具有待冷却的区域的部件以及用于增材制造该部件的方式制造技术

本发明专利技术说明一种具有待冷却的区域(B)的部件，其中部件具有冷却通道(K)，所述冷却通道(K)设置和构成用于在运行时借助于流体流(F)来冷却部件的区域(B)，其中冷却通道(K)朝向区域(B)通过第一通道侧(1)限定并且背离所述区域通过第二通道侧(2)限定，并且其中与第二通道侧(2)相比，第一通道侧(1)与冷却通道(K)形成更大的接触面积。此外，本发明专利技术涉及一种用于准备部件的增材制造工艺的方法、一种用于增材制造的方法和一种用于构成优选的表面特性的制造人为构造的应用以及一种计算机程序产品。制造人为构造的应用以及一种计算机程序产品。制造人为构造的应用以及一种计算机程序产品。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有待冷却的区域的部件以及用于增材制造该部件的方式


[0001]本专利技术涉及一种可冷却的或在运行中待冷却的部件、一种用于准备部件的增材制造工艺尤其基于粉末床的增材制造工艺的方法、一种用于增材制造部件的方法以及一种用于构成部件的优选的表面特性的取向相关的制造人为构造的应用，尤其地，所述表面特性可以实现部件的区域中的改进的热传输。此外，本专利技术说明一种计算机程序或计算机程序产品。

技术介绍

[0002]部件或构件优选地设计用于在流体机械中，优选地在燃气轮机的热气路径中使用。据此，构件优选地由超合金，尤其镍基的或钴基的超合金构成。合金可以是沉淀硬化的或可沉淀硬化的。
[0003]在燃气轮机中，通过燃料例如气体的燃烧产生的热气的热能和/或流动能转换成转子的动能(旋转能)。为此，在燃气轮机中构成有流动通道，在所述流动通道的轴向方向上支承有转子或轴。如果流动通道由热气穿流，则对转子叶片加载力，所述力转换成作用于轴的扭矩，所述扭矩驱动涡轮转子，其中旋转能例如可以用于运行发电机。
[0004]现代的燃气轮机不断得到改进，以便提高其效率。然而此外，这引起热气路径中的越来越高的温度。尤其在第一级中，用于转子叶片的金属材料不断地关于其在高温下的强度(蠕变负荷、热机械疲劳)得到改进。
[0005]增材制造方法(英文：“additive manufacturing”)已被证实为对于复杂的或精细地设计的构件，例如迷宫形结构、冷却结构和/或轻型结构是特别有利的。尤其地，增材制造由于特别短链的工艺步骤是有利的，因为构件的生产或制造步骤可以尽可能地基于相应的CAD文件和相应的生产参数的选择来进行。
[0006]增材制造方法例如作为粉末床方法包括选择性激光熔化(SLM)或激光烧结(SLS)或电子束熔化(EBM)。其他增材方法例如是“定向能量沉积(DED)”方法，尤其激光堆焊、电子束粉末焊接或等离子粉末焊接、丝焊、金属粉末注塑成型、所谓的“薄片层压(sheet lamination)”方法或热注塑方法(VPS LPPS，GDCS)。
[0007]对于基于粉末床的增材方法(“激光粉末床熔合”(LPBF))共同的是，构造方向，通常竖直线，由于粉末床的存在和设置方法固有地预设。
[0008]例如从EP 2 601 006B1中已知一种用于选择性的激光熔化的方法。
[0009]生成式或增材式生产由于其对于工业的颠覆性的潜力对于批量制造在上文中提及的涡轮部件，例如涡轮叶片或燃烧器部件，也变得越来越令人感兴趣。
[0010]由粉末床制造冷却系统或待冷却的部件是特别有利和大有可为的，因为可以省去耗费的传统的制造方案，所述传统的制造方案需要大量的方法步骤、非常长的产出时间，并且通常需要制造单独的模具，如铸造模具。
[0011]然而，逐层的增材构造和所构造的结构与结构平台上的取向的相关性引起相应地待构造的部件的尤其空腔或通道缺乏可复现性和表面质量中的大的波动。尤其在大的空
腔、通道、腔室或限定其的悬垂结构情况下，应期望内部的或外部的部件表面中的特别大的粗糙度或几何波动。这由于对悬垂结构缺乏机械支持而引起，但是主要也由于缺乏散热和由于熔池破裂而引起。
[0012]悬垂结构，即例如关于竖直的构造方向形成悬垂的结构，已知仅能够困难地制造或固化，因为其熔池在制造工艺期间至少部分地伸入到松散的粉末的区域中。即在选择性熔化方法中，熔池延展通常超过所设定的层厚度多倍。
[0013]为了预测或控制尤其几何相关的人为构造或所提及的表面特性，尤其需要实验研究。所述实验研究又牵涉高成本和费时的产品开发。
[0014]迄今为止的例如借助于所谓的CFD模拟(“计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics)”)预测内部表面或通道结构的表面粗糙度及其对相应的结构中的冷却功能和散热的作用的方案迄今为止同样失败，或者由于模拟和实际实验的不相称被证实为不可应用。这种模拟例如包括通道或腔室面处的压力损失和热传递测量。尤其在所述所提及的参数的情况下，实验研究结果表明不必然线性相关。
[0015]相反，改进用于所描述的部件的增材制造的结构结果和可复现性的机会提供待构造的部件的例如可以通过CAD文件给出的几何形状以及照射策略和特定材料特性的考虑。

技术实现思路

[0016]因此，本专利技术的目的是提出已经在实际的制造工艺的准备中实现如下先决条件的方式：所述先决条件允许以改进的方式进行由高性能材料构成的复杂结构、尤其具有冷却通道或待冷却的区域的部件的增材制造，从而也关于结构质量和/或功能性决定性地改进待构造的部件本身。尤其地，通过本专利技术，在给定冷却耗费的情况下，在更高的温度的情况下可以实现部件的使用，或者相应地，在给定使用温度的情况下，改进冷却效率。这尤其对于流体机械的已知与所参与的部件的使用温度强烈相关的效率(卡诺效率)非常重要(参见上文)。
[0017]所述目的通过独立权利要求的主题来实现。有利的设计方案是从属权利要求的主题。
[0018]本专利技术的一个方面涉及具有待冷却的区域的部件或在运行时待冷却的部件，所述部件具有冷却通道，所述冷却通道设置和构成用于在运行时借助于流体流来冷却部件的区域。优选地，由于燃气轮机的热气路径或在航空或汽车领域的可相似的应用，所述区域受到热的和/或机械的高负荷。区域优选地是部件的表面区域或部件的在运行时特别受到热的或热机械的负荷的其他区域。所述区域尤其可以表示部件的壁，例如限定热气路径的壁。
[0019]冷却通道在靠近壁或朝向待冷却的区域的一侧处通过第一通道侧或通道侧结构来限定。
[0020]此外，冷却通道在远离壁或背离待冷却的区域的一侧处通过与第一通道侧不同的第二通道侧或通道侧结构来限定。与第二通道侧相比，第一通道侧与冷却通道形成更大的接触面积。
[0021]在冷却通道的横截面中观察，两个通道侧可以包围冷却通道，优选地在整个环周上包围冷却通道。
[0022]只要部件的冷却通道在其根据规定的运行中借助于冷却流体或流体流例如冷却
空气流或另一介质穿流，则对于第一通道侧也引起与冷却流体的对于对环境的热传输重要的更大的相互作用，使得与第二通道侧相比，第一通道侧处的热传递或热传输得到改进。
[0023]根据本专利技术，通道侧(第一通道侧和第二通道侧)处的所述“不对称的”热传输有利地恰好允许冷却流体质量流的优化和受到热负荷的区域的热量到冷却流体的热传输。
[0024]在一个设计方案中，第一通道侧的与第二通道侧相比更大的接触面积通过第一通道侧的更大的粗糙度引起。这种增加的粗糙度尤其可以通过制造方法固有地给予部件。
[0025]在一个设计方案中，粗糙度包括平均粗糙值和/或均方根粗糙度，或是相应的量度。替选地或附加地，粗糙度的评估也可以涉及用于相应的表面的粗糙度的另一经证实的或有效的量度。
[0026]在一个设计方案中，冷却通道具有圆形的横截面。所述设计方案对于部件的简单的通道几何形状和相应有利地设计的待冷本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种具有待冷却的区域(B)的部件(10)，所述部件(10)具有冷却通道(K)，所述冷却通道(K)设置和构成用于在运行时借助于流体流(F)来冷却所述部件的区域(B)，其中所述冷却通道(K)朝向所述区域(B)通过第一通道侧(1)限定并且背离所述区域通过第二通道侧(2)限定，并且其中与所述第二通道侧(2)相比，所述第一通道侧(1)与所述冷却通道(K)形成更大的接触面积。2.根据权利要求1所述的部件(10)，其中与所述第二通道侧(2)相比所述第一通道侧(1)的更大的接触面积通过所述第一通道侧(1)的更大的粗糙度产生。3.根据权利要求2所述的部件(10)，其中所述粗糙度包括平均粗糙值和/或均方根粗糙度。4.根据上述权利要求中任一项所述的部件(10)，其中所述冷却通道(K)具有圆形的横截面。5.根据上述权利要求中任一项所述的部件(10)，其中所述冷却通道(K)具有椭圆形的横截面。6.根据上述权利要求中任一项所述的部件(10)，其中所述冷却通道(K)具有菱形的横截面。7.根据上述权利要求中任一项所述的部件(10)，其中所述部件(10)是可受高温负荷的部件，如涡轮部件，尤其燃气轮机的热气构件。8.一种用于准备根据上述权利要求中任一项所述的部件(10)的基于粉末床的增材制造工艺的方法，其中在制造准备中，将所述冷却通道(K)的取向相对于构造方向(z)选择成，使得由于取向相关的制造人为构造，与所...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒂莫，
申请(专利权)人：西门子能源全球有限两合公司，
类型：发明
国别省市：