[發明專利]在燃氣渦輪機的超合金鑄件中形成冷卻通道

在審

• 申請號: 201680010551.3
• 申請日: 2016-02-17
• 公開（公告）號: CN107849934A
• 公開（公告）日: 2018-03-27
• 發明（設計）人: 加里·B·梅里爾;小喬納森·E·希佩爾;科拉·希契曼
• 申請（專利權）人: 西門子公司
• 主分類號: F01D11/12
• 分類號: F01D11/12;F01D11/08;F01D5/18;F01D5/28;F01D5/14
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司11227
• 代理人: 董敏,陳偉偉

優先權聲明

本申請要求于2015年2月18日提交的題為“TURBINE COMPONENT THERMAL BARRIER COATING WITH CRACK ISOLATING ENGINEERED GROOVE FEATURES(具有裂紋隔離工程化槽特征的渦輪部件的熱障涂層)”的國際申請No.PCT/US 15/16318的優先權，上述申請的全部內容通過參引并入本文。

技術領域

本發明涉及用于在燃氣渦輪部件比如發動機葉片、輪葉或過渡件的超合金基底中形成冷卻通道的方法。更特別地，本發明涉及在熔模鑄造期間通過使用具有突出陶瓷柱的陶瓷殼插入件在這種超合金部件中形成部分完成的冷卻通道然后完成鑄件中的通道。

背景技術

包括氣體/燃氣渦輪發動機和蒸汽渦輪發動機的已知渦輪發動機包含由渦輪機外殼或殼體在周向方向上包圍的軸安裝式渦輪機葉片。本說明書的剩余部分將重點放在燃氣或氣體渦輪機技術應用和環境內的應用，但本文描述的示例性實施方式還可適用于蒸汽渦輪發動機。在氣體/燃氣渦輪發動機中，熱燃燒氣體流入開始于燃燒器內的燃燒路徑中并且被引導穿過大致管狀的過渡件到渦輪機部段中。靠前的或者第1排輪葉將燃燒氣體引導經過多排連續交替的渦輪機葉片和輪葉。撞擊渦輪機葉片的熱燃燒氣體致使葉片旋轉，由此將熱氣體內的熱能轉換成機械功，該機械功可用于向旋轉機械裝置比如發電機提供動力。

將位于熱燃燒氣體路徑內的發動機內部部件暴露在大約超過1000攝氏度(1832華氏度)的燃燒溫度下。例如，位于燃燒路徑內的發動機內部部件，比如燃燒部段過渡件、輪葉和葉片通常由耐高溫的超合金構成。葉片、輪葉和過渡件通常包括終止于部件外表面上的冷卻孔中的冷卻通道，該冷卻通道用于冷卻劑流體流經進入到燃燒路徑中。

渦輪發動機內部部件通常包含金屬陶瓷材料的熱障涂層或涂料(TBC)，該熱障涂層或涂料(TBC)直接施加到部件基底表面的外表面或者施加到先前已施加至基底表面的中間金屬粘結涂層(BC)上方。TBC在部件基底上提供了隔熱層，這降低了基底溫度。TBC施加與部件中的冷卻通道的結合進一步降低了基底溫度。

在超合金部件中制造冷卻通道與將TBC層施加至超合金部件產生了沖突的制造約束。傳統地，冷卻通道是用包括機械切割/鉆頭或各種沖蝕裝置——比如高壓水流噴射、沖擊激光脈動和電火花加工(“EDM”)——的示例性去除工具通過將超合金材料從部件內的預期通道路徑中移除而形成的。切割冷卻通道路徑、輪廓和尺寸受到切割器具的物理能力的限制。例如，被鉆孔的通道是線性的并且具有與鉆頭匹配的橫截面對稱性。被沖蝕的通道受到沖蝕器具的尺寸及沿著切割路徑操縱器具的能力的限制。

熔模鑄造的渦輪發動機部件是通過在蠟注射模具中產生硬化的蠟模型制造的，其中，所述蠟模型復制了成品超合金部件的輪廓。將蠟模型包封在陶瓷漿料中，然后通過燒制該陶瓷漿料以硬化成陶瓷殼外殼。當將蠟從陶瓷殼外殼中移除時，將內腔用熔融的超合金材料填充。傳統地，更特別地，將用于熔模鑄造的蠟模型和用于燃氣渦輪發動機的超合金部件注射到硬質工具的蠟模具中并以精密光滑的表面從工具中移除。然后，將蠟模型浸漬到各種陶瓷漿料混合物中進行處理以形成外部陶瓷殼，隨后將外部陶瓷殼燒結以形成熔融金屬要澆注在其中的前室。在冷卻和固化后，將外部陶瓷殼通過機械和/或化學方法移除并且然后制備金屬部件用于進一步處理。金屬部件的進一步處理包括陶瓷芯移除、精加工、冷卻孔的鉆孔以及熱障涂料(“TBC”)的施加。通常，現有技術的工藝需要熔模鑄造表面被輕微地噴砂以制備用于粘結涂層施加的表面。在這點上，通常為金屬鉻、鋁、釔(“MCrAlY”)涂料的粘結涂層通過噴涂沉積技術比如高速氧燃料(“HVOF”)或低壓等離子噴涂(“LPPS”)施加到基底。此后，將陶瓷熱屏障比如YSZ(氧化釔穩定的氧化鋯)通過大氣或空氣等離子體噴涂(“APS”)施加到MCrAlY的表面來完成涂料系統。在某些情況下，通過APS施加兩層陶瓷涂料以降低熱傳導性。

熔模鑄造的蠟模型不具有足夠可靠的結構完整性以直接在蠟模型中形成冷卻通道。在冷卻通道形成在形成蠟模型的模具中的情況下，蠟模型中的冷卻通道的輪廓會變形的可能性或者蠟模型的通道不會被陶瓷漿料完全填充的可能性不大；在任一種情況下，不能確保金屬鑄件中所得通道的設計規格。