高孔隙率材料及其制造方法技术

本发明专利技术涉及高孔隙率材料及其制造方法。具体而言，本发明专利技术涉及包括具有范围在1%到30%之间的第一孔隙率的第一区域的陶瓷或金属构件。该构件包括具有小于第一孔隙率的第二孔隙率的第二区域。该构件包括第一区域和第二区域之间的至少一个分级过渡。

High porosity materials and their manufacturing methods

The present invention relates to high porosity material and its manufacturing method. In particular, the present invention relates to a ceramic or metal member having a first zone with a range of first porosity between 1% and 30%. The component includes a second area with a second porosity of less than the first porosity. The component includes at least one hierarchical transition between the first area and the second region.

【技术实现步骤摘要】
高孔隙率材料及其制造方法
本公开大体上涉及具有变化的孔隙率的多孔金属构件，以及制造其的方法。本专利技术的多孔特性可包括尺寸、形状和密度上的变化。选择性孔隙率通过发散在喷气式飞行器发动机的冷却构件(例如，涡轮叶片)中提供有用特性。
技术介绍
许多现代发动机和下一代涡轮发动机需要具有错综和复杂的几何形状的构件和部分，其需要新型的制造技术。用于制造发动机部分和构件的常规技术涉及熔模铸造或失蜡铸造的费力过程。熔模铸造的一个示例涉及制造用在燃气涡轮发动机中的典型转子叶片。涡轮叶片通常包括具有沿叶片的翼展延伸的径向通道的中空翼型件，其具有至少一个或多个入口以用于在发动机中的操作期间接收加压冷却空气。在叶片中的各种冷却通道中，蛇形通道在前缘和后缘之间布置在翼型件的中间。翼型件通常包括穿过叶片延伸的入口以用于接收加压冷却空气，其包括诸如短湍流器肋部或销的局部特征以用于增加翼型件的热的侧壁和内部冷却空气之间的热传递。这些涡轮构件的制造(通常从高强度超级合金金属材料)涉及多个步骤。第一，制造精密陶瓷芯以符合涡轮叶片内期望的错综冷却通道。还产生精密模具或铸模，其限定涡轮叶片(包括其翼型件、平台和整体结合的燕尾部)的精确3-D外表面。陶瓷芯在两个模具半部内组装，两个模具半部形成其间的空间或空隙，其限定叶片的所得的金属部分。蜡注入组装的模具中以填充空隙且包围密封在其中的陶瓷芯。两个模具半部分开且从模制的蜡移除。模制的蜡具有期望的叶片的精确构造且然后涂覆有陶瓷材料以形成包围的陶瓷壳体。然后，蜡熔化且从壳体移除，留下陶瓷壳体和内部陶瓷芯之间的相应的空隙或空间。熔化的超级合金金属然后被倒入壳体中以填充其中的空隙且再一次密封容纳在壳体中的陶瓷芯。熔化的金属冷却且固化，且然后外壳体和内芯合适地移除，留下期望的金属涡轮叶片，在其中发现内部冷却通道。铸造涡轮叶片可然后经历额外的铸造后修补，诸如但不限于，穿过翼型件的侧壁钻取合适排的膜冷却孔，如提供用于内部引导的冷却空气(其然后在燃气涡轮发动机中的操作期间形成翼型件的外表面上的保护性冷却空气膜或表面层)的出口所期望的那样。冷却通道还可由放电加工(EDM)产生，其使用放电产生冷却通道。然而，钻孔和EDM两者均是受限的，且给定涡轮发动机的一直增加的复杂性和涡轮叶片的某些冷却线路的公认的效率，需要更加复杂和错综的冷却几何形状。虽然熔模铸造能够制造这些部分，但冷却通道的位置精度和错综几何形状使用这些常规制造过程制造起来变得更加复杂。例如，穿过翼型件的侧壁钻取冷却孔限制孔的直径至最小钻头的尺寸。另外，其也限制改变通道各处的直径和/或形状的能力。通道限制为线性形状。因此，难以构造具有小通道、高密度通道以及直径和形状上变化的通道的涡轮叶片。特别地，难以构造具有不受上述限制的高孔隙率的涡轮叶片。
技术实现思路
在实施例中，本专利技术涉及包括具有范围在1%到30%之间的第一孔隙率的第一区域的陶瓷或金属构件。该构件包括具有小于第一孔隙率的第二孔隙率的第二区域。该构件包括第一区域和第二区域之间的至少一个分级过渡。在本专利技术的一个方面，该构件形成涡轮叶片的一部分，例如在喷气式飞行器发动机内。在另一个方面，本专利技术涉及包括第一区域的涡轮叶片，第一区域具有范围在1%到30%之间的孔隙率。涡轮叶片包括不包含孔隙率或包含小于第一区域的孔隙率的第二区域。在另一个方面，本专利技术涉及制造多孔构件的方法。该方法包括在层-层基础上构造构件的步骤。此过程涉及(a)照射粉末床中的一层粉末以形成至少部分熔合的区域；(b)在粉末床上提供粉末的后续层；以及(c)重复步骤(a)和(b)直到完成该构件，其中该构件包括第一金属区域和第二金属区域，第一金属区域具有范围在1%到30%之间的孔隙率，第二金属区域不具有孔隙率或具有比第一金属区域的孔隙率小的孔隙率。技术方案1.一种陶瓷或金属构件，包括：第一区域，其具有范围在1%到30%之间的第一孔隙率；和第二区域，其具有小于所述第一孔隙率的第二孔隙率，其中所述构件包括所述第一区域和第二区域之间的至少一个分级过渡。技术方案2.根据前述技术方案中任一项所述的构件，其中，所述第一区域和第二区域包括具有0.05mm到0.1mm之间的直径的孔。技术方案3.根据前述技术方案中任一项所述的构件，其中，所述分级过渡包括阶梯式分级过渡。技术方案4.根据技术方案1或技术方案2所述的构件，其中，所述过渡包括连续分级过渡。技术方案5.一种涡轮叶片，包括：第一区域，其具有中空中心和范围在1%到30%之间的孔隙率；和第二区域，其不包括孔隙率或包括小于所述第一区域的孔隙率。技术方案6.根据前述技术方案中任一项所述的涡轮叶片，其中，所述第一区域是叶片部分且所述第二区域是所述涡轮叶片的根部部分。技术方案7.根据前述技术方案中任一项所述的涡轮叶片，其中，所述第一区域和第二区域包括具有0.02mm到0.4mm之间的直径的孔。技术方案8.一种制造多孔构件的方法，包括：在层-层基础上构造所述构件，包括以下步骤：(a)照射粉末床中的一层粉末以形成至少部分熔合的区域；(b)在所述粉末床上提供粉末的后续层；以及(c)重复步骤(a)和(b)直到完成所述构件，其中所述构件包括第一金属区域和第二金属区域，所述第一金属区域具有范围在1%到30%之间的孔隙率，所述第二金属区域不具有孔隙率或具有比所述第一金属区域的孔隙率小的孔隙率。技术方案9.根据技术方案8所述的方法，其中，所述多孔金属区域具有范围从5%到25%的孔隙率。技术方案10.根据技术方案8所述的方法，其中，所述多孔金属区域具有范围从10%到20%的孔隙率。技术方案11.根据前述技术方案中任一项所述的方法，其中，所述孔具有范围从0.02mm到0.4mm的最大直径。技术方案12.根据技术方案8至技术方案10中任一项所述的方法，其中，所述孔具有范围从0.05mm到0.3mm的最大直径。技术方案13.根据技术方案8至技术方案10中任一项所述的方法，其中，所述孔具有范围从0.05mm到0.1mm的最大直径。技术方案14.一种涡轮叶片，包括：中空中心；第一区域，其具有外表面和暴露于所述中空中心的内表面，所述第一区域还具有第一孔隙率；以及第二区域，其具有小于所述第一孔隙率的第二孔隙率，其中空气从所述中空中心内流动穿过所述第一多孔区域以冷却所述外表面。技术方案15.根据前述技术方案中任一项所述的涡轮叶片，其中，所述涡轮叶片还包括前缘和与所述前缘相对的后缘。技术方案16.根据技术方案15所述的涡轮叶片，其中，所述第一区域包括在所述前缘处的第一子区域和所述后缘处的第二子区域之间的至少一个分级过渡，其中所述第二子区域相比所述第一子区域具有不同的孔隙率。技术方案17.根据前述技术方案中任一项所述的涡轮叶片，其中，所述涡轮叶片还包括压力侧和与所述压力侧相对的吸力侧。技术方案18.根据技术方案17所述的涡轮叶片，其中，所述第一区域包括所述压力侧处的第一子区域和所述吸力侧处的第二子区域，其中所述第一子区域相比所述第二子区域具有不同的孔隙率。技术方案19.根据前述技术方案中任一项所述的涡轮叶片，其中，所述分级过渡包括阶梯式分级过渡。技术方案20.根据技术方案14至技术方案18所述的涡轮叶片，其中，所述过渡包括连续分级过渡。附图说明图1是示出了本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种陶瓷或金属构件(300)，包括：第一区域(315)，其具有范围在1%到30%之间的第一孔隙率；和第二区域(320)，其具有小于所述第一孔隙率的第二孔隙率，其中所述构件包括所述第一区域和第二区域之间的至少一个分级过渡(335)。

【技术特征摘要】
2016.04.05 US 15/0913391.一种陶瓷或金属构件(300)，包括：第一区域(315)，其具有范围在1%到30%之间的第一孔隙率；和第二区域(320)，其具有小于所述第一孔隙率的第二孔隙率，其中所述构件包括所述第一区域和第二区域之间的至少一个分级过渡(335)。2.根据前述权利要求中任一项所述的构件，其特征在于，所述第一区域和第二区域包括具有0.05mm到0.1mm之间的直径的孔。3.根据前述权利要求中任一项所述的构件，其特征在于，所述分级过渡包括阶梯式分级过渡。4.根据权利要求1或权利要求2所述的构件，其特征在于，所述过渡包括连续分级过渡。5.一种涡轮叶片(300)，包括：第一区域(305)，其具有中空中心和范围在1%到30%之间的孔隙率；和第二区域(310)，其不包括孔隙率或包括小于所述第一区域的孔隙率。6.根据前述权利要求中任一项所...

【专利技术属性】
技术研发人员：HC罗伯茨，MFX小吉利奥蒂，RW小阿尔布雷奇特，EA埃斯蒂尔，PA弗林，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国,US