CN102176995A - 蜂窝密封及生产该蜂窝密封的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的蜂窝孔格(13)是基底(4′)的一部分，这样一来无需钎焊。进一步的，通过具有包括铁(Fe)，铬(Cr)，铝(Al)和/或钇(Y)的涂层的，特别是由气相沉积施加的涂层的基底，获得了更好的耐腐蚀性。

Description

蜂窝密封及生产该蜂窝密封的方法
技术领域
本发明涉及一种蜂窝密封及生产该蜂窝密封的方法。
背景技术
蜂窝密封被用来最小化在发动机中尤其在涡轮机的定子和转子之间的气体压力的泄漏。
目前的制造方法在于铸造一具有限定凹槽的材料。这些工件被称为背板(基底)。
蜂窝材料由非常薄而轻的金属板件制成，焊接并成形为类似于蜜蜂的蜂窝。通过一种薄切削方法，这些结构被刮削成与已被铸造在背板中的凹槽具有同样深度的薄板。然后蜂窝件被钎焊到凹槽中。有时，蜂窝被填充耐磨材料以延长使用寿命。
蜂窝密封存在一些问题。由于在凹槽的底部钎焊，其被隐蔽且不容易检查。偶尔钎焊中出现焊接空隙。然后这些密封可能被扯开并变为脆弱的刀刃状密封，其已经准备与蜂窝接触。这样一来密封失败。
其次，刀刃状密封与蜂窝遭受到发动机中燃烧气体的腐蚀性气氛。特别的，非常薄的蜂窝结构会受到燃料中硫的影响，受到硫化。如果它们变脆，它们可能会破裂并离开发动机，使得密封不如之前有效地控制气体压力。由于这些原因，需要更加稳健的制造方法以及更耐腐蚀的密封和密封材料。
发明内容
因此，本发明的目的即为克服该问题。
该问题通过根据权利要求1所述的蜂窝孔格密封以及权利要求11的生产该蜂窝孔格密封的方法来解决。
在从属权利要求中展示了本发明进一步的有利实施例，其可以相互任意组合以获得更多优势。
附图说明
附图示出：
图1示出蜂窝孔格，
图2示意性地示出生产蜂窝密封的方法，
图3示出生产蜂窝密封的工具，
图4，5示出蜂窝密封的实例，
图6，7，8，9，10，11示出具有涂层的蜂窝密封的一些实施例，
图12示出燃气轮机
图13以透视图示出叶片，以及
图14是超合金列表。
具体实施方式
附图和描述仅为本发明的实施例。
图1示出了一些蜂窝孔格13，其具有蜂窝(六边形)结构。
一个蜂窝孔格13最好由六个侧壁10构成。蜂窝密封的两个蜂窝孔格13最好具有公共侧壁10。
图2示意性地示出了生产蜂窝密封1的一种发明方式。
根据本发明的一个方面，基底4，特别是铸件4，被制造成具有与现有技术中的铸件同样的外部尺寸，除了没有被填充易碎的蜂窝材料的凹槽。在这种情况下，六边形的蜂窝孔格优选地由电火花加工(EDM)成形，更优选地是重复电火花加工，熟悉这种技术的人员能够实现这种方式。因为密封和铸件现在是一体的，因此不会出现钎焊加工或其他任何连接技术中的失败。密封整体更强。
基底4优选地是具有厚度h的钢或不锈钢。
通过加工该基底4，优选地通过电火花加工，蜂窝孔格13通过从基底4的外表面28移除材料而被生产。因此蜂窝孔格13是基底4′的一部分，可以从这一事实中得出，蜂窝孔格13与具有蜂窝孔格13的基底4′的剩余高度的总高度h仍具有相同的厚度h。
蜂窝孔格13没有被钎焊在基底4′上。
图3中，示意性地示出了蜂窝孔格13的互补排列，其优选地用作加工工具25。
这样的工具25示出了优选的多个印模7，其与在印模7之间具有一定间隔31的一个蜂窝孔格13(六边形形状)的凹穴具有相同的形式，所述间隔对应于蜂窝孔格13的侧壁10的厚度。因为蜂窝密封22具有弯曲的形式，如环状，工具25优选地也是弯曲的(未示出)。
而且，只有一个印模7可以被用于电火花加工所述密封。
蜂窝密封16可被生产在环16上(图4)或在环段19上(图5)，所述环段一起形成与图4中所示的环相似的环16′。两者都将是与运动部件如叶片120相配合的壳体的一部分。
段19示出了多个蜂窝孔格13。
此外，电火花加工操作之后，优选地在酸混合物中蚀刻整个总体工件(基底4′)以去除由电火花加工操作形成的电火花加工再铸层。有多种酸的混合物可用于执行此操作。使用的混酸合物根据制造铸件的材料而定。这些技术对本领域技术人员来说是公知常识。此处的一个区别是，优选地利用已经铸造的工件的直接直流(DC)耦合的原理。根据公开日2001年9月25日的美国专利6,294,072 B1的原理的石墨工件的电火花加工机的原理是适用的。
优选地进行蚀刻以去除尽可能多的再铸物。
其他用于在基底4中加工蜂窝孔格13的工具，如激光、电子束也是可能的。
蚀刻后，基底4′优选地接受涂覆，尤其是借助于气相的连续CVD涂覆，将铸造合金从无论其化学成分是什么，优选地转变为FeCrAlY。要执行此操作，优选地从CVD气体中屏蔽基底的后方部分。
如果基底不是铁基的，尤其如果其是镍(Ni)基的，则第一CVD操作优选地在六边形加工凹穴上应用大的铁(Fe)重量分数。此操作之后，接着施加气相(CrAlY或Cr、Al、Y或Cr+Y、Al或Al+Y、Cr，……)涂层。该涂层优选地不利用掩模材料，因为需要将整个工件完全涂覆。
可以看出，相比于镍基超合金，铁是更好的吸收剂或CrAlY是更好的吸收剂。这种涂覆操作优选地后面是热处理，目的是使镍基超合金中的基础和固有的YY′相塑化和改良。
图6中，示出了具有一个蜂窝孔格13的基底4′的局部剖视图，其形成蜂窝密封1。
根据本发明，侧壁10优选地包括铁基金属材料，尤其是钢或不锈钢或镍基超合金。
这种钢(作为一示例性的例子)接着暴露于合金元素Cr，Al和Y(图7)以通过扩散来形成FeCrAlY，此处是侧壁10中的FeCrAlY扩散区域8(图7→图8)。扩散区域8仅是侧壁10的一个部分。
扩散也可以优选地遍及壁10(图7→图9)。这意味着侧壁10的原始组分不再存在。特别地，侧壁10′由FeCrAlY合金组成。
优选地，首先铬可被沉积，之后沉积铝，特别是掺杂了钇(Y)。
优选地可通过公知的包渗工艺或其他方法进行渗铝。
优选地钇与铝一起涂覆。
优选地其他合金元素如铪、钛或硅可被添加。
合金元素优选地通过蒸汽过程暴露于基底，优选地通过CVD。
在暴露过程中，元素可被同时或依次使用。
由于铁被认为至少是铝的吸收剂，那么添加厚的铝化物涂层或添加厚的铬化物涂层之后添加铝化物涂层可被定制，以提供正确的化学性质，以满足扩散区域(8)中的FeCrAlY的组成。
经过用于扩散的热处理之后，蜂窝密封的相对柔软且韧性的钢经由CVD转变为相对脆性的FeCrAlY。
将被扩散进基底的Cr、Al和Y的量取决于已存在于基底中的Cr、Al(其他基本元素)的量，尤其是钢或铁基材料。这可以通过暴露时间、温度和浓度控制。
示例
A：
1.提供具有蜂窝孔格13的基底4
2.渗铝
3.任选的热处理，以促进Al到基底中的扩散
4.渗铬
5.任选的热处理，以促进Cr在Al中以及到基底中的扩散
B：
1.提供具有蜂窝孔格13的基底4
2.渗铝
3.渗铬
4.热处理，以促进Cr、Al的扩散
C：
1.提供具有蜂窝孔格13且在蜂窝孔格13和基底4之间具有钎焊部的基底4
2.渗铬
3.渗铝
4.任选的热处理，以促进Cr、Al的扩散
D：
1.提供具有蜂窝孔格13且在蜂窝孔格13和基底4之间具有钎焊部的基底4
2.渗铝
3.渗铬
4.任选的热处理，以促进Cr、Al的扩散
E：
1.提供具有蜂窝孔格13的基底4
2.渗铬
3.渗铝
4.热处理，以促进Cr、Al的扩散
F：
1.提供具有蜂窝孔格13的基底4
2.渗铬
3.任选的热处理，以促进Al在基底中的扩散
4.渗铝
5.任选的热处理，以促进Cr在Al中以及到基底中的扩散
通过上述顺序，易延展且易制造的钢的优点可被用来形成蜂窝孔格和改装成护罩。之后，减少的延展性不再是问题，因为不再引起由于制造所导致的进一步的弯曲或机械应力。
根据本发明的另一个示例，防护FeCrAlY涂层7被应用在铁板侧壁10(图10)上作为覆盖涂层。
同时具有覆盖涂层和扩散涂层的类型也是可能的。
涂层7或扩散区域8的组分包括铬、铝(Al)和钇(Y)以及余量M，尤其是铁(Fe)。特别地，FeCrAlY合金或涂层7由Fe、Cr、Al和Y构成。
任选地，MCrAlY合金或涂层7、8可包含钛(Ti)、铪(Hf)、和/或硅(Si)，其提高合金钢或涂覆钢的腐蚀/氧化性质。铪(Hf)使氧化铝稳定，氧化铝形成在MCrAlY合金的外表面，其中硅(Si)将允许硅酸铝相的形成。
术语“包含”指的是，这种元素的量至少两倍高于MCrAlY合金中该元素的杂质水平，或至少两倍高于测量精度，取决于哪一个更高。特别地，MCrAlY合金或涂层7由Fe、Cr、Al、Y以及由Ti、Hf和/或Si的组中的至少一种元素构成。
元素的优选范围(重量分数)为，18％到35％的Cr，3％到15％的Al，0.2％到2％的钇以及任选的至多3％的钛，至多3％的铪和/或至多3％的硅的添加物。
将下限相加，余量将是重量百分比为80％的铁，将上限相加，重量百分比为39％。
所有与任选元素的组合都是优选实施例：
这是指：MCrAlY，尤其M＝Fe：
+Ti
+Hf
+Si
+Ti+Hf
+Ti+Si
+Hf+Si
+Ti+Hf+Si.
合金的元素的这七种组合可以是MCrAlY或涂层7的排他性(组成式)或非排他性(包含式)的列举。
FeCrAlY涂层7或扩散区域8优选地不包括镍(Ni)和/或不包括钴(Co)。
MCrAlY涂层7可由本领域公知的涂覆或暴露过程而被应用，通过使用适当的MCrAlY合金，或优选地通过分别涂覆元素Cr、Al和Y和/或任选的元素，以及通过扩展来形成该MCrAlY扩散区域。
特别地，使用CVD涂覆过程以涂覆蜂窝密封1的蜂窝孔格13。
特别地，蜂窝孔格13可以充满耐磨材料，特别是陶瓷19，以便使蜂窝密封1的耐磨性能得到进一步提高(附图11)。
蜂窝孔格1的侧壁10的材料优选地为钢或不锈钢。
图12通过示例示出燃气轮机100的局部纵向剖视图。
在内部，燃气轮机100具有转子103，该转子以其能绕旋转轴线102旋转的方式安装、具有轴101且也被称为涡轮机转子。
进气壳体104、压缩机105、例如特别是环形燃烧室(其具有多个同轴布置的燃烧器107)的曲面燃烧室110、涡轮机108以及废气壳体109沿着转子103彼此顺次相继。
环形燃烧室110与例如环形热气通道111相通，其中，通过示例的方式，四个相继的涡轮级112形成涡轮机108。
每个涡轮级112，例如，由两个叶片或叶轮环形成。如工作介质113的流动方向所示，在热气通道111中，一行导向叶轮115之后是由转子叶片120形成的行125。
导向叶轮130固定到定子143的内部壳体138，然而行125的转子叶片120安装到转子103，例如借助于涡轮盘133。
发电机(未示出)联接到转子103。
在燃气轮机100工作的同时，压缩机105通过进气壳体104吸入空气135并将其压缩。在压缩机105的涡轮侧提供的压缩空气被传递到燃烧器107，在那里与燃料混合。之后混合物在燃烧室110中燃烧，形成工作介质113。工作介质113从那里沿热气通道111流动，经过导向叶轮130和转子叶片120。工作介质113在转子叶片120处膨胀，传递其动量，使得转子叶片120驱动转子103并且该转子继而驱动与其联接的发电机。
在燃气轮机100工作的同时，暴露于热的工作介质113的部件受到热应力。第一涡轮级112的导向叶轮130和转子叶片120，如工作介质113的流动方向所示，与装衬于环形燃烧室110的热屏蔽砖一起，受到最大的热应力。
为了能够承受那里主导的温度，它们可以依靠冷却剂被冷却。
部件的基底可类似地具有方向性结构，即，它们是单晶形式(SX结构)或仅具有纵向定向的晶粒(DS结构)。
举例来说，铁基、镍基或钴基超合金被用作部件的材料，特别是用于涡轮机叶片或叶轮120、130以及燃烧室110的部件。
这种类型的超合金是已知的，例如，出自EP1204776B1、EP1306454、EP1319729A1、WO99/67435或WO00/44949；这些文件形成关于合金化学组成的披露的一部分。
导向叶轮130具有：导向叶轮根部(此处未示出)，其面向涡轮机108的内部壳体138；以及，在与导向叶轮根部相对的端部处的导向叶轮头部。导向叶轮头部面对转子103，并固定到定子143的固定环140。
基底4是环或环的段，蜂窝孔格结构在其中被加工。
这消除了将蜂窝件热焊到基底的需要，并减少了周边中接头的数量，且因此产生泄漏路径。
图13示出了涡轮机的转子叶片120或导向叶轮130的透视图，其沿纵轴线121延伸。
涡轮机可以是飞行器或用于发电的发电装置的燃气轮机，可以是蒸汽轮机或是压缩机。
叶片或叶轮120，130沿纵轴线121相继地具有固定区域400、邻接的叶片或叶轮平台403、和主叶片或叶轮部分406以及叶片或叶轮尖端415。
作为导向叶轮130，叶轮130可以在其叶轮尖端415处具有另外的平台(未示出)。
用于将转子叶片120，130固定到轴或盘(未示出)的叶片或叶轮根部183形成在固定区域400中。
叶片或叶轮根部183被设计为，例如，锤头的形式。其他构造，如杉树形或燕尾形根部，也是可能的。
叶片或叶轮120，130具有前缘409和后缘412，用于流经主叶片或主叶轮部分406的介质。
在常规叶片或叶轮120，130的情况下，举例来说，固态金属材料特别是超合金，用于叶片或叶轮120，130的所有区域400、403、406。
这种类型的超合金是已知的，例如，出自EP1204776B1、EP1306454、EP1319729A1、WO99/67435或WO00/44949；这些文件形成关于合金化学组成的披露的一部分。叶片或叶轮120，130可以在此情况下通过铸造加工来生产，还可以通过定向凝固方法，通过锻造加工，通过铣削加工或其组合来生产。
具有单晶结构或多结构的工件被用作机器的部件，在操作中，所述部件遭受高的机械应力、热应力和/或化学应力。这种类型的单晶工件通过例如从熔化物的定向凝固来生产。这涉及到铸造加工，其中液态金属合金凝固形成单晶结构(即单晶工件)或定向地凝固。
在这种情况下，枝状晶体沿热流的方向被定向并且形成柱状结晶晶粒结构(即，在工件的整个长度上延伸的晶粒，按照惯常使用的语言，这里指的是定向凝固)或单晶结构，即整个工件由一个单晶组成。在这些过程中，需要避免向球状(多晶)凝固的过渡，因为非定向生长必然形成横向和纵向晶界，其否定了定向凝固或单晶部件的有利性能。凡一般术语中文字所指的定向凝固微观结构，应被理解为既包括不具有任何晶界或最多具有小角度晶界的单晶，还包括具有在纵向上延伸的晶界但不具有任何横向晶界的柱状晶体结构。晶体结构的该第二种形式还被描述为定向凝固微观结构(定向凝固结构)。这种类型的过程是公知的，出自US6024792和EP0892090A1；这些文件形成关于凝固过程的披露的一部分。
叶片或叶轮120，130可以类似地具有防腐蚀或氧化的涂层，如MCrAlX(M是从铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)组成的组中选择的至少一种元素，X是一种活性元素并代表钇(Y)和/或硅和/或至少一种稀土元素，或铪(Hf))。这种类型的合金是公知的，出自EP0486489B1，EP0786017B1，EP0412397B1或EP1306454A1；这些文件旨在形成关于合金化学组成的本披露的一部分。
密度最好是理论密度的95％。
氧化铝保护层(TGO为热生长氧化层)形成在MCrAlX层上(作为中间层或最外层)。
热障涂层也可以存在于MCrAlX上，该热障涂层由例如ZrO2、Y2O3-ZrO2构成，即，由氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁不稳定的，部分稳定的或完全稳定，该热障涂层优选是最外层。
热障涂层覆盖整个MCrAlX层。柱状晶粒在热障涂层中产生，借助于例如电子束物理气相沉积(EB-PVD)的合适的涂覆工艺。
可以想到其他涂覆工艺，例如气体等离子喷涂(APS)、LPPS、VPS或CVD。热障涂层可以包括多孔晶粒，其具有用于改进其热冲击阻力的微裂纹或宏观裂缝。因此热障涂层最好比MCrAlX层更加多孔。
叶片或叶轮120，130可以是中空或实心的形式。如果叶片或叶轮120，130要被冷却，则其是中空的且还可具有膜冷却孔418(以虚线表示)。

Claims (16)

1.一种用于将喷气发动机或燃气轮机(100)的旋转部件与定子部件分离的密封，其中，蜂窝特征(13)和背板，特别是铸造背板，是一体件，蜂窝特征(13)利用EDM加工由基底(4，4′)形成，且基底(4′)具有特别是通过气相沉积施加的涂层，该涂层包含铁(Fe)、铬(Cr)、铝(Al)和/或钇(Y)。
2.根据权利要求1所述的密封(22)，其包括环(16)形式的基底(4′)。
3.根据权利要求1或2所述的密封(22)，其包括形成环(16′)的多个段(19)。
4.根据权利要求1、2或3所述的密封，其中基底(4，4′)包含镍基超合金，特别是由镍基超合金组成。
5.根据权利要求1、2或3所述的密封，其中基底(4，4′)是钢或不锈钢，特别是由钢或不锈钢组成。
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的密封，其中涂层是蜂窝孔格(13)表面的保护层，保护层特别是MCrAlY(M＝Fe，Cr，Ni)合金。
7.根据权利要求6所述的密封，其中MCrAlY合金包含Fe，特别地M主要是Fe，更特别地M仅为Fe。
8.根据权利要求6或7所述的密封，其中保护涂层或MCrAlY涂层呈现为覆盖涂层。
9.根据权利要求5、6、7或8所述的密封，其中保护涂层或MCrAlY涂层呈现为扩散涂层。
10.根据权利要求1、2或3所述的密封，其中蜂窝密封(13)不与基底(4，4′)或背板连接或粘结，特别地不与基底钎焊或焊接。
11.一种生产特别是根据权利要求1到10中任一项所述的密封(22)的方法，
其中基底(4，4′)被加工，特别地通过EDM工艺加工，使得蜂窝孔格(13)是基底(4′)的一部分，
并且其中基底(4′)被涂覆铁(Fe)、铬(Cr)、铝(Al)和/或钇(Y)，特别地由气相沉积来涂覆。
12.根据权利要求11所述的方法，其中带有一个或多个蜂窝孔格(13)的互补排列图像的工具(25)被用来加工基底(4，4′)，使得多个六边形孔格(13)形成在基底(4，4′)中，并且使得所述一个蜂窝孔格(13)或多个蜂窝孔格(13)是基底(4′)的一部分。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中基底(4，4′)包含镍基超合金。
14.根据权利要求11所述的方法，其中基底(4)是钢或不锈钢。
15.根据权利要求11、12、13或14所述的方法，其中基底(4′)被涂覆，使得蜂窝孔格(13)被特别是MCrAlY合金的保护层涂覆。
16.根据权利要求11、12、13、14或15所述的方法，其中基底(4′)至少被铬(Cr)、铝(Al)和任选的铁(Fe)和/或钇(Y)扩散。
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