CN101021001A - 镀覆燃气轮机部件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种在涡轮机零件(40)的内部通道表面上形成金属镀层的方法，所述方法包括以下步骤：在涡轮机零件的外表面上施加镍铝结合镀层；将涡轮机零件定位在气相铝化处理(VPA)室(88)中；联接气体歧管与至少一条内部通道的进口；以及采用气相铝化处理(VPA)工艺用金属镀覆气体对涡轮机零件的至少一部分内表面和外部进行镀覆，从而在涡轮机零件的内表面上形成镀层。

Description

镀覆燃气轮机部件的方法
技术领域
本发明主要涉及燃气轮机引擎，且更具体而言，涉及在燃气轮机引擎的部件上沉积保护镀层的方法。
背景技术
燃气轮机引擎典型地包括高压压缩机和低压压缩机、燃烧器和至少一个涡轮机。压缩机压缩与燃料相混合的空气并将其渠化输送至燃烧器。随后引燃该混合物用于产生热的燃烧气体，且该燃烧气体被渠化输送至涡轮机，所述涡轮机从燃烧气体中获取能量用于为压缩机提供动力，以及产生有用功以推进在空中飞行的飞行器或为负载例如发电机提供动力。
燃气轮机引擎内的工作环境是热的和化学不友好的。通过配制出基于铁、镍和钴的超级合金，已在高温合金方面取得了显著进展，虽然由这些合金形成的部件如果被放置在燃气轮机引擎中的一些部段如涡轮机、燃烧器和增压器中时依然通常不能耐受长时间的应用暴露。一种普通的解决方案是在涡轮机、燃烧器和增压器部件上设置抑制氧化和热腐蚀的环境保护镀层或隔热镀层(TBC)系统，所述隔热镀层(TBC)系统除了能够抑制氧化和热腐蚀之外，还能够将所述部件表面与其工作环境热绝缘开。
已广泛用作环境保护镀层的镀层材料包括扩散铝互化物镀层，所述扩散铝互化物镀层通常是采用扩散工艺例如装箱渗铝法(packcementation)而形成的单层抗氧化层。扩散工艺一般必然伴有部件表面与含铝的气体组分间的反应从而形成两个截然不同的区，所述区的最外面是包含由MAl表示的耐受环境的金属间互化物的添加剂层，其中根据基底材料不同，M为铁、镍或钴。在添加剂层下面是扩散区，所述扩散区包括在镀覆反应过程中由于扩散梯度而形成的金属间互化物或亚稳相并且改变了在基底的局部区域中的元素溶解度。在空气中进行高温暴露时，MAl金属间互化物形成了保护性氧化铝(铝氧)氧化皮或能够抑制扩散镀层和下面的基底发生氧化的覆层。
包含NiAl上覆镀层的高可靠性TBC结合镀层对于铝化处理工艺高度敏感。在进行NiAl镀覆之前和/或之后产生的铝互化物能够导致TBC周期寿命明显降低。然而，为了防止内部冷却通道发生氧化和热腐蚀，需要气相铝化处理。在涡轮机零件的外表面与内表面之间的这种跨功能的需求迫使在进行化学处理时，同时进行气相铝化(VPA)镀覆处理、用以保护内部的内部通道注蜡、从外表面上化学去除铝互化物和保护内部通道等高度劳动密集的和高成本的工艺。另外，这些步骤增加了沉积在内部通道上的镀层发生化学侵蚀的风险。
已公知的工艺技术包括：在约1800至约2000的温度下对整个叶片，包括内表面和外表面，进行VPA镀覆处理；用蜡充注通道内部以防止发生化学侵蚀；采用化学表面处理从外表面上去除Al；除去蜡；并且观察回火色以确保所有铝互化物都被除去。这些工艺步骤可能增加成本并且使制造时间增加大约7-10天。
发明内容
一方面，提供了一种在涡轮机零件的表面上形成金属镀层的方法。所述方法包括以下步骤：将涡轮机零件定位在气相铝化处理室中；联接气体歧管与至少一条内部通道的进口，以及采用气相铝化处理(VPA)工艺用金属镀覆气体对涡轮机零件的内表面和外表面进行镀覆，从而形成在涡轮机零件的内表面上的铝互化物镀层和至少部分地位于结合镀层之上的镀层。
另一方面，提供了一种在涡轮机零件的内部通道表面上形成金属镀层的方法，所述涡轮机零件具有外表面且包括至少一条内部通道，所述方法包括以下步骤：在涡轮机零件的外表面上施加抗氧化性能较强的镍铝(NiAl)互化物结合镀层；将叶片定位在气相铝化处理(VPA)镀覆室中；放置以小碎块形式存在的铝源；引入卤化物以在更高温度下形成气态蒸气，以及在内表面和外表面二者上形成铝互化物镀层。
附图说明
图1是燃气轮机引擎的示意图；
图2是如图1所示的一种示例性的涡轮转子叶片的透视示意图；
图3是如图2所示的涡轮转子叶片的内部示意图；
图4是与气相铝化(aluminiding)歧管相联的如图2所示的涡轮转子叶片的内部示意图；
图5是气相铝化处理系统的示意图；和
图6是镀覆如图2所示的示例性涡轮转子叶片的方法的流程图。
具体实施方式
下文中将对一种例如用抗氧化镀层镀覆涡轮机零件如转子叶片的内表面和外表面同时保持镍铝互化物镀层的性能的方法进行详细描述。所述方法包括用镍铝互化物镀层镀覆涡轮机零件的外表面并且采用气相铝化处理工艺从而在涡轮机零件的内表面与外表面上沉积一层保护镀层，用以防止涡轮机零件发生氧化和热腐蚀。设计具有唯一性的所述工艺参数，以便在向内表面提供镀层时能够提供与镍铝互化物外表面平衡的铝化物蒸气组分。
参见附图，图1是包括风机组件12和核心引擎13的燃气轮机引擎10的示意图，所述核心引擎13包括高压压缩机14、燃烧器16和高压涡轮18。引擎10还包括低压涡轮20和升压器(booster)22。风机组件12包括自转盘26沿径向向外延伸出的一排风机叶片24。引擎10具有进气侧28和排气侧30。在一个实施例中，燃气轮机引擎是从Cincinnati，Ohio的通用电气公司获得的GE90。风机组件12和涡轮20通过第一转子轴31相联，而压缩机14和涡轮18通过第二转子轴32相联。
在工作期间，空气沿中心轴线34流动通过风机组件12，并且压缩空气被供应至高压压缩机14。受到高度压缩的空气被输送至燃烧器16。来自燃烧器16的空气流(图1中未示出)驱动涡轮18和20，且涡轮20通过轴31驱动风机组件12。
图2是可结合燃气轮机引擎10(如图1所示)使用的涡轮机零件的透视示意图。图3是该涡轮机零件的内部示意图。在示例性实施例中，在此结合涡轮转子叶片40对所述方法进行描述，然而所述方法不限于涡轮转子叶片40，所述方法可适用于任何涡轮机零件。参见图2和图3，在一个示例性实施例中，多个涡轮转子叶片40构成燃气轮机引擎10的高压涡轮转子叶片级(图中未示出)。每一个转子叶片40包括中空的翼面42和用于按照已公知的方式把翼面42安装在转盘(图中未示出)上的一体的燕尾榫43。
翼面42包括第一侧壁44和第二侧壁46。第一侧壁44是中凸的且限定出翼面42的吸力侧，而第二侧壁46是中凹的且限定出翼面42的压力侧。侧壁44和46在翼面42的前缘48处和在位于前缘48下游的轴向隔开的后缘50处被连接在一起。
第一侧壁44和第二侧壁46分别沿纵向或径向向外延伸以从位于燕尾榫43附近的叶根52跨至限定出内部冷却腔56的径向外边缘的顶板54。冷却腔56被限定在翼面42内位于侧壁44和46之间。翼面42的内部冷却在本技术领域中是已公知的。在示例性实施例中，冷却腔56包括用压缩机排气进行冷却的蛇形通道58。
冷却腔56与多个沿后缘50纵向(轴向)延伸的后缘切槽70流动连通。特别是，后缘切槽70沿压力侧壁46延伸至后缘50。每一个后缘切槽70都包括通过第一侧壁74和第二侧壁76与压力侧壁46隔开的凹进壁72。冷却腔出口孔78从冷却腔56延伸至邻近凹进壁72的每一个后缘切槽70。每一个凹进壁72从后缘50延伸至冷却腔出口孔78。多个槽脊80将每一个后缘切槽70与相邻的后缘切槽70隔开。侧壁74和76自槽脊80延伸出。
同样参见图4、5和6，在示例性实施例中，为了防止涡轮机零件例如涡轮转子叶片40的内表面与外表面发生氧化和热腐蚀，采用工艺100对涡轮机零件40进行镀覆，从而在翼面42的外表面上沉积一层镍铝(NiAl)互化物镀层。具体而言，镍铝互化物镀层被施加到第一侧壁44和第二侧壁46的至少一部分上。在示例性实施例中，在步骤102中，镍铝互化物镀层被施加到翼面42的几乎整个外表面上，其厚度在大约0.001英寸(1密耳)与大约0.003英寸(3密耳)之间。在示例性实施例中，镍铝互化物镀层是底镀层，所述底镀层在步骤102中被施加到翼面42的几乎整个外表面上，其厚度大约为0.002英寸(2密耳)。镍铝互化物镀层通常为可包含铝、镍、锆和/或铬的铝的互化物结合镀层。
在示例性实施例中，采用瞄准线工艺(line-of-sight process)如等离子体沉积工艺、电子束物理气相沉积工艺(EB-PVD)或任何其它高能沉积工艺等将镍铝互化物结合镀层施加到翼面42上。然后在步骤104中，外部经过镀覆的涡轮机零件40被定位在VPA镀覆系统90的气相铝化处理(VPA)室88内。气相铝化处理系统包括组分为Cr-Al、Co-Al、或Ni-Al的施主合金球粒、用于产生含铝蒸气的卤化物活化剂、热源(加热炉)和使气体流过内表面的歧管。
在示例性实施例中，施主合金的组分为Cr-Al。具体而言，室88内的温度被设定在大约1800与大约2050之间。在示例性实施例中，室88内的温度被设定为大约1975且随后通过Cr-Al施主合金与进入室88内的卤化物发生反应而产生铝互化物气体，从而使得在大约30分钟至大约4个小时的一段时间，一般为大约2个小时内，一部分铝互化物气体被沉积到翼面42的外表面和内表面上。在示例性实施例中，铝互化物镀层被沉积在涡轮机零件40的内表面上，其厚度在大约0.0005英寸(1/2密耳)与大约0.0015英寸(1.5密耳)之间，且有可忽略的或非常少量的镀层被沉积在涡轮机零件40的外表面上。Cr-Al施主合金的化学组分和活化剂被包含在VPA处理室内从而产生具有一定铝活度的卤化铝气体，所述铝活度为气体中铝的摩尔分数，从而使得在内表面上获得所要的铝镀层，同时外部镍铝互化物表面的化学组分保持不变，或所述化学组分仅发生较小的改变。在一个更优选的实施例中，Cr-Al施主合金的化学组分为重量百分比约为80％的铬和重量百分比约为20％的铝。与使用重量百分比约30％的铝至重量百分比约50％的铝的施主合金的当前常规实践相比，所述施主合金中的铝组分含量优选更低。主要机理包括在低活性Al施主合金中的铝的量足以将铝供给镍基合金，而施主合金中的铝的量又不足以将补充的铝输送至镍铝互化物结合镀层。由于在卤化铝气体气相中低活性铝的优选组分，因此包含镍铝互化物结合镀层的涡轮机零件的外表面保持与进行气相处理前基本上相同。在优选实施例中，在传输气体速度为1立方英尺/小时的条件下，卤化铝活化剂(AlF3)的量在大约0.3克-大约0.5克之间。在优选实施例中，所述传输气体可以是氢、氦、氮和氩。最为优选的气体是氢。在最优选的实施例中，按比例设计传输气体的流量，从而使铝互化物蒸气流过内腔，同时显著降低铝互化物气体的活性，以使其与镍铝互化物的外部镀层达到平衡。在优选实施例中，估计大小为每小时五个相当的镀覆室88体积的传输气体的流速使铝的活度降低了大约5％。传输气体流速的最优选范围在大约100立方英尺/小时与大约200立方英尺/小时之间。
根据涡轮机零件进行铝互化处理的温度进行长为大约1小时至大约10小时的铝化工艺。在优选实施例中，铝互化时间保持处于该时长范围的下游从而降低铝活度。在最优选的工艺中，在大约1975(1070℃)条件下，所述时间为大约2小时。
上述工艺100用保护性NiAl镀层镀覆涡轮机零件40的外表面，从而防止所述外表面发生腐蚀和/或氧化。此外，所述NiAl镀层是电子束物理气相沉积(EB-PVD)隔热镀层的抗氧化结合镀层。本发明最优选的实施例提供了处于初始条件下的各项性能不降低的NiAl结合镀层。
具体而言，工艺100包括使用VPA系统以使用具有平衡活度的铝蒸气进行内部铝互化处理，从而使得叶片的外表面不会受到过度的铝互化，同时使得叶片的内表面获得具有所需厚度的镀层。
虽然已结合多个具体实施例对本发明进行了描述，但是本领域的技术人员将会意识到可通过落入权利要求书的精神和范围内的多种变型实践本发明。
零件列表
10    燃气轮机引擎
12    风机组件
13    核心引擎
14    高压压缩机
16    燃烧器
18    高压涡轮
20    低压涡轮
22    升压器
24    风机叶片
26    转盘
28    进气侧
30    排气侧
31    第一转子轴
32    第二转子轴
34    中心轴线
40    涡轮机零件
42    翼面
43    燕尾榫
44    第一侧壁
46    第二侧壁
48    前缘
50    后缘
52    叶根
54    顶板
56    冷却腔
58    蛇形通道
70    后缘切槽
72    进壁
74    第一侧壁
76    第二侧壁
78    冷却腔出口孔
80    槽脊
88    气相铝化处理(VPA)室
90    VPA镀覆系统
100   用于镀覆外表面的工艺
102   在翼面的几乎整个外表面上施加镍铝(NiAl)镀层
104   将涡轮叶片定位在气相铝化处理(VPA)室中

Claims (10)

1、一种在涡轮机零件(40)的内部通道的表面上形成金属镀层的方法，所述涡轮机零件具有外表面且包括至少一条内部通道，所述方法包括以下步骤：
在涡轮机零件的外表面上施加镍铝结合镀层；
将涡轮机零件定位在气相铝化处理(VPA)室(88)中；
联接气体歧管与至少一条内部通道的进口；
将涡轮机零件暴露在低活性的铬铝施主合金中；以及
采用气相铝化处理(VPA)工艺对涡轮机零件的至少一部分内表面进行镀覆，从而在涡轮机部件的至少一部分外表面上形成镍铝互化物镀层，所述镍铝互化物镀层具有以下组分，即重量百分比大约为24％的铝、重量百分比大约为6％的铬和重量百分比大约为2％的锆。
2、根据权利要求1所述的方法，其中所述将涡轮机零件(40)暴露在低活性的铬铝施主合金中的步骤进一步包括将涡轮机零件暴露在包括铬和铝的施主合金组分中，所述组分包括重量百分比约10％的铝至重量百分比约24％的铝。
3、根据权利要求1所述的方法，其中通过卤化铝气体与金属表面之间的反应在所述内表面处形成所述镀层。
4、根据权利要求1所述的方法，进一步包括在大约1900与大约2050之间的温度下对金属镀层进行约30分钟至约4个小时的热处理。
5、根据权利要求1所述的方法，进一步包括对涡轮机零件(40)的外表面施加厚度在大约0.001英寸与大约0.003英寸之间的结合镀层。
6、根据权利要求1所述的方法，进一步包括对涡轮机零件(40)的至少一部分内表面施加厚度在大约0.0005英寸与大约0.0015英寸之间的铝镀层。
7、根据权利要求1所述的方法，进一步包括对涡轮机零件的至少一部分外表面施加厚度在大约0.001英寸与大约0.003英寸之间的镀层。
8、一种在内表面和外表面上具有镀层的涡轮机零件(40)，其中采用根据权利要求1所述的方法形成所述金属镀层。
9、根据权利要求8所述的涡轮机零件(40)，其中所述结合镀层的厚度在大约0.001英寸与大约0.003英寸之间。
10、根据权利要求8所述的涡轮机零件(40)，其中在涡轮机零件的至少一部分内表面上的镀层的厚度在大约0.0005英寸与大约0.0015英寸之间。
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