多层构件和制造工艺.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103967532 A (43)申请公布日 2014.08.06 C N 1 0 3 9 6 7 5 3 2 A (21)申请号 201410034011.1 (22)申请日 2014.01.24 13/754,281 2013.01.30 US F01D 5/18(2006.01) F01D 9/02(2006.01) (71)申请人通用电气公司 地址美国纽约州 (72)发明人林德超 D.E.施克 S.C.科蒂林加姆 崔岩 (74)专利代理机构中国专利代理(香港)有限公 司 72001 代理人肖日松 杨炯 (54) 发明名称 多层构件和制造工艺 (57) 摘要 本发。

2、明公开了一种多层构件和制造工艺。多 层构件包括邻接接合涂层的箔表面层和定位在箔 表面层与基底之间的通道形成材料。通道形成材 料限定通道的至少一部分。通道可由通道形成材 料至少部分地限定，通道形成材料与箔表面层一 起硬焊于多层构件的基底。该工艺包括将一个或 更多个层应用于箔表面层且应用通道形成材料， 以至少部分地限定箔表面层与基底之间的通道。 (30)优先权数据 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书6页 附图5页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书6页 附图5页 (10)申请公布号 CN 103967532 A CN 103967532 。

3、A 1/1页 2 1.一种多层构件，包括： 陶瓷涂层； 邻接所述陶瓷涂层的接合涂层； 邻接所述接合涂层的箔表面层； 定位在所述箔表面层与基底之间的通道形成材料； 其中，所述通道形成材料限定通道的至少一部分。 2.根据权利要求1所述的多层构件，其特征在于，所述通道由所述箔表面层和基底层 进一步限定。 3.根据权利要求1所述的多层构件，其特征在于，所述通道由所述箔表面层进一步限 定。 4.根据权利要求1所述的多层构件，其特征在于，所述通道由所述基底进一步限定。 5.根据权利要求1所述的多层构件，其特征在于，所述通道由所述通道形成材料完全 地限定。 6.根据权利要求1所述的多层构件，其特征在于，所述。

4、通道为冷却通路。 7.根据权利要求1所述的多层构件，其特征在于，所述通道在不被加工的情况下被限 定。 8.根据权利要求1所述的多层构件，其特征在于，所述通道通过加工而被进一步限定。 9.根据权利要求1所述的多层构件，其特征在于，所述通道包括从由下列形状构成的 集合中选定的截面轮廓：圆形、三角形、椭圆形、正方形、矩形、不等边四边形、复杂形状、新 月形、波形、和它们的组合。 10.根据权利要求1所述的多层构件，其特征在于，所述通道形成材料为ESD涂层。 权 利 要 求 书CN 103967532 A 1/6页 3 多层构件和制造工艺 技术领域 0001 本发明涉及构件和制造工艺。更具体而言，本发明。

5、涉及多层构件和制造工艺。 背景技术 0002 燃气涡轮发动机和发电涡轮在高温下操作，以便提高它们的效率。已经利用各种 改进使此类发动机的构件(诸如翼型件)能够在此种高温下操作更长时间周期。在现代高 效发电燃式涡轮发动机中使用的翼型件依靠高质量材料(诸如单晶合金)和零件的内部和 外部尺寸的精确控制。除了使用耐高温超级合金之外，各种翼型件已经设计成包括内部冷 却系统。一种此类内部冷却系统为使用位于翼型件的表面内侧和附近的冷却通路。 0003 许多技术已经用于对此类涡轮翼型件提供近表面(near surface)冷却通路。例 如，一些技术已经使用了高效薄壁涡轮构件，诸如包括超级合金基底的涡轮叶片翼型。

6、件，该 超级合金基底具有由薄超级合金外皮覆盖的冷却通道。薄外皮接合于涡轮叶片翼型件的内 翼梁(inner spar)结构。形成冷却通路的一种方法包括在制品内形成内部通道，诸如燃气 涡轮发动机的空气冷却叶片、导叶、护罩、燃烧器或导管中的冷却通道。本方法大体上需要 形成基底以在其表面中具有凹入的凹槽。牺牲材料沉积在凹槽中以形成填料，该填料可优 先地从凹槽移除。永久层在基底的表面上且在填料上沉积，此后从凹槽移除填料，以在永久 层下方的基底中产生期望的通道。另一种方法包括通过加工构件的基底部分来形成冷却通 路。 0004 此类技术可具有若干缺陷。特殊材料的使用可为昂贵的，可基于可得性而受限，可 需要致。

7、力于特殊材料的其它特性的额外研究，且可在其它情况下限制应用的灵活性。同样， 材料的加工可导致非期望的特性，诸如，不能再生产或修复已被加工的构件。此外，此类冷 却孔的加工在近表面构件和/或复杂形状零件(诸如弯曲零件)中是尤其困难的。 0005 不会遭受以上缺陷中的一个或多个的多层构件和制造工艺在本领域中将是合乎 需要的。 发明内容 0006 在示范实施例中，多层构件包括陶瓷涂层、邻接陶瓷涂层的接合涂层、邻接接合涂 层的箔表面层、和定位在箔表面层与基底之间的通道形成材料。通道形成材料限定通道的 至少一部分。 0007 在另一个示范实施例中，具有通道的多层构件由通道形成材料至少部分地限定， 该通道形。

8、成材料与箔表面层一起硬焊于多层构件的基底。 0008 在另一个示范实施例中，一种制造多层构件的工艺包括将一个或更多个层应用于 箔表面层，且应用通道形成材料来至少部分地限定箔表面层与基底之间的通道。 0009 一种多层构件，包括：陶瓷涂层；邻接陶瓷涂层的接合涂层；邻接接合涂层的箔表 面层；定位在箔表面层与基底之间的通道形成材料；其中，通道形成材料限定通道的至少 一部分。 说 明 书CN 103967532 A 2/6页 4 0010 优选地，通道由箔表面层和基底层进一步限定。 0011 优选地，通道由箔表面层进一步限定。 0012 优选地，通道由基底进一步限定。 0013 优选地，通道由通道形成。

9、材料完全地限定。 0014 优选地，通道为冷却通路。 0015 优选地，通道在不被加工的情况下被限定。 0016 优选地，通道通过加工而被进一步限定。 0017 优选地，通道包括从由下列形状构成的集合中选定的截面轮廓：圆形、三角形、椭 圆形、正方形、矩形、不等边四边形、复杂形状、新月形、波形、和它们的组合。 0018 优选地，通道形成材料为ESD涂层。 0019 优选地，通道形成材料为预烧结预成形件。 0020 优选地，预烧结预成形件包括两个或更多类型的金属粉末，其中，两个或更多类型 的金属粉末中的至少一种为硬焊合金粉末。 0021 优选地，通道为由通道形成材料至少部分地限定的多个通道中的一个。

10、。 0022 优选地，多层构件包括弯曲的几何形状。 0023 优选地，多层构件为涡轮构件。 0024 优选地，箔表面层和通道形成材料同时或个别地硬焊于基底。 0025 一种具有通道的多层构件，通道由通道形成材料至少部分地限定，通道形成材料 与箔表面层一起硬焊于多层构件的基底。 0026 一种制造多层构件的工艺，工艺包括：将一个或更多个层应用于箔表面层；并且 应用通道形成材料来至少部分地限定箔表面层与基底之间的通道。 0027 优选地，通道形成材料在箔表面层定位在通道形成材料上之前应用于基底。 0028 优选地，通道形成材料在通道形成材料定位在基底上之前应用于箔表面层。 0029 从结合作为示例。

11、示出本发明的原理的附图而进行的优选实施例的下列更详细的 描述，本发明的其它特征和优点将是显而易见的。 附图说明 0030 图1为根据本公开的实施例的示范多层构件的示意图。 0031 图2为根据本公开的实施例的示范多层构件的示意图。 0032 图3为根据本公开的实施例的示范多层构件的示意图。 0033 图4为根据本公开的实施例的示范多层构件的示意图。 0034 图5为根据本公开的实施例的制造示范多层构件的示范工艺的流程图。 0035 图6为根据本公开的实施例的制造示范多层构件的示范工艺的流程图。 0036 图7为根据本公开的实施例的制造示范多层构件的示范工艺的流程图。 0037 只要可能，则将贯。

12、穿附图使用相同的参考数字以表示相同的部分。 具体实施方式 0038 提供一种示范多层构件和制造工艺。例如，与不包括在本文中公开的特征中的一 个或更多个的冷却布置相比，本公开的实施例允许更有时间效率并且/或者更成本效益合 说 明 书CN 103967532 A 3/6页 5 算地在构件中形成冷却通道，允许用于多层构件的材料选择中的更高水平的灵活性，降低 总体涡轮构件成本，允许减少或消除加工(或以增强的方式使用)，允许减少或消除特殊材 料(或以增强的方式使用)，提供提高的抗氧化能力，减少用于构件的硬焊的熔炉时间，或 它们的组合。 0039 参看图1-4，多层构件100包括定位在箔表面层106与基底。

13、110之间的通道112。 基底110为任何适合的金属或金属合金，例如，镍基合金、钴基合金、或它们的组合。在一 个实施例中，基底110具有按重量计算的以下成分：大约22%的铬、大约18%的铁、大约9% 的钼、大约1.5%的钴、大约0.6%的钨、大约0.10%的碳、大约1%的锰、大约1%的硅、大约 0.008%的硼、附带杂质和余量的镍(balance nickel)。在一个实施例中，基底110具有按 重量计算的以下成分：大约50%与大约55%之间的镍钴、大约17%与大约21%之间的铬、 大约4.75%与大约5.50%之间的铌钽、大约0.08%的碳、大约0.35%的锰、大约0.35%的 硅、大约0.。

14、015%的磷、大约0.015%的硫、大约1.0%的钴、大约0.35%与大约0.80%之间的 铝、大约2.80%与大约3.30%之间的钼、大约0.65%与大约1.15%之间的钛、大约0.001%与 大约0.006%之间的硼、大约0.15%的铜、附带杂质和余量的铁。 0040 在一个实施例中，多层构件100为翼型件、导叶、叶片、喷嘴、导管、复杂形状构件、 具有弯曲区的构件、任何其它适合的涡轮构件、或它们的组合。通道112由通道形成材料 108至少部分地限定。在一个实施例中，通道形成材料108和箔表面层106如参照图5-6在 下面所示和所述地同时或个别地硬焊于基底110。 0041 多层构件100包。

15、括任何适合数目的层或层类型。如图1-4所示，在一个实施例中， 多层构件包括箔表面层106、基底110、通道形成材料108、接合涂层104、和陶瓷涂层102。 在另一个实施例中，多层构件100包括箔表面层106、基底110、和通道形成材料108。如将 认识到的那样，任何适合的中间层或附加层能够进一步限定多层构件100。 0042 箔表面层106为能够例如通过硬焊而应用到通道形成材料108上的任何适合的材 料。箔表面层106能够粘附到基底110、通道形成材料108、接合涂层104或它们的组合上。 在一个实施例中，箔表面层106邻接接合涂层104和/或通道形成层108。在一个实施例 中，箔表面层10。

16、6为夹层，其中材料基于在接合涂层104和通道形成层108中使用的材料而 选择，以提供从陶瓷涂层102到基底110的预定热性质过渡，以减小或减轻累积在整个涂层 结构中的热致应力(thermal-induced stress)。在一个实施例中，箔表面层106包括等于 或好于基底110的抗氧化能力的抗氧化能力、和/或等于或低于基底110的导热性的导热 性。 0043 通道形成材料108定位在箔表面层106与基底110之间。通道形成材料108包 括与基底110的成分和/或热性质对应的材料，并且/或者具有等于或小于基底110的导 热性的导热性。在一个实施例中，通道形成材料108包括电火花沉积(ESD：e。

17、lectrospark deposition)涂层。材料与基底110相同，或为对应于基底110的例如具有相等或较低 导热性的任何材料。在另一个实施例中，通道形成材料108包括预烧结预成形件(PSP： pre-sintered preform)，诸如一个或更多个PSP条、一个或更多个PSP焊珠、一个或更多个 PSP片(chiclets)、一个或更多个PSP箔、一个或更多个其它适合的PSP结构、或它们的组 合。 0044 在一个实施例中，通道形成材料108包括PSP条，该PSP条含有具有各种混合百 说 明 书CN 103967532 A 4/6页 6 分比的至少两种材料。例如，在一个实施例中，第一。

18、材料具有按重量计算的以下成分：大约 8%与大约8.8%之间的铬、大约9%与大约11%之间的钴、大约2.8%与大约3.3%之间的钽、 大约5.3%与大约5.7%之间的铝、直到大约0.02%的硼(例如，大约0.01%与大约0.02%之 间的硼)、大约9.5%与大约10.5%之间的钨、直到大约0.17%的碳(例如，大约0.13%与大 约0.17%之间的碳)、直到大约1.2%的钛(例如，大约0.9%与大约1.2%之间的钛)、大约 1.2%与大约1.6%之间的铪、和余量的镍。在一个实施例中，第二材料为例如具有按重量计 算的以下成分的硬焊合金粉末：大约13%与大约15%之间的铬、大约9%与大约11%之间的。

19、 钴、大约2.25%与大约2.75%之间的钽、大约3.25%与大约3.74%之间的铝、大约2.5%与大 约3%之间的硼、直到大约0.1%的钇(例如，大约0.02%与大约0.1%之间的钇)、和余量的 镍。用于混合第一材料和第二材料的按重量计算的适合比率包括但不限于大约50:50、大约 55:45、大约60:40、大约45:55和大约40:60。 0045 在另一个实施例中，通道形成材料108具有符合以下成分的第一通道形成材料 108和第二通道形成材料108，该成分例如包括大约80%的第一成分和大约20%的第二成 分、大约60%的第一成分和大约40%的第二成分、大约50%的第一成分和大约50%的第。

20、二成 分、或被选择以用于提供期望性质的任何其它适合的成分。 0046 通道形成材料108为适合的预定几何形状或对应的几何形状。适合的几何形状 包括大致平面的几何形状(例如，平板)、带状几何形状(例如，能够卷起的柔性带、能够在 没有机械力的情况下成直角弯曲的柔性带、或具有预定长度的柔性带)、大致一致厚度的几 何形状(例如，大约0.030英寸、大约0.160英寸，或大约0.020英寸与大约0.080英寸之 间)、刚性带、变化厚度的几何形状(例如，在第一区中具有大约0.010英寸的厚度，且在第 二区中具有大约0.020英寸的厚度，或者在第一区中具有大约0.020英寸的厚度，且在第二 区中具有大约0.。

21、030英寸的厚度)、或它们的组合。在具有第一通道形成材料108和第二通 道形成材料108的一个实施例中，第一通道形成材料108和第二通道形成材料108包括大 致相同的几何形状。在另一个实施例中，第一通道形成材料108和第二通道形成材料108 具有不同的几何形状(例如，第一通道形成材料108具有与第二通道形成材料108中的较 薄区对应的较厚区)。 0047 在一个实施例中，除通道形成材料108、PSP和/或ESD涂层之外，或替代它们，可 使用柔性带。柔性带通过使第一成分和第二成分与粘合剂一起组合且然后卷动混合物来形 成带状或绳状结构而形成。柔性带能够弯曲成若干几何形状，包括预定的厚度，例如，大约。

22、 0.020英寸至大约0.125英寸，且能够切割成预定长度。 0048 通道形成材料108布置成形成多层构件100内的通道112中的一个或更多个。在 具有PSP的一个实施例中，PSP结构中的两个或更多个布置成使得PSP结构之间的区限定 通道112中的一个或更多个通道112的宽度。此外或备选地，PSP结构中的一个或更多个 包括如下高度，该高度限定该一个或更多个通道112的高度。在一个实施例中，PSP结构的 高度为大约0.015英寸，且宽度为大约0.015英寸。在一个实施例中，PSP结构的高度为大 约0.2英寸，且宽度为大约0.15英寸。在另一个实施例中，高度和/或宽度介于其间。 0049 (多个。

23、)通道112例如在外部区的任何适合的预定距离内定位在多层构件100的 任何适合的部分中，诸如邻接陶瓷涂层102的那些。适合的预定距离包括但不限于大约 1mil、大约5mil、大约30mil、1mil与大约5mil之间、大约5mil与大约30mil之间、大约 说 明 书CN 103967532 A 5/6页 7 1mil与大约30mil之间、或任何适合的组合、子组合、范围或其间的子范围。如图1所示，在 一个实施例中，通道112中的一个或更多个从箔表面层106延伸至基底110，且因此由箔表 面层106、基底110和通道形成材料108限定。如图2所示，在一个实施例中，通道112中 的一个或更多个从箔。

24、表面层106延伸到通道形成区108中而不延伸至基底110，且因此由 箔表面层106和通道形成材料108限定。如图3所示，在一个实施例中，通道112中的一个 或更多个从基底110延伸到通道形成区108中而不延伸至箔表面层106，且因此由基底110 和通道形成材料108限定。如图4所示，在一个实施例中，通道112中的一个或更多个由通 道形成区108完全限定，且不延伸到箔表面层106或基底110。在具有由基底110至少部分 地限定的通道的一些实施例中，通道112的尺寸由被加工的基底110至少部分地限定。在 其它实施例中，未加工基底110。 0050 (多个)通道112为用于输送流体(诸如空气、蒸汽、。

25、气态流体、液态流体、冷却剂、 能够输送的其它适合的材料、或它们的组合)的任何适合的结构。一种适合的结构为冷却 通路。(多个)通道112包括几何形状，例如，从由下列形状构成的集合中选定的截面轮廓： 圆形、半圆形、三角形、椭圆形、正方形、矩形、不等边四边形、复杂形状、新月形、波形、和它 们的组合。在一个实施例中，(多个)通道112形成在相邻定位的多层构件100中的两个 之间。 0051 参看图5，制造多层构件100的工艺500包括将一个或更多个层应用于箔表面层 106(步骤501)并且应用通道形成材料108来至少部分地限定箔表面层106与基底110之 间的通道112(步骤503)且然后将它们硬焊在。

26、一起。在一个实施例中，箔表面层106和通 道形成材料108通过同时硬焊来应用于基底110。 0052 参看图6，在一个实施例中，应用通道形成材料108来将通道112至少部分地限定 在箔表面层106与基底110之间(步骤503)包括通道形成材料108定位在基底110上(步 骤602)。然后，箔表面层106定位在通道形成材料(步骤604)上。接着，通道形成材料108 和箔表面层106硬焊于基底(步骤606)。在又一实施例中，接合涂层104应用于箔表面层 106(步骤608)，然后陶瓷涂层102应用于接合涂层104(步骤610)。接合涂层104和/或 陶瓷涂层102在箔表面层和通道形成材料108的硬。

27、焊(步骤606)之前或之后应用。 0053 参看图7，在一个实施例中，应用通道形成材料108来将通道112至少部分地限定 在箔表面层106与基底110(步骤503)之间包括通道形成材料108定位在箔表面层上(步 骤702)。然后，箔表面层106定位在基底上(步骤704)。接着，通道形成材料108和箔表 面层106硬焊于基底(步骤706)。在又一实施例中，接合涂层104应用于箔表面层106(步 骤708)，然后陶瓷涂层102应用于接合涂层104(步骤710)。接合涂层104和/或陶瓷涂 层102在箔表面层和通道形成材料108的硬焊之前或之后应用(步骤706)。 0054 再次参看图1-4，在一个。

28、实施例中，接合涂层104邻接箔表面层106和陶瓷涂层 102。此外或备选地，接合涂层104具有小于箔表面层106的导热性。 0055 在一个实施例中，陶瓷涂层102邻接接合涂层104，且暴露于多层构件100的环 境，诸如，涡轮的热气体通路。陶瓷涂层102为任何适合的耐热涂层。适合的涂层包括但不 限于热阻隔涂层(TBC：thermal barrier coating)和环境阻隔涂层(EBC：environmental barrier coating)。在一个实施例中，TBC包括氧化钇稳定氧化锆(yttria stabilized zirconia)或氧化钇稳定硼酸盐(yttria stabili。

29、zed borate)。此外或备选地，TBC具有 说 明 书CN 103967532 A 6/6页 8 小于接合涂层104的导热性。 0056 尽管已经参照优选实施例描述了本发明，但本领域的技术人员将理解的是，可制 作出各种变化，且等同方案可替代其元件，而不脱离本发明的范围。此外，可制作出许多改 型，以使特定情形或材料适合本发明的教导内容，而不脱离其基本范围。因此，期望本发明 不限于作为用于执行本发明而构想出的最佳实施方式而公开的特定实施例，而是相反地， 本发明将包括落入所附权利要求的范围内的全部实施例。 说 明 书CN 103967532 A 1/5页 9 图 1 图 2 说 明 书 附 图CN 103967532 A 2/5页 10 图 3 图 4 说 明 书 附 图CN 103967532 A 10 3/5页 11 图 5 说 明 书 附 图CN 103967532 A 11 4/5页 12 图 6 说 明 书 附 图CN 103967532 A 12 5/5页 13 图 7 说 明 书 附 图CN 103967532 A 13 。