CN103194753A - 用于涂覆涡轮转子的工艺及其制品 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于涂覆涡轮转子的工艺及其制品。一种用于将硬涂层施用到涡轮转子上的工艺包括：提供具有至少一个表面的涡轮转子；将第一涂层施用到至少一个表面上，第一涂层冷喷涂到该至少一个表面上；将第二涂层施用到第一涂层上，以形成硬涂层，其中，硬涂层构造成基本阻挡与涡轮转子物理连通的刷式密封件的磨损。

Description

用于涂覆涡轮转子的工艺及其制品
技术领域
本文公开的主题涉及用于涂覆在涡轮发动机应用中使用的涡轮转子的工艺。该工艺在涡轮转子的表面上提供构造成降低涡轮发动机中的刷式密封件的磨损的涂层。
背景技术
诸如在喷气式飞机和动力发生系统中看到的涡轮发动机典型地包括通常以较高的速度旋转的至少一个轴。事实上，涡轮发动机可包括通常以高速运行、同时穿过若干个压力不同的区的多个轴。涡轮发动机可通过压缩大气空气，混合燃料与压缩空气且点燃它，以及将点燃的且膨胀的空气/燃料混合物传送通过涡轮来产生例如推力。在发动机的整个长度上都存在具有各种压力的区。这些区必须典型地彼此密封开，以便允许发动机运行，以及特别地，提高涡轮发动机的效率。除了发动机轴的高的旋转速度之外，轴向轴运动和径向轴运动会增加与在发动机的整个寿命中保持有效密封相关联的困难。有效密封必须能够不断地适应轴向轴运动和径向轴运动两者，同时保持密封。当安装了刚性密封件时，轴运动会产生过度磨损，从而导致密封无效。
用来适应上面提到的轴运动的密封件包括刷式密封件和迷宫密封件。用于轴的这些密封件的许多构造在本领域中是已知的。刷式密封件典型地包括具有从其延伸的刚毛的环形体部件或保持器。刚毛可从保持器沿径向向内或沿径向向外延伸。在典型的构造中，刚毛接触旋转部件，诸如涡轮转子，而保持器则固定到固定的支承部件上。刚毛有足够的柔性，以允许轴抵靠着它旋转，以及既沿轴向又沿径向运动，同时有效地保持密封。刚毛可由各种材料构造而成。一个普通构造是使用金属或陶瓷刚毛，刚毛在一端处由保持器保持，并且在另一端处是自由的且与运动的轴接触。另一个构造包括一系列互锁的指状物。
但是，高的轴速度常常使接触轴的刚毛部分退化，这是因为轴偏心和在轴/刷界面处迅速产生的热的量的原因。当刚毛部分由较结实的材料(例如陶瓷)构造而成时，接触刚毛部分的轴的区段会不合需要地磨损，从而导致需要更换或修复整个轴。刷与旋转部件的摩擦接合也会引起不合乎需要的发热。
因此，合乎需要的是提供减轻刷式密封件和迷宫密封件的磨损的高速轴表面，诸如涡轮转子的高速轴表面，从而改进涡轮发动机的可靠性和工作寿命。
发明内容
根据本发明的一方面，一种用于将硬涂层施用到涡轮转子上的工艺包括：将第一涂层施用到涡轮转子的至少一个表面上，第一涂层冷喷涂到该至少一个表面上；将第二涂层施用到第一涂层上，以形成硬涂层，其中，硬涂层构造成基本阻挡与涡轮转子物理连通的刷式密封件的磨损。
根据本发明的另一个方面，一种与刷式密封件物理连通的涡轮转子包括：至少一个涡轮转子表面；以及设置在至少一个涡轮转子表面上的硬涂层，其包括粘结涂层层和至少一个耐磨层，至少粘结涂层层冷喷涂在至少一个涡轮转子表面上，其中，硬涂层构造成在涡轮转子的旋转期间，基本阻挡刷式密封件的磨损。
根据本发明的又一方面，一种基本阻挡涡轮发动机中的刷式密封系统的表面磨损的工艺包括：将硬涂层施用到涡轮转子的至少一个表面上，其中，至少一个表面与刷式密封系统物理连通，以及其中，施用硬涂层包括将第一涂层冷喷涂到至少一个表面上；以及将第二涂层施用到第一涂层上，以形成硬涂层。
根据结合附图得到的以下描述，这些和其它优点与特征将变得更加显而易见。
附图说明
在说明书的结论部分处的权利要求中特别指出和明确声明了被视为本发明的主题。根据结合附图得到的以下详细描述，本发明的前述和其它特征与优点是显而易见的，其中：
图1是用于将涂层冷喷涂到涡轮转子的表面上的示例性设备的示意图；以及
图2是涡轮转子表面上的涂层的示例性实施例的示意图。
详细描述参照附图以示例的方式阐明本发明的实施例，以及优点与特征。
部件列表：
10系统
12表面
14涡轮转子
16喷枪
18喷嘴
20粉末入口
22气体入口
24传感器接纳器
100多层硬涂层
102涡轮转子衬底
104粘结涂层层
106耐磨层。
具体实施方式
本文公开一种用于将涂层施用到涡轮转子上的工艺，与没有涂层的涡轮转子相比，该工艺显著减少刷式密封件和迷宫密封件的表面磨损。尤其公开一种用于将多层涂层施用到涡轮转子表面上的工艺，其中，通过被称为冷气体动态喷涂或“冷喷涂”的技术来施用粘结涂层层。用于将粉末材料淀积到涡轮转子的外表面上的冷喷涂工艺是有利的，因为它提供足够的能量来使微粒加速到足够高的速度，使得在冲击之后，微粒塑性变形，并且结合到被修补的构件的表面上，或者结合到之前淀积的层上。冷喷涂工艺允许建立较稠密的涂层或结构淀积物。冷喷涂不会以冶金的方式使微粒从它们的固体状态变形，但会对粉末进行冷却工作，从而使材料具有增加的硬度。换句话说，以冷喷涂的方式将粘结涂层层施用到涡轮转子上会避免转子暴露于高温，会将压缩残余应力引入转子中，以及因此，很可能不会影响经涂覆的涡轮转子的疲劳属性。
现在参照图1，显示了用于将粉末涂层材料淀积到涡轮转子14的表面12上的系统10。涡轮转子14的表面12构造成与涡轮发动机中的一个或多个刷式密封件或迷宫密封件(未显示)物理连通。系统10包括喷枪16，喷枪16具有会聚/扩散喷嘴18，粉末涂层材料通过喷嘴18喷涂到表面12上。涡轮转子14可由本领域中已知的任何适当的材料形成。在一个实施例中，涡轮转子14可由钢或超合金材料形成，诸如镍基合金、铜基合金等。在涂覆工艺期间，涡轮转子14可保持固定，或者可通过本领域中已知的任何适当的手段(未显示)来活动关节、旋转或平移。
在本文描述的工艺中，硬涂层施用到涡轮转子上，硬涂层可包括单个层或多个层。图2示出设置在涡轮转子衬底102上的多层硬涂层100。在这个示例性实施例中，硬涂层100包括粘结涂层层104和设置在粘结涂层层104上的耐磨层106。在其它实施例中，多层硬涂层可具有更少或更多的层，包括(无限制)额外的耐磨层、中间层、阻隔层、保护层等。
硬涂层100包括可经受住涡轮转子在涡轮发动机工作环境中经历的状况的材料，包括在涡轮转子与刷式密封件刚毛或齿接触时，基本阻挡涂层层和刷式密封件两者的磨损。用于形成硬涂层的示例性材料可包括例如硬金属材料或金属陶瓷涂层材料。硬金属材料可包括超合金，超合金典型地是镍基合金或钴基合金，其中，超合金中的镍或钴的量是重量最高的单个元素。示例性镍基超合金包括(但不限于)大约40重量%的镍(Ni)，以及由下者组成的组中的至少一个成分：钴(Co)、铬(Cr)、铝(Al)、钨(W)、钼(Mo)、钛(Ti)、钽(Ta)、铌(Nb)、铪(Hf)、硼(B)、碳(C)和铁(Fe)。镍基超合金的示例可由(但不限于)以下商品名指定：Inconel®、Nimonic®、Rene® (例如Rene®80-、Rene®95、Rene®142和Rene®N5合金)和Udimet®、Hastelloy®、Hastelloy® S、Incoloy®等。Incoloy® 和Nimonic® 是Special Metals Corporation的商标。Hastelloy ®是Haynes International的商标。备选地，可使用不锈钢，诸如409、410、304L、316或321。示例性钴基超合金包含至少大约30重量%的钴，以及由下者组成的组中的至少一个成分：镍、铬、铝、钨、钼、钛和铁。钴基超合金的示例由(但不限于)以下商品名指定，Haynes®、Nozzaloy®、Stellite®和Ultimet®。Stellite®是Deloro Stellite的商标。示例性金属陶瓷材料可包括(无限制)，碳化钨-钴铬涂层(WC-CoCr)、碳化铬-镍铬涂层(CRC/Ni-Cr)等。再次，本文描述的用于硬涂层的材料可用来形成独立的涂层，或者材料可用于具有金属和陶瓷外涂层的粘结涂层，如图2中显示的那样。
通过上述冷喷涂工艺来施用硬涂层的第一层，不管它是独立的层还是多层硬涂层100的粘结涂层层104。包括粘结涂层层104的材料作为粉末材料淀积到涡轮转子衬底102的表面上。在一个实施例中，粘结涂层层104由镍基超合金和钴基超合金(诸如上面描述的那些)中的一个或多个形成。
用来在涡轮转子衬底102上形成淀积物的粉末涂层材料可具有大约5微米至大约45微米、尤其是大约15微米至大约22微米的直径。这个狭窄的粒度分布使得给料微粒能够均匀地加速，并且可较容易地调节冷喷涂工艺参数，以使给料加速到临界速度以上，例如，速度提供足够的能量使得微粒在冲击之后塑性变形且结合到涡轮转子的表面上的速度。这是因为给料喷雾中的较小的微粒将撞击较慢、较大的微粒，以及有力地降低两者的速度。关于冷喷涂工艺的参数将取决于喷枪设计(例如喷嘴出口与喉部的面积比)，而且对于本领域技术人员将是众所周知的。
回到图1片刻，粉末涂层材料通过粉末入口20馈送到喷枪16中。通过使用压缩气体，粉末涂层材料的微粒加速到超音速。气体通过气体入口22馈送到喷枪16中。气体以典型地在介于800米每秒(m/s)至1500 m/s之间的范围中的速度将粉末推到涡轮转子表面上。高速输送使粉末粘附到涡轮转子表面上，并且在其上形成硬涂层。当然，应当理解，输送速度可变化到低于800 m/s和高于1500 m/s的水平，这取决于期望的粘附特性和粉末类型。喷枪16可进一步包括用于支承构造成监测工艺气体的参数的温度传感器和/或压力传感器的传感器接纳器24。
当施用粉末涂层材料以在涡轮转子表面上形成硬涂层时，喷枪喷嘴18可保持与表面12有距离，这被称为偏距。在一个实施例中，偏距为大约10毫米(mm)至大约100 mm。
大体上，调节冷喷涂工艺参数，以实现具有细粒结构的硬涂层，因为涂层的细粒结构有助于在衬底表面上实现较高强度的淀积。经恰当调谐的冷喷涂工艺也容许有比在其它传统的涂层工艺中看到的更厚且更稠密的硬涂层，因为当淀积时，微粒受到压缩应力。在一个实施例中，硬涂层的至少一层(例如粘结涂层层)具有大约25微米(大约1密耳)至大约2.5厘米(大约1英才)、尤其是大约250微米(大约1密耳)至大约305微米(大约12密耳)的厚度。而且不像传统的涂层工艺，诸如高速氧燃料(HVOF)，在冷喷涂工艺期间，材料没有氧化或相变(例如熔化)。与传统的涂覆技术相比，在冷喷涂涂层中缺少氧化物层和内部应力会提供不那么易碎且更有韧性的涂层，意思是说涂层不那么易于有裂纹传播和涂层剥落。冷喷涂工艺的所有以上作用会在涡轮转子上产生与使用传统的涂层工艺施用的涂层相比，对刷式密封件磨损提供更高程度的磨损保护和较大的阻挡的硬涂层。
在某些实施例中，在冷喷涂涂层层上施用额外的层之前，或者在多层涂层形成之后，冷喷涂涂层层可进一步经受处理。例如，冷喷涂粘结涂层层104或多层硬涂层100可经受后处理技术，诸如例如，喷丸、声波喷丸、激光冲击喷丸、磨光、热处理、它们的组合等。通过引起压缩应力，以及/或者从表面上移除可充当应力集中部的尖锐边缘，后处理技术可改进涂层的疲劳属性。后处理技术也可有效地降低或消除残余的张应力，以及通过促进层的扩散来改进涂层的完整性。
回到图2，多层硬涂层100包括设置在粘结涂层层104上面的耐磨层或顶部涂层层106，通过冷喷涂工艺施用粘结涂层层104，以获得上面描述的好处。耐磨层106可包括本领域中已知的用于降低恶劣的环境条件和/或与刷式密封件的物理接触在涡轮发动机中导致的表面磨损的任何涂层材料。在一个实施例中，耐磨层106将包括与刷式密封件表面相同的材料。用于耐磨层的示例性材料能包括(无限制)钴合金，诸如L605(Haynes®25)或Haynes®188或Stellite®6B、Nozzaloy®、Ultimet®等。耐磨层也可由金属陶瓷材料形成，诸如(无限制)碳化钨-钴铬涂层(WC-CoCr)、碳化铬-镍铬涂层(CRC/Ni-Cr)等。
可使用本领域技术人员已知的传统方法来形成耐磨层106，并且它将在很大程度上取决于选来形成层的材料。用于形成硬涂层100的耐磨层106的示例性方法可包括(无限制)等离子喷涂、高速等离子喷涂、低压等离子喷涂、溶液等离子喷涂、悬浮液等离子喷涂、化学气相淀积(CVD)、电子束物理气相淀积(EBPVD)、溶胶凝胶、溅射、淤浆工艺，诸如浸渍、喷涂、流延法(tape-casting)、滚动、涂漆以及这些方法的组合。一旦涂覆，层可以可选地干燥和烧结。在一个实施例中，使用冷喷涂工艺形成耐磨层106。
在将硬涂层施用到涡轮转子上之后，可将硬涂层表面精加工到期望的表面粗糙度，诸如镜面精加工。对硬涂层抛光可显著降低涡轮转子表面和刷式密封件之间的摩擦，从而进一步改进刷式密封件和涡轮转子涂层两者的工作寿命。表面精加工技术可包括例如磨削、擦光、抛光等。硬涂层表面可具有大约0.001微米平均粗糙度(Ra)至大约5微米Ra、尤其是大约0.01微米Ra至大约0.1微米Ra的表面粗糙度。
要重申，与刷式密封件齿对未经涂覆的涡轮转子的磨损相比，关于本文描述的经涂覆的涡轮转子的主要技术优点在于更低的刷齿磨损。通过使用冷喷涂硬涂层来实现这个改进的表面耐磨性，冷喷涂硬涂层稠密、硬且基本耐磨，并且可将其精加工成非常精细的表面光洁度。降低刷式密封件磨损和改进其工作寿命会减小泄漏所引起的涡轮功率损耗，从而使得涡轮发动机的功率输出和经济性得到改进。
虽然已经结合仅有限数量的实施例来详细描述了本发明，但应当容易地理解，本发明不限于这样的公开的实施例。相反，可修改本发明，以结合此前未描述但与本发明的精神和范围相当的任何数量的变型、更改、替换或等效布置。另外，虽然已经描述了本发明的多种实施例，但要理解的是，本发明的各方面可包括所描述的实施例中的仅一些。因此，本发明不应视为由前述描述限制，而是仅由所附权利要求的范围限制。

Claims (20)

1. 一种用于将硬涂层施用到涡轮转子上的工艺，包括：
将第一涂层施用到所述涡轮转子的至少一个表面上，所述第一涂层冷喷涂到所述至少一个表面上；
将第二涂层施用到所述第一涂层上，以形成硬涂层，其中，所述硬涂层构造成基本阻挡与所述涡轮转子物理连通的刷式密封件的磨损。
2. 根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，通过选自下者组成的组的涂覆方法来施用所述第二涂层：等离子喷涂、高速等离子喷涂、低压等离子喷涂、溶液等离子喷涂、悬浮液等离子喷涂、化学气相淀积、电子束物理气相淀积、高速氧燃料火焰喷涂、溶胶凝胶、溅射和淤浆工艺。
3. 根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，通过冷喷涂将所述第二涂层施用到所述第一涂层上。
4. 根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述第一涂层包括粘结涂层层。
5. 根据权利要求4所述的工艺，其特征在于，所述第二涂层包括耐磨层。
6. 根据权利要求5所述的工艺，其特征在于，所述粘结涂层层包括这样的镍基超合金，即，其包含大约40重量%的镍，以及由下者组成的组中的至少一个成分：钴、铬、铝、钨、钼、钛、钽、铌、铪、硼、碳和铁。
7. 根据权利要求5所述的工艺，其特征在于，所述粘结涂层层包括不锈钢。
8. 根据权利要求5所述的工艺，其特征在于，所述耐磨层包括这样的钴基超合金，即，其包含至少大约30重量%的钴，以及由下者组成的组中的至少一个成分：镍、铬、铝、钨、钼、钛和铁。
9. 根据权利要求5所述的工艺，其特征在于，所述耐磨层包括金属陶瓷材料。
10. 根据权利要求9所述的工艺，其特征在于，所述金属陶瓷材料包括碳化钨-钴铬(WC-CoCr)或碳化铬-镍铬涂层(CRC/Ni-Cr)。
11. 根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述工艺进一步包括用选自由下者组成的组的方法对所述硬涂层进行后处理：喷丸、声波喷丸、激光冲击喷丸、磨光和热处理。
12. 根据权利要求11所述的工艺，其特征在于，所述工艺进一步包括用选自由磨削、擦光和抛光组成的组的方法将所述硬涂层的表面精加工成大约0.01微米平均粗糙度至大约0.1微米平均粗糙度的表面粗糙度。
13. 根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述硬涂层具有大约25微米至大约2.5厘米的厚度。
14. 根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，将所述第一涂层施用到所述至少一个表面上包括冷喷涂具有多个微粒的粉末材料，其中，所述多个微粒具有大约15微米至大约22微米的微粒直径。
15. 一种与刷式密封件物理连通的涡轮转子，包括：
至少一个涡轮转子表面；以及
设置在所述至少一个涡轮转子表面上的硬涂层，其包括粘结涂层层和至少一个耐磨层，至少所述粘结涂层层冷喷涂在所述至少一个涡轮转子表面上，其中，所述硬涂层构造成在所述涡轮转子的旋转期间，基本阻挡所述刷式密封件的磨损。
16. 根据权利要求15所述的涡轮转子，其特征在于，所述粘结涂层层包括这样的镍基超合金，即，其包含大约40重量%的镍，以及由下者组成的组中的至少一个成分：钴、铬、铝、钨、钼、钛、钽、铌、铪、硼、碳和铁，并且所述耐磨层包括这样的钴基超合金，即，其包含至少大约30重量%的钴，以及由下者组成的组中的至少一个成分：镍、铬、铝、钨、钼、钛和铁。
17. 根据权利要求16所述的涡轮转子，其特征在于，所述硬涂层具有大约25微米至大约2.5厘米的厚度。
18. 一种基本阻挡涡轮发动机中的刷式密封系统的表面磨损的工艺，所述工艺包括：
将硬涂层施用到涡轮转子的至少一个表面上，其中，所述至少一个表面与所述刷式密封系统物理连通，以及其中，施用所述硬涂层包括
　　将第一涂层冷喷涂到所述至少一个表面上；以及
　　将第二涂层施用到所述第一涂层上，以形成所述硬涂层。
19. 根据权利要求18所述的工艺，其特征在于，所述第一涂层是粘结涂层层，而所述第二涂层是耐磨层。
20. 根据权利要求19所述的工艺，其特征在于，所述工艺进一步包括用选自由磨削、擦光和抛光组成的组的方法将所述硬涂层的表面精加工成大约0.01微米平均粗糙度至大约0.1微米平均粗糙度的表面粗糙度。
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