涡轮叶片冷却通道形成的制作方法
【专利摘要】本发明涉及涡轮叶片冷却通道形成。本发明的实施例大致涉及涡轮叶片，并且更具体而言，涉及在涡轮叶片表面上的冷却通道的形成和包括此类冷却通道的涡轮叶片。在一个实施例中，本发明提供了一种形成沿涡轮叶片表面的冷却通道的方法，该方法包括：将第一掩模材料应用到涡轮叶片的表面的第一部分；将第一阻隔层形成在第一掩模材料顶上，且形成在涡轮叶片的表面的第二部分顶上；移除第一掩模材料和第一掩模材料顶上的阻隔层来露出涡轮叶片的表面的第一部分；并且蚀刻涡轮叶片的表面的第一部分来形成沿涡轮叶片的表面的冷却通道。
【专利说明】涡轮叶片冷却通道形成
【技术领域】
[0001]本发明的实施例大致涉及涡轮叶片，且更具体而言，涉及涡轮叶片表面上的冷却通道的形成和包括此类冷却通道的涡轮叶片。
【背景技术】
[0002]用于高温应用中的涡轮叶片通常为镍基超级合金，且覆盖有金属连结涂层和陶瓷热障涂层。相比于形成冷却通道的已知构造和方法，本发明的实施例便于改善涡轮叶片的冷却。相比于使用镍合金，这又允许在具有较高温度的热气体路径中使用涡轮叶片、使用较薄的热障涂层、和降低成本。在一些情况下，由于涡轮叶片的主动冷却中的更多发生在叶片表面处，故涡轮叶片内的冷却通道可简化。此外，可同时地制造全部冷却通道，这相比于已知的冷却通道形成方法(诸如利用水射流或放电加工)降低了成本。
【发明内容】
[0003]在一个实施例中，本发明提供了一种形成沿涡轮叶片表面的冷却通道的方法，该方法包括:将第一掩模材料应用到涡轮叶片的表面的第一部分；将第一阻隔层形成在第一掩模材料顶上，且形成在涡轮叶片的表面的第二部分顶上；移除第一掩模材料和第一掩模材料顶上的阻隔层来露出涡轮叶片的表面的第一部分；并且蚀刻涡轮叶片的表面的第一部分来形成沿涡轮叶片的表面的冷却通道。
[0004]在另一个实施例中，本发明提供了一种涂布涡轮叶片的方法，该方法包括:对涡轮叶片表面的金属层镀铝；将镀铝金属层转变成铝化物层；并且从铝化物层移除铝，从而形成多孔金属层。
[0005]在又一个实施例中，本发明提供了一种涡轮叶片，其包括:镍基超级合金翼型件；翼型件表面上的氧化多孔金属层；和氧化多孔材料上的热障涂层。
[0006]一种形成沿涡轮叶片表面的冷却通道的方法，该方法包括:将第一掩模材料应用到涡轮叶片的表面的第一部分；将第一阻隔层形成在第一掩模材料的顶上，且形成在涡轮叶片的表面的第二部分的顶上；移除第一掩模材料和第一掩模材料顶上的阻隔层来露出涡轮叶片的表面的第一部分；并且蚀刻涡轮叶片的表面的第一部分来形成沿涡轮叶片的表面的冷却通道。
[0007]优选地，该方法还包括:将金属连结涂层应用到涡轮叶片的表面，金属连结涂层足以覆盖冷却通道但不填充冷却通道。
[0008]优选地，该方法还包括:形成冷却通道与涡轮叶片内的冷却源之间的通路。
[0009]优选地，该方法还包括:利用第二掩模材料填充冷却通道；
将高温金属层沉积在第二掩模材料和涡轮叶片的表面的第二部分的顶上；将第三掩模材料沉积在高温金属层的顶上；将第二阻隔层沉积在第三掩模材料和高温金属层的顶上；移除第三掩模材料和第三掩模材料的顶上的第二阻隔层；蚀刻高温金属层直到第二掩模材料；并且移除第二掩模材料。[0010]优选地，该方法还包括:将金属连结涂层应用到涡轮叶片的表面，金属连结涂层足以覆盖冷却通道但不填充冷却通道。
[0011]优选地，冷却通道具有第一宽度，且蚀刻高温金属层包括将高温金属层蚀刻至小于第一宽度的第二宽度，使得高温金属层的至少一部分在冷却通道上延伸。
[0012]优选地,高温金属层包括多孔金属层。
[0013]优选地，沉积高温金属层包括通过以下步骤形成多孔金属层:对高温金属层镀铝；将该镀铝的高温金属层转变成铝化物层；并且从铝化物层移除铝来形成多孔金属层。
[0014]优选地，镀铝包括以下步骤中的至少一个:将高温金属层浸在铝浴中，将铝喷涂沉积到高温金属层上，或将铝汽相沉积到高温金属层上。
[0015]优选地，从铝化物层移除铝包括使用苛性溶液从铝化物层浸出铝。
[0016]优选地，该方法还包括:氧化多孔金属层。
[0017]优选地,第一掩模材料选自由以下材料构成的集合:光致抗蚀剂或聚合材料。
[0018]优选地，第一阻隔层包括从由以下材料构成的集合中选择的至少一种材料:氮氧化钛、Ti02、TaO2JiN, S12、氧化铝和耐高温金属氧化物。
[0019]一种涂布涡轮叶片的方法，该方法包括:对涡轮叶片表面的金属层镀铝；将该镀铝的金属层转变成铝化物层；并且从铝化物层移除铝，从而形成多孔金属层。
[0020]优选地，该方法还包括:氧化多孔金属层。
[0021]优选地，该方法还包括:将连结涂层或热障涂层中的至少一者应用到氧化多孔金属层。
[0022]优选地，金属层选自由以下材料构成的集合:涡轮叶片的镍基超级合金、应用至涡轮叶片表面的镍基合金、和涡轮叶片表面的顶上的金属连结涂层。
[0023]优选地，镀铝包括以下步骤中的至少一者:将金属层浸在铝浴中，将铝喷涂沉积到金属层上，或将铝汽相沉积到金属层上；将该镀铝金属层转变成铝化物层包括将镀铝金属层加热至大约660°C与大约1200°C之间的温度；并且从铝化物层移除铝包括使用苛性溶液从铝化物层浸出铝。
[0024]一种涡轮叶片，包括:镍基超级合金翼型件；翼型件的表面上的氧化多孔金属层；和氧化多孔材料上的连结涂层或热障涂层中的至少一者。
[0025]优选地，涡轮叶片还包括:沿翼型件的表面的至少一个冷却通道；和至少一个冷却通道与涡轮叶片内的冷却剂源之间的至少一个通路。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]从结合绘出本发明的各种实施例的附图而作出的本发明的各种方面的以下详细说明中，将更容易理解本发明的这些和其他特征，在附图中:
图1示出根据本发明的实施例的涡轮叶片的透视图。
[0027]图2示出根据本发明的实施例的方法的流程图和截面侧视图。
[0028]图3示出根据本发明的另一个实施例的方法的流程图和截面侧视图。
[0029]图4和5示出根据本发明的实施例形成的冷却通道的示意性俯视图。
[0030]图6示出根据本发明的实施例的方法的步骤的截面侧视图。
[0031]图7-9示出根据本发明的实施例形成的冷却通道的示意性俯视图。[0032]图10示出根据本发明的另一个实施例的方法的流程图。
[0033]应当注意的是，本发明的附图并不按比例。附图意图仅绘出本发明的典型方面，且因此不应被认为限制本发明的范围。在附图中，相似的标号表示附图之间的相似元件。
[0034]部件列表 I涡轮叶片
8前表面 10,110表面 12第一部分 14第二部分 20、120冷却通道 22,122 开口 30第一掩模材料 32第二掩模材料 34第三掩模材料 40、140第一阻隔层 42、142第二阻隔层 50、150高温金属层 60、62、160悬垂部 70连结涂层 72热障涂层 121 壁。
【具体实施方式】
[0035]图1示出根据本发明的实施例的涡轮叶片I的一部分的截面侧视图。涡轮叶片I包括前表面8和后表面10。根据本发明的一个方法，多个冷却通道20已沿后表面10形成。连结涂层70和热障涂层72形成在后表面10的顶上，且覆盖该多个冷却通道20。尽管冷却通道20仅示为沿图1中的后表面10，但应当理解的是，冷却通道可类似地不沿后表面10，而是沿前表面8布置，或者除后表面10外，沿前表面8布置。
[0036]图2示出根据本发明的一个实施例的方法的流程图和随附的截面侧视图。在SI处，第一掩模材料30沉积在涡轮叶片的表面10顶上。适用于根据本发明的实施例使用的掩模材料包括例如光致抗蚀剂(photoresist)或聚合材料。第一掩模材料30可使用例如包括浸溃、喷涂或汽相沉积的多个方法或技术来沉积。所使用的特定方法或技术将至少部分地取决于第一掩模材料30。第一掩模材料30可离散地沉积，或可越过较大区域沉积，且然后形成图案。如图2所示，第一掩模材料30覆盖表面10的第一部分12，从而使第二部分14保持露出。第一部分12包括表面10的其中将形成冷却通道的一个或多个区域。第二部分14包括表面10的其中将不形成冷却通道的区域，且可包括除第一部分12以外的表面10中的一些或全部。当然，本领域技术人员将认识到的是，可使用除公开的那些以外的材料和沉积技术。
[0037]在S2处，第一阻隔层40形成在表面10顶上，从而覆盖表面10的第一掩模材料30和第二部分14 二者。第一阻隔层40可例如包括氮氧化钛、T12, TaO2, TiN, S12和高熔点氧化物(诸如氧化铝)。第一阻隔层40可使用例如包括化学汽相沉积、溅射或反应溅射的任何数目的方法或技术来形成。所使用的特定方法或技术将至少部分地取决于第一阻隔层40。在S3处,连同第一掩模材料30顶上的阻隔层40的部分一起移除第一掩模材料30,从而露出表面10的第一部分12。然后，在S4处，第一部分12可蚀刻，以形成表面10中的冷却通道20。蚀刻第一部分12可包括任意数目的方法或技术(例如包括液体化学蚀刻和反应离子蚀刻)。
[0038]在本发明的一些实施例中，冷却通道20可被进一步处理来形成冷却通道20上方的悬垂结构。这有效地缩小了至冷却通道20的开口，这在一些情形中可为合乎需要的。图3示出形成此类悬垂结构的方法的流程图和随附的截面侧视图。在S5处，利用第二掩模材料32填充冷却通道20。第二掩模材料32可与第一掩模材料30 (图2)相同，或可为不同的掩模材料。类似地，第二掩模材料32可使用与第一掩模材料30相同的方法或技术或通过不同的方法或技术来沉积。
[0039]在S6处，高温金属层50沉积、形成或应用到第二掩模材料32和第一阻隔层40顶上。例如，高温金属层50可包括镍基超级合金或耐高温金属(refractory metal),且可使用任意数目的方法或技术(诸如汽相沉积、溅射或电化学沉积)来沉积、形成或应用。
[0040]然后，在S7处，第三掩模材料34和第二阻隔层42沉积或形成在高温金属层50顶上。如在图3中可见，第三掩模材料34沉积，使得在至少一个维度中，它的宽度小于冷却通道20的宽度。第三掩模材料34和第二阻隔层42的沉积或形成类似于图2的第一掩模材料30和第一阻隔层40的沉积或形成。第三掩模材料34可与第一掩模材料30或第二掩模材料32相同，或可为不同掩模材料，且可使用相同或不同的方法或技术来沉积。类似地，第二阻隔层42可与第一阻隔层40相同，或可为不同掩模材料，且可使用相同或不同的方法或技术来沉积。
[0041]在S8处，类似于图2的S3处的第一掩模材料40和第一阻隔层40的一部分的移除，第三掩模材料34和第三掩模材料34顶上的第二阻隔层42的一部分被移除。在S9处，高温金属层50在通过移除第三掩模材料34和第二阻隔层42而露出处被蚀刻，从而形成开口 22，第二掩模材料32穿过开口 22从冷却通道20移除。如在图3中可见，相比于冷却通道20，第三掩模材料34的较小尺寸导致高温金属层50和第二阻隔层42在冷却通道20上方的悬垂部60、62。
[0042]图4示出根据本发明的一个实施例的冷却通道20的俯视图。为了易于图示和说明，仅示出第二阻隔层42。然而，本领域技术人员将认识到的是，高温金属层50位于第二阻隔层42下方。在图4中，悬垂部60、62存在于开口 22附近,且在冷却通道20的一部分之上。其它构造是可能的。在图5中，例如，悬垂部60围绕大致正方形的开口 22连续。
[0043]图6示出本发明的另一个实施例的截面视图。在此，开口 122偏移，且与冷却通道120的壁121大致齐平。因此，单个悬垂部160形成在冷却通道120上方。图7_9示出根据此实施例的相对于冷却通道120的开口 122的各种布置的俯视图。
[0044]在图3-9中，开口 22、122示为大致为正方形或矩形形状。然而，这既不是必需的也不是重要的，且根据本发明的各种实施例形成的开口可具有任意数目的二维形状。
[0045]在本发明的任意实施例中，一旦表面10、110被蚀刻以形成冷却通道20、120，则金属连结涂层(诸如MCrAlY)可以以一种方式应用，该方式足以覆盖第一阻隔层40或第二阻隔层140，以及覆盖冷却通道20、120的表面，但不填充冷却通道20、120。类似地，在本发明的任意实施例中，形成的冷却通道20、120可联结于例如涡轮叶片I内的冷却流体(诸如空气或蒸汽)源(图1)。例如，一旦形成冷却通道20、120，则可从冷却通道20、120的底部表面直到涡轮叶片中心中的冷却空气源形成通路(诸如通过钻孔)。
[0046]在本发明的一些实施例中，高温金属层50、150包括多孔金属层。使用此类多孔金属减小了之后的处理步骤期间应用到涡轮叶片上的热障涂层(TBC)中的应力，因为它比涡轮叶片自身或TBC顺应性都更好。相比于类似的非多孔金属层，多孔金属层还减小了热扩散率。这增大了热气体与涡轮叶片之间的温度下降。
[0047]图10示出根据实施例的在涡轮叶片上形成多孔金属层的方法的流程图。在SlO处，对金属层(例如，图3中的42)镀铝。这可使用任意数目的方法或技术来实现，例如，包括将金属层浸溃在铝浴中，将铝喷涂沉积在金属层上，或将铝汽相沉积在金属层上。
[0048]在Sll处，将镀铝金属层转变成铝化物层。通常，可通过在不存在氧的情况下将镀铝金属层加热至大约660°C至大约1200°C之间的温度来实现。
[0049]在S12处，将铝从铝化物层移除来形成多孔金属层。铝可使用任意数目的方法或技术来移除，但通常通过将苛性溶液(caustic solut1n)应用至铝化物层来移除。在金属层为镍合金的情况下，由此形成的多孔金属层包括多孔镍合金层。
[0050]多个附加的过程可在多孔金属层上执行。例如，在S13处，多孔金属层可以可选地通过氧化来钝化。例如，在金属层将暴露于高温的情况下，这可能是合乎需要的，因为多孔金属层的高表面区域可能自燃。例如，可通过在大约400°C的空气中加热来实现氧化多孔金属层。
[0051]在S14处，连结涂层和/或热障涂层可以可选地应用到在S12处形成的多孔金属层或在S13处形成的氧化多孔金属层。
[0052]如在本文中所述，多孔金属层由高温金属层50、150形成，但其它金属层可类似地制造成多孔的，以提供增大的顺应性。例如，涡轮叶片自身的镍基超级合金可使用上述方法或类似方法来制造成多孔的。此外，涡轮叶片可涂布有镍基耐热合金层，其然后使用上所方法或类似方法制造成多孔的。
[0053]在任何情况下，附加层可沉积在多孔金属层的顶上来完成涡轮叶片的最后加工。例如，在本发明的一些实施例中，涡轮叶片包括镍基超级合金翼型件、翼型件表面上的氧化多孔金属层、连结涂层、和氧化多孔材料之上的热障涂层。
[0054]本文所使用的术语仅用于说明特定实施例的目的，且并不意图限制本公开内容。如本文所使用的，单数形式“一个”或“一种”和“该”意图也包括复数形式，除非上下文清楚地另外指出。还将理解的是，用语“包括(comprise) ”和/或“包括(comprising) ”在用于本说明书中时，指定存在声明的特征、整体、步骤、操作、元件和/或构件，但并不排除存在或添加一个或更多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、构件和/或其组合。
[0055]本书面说明使用示例以公开本发明，包括最佳实施方式，并且还使任何本领域技术人员能够实践本发明，包括制造并且使用任何装置或系统，并执行任何合并的方法。本发明的可申请专利的范围由权利要求限定，并且可包括由本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其他示例包括不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其他示例意图在权利要求的范围内。
【权利要求】
1.一种形成沿涡轮叶片表面的冷却通道的方法，所述方法包括: 将第一掩模材料应用到涡轮叶片的表面的第一部分； 将第一阻隔层形成在所述第一掩模材料的顶上，且形成在所述涡轮叶片的表面的第二部分的顶上； 移除所述第一掩模材料和所述第一掩模材料顶上的阻隔层来露出所述涡轮叶片的表面的第一部分；并且 蚀刻所述涡轮叶片的表面的第一部分来形成沿所述涡轮叶片的表面的冷却通道。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括: 将金属连结涂层应用到所述涡轮叶片的表面，所述金属连结涂层足以覆盖所述冷却通道但不填充所述冷却通道。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括: 形成所述冷却通道与所述涡轮叶片内的冷却源之间的通路。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括: 利用第二掩模材料填充所述冷却通道； 将高温金属层沉积在所述第二掩模材料和所述涡轮叶片的表面的第二部分的顶上； 将第三掩模材料沉积在所述高温金属层的顶上； 将第二阻隔层沉积在所述第三掩模材料和所述高温金属层的顶上； 移除所述第三掩模材料和所述第三掩模材料的顶上的所述第二阻隔层； 蚀刻所述高温金属层直到所述第二掩模材料；并且 移除所述第二掩模材料。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括: 将金属连结涂层应用到所述涡轮叶片的表面，所述金属连结涂层足以覆盖所述冷却通道但不填充所述冷却通道。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述冷却通道具有第一宽度，且蚀刻所述高温金属层包括将所述高温金属层蚀刻至小于所述第一宽度的第二宽度，使得所述高温金属层的至少一部分在所述冷却通道上延伸。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述高温金属层包括多孔金属层。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，沉积所述高温金属层包括通过以下步骤形成多孔金属层: 对所述高温金属层镀铝； 将该镀铝的高温金属层转变成铝化物层；并且 从所述铝化物层移除铝来形成所述多孔金属层。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，镀铝包括以下步骤中的至少一个:将所述高温金属层浸在铝浴中，将铝喷涂沉积到所述高温金属层上，或将铝汽相沉积到所述高温金属层上。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，从所述铝化物层移除铝包括使用苛性溶液从所述铝化物层浸出铝。
【文档编号】F01D5/18GK104033187SQ201410081979
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年3月7日 优先权日:2013年3月8日
【发明者】D.B.克诺尔, K.B.莫里 申请人:通用电气公司