利用增材制造的涡轮机叶片的修复方法

文档序号:41727 发布日期:2021-09-28 浏览:29次 >En<

阅读说明:本技术 利用增材制造的涡轮机叶片的修复方法 (Repair method for turbine blade using additive manufacturing ) 是由 申永浩 于 2021-03-18 设计创作,主要内容包括:本发明所涉及的利用增材制造的涡轮机叶片的修复方法,包括:对在涡轮机叶片中出现的损伤部的位置以及形状进行数值化的步骤;对移除损伤部所带来的上述涡轮机叶片的动量损失进行计算的步骤;对用于替代损伤部的具有与损伤部相同的动量的修复部的形状进行建模的步骤;对损伤部进行移除的步骤;以及通过在移除后的损伤部的位置执行增材制造(Additive Manufacturing)工程而形成所建模的修复部的步骤。(The invention relates to a repair method for a turbine blade manufactured by additive manufacturing, comprising the following steps: digitizing a position and a shape of a damaged portion appearing in the turbine blade; calculating a momentum loss of the turbine blade due to the removal of the damaged portion; modeling a shape of a repair portion having the same momentum as the damaged portion for replacing the damaged portion; removing the damaged portion; and a step of forming a modeled repair portion by performing an Additive Manufacturing (Additive Manufacturing) engineering at a location of the removed damaged portion.)

利用增材制造的涡轮机叶片的修复方法

技术领域

本发明涉及一种利用增材制造的涡轮机叶片的修复方法,尤其涉及一种利用增材制造对在涡轮机叶片的凹槽状叶中发生的损伤进行修复,或者利用增材制造在如涡轮机叶片等单晶组织上稳定地形成2级结构体的方法。

背景技术

在发电用设备中所使用的涡轮机叶片是用于将蒸汽或空气的流体能量转换成机械能量的重要部件,其持续暴露在高温的流体流动环境中。因此,上述涡轮机叶片不可避免地会受到损伤,从而必须对受损的区域进行修复。

此外,为了达成如改善涡轮机叶片的震动特性或增加涡轮机叶片的刚性等目的,有时可能需要在涡轮机叶片上追加形成2级结构体。从广义上来讲,如上所述的对已经完成制作的涡轮机叶片的性能进行改良的作业也属于修复的范畴。

但是,因为涡轮机叶片需要承受高温及高应力,因此通常使用对氧化、蠕变、疲劳、腐蚀以及破损的抵抗性高的单晶(single crystal)超耐热合金、超合金(superalloy)或钛(titanium)等特殊材质进行制造。不过,因为难以进行加工的材料学特性,利用传统的机械加工方法难以实现与修复前相同的形状以及物理特性。

例如,在涡轮机叶片的凹槽状叶(squealer)上出现裂纹的情况下,在对裂纹进行移除时,对凹槽状叶进行连接的承梁也可能会被同时移除,但是利用传统的机械加工方法很难将超合金或钛加工成与修复前相同的形状。但是,如果使用易于加工的其他材料,又会因为修复部位的物理特性相对低于周边部分而很可能再次受到损伤。不仅如此,因为修复部位的材料与之前不同,因此整个涡轮机叶片的动量可能会发生变化,这又会对燃气涡轮机的稳定性以及效率造成不良影响。

此外,在涡轮机叶片上直接形成2级结构体的情况下,因为向涡轮机叶片的表面附近照射高能量的激光,因此可能会对涡轮机叶片的表面造成热冲击。如上所述的热冲击可能会造成涡轮机叶片的物理特性的变化,并进一步导致涡轮机引擎性能的下降。因此,需要一种可以在如涡轮机叶片等单晶组织上无热冲击地稳定地形成2级结构体的方法。

现有技术文献

专利文献

(专利文献0001)韩国注册专利第10-2021139号(2019.09.05注册)

(专利文献0002)美国注册专利第8,884,182号(2014.11.11注册)

发明内容

本发明的课题在于,提供一种通过利用增材制造,可以轻易地对如涡轮机叶片的凹槽状叶等因为材料或形状特性而难以通过传统的机械加工方法进行修复的机械设备进行修复的涡轮机叶片的修复方法。

此外,本发明的另一课题在于,提供一种可以在如涡轮机叶片等单晶组织上无热冲击地稳定地形成2级结构体的方法。

但是,本发明拟解决的课题并不限定于如上所述的课题,可以在不脱离本发明的思想以及领域的范围内进行各种扩展。

为了达成如上所述的本发明的课题,示例性实施例所涉及的利用增材制造的涡轮机叶片的修复方法,包括:对在涡轮机叶片中出现的损伤部的位置以及形状进行数值化的步骤;对移除上述损伤部时的上述涡轮机叶片的动量损失进行计算的步骤;对用于替代上述损伤部的具有与上述损伤部相同的动量的修复部的形状进行建模的步骤;对上述损伤部进行移除的步骤;以及通过在涡轮机叶片的移除上述损伤部后的位置执行增材制造(Additive Manufacturing)工程而形成所建模的上述修复部的步骤。

在示例性的实施例中,上述增材制造工程可以是从选择性激光烧结(SelectiveLaser Sintering)、选择性激光熔化(Selective Laser Melting)、电子束熔化法(Electron Beam Melting)、直接能量沉积(Direct Energy Deposition)、粘接剂喷射方式(Binder Jetting)以及熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling)中选择的一个工程。

在示例性的实施例中,上述涡轮机叶片可以包括:一对凹槽状叶,以在内部形成中空部的方式相向形成;以及承梁,对上述凹槽状叶进行连接。此外,上述损伤部可以是从上述凹槽状叶的末端发展到比上述承梁的底面更低的高度位置的裂纹。

在示例性的实施例中,对上述损伤部进行移除的步骤,可以通过沿着与上述承梁平行的方向对上述涡轮机叶片进行切割而对上述承梁的整体进行移除。

在示例性的实施例中,对上述修复部的形状进行建模的步骤,可以以上述承梁的底面具有曲面形状的方式对上述修复部的形状进行建模。

在示例性的实施例中,对上述损伤部进行移除的步骤,可以通过以相对于上述承梁的底面具有预先设定的倾斜角度的方式对上述涡轮机叶片进行切割而对上述承梁中的一部分进行移除。

在示例性的实施例中,形成上述修复部的步骤,可以在将移除上述损伤部之后的涡轮机叶片倾斜上述倾斜角度的状态下执行增材制造工程。

在示例性的实施例中,对上述修复部的形状进行建模的步骤,可以以在上述凹槽状叶与上述承梁的边界面形成圆弧形的倒角(chamfer)的方式对上述修复部进行建模。

在示例性的实施例中,对上述损伤部的位置以及形状进行数值化的步骤,可以通过对上述涡轮机叶片执行非破坏性检查而对损伤部进行探测。

在示例性的实施例中,上述涡轮机叶片与上述修复部可以是相同的材料。

为了达成如上所述的本发明的另一课题,示例性实施例所涉及的利用增材制造的涡轮机叶片的修复方法,包括:在单晶组织上对要形成2级结构体的假想区域进行设定的步骤;在上述单晶组织上形成包括以所设定的上述假想区域为中心放射状延长的多个散热片的散热部的步骤;在上述假想区域形成2级结构体的步骤;以及对上述散热部进行移除的步骤。

在示例性的实施例中,形成上述2级结构体的步骤,可以通过沉积工程(AdditiveManufacturing)执行。

在示例性的实施例中,上述沉积工程可以是从选择性激光烧结(Selective LaserSintering)、选择性激光熔化(Selective Laser Melting)、电子束熔化(Electron BeamMelting)、直接能量沉积(Direct Energy Deposition)以及熔融沉积成型(FusedDeposition Modeling)中选择的一个工程。

在示例性的实施例中,上述散热部可以利用熔点低于上述2级结构体的材料形成。

在示例性的实施例中,对上述散热部进行移除的步骤可以包括:通过对上述散热部进行加热而选择性地对上述散热部进行熔融的步骤。

在示例性的实施例中,上述散热部可以包含铜。

在示例性的实施例中,上述散热片的从上述假想区域延长的长度可以大于其宽度,上述散热片的宽度可以是0.2mm以上。

在示例性的实施例中,形成上述散热部的步骤可以包括:形成以上述假想区域为中心放射状延长的多个第1散热片的步骤;以及形成从上述各个第1散热片向侧方向延长的多个第2散热片的步骤。

在示例性的实施例中,上述形成散热部的步骤还可以包括:形成从各个上述第2散热片向侧方向延长的多个第3散热片的步骤。

在示例性的实施例中,上述单晶组织可以是燃气涡轮机的涡轮机叶片。

本发明之示例性实施例所涉及的利用增材制造的涡轮机叶片的修复方法,可以通过导入增材制造方法而利用如超合金或钛等难加工性材料轻易地对受到损伤的涡轮机叶片进行修复。尤其是,与损伤部的位置或大小等无关,可以以相同的形状对涡轮机叶片进行修复,而且可以在修复前后维持涡轮机叶片的动量恒定不变。

而且,因为可以在维持相同的动量的同时适当地变更修复部的形状,因此可以通过如应力集中现象的消除等对涡轮机叶片的性能进行提升。

此外,本发明之另一示例性实施例所涉及的利用增材制造的涡轮机叶片的修复方法,因为是在预先形成可以方便地进行移除的散热部之后再形成2级结构体,因此可以有效地将在形成2级结构体的过程中产生的热量散发到外部。借此,可以在涡轮机叶片的单晶组织上形成2级结构体时将施加到单晶组织中的热冲击最小化。

附图说明

图1是对燃气涡轮机的概要性结构进行图示的截面图。

图2是对图1中的涡轮机转子轮盘以及涡轮机叶片进行图示的立体图。

图3是将图2中的涡轮机叶片的上部沿着Ⅰ-Ⅰ'线进行切割的部分截面图。

图4是用于对现有的涡轮机叶片的修复方法进行说明的示意图。

图5是用于对本发明所涉及的涡轮机叶片的修复方法进行说明的顺序图。

图6以及图7是用于对形成修复部的第1实施例进行说明的示意图。

图8至图10是用于对形成修复部的第2实施例进行说明的示意图。

图11是用于对本发明所涉及的在单晶组织即涡轮机叶片上形成2级结构体的修复方法的步骤进行说明的顺序图。

图12至图16是对图11中的步骤进行图示的示意图。

图17是对散热部的另一形态进行图示的示意图。

图18是对散热部的又一形态进行图示的示意图。

【符号说明】

100:燃气涡轮机

104:燃烧器

106:扩压器

110:压缩机节

120:涡轮节

130:扭矩管

140:压缩机转子轮盘

150:横拉杆

180:涡轮机转子轮盘

200:涡轮机叶片

210:平台部

220:根部

230:叶片部

231、232、233、234:凹槽状叶

235、236:承梁

237:开口

238:倒角

239:中空部

300:金属粉末供应部

310:金属粉末

400:电子束枪

500:2级结构体

510:层

600、610、620:散热部

611、621:1级散热片

612、622:2级散热片

623:3级散热片

具体实施方式

关于在本文中公开的本发明的实施例,对特定的结构乃至功能的说明只是用于对本发明的实施例进行说明的示例性目的,本发明的实施例还可以以多种不同的形态实施,并不限定于在本文中进行说明的实施例。

本发明可以进行各种变更并以多种不同的形态实施,接下来将在附图中对特定的实施例进行图示并在本文中进行详细的说明。但是,这并不是为了将本发明限定于特定的公开形态,而是应该理解为包含本发明的思想以及技术范围中所包含的所有变更、均等物乃至替代物。

在对不同的构成要素进行说明的过程中可能会使用如第1、第2等术语,但是上述构成要素并不因为上述术语而受到限定。上述术语只是以对一个构成要素以及其他构成要素进行区分的目的使用。例如,在不脱离本发明之权利范围的前提下,第1构成要素可以被命名为第2构成要素,同理,第2构成要素也可以被命名为第1构成要素。

当记载为某个构成要素与其他构成要素“连接”或“连结”时,不仅可以理解为与上述其他构成要素直接连接或连结,还可以理解为在两者之间有其他构成要素存在。而与此相反,当记载为某个构成要素与其他构成要素“直接连接”或“直接连结”时,应该理解为在两者之间没有其他构成要素存在。用于对构成要素之间的关系进行说明的其他表达方式,即“在~之间”和“直接在~之间”或“与~相邻”或“与~直接相邻”等也应该按照相同的方式进行解释。

在本申请中所使用的术语只是用于对特定的实施例进行说明,并不是为了对本发明做出限定。除非在上下文中有明确的相反含义,否则单数型语句还包含复数型含义。在本申请中,如“包含”或“具有”等术语只是用于表明所列的特征、数字、步骤、动作、构成要素、部件或上述之组合存在,并不应该理解为事先排除一个或多个其他特征、数字、步骤、动作、构成要素、部件或上述之组合存在或被附加的可能性。

除非另有定义,否则包含技术性或科学性术语在内的在此使用的所有术语的含义,与具有本发明所属技术领域之一般知识的人员所通常理解的含义相同。通常所使用的已在词典中做出定义的术语的含义,应该解释为与相关技术的上下文一致的含义,而且除非在本申请中做出明确的定义,否则不应该解释为过于理想化或形式化的含义。

接下来,将参阅附图对本发明的优选实施例进行详细的说明。对于附图中的相同的构成要素使用了相同的参考编号,而且与相同的构成要素相关的重复说明将被省略。

首先,参阅图1至图4对用于修复涡轮机叶片的凹槽状叶的现有的修复方法进行详细的说明。

图1是对燃气涡轮机的概要性结构进行图示的截面图,图2是对图1中的涡轮机转子轮盘以及涡轮机叶片进行图示的立体图。图3是将图2中的涡轮机叶片的上部沿着Ⅰ-Ⅰ'线进行切割的部分截面图。图4是用于对现有的涡轮机叶片的修复方法进行说明的示意图。

参阅图1,燃气涡轮机100包括:外壳102,用于形成外观;压缩机节110以及涡轮节120,具备于外壳102内部;燃烧器104,用于利用经过压缩的空气对燃料进行燃烧;以及,扩压器106,用于对燃烧气体进行排出。

压缩机节110具备于外壳102的前端内部,可以对空气进行压缩并供应到燃烧器104中。涡轮节120具备于外壳102的后端内部,可以利用燃烧气体产生旋转力。在涡轮节102产生的旋转力中的一部分可以通过扭矩管130传递到压缩机节110。

在压缩机节110中具备有多个压缩机转子轮盘140,上述多个压缩机转子轮盘140可以通过横拉杆150相互紧固,从而以无法相对旋转的状态结合。

在各个压缩机转子轮盘140的外周面以放射状具备多个压缩机叶片144,而且可以通过压缩机根部146结合到转子轮盘140上。

此外,在相邻的压缩机转子轮盘140之间可以具备有导叶(未图示)。上述导叶被固定到外壳102上,可以对通过了前方的压缩机叶片144的压缩空气的流动进行梳理并导向到后方的压缩机叶片144。此时,上述“前方”以及“后方”可以是以压缩空气的流动为基准定义的相对的位置关系。

上述压缩机根部146可以通过切向式(tangential type)锁紧方式或轴向式(axial type)锁紧方式结合到转子轮盘140中,而且可以采用通常所公知的鸠尾结构或枞树(Fir-tree)结构。其中,上述结合方式以及结构可以根据需要进行适当的选择。

此外,在图1中是对一个横拉杆150贯通压缩机转子轮盘140的中心的形态进行了图示,但是本发明并不限定于此。例如,也可以采用将多个横拉杆配置到圆周上的形态。

燃烧器104可以将在压缩机节110中得到压缩的空气与燃料进行混合并通过燃烧而生成高温高压的燃烧气体。燃烧器104可以包括具备有燃料喷嘴的燃烧炉、用于形成燃烧室的燃烧器衬筒以及用于对燃烧器104与涡轮节120进行连接的过渡连接件(TransitionPiece)等。此外,燃烧器104可以根据燃气涡轮机100的设计而具备多个。

在燃烧器104中生成的高温高压的燃烧气体可以被供应到涡轮节120中。上述高温高压的燃烧气体在膨胀的同时与涡轮机叶片200发生碰撞,并借此使得涡轮机叶片200发生旋转。通过涡轮机叶片200的旋转而产生的旋转力通过扭矩管130被供应到压缩机节110,而超出驱动压缩机所需要的旋转力的剩余旋转力可以用于对发电机等进行驱动。

涡轮节120的结构可以与如上所述的压缩机节110类似。即,涡轮节120可以包括多个涡轮机转子轮盘180、以及以放射状结合到各个涡轮机转子轮盘180的多个涡轮机叶片200。此时,涡轮机叶片200同样可以通过如鸠尾等方式结合到涡轮机转子轮盘180,而在相邻的涡轮机转子轮盘180之间也可以具备导叶(未图示)。

涡轮机转子轮盘180采用大致的圆盘形状,而且可以在外周面上形成多个结合狭槽180a。在图2中对具有枞树(Fir-tree)形状的屈曲面的结合狭槽180a的一示例进行了图示。

涡轮机叶片200包括平坦形状的平台部210、具备于平台部210的下部的根部220以及具备于平台部210的上部的叶片部230。

平台部210可以通过与相邻的涡轮机叶片的平台部相互接触而维持相邻的涡轮机叶片200之间的间隔恒定不变。

根部220采用与涡轮机转子轮盘180的结合狭槽180a对应的形状,可以将涡轮机叶片200坚固地结合到涡轮机转子轮盘180中。

叶片部230的截面为翼形(Airfoil)形状且在内部形成有中空部239,其具体的形状以及尺寸可以根据燃气涡轮机100的规格进行适当的变更。叶片部230可以以燃烧气体的流动方向为基准具有上游一侧的前缘(leading edge)以及下游一侧的后缘(trailingedge)。此外,可以具有燃烧气体直接发生碰撞的压力部(pressure side)以及相反一侧的吸入部(suction side)。通过使一定厚度的压力部以及吸入部延长而在整体上形成翼形(airfoil),而其内部可以为了冷却而处于中空状态。

叶片部230因为要求高机械强度、高热蠕变变形抗性、高耐腐蚀性等,因此可以利用超合金或钛等进行制造。上述超合金,可以是如Rene108等Rene合金、CM247、哈氏合金、瓦斯帕洛伊(Waspalloy)、海恩斯合金、因科洛伊、MP98T、TMS合金、CMSZ单晶合金等。

此外,叶片部230因为是与高温高压的燃烧气体直接发生接触的部件,因此发生部件损伤的可能性极高。尤其是,在叶片部230的末端即尖端233a发生损伤的可能性更高,在图3中对在叶片部230的尖端233a发生裂纹C的情况进行了例示。

如图3所示,叶片部230的上端可以由一对凹槽状叶231、233、形成于凹槽状叶231、233之间的中空部239以及用于对凹槽状叶231、233进行连接的承梁235构成。为了说明的便利,将与燃烧气体直接发生碰撞的压力部侧的凹槽状叶称之为第1凹槽状叶231,并将相反一侧即吸入部侧的凹槽状叶称之为第2凹槽状叶233。

假定裂纹C是从第2凹槽状叶233的末端233a向内部形成,而且裂纹C已经发展至比承梁235的底面更低的位置。

以往,为了移除所有裂纹C而采用在对A-A'线上部全部进行移除之后在所移除的部分形成新的凹槽状叶232、234以及承梁236的方式。为了说明的便利,将通过修复作业全新附加的部件分别称之为第3凹槽状叶232、第4凹槽状叶235以及第2承梁236。

在如上所述的情况下,因为将如超合金或钛等特殊材料加工成复杂的形状非常不易,因此第3凹槽状叶232、第4凹槽状叶235以及第2承梁236通常是利用与原有的部件231、233、235不同的材料形成。例如,在利用可以执行如切削工程等机械加工的合金材料形成第3凹槽状叶232、第4凹槽状叶235以及第2承梁236之后,通过钎焊(brazing)工艺将其焊接到第1以及第2凹槽状叶231、233上,从而执行修复作业。

但是,因为原有的部件231、233、235与通过修复进行更换的部件232、234、236的材料不同,因此会导致经过修复之后的叶片部230的物性与修复之前不同的问题发生。例如,在修复前后叶片部230的整体质量可能会发生变化,而这可能会诱发叶片部230的动量变化。为了解决如上所述的问题,以往采用使得所修复的承梁236的厚度t2大于修复之前的厚度t1(参阅图4),或使得凹槽状叶232、234的厚度大于修复之前的厚度,或变更承梁的位置等方法。但是,在按照如上所述的方式变更修复部件的厚度或变更承梁的位置时,可能会诱发叶片部230整体的动力学(Dynamics)变化,并对燃气涡轮机100的安全性或性能造成严重的问题。本发明的目的在于解决如上所述的现有问题,尤其是可以通过增材制造方法形成相同材料的修复部,或即使是在使用不同材料的情况下也可以维持相同的动量并形成与现有的制造方式相比其制造性以及机械特性得到提升的修复部。接下来,参阅图5至图10对本发明所涉及的涡轮机叶片的修复方法进行更为详细的说明。

图5是用于对本发明所涉及的涡轮机叶片的修复方法进行说明的顺序图。

参阅图5,首先在步骤S100中,当在叶片部230出现损伤时,在步骤S110中,掌握损伤部的位置以及形状。其中,“损伤部”是对出现如裂纹等物理损伤乃至于化学、热损伤的部位的统称。

具体来讲,如图3所示,在第2凹槽状叶233中出现裂纹C的情况下,掌握裂纹的位置、发展方向以及深度等并对其进行数值化。例如,通过执行如电子计算机断层扫描(CT)等放射线透射检查(Radiation Inspection)以及超声波探伤检查(Ultrasonic FlawDetecting Test)等非破坏性检查,可以在不对叶片部230造成损伤的情况下准确地掌握损伤部的位置以及形状,而且可以对空间上的损伤部的位置以及形状进行数值化显示。

在完成对损伤部的掌握之后,在步骤S120中,对移除损伤部所带来的叶片部230的动量损失进行计算。

具体来讲,在掌握损伤部的位置以及形状之后,需要决定损伤部的移除方法,即应该对叶片部230中的哪些部位进行多少量的移除。例如,可以如图3所示通过沿着与承梁235平行的A-A'线进行切割而对包含损伤部C的A-A'线上部进行移除。在如上所述的情况下,可以同时对承梁235的整体进行移除。与此不同,也可以通过沿着相对于承梁235呈一定倾斜角度(θ)的B-B'线进行切割而仅对承梁235中的一部分进行移除。

在决定如上所述的损伤部的移除方法之后,可以对随着损伤部的移除所能预期到的叶片部230的动量损失进行计算。

在步骤S130中,对修复部的形状进行建模以能够对上述所计算出动量损失进行补偿。其中,“修复部”是指通过一系列的修复工程全新附加到叶片部230的部分。

在利用与所移除的损伤部相同的材料形成修复部的情况下,上述修复部可以采用与上述所移除的损伤部相同的形状。但是,若修复之后的叶片部230的动量与修复之前相同,则也可以对修复部的形状进行变更。例如,可以以在应力集中的边缘形成曲面或进一步加厚特定部位厚度的方式进行建模。

与此不同,在利用与所移除的损伤部不同的材料形成修复部的情况下,应该以使修复前后的叶片部230具有相同的动量的方式对修复部的形状进行建模。

在完成修复部的建模之后,在步骤S140中,移除损伤部,接下来在步骤S150中,利用增材制造对移除损伤部的区域进行修复。对此,将分为2种实施例进行更为详细的说明。

首先,图6以及图7是用于对形成修复部的第1实施例进行说明的示意图。

上述第1实施例是在图3中通过沿着与承梁235平行的A-A'线对叶片部230进行切割而将A-A'线上部作为损伤部进行移除的情况。在如上所述的情况下,可以对第1凹槽状叶231以及第2凹槽状叶233的上部进行移除并对承梁235完全进行移除。

在一实施例中,上述形成修复部的步骤S150,可以通过增材制造(AdditiveManufacturing)执行。作为上述增材制造的示例,包括利用激光对粉末进行烧结或熔化的选择性激光烧结(Selective Laser Sintering,SLS)以及选择性激光熔化(SelectiveLaser Melting,SLM)、利用电子束对粉末进行熔化的电子束熔化法(Electron BeamMelting,EBM)、通过在直接向物体的表面供应金属粉末或金属丝(Wire)的同时施加大功率激光等能量而进行沉积的直接能量沉积(Direct Energy Deposition,DED)、对熔融的材料进行沉积的熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling,FDM)、利用喷射头将液体状态的粘接剂选择性地喷射到金属粉末中进行沉积的粘接剂喷射方式(Binder Jetting,BJ)等。上述增材制造方式因为是通过在移除损伤部之后的叶片部230表面逐层沉积层而形成修复部的方式,因此可以轻易地形成复杂形状的修复部。此外,即使是在叶片部230为超合金或钛等难加工性材料的情况下,也可以利用相同的材料形成修复部。在本发明中,将以电子束熔化法(EBM)为例进行说明。

如图6所示,将移除损伤部之后的叶片部230收容到电子束熔融装置(未图示)的内部。在如上所述的情况下,叶片部230被掩埋到金属粉末310中。此时,金属粉末310可以是与构成叶片部230的金属相同的材料。

通过将金属粉末供应部300向前后方向F1、F2进行移动,在叶片部230上以一定的厚度涂布金属粉末。接下来,通过从电子束枪400释放出电子束而以符合在步骤S130中建模的修复部形状的方式选择性地对所涂布的金属粉末进行熔融,并通过对所熔融的金属粉末进行冷却以及固化而形成修复部中的一部分。接下来,在将作业对象即叶片部230沿着垂直方向下降一定高度之后,重复上述的粉末涂布以及电子束释放过程。通过重复执行上述过程,形成修复部。在图7中对所形成的修复部进行了图示。

如图7所示,上述修复部可以包括形成于第1凹槽状叶231上部的第3凹槽状叶232、形成于第2凹槽状叶233上部的第4凹槽状叶234、以及用于对第3凹槽状叶232以及第4凹槽状叶234进行连接的第2承梁236。

在如上所述的情况下,上述修复部因为由与上述叶片部230相同的材质形成,因此第1凹槽状叶231与第3凹槽状叶232的厚度可以相同,且第2凹槽状叶233的厚度D1可以与第4凹槽状叶234的厚度D2相同。此外,第2承梁236也可以具有与修复之前的承梁235相同的形状。

此外,在叶片内部为封闭结构或虽非封闭结构但难以对金属粉末进行移除的情况下,在通过如上所述的电子束熔融法进行修复的情况下需要对形成修复部之后所残留的金属粉末310进行移除。因此,可以在第2承梁236上形成开口237并在完成电子束熔融加工之后通过开口237对内部的金属粉末310进行移除。接下来,可以通过利用修复用试片(coupon)或钎焊(brazing)等方法对开口237进行填补而结束修复部的形成过程。此时,在图7中是对在第2承梁236上形成开口237的情况进行了图示,但是本发明并不限定于此,也可以根据修复部的形状以及工程特性而在适当的位置上形成。例如,在因为在承梁底面的叶片部内部形成有冷却流路等而可以对金属粉末进行移除的情况下,也可以不追加形成开口。

此外,在凹槽状叶232、234与第2承梁236相交的边界面边缘上可能会出现应力集中现象。但是,因为利用增材制造方式可以简单地形成复杂形状,因此可以在修复部的形成过程中对边缘部分进行补充完善。例如,如图7所示,可以在凹槽状叶232、234与第2承梁236相交的边界面边缘形成倒角238。

此外,在上述第1实施例的情况下,第2承梁236沿着与第3凹槽状叶232以及第4凹槽状叶234垂直的方向形成。因此,在采用通过逐层沉积层而形成部件的增材制造方式的情况下,所形成的第2承梁236的下端可能会与设计不一致。

为了防止如上所述的问题,可以将第2承梁236的底面建模成曲面形态。例如,可以通过对第2承梁236底面的倒角238进行扩大,以第2承梁236的底面的截面具有半圆形状的方式对修复部进行建模。

与此不同,也可以以在修复部中没有水平成分存在的方式对叶片部230进行倾斜执行沉积工程。这就是第2实施例。在第2实施例中,可以通过在沿着一定的倾斜角度(θ)倾斜叶片部之后进行切割而在没有层之间的急剧变化的状态执行层的沉积。

具体来讲,是在图3中通过沿着与承梁235形成一定倾斜(θ)的B-B'线对叶片部230进行倾斜切割而将B-B'线上部作为损伤部进行移除的情况。在如上所述的情况下,可以对第2凹槽状叶233的上部以及承梁235的一部分进行移除。

上述倾斜角度(θ)可以根据修复部的形状进行适当的选择,在如图3所示的凹槽状叶231、233与承梁235相互垂直的情况下,优选将上述倾斜角度(θ)设定为40°至50°。因为在如上所述的倾斜角度范围内层之间不会发生急剧的变化,因此可以形成与建模一致的修复部。

根据倾斜角度(θ)的变化,既可以如图9所示仅对承梁235的一部分进行移除,也可以如图10所示对承梁235的全部进行移除。上述倾斜角度(θ)的大小,可以在对损伤部的大小和方向、修复部的形状和材料以及增材制造的具体方法等进行综合考虑的前提下进行适当的选择。

如图8所示,上述修复部可以包括形成于第2凹槽状叶233上部的第4凹槽状叶234、以及用于对第4凹槽状叶234与没有被移除的承梁235进行连接的第2承梁236。

在如上所述的情况下,上述修复部因为由与上述叶片部230相同的材质形成,因此第4凹槽状叶234与第2凹槽状叶233的厚度可以相同,且第2承梁236也可以具有与承梁235相同的厚度。此外,修复前后的叶片部230可以维持相同的动量。

此外,与上述第1实施例相同,在第2承梁236可以形成用于对金属粉末310进行移除的开口237。此外,为了防止应力集中现象,可以在第4凹槽状叶234与第2承梁236相交的边界面边缘形成倒角238。

如上所述,本发明所涉及的涡轮机叶片的修复方法,可以通过导入增材制造(AM)方法而利用如超合金或钛等难加工性材料轻易地对受到损伤的涡轮机叶片进行修复。尤其是,与损伤部的位置或大小等无关,可以以相同的形状对涡轮机叶片进行修复,而且可以在修复前后维持涡轮机叶片的动量恒定不变。

此外,因为可以在维持相同的动量的同时适当地变更修复部的形状,因此可以通过如应力集中现象的消除等来对涡轮机叶片的性能进行提升。

此外,在叶片部183c上可以附加用于达成增加刚性以及优化频率响应特性等目的的2级结构体500。为此,本发明提供一种在单晶组织上形成2级结构体的涡轮机叶片的修复方法的又一实施例。

其中,“2级结构体”是指在完成叶片部184c的制造之后后续附加的一系列部件,接下来将参阅图11至图18对在涡轮机叶片上形成2级结构体500的修复方法进行更为详细的说明。图11是用于对本发明所涉及的在单晶组织上形成2级结构体的涡轮机叶片的修复方法的步骤进行说明的顺序图。图12至图16是对图11中的步骤进行图示的示意图。图17是对散热部的另一形态进行图示的示意图,图18是对散热部的又一形态进行图示的示意图。

首先在步骤S100中,在涡轮机叶片184的叶片部184c上对要形成2级结构体500的假想区域A(参阅图12(a))进行设定。

例如,可以考虑如涡轮节120内的流体的流动和温度、叶片部184c的刚性以及频率响应特性等因素,而决定2级结构体500的位置、大小以及材料等。根据所决定的规格,可以对要在叶片部184c的表面形成2级结构体500的假想区域A进行设定。

在对假想区域A进行设定之后,在步骤S110中,在上述假想区域A的周边形成散热部600。

在一实施例中,散热部600可以包括在假想区域A以放射状延长的多个散热片601。这如图12所示。图12的(a)为散热部600的俯视图,图12的(b)为将散热部600沿着沿着Ⅰ-Ⅰ'线进行切割的截面图。

多个散热片601以假想区域A为中心相互隔开配置,且可以具有一定的宽度D以及长度L。但是,因为多个散热片601是以放射状形成,因此为了将相邻的散热片601之间的干涉最小化,而优选将散热片601以长度L大于宽度D的方式形成。

此时,上述散热片601的宽度D优选至少在0.2mm以上。在散热片601的宽度D过小的情况下,可能会导致难以形成图案且散热效果下降的问题。而与此相反,在散热片601的宽度过大的情况下,可能会导致无法将散热片601内部的热量有效地散发到外部的问题,还可能会导致在相邻的散热片之间发生干涉的问题。因此,需要以适当的宽度D以及长度L对散热片601的形状进行设计。

此外,上述多个散热片601可以通过沉积工程(Additive Manufacturing,AM)形成。作为上述沉积工程的示例,包括利用激光对粉末进行烧结或熔化的选择性激光烧结(Selective Laser Sintering,SLS)以及选择性激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)、利用电子束对粉末进行熔化的电子束熔化(Electron Beam Melting,EBM)、通过在直接向物体的表面供应金属粉末或金属丝(Wire)的同时施加大功率激光等能量而进行沉积的直接能量沉积(Direct Energy Deposition,DED)、对熔融的材料进行沉积的熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling,FDM)等。上述增材制造方式因为是通过在叶片部184c表面逐层沉积层而制造出最终产品即2级结构体500的方式,因此可以轻易地制造出复杂形状的散热片601。

与此不同,上述多个散热片601也可以通过在利用通常所公知的蒸镀工程而在叶片部184c上形成一定厚度的散热层之后对上述散热层进行蚀刻(etching)而形成所需要的散热片601图案的方式形成。

此外,散热部600因为是在形成2级结构体500之后进行移除的部分,因此优选使用可以轻易地进行移除且热传导特性优秀的材料。作为其示例,可以使用铜(Cu)或铝(Al)。上述物质因为具有高热传导度,因此可以快速地消除在2级结构体500的形成工程中发生的热冲击。此外,因为其熔点低,因此可以在形成2级结构体500之后通过加热轻易地进行移除,或通过简单的切割、切削等机械加工方式轻易地进行移除。

在叶片部184c上的假想区域A周边形成散热部600之后,在步骤S120中,在上述假想区域A形成2级结构体500。

2级结构体500可以利用与叶片部184c相同的材料形成,或者根据需要利用与叶片部184c不同的材料形成。但是,因为叶片部184c是利用如超合金或钛等难加工性材料进行制造,因此2级结构体500也优选利用如超合金或钛等与叶片部184c相同或类似的材料形成。

在如上所述的情况下,2级结构体500可以通过沉积工程(AdditiveManufacturing,AM)形成。作为上述增材制造的示例,包括如选择性激光烧结(SelectiveLaser Sintering)、选择性激光熔化(Selective Laser Melting)、电子束熔化(ElectronBeam Melting)、直接能量沉积(Direct Energy Deposition)以及熔融沉积成型(FusedDeposition Modeling)等。

例如,在采用选择性激光烧结(SLS)方式的情况下,可以通过在向散热部600之间的假想空间A涂布金属粉末之后向上述金属粉末照射定向激光400的方式形成层510。这如图13所示。在上述的过程中,形成层510之后剩余的残留热量可以通过散热部600放射到外部。借此,可以快速地消除为了形成2级结构体500的层510而施加的热量,从而将施加到叶片部184c的热冲击最小化。

接下来,通过反复执行粉末涂布以及激光照射而在层510上逐层沉积其他层。借此,可以在假想区域A形成2级结构体500。这如图14所示。

在一实施例中,可以在每次形成层510、520时都形成散热片。这如图15所示。

如图15所示,可以在散热片601之间形成层510,并在散热片601上形成2级散热片602。接下来,可以在2级散热片602之间形成2级层520。接下来,可以通过阶段性地重复执行散热片的形成以及层的形成而形成2级结构体500。在如上所述的情况下,因为形成层510、520的层始终与散热片601、602发生接触,因此可以更加有效地消除热冲击。

此外,在采用直接能量沉积(DED)方式的情况下,可以对涂布金属粉末的过程进行省略。即,并不是预先涂布金属粉末,而是通过在供应金属粉末或金属丝的同时利用高功率激光等来施加能量而能够形成散热部600以及2级结构体500。

在完成2级结构体500的形成之后,在步骤S130中,选择性地对散热部600进行移除。这如图16所示。

例如,可以通过对散热部600进行加热熔融而将散热部600从叶片部184c的表面进行移除。具体来讲,当2级结构体500为镍基合金的情况下其熔点为1450℃以上,而当散热部600为铜的情况下其熔点为相对较低的1084℃。借此,只需要加热至大约1100℃就可以选择性地对散热部600进行熔融。

与此不同,也可以通过如切削加工等传统的机械方法对散热部600进行移除,或通过化学方法选择性地对散热部600进行移除。

如上所述,通过选择性地对散热部600进行移除,可以在如叶片部184c等单晶组织上稳定地形成2级结构体500。这如图16所示。

如上所述,本发明所涉及的通过在单晶组织上形成2级结构体而对涡轮机叶片进行修复的方法,因为是在预先形成易于进行移除的散热部600之后再形成2级结构体500,因此可以将在形成2级结构体500的过程中产生的热量有效地散发到外部。借此,可以在单晶组织上形成2级结构体500时将施加到上述单晶组织的热冲击最小化。

此外,为了在形成2级结构体500时将散热部600的热传导效果发挥到最大,散热部600的面积越大越有利。在如上所述的观点下可以提出多种不同形态的散热部,在图17以及图18中对其示例进行了图示。

首先参阅图17,散热部610可以包括以假想区域A为中心放射状延长的多个第1散热片611、以及从各个第1散热片611向侧方向延长的多个第2散热片613。

优选为第1散热片611以及第2散热片613利用相同的材料形成,但是也可以根据需要利用不同的材料形成。

此外,优选为第1散热片611的宽度t1以及第2散热片613的宽度t2至少为0.2mm以上。关于此,已经在上述内容中进行了说明。

在工程方面,可以在首先形成第1散热片611之后再形成第2散热片613,也可以同时形成第1散热片611以及第2散热片613。这可以根据所选择的制造工程的特性进行适当的选择。例如,在第1散热片611以及第2散热片613为相同材料的情况下,可以利用选择性激光烧结(SLS)方式同时形成第1散热片611以及第2散热片613。与此不同,在第1散热片611以及第2散热片613为不同材料的情况下,在首先形成第1散热片611之后再形成第2散热片613的方式可能在工程的简化以及成本方面较为有利。

接下来参阅图18,散热部620可以包括以假想区域A为中心放射状延长的多个第1散热片621、从各个第1散热片621向侧方向延长的多个第2散热片622、以及从各个第2散热片622向侧方向延长的多个第3散热片632。

第1散热片至第3散热片612、622、623优选利用相同的材料形成,但是也可以根据需要利用不同的材料形成。此外,为了有效地放射出热量,优选为第1至第3散热片621、622、623的宽度至少为0.2mm以上。此外,第1至第3散热片621、622、623可以同时形成,也可以根据制造工程的特性依次形成。

如上所述,本发明之另一示例性实施例所涉及的利用增材制造的涡轮机叶片的修复方法,因为是在预先形成可以方便地进行移除的散热部之后再形成2级结构体,因此可以有效地将在形成2级结构体的过程中产生的热量散发到外部。借此,可以在涡轮机叶片的单晶组织上形成2级结构体时将施加到单晶组织的热冲击最小化。

在上述内容中参阅本发明的实施例进行了说明,但是相关技术领域的熟练的从业人员应该可以理解,本发明可以在不脱离所附的权利要求书中所记载的本发明之思想以及领域的范围内进行各种修改以及变更。

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