到通道孔中。然后可將箔片卷成管，紊流結(jié)構(gòu)設(shè)置在該管的內(nèi)表面上。之后將管插入通道孔中，并熔合在其上，從而使紊流結(jié)構(gòu)接合在孔壁上。
另一個(gè)實(shí)施方案旨在一種工件，包括(I)包含至少一個(gè)通道孔的基體，其中通道孔包括內(nèi)表面；(II)通過(guò)接合劑連接到通道孔內(nèi)表面上的紊流結(jié)構(gòu)材料。本文中所述的工件通常是含有多個(gè)包含紊流結(jié)構(gòu)的徑向冷卻孔的渦輪機(jī)零件。
說(shuō)明書(shū)的余下部分將對(duì)本發(fā)明的各種特點(diǎn)作更詳細(xì)的介紹。


圖1是已經(jīng)施加紊流結(jié)構(gòu)的圓筒形金屬芯軸的示意圖。
圖2是施加接合劑后，圖1的圓筒形芯軸的橫截面圖(端視圖)。
圖3是有凹槽的圓筒芯軸的側(cè)視圖。
圖4是圖3中芯軸的右視圖。
圖5是凹槽中填充有金屬粘結(jié)劑(binder)材料后圖3的芯軸的示意圖。
圖6是插入通道孔中的圖5的芯軸的示意圖。
圖7示意了除去芯軸后的圖6的通道孔。
圖8是定位在芯軸上的一組紊流結(jié)構(gòu)形成環(huán)的示意圖。
圖9是圖8的右視圖。
圖10是圓筒形芯軸的側(cè)視圖。
圖11是圖10的右視圖。
圖12是定位在芯軸上的一組犧牲環(huán)(Sacrificial rings)的示意圖。
圖13是圖12的右視圖。
圖14是芯軸上已經(jīng)組裝有若干組環(huán)的圖10的芯軸的示意圖。
圖15是圖14的右視圖。
圖16示意了圖14中的環(huán)組件，在除去芯軸后，環(huán)組件將出現(xiàn)在通道孔中。
圖17是圖16的右視圖。
圖18示意了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案，其中紊流結(jié)構(gòu)(turbulation)已經(jīng)施加到由金屬箔形成的圓筒形空心芯軸的內(nèi)表面上。
圖19是已經(jīng)施加紊流結(jié)構(gòu)的超耐熱合金管(superalloy tube)的斷面照片。
圖20包含紊流結(jié)構(gòu)的釬焊板(brazing sheet)的部分截面。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明書(shū)中所描述的通道孔能形成在任何金屬材料或合金中。通常(但不總是)，金屬材料是為諸如超過(guò)1000℃的高溫環(huán)境所設(shè)計(jì)的耐熱合金。正如本文中所定義的，“基于金屬”指主要由金屬或金屬合金形成，但也可以包含一些非金屬材料的材料。
一些耐熱合金是“超耐熱合金”，包括鈷基、鎳基和鐵基合金。在一個(gè)實(shí)施方案中，超耐熱合金是由一種其中鎳或鈷為單一重量比最大的元素所組成的材料。例舉性的鎳基合金包括至少40wt％的Ni和選自由鈷、鉻、鋁、鎢、鉬、鈦和鐵中的至少一個(gè)組分。例舉性的鈷基合金包括至少30wt％的Co和選自鎳、鉻、鋁、鎢、鉬、鈦和鐵中的至少一種。盡管含有通道孔工件的種類(lèi)有多種多樣，但通常是渦輪機(jī)部件的形式，如燃燒室內(nèi)襯、燃燒室圓頂蓋、葉片或輪葉、噴嘴或翼。
紊流結(jié)構(gòu)可由任何材料形成。所述材料剛一熔合在通道孔表面，就形成延伸在表面之外的若干突起。該若干突起表現(xiàn)為粗糙表面。通常，紊流結(jié)構(gòu)材料包括粘結(jié)在通道孔表面上的不連續(xù)微粒的顆粒相。不連續(xù)微粒的顆粒相可以由下面要詳細(xì)描述的粗粉形成。在1999年5月3日提交的未審查U.S.專(zhuān)利申請(qǐng)S.N.09/304,276(代理號(hào)RD-25910)(W.Hasz等)中，也概括地描述了紊流結(jié)構(gòu)材料，本文中引用該申請(qǐng)作為參考。
紊流結(jié)構(gòu)材料通常由類(lèi)似于與含有通道孔的工件的材料而形成。通常，紊流結(jié)構(gòu)粉末包括選自鎳、鈷、鋁、鉻、硅、鐵和銅中的至少一種。該粉末可由用于熱障涂層(TBC)系統(tǒng)的超耐熱合金粘結(jié)涂敷組合物形成。例如，可以是分子式為MCrAl(X)的超耐熱合金組合物，其中M是選自Ni，Co，F(xiàn)e中的一種元素及其組合物；X是選自由Y，Ta，Si，Hf，Ti，Zr，B，C組成的組中的一種元素及其組合物。該MCrAl(X)材料的成分范圍通常為約17.0-23.0％的鉻，約4.5-12.5％的鋁和約0.1-1.2％釔，及余量的M。在一些實(shí)施方案中，紊流結(jié)構(gòu)粉末微粒的平均粒徑在約125微米至4000微米的范圍內(nèi)。在一些優(yōu)選實(shí)施方案中，平均尺寸在180微米至600微米范圍內(nèi)。
在本發(fā)明中，紊流結(jié)構(gòu)施加到預(yù)形成的通道孔上。在大多數(shù)情況下，這些通道孔最初含有光滑的表面(然而，該工藝能將紊流結(jié)構(gòu)涂敷到已具有粗糙表面或部分粗糙表面的孔上)。通道孔形成的技術(shù)在本領(lǐng)域中眾所周知。例如，可以通過(guò)鑄造將孔設(shè)置在多種工件中。而且，STEM技術(shù)能用來(lái)制備光滑腔孔，即以“連續(xù)”模式實(shí)施該工藝。對(duì)于某些類(lèi)型的工件，可以通過(guò)其它類(lèi)型的鉆孔技術(shù)形成孔，例如激光鉆孔，放電加工(ECM)和槍管鉆孔技術(shù)。所述孔的長(zhǎng)度通常為約1英寸(2.5cm)至約25英寸(63.5cm)。而且，它們的長(zhǎng)徑比在約20∶1至100∶1的范圍內(nèi)。
如上所述，首先將紊流結(jié)構(gòu)材料施加到基體上，例如芯軸或其它類(lèi)型的可除去支撐體上。為此可使用多種不同類(lèi)型的基體?；w的尺寸和形狀可以有多種多樣，只要它能插入通道孔中。它還必須能將紊流結(jié)構(gòu)保持在其表面上，然后在隨后的熱處理步驟中將紊流結(jié)構(gòu)“釋放”或傳輸?shù)酵ǖ揽椎谋砻嫔稀?br> 在一實(shí)施方案中，如圖1所示，基體是棒10。該棒具有足夠的長(zhǎng)度以包括所要求的通道孔長(zhǎng)度的紊流結(jié)構(gòu)12。該棒的形狀由孔的形狀所決定。通?；旧蠟閳A筒形，如圖中所示。
在一些優(yōu)選實(shí)施方案中，棒由犧牲材料形成。換句話說(shuō)，在紊流結(jié)構(gòu)融合到孔表面上之后，能從通道孔除去這種材料。可以使用多種犧牲材料。在2002年5月7日提交的未審查U.S.專(zhuān)利申請(qǐng)S.N.10/139,659(代理號(hào)RD-26,739，W.Hasz等)中描述了這些材料，本文中引用該申請(qǐng)作為參考。本領(lǐng)域的技術(shù)人員能為所選工件和(如下文所述的)接合劑的種類(lèi)確定最合適的材料。犧牲材料應(yīng)當(dāng)能被不費(fèi)力地從孔中除去。清除條件(例如熱條件)應(yīng)當(dāng)對(duì)孔或其周?chē)鷧^(qū)域沒(méi)有不利影響。
非限定性的犧牲材料的例子包括金屬氧化物、金屬鹽、金屬鹵化物、金屬硼酸鹽、金屬硫酸鹽、金屬鋁酸鹽和它們的組合物。一些具體的例子是氯化鈉、硼酸鉀、氯化鎳、硫酸鎂、氟化鎳、鋁酸鈉和鋁酸鈉與鋁硅酸鈉的混合物。當(dāng)以漿料的形式進(jìn)行使用時(shí)，這些化合物大多與粘結(jié)劑和/或溶劑混合。非限定性的粘結(jié)劑的例子是水基凝膠，例如Vitta GelTM和聚乙烯氧化物。溶劑性粘結(jié)劑體系的例子是基于聚乙烯醇縮丁醛的那些溶劑。具體的溶劑的選擇取決于所使用的粘結(jié)劑的類(lèi)型。典型的例子包括水、乙醇、丙酮、氫氧化鈉溶液和氫氧化鉀溶液。本領(lǐng)域的技術(shù)人員熟悉將這些材料形成為各種基體形狀的技術(shù)，例如圓筒棒的技術(shù)。
在一些優(yōu)選實(shí)施方案中，碳基材料可用來(lái)形成基體。其例子包括石墨以及包含石墨的混合物。石墨基基體能容易地模鑄成所要求的形狀。而且，當(dāng)需要時(shí)，容易從通道孔中除去石墨，如通過(guò)燃燒技術(shù)。
有多種方法可以將紊流結(jié)構(gòu)施加到棒10。前面引用的專(zhuān)利申請(qǐng)中概括地討論了其中一些方法。一種情況是，紊流結(jié)構(gòu)顆?？勺杂傻厥┘拥交颉皣姙ⅰ钡桨羯稀Ｍǔ?，首先將棒涂敷上(例如通過(guò)噴霧或浸蘸)任何類(lèi)型的粘結(jié)劑，以便為紊流結(jié)構(gòu)顆粒提供臨時(shí)粘結(jié)。粘結(jié)劑是基于象水或有機(jī)溶劑一樣的液體介質(zhì)。傳統(tǒng)的粘結(jié)劑可包括有機(jī)材料，例如聚乙烯氧化物和各種丙烯酸衍生物。(也可使用溶劑性粘結(jié)劑)。
當(dāng)紊流結(jié)構(gòu)材料施加到棒上后，接合劑可施加到材料表面。在多個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，接合劑是釬焊材料。在本領(lǐng)域中，這種材料是眾所周知的，經(jīng)常包括選自鎳、鈷、鐵、貴金屬中的至少一種金屬和包括至少一種前述金屬的混合物。在“Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology”第3版，第21卷第342頁(yè)及之后中描述了一些焊料組合物。釬焊合金組合物優(yōu)選地與具有孔的工件的組成相似。例如，如果工件由鎳基超耐熱合金形成，釬焊合金可由類(lèi)似的鎳基超耐熱合金組合物(通常包含至少約40wt％鎳)形成。釬焊合金組合物也可包含硅和/或硼，它們用作熔點(diǎn)抑制劑。
下面提供了示范性的鎳基釬焊合金組合物。組分用重量百分比表示1)4.5Si，14.5Cr，3.3B，4.5Fe，余量Ni；2)15Cr，3.5B，余量Ni；3)4.5Si，3B，余量Ni；4)4.2Si，7Cr，3B，3Fe，余量Ni；5)10Si，19Cr，余量Ni；6)3.5Si，22Co，2.8B，余量Ni；7)3.5Si，1.8B，余量Ni；8)4.5Si，14Cr，3B，4.5Fe，余量Ni；9)17Cr，9Si，0.1B，余量Ni；10)2.6Si，2Cr，2B，1Fe，余量Ni；11)15Cr，8Si，余量Ni；12)10.1Si，19.0Cr，余量Ni；13)4.5Fe，4.5Si，14.0Cr，3.1B，0.75C，余量Ni；14)4.5Fe，4.5Si，14.0Cr，3.1B，余量Ni；15)4.5Si，3.1B，余量Ni；16)11.0P，余量Ni；
17)10.1P，14.0Cr，余量Ni；18)19Cr，7.3Si，1.5B，余量Ni；本發(fā)明的一些優(yōu)選的，鎳基釬焊合金組合物包括硅、鉻、硼和鐵中的至少一種，及余量的鎳。硅的含量有時(shí)優(yōu)選地比硼的含量多。有時(shí)也使用硅和硼的混合物。作為一個(gè)具體而非限定性的例子，這些組合物包括約5wt％至15wt％的硅或硼，約15wt％至25wt％的鉻，及余量的鎳。
示范性的鈷基釬焊合金組合物包括1)8Si，19Cr，17Ni，4W，0.8B，余量Co；2)17.0Ni，1.0Fe，8.0Si，19.0Cr，0.8B，0.4C，余量Co。
也可使用其它類(lèi)型的釬焊合金。非限定性的例子包括含有銀、金和/或鉑的貴金屬組合物與其它例如銅、鎂、鎳、鉻、硅和硼的金屬的組合。這些混合物也可以包括至少一種釬焊合金元素。多種金屬釬焊組合物可從Praxair表面技術(shù)公司購(gòu)得。
由釬焊材料所示例的接合劑能以粘結(jié)板或?qū)拥男问绞┘拥轿闪鹘Y(jié)構(gòu)表面。例如，粘結(jié)板可以是包裹或卷繞在棒上的生焊料帶。生焊料帶可從市場(chǎng)上購(gòu)得。例子包括由Sulzer Metco生產(chǎn)的Amdry line釬焊帶。示范性的牌號(hào)是Amdry100。如引用的專(zhuān)利申請(qǐng)S.N.09/304,276中所描述的一樣，也能通過(guò)傳統(tǒng)技術(shù)制備該帶。(另一方面，粘結(jié)板可以為金屬箔的形式)。
圖2表示圖1的圓筒棒(基體)涂敷完接合劑后的橫截面圖(端視)。棒10包括一層紊流結(jié)構(gòu)12，而紊流結(jié)構(gòu)12又由釬焊層14覆蓋。此時(shí)棒能被手動(dòng)地或機(jī)械地插入到通道孔中。(例如，可用機(jī)器人系統(tǒng)來(lái)將多個(gè)棒各自插入到不同的通道孔中)。將棒插入必要的程度以使紊流結(jié)構(gòu)12鄰近于所選擇的通道孔的內(nèi)表面區(qū)域。
將棒定位于通道孔中所要求的位置之后，進(jìn)行熱處理。熱處理使紊流結(jié)構(gòu)材料熔融在孔的內(nèi)表面上?？梢愿淖兯褂玫奶囟ǖ臒崽幚?，這部分取決于當(dāng)前的接合劑類(lèi)型。(熱處理通常是向接合劑、紊流結(jié)構(gòu)材料和通道孔的底層金屬提供熱能，以便充分熔化)。在使用釬焊型接合劑的情況下，可以使用如S.N.09/304,276中所述的傳統(tǒng)的釬焊操作。(此處使用的“釬焊”通常意味著包括涉及使用填料金屬或合金的連接金屬的任何方法)。
釬焊溫度部分取決于所使用的釬焊合金的類(lèi)型，一般在約525℃至1650℃范圍內(nèi)。在使用鎳基釬焊合金的情況下，釬焊溫度通常在約800℃至1260℃范圍內(nèi)。如有可能，通常在真空爐中進(jìn)行釬焊。真空度部分地取決于釬焊合金的組分。通常，真空范圍為約10-1至10-8托，通過(guò)排空真空室中的空氣以達(dá)到所要求的程度。本領(lǐng)域的技術(shù)人員熟知適于將紊流結(jié)構(gòu)材料熔合在通道孔中的其它加熱技術(shù)。
加熱步驟使接合劑(例如釬焊材料)熔合到通道孔的內(nèi)表面中。當(dāng)接合劑冷卻時(shí)，其形成和孔壁的冶金連接。紊流結(jié)構(gòu)材料機(jī)械地保留在粘結(jié)層中，例如固化的釬焊基體材料中。從而紊流結(jié)構(gòu)突出到通道中，以實(shí)現(xiàn)其功能，例如用于提高傳熱。
當(dāng)接合劑熔合到通道孔的表面后，可從孔中除去基體(例如芯軸)。在一些情況下，能簡(jiǎn)單地完整地從孔中抽出基體。然而，在優(yōu)選實(shí)施方案中，通過(guò)分解基體(即犧牲基體)的某種技術(shù)除去基體。具體的技術(shù)部分取決于基體的組分。該技術(shù)應(yīng)不會(huì)對(duì)通道孔或包含孔的工件有不良作用。(例如，強(qiáng)酸能除去多種類(lèi)型的基體，但也能破壞周?chē)慕饘俳M分)。
水洗可用作水溶性基體材料的清除技術(shù)?；瘜W(xué)瀝濾(chemical leach)或真空萃取可用于其它類(lèi)型的材料。也可以使用例如水、乙醇、丙酮或堿金屬氫氧化物的溶劑進(jìn)行蝕刻。另一種在某些時(shí)候合適的技術(shù)是超聲清除。
如果基體材料是有機(jī)的(例如，石墨)或部分是有機(jī)的，可使用燃燒方法。例如，工件本身能被加熱到足夠的高溫以揮發(fā)或燒掉基體材料。然后剩余的碎屑通過(guò)單獨(dú)吹氣或與上述其它技術(shù)之一結(jié)合除去。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施中，紊流結(jié)構(gòu)材料首先以一種包含接合劑的漿料的形式施加到基體(例如芯軸)上。例如，可通過(guò)簡(jiǎn)單的混合技術(shù)制備包含液體介質(zhì)，釬焊合金粉末，紊流結(jié)構(gòu)粉末的漿料組合物。(漿料可任選地含有粘結(jié)劑，并且液體介質(zhì)可用作粘結(jié)劑的溶劑。)如前所述，液體介質(zhì)可以是水或有機(jī)組分或它們的組合物。
可通過(guò)各種技術(shù)沉積漿料。例如，漿料可以被噴灑、噴涂或直接帶鑄到基體上。然后干燥漿料，從而蒸發(fā)掉所有的揮發(fā)材料。另一方面，能夠進(jìn)行傳統(tǒng)的加熱步驟以加速除去揮發(fā)物質(zhì)。然后，如前所述，可將含有紊流結(jié)構(gòu)和接合劑的基體插入到通道孔中。
作為另一種替換，凹槽的圖案能形成在基體的表面內(nèi)，如圖3和4所示?；w32(如圓筒棒)中的每個(gè)凹槽30的尺寸與通道孔內(nèi)表面上的相應(yīng)的所要求的紊流結(jié)構(gòu)位置的尺寸相對(duì)應(yīng)。制模和形成凹槽的方法在領(lǐng)域中是眾所周知的。例如，為此可使用通常由計(jì)算機(jī)控制的加工技術(shù)。
然后，往凹槽30中填充含有接合劑和紊流結(jié)構(gòu)材料的組合物34，如圖5所示。這些組分中的每一個(gè)都在前面已做描述。通常含有粘結(jié)劑。(然而，熟悉粉末冶金技術(shù)的人員知道其它使紊流結(jié)構(gòu)顆粒和接合劑顆?？煽康叵嗷フ辰Y(jié)的技術(shù))。接合劑通常是釬焊材料，可以加入附加的溶劑以調(diào)整粘度。該組合物通常具有類(lèi)似漿糊的粘度。它可以通過(guò)任何合適的技術(shù)，例如墁抹或注射沉積在凹槽中。作為一種任選的，附加的步驟，可以將一層接合劑包裹或卷繞在棒上，覆蓋填充有組合物34的凹槽。如前所述，用于包裹棒的接合層通常是生焊料帶。
然后，將基體插入到通道孔36中，如圖6所示。當(dāng)基體定位在所要求的位置后，進(jìn)行熱處理，以用接合劑使紊流結(jié)構(gòu)熔合到孔壁上。多數(shù)情況下，接合劑是釬焊料，釬焊技術(shù)如前所述。
在熔合步驟之后，可通過(guò)上述的一種技術(shù)除去基體32。如果基體材料是可燃的，則包括燃燒的清除技術(shù)有時(shí)是優(yōu)選的。例如，在用于熔合的真空釬焊步驟之后可以是空氣加溫步驟，以便氧化并因而去除石墨型基體材料。(要注意控制溫度，以避免損壞周?chē)ǖ揽妆凇?在除去基體后，剩余紊流結(jié)構(gòu)38保留熔合到孔36的內(nèi)壁40上，如圖7中橫截面圖所示。(為了簡(jiǎn)化，定義紊流結(jié)構(gòu)邊緣的圖線在該橫截面中已被省略了。)在本發(fā)明的另一實(shí)施方案中，紊流結(jié)構(gòu)材料能與接合劑一起組合形成材料環(huán)或“圈”。(通常也包括粘結(jié)劑)。圖8和9中的紊流結(jié)構(gòu)-接合劑環(huán)50的具體形狀取決于所要求的紊流結(jié)構(gòu)的形狀。例如，可使用各種矩形而非圓形。也可使用各種不規(guī)則形狀，這取決于例如冷卻劑流動(dòng)模式。(而且，紊流結(jié)構(gòu)/接合劑材料的各個(gè)環(huán)可具有不同的形狀。)可通過(guò)任何合適技術(shù)形成環(huán)，例如通過(guò)模鑄。
然后將環(huán)50套在可去除的基體52(例如圖10和11中所示的圓筒形支承棒)上，并按照所要求的紊流結(jié)構(gòu)的位置進(jìn)行定位。在使用各種技術(shù)熔合到通道孔壁上之前，這些環(huán)暫時(shí)位于基體的適當(dāng)位置上。例如，環(huán)材料暴置于溶劑中，該溶劑部分溶解并塑化接合劑材料中的粘結(jié)劑。這種暴露的方法使環(huán)結(jié)構(gòu)變形并粘附在基體表面。
該實(shí)施方案的優(yōu)點(diǎn)是，與前面的實(shí)施方案相比，能顯著減小基體52的厚度或直徑。因此，由于能預(yù)先除去基體，在紊流結(jié)構(gòu)熔合到孔壁之后必須除去的基體的體積也減小了。在某些情況下，這體現(xiàn)了重要的加工屬性。
在某些情況下，由犧牲材料形成的環(huán)或圈也能套在基體的外面。例如，如圖12和13所示的犧牲環(huán)54，可沿著棒52長(zhǎng)度方向插入，并間歇性地插入紊流結(jié)構(gòu)-接合劑環(huán)50。如圖14所示，犧牲環(huán)在單個(gè)的紊流結(jié)構(gòu)-接合劑環(huán)之間提供了所需要的隔離。犧牲環(huán)54通常由一種與基體相似的材料形成，例如氧化物或石墨。因此，當(dāng)紊流結(jié)構(gòu)已熔合到孔壁上之后，能容易地除去犧牲環(huán)(沿著基體)。犧牲環(huán)的尺寸很大程度上取決于鄰近紊流結(jié)構(gòu)-接合劑環(huán)50所需要的位置。(如在前述一實(shí)施方案中，接合劑分離層，如生焊料帶可任擇地包裹或卷繞在棒上覆蓋環(huán)50和54)。
圖14和15描述了包含紊流結(jié)構(gòu)-接合劑環(huán)50和犧牲環(huán)54的芯軸/基體60。(在本圖中這些環(huán)交替排列，但也可以排列成任意的圖案)。如前所述，組裝時(shí)，芯軸可被插入到通道孔中。插入后，能抽出基體即內(nèi)支承棒52，將環(huán)50和54留在孔中的合適位置處。圖16和17描述了除去支承棒52后的環(huán)組件本身。在施加熔化熱能之前，可用各種技術(shù)將這些環(huán)暫時(shí)保持在孔中的適當(dāng)位置上。例如，將部分溶解和塑化環(huán)中任何粘結(jié)劑的溶劑噴灑在孔中，以使環(huán)粘著到孔壁上。
除去內(nèi)支承棒52顯著地減小了要燃燒的材料的量，否則要在熔合步驟之后除去。然后用傳統(tǒng)的加熱步驟(例如釬焊)，使紊流結(jié)構(gòu)熔合到通道孔壁上。然后通過(guò)前述一種或多種技術(shù)除去犧牲材料，所述技術(shù)如蝕刻、化學(xué)瀝濾或燃燒。(還要注意到，在紊流結(jié)構(gòu)材料熔合期間，內(nèi)支承棒52可保留在通道孔中，然后清除，如通過(guò)用清除犧牲環(huán)的技術(shù)清除)。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，基體可以是由例如釬焊料的接合劑材料所形成的金屬箔。該金屬箔的表面積足以覆蓋通道孔的一部分內(nèi)表面，所需要的紊流結(jié)構(gòu)就在這部分表面上。多種技術(shù)都能用來(lái)制作這樣的箔片。前面引用的兩篇專(zhuān)利申請(qǐng)S.N.09/304,276和S.N.10/139,659中均有講授。例如，該金屬具有足夠的表面以覆蓋紊流結(jié)構(gòu)所在的通道孔的內(nèi)表面的一部分。在帶鑄后，除去支承板，然后剩余的生料板燒結(jié)成“預(yù)成形”箔片，例如通過(guò)真空熱處理。
作為制備金屬箔的另一個(gè)例子，金屬粉末材料首先沉積到支承板上，成為一薄層金屬。通常，各種熱噴灑技術(shù)用于沉積，例如真空等離子沉積，HVOF(高速氧氣燃料)，或者空氣等離子(AP)噴灑。然后除去支承板，留下所需要的金屬箔。作為另一種選擇，如專(zhuān)利申請(qǐng)S.N.09/304,276中所述，非晶金屬帶技術(shù)能用來(lái)制備箔片。
然后，粉末形式的紊流結(jié)構(gòu)材料被施加到箔片的第一表面上。(箔片的表面有時(shí)預(yù)先涂敷有粘合劑，因此紊流結(jié)構(gòu)保持在適當(dāng)?shù)奈恢?。而且，如所引用的專(zhuān)利申請(qǐng)中討論的，紊流結(jié)構(gòu)能在箔片表面上形成圖案。將箔片切成足夠的尺寸以覆蓋通道孔內(nèi)表面的所需要的部分。
然后將箔片卷起形成基體，例如圓筒管。圖18描述了這樣的管或桿80，所述管或桿82包括第一表面(其內(nèi)表面)和第二表面(其外表面)。如管80的切除部分所示，紊流結(jié)構(gòu)86設(shè)置在內(nèi)表面82上。所卷起形成的管的直徑足夠小以裝配在所選擇的通道孔的里面。
然后將箔管80插入到通道孔中。一旦箔管位于孔中，金屬箔的類(lèi)彈簧性質(zhì)使管膨脹并使其接觸到孔的內(nèi)表面。箔管的內(nèi)表面82的紊流結(jié)構(gòu)86突出到孔道中，同時(shí)箔管的外表面最接近孔壁。在熔合步驟前，可用各種技術(shù)使金屬箔暫時(shí)位于適當(dāng)?shù)奈恢?。示范性的技術(shù)包括點(diǎn)焊、平頭焊、使用粘結(jié)劑和其它類(lèi)似的技術(shù)。然后如前所述，將金屬箔和周?chē)鷧^(qū)域加熱到足夠的溫度以使紊流結(jié)構(gòu)熔合到孔壁上。
圖19是超耐熱合金管100的斷面照片。利用釬焊劑，紊流結(jié)構(gòu)102已經(jīng)施加到管100的內(nèi)表面104和外表面106上。(本發(fā)明特別涉及施加到管的內(nèi)表面上的紊流結(jié)構(gòu))。紊流結(jié)構(gòu)的完整性，例如，將其粘結(jié)到管表面上，與通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)形成或施加的紊流結(jié)構(gòu)的完整性相同。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案旨在一種包括至少含有一個(gè)通道孔的基體的工件。如前所述，該工件可由多種不同類(lèi)型的零件形成。其通常是渦輪機(jī)部件，例如渦輪葉片，并包含多個(gè)徑向冷卻孔(例如，約5-50個(gè)孔)。該工件還包括粘結(jié)到通道孔的內(nèi)表面的至少一部分上的紊流結(jié)構(gòu)材料，例如金屬合金。紊流結(jié)構(gòu)延伸在孔的內(nèi)表面之外，即進(jìn)入孔的通道，并且通常形成眾多突起。這些突起可設(shè)置成預(yù)選擇的圖案，并可根據(jù)需要調(diào)整其尺寸和形狀。如上面所討論的，當(dāng)通道孔用作冷卻孔時(shí)，這些突起常常用來(lái)提高傳熱。圖20提供了包含紊流結(jié)構(gòu)122的釬焊片120的局部截面示意圖。如前所述，紊流結(jié)構(gòu)材料機(jī)械地保留在固化的釬焊基體材料中。
下面的例子僅僅是說(shuō)明性，不對(duì)所要求保護(hù)的發(fā)明的范圍構(gòu)成任何限制。除非另外的說(shuō)明，所有的份數(shù)都是重量百分比。
實(shí)施例將紊流結(jié)構(gòu)施加到多個(gè)不銹鋼管的內(nèi)表面上。在每種情況下均使用可購(gòu)得的帶鑄生焊料帶Amdry100(組成10wt％硅；19wt％鉻；余量鎳)。該帶的厚度為約75-125微米，并涂敷一層非常薄的有機(jī)粘結(jié)劑。使用粗的NiCrAlY粘結(jié)涂敷粉末作為紊流結(jié)構(gòu)材料，其近似組成如下68wt％Ni，22wt％Cr，9wt％Al，1wt％Y。粉末的平均粒徑(直徑)為50-80目，即180-300微米，粉末手工施加到釬焊帶表面。對(duì)于一些試樣，紊流結(jié)構(gòu)粉末在帶表面上形成圖案。
將每一個(gè)帶插入一個(gè)管子(0.25in/0.64cm內(nèi)直徑)中。然后將管子置于真空爐中在約2150°F(1177℃(10-5托))下保持約30分鐘，使帶焊接在管中。釬焊用來(lái)緊固地將紊流結(jié)構(gòu)熔合到管子的內(nèi)表面上。
紊流結(jié)構(gòu)向管子的內(nèi)表面上提供粗糙的結(jié)構(gòu)，其Ra值為約2.7密耳(68.6微米)，Rz值為約13.5密耳(343微米)。該粗糙的外形用來(lái)提高通過(guò)管的傳熱。
已經(jīng)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不背離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的情況下，得出替換實(shí)施方案是顯而易見(jiàn)的。因此，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明的范圍僅由權(quán)利要求限定。
這里引入上述的全部專(zhuān)利、論文和教科書(shū)作為參考。
權(quán)利要求
1.一種在通道孔(36)的內(nèi)表面(40)上提供紊流結(jié)構(gòu)(38)的方法，包括以下步驟(a)將紊流結(jié)構(gòu)材料(34)施加到能插入通道孔(36)中的基體(32)上，并使其熔合到通道孔的內(nèi)表面(40)上；(b)將基體(32)插入到通道孔(36)中，使基體鄰近于通道孔的內(nèi)表面(40)；和(c)使紊流結(jié)構(gòu)材料(34)熔合到通道孔(36)的內(nèi)表面(40)上。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中紊流結(jié)構(gòu)材料(34)包括金屬合金。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中金屬合金包括選自鎳、鈷、鋁、鉻、硅、鐵和銅中的至少一種元素。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其中金屬合金包括MCrAl(X)，M是選自Ni，Co，F(xiàn)e中的元素及其組合；X是選自Y，Ta，Si，Hf，Ti，Zr，B，C中的元素及其組合。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中基體(32)是棒。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中接合劑也施加到棒(32)上。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中接合劑包括釬焊合金。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中釬焊合金包括選自鎳、鈷、鐵、貴金屬中的至少一種金屬和包括至少一種前述金屬的混合物。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中釬焊合金包括至少約40wt％的鎳，以及選自硅、鉻、硼和鐵中的至少一種附加元素。
10.如權(quán)利要求6所述的方法，其中接合劑是板(14)的形式
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中板(14)包括生焊料帶。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其中板(14)包括金屬箔。
13.如權(quán)利要求6所述的方法，其中紊流結(jié)構(gòu)材料(12)包括不連續(xù)的金屬合金顆粒的顆粒相，其平均粒徑在約125微米至約4000微米范圍內(nèi)。
14.如權(quán)利要求6所述的方法，其中在應(yīng)用接合劑(14)之前，紊流結(jié)構(gòu)材料(12)直接施加到棒(10)的表面。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中粘結(jié)劑材料用來(lái)使紊流結(jié)構(gòu)(12)暫時(shí)粘著在棒(10)上。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其中紊流結(jié)構(gòu)材料和粘結(jié)劑是直接施加到棒(10)表面的漿料的形式。
17.如權(quán)利要求14所述的方法，其中接合劑(14)以層的形式施加在紊流結(jié)構(gòu)材料(12)上。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中接合劑(14)層包裹在棒(10)上，以便覆蓋不連續(xù)的金屬合金顆粒(12)。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中接合劑(14)包括釬焊合金。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，其中棒(10)是圓柱形。
21.如權(quán)利要求18所述的方法，其中棒(10)包括在紊流結(jié)構(gòu)材料(12/38)熔合到通道孔的內(nèi)表面上后從通道孔(36)除去的犧牲材料。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其中犧牲材料選自金屬氧化物、金屬鹽、金屬鹵化物、金屬硼酸鹽、金屬硫酸鹽、金屬鋁酸鹽、碳基材料和它們的組合。
23.如權(quán)利要求21所述的方法，其中犧牲材料通過(guò)從下面的組中選擇的技術(shù)及這些技術(shù)的組合從通道孔(36)除去，該組由水洗，化學(xué)瀝濾，真空萃取，蝕刻，超聲處理，燃燒組成。
24.如權(quán)利要求5所述的方法，其中棒(32)的表面包含凹槽(30)圖案，每個(gè)凹槽的尺寸與通道孔(36)內(nèi)表面(40)上的相應(yīng)的所要求的紊流結(jié)構(gòu)位置的尺寸相對(duì)應(yīng)。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其中在棒(32)插入到通道孔(36)之前，凹槽(30)中填充有包括接合劑和紊流結(jié)構(gòu)材料的組合物。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其中組合物還包括粘結(jié)劑。
27.如權(quán)利要求25所述的方法，其中接合劑是釬焊材料。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中釬焊材料包括選自鎳、鈷、鐵、貴金屬中的至少一種金屬和包括至少一種前述金屬的混合物。
29.如權(quán)利要求27所述的方法，其中在棒插入到通道孔(36)之前，在凹槽(30)中填充有組合物(34)之后，至少有一層焊料帶包裹在棒(32)周?chē)?br> 30.如權(quán)利要求24所述的方法，其中棒(32)包括在紊流結(jié)構(gòu)材料(38)熔合到通道孔(36)的內(nèi)表面(40)上后從通道孔(36)除去的犧牲材料。
31.如權(quán)利要求5所述的方法，其中在步驟(b)之前，紊流結(jié)構(gòu)材料與接合劑組合形成紊流結(jié)構(gòu)-接合劑組合物的多個(gè)環(huán)(50)；然后環(huán)(50)套在棒(52)上，使得環(huán)圍繞著棒；其中環(huán)(50)以預(yù)定的圖案相互間隔，該預(yù)定圖案限定了所要求的通道孔表面的紊流結(jié)構(gòu)圖案。
32.如權(quán)利要求31所述的方法，其中在步驟(b)之前，在間隔地套有紊流結(jié)構(gòu)-接合劑環(huán)(50)的棒(52)上套上包括犧牲材料的犧牲環(huán)(54)，以便填充存在于紊流結(jié)構(gòu)-接合劑環(huán)之間的空間，從而保持紊流結(jié)構(gòu)-接合劑環(huán)(50)之間的所要求的間隔。
33.如權(quán)利要求32所述的方法，其中在插入通道孔中后除去棒(52)，而紊流結(jié)構(gòu)-接合劑環(huán)和犧牲環(huán)保留在通道孔中的位置上。
34.如權(quán)利要求33所述的方法，其中在紊流結(jié)構(gòu)材料熔合通道孔的內(nèi)表面上之后，從通道孔中除去犧牲環(huán)(54)。
35.如權(quán)利要求34所述的方法，其中通過(guò)從下面的組中選擇的技術(shù)及這些技術(shù)的組合除去犧牲環(huán)(54)，該組由水洗，化學(xué)瀝濾，真空萃取，蝕刻，超聲處理，燃燒組成。
36.如權(quán)利要求31所述的方法，其中接合劑是釬焊組合物。
37.如權(quán)利要求5所述的方法，其中棒(80)是包括金屬箔的管，其具有第一表面(82)和相對(duì)的第二表面(84)。
38.如權(quán)利要求37所述的方法，其中金屬箔具有足以覆蓋其上需要紊流結(jié)構(gòu)的通道孔的內(nèi)表面的一部分的表面積。
39.如權(quán)利要求37所述的方法，其中金屬箔包括釬焊材料，并且紊流結(jié)構(gòu)材料設(shè)置在金屬箔的第一表面上。
40.如權(quán)利要求39所述的方法，其中金屬箔卷成基本上與通道孔的形狀相同的形狀(80)并插入到通道孔中，使得第二表面(84)靠近或接觸到通道孔的內(nèi)表面，在熔合步驟之后，在金屬箔第一表面(82)上的紊流結(jié)構(gòu)(86)附著到通道孔的表面上。
41.如權(quán)利要求40所述的方法，其中在熔合步驟之前，通過(guò)緊固技術(shù)使金屬箔暫時(shí)保持在通道孔中的位置處。
42.一種向由超耐熱合金材料形成的渦輪機(jī)葉片中的至少一個(gè)徑向冷卻孔的內(nèi)表面上提供紊流結(jié)構(gòu)(12)的方法，包括以下步驟(i)向由犧牲材料形成的圓柱棒(10)上施加紊流結(jié)構(gòu)材料(12)，所述棒能夠被熔合到孔的內(nèi)表面上；(ii)將一層(14)釬焊材料包裹在棒周?chē)?，覆蓋紊流結(jié)構(gòu)材料(12)；(iii)將棒插入到孔(36)中；(iv)施加足夠的熱量以用釬焊材料使紊流結(jié)構(gòu)材料(12)焊接到孔(36)的內(nèi)表面(40)；然后(v)利用適于清除犧牲材料的技術(shù)除去圓柱棒(10)。
43.一種工件，包括(I)包含至少一個(gè)通道孔(36)的基體，其中通道孔包括內(nèi)表面(40)；(II)通過(guò)接合劑連接到通道孔的至少一部分內(nèi)表面(40)上的紊流結(jié)構(gòu)材料(38)。
44.如權(quán)利要求43所述的工件，其中紊流結(jié)構(gòu)材料(38)延伸在通道孔的內(nèi)表面(40)之外，形成眾多突起。
45.如權(quán)利要求44所述的工件，其中突起(38)設(shè)置成所選的圖案。
46.如權(quán)利要求44所述的工件，其中接合劑包括釬焊合金。
47.如權(quán)利要求44所述的工件，其中紊流結(jié)構(gòu)材料包括金屬合金。
48.如權(quán)利要求47所述的工件，其中金屬合金包括選自鎳、鈷、鋁、鉻、硅、鐵和銅中的至少一種元素。
49.如權(quán)利要求44所述的工件，其中基體包括超耐熱合金材料。
50.如權(quán)利要求44所述的工件，其中基體是渦輪機(jī)零件。
全文摘要
本發(fā)明中描述了一種在通道孔(36)(例如渦輪冷卻孔)的內(nèi)表面(40)上提供紊流結(jié)構(gòu)的方法。首先將紊流結(jié)構(gòu)(12)施加到能最后插入到通道孔中基體(10)上?；w(10)通常是由犧牲材料形成的棒或管。當(dāng)紊流結(jié)構(gòu)施加到基體上之后，將基體插入到通道孔(36)中。然后利用傳統(tǒng)的加熱技術(shù)使紊流結(jié)構(gòu)材料熔合在內(nèi)表面上。之后可利用多種技術(shù)從孔(36)中除去犧牲基體(10)。本發(fā)明中也描述了相關(guān)的工件。
文檔編號(hào)F01D5/18GK1526917SQ200310124769
公開(kāi)日2004年9月8日 申請(qǐng)日期2003年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月15日
發(fā)明者韋恩·C·哈茲, 韋恩 C 哈茲, 阿布亞夫, 內(nèi)西姆·阿布亞夫, A 詹森, 羅伯特·A·詹森, 李經(jīng)邦 申請(qǐng)人:通用電氣公司