[发明专利]修改基底以在其中形成通路孔的方法和相关制品

说明书

技术领域

本发明的一般主题涉及高温基底，例如涡轮发动机部件，且更具体而言，涉及用于将冷却孔结合到那些部件的方法。

背景技术

燃气涡轮发动机包括在其中对发动机空气加压的压缩机。该发动机也包括燃烧器，其中加压空气与燃料混合以产生热燃烧气体。在一种典型设计(例如，用于飞行器发动机)中，从为压缩机提供动力的高压涡轮(HPT)中的气体和低压涡轮(LPT)中的气体抽取能量。低压涡轮为在涡轮风扇飞行器发动机应用中的风扇提供动力。在固定动力应用中，HPT和LPT通常在为压缩机提供动力并驱动发电机的一个轴上。

由于发动机通常在极热环境中工作，对燃气涡轮发动机中的冷却系统的需要是至关重要的。例如，发动机部件常常暴露于具有对于飞行器应用高达约3800°F(2093℃)而对于固定发电应用高达约2700°F(1482℃)的温度的热气体。为了冷却暴露于热气体的部件，这些“热气体通道”部件典型地具有内部对流和外部薄膜冷却两者。

在薄膜冷却的情况下，许多通道孔(即在这种情况下的冷却孔)可从部件的相对较冷的表面延伸至部件的“热”表面。冷却孔通常为以浅角度斜穿部件的金属壁的圆柱形钻孔。由于其减少了从热气体到部件表面的入射热通量，薄膜冷却是用于温度控制的重要机制。根据多种因素，例如，孔的所需深度和形状，可使用许多种技术来形成冷却孔。激光钻孔、研磨液(例如水)射流切削和放电机械加工(EDM)是常用于形成薄膜冷却孔的技术。薄膜冷却孔典型地布置成几排紧密地隔开的孔，这些孔共同提供在外表面上的大面积冷却表面层。

冷却空气典型地为压缩机排出的压缩空气，压缩空气随后在发动机的燃烧区周围绕过，并通过冷却孔供应至热表面。冷却剂在热部件表面和热气体流之间形成保护性“薄膜”，从而有助于保护部件不被加热。此外，热气体通道部件的壁常常用提供隔热的热障涂层(TBC)系统覆盖。TBC系统通常包括至少一个陶瓷外涂层和下面的金属结合层。热障涂层系统的益处是熟知的。

示例性薄膜冷却孔在美国专利7,328,580(C.P.Lee等人)中有所描述。该专利描述了超合金基涡轮发动机零件，这些零件包含终止于部件外表面处的精确构造的孔的图案。为孔提供了具体的人字形或三角形形状。例如，这些孔的出口区域可包括在两个“翼槽”之间横向地布置的中央脊。这些特征连接在一起形成一个结构，该结构可提供对从孔的下面的入口钻孔排出的加压冷却空气的最大扩散。在一些情况下，这可导致沿部件的外表面的关键部分的薄膜冷却覆盖率显著增加。在上述技术中，EDM工艺对于确保孔的出口区域的最佳精确构造常常是优选的。

存在一些与使用EDM有关的局限。例如，该工艺不能用来形成穿过如TBC的非导电陶瓷材料的通路孔。因此，将不得不在形成穿过基底的通路孔之后施加陶瓷涂层。然而，在此时沉积涂层可能涉及其它缺点，特别是在相对较大的零件中。例如，通过热喷涂技术沉积的涂层有时可严重地“向下涂覆”敞开的通路孔，且甚至可能阻塞孔的通道。在一些情况下，通过有意使通路孔更大来考虑一些涂层阻塞，可以解决该问题。然而，通过该技术为通路孔获得理想的形状和尺寸可能非常困难。此外，穿过TBC涂层钻孔有时可能以不合乎需要的裂缝或分层的方式来损坏涂层。

可用于形成通路孔的其它工艺不需要金属工件。示例包括激光技术和水射流研磨系统。因此，这类设备可用来形成同时穿过陶瓷涂层、金属结合层和基底的通路孔。这些技术可能在一些情况下有用。然而，对于其它情况来说，这些技术对于非常精确的通路孔形状无能为力，特别是在最靠近零件表面的孔的出口区域内。

考虑到这些考虑因素，与在高温基底中形成通路孔有关的新方法在本领域中将受到欢迎。在涡轮发动机部件的情况中，该方法应该使人们能够形成具有非常精确的形状的薄膜冷却孔，以允许最大化发动机工作期间的冷却效率。更具体而言，新方法应足够灵活，以允许使用包括依靠导电基底的那些技术(如EDM)在内的各种各样的孔形成技术。将通路孔附近的保护涂层缺陷的可能性最小化或消除这种可能性的方法也将受到很大关注。

发明内容

本发明的一个实施例涉及一种用于在高温基底中形成至少一个通路孔的方法，该方法包括下列步骤：

a)对于各个通路孔或对于一组通路孔，通过激光熔凝工艺在基底的外表面上形成结，其中结包括上表面，并且被定位为用于该通路孔或用于该组通路孔的预选入口区域；

b)在基底的外表面上施加保护涂层系统，其中该涂层系统包括至少一个下面的金属层和一个上面的陶瓷层；