[发明专利]使用两层式结构涂层来制造构件的方法

说明书

技术领域

本发明大体涉及燃气轮机发动机，并且，更具体而言，涉及在其中进行冷却的微通道。

背景技术

在燃气轮机发动机中，空气在压缩机中被加压，并且在燃烧器中与燃料混合而产生热的燃烧气体。在高压涡轮(HPT)和低压涡轮(LPT)中从气体中抽取能量，高压涡轮对压缩机提供动力，低压涡轮在涡轮扇航空器发动机应用中对风扇提供动力，或者对用于船舶应用和工业应用的外部轴提供动力。

发动机效率随燃烧气体的温度的升高而提高。但是，燃烧气体沿着它们的流径加热各种构件，这继而需要对它们进行冷却，以实现长的发动机寿命。典型地，通过从压缩机放出空气来冷却热气路径构件。这个冷却过程会降低发动机效率，因为放出的空气在燃烧过程中不会被使用。

燃气轮机发动机冷却技术是成熟的，并且对于各种热气路径构件中的冷却回路和特征的各方面包括许多专利。例如，燃烧器包括在运行期间需要冷却的径向外部衬套和径向内部衬套。涡轮喷嘴包括支承在外部带和内部带之间的、也需要冷却的空心导叶。涡轮转子叶片是空心的，并且典型地在其中包括冷却回路，叶片被涡轮护罩包围，涡轮护罩也需要冷却。热的燃烧气体通过排气装置而排出，排气装置也可装有衬套且被恰当地冷却。

在所有这些示例性燃气轮机发动机构件中，典型地使用高强度超合金金属制成的薄金属壁来获得增强的耐用性，同时最大程度地减小对其进行冷却的需要。针对这些单独的构件，在它们在发动机中的对应的环境中定制了各种冷却回路和特征。例如，一系列内部冷却通路或盘管可形成于热气路径构件中。可从气室中对盘管提供冷却流体，并且冷却流体可流过通路，从而冷却热气路径构件衬底和涂层。但是，这个冷却策略典型地导致有相当低的热传递速率和不均匀的构件温度分布。

微通道冷却具有通过这样来显著地降低冷却要求的潜力：将冷却布置成尽量接近被加热的区域，从而针对给定的热传递速率而降低主承载衬底材料的热侧和冷侧之间的温差。以前在涡轮翼型件中形成冷却微通道的制造方法是在翼型铸件的外皮中形成通道，以及然后将结构涂层涂覆在通道上面。参见例如Melvin R.Jackson等人的美国专利No.5,626,462“Double-Wall Airfoil(双壁式翼型件)”，该专利通过引用而以其整体结合在本文中。但是，现有的制造技术可损害结构涂层和下面的衬底材料之间的面间区域的完整性，尤其是在冷却通道的边缘处，此处的应力集中可为高的。

因此提供一种用于制造改进结构涂层和下面的衬底材料之间的面间区域的完整性的微通道冷却的构件的方法将是合乎需要的。具体而言，合乎需要的将是，减少缺陷以及改进关键的通道面间区域处的材料属性和微结构的匹配，以便增强涂层和衬底之间的结合。

发明内容

本发明的一方面在于一种制造构件的方法。该方法包括使第一结构涂层层淀积在衬底的外表面上，其中衬底具有至少一个空心内部空间。该制造方法进一步包括通过第一结构涂层层而加工衬底，以在第一结构涂层层中限定一个或多个开口，以及在衬底的外表面中形成相应的一个或多个凹槽。各个凹槽均具有相应的基部，并且至少部分地沿着衬底的表面延伸。该制造方法进一步包括使第二结构涂层层淀积在第一结构涂层层上面以及在凹槽(一个或多个)上面，使得凹槽(一个或多个)和第二结构涂层层共同限定一个或多个通道以冷却构件。

本发明的另一方面在于一种包括具有外表面和内表面的衬底的构件，其中内表面限定至少一个空心内部空间。外表面限定一个或多个凹槽，并且各个凹槽至少部分地沿着衬底的外表面延伸，并且具有相应的基部。一个或多个进入孔延伸通过相应的凹槽的基部，以将凹槽布置成与相应的空心内部空间处于流体连通。该构件进一步包括设置在衬底的外表面的至少一部分上面的涂层。该涂层至少包括第一结构涂层层和第二结构涂层层。第一结构涂层层不在凹槽(一个或多个)上面延伸，并且第二结构涂层层设置在第一结构涂层层上面，并且在凹槽(一个或多个)上面延伸，使得凹槽(一个或多个)和第二结构涂层层共同限定一个或多个通道以冷却构件。

附图说明

当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中，相同符号在图中表示相同部件，其中：

图1是燃气轮机系统的示意图；

图2是根据本发明的各方面的、具有冷却微通道的一个实例翼型构造的示意性截面；

图3-8示意性地示出了用于在衬底中形成通道的过程步骤；

图9在透视图中示意性地描绘了三个实例通道，它们部分地沿着衬底的表面延伸，并且将冷却剂引导到相应的膜冷却孔；