冷却制品和形成冷却制品的方法.pdf

本发明公开了一种冷却制品和形成冷却制品的方法。冷却制品包括：构件；多孔材料，其并入该构件中；和冷却介质，其在多孔材料内。另一种冷却制品通过工艺形成，该工艺包括以下步骤：由预烧结预型件形成多孔材料；提供构件；和将多孔材料并入构件中。多孔材料与冷却介质流体连通。形成冷却制品的方法包括：提供灌注有硬焊填充材料的金属毡材料；预烧结金属毡材料，以形成多孔材料；提供构件；和将多孔材料并入构件中。

权利要求书
1.   一种冷却制品，包括：
构件；
多孔材料，其并入所述构件中；和
冷却介质，其流过所述多孔材料。

2.   根据权利要求1所述的冷却制品，其特征在于，所述多孔材料包括大约5％与大约90％之间的孔隙率。

3.   根据权利要求1所述的冷却制品，其特征在于，所述多孔材料中的单独的孔的孔尺寸包括大约5密耳与大约60密耳之间。

4.   根据权利要求1所述的冷却制品，其特征在于，所述多孔材料使所述冷却介质扩散。

5.   根据权利要求4所述的冷却制品，其特征在于，使所述冷却介质扩散增加了所述冷却制品的效率。

6.   根据权利要求1所述的冷却制品，其特征在于，所述多孔材料并入所述构件的内部部分内。

7.   根据权利要求1所述的冷却制品，其特征在于，所述多孔材料并入冷却微通道内。

8.   根据权利要求1所述的冷却制品，其特征在于，所述多孔材料并入所述构件的外部部分上。

9.   根据权利要求8所述的冷却制品，其特征在于，所述多孔材料由接合涂层涂布。

10.   根据权利要求8所述的冷却制品，其特征在于，所述多孔材料由热屏蔽涂层涂布。

说明书冷却制品和形成冷却制品的方法
技术领域
本发明涉及冷却制品和形成冷却制品的方法。更具体而言，本发明涉及具有多孔冷却材料的制品和形成具有多孔冷却材料的制品的方法。
背景技术
涡轮系统的操作温度持续地升高以提供增加的效率。由于操作温度升高，因此修改涡轮系统的构件以增加它们的温度能力。
修改涡轮系统构件的一种常用方法包括在构件表面上或附近加工冷却微通道。在操作期间，冷却介质流过冷却微通道，从而降低构件温度。然而，冷却微通道的冷却效果受冷却微通道尺寸的限制。
此外，冷却微通道的冷却效果取决于穿过冷却微通道的冷却介质流量。由于冷却微通道的尺寸增加，故需要增加的量的冷却介质。但是，涡轮系统包括受限量的冷却介质。因此，冷却微通道的冷却效果由涡轮系统中可获得的空气流的量和与可获得的冷却空气的使用有关的效力来决定。
不具有上述缺点中的一个或更多个的冷却制品和形成冷却制品的方法在本领域中将是合乎需要的。
发明内容
在示范实施例中，冷却制品包括：构件、并入该构件中的多孔材料、和流过多孔材料的冷却介质。
在另一示范实施例中，冷却制品通过包括以下步骤的工艺形成：由预烧结预型件形成多孔材料；提供构件；并且将多孔材料并入构件中。多孔材料与冷却介质流体连通。
在另一示范实施例中，形成冷却制品的方法包括：提供灌注有硬焊填充材料的金属毡材料；预烧结金属毡材料以形成多孔材料；提供构件；并且将多孔材料并入构件中。
一种冷却制品，包括：构件；多孔材料，其并入构件中；和冷却介质，其流过多孔材料。
优选地，多孔材料包括大约5％与大约90％之间的孔隙率。
优选地，多孔材料中的单独的孔的孔尺寸包括大约5密耳与大约60密耳之间。
优选地，多孔材料使冷却介质扩散。
优选地，使冷却介质扩散增加了冷却制品的效率。
优选地，多孔材料并入构件的内部部分内。
优选地，多孔材料并入冷却微通道内。
优选地，多孔材料并入构件的外部部分上。
优选地，多孔材料由接合涂层涂布。
优选地，多孔材料由热屏蔽涂层涂布。
优选地，构件从由涡轮构件、热气体路径构件和换热器组成的集合中选择。
优选地，构件包括从由镍基超级合金和钴基超级合金组成的集合中选择的至少一种材料。
一种通过包括下列步骤的工艺形成的冷却制品：由预烧结预型件形成多孔材料；提供构件；和将多孔材料并入构件中；其中，多孔材料与冷却介质流体连通。
优选地，包括下列步骤：由低熔点材料、高熔点材料和接合剂形成预烧结预型件。
优选地，高熔点材料保持预烧结预型件的孔隙率。
优选地，将多孔材料并入构件中的步骤包括硬焊。
优选地，包括以下步骤：将接合涂层喷涂应用在多孔材料上。
一种形成冷却制品的方法，包括：提供灌注有硬焊填充材料的金属毡材料；预烧结金属毡材料，以形成多孔材料；提供构件；和将多孔材料并入构件中。
优选地，包括将毡材料浸入硬焊材料中。
优选地，包括将毡材料硬焊至构件。
根据结合附图进行的优选实施例下列更详细的描述，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，附图通过实例示出本发明的原理。
附图说明
图1是根据本公开的实施例的冷却制品的截面图。
图2是根据本公开的实施例的形成冷却制品的方法的过程图。
图3是根据本公开的实施例的形成冷却制品的方法的过程图。
在任何可能的位置，将遍及附图使用相同的标号来代表相同的部分。
具体实施方式
提供冷却制品和形成冷却制品的方法。与不使用在本文中公开的特征中的一个或更多个的过程和制品比较，本公开的实施例增加构件的冷却效率，增加冷却介质的扩散，增加冷却介质的效率，增加构件寿命，增加涡轮效率，增加制作的容易度，降低构件的成本，或其组合。
参考图1，在一个实施例中，冷却制品100包括：构件101；多孔材料102，其并入在构件101内或上；和冷却介质103，其流过多孔材料102。在另一实施例中，冷却制品100包括构件101上方的接合涂层105和/或热屏蔽涂层106。构件101是能够具有近表面冷却的任何适当的构件。适当的构件包括但不限于涡轮构件、热气体路径构件或换热器。在另一实施例中，构件101包括能够耐受构件101的操作条件的任何适当的材料，例如但不限于铝、铜合金、镍合金、镍基超级合金、钴基超级合金，或它们的组合。
多孔材料102包括能够耐受构件101的操作温度的任何适当的材料。适当的材料包括但不限于预烧结预型件(PSP)、金属毡材料，或它们的组合。流过多孔材料102的冷却介质103对构件101提供冷却效果。冷却材料102的多孔性形成了连续、半开放的网状结构，其使流入其中的冷却介质103扩散。冷却介质103的在其流过网状结构时的扩散与流过无孔路径的冷却介质103相比提高了冷却介质103的冷却效果(例如传热)，从而允许更高的操作温度。备选地，由多孔材料102提供的提高的冷却效果提高了构件101的效率并允许使用减少的量的冷却介质103。而且，多孔材料102通过减少在构件101中形成的冷却微通道的数量而降低了成本。
在一个实施例中，多孔材料102的孔隙率的范围包括但不限于大约0％与大约95％之间、大约5％与大约90％之间、大约10％与大约90％之间，或它们的任意组合、子组合、范围或子范围。多孔材料102中的单独的孔包括任意适合的孔尺寸，例如但不限于大约5密耳与大约60密耳之间、大约10密耳与大约50密耳之间、大约20密耳与大约40密耳之间、大约30密耳，或它们的任意组合、子组合、范围或子范围。孔可包括任意适合的外形，例如重叠球形、重叠圆柱形、从彼此以不同角度定向的长方形孔、弯曲孔、不规则孔，或它们的组合。
多孔材料102的厚度是能够为冷却介质103提供流路的任意适当厚度。例如，在一个实施例中，多孔材料102的厚度与冷却微通道104的厚度匹配。冷却微通道104的厚度包括但不限于大约0.0005mm与大约0.02mm之间、大约0.0005mm与大约0.01mm之间、大约0.001与大约0.01mm之间，或它们的任意组合、子组合、范围或子范围。在另一实施例中，多孔材料102在形成后被研磨。多孔材料102的宽度是直到构件101表面区域的任意宽度。在另一实施例中，多孔材料102形成为具有任意的适当的横截面形状，例如但不限于圆形、半圆形、矩形、正方形、三角形、椭圆形、梯形，或它们的组合。在又一实施例中，多孔材料102的横截面外形沿冷却微通道104的长度和/或构件101的长度改变。
多孔材料102放置在构件101上或内的任意适合的位置中。适当的位置包括但不限于，构件101的内部部分107内、构件101的外表面108上、构件101的待冷却(蒸腾冷却)的部分的上游、作为构件101的部分、构件101上的槽道内、构件101上的冷却微通道104内，或它们的组合。在一个实施例中，冷却微通道104内的多孔材料102的定位构造为匹配期望的冷却性能和/或冷却压力降。例如，定位在冷却微通道104内的多孔材料102可延伸越过构件101的外表面108、形成外表面108的连续面、仅填充冷却微通道104的一部分，或它们的组合。
例如，在一个实施例中，多孔材料102形成翼形件的后缘部分，形成薄膜冷却通道，定位在翼形件后缘部分的压力侧与吸力侧之间的槽道内，或者定位在热气体路径构件与冲击套之间。在另一实施例中，多孔材料102定位在构件101外表面108之上或之下的冷却微通道104内。其他实例包括将多孔材料102作为独立层放置在构件101外表面108与接合涂层105和/或热屏蔽涂层106之间、冲击套与构件101的内部部分107(例如但不限于喷嘴)之间，或者插入部件101中的开口中以提供穿过多孔材料102的蒸腾冷却。
参考图2，在另一个实施例中，冷却制品100通过第一方法301形成。第一方法301包括：提供PSP(步骤310)；由PSP形成多孔材料102(步骤320)；提供构件101(步骤330)；并且将多孔材料102合并到构件101中或上(步骤340)。将多孔材料102合并到构件101中或上(步骤340)包括任意适当的固连方法(例如但不限于硬焊)。多孔材料中的孔隙率在合并到复合物101之后是连续的。在合并到构件101中或上之后(步骤340)，多孔材料102与冷却介质103流体连通。
在该实施例的改型中，第一方法301可选地包括由低熔点材料、高熔点材料和接合剂形成PSP(步骤305)。低熔点材料和高熔点材料基于构件101的操作温度来改变。在一个实施例中，高熔点材料是镍基超级合金。例如，一种适当的高熔点材料具有按重量百分比计算的以下公称成分：大约7.6％的铬、大约3.1％的钴、大约7.8％的铝、大约5.5％的钽、大约0.1％的钼、大约3.9％的钨、大约1.7％的铼、大约0.15％的铪、大约0.02％的碳、大约0.015％的硼和余量的镍。另一种适当的高熔点材料具有按重量百分比计算的以下公称成分：大约0.16％的碳、8.2％的铬、10％的钴、0.6％的钼、大约10％的钨、大约3.0％的钽、大约1.0％的钛、大约5.5％的铝、大约0.015％的硼、大约0.05％的锆、大约1.5％的铪和余量的镍。
在另一实施例中，低熔点材料为镍硬焊合金。一种适当的低熔点材料具有按重量百分比计算的以下公称成分：大约15.2％的铬、大约2.3％的硼、大约10.3％的钴、大约3.5％的钽、大约3.5％的铝和余量的镍。另一种适当的低熔点材料具有按重量百分比计算的以下公称成分：大约14.0％的铬、大约2.75％的硼、大约10.0％的钴、大约3.5％的铝、大约2.5％的钽、大约0.1％的钇和余量的镍。
在一个实施例中，高熔点材料在移除接合剂时保持PSP的孔隙率。在另一个实施例中，使任意的给出的孔隙率的渗透性(即，多孔材料102内的孔的尺寸和曲率)改变，以至少控制传热和压力降。在又一实施例中，孔隙率和渗透性贯穿多孔材料102改变。例如，以在需要增加的和/或降低的冷却的区域中分别提供增加的和/或降低的孔隙率和渗透性。
通过改变多孔材料102的构成的参数来控制多孔材料102中的孔的密度。例如，在一个实施例中，由PSP形成多孔材料102的参数控制多孔材料102的密度。在另一实施例中，多孔材料102的密度由金属泡沫或金属海绵加工控制和/或获得。金属泡沫加工包括提供支撑材料以设置密度，然后烧掉支撑材料。多孔材料102的形成的参数选择为提供与穿过构件101的压力和/或流对应的密度。
在一个实施例中，多孔材料102并入构件101的外表面108上的冷却微通道104中(步骤340)。在一个实施例中，多孔材料102被压入外表面108上的冷却微通道104中，并且固连在沿着冷却微通道104长度的任意处。在另一实施例中，冷却微通道104中的多孔材料102的至少一部分包含构件101外表面108附近的暴露的孔。在又一实施例中，为了减少或消除冷却介质103从多孔材料102中的暴露的孔的的溢出，接合涂层105和/或热屏蔽涂层106喷涂应用在多孔材料102上(步骤350)。
接合涂层105和/或热屏蔽涂层106的喷涂应用(步骤350)填充暴露的孔的至少一部分，从而阻止多孔材料102过早地释放冷却介质103。在喷涂应用(步骤350)后，冷却介质103流过构件101与接合涂层105和/或热屏蔽涂层106之间的多孔材料102。在又一实施例中，冷却介质103流过未受填充暴露的孔的接合涂层105和/或热屏蔽涂层106阻碍的多孔材料102。
在一个实施例中，接合涂层105和/或热屏蔽涂层106未喷涂应用(步骤350)或仅部分地喷涂应用(步骤350)在多孔材料102上，从而使暴露的孔在多孔材料102中接近外表面108。该暴露的孔允许冷却介质103溢出构件101，以进行表面冷却。在另一实施例中，溢出的冷却介质103从构件101内移除热，从而冷却构件101的内部部分107。在又一实施例中，溢出的冷却介质103在构件101的下游部分上流过，从而提供构件101下游部分的外表面108的薄膜冷却。在又一实施例中，多孔材料102的区段从构件101的内部部分107延伸至外表面108，从而允许冷却流体均一地行进穿过多孔材料102，并直接从内部部分107提供蒸腾冷却。
接合涂层105包括任意的适当材料，例如MCrAlX。MCrAlX是合金，该合金具有从铁、镍、钴及其组合中的一个或组合中选择的M；Cr是铬，Al是铝，且X是从固溶体加强剂和由Y、Tc、Ta、Re、Mo、Si、和W组成的γ'形成剂，和由B、C、Hf、Zr及其组合组成的晶界加强剂的集合中选择的成分。
接合涂层105和/或热屏蔽涂层106的喷涂应用(步骤350)形成具有任意适当厚度的涂层。接合涂层105和/或热屏蔽涂层106的适当厚度包括但不限于：直到大约1mm、直到大约0.8mm、大约0.1mm与大约0.8mm之间，或它们的任意组合、子组合、范围或子范围。在一个实施例中，在接合涂层105和/或热屏蔽涂层106的喷涂应用(步骤350)之前，掩蔽冷却微通道104的入口和出口。在接合涂层105和/或热屏蔽涂层106的喷涂应用(步骤350)期间，该掩蔽防止阻塞多孔材料102中的孔的受掩蔽部分。
在一个实施例中，多孔材料102并入构件101的外表面108下方的冷却微通道104中(步骤340)。构件101外表面108下方的冷却微通道104的实例包括但不限于：近表面微通道、内部微通道或它们的组合。在另一实施例中，将多孔材料102并入冷却微通道104中(步骤340)包括：将多孔材料102插入冷却微通道104的入口和出口中，然后通过任意的适当的固连方法来固连多孔材料102.
参考图3，在一个实施例中，通过第二方法401形成已包括多孔材料102的冷却制品100。第二方法包括：提供灌注有硬焊填充材料的金属毡材料(步骤410)；预烧结金属毡材料，以形成多孔材料102(步骤420)；提供构件101(步骤430)；并且例如通过硬焊将多孔材料102合并在构件101中或上。
在一个实施例中，将多孔材料102或PSP浸入硬焊材料中(步骤435)，然后将其合并在构件中或上(步骤440)。在另一实施例中，将多孔材料102浸入硬焊材料中(步骤435)包括：浸没硬焊材料；涂布整个多孔材料102。备选地，多孔材料102可局部地浸入硬焊材料中(步骤435)，从而使多孔材料102的至少一部分未被涂布。用于浸入的适当的硬焊材料可包括镍基硬焊材料。例如，一种适当的硬焊材料具有按重量百分比计算的以下公称成分：大约14.0％的铬、大约2.75％的硼、大约10.0％的钴、大约3.5％的铝、大约2.5％的钽、大约0.1％的钇和余量的镍。另一种适当的硬焊材料具有按重量百分比计算的以下公称成分：大约19％的铬、大约0.03％的硼、大约10％的硅、大约0.1％的碳，和余量的镍。此外另一种适当的硬焊材料具有按重量百分比计算的以下公称成分：大约15％的铬、大约3.6％的硼、大约1.5％的铁、大约0.06％的碳，和余量的镍。
硬焊材料包括能够将多孔材料102固连至构件101的任意适当的材料。例如，在一个实施例中，硬焊材料为高熔点镍基超级合金。将硬焊材料放置在多孔材料102与构件101之间有助于将多孔材料102附连至构件101。
尽管已经参考优选实施例描述了本发明，但是本领域专业人员将理解，可进行各种更改，并且等同物可替换其元素，而不脱离本发明的范畴。此外，可进行许多修改，以使具体的情况或材料适应本发明的教导而不脱离它们的基本范畴。因此，意图为，本发明不限于本公开的作为用于实施本发明的最佳模式构思的具体实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。