在本文中公開的主題的實施例涉及制造渦輪機構件的方法、渦輪機構件和渦輪機。

背景技術：

用于制造渦輪機構件的一個技術是粉末冶金熱等靜壓(powder metallurgy hot isostatic pressing)，簡言之為P/M-HIP；該技術例如用于制造由金屬材料制成的離心壓縮機的封閉葉輪。

該技術有吸引力的一個原因是，通過特定的途徑，它允許制造如下金屬部件，該金屬部件不需要進一步的加工或需要整個部件或至少該部件的一些表面的有限量的加工；在該情況下，該技術稱為“凈成形HIP”，盡管該途徑可應用于部件的外部表面和內部表面二者，但其當在內部表面的加工困難或有時甚至不可能時應用于這些表面時尤其有用。

加工的成本和時間取決于待加工的材料的類型、待移除的材料的量、待移除的材料的可接近性，和使用的加工技術；例如，銑削相對快但銑削工具(相對)相當小，而放電加工較慢但EDM工具(相對)相當較大。

為了獲得精加工或幾乎精加工的部件，即，具有“凈成形表面”，需要精確地模擬用于制造該部件的(金屬)容器、(金屬)粉末和HIP設備的特性。

此外，即使執行精確的模擬，但仍需要一些真實的制造試驗(通常一次或兩次或三次)，以便滿足復雜構件的所需設計尺寸公差；在各次試驗之后，檢測且測量所獲得的部件，且對容器并且/或者對HIP過程參數(例如壓力曲線和/或溫度曲線)進行一些更改。

因此，“凈成形表面”途徑一般僅應用于一些特定表面且不應用于待制造的部件的所有表面。

模擬和試驗影響用于開始新的部件的生產所需的時間和成本，且因此對于單部件生產或小批生產而言尤其是問題。在油氣領域中，存在一些渦輪機的為“單部件”的一些部件；換言之，渦輪機的此種部件不同于過去制造的任何渦輪機的任何部件且不同于將來將制造的任何渦輪機的任何部件，即使此種部件可相當類似于過去的部件或類似于將來的部件。

技術實現要素：

根據P/M-HIP技術，容器用于限定待制造的構件的外側表面且該容器由粉末金屬填充，排空存在于內側的氣體且被密封，且然后通過熱等靜壓熱循環來使粉末固結，通常，制造過程以容器的移除結束，主體的“外側表面”是在外部界定主體的那些表面，且因此不包括通孔的和內部腔的表面。

申請人還使用P/M-HIP以用于制造具有一個或更多個內部通道的部件，內部通道包括具有精密公差的內部通道，諸如例如工作流體流動路徑；為此，除容器外使用一個或更多個芯，以便限定構件的內側表面(即，限定通道的表面)。

在P/M-HIP過程期間，當施加熱量和壓力時，不僅金屬粉末變形，而且容器和芯(如果有)變形。這例如導致所制造的部件的任何內部通道的形狀、大小和位置的變化。

變形越大，則需要越多的制造試驗，因為大的變形難以通過模擬來準確預測。

申請人考慮，如果變形可能足夠小，則將需要模擬但將不需要真實的制造試驗；以此方式，將顯著地減少用于開始通過P/M-HIP生產新部件的時間和成本。

申請人認為，最大的變形是由容器的存在經歷最大收縮的大量金屬粉末的那些區域導致的；而且，一般來說，不能夠簡單地通過改變容器的形狀和大小或其區域的形狀和大小來減少變形，因為這些形狀和大小與待制造的部件的形狀和大小強相關。

申請人想到在利用金屬粉末填充容器之前將至少一個金屬插入件置于容器內側；金屬插入件待置于容器的具有大或最大容積的區域中，即，根據傳統P/M-HIP過程將放置大量金屬粉末(其經歷大或最大的收縮)的地方；一般來說，可使用多于一個插入件。

由于金屬插入件是完全實心的，故其在P/M-HIP過程期間的收縮比對應量的金屬粉末的收縮小得多(通常是零或幾乎為零)，且這導致所制造部件(具體而言其表面)的更小的總體變形和形狀和大小的變化。

根據本發明，此種插入件在部件的制造結束之后部分地留在該部件中。

如果待制造的部件具有一個或更多個內部通道，則一個或更多個金屬芯可在利用金屬粉末填充容器之前置于容器內側，且該一個或更多個芯在部件的制造結束之前從該部件移除。在該情況下，該一個或更多個內部通道(具體而言它們的表面)的形狀、大小和位置也經歷小的變形和變化(比根據現有技術方法獲得的那些小)。

第一示例性實施例涉及通過粉末金屬熱等靜壓來制造渦輪機的構件的方法，其使用限定構件的外側表面的容器；至少一個金屬插入件在利用金屬粉末填充容器之前位于容器的內側；插入件在構件的制造結束之后留在構件中。根據此種實施例，至少一個金屬芯可在利用金屬粉末填充容器之前置于容器內側；該芯在構件的制造結束之前從該構件移除。

第二示例性實施例涉及通過如之前闡述的方法制造的(即，包括永久金屬插入件的)渦輪機的構件。

第三示例性實施例涉及包括如之前闡述的至少一個構件的渦輪機。

附圖說明

根據結合附圖考慮的示例性實施例的以下說明，本發明將變得更顯而易見，在附圖中：

圖1示出用于通過粉末金屬熱等靜壓制造第一機械部件的(根據現有技術的)第一布置和對應的渦輪機構件的簡化截面圖；

圖2示出用于通過粉末金屬熱等靜壓制造第一機械部件的(根據本發明的)第二布置和對應的渦輪機構件的簡化截面圖；

圖3示出用于通過粉末金屬熱等靜壓制造第二機械部件的(根據現有技術的)第三布置和對應的渦輪機構件的簡化截面圖；

圖4示出用于通過粉末金屬熱等靜壓制造第二機械部件的(根據本發明的)第四布置和對應的渦輪機構件的簡化截面圖；

圖5示出用于通過粉末金屬熱等靜壓制造第二機械部件的(根據本發明的)第五布置的截面圖局部視圖；

圖6示出用于通過粉末金屬熱等靜壓制造第二機械部件的(根據本發明的)第六布置的截面圖局部視圖；

圖7示出用于通過粉末金屬熱等靜壓制造第二機械部件的(根據本發明的)第七布置的截面圖局部視圖；以及

圖8示出用于通過粉末金屬熱等靜壓制造第二機械部件的(根據本發明的)第八布置的截面圖局部視圖。

具體實施方式

示例性實施例的下列描述參照附圖。在不同附圖中的相同參考標號標識相同或相似的元件。下列詳細描述不限制本發明。而是，本發明的范圍由所附權利要求限定。

遍及說明書對“一個實施例”、或“實施例”的引用指的是與實施例結合地描述的具體特征、結構、或特性被包括在所公開主題的至少一個實施例中。因此，短語“在一個實施例中”或“在實施例中”在貫穿說明書的各種位置中的出現不一定指相同的實施例。而且，具體特征、結構、或特性可以在一個或更多個實施例中以任何適當的方式組合。

在以下示例性說明中，必須假設，圖中示出的所有的部件都是通過粉末金屬熱等靜壓(即P/M-HIP)制造的，即使有時可使用其他技術。

圖1B示出具有軸對稱性(對應于旋轉軸線)的第一渦輪機構件10(具體而言渦輪的轉子葉輪)的簡化截面圖；該構件是通過P/M-HIP制造的。

圖1A示出了根據本技術的用于通過P/M-HIP制造構件10的容器11，容器11由金屬粉末填充。容器11限定構件10的外側表面；具體而言，存在頂表面12A(基本上圓形的)、上豎直表面12B、上水平表面12C、中間豎直表面12D、下水平表面12E、下豎直表面12F、底表面12G(基本上圓形的)。

在圖1的實例中，可例如由容器11的區域19導致大的變形，當容器11由粉末填充時，在該區域19處存在大量金屬粉末(其經歷大的總收縮)；在該示例中，區域19具有橢圓體的形狀。這意味著在沒有適當的模擬且沒有真實的制造試驗的情況下，構件10的所有的表面12A、12B、12C、12D、12E、12F、12G將具有與所期望的不同的形狀、位置和大小。

應注意的是，容器的壁的形狀、位置和大小在P/M-HIP過程期間變化；而且，在圖1中，為了繪圖簡單，在過程的開始之前的容器11的內部表面的形狀、位置和大小對應于在過程結束之后的構件10的外部表面的形狀、位置和大小。

根據本發明的教導，見圖2，金屬插入件23用于制造與圖1的構件10對應的構件20；應注意的是，構件10和構件20具有相同的或非常類似的外側表面，但他們具有不同的結構，即，在內側不同。

容器21類似于容器11。

插入件23在利用金屬粉末填充容器21之前位于容器21內側(見圖2A)，且在構件20的制造結束之后留在構件20中(見圖2B)。

插入件23具有與構件的大半部分的形狀類似的形狀。以此方式，可能在熱等靜壓期間減小容器與插入件之間的空間，且因此減小在接近插入件的區域中的構件厚度。因為在構件的該區域中的金屬的厚度減小，所以當構件冷卻時，收縮的風險減少。

圖2的實施例的插入件23具有截頭圓錐形狀，且與容器21同軸；它占據在圖1A中示出的區域19的大部分(這是重要的)，但它延伸為甚至超過圖1A中示出的區域19。其他形狀可為可能的，例如圓錐形狀、棱柱形狀、截頭角錐形狀、球體形狀、橢圓體形狀、...。

應注意的是，圖1A中的容器11和圖2A中的容器繪制為相同的，以用于繪圖簡單；而且，由于插入件的存在，兩個容器可相當不同，因為它們的在P/M-HIP過程期間的總體變形不同，即使構件10和構件20具有相同或非常類似的外側表面；具體而言，容器11的總體變形高于容器21的總體變形，因為容器11的區域19中的材料比容器21的存在插入件23(其變形通常為零或幾乎為零)的對應區域收縮得多得多。

在圖2的實施例中，插入件23具有鄰近容器21的兩個表面。因此，這兩個表面對應于構件的外側表面(見圖2B)；具體而言，這兩個表面是表面22A和22G的部分。

由于插入件23，將更容易通過P/M-HIP制造構件20，無需真實的制造試驗，具有非常精確的表面，具體而言為接近插入件23的表面22B和22F，以及表面22A和22G。

圖3B示出第二渦輪機構件30的簡化截面圖，第二渦輪機構件30具體而言為離心壓縮機的封閉離心葉輪，其具有軸對稱性(對應于旋轉軸線)(準確地說，其具有反對稱性)和軸向通孔；該構件是通過粉末金屬熱等靜壓(即，P/M-HIP)制造的。

圖3A示出了用于通過P/M-HIP制造構件30的容器31；根據本技術，容器31由金屬粉末填充。容器31限定構件30的外側表面；具體而言，存在頂表面32A(基本上環形的)、上豎直表面32B、上水平表面32C、中間豎直表面32D、下水平表面32E、下豎直表面32F、底表面32G(基本上環形的)和內部豎直表面32H(其例如具有圓柱形形狀且限定該構件的通孔)；在該示例中，容器31具有圓形通孔，但備選地，容器31可包括完全實心且剛性的圓柱形部分。

此外，構件30具有多個內部流動路徑35；以便限定多個通孔35的表面，對應的多個金屬芯34位于容器31內側；備選地，芯34可對應于單個主體的臂。金屬芯在利用金屬粉末填充容器31之前位于容器31內側(見圖3A)，且在構件30的制造結束之前從構件30移除(見圖3B)。

在圖3的實例中，可例如由容器31的區域39導致大的變形，當容器31由粉末填充時，在該區域39處存在大量金屬粉末(其經歷大的總收縮)；在該示例中，區域39具有環的形狀。這意味著在沒有適當的模擬且沒有真實的制造試驗的情況下，構件30的所有的外側表面32A、32B、32C、32D、32E、32F、32G和32H和構件30的所有內側表面(即，限定內部路徑35的表面)將具有與所期望的不同的形狀、位置和大小；這在精確地加工內側表面困難或有時甚至不可能時對于這些表面是尤其不利的。

應注意的是，容器的壁的形狀、位置和大小在P/M-HIP過程期間變化；而且，在圖3中，為了繪圖簡單，在過程的開始之前的容器31的內部表面的形狀、位置和大小對應于在過程結束之后的構件30的外部表面的形狀、位置和大小。

根據本發明的教導，見圖4，金屬插入件443用于制造與圖3的構件30對應的構件40；應注意的是，構件30和構件40具有相同的或非常類似的外側表面，但他們具有不同的結構。

容器41類似于容器31。

插入件443在利用金屬粉末填充容器41之前位于容器41內側(見圖4A)，且在構件20的制造結束之后留在構件20中(見圖4B)。

芯44在利用金屬粉末填充容器41之前位于容器41內側(見圖4A)，且在構件40的制造結束之前從構件40移除(見圖4B)。

圖4的實施例的插入件443具有環的形狀，且與容器41同軸；它占據在圖3A中示出的區域39的大部分(這是重要的)，但它延伸為甚至超過圖3A中示出的區域39。該環的截面的形狀諸如占據在流動路徑腔與構件旋轉軸線之間的空間的大部分。

應注意的是，圖3A中的容器31和圖4A中的容器繪制為相同的；以用于繪圖簡單；而且，由于插入件的存在，兩個容器可相當不同，因為它們在P/M-HIP過程期間的變形不同，即使構件30和構件40具有相同或非常類似的外側表面，具體而言，容器31的總體變形高于容器41的總體變形，因為容器31的區域39中的材料比容器41的存在插入件443(其變形通常為零或幾乎為零)的對應區域收縮得多得多。

在圖4的實施例中，提供僅一個插入件且其是單件形式的大塊插入件(bulk insert)。

在圖4的實施例中，插入件443具有鄰近容器41的一個表面。因此，該表面對應于構件的外側表面(見圖4B)；具體而言，該表面是表面42H的一部分。

在圖4的實施例中，插入件443沒有鄰近芯44的表面(見圖4A)；插入件443的表面接近芯44且基本上平行。

由于插入件443，將更容易通過P/M-HIP制造構件40，無需真實的制造試驗，具有非常精確的表面，具體而言為外側表面，且甚至更重要的，內側表面，即限定流動路徑45的表面(芯44在制造結束時的移除之前位于此處)。

圖5的實施例非常類似于圖4的實施例。

不同之處在于金屬插入件543為處于多個件的形式的大塊插入件；這些件中的各個是環形的；件分開其鄰近于彼此(即，完全接觸)，以便在填充容器之前在金屬粉末內形成單個主體；備選地，例如，插入件的件分開且距彼此(一點點)遠，使得一些金屬粉末將填充它們之間的間隙，且有助于這些件的結合；優選地，該距離優選地在0.5mm到5.0mm的范圍中。

由于圖5是放大視圖，故可能看見容器41的更多細節。例如，容器41包括凹口，凹口設計為鎖緊插入件543和芯44；具體而言，在頂壁中存在第一凹口且在容器的中間豎直壁中存在第二凹口，以用于分別鎖緊芯的第一和第二端；具體而言，在容器的內部豎直壁中存在第三凹口，以用于鎖緊插入件的各種件和將它們保持在一起。

在圖6的實施例中，金屬插入件643為處于多個件的形式的大塊插入件；該多個件與彼此分開(即使部分地接觸)，以便在填充容器之前在金屬粉末內形成多個主體。在圖6中，主體具有不同形狀的幾何外形和類似的大小；而且，存在許多其他可能性，包括例如不規則外形和/或不同大小，諸如例如砂礫。

圖7的實施例類似于圖4的實施例。

不同在于金屬插入件743具有鄰近芯44的表面。

由于圖7是放大視圖，故可能看見容器41的更多細節。例如，容器41包括凹口，凹口設計為鎖緊芯44；具體而言，在頂壁中存在第一凹口且在容器的中間豎直壁中存在第二凹口，以用于分別鎖緊芯的第一和第二端。

插入件743在其為環形狀且其鄰近芯44和容器41的壁二者時適度地鎖緊在容器41的內側(見下面的圖7)，使得它不可移動。

圖8的實施例非常類似于圖7的實施例。

不同在于金屬插入件843還具有鄰近容器的另一表面。

具體而言，在容器的內部豎直壁中存在凹口，以用于甚至更好地鎖緊插入件843。

優選地，用于P/M-HIP的插入件的金屬材料和粉末的金屬材料是相同的；以此方式，構件的兩個部分匹配且連結得非常好；此外，以此方式，更容易限定用于構件的熱處理，因為相同的熱處理對于實心插入件和熱壓粉末二者將同樣良好地起作用。

原則上，不同的材料也可用于插入件和粉末。

插入件的表面中的一個或更多個可具有伸出部(例如凸脊)并且/或者可以褶皺的或有紋理的或粗糙的；如果這涉及粉末和插入件的界面處的表面，則可實現壓制粉末與插入件之間的更好連接，且可獲得更可靠且更強的連結。

該插入件優選為完全實心的且優選為剛性的。它是在構件之前，甚至是較長時間之前制造的。它可以以不同方式制造：通過粉末金屬熱等靜壓、通過添加制造、通過鍛造、通過鑄造(例如熔模鑄造)、...。

容器可在構件的制造結束之前從構件移除，因為這根據P/M-HIP技術是常見的，且因為這在圖1、圖2、圖3、圖4中示出。通常，容器是通過加工(例如車削或銑削)和/或通過酸洗移除的。

備選地，容器可在構件的制造結束之后至少部分地留在構件中。

通常，容器由碳鋼制成；如果它必須移除，則它可能有用的是使用低碳鋼以便有助于移除。

如已經說過的，芯或多個芯(如果有)在構件的制造結束之前從構件移除。通常，芯或多個芯是通過加工(例如鉆孔或銑削)和/或通過酸洗移除的。通常，芯或多個芯由碳鋼，優選由低碳鋼制成，以便有助于移除。

在附圖中示出的實施例中的一些中，金屬插入件被借助于容器的內側壁中的凹口而鎖緊于容器。而且，根據備選實施例，插入件被借助于銷鎖緊于容器。

在附圖中示出的所有實施例中，金屬插入件具有環的形狀。而且，根據備選實施例，插入件包括鄰近彼此或分開且(一點點)遠離彼此的多個(例如，兩個例如180°或三個例如120°或四個例如90°)區段；此外，區段可固定于彼此。

在附圖中示出的所有實施例中，金屬插入件完全在容器內側。而且，根據備選實施例，插入件到達容器的一個或更多個外側表面(且還部分地用作容器的壁)。