CN102953763B - 可旋转部件、涂层和涂覆发动机的可旋转部件的方法 - Google Patents

可旋转部件、涂层和涂覆发动机的可旋转部件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及可旋转发动机部件、涂层和涂覆可旋转部件的方法，该可旋转部件包括基体、涂覆于基体的过渡区域、和涂覆于过渡区域的可磨区域。在涡轮机中的发动机的操作期间，当与发动机的静态部分接触时可磨区域被消耗，从而防止对可旋转部件造成损坏。

Description

可旋转部件、涂层和涂覆发动机的可旋转部件的方法
技术领域
本发明总体上涉及涡轮机，并且更具体地涉及可旋转部件、涂层和涂覆燃气涡轮机或蒸汽涡轮机中的发动机的可旋转部件的方法。
背景技术
翼型(airfoil)尖端与压缩机壳体的尖端磨擦导致有害影响，例如转移到翼型的根部的高负荷、导致疲劳弊端的传递到翼型叶片材料的高热、以及翼型的微裂缝。例如通过提供箱内衬的可磨壳体和超尺寸密封件减小来自翼型尖端和壳体之间的大间隙的效率弊端的尝试在某种程度上是不成功的，原因在于这些方法受到限制，例如接近可磨箱内衬所必需的复杂维修程序。
不具有以上缺陷的可旋转部件、涂层和涂覆发动机的可旋转部件的方法在本领域中是期望的。
发明内容
根据本发明的示例性实施例，提供了一种可旋转发动机部件。该可旋转发动机部件包括基体、涂覆于基体的过渡区域、以及涂覆于过渡区域的可磨区域。当与发动机的静态部分接触时可磨区域被消耗。
所述可旋转发动机部件是压缩机翼型。所述基体选自包括不锈钢合金、镍基合金、钛合金、铝合金、铝锂合金、和它们的组合的基体材料。所述过渡区域包括熔合粉末组合物的至少一个过渡层。所述熔合粉末组合物包括多个粉末颗粒。所述过渡区域的所述多个粉末颗粒选自与基体材料大致相同的材料。所述过渡区域的所述多个粉末颗粒具有大约0.010毫米至大约0.150毫米的粒度。所述可磨区域包括多个可磨层。所述多个可磨层的每一层包括多个熔合粉末颗粒、多个熔合粉末结构、或它们的组合。所述可磨区域的所述多个熔合粉末颗粒具有大约0.020毫米至大约0.150毫米的粒度。所述可磨区域具有大约0.06毫米至大约100毫米的厚度。
根据本发明的另一个示例性实施例，提供了一种用于可旋转部件的涂层。该用于可旋转部件的涂层包括涂覆于部件的基体的过渡区域以及涂覆于过渡区域的可磨区域。可磨区域包括多个可磨层，可磨层包括多个熔合的超细粉末颗粒(fused ultra fine powder particles)，其中该涂层耐受旋转力，并且当与燃气涡轮发动机的静态部分接触时可磨区域被消耗。
所述多个熔合粉末颗粒具有大约0.020毫米至大约0.150毫米的粒度。所述可磨区域具有大约140布氏硬度至大约380布氏硬度的减小硬度。
根据本发明的另一个示例性实施例，提供了一种涂覆可旋转发动机部件的方法。该涂覆可旋转发动机部件的方法包括：提供具有基体的可旋转发动机部件，将过渡区域涂覆于基体，以及将可磨区域涂覆于过渡区域。当与燃气涡轮发动机的静态部分接触时可磨区域被消耗。
在涂覆所述过渡区域之前可选地制备所述可旋转部件的所述基体的表面。使用热能涂覆所述过渡区域。所述过渡区域的厚度大约小于所述发动机中的旋转压缩机翼型的总长度的百分之十。使用激光致密化工艺、激光粉末熔焊工艺、直接金属激光烧结工艺、电子束焊接工艺、静电沉积工艺、和它们的组合涂覆所述可磨区域。所述可磨区域具有大约0.06毫米至大约100毫米的厚度。
从结合附图进行的优选实施例的以下更详细描述，本发明的其它特征和优点将显而易见，附图通过例子说明了本发明的原理。
附图说明
图1是本发明的燃气涡轮发动机的示意图；
图2是图1中所示的燃气涡轮发动机的压缩机部件的放大图；
图3是图2中所示的压缩机部件的旋转翼型和静态部分的放大图；
图4是图3中所示的旋转翼型的预熔合粉末系统的放大示意图；
图5是图3中所示的旋转翼型的熔合粉末系统的放大示意图；
图6是本发明的备选实施例的预熔合粉末系统的示意图；
图7是本发明的备选实施例的熔合粉末系统的示意图；
图8是本发明的旋转翼型的示意图；
图9是沿着本发明的图8的旋转翼型的线9-9获取的截面图。
无论在什么可能的情况下，相同的附图标记将在图中始终表示相同的部分。
具体实施方式
图1是燃气涡轮发动机100的示意图，该燃气涡轮发动机包括风扇组件102、高压压缩机104和燃烧器106。燃气涡轮发动机100也包括高压涡轮机108和低压涡轮机110。燃气涡轮发动机100具有进气侧128和排气侧130。尽管描绘为燃气涡轮发动机，但是应当理解本说明书中所述的概念不限于用于燃气涡轮机，原因是该教导可以应用于其它类型的发动机，包括蒸汽涡轮发动机、涡轮风扇发动机等。
在图1中，燃气涡轮发动机100包括低压压缩机110和高压压缩机112。每个压缩机均包含翼型的旋转组(例如，叶片114)和翼型的固定组(例如，翼片116)。翼型116的固定组嵌入燃气涡轮发动机100的静态部分118(例如壳体)中。旋转翼型114邻近产生静态流动路径或间隙220(参见图2)的静态部分118布置。在图2中，空隙或间隙220显示在旋转翼型114和静态部分118之间；然而，当燃气涡轮发动机100起动和停机时，旋转翼型114的尖端226可以与静态部分118接触，这被称为尖端磨擦。
图3是图2中所示的发动机100的压缩机104的旋转翼型114和静态部分118的放大示意图。旋转翼型114包括尖端226，该尖端具有涂覆于基体344的表面342的涂层222。涂层222包括涂覆于基体344的过渡区域346、和涂覆于过渡区域346的可磨区域348。涂层222耐受在燃气涡轮发动机100的操作期间旋转翼型114受到的旋转力。在一个实施例中，涂层222涂覆于新旋转翼型114以减小对旋转翼型114造成损坏的可能性。在另一个实施例中，涂层222用于修理并且延长旋转翼型114的使用寿命。在例如但不限于尖端磨擦(tip-rub)的事件期间，当与燃气涡轮发动机100的静态部分118接触时涂层222的可磨区域348被消耗。在诸如尖端磨擦的接触事件期间，翼型114的涂层表面354与燃气涡轮发动机100的静态部分118或壳体的表面352接触。翼型114的涂层表面354和静态部分118的表面352之间的接触通常在起动或停机期间随着翼型114的每次回转(revolution)而发生。该高速接触引起可磨层348磨损或从翼型114释放，而不是导致接触力由翼型114吸收，接触力由翼型114吸收可以导致对旋转翼型114的根部、尖端或其它部分造成损坏。
翼型114的基体344选自以下材料，例如但不限于不锈钢合金、镍基合金、钛合金、铝合金、铝锂合金、和它们的组合。合适的不锈钢合金的例子是，但不限于，17-4PH、13-8PH、15-5PH、M152。合适的镍基合金的例子是，但不限于，Inconel 600、Inconel 617、Inconel625和Inconel 718。合适的钛合金的例子是，但不限于，Ti6-4和Ti6-2-2-2-2。
如图3中所示，涂覆于基体344的表面324的过渡区域346包括熔合粉末组合物400(参见图5)的至少一个过渡层358。熔合粉末组合物401包括通过能量源熔合、熔化或结合在一起以形成过渡层358的多个粉末颗粒412。使用通常包括热能的任何合适的技术来涂覆过渡区域346。用于涂覆过渡区域346的热能涂覆方法的例子是，但不限于，电火花沉积(ESD)工艺、电子束焊接工艺、激光粉末熔焊工艺、直接金属激光烧结工艺、和它们的组合。
图3中所示的可磨区域348包括至少一个层，但是通常包括具有熔合粉末组合物400(参见图5)的多个可磨层356。熔合粉末组合物400包括由能量源熔合、熔化或结合在一起以形成可磨层356的多个粉末颗粒412。使用任何合适的技术来涂覆可磨区域348，这些技术包括但不限于电火花沉积(ESD)工艺、电子束焊接工艺、激光粉末熔焊工艺、直接金属激光烧结工艺、和它们的组合。如图4中所示，在一个实施例中，预熔合粉末组合物401包括多个粉末颗粒412和分散在粉末颗粒412之间的粘结颗粒416。当能源施加于粉末颗粒412的额定单位粒子(nominal unit cells)时，粘结颗粒416熔化或分散，并且粉末颗粒412在相邻表面处结合在一起以形成可磨层356。在一个实施例中，激光束可以聚焦在直径为大约2毫米至大约10毫米、或备选地3毫米至大约8毫米、或大约4毫米至大约6毫米的一块粉末颗粒412上。来自激光束的热能通常穿透到粉末颗粒412中达到大约0.2毫米至大约2毫米、或备选地0.3毫米至大约1.8毫米、或大约0.4毫米至大约1.7毫米，由此同时从系统释放(evolving)或挥发粘结颗粒416、并且将相邻非粘结颗粒412熔合为熔合粉末颗粒414(参见图5)。
如图4中所示，用于过渡层358或可磨层356的预熔合粉末组合物401包括多个粉末颗粒412和分散在粉末颗粒412之间的粘结颗粒416，在其间有少量空隙空间410。如图4中所示，在粉末颗粒412和粘结颗粒416之间有最佳的填充密度，使得粘结颗粒416的粒度大约为粉末颗粒412的平方根。在另一个实施例中，粉末颗粒412和粘结颗粒416可以是有序的、或随机分散的。使用任何合适的技术(例如但不限于粉末沉积)将多个粉末颗粒412和粘结颗粒416作为单层或多个层沉积在基体344的表面342上。当能源施加于预熔合粉末组合物401时，粘结颗粒416熔化或分解(disintegrating)，并且粉末颗粒412在熔合区域418结合在一起以形成多个熔合粉末颗粒414(参见图5)，所述熔合粉末颗粒形成过渡层358或可磨层356。
在一个实施例中，粘结颗粒416选自能够在大约150℃或以上熔化、分解或蒸发的材料。例如，粘结颗粒416的材料是但不限于在大约150℃至大约300℃下蒸发的挥发性蜡。在一个实施例中，粘结颗粒416与粉末颗粒412的体积比为大约0.1％至大约50％的粘结颗粒416、或备选地3％至大约35％的粘结颗粒416、或备选地5％至大约25％的粘结颗粒416。在一个实施例中，粘结颗粒416具有大约0.010毫米至大约0.150毫米、或备选地大约0.040毫米至大约0.100毫米、或备选地大约0.050毫米至大约0.090毫米的粒度。
对于过渡层358，在一个实施例中，预熔合粉末组合物401的多个粉末颗粒412选自与用于基体344的材料大致相同的材料。在该实施例中，基体344和过渡区域346的材料是大致相同的，但是由于涂覆的方法，过渡区域346的密度小于基体344的密度。对于基体344和过渡区域346使用大致相同的材料能够在高速旋转期间促进过渡区域346附着在基体344。过渡区域346用作将可磨区域348有效地结合或附着到基体344的附着区域。
过渡区域346的厚度大约小于总旋转翼型114(叶片)长度的10％。过渡区域346的粉末颗粒412具有大约0.010毫米至大约0.150毫米、或备选地大约0.040毫米至大约0.100毫米、或备选地大约0.050毫米至大约0.090毫米的粒度。
对于包括至少一个可磨层356的可磨区域348，多个粉末颗粒412在熔合之前具有大约0.020毫米至大约0.50毫米、或备选地大约0.050毫米至大约0.300毫米、或备选地大约0.080毫米至大约0.150毫米的粒度。在一个实施例中，可磨区域中的粉末颗粒412具有相同的粒度。
在一个实施例中，用于可磨区域348的粉末颗粒412包含比组成基体344的加强元素少大约10％至大约60％的加强元素。在一个实施例中，相比于选自不锈钢的基体344的材料，用于可磨区域348的材料是具有减小的碳含量的不锈钢。在另一个实施例中，与基体344的材料相比，用于可磨区域348的材料包含适当更少量的合金元素以获得更低的总强度。在一个实施例中，可磨区域348具有减小的硬度，该硬度为大约140布氏(Brinell)硬度至大约380布氏硬度、或备选地大约150布氏硬度至大约300布氏硬度、或备选地大约160布氏硬度至大约250布氏硬度。可磨区域348的关键性能方面在于可磨区域不将过量的热传递到旋转翼型114或叶片，并且不将过量的负荷传递到旋转翼型114中，这通过在尖端磨擦期间、或在旋转翼型114的表面与燃气涡轮发动机100的静态部分118或壳体之间的类似接触事件期间，牺牲可磨区域348而实现。
在另一个实施例中，可磨区域348具有大约344兆帕(Megapascal)至大约1724兆帕、或备选地大约360兆帕至大约1720兆帕、或备选地大约400兆帕至大约1700兆帕的屈服强度。在实施例中，可磨区域348具有大约0.06毫米至大约100毫米、或备选地大约0.12毫米至大约15毫米、或备选地大约0.8毫米至大约5毫米的厚度。
如图6中所示，用于过渡层358或可磨层356的预熔合粉末组合物401包括具有到处随机分散的空隙区域410的多个粉末颗粒412。在该实施例中，多个粉末颗粒412随机地分散、并且在粒度上有变化。过渡层358和可磨层356的期望密度确定了粉末颗粒412的粒度、形状、定位、填充密度和填充顺序。在另一个实施例中，粉末颗粒412是有序的或优选地是分散的，如图4中所示。在另一个实施例中，多个粉末颗粒412具有大约相同的粒度。在施加能量之后，如图7中所示，多个颗粒412变为熔合粉末组合物400，多个熔合颗粒414在具有多个空隙区域410的熔合区域418结合在一起。空隙区域410对过渡区域346的过渡层358、和可磨区域348的可磨层356提供减小的密度。
图8是本发明的旋转部件的另一个实施例的示意图。翼型114包括基体344、过渡区域346、和具有可磨区域涂层350的可磨区域348。图9是沿着图8的线9-9获得的横截面，示出了可旋转部件114的各层。如图9中所示，并且如上面更详细地所述，过渡区域346包括涂覆于基体344的表面342的至少一个过渡层。使用上述任何合适的方法涂覆过渡区域346。由上述任何合适的方法将可磨区域348涂覆于过渡区域346。在该实施例中，可磨区域348包括多个可磨层356。多个可磨层356包括多个熔合粉末结构420。多个熔合粉末结构包括多个熔合粉末颗粒414和空隙区域410。多个熔合粉末结构420的几何形状包括选择性空心球体(如图9中所示)、选择性空心角锥体、以及在旋转时允许可磨区域348保持固定到过渡区域346的其它各种几何形状。使用3D激光烧结工艺产生熔合粉末结构420的三维几何形状。在涂覆可磨区域348之后，将可磨涂层350涂覆到可磨区域348。可磨涂层350或外层防止了通过熔合粉末结构420的空隙区域410的非必要气流(参见图8)。
可磨涂层350的材料选自与可磨区域相同的材料。在一个实施例中，使用3D激光烧结工艺涂覆可磨涂层，在另一个实施例中使用任何其它合适的涂覆工艺涂覆可磨涂层。可磨涂层350的厚度为大约0.06毫米至大约10毫米、或备选地大约0.12毫米至大约8毫米、或备选地大约0.8毫米至大约5毫米。
在另一个实施例中，提供用于旋转翼型222的涂层222。该涂层包括涂覆于基体344的过渡区域346、和涂覆于过渡区域346的可磨区域348。可磨区域348包括具有多个熔合粉末颗粒414(参见图5)或多个熔合粉末结构420(参见图9)的多个可磨层356。在一个实施例中，可磨区域348包括可磨涂层350。涂层222耐受旋转力，并且当与燃气涡轮发动机100的静态部分118接触时可磨区域348被消耗。
本发明提供了一种涂覆可旋转发动机部件114的方法。该方法包括：提供具有基体344的可旋转发动机部件114，将过渡区域346涂覆于基体344的表面342，将可磨区域348涂覆于过渡区域346，其中当与发动机100的静态部分118(例如燃气涡轮发动机的箱内衬)接触时可磨区域348被消耗。在一个实施例中，使用热能涂覆过渡区域346。过渡区域346用作中间层、或附着层以在旋转期间防止可磨区域348脱离基体344。在一个实施例中，使用激光致密化工艺、激光粉末熔焊工艺、直接金属激光烧结工艺、电子束焊接工艺、静电沉积工艺、和它们的组合来涂覆可磨区域348。
在一个实施例中，可选地在涂覆过渡区域之前制备可旋转燃气涡轮机部件114的基体344的表面342。在修补涂层222中，制备的可选步骤包括从基体344的表面342去除任何存在的剩余可磨层356或过渡层358。用于去除的工艺的例子是但不限于用于平整基体344的表面342的任何方法，例如但不限于磨削和砂磨。
本发明的实施例的一个优点包括：发动机具有叶片尖端和壳体之间的更紧密间隙控制。
本发明的实施例的另一个优点是：由压缩机设计的更紧密间隙产生的高压缩机效率。
本发明的实施例的另一个优点是稳定的压缩机操作，原因是当尖端磨擦发生在翼型尖端和壳体之间时消除了翼型损坏。
本发明的实施例的另一个优点是：消除了实地的翼型检查和调和。
本发明的实施例的又一个优点是：可磨尖端允许叶片耐受与壳体的高速接触、而不受到与尖端磨擦关联的有害作用。
本发明的实施例的另一个优点是：在尖端磨擦事件之后压缩机可以继续运转、而不会引起翼型尖端处的裂纹形成的风险。
尽管参考优选实施例已经描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：可以进行各种变化并且等效物可以代替它们的元件而不脱离本发明的范围。另外，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应于本发明的教导而不脱离本发明的实质范围。所以，本发明旨在不受限于作为预期实现本发明的最佳模式公开的特定实施例，而是本发明将包括属于附带权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (18)

1.一种可旋转发动机部件(114)，其包括：
基体(344)；
涂覆于所述基体(344)的过渡区域(346)；以及
涂覆于所述过渡区域(346)的可磨区域(348)，其中当与发动机(100)的静态部分(118)接触时所述可磨区域(348)被消耗；
其中，所述可磨区域包括多个可磨层，所述多个可磨层中的每一层包括多个熔合金属粉末颗粒(412)、多个金属熔合粉末(414)结构、或它们的组合；其中，所述多个熔合金属粉末颗粒具有选择性预设的几何形状，所述多个熔合金属粉末结构具有选择性中空的预设的几何形状，或者所述熔合金属粉末颗粒和所述熔合金属粉末结构的组合具有选择性中空的预设的几何形状。
2.根据权利要求1所述的可旋转发动机部件(114)，其特征在于，所述可旋转发动机部件是压缩机翼型(114)。
3.根据权利要求1所述的可旋转发动机部件(114)，其特征在于，所述基体(344)选自包括不锈钢合金、镍基合金、钛合金、铝合金、铝锂合金、和它们的组合的基体材料。
4.根据权利要求1所述的可旋转发动机部件，其特征在于，所述过渡区域(346)包括熔合粉末组合物(400)的至少一个过渡层。
5.根据权利要求4所述的可旋转发动机部件(114)，其特征在于，所述熔合金属粉末组合物(400)包括多个金属粉末颗粒(412)。
6.根据权利要求5所述的可旋转发动机部件(114)，其特征在于，所述过渡区域(346)的所述多个金属粉末颗粒(412)选自与基体材料大致相同的材料。
7.根据权利要求5所述的可旋转发动机部件(114)，其特征在于，所述过渡区域(346)的所述多个熔合金属粉末结构包括多个金属粉末颗粒(412)，所述多个金属粉末颗粒具有0.010毫米至0.150毫米的粒度。
8.根据权利要求1所述的可旋转发动机部件(114)，其特征在于，所述可磨区域(348)的所述多个熔合金属粉末颗粒(412)具有0.020毫米至0.150毫米的粒度。
9.根据权利要求1所述的可旋转发动机部件(114)，其特征在于，所述可磨区域(348)具有0.06毫米至100毫米的厚度。
10.一种用于可旋转部件(114)的涂层(222)，其包括：
过渡区域(346)，所述过渡区域涂覆于所述可旋转部件(114)的基体(344)；以及
可磨区域(348)，所述可磨区域涂覆于所述过渡区域(346)，所述可磨区域(348)包括多个可磨层(348)，所述多个可磨层中的每一层包括多个熔合金属粉末颗粒(412)、多个熔合金属粉末(414)结构、或它们的组合；其中，所述多个熔合金属粉末颗粒具有选择性预设的几何形状，所述多个熔合金属粉末结构具有选择性中空的预设的几何形状，或者所述熔合金属粉末颗粒和所述熔合金属粉末结构的组合具有选择性中空的预设的几何形状；其中，所述涂层(222)耐受旋转力，并且当与发动机(100)的静态部分(118)接触时所述可磨区域(348)被消耗。
11.根据权利要求10所述的涂层(222)，其特征在于，所述多个熔合金属粉末颗粒(412)具有0.020毫米至0.150毫米的粒度。
12.根据权利要求10所述的涂层(222)，其特征在于，所述可磨区域(348)具有140布氏硬度至380布氏硬度的减小硬度。
13.一种涂覆可旋转发动机部件(114)的方法，其包括：
提供具有基体(344)的所述可旋转发动机部件(114)；
将过渡区域(346)涂覆于所述基体(344)；以及
将可磨区域(348)涂覆于所述过渡区域(346)，其中当与发动机(100)的静态部分(118)接触时所述可磨区域(348)被消耗；
其中，所述可磨区域包括多个可磨层，所述多个可磨层中的每一层包括多个熔合金属粉末颗粒(412)、多个熔合金属粉末(414)结构、或它们的组合；其中，所述多个熔合金属粉末颗粒具有选择性预设的几何形状，所述多个熔合金属粉末结构具有选择性中空的预设的几何形状，或者所述熔合金属粉末颗粒和所述熔合金属粉末结构的组合具有选择性中空的预设的几何形状。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在涂覆所述过渡区域(346)之前可选地制备所述可旋转部件(114)的所述基体(344)的表面(342)。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，使用热能涂覆所述过渡区域(346)。
16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述过渡区域(346)的厚度小于所述发动机(100)中的旋转压缩机翼型(114)的总长度的百分之十。
17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，使用激光致密化工艺、激光粉末熔焊工艺、直接金属激光烧结工艺、电子束焊接工艺、静电沉积工艺、和它们的组合涂覆所述可磨区域(348)。
18.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述可磨区域(348)具有0.06毫米至100毫米的厚度。
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