本發(fā)明在能源部授予的合同號DE－FC26－05NT42643下利用政府支持實現(xiàn)。政府具有此發(fā)明中的某些權利。

技術領域

本發(fā)明針對物品、構件和形成物品的方法。更具體而言，本發(fā)明針對冷卻物品、冷卻的構件和形成冷卻物品的方法。

背景技術：

渦輪系統(tǒng)不斷地更改以提高效率和降低成本。用于提高渦輪系統(tǒng)的效率的一種方法包括提高渦輪系統(tǒng)的操作溫度。為了提高溫度，渦輪系統(tǒng)必須包括可在持續(xù)使用期間承受這種溫度的構件。

除了更改構件材料和涂層，提高渦輪構件的溫度能力的一種常見方法包括供應冷卻流體的流。通常，為了供應冷卻流體流，相對較冷的空氣從壓縮機轉移且提供至待冷卻的構件。在某些構件中，沖擊套筒定位在構件內，沖擊套筒將較冷的空氣向構件的內部表面引導。

大體上，沖擊套筒為開放的單氣室裝置，其包括多個形成于其中的冷卻開孔。較冷空氣填充沖擊套筒的氣室且然后傳送通過多個冷卻開孔。通常，為了控制來自沖擊套筒的冷卻流，各個冷卻開孔數(shù)目/尺寸改變以增加/減少至某些區(qū)域的流。然而，減小冷卻開孔尺寸可導致堵塞，而減少冷卻開孔的數(shù)目可減少沖擊冷卻的有效區(qū)域。

本領域中將期望相比于現(xiàn)有技術顯示一個或多個改進的物品和形成物品的方法。

技術實現(xiàn)要素：

在一個實施例中，一種物品包括：分開內部區(qū)域和外部區(qū)域的本體部分，本體部分中的孔，該孔流體地連接內部區(qū)域和外部區(qū)域，以及沿物品的內部表面的至少一部分延伸的擋板，該擋板將內部區(qū)域分成多個子區(qū)域。

在另一實施例中，一種構件包括具有布置在其中的冷卻物品的中空構件本體，該冷卻物品包括分開內部區(qū)域和外部區(qū)域的本體部分，流體地連接內部區(qū)域和外部區(qū)域的孔，以及沿冷卻物品的內部表面的至少一部分延伸的至少一個擋板，該至少一個擋板將內部區(qū)域分成多個子區(qū)域。該至少一個擋板配置和布置成在多個子區(qū)域中的一個或多個之間分布流體流。

在另一實施例中，一種形成物品的方法包括：形成限定內部區(qū)域和外部區(qū)域的本體部分，形成本體部分中的孔，該孔將內部區(qū)域流體地連接至外部區(qū)域，以及形成沿本體部分的內部表面的至少一部分延伸的至少一個擋板，該至少一個擋板將內部區(qū)域分成多個子區(qū)域。

技術方案1. 一種物品，包括：

本體部分，其分開內部區(qū)域和外部區(qū)域；

所述本體部分中的孔，所述孔流體地連接所述內部區(qū)域和所述外部區(qū)域；和

沿所述物品的內部表面的至少一部分延伸的擋板，所述擋板將所述內部區(qū)域分成多個子區(qū)域。

技術方案2. 根據(jù)技術方案1所述的物品，其中，所述擋板在所述內部區(qū)域內分布流體流。

技術方案3. 根據(jù)技術方案1所述的物品，其中，所述擋板在所述物品的增材制造期間提供支撐。

技術方案4. 根據(jù)技術方案1所述的物品，其中，所述擋板在從由軸向、基本軸向、徑向、基本徑向和其組合組成的組中選擇的方向上延伸。

技術方案5. 根據(jù)技術方案1所述的物品，其中，所述物品從由沖擊套筒和沖擊板組成的組中選擇。

技術方案6. 根據(jù)技術方案1所述的物品，其中，所述擋板包括延伸穿過其的至少一個開口，所述擋板從由網(wǎng)格織物、多孔板、一系列流阻止器和其組合組成的組中選擇。

技術方案7. 根據(jù)技術方案1所述的物品，其中，所述擋板提高冷卻效率。

技術方案8. 根據(jù)技術方案1所述的物品，其中，所述擋板配置和布置成在所述子區(qū)域中的一個或多個中相對于所述子區(qū)域中的另一個改變流體流。

技術方案9. 根據(jù)技術方案1所述的物品，其中，所述物品配置和布置成用于插入渦輪發(fā)動機的熱氣體通路構件內。

技術方案10. 一種構件，包括：

具有布置在其中的冷卻物品的中空構件本體，所述冷卻物品包括：

本體部分，其分開內部區(qū)域和外部區(qū)域；

孔，其流體地連接所述內部區(qū)域和所述外部區(qū)域；和

沿所述冷卻物品的內部表面的至少一部分延伸的至少一個擋板，所述至少一個擋板將所述內部區(qū)域分成多個子區(qū)域；

其中所述至少一個擋板配置和布置成在所述多個子區(qū)域中的一個或多個之間分布流體流。

技術方案11. 一種形成物品的方法，所述方法包括：

形成限定內部區(qū)域和外部區(qū)域的本體部分；

形成所述本體部分中的孔，所述孔將所述內部區(qū)域流體地連接至所述外部區(qū)域；和

形成沿所述本體部分的內部表面的至少一部分延伸的至少一個擋板，所述至少一個擋板將內部區(qū)域分成多個子區(qū)域。

技術方案12. 根據(jù)技術方案11所述的方法，其中，所述方法還包括將所述物品插入構件中，所述物品提供所述構件的沖擊冷卻。

技術方案13. 根據(jù)技術方案11所述的方法，其中，形成所述本體部分、形成所述孔和形成所述至少一個擋板中的至少一者包括增材制造。

技術方案14. 根據(jù)技術方案11所述的方法，其中，形成所述至少一個擋板包括使所述至少一個擋板與所述本體部分整體地形成。

技術方案15. 根據(jù)技術方案11所述的方法，其中，形成所述至少一個擋板包括單獨于所述本體部分形成所述至少一個擋板，然后將所述至少一個擋板固定至所述本體部分。

技術方案16. 根據(jù)技術方案1所述的物品，其中，所述擋板包括延伸穿過其的至少一個開口。

技術方案17. 根據(jù)技術方案16所述的物品，其中，所述擋板從由網(wǎng)格織物、多孔板、一系列流阻止器和其組合組成的組中選擇。

技術方案18. 根據(jù)技術方案1所述的物品，其中，所述物品還包括至少一個額外的擋板。

技術方案19. 根據(jù)技術方案1所述的物品，其中，所述擋板獨立地固定至所述物品。

技術方案20. 根據(jù)技術方案13所述的方法，其中，所述增材制造包括直接金屬激光熔化。

技術方案21. 根據(jù)技術方案20所述的方法，其中，所述至少一個擋板至所述本體部分的固定從由焊接、燒結、接合、互鎖和其組合組成的組中選擇。

本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點從結合附圖的以下更詳細的描述將顯而易見，附圖通過示例說明了本發(fā)明的原理。

附圖說明

圖1是根據(jù)本公開的實施例的冷卻物品的透視圖。

圖2是根據(jù)本公開的實施例的在如圖1中所示的方向2－2上截取的冷卻物品的剖視圖。

圖3是根據(jù)本公開的實施例的在如圖1中所示的方向3－3上截取的冷卻物品的剖視圖。

圖4是根據(jù)本公開的實施例的定位在構件內的冷卻物品的剖視圖。

圖5是根據(jù)本公開的實施例的形成冷卻物品的方法的過程圖。

圖6是根據(jù)本公開的實施例的形成冷卻物品的方法的示意圖。

在任何可能之處，相同的參考數(shù)字將貫穿附圖使用以代表相同的部分。

零件清單

100 冷卻物品

101 孔

103 擋板

201 本體部分

203 內部區(qū)域

204 內部表面

205 外部區(qū)域

206 外部表面

211 子區(qū)域

221 開口

400 構件

403 多孔結構

404 內部表面

500 增材方法

601 金屬合金粉末

602 初始層

603 預先選擇的厚度

604 第一開口

610 聚焦能量源

611 部分

622 額外層

623 第二預先選擇的厚度

624 第二開口

633 組合厚度

634 組合開口。

具體實施方式

提供了冷卻物品和形成冷卻物品的方法。例如，本公開的實施例相比于未能包括本文公開的一個或多個特征的概念，提高冷卻效率、促進流體流的控制、在冷卻物品內分布流體流、在不更改冷卻物品中的孔的情況下促進調整沖擊流、增強構件冷卻、促進提高操作溫度的使用、使用增材制造促進冷卻物品的形成、以減少量的流體流提供增強冷卻，或其組合。

冷卻物品100包括用于促進渦輪構件的冷卻的任何合適的物品。在一個實施例中，如圖1中所示，冷卻物品100包括形成于其中的一個或多個孔101和/或形成于其中的一個或多個擋板103。例如，在另一實施例中，冷卻物品100包括具有多個孔101的沖擊套筒。雖然本文首先關于沖擊套筒描述，但本領域技術人員應當理解，冷卻物品100可包括任何其它合適的物品，諸如但不限于沖擊板、多個沖擊板、構造為用于插入構件內的任何其它物品，或其組合。

參照圖2，冷卻物品100的本體部分201限定和/或分開內部區(qū)域203和外部區(qū)域205。本體部分201包括面向內部區(qū)域203的內部表面204和面向外部區(qū)域205的外部表面206。在一個實施例中，一個或多個孔101在本體部分201中形成，將內部區(qū)域203流體地連接至外部區(qū)域205且提供內部區(qū)域203和外部區(qū)域205之間的流體流。例如，孔101可在內部表面204和外部表面206之間延伸，促進從內部區(qū)域203到外部區(qū)域205的冷卻流體的流。

各個孔101包括用于流體地連接內部區(qū)域203和外部區(qū)域205的任何合適的幾何形狀。合適的幾何形狀包括但不限于圓形、基本圓形、圓的、基本圓的、橢圓的、非圓的、方形、三角形、星形的、多邊形、變化的、不規(guī)則的、任何其它幾何形狀，或其組合。另外，孔101包括用于促進冷卻流的任何合適的定向和/或間隔?？?01之間的合適的間隔包括但不限于一致的、均勻的、變化的、有梯度的、分段的，或其組合?？?01的幾何形狀和/或間隔可貫穿冷卻物品100為均勻的、基本均勻的或變化的，其中各個孔101的幾何形狀和/或間隔與冷卻物品100中的一個或多個其它孔101相同、基本相同和/或不同。

一個或多個擋板103沿冷卻物品100的內部表面204定位，將內部區(qū)域203分成一個或多個子區(qū)域211。一個或多個擋板103中的各個在任何合適的方向上延伸，諸如但不限于軸向、基本軸向、徑向、基本徑向，或其組合。一個或多個擋板103的數(shù)量、定位和/或定向選擇成提供子區(qū)域211的期望構造，諸如，例如提供可控制的壓力和/或冷卻空氣流。在一個實施例中，如圖2中所示，單個擋板103固定至內部表面204，該單個擋板103將內部區(qū)域203分成一個或多個子區(qū)域211。在另一實施例中，如圖3中所示，至少兩個擋板103固定至內部表面204，該至少兩個擋板103將內部區(qū)域203分成一個或多個子區(qū)域211。本領域技術人員應了解，可提供任何合適數(shù)目的擋板103以形成內部區(qū)域203內的任何合適數(shù)目的子區(qū)域211。

一個或多個擋板103構造為在冷卻物品100的內部區(qū)域203內分布流體流。內部區(qū)域203內的流體流的分布包括但不限于向由擋板103形成的子區(qū)域211引入變化量的流體、改變擋板103的定向以改變一個區(qū)域中相對于另一區(qū)域的流體流、改變擋板103的定向以集中一個或多個子區(qū)域211內的流體流、改變穿過一個或多個擋板103的流體流，或其組合。例如，在一個實施例中，至少一個擋板103包括多孔結構403(見圖4)，諸如網(wǎng)格或網(wǎng)格織物。多孔結構403包括容許流體流直接地穿過多孔結構403的多個開孔和/或通道。在另一實施例中，一個或多個開口221形成在擋板103中。該一個或多個開口221可形成在多孔結構403中，形成在非多孔結構中，諸如板(見圖2)，或其組合。非多孔結構中的該一個或多個開口221提供穿過其的流體流，而多孔結構403中的該一個或多個開口221增加穿過其的流體流的量。當存在時，改變擋板103中的開口的尺寸、定向和/或數(shù)量，和/或改變多孔結構403的孔隙率改變穿過擋板103的流體流，這改變內部區(qū)域203內的流體流。另外或備選地，擋板103可包括流限制器和/或流阻止器，其更改和/或控制穿過擋板103和/或子區(qū)域211的流體流。合適的流限制器和/或流阻止器包括但不限于銷組、刷毛或其組合。

在一個實施例中，一個或多個擋板103改變一個或多個子區(qū)域211之間的流體流的分布。在另一實施例中，改變一個或多個子區(qū)域211之間的流體流的分布改變穿過對應于該一個或多個子區(qū)域211的孔101的流體流。例如，在進一步的實施例中，一個或多個擋板103定位成在子區(qū)域211的一個內相比于另一子區(qū)域211提供增加的流體流，子區(qū)域211內增加的流體流提供穿過子區(qū)域211中的孔101的增加的流體流。

轉到圖4，在一個實施例中，冷卻物品100構造為用于插入和/或定位在構件400內。構件400包括任何合適的構件，諸如但不限于中空構件、熱氣體通路構件、噴嘴、葉片、導葉或其組合。當插入和/或定位在構件400內時，冷卻物品100的外部區(qū)域205在冷卻物品的外部表面206和構件400的內部表面404之間延伸。另外，當冷卻物品100插入和/或定位在構件400內時，穿過孔101的流體流提供構件400的沖擊冷卻。例如，提供至冷卻物品100的內部區(qū)域203的冷卻流體可行進穿過孔101至外部區(qū)域205，在那里冷卻流體接觸構件400的內部表面404以冷卻構件400?？?01的定向和/或間隔至少部分地確定從內部區(qū)域203行進到外部區(qū)域205的流體的量、方向和/或集中。另外或備選地，擋板103和/或子區(qū)域211配置為更改、調整和/或控制從內部區(qū)域203到外部區(qū)域205的流體流。例如，擋板103和/或子區(qū)域211可構造為提供穿過孔101的期望的流體流輪廓。合適的流體流輪廓包括但不限于在難以到達的區(qū)域中的增加的流體流、在暴露于提高溫度的區(qū)域中的增加的流體流、在期望增強冷卻的其它區(qū)域中的增加的流體流，或其組合。

通過在內部區(qū)域203內分布流體流和/或改變子區(qū)域211之間的流體流的分布，擋板103改變穿過孔101的流體流，而不調整和/或更改孔101的數(shù)目、尺寸和/或幾何形狀，不使用多個冷卻物品100，或其結合。例如，在一個實施例中，擋板103提供獨立于孔101的數(shù)目、尺寸、幾何形狀和/或布置的流控制。在另一實施例中，由擋板103提供的獨立流控制促進用于孔101的期望參數(shù)的使用而不堵塞或基本不堵塞孔101。另外或備選地，相比于不包括如本文公開的實施例的一個或多個中描述的擋板103的冷卻物品，擋板103促進對流體流的增強控制、促進對沖擊冷卻流的增強控制、利用減少量的流體流提供增強冷卻、提高冷卻效率、促進提高操作溫度的使用，或其組合。

在一個實施例中，形成冷卻物品100和/或擋板103包括任何合適的增材制造方法。參照圖5至圖6，在一個實施例中，增材方法500包括制成和/或形成凈或近凈形狀的冷卻物品100和/或擋板103。如本文所使用，用語“近凈”表示冷卻物品100和/或擋板103形成帶有與冷卻物品100和/或擋板103的最終幾何形狀和尺寸非常類似的幾何形狀和尺寸，在增材方法500之后需要很少或無機加工和處理。如本文所使用，用語“凈”表示冷卻物品100和/或擋板103形成帶有不需要機加工和處理的幾何形狀和尺寸。

根據(jù)本文公開的一個或多個實施例，增材方法500包括整體地形成與冷卻物品100成整體的一個或多個孔101和/或一個或多個擋板103。另外或備選地，增材方法500包括單獨于冷卻物品100形成一個或多個擋板103，然后將該一個或多個擋板103固定至冷卻物品100。將該一個或多個擋板103固定至冷卻物品100包括但不限于焊接、釬焊、燒結、接合、互鎖、機械鎖定或其組合。雖然關于孔101在增材方法500期間形成而描述，但如本領域技術人員應了解，至少一個孔101可在增材方法500之后機加工到冷卻物品100中，而不影響冷卻物品100的凈或近凈幾何形狀。

增材方法500包括通過順序地和重復地沉積和接合材料層以用于形成冷卻物品100和/或擋板103的任何制造方法。合適的制造方法包括但不限于本領域的普通技術人員公知的過程，如直接金屬激光熔化(DMLM)、直接金屬激光燒結(DMLS)、激光工程化凈成形、選擇性激光燒結(SLS)、選擇性激光熔化(SLM)、電子束熔化(EBM)、熔融沉積造型(FDM)，或其組合。在一個實施例中，例如，增材方法500包括提供金屬合金粉末601(步驟501)；利用金屬合金粉末601形成初始層602(步驟502)；利用金屬合金粉末601在初始層602上順序地形成額外層622(步驟503)；且將額外層622接合至初始層602以形成冷卻物品100和/或擋板103(步驟504)。在另一實施例中，增材方法500包括重復在之前形成的層上順序地形成額外層622和將額外層622接合至之前形成的層的步驟(步驟505)，直到冷卻物品100和/或擋板103具有預先確定的厚度和/或獲得預先確定的形狀。之前形成的層包括冷卻物品100和/或擋板103的包括初始層602和/或直接或間接地接合至初始層602的任何其它額外層622的任何部分611。

初始層602包括預先選擇的厚度603和預先選擇的形狀，其在形成一個或多個孔101時包括至少一個第一開口604。各個額外層622包括第二預先選擇的厚度623和第二預先選擇的形狀，該第二預先選擇的形狀包括對應于初始層602中的至少一個第一開口604的至少一個第二開口624、對應于外部表面206的形狀和/或對應于一個或多個擋板103的形狀。第二預先選擇的厚度623和/或第二預先選擇的形狀可在一個或多個額外層622之間相同、基本相同或不同。當接合時，初始層602的預先選擇的厚度603和額外層622的第二預先選擇的厚度623形成部分611的組合厚度633。另外，至少一個第一開口604和相應的至少一個第二開口624形成部分611中的一個或多個組合開口634。一旦冷卻物品100形成，該一個或多個組合開口634形成將冷卻物品100的內部區(qū)域203流體地連接至外部區(qū)域205的一個或多個孔101。

在一個實施例中，增材方法500包括DMLM過程。在另一實施例中，DMLM過程包括提供金屬合金粉末601和沉積金屬合金粉末601以形成初始粉末層。初始粉末層具有預先選擇的厚度603和包括至少一個第一開口604的預先選擇的形狀。在進一步的實施例中，DMLM過程包括在初始粉末層提供聚焦能量源610和引導聚焦能量源610以熔化金屬合金粉末601和將初始粉末層轉換成冷卻物品100和/或擋板103的部分611。合適的聚焦能量源包括但不限于激光裝置、電子束裝置或其組合。

緊接著，DMLM過程包括在冷卻物品100和/或擋板103的部分611上順序地沉積額外的金屬合金粉末601以形成具有第二預先選擇的厚度623和第二預先選擇的形狀的額外層622。在沉積金屬合金粉末601的額外層622之后，DMLM過程包括利用聚焦能量源610熔化額外層622以增加組合厚度633且形成冷卻物品100的至少一部分。順序地沉積金屬合金粉末601的額外層622和熔化額外層622的步驟然后可重復以形成凈或近凈形狀的冷卻物品100和/或擋板103。例如，步驟可重復直到獲得具有預先確定的厚度、預先確定的形狀、一個或多個孔和/或一個或多個擋板103的冷卻物品100。

另外或備選地，一個或多個擋板103可從冷卻物品100的形成和/或在冷卻物品的形成之后單獨地形成。例如，擋板103可使用增材方法500在之前形成的冷卻物品100上直接地形成，或擋板103可單獨于冷卻物品100形成然后附接至冷卻物品100。單獨于冷卻物品100形成擋板103可包括增材方法500或非增材方法，諸如機加工、燒結和/或鑄造。使用增材方法500形成冷卻物品100和/或擋板103相比于非增材方法促進具有增加的復雜性的擋板103的形成。另外或備選地，在冷卻物品100的增材制造期間形成一個或多個擋板103時，擋板103可為冷卻物品100提供支撐、促進具有減小的厚度的本體部分201的形成、促進較長和/或較高的冷卻物品100的形成、在制造期間減少或消除冷卻物品100的變形、維持冷卻物品100的期望的幾何形狀，或其組合。

雖然已經(jīng)參考一個或多個實施例描述了本發(fā)明，但本領域技術人員應當理解，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下可以做出各種改變且對于其元件可替代等同物。另外，在不脫離其實質范圍的情況下，可以做出很多修改以適應根據(jù)本發(fā)明的教導的特殊情況或材料。因此，意在使本發(fā)明不限于如用于實現(xiàn)本發(fā)明所構思的最佳模式而公開的特定實施例，而是本發(fā)明將包括落入所附權利要求的范圍內的所有實施例。另外，在詳細描述部分中標出的所有數(shù)值應當被理解為明確地標出了精確值和近似值。