具有瓦楞端部壁的燃气轮机叶片制造技术

一种燃气涡轮发动机叶片(10)，包括具有铸造壁的基体部分(12)，以及附接到该基体部分并具有通过增材制造方法形成的壁(60)的端部部分(14)。该端部部分壁可以形成为实心的并且厚度小于2mm，或者其可以为瓦楞状的并且厚度大于2mm。限定壁的瓦楞的开口(80)的截面形状可以为半圆形、矩形、梯形或椭圆形。得到的叶片具有较低的端部质量，同时保持足够的机械性能。端部部分可以形成为在具有等轴晶粒结构的基体部分上具有定向凝固的晶粒结构。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有瓦楞端部壁的燃气轮机叶片本申请为在2014年7月14日提交的并且作为美国专利申请公开号US2015/0034266A1公布的美国专利申请号14/330,226的部分继续申请，其通过引证并入本文。该申请继而为在2013年8月1日提交的并且作为美国专利申请公开号US2015/0033559A1公布的美国专利申请号13/956,635的部分继续申请，其通过引证并入本文。
本专利技术总体涉及金属连接和增材制造的领域，并且更具体地，涉及通过铸造基板然后使用增材制造方法将金属沉积到先前铸造的基板上以完成部件来制造部件的方法。
技术介绍
燃气涡轮发动机的发电量一直在增加，并且单个发动机的联合循环输出现在超过500兆瓦。较高的功率输出的机器倾向于物理上较大，并且一个功率限制特性是旋转涡轮叶片的最后一排的大小，因为在这种长叶片产生的离心力可能超过已知合金的材料强度能力。已经开发了几种技术来降低涡轮叶片的重量，从而便于设计更大的机器。Jackson等人的美国专利5,626,462公开了一种双壁螺旋桨(airfoil)，其中外层以冶金方式粘结到内支撑壁上。双壁包括集成的冷却通道。然而，外层和内支撑壁的粘结以及在粘结处产生的尖角允许可能影响部件寿命的应力上升。Campbell等人的美国专利8,079,821公开了通过柔顺结构连接内壁和外壁以使内层和外层之间能够热膨胀。然而，这种布置可能需要复杂的制造步骤以将柔顺构件固定到内壁和外壁上。Campbell等人的美国专利8,720,526公开了形成长燃气涡轮发动机叶片的方法，其具有主壁，该主壁具有在端部附近的较薄部分。在Campbell中，叶片铸造为具有比期望的更厚的端部。随后将端部加工成所需大小，这增加了制造方法的成本。Mazzola等人的美国专利8,979,498公开了通过冶金粘结或紧固件将铸造端部附接到铸造基体上来制造螺旋桨。然而，因为其是铸造的，端部局限于通过铸造方法可实现的特性。由于市场上需要下一代的甚至更大的燃气涡轮发动机，因此需要进一步改进叶片设计和制造。附图说明在以下描述中基于附图解释本专利技术：图1示出了用于燃气涡轮发动机的叶片，其具有铸造基体部分和通过增材制造方法在该铸造基体部分上形成的端部部分。图2为根据本专利技术的实施方式的增材制造方法的示意图。图3示出了沿图1的截面3-3的图1的叶片的端部部分的示例性实施方式的截面。图4-7以截面示出了图1的叶片的替代实施方式的端部部分的前缘区域的示例性实施方式。图8示出了具有铸造基体部分和通过增材制造方法形成的后缘部分的本专利技术的实施方式。具体实施方式当前的燃气涡轮发动机操作条件使涡轮叶片暴露于各种力，包括与旋转相关的那些。叶片端部处的质量需要在端部下方的结构支撑以支撑在旋转期间端部处质量的拉力。结构支撑增加了叶片的总质量，导致叶片比期望的质量大得多。为此，重要的是形成尽可能薄的叶片壁。铸造是形成叶片的常规方法。然而，难以铸造薄壁的螺旋桨，特别是在非常大的涡轮叶片中，因为常规的铸造限于基于至少约为二(2)毫米的厚度的壁，甚至这也是一个挑战。为了获得比目前可实现的更长的叶片，期望的是将端部处的质量减小到小于二(2)毫米厚的壁中存在的那些。专利技术人已经设计出一种用于制造涡轮叶片的新方法，其允许减小叶片端部处的质量。这允许制造和使用更长的涡轮叶片，其提高了发动机效率。提出的方法以新颖的方式结合铸造和增材制造来制造叶片。具体地，叶片的基体使用常规技术铸造，但没有端部部分。基体部分材料可以为任何已知的适用于涡轮叶片的材料，包括超合金。随后通过增材制造方法在基体部分上形成端部部分。端部部分材料可以为任何已知的适用于涡轮叶片的材料，包括超合金。端部部分材料可以与基体部分材料相同，或者端部部分材料可以与基体部分材料不同。例如，可以基于叶片端部局部的设计要求如磨损性等来选择端部部分材料。增材制造方法，如在母申请US2015/0034266A1中讨论的激光粉末沉积方法，提供了大得多的控制，并因此能够制成厚度低至约0.5毫米的壁。这使得制成叶片端部部分的至少两种选项是可能的。在第一实施方式中，端部部分中的壁可以通过使用增材制造方法简单地形成为具有小于二(2)毫米的厚度的实心壁。在第二实施方式中，端部部分中的壁可以形成为瓦楞壁(例如，工程设计的壁)，并且对于任何给定的厚度，瓦楞壁将具有比铸造/实心壁更小的质量，同时保持相当或更大的结构强度和稳定性。例如，虽然端部部分中的具有一(1)毫米的厚度的实心壁可以充分地减小叶片的其余部分上的旋转力，但是不清楚一(1)毫米厚的壁是否能够承受其他应力源(例如，压力和循环疲劳)。然而，端部部分中的两(2)毫米厚的瓦楞壁将具有可接受的质量，并且根据工程设计的结构的性质，其还具有可接受的结构强度、改善的刚度并且能够更好地承受其他应力源。本专利技术利用增材制造方法将叶片的端部部分形成在铸造基体部分上，并且其允许形成具有实心(如小于2mm)或瓦楞类型的壁(如至少2mm)的端部部分，或甚至形成具有其中存在实心和工程设计的部分两者的混合壁的端部部分。铸造没有端部的的叶片的基体部分可以比铸造接近铸造方法的极限的长叶片的全叶片便宜得多。减小的长度改善了芯部刚度并有利于芯部定位。另外，减小的质量可以有助于固化并且可以减轻外壳鼓起和其他质量相关的铸造挑战。因此，在铸造没有端部叶片时可以提高产量。这些节省抵消了单独的增材制造步骤的成本。而且，本专利技术使得能够生产具有比用已知技术可实现的叶片更大的长度的叶片。图1示出了叶片10的示例性实施方式，其具有在界面16处以冶金方式粘结到端部部分14的基体部分12。基体部分12可以通过常规的铸造操作形成，并且端部部分14可以随后通过增材制造方法在基体部分上形成。本领域普通技术人员应认识到可接受的增材制造技术包括但不限于选择性激光熔化(SLM)和选择性激光烧结(SLS)等。叶片10包括翼型部分18并且具有总叶片径向长度20。总叶片径向长度20包括基体部分径向长度22和端部部分径向长度24。虽然已知使用增材制造方法对叶片端部(凹槽叶顶)处的磨损表面进行修复，但本专利技术利用增材制造方法用于原始制造叶片的整个端部部分14，包括至少一些翼型部分18。在示例性实施方式中，端部部分径向长度24可以在总叶片径向长度20的5-40％内。对每个特定的叶片设计选择在铸造基体部分12的相对较低的成本和相对较高的成本但较轻的端部部分14之间的平衡。在示例性实施方式中，总叶片径向长度20可以为870mm，并且端部部分径向长度24可以为87mm或更大。在示例性实施方式中，基体部分12为中空的，并且基体部分12的壁厚(未示出)可以为2毫米或更大，这将提供在其上开始增材制造方法的足够的基板。铸造壁可以包括或可以不包括如冷却通道等的开口。图2示出了根据本专利技术的实施方式的并用于在基体部分12上形成端部部分14的增材制造方法，如选择性激光烧结或选择性激光熔化，本文统称为选择性激光加热。增材制造设备30包括粉末进料部分32和制造部分34。粉末进料部分32包含一定体积的粉末36，其通过如辊38的粉末进料和分配装置选择性地移动到制造部分34，辊38在制造部分34的制造粉末床40的顶表面上输送预定厚度的未加工粉末36。然后扫描系统42横跨制造粉本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制造燃气涡轮发动机叶片(10)的方法，所述方法包括通过增材制造方法在所述叶片的铸造基体部分(12)上形成所述叶片的端部部分(14)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.04.27 US 15/139,3791.一种制造燃气涡轮发动机叶片(10)的方法，所述方法包括通过增材制造方法在所述叶片的铸造基体部分(12)上形成所述叶片的端部部分(14)。2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括形成所述端部部分以包括截面小于2mm厚度的实心壁。3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括通过所述增材制造方法形成所述端部部分以包括瓦楞壁(60)。4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述铸造基体部分包括常规铸造的等轴晶粒结构，并且进一步包括形成所述端部部分以包括定向凝固的晶粒结构。5.根据权利要求3所述的方法，进一步包括形成所述瓦楞壁以包括内板(76)、外板(74)和其间的整体连接(78)，并形成所述内板和所述外板使得每个在至少一个各自的位置包括不大于0.5毫米的截面厚度。6.根据权利要求3所述的方法，进一步包括形成所述瓦楞壁以包括开口(80)，当在截面中观察时，所述开口包括选自由矩形、梯形和椭圆形组成的组的截面形状。7.根据权利要求3所述的方法，进一步包括形成所述瓦楞壁以包括多个开口，所述开口在截面中观察时具有半圆形形状并且设置在沿着所述壁的长度从所述瓦楞壁的前缘(70)到所述瓦楞壁的后缘(72)的方向上，相邻的半圆形形状具有交替的取向。8.根据权利要求3所述的方法，进一步包括形成所述端部部分以包括在沿着所述叶片的壁的两个位置处不同的截面壁厚。9.根据权利要求3所述的方法，进一步包括通过所述增材制造方法形成所述端部部分以包括瓦楞结构肋条(66)。1...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯蒂安·泽维尔·坎贝尔，阿南德·A·库尔卡尼，丹尼尔·M·艾沙克，阿利斯特·威廉·詹姆斯，菲利普·贝林，阿梅德·卡梅尔，
申请(专利权)人：西门子能源有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US