CN104001904A - 用于制造金属陶瓷复合结构的方法和金属陶瓷复合结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于制造金属陶瓷复合结构的方法和金属陶瓷复合结构。该金属陶瓷复合结构意图暴露于高温，包括基底金属结构或构件，其在至少一侧上被覆盖并且与一个或更多个陶瓷瓦永久地连结。方法包括：a)制造一个或更多个料坯，且烧结料坯以得到一个或更多个陶瓷瓦；b)将陶瓷瓦布置在铸造模具中；c)将液态金属注入铸造模具中，以便制作中间金属层；其中，中间金属层形成为具有陶瓷瓦中间金属层之间的机械互锁；d)在注入金属的凝固之后，从铸造模具取出所得的金属陶瓷结构；并且然后，具有中间层的陶瓷瓦与基底金属结构或构件永久地连结。

Description

用于制造金属陶瓷复合结构的方法和金属陶瓷复合结构
技术领域
本发明涉及用于制造复合结构的方法。它涉及用于制造根据权利要求1前序的金属陶瓷复合结构的方法。它还涉及用于在高温条件(优选地，高于300℃)下使用的金属陶瓷复合结构。
背景技术
烧结陶瓷瓦具有高于隔热涂层(TBC，thermal barrier coating)的温度能力，隔热涂层常常使用在燃气涡轮的热气体路径中。因此，出于隔离目的，在达到应用极限之前，较厚的陶瓷瓦可用作热防护件。这又允许对该部分的增大的冷却空气节省，这对于机械的总体效率是有益的。
然而，陶瓷瓦对基底金属结构的连结是一个难题。它们不可像TBC那样喷射到基底金属结构的表面上，因为它们需要在超过基底金属熔解温度的温度下烧结。因此，预制烧结陶瓷瓦必须连结于基底金属结构。
连结的现有技术是连同其他技术一道将陶瓷瓦粘合于基底结构(例如，美国航天飞机)。粘合的手段例如为粘合剂(cement)或硬焊(brazing)。
陶瓷瓦对基底金属结构的此种连结需要连结配对件的低形状公差和连结金属与陶瓷的合适的硬焊。残余剪应力通常导致连结附近的破裂和故障。
在本领域中还知道其他技术：
文献US 3,918,255公开了一种燃气涡轮发电设备，其中金属燃烧室缸在其内侧上衬有两个陶瓷材料层。径向最内层为互锁的瓦状致密陶瓷材料结构，其提供良好的热冲击抵抗力。设置在金属缸与最内层之间的中间层为低密度陶瓷材料，其提供较高的热隔离。陶瓷材料层由陶瓷管支承，陶瓷管从燃烧器的外金属缸穿过中间壁和内壁而延伸。该管还用于将冷却空气引导到燃烧室中并且增加该室内的燃烧燃料和空气的湍流。
文献JP 59004824 A公开了一种结构，其中，瓦形陶瓷部件布置在热燃气涡轮燃烧器的金属内缸的表面处，内缸的所述金属表面由具有8-30%的孔隙率的陶瓷层覆盖。所应用的陶瓷层为多孔材料且优选地具有近似于金属结构的热膨胀系数的值。作为陶瓷的示例，应用氧化钇(Y2O3)、稳定氧化锆(ZrO2)、氧化镁(MgO)、氧化钙(CaO)等。在陶瓷层的孔隙率小于8%的情况下，可容易进行该层的粘着剥离(tacky peeling)，且反过来，如果它超过30%或更多，则可容易进行该层的凝聚聚合剥离(cohesion aggregation peeling)。陶瓷的厚度优选地在0.1-0.5mm的范围内。
文献EP 0 658 724 A2公开了一种特别是用于燃气涡轮的燃烧室，其具有中空柱形支承壁，在该支承壁的内侧上布置有由单独的陶瓷元件组成的内衬，陶瓷元件设计为偏方三八面体(trapezohedron)，其基底区域适应于燃烧室的几何形状并且紧固于支承壁的内侧。
文献US 2011/0123323 A1公开了一种用在燃气涡轮发动机中的组件，其具有底层金属片和至少一个陶瓷基质复合瓦，该陶瓷基质复合瓦利用至少一个紧固组件而附接于底层金属片。板式紧固组件包括紧固件，该紧固件具有从头部向后延伸的带螺纹部分，该头部具有面对带螺纹部分的截头圆锥表面(frustoconical surface)。截头圆锥表面被接收在陶瓷基质复合板中的截头圆锥开孔中。衬瓦(bushing)定位在金属片的与陶瓷基质复合板的相对侧上。衬瓦具有从金属片延伸离开的凸缘。套管(sleeve)被接收在紧固件的带螺纹部分周围，并且从板延伸离开，超过金属片。套管具有径向地向外朝衬瓦上的凸缘延伸的唇部，使得衬瓦上的凸缘延伸超过限定在唇部与衬瓦上的安置表面之间的空间。波形弹簧被接收在腔内。
若干其他文献，例如JP H04 119974 A、JP H01 99767 A或JP S60 155579 A的说明书摘要公开了通过将熔融金属铸造在具有互锁连结的陶瓷上来形成陶瓷金属复合材料或工件。
另一方面，从文献US 2011/0243724 A1得知，可通过所谓双铸法(bi-cast)来建立金属对金属连结。
然而，仍然存在对制造金属陶瓷复合结构的处理的需要，尤其是对于用在燃气涡轮的热气体路径中的构件，该处理形成具有优异的机械稳定性和高温能力的结构。
发明内容
本发明的一个目标是建立一种用于制造金属陶瓷复合结构的方法，该方法满足这些需要且避免现有技术方法的缺点。
本发明的另一个目的是提供一种金属陶瓷复合结构，其在机械和热稳定性方面优于已知的复合结构。优选地，根据本发明的金属陶瓷复合结构将用在超过300℃的温度下。
这些和其他目标通过根据权利要求1的方法和根据权利要求9的金属陶瓷复合结构而获得。
一种根据本发明的用于制造金属陶瓷复合结构的方法，该金属陶瓷复合结构优选地意图暴露于高温，包括基底金属结构或构件，其在至少一侧上被覆盖并且与一个或更多个陶瓷瓦永久地连结。
该方法包括下列步骤：
a) 制造一个或更多个料坯(green body)，其中腔从所述料坯的一侧上的表面延伸到所述料坯内部，且烧结所述料坯以得到具有相应的腔的一个或更多个陶瓷瓦；
b) 将所述陶瓷瓦布置在铸造模具中，由此陶瓷瓦用作所述模具的一部分；
c) 以将所述陶瓷瓦的所述腔完全地填充或填充到很大程度的温度和压力将液态金属注入所述铸造模具中，以便制作中间金属层，该中间金属层与所述基底金属结构或构件连结；其中，该中间层形成为具有所述陶瓷瓦与所述中间金属层之间的机械互锁；
d) 在所述注入金属的凝固之后，从所述铸造模具取出所得的金属陶瓷结构，该金属陶瓷结构在所述陶瓷瓦与所述中间金属层之间具有其机械互锁，并且然后，具有所述中间层的所述陶瓷瓦与所述基底金属结构或构件永久地连结。
由于中间金属层13(其优选地以厚度a覆盖瓦的整个连结面)，于是该金属陶瓷结构可以以通常的方式(例如，通过金属对金属硬焊)与基底金属结构或构件连结。这是一个巨大的优点。
料坯是由陶瓷粉末混合物(包括永久添加剂)通过如铸造、塑形成形和压制等的成形处理而制造的。它们还包含水分，且通常包含有机抗絮凝剂、塑化剂、粘结剂和其他添加剂。在较高温度下为挥发性的全部成分(即，其汽化或分解)必须在烧结之前特别小心地从料坯移除，以便避免损害。
根据本发明的一个实施例，用于所述基底金属结构或构件或中间金属层的金属为镍基超级合金。
根据本发明的又一个实施例，在步骤(b)中，可溶解陶瓷用于组装和遮蔽(masking)。
根据本发明的另一个实施例，所述陶瓷瓦中的所述腔以此种方式布置，即，使得所述机械互锁处的陶瓷中的大部分在超过使用温度范围的随后使用期间处于压缩下。
根据本发明的再一个实施例，所述基底金属结构或构件为燃气涡轮的热气体路径。
特别地，所述基底金属结构或构件为定子热屏蔽件。
特别地，所述基底金属结构或构件为燃烧器衬套。
特别地，所述基底金属结构或构件为叶片(blade)和/或导叶(vane)的平台和/或翼型件。
根据本发明的金属陶瓷复合结构，其优选地用于用在高温条件下，尤其是在燃气涡轮中，包括基底金属结构或构件或中间金属层，其在至少一侧上被覆盖并且与一个或更多个陶瓷瓦永久地连结。其特征在于：所述陶瓷瓦与所述中间金属层之间的所述连结包括所述陶瓷瓦与所述中间金属层之间的机械互锁，所述机械互锁由所述陶瓷瓦内的腔构成，该腔利用金属完全地填充或填充到很大程度，其直接与中间金属层连结，并且所述中间层与所述基底金属结构或构件连结。
根据本发明的一个实施例，所述基底金属结构或构件为燃气涡轮的热气体路径。
特别地，所述基底金属结构或构件为定子热屏蔽件。
特别地，所述基底金属结构或构件为燃烧器衬套。
特别地，所述基底金属结构或构件为叶片和/或导叶的平台和/或翼型件。
根据本发明的另一个实施例，用于所述基底金属结构或构件或中间层的金属为镍基超级合金。
附图说明
现在将通过不同实施例且参照附图来更仔细地说明本发明。
图1示出根据本发明的实施例的制造方法中的各种处理步骤，并且
图2示出根据本发明的结构的实施例。
具体实施方式
本发明基于如下构思，即，利用基底结构与具有中间层的陶瓷瓦之间的一体化机械互锁来替代粘合。这在图2(示意图)中示出。图2的金属陶瓷复合结构30包括基底金属结构或构件(例如，叶片、导叶、燃烧器衬套、平台等)23，其在该情况下在其背侧上具有冷却室，以用于在具有冲击板25的冲击冷却布置中接收冷却空气。在操作期间，冷却空气穿过多个冲击孔26进入室24，冲击在构件23的内壁上，并且穿过冷却空气通道27而退出。
利用陶瓷瓦21和22保护构件23的热加载前侧免受高温影响，陶瓷瓦21和22以间隙29抵接并且利用瓦21、22中的蘑菇状腔28形式的机械互锁元件而固定在构件23的前侧上，腔28填充有金属且形成中间层13。金属可为类似于制成构件23的金属的相同材料。腔可具有其他形式(例如见图1(a)，腔12)。在任何情况下，陶瓷瓦中的腔应以此种方式布置，即，使得机械互锁处的陶瓷中的大部分在超过使用温度范围的操作期间处于压缩下。
此种部分的制造过程如下(见图1)：
首先，制造一个或更多个料坯，其具有腔12、28，腔12、28从所述料坯的一侧上的表面延伸到所述料坯内部，且然后，烧结以得到具有相应的腔12(或图2中的28)的一个或更多个陶瓷瓦11(或图2中的21、22)。
然后，所述陶瓷瓦11、21、22布置在合适的铸造模具(未在图中明确示出)中，由此陶瓷瓦11、21、22与它们的腔12、28本身一起用作所述模具的一部分。
在下一步中，液态金属(优选地为镍基超级合金)以利用所述金属将所述陶瓷瓦11、21、22的所述腔12、28完全地填充或填充到很大程度的温度和压力穿过相应的填充通道注入铸造模具中，以便制作陶瓷金属复合结构，该陶瓷金属复合结构具有与所述基底金属结构或构件14连结的中间金属层13(如图1所示)。因而陶瓷瓦11、21、22与它们的腔一起为模具的一部分。
在所述注入金属的凝固之后，从所述铸造模具取出所得的金属陶瓷结构，该金属陶瓷结构在所述陶瓷瓦11与所述中间金属层13(图1)之间具有其机械互锁。
由于中间金属层13(图1)(其优选地以厚度a覆盖瓦11的整个连结面)，于是该金属陶瓷结构11、13可以以通常的方式(例如，通过金属对金属硬焊)与基底金属结构或构件14连结。这是一个巨大的优点。
本发明允许将陶瓷瓦附接于燃气涡轮的热气体路径部分，例如定子热屏蔽件、燃烧器衬套、叶片和导叶的平台和翼型件。当用于更复杂的部分(如叶片和导叶)时，可在与文献EP 2 189 626 B1中公开的转子叶片布置的连接中有利地利用该构思，以简化部分的几何形状。
本发明的优点是：
·将陶瓷瓦连结于基底结构的简单方案；
·成本效果合算的连结处理；
·在固定区域处，陶瓷瓦在操作期间处于压缩下，因为金属的热膨胀系数大于陶瓷的热膨胀系数，因而在低于金属的熔点的情况下，陶瓷始终处于压缩下，这对于陶瓷是有益的。
参考标号列表
10、30 金属陶瓷复合结构
11、21、22 陶瓷瓦
12、28 腔
13 中间金属层
14、23 基底金属结构或构件
15、24 冷却室
16 冷却肋片或柱
25 冲击板
26 冲击孔
27 冷却空气通道
29 间隙

Claims (14)

1. 一种用于制造金属陶瓷复合结构(10、30)的方法，所述金属陶瓷复合结构(10、30)优选地意图暴露于高温，包括基底金属结构或构件(14、23)，其在至少一侧上被覆盖并且与一个或更多个陶瓷瓦(11、21、22)永久地连结，所述方法包括下列步骤：
a) 制造一个或更多个料坯，其中腔(12、28)从所述料坯的一侧上的表面延伸到所述料坯的内部，且烧结所述料坯以得到具有相应的腔(12、28)的一个或更多个陶瓷瓦(11、21、22)；
b) 将所述陶瓷瓦(11、21、22)布置在铸造模具中，由此所述陶瓷瓦(11、21、22)用作所述铸造模具的一部分；
c) 以将所述陶瓷瓦(11、21、22)的所述腔(12、28)完全地填充或填充到很大程度的温度和压力将液态金属注入所述铸造模具中，以便制作中间金属层(13)，所述中间金属层(13)与所述基底金属结构或构件(14)连结；其中，所述中间金属层(13)形成为具有所述陶瓷瓦(11、21、22)所述中间金属层(13)之间的机械互锁；
d) 在所述注入金属的凝固之后，从所述铸造模具取出所得的金属陶瓷结构，所述金属陶瓷结构在所述陶瓷瓦(11、21、22)与所述中间金属层(13)之间具有其机械互锁；并且然后，具有所述中间层(13)的所述陶瓷瓦(11、21、22)与所述基底金属结构或构件(14、23)永久地连结。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：用于所述基底金属结构或构件(14、23)或所述中间金属层(13)的金属为镍基超级合金。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤(b)中，可溶解陶瓷用于组装和遮蔽。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述陶瓷瓦(11、21、22)中的所述腔(12、28)以此种方式布置，即，使得所述机械互锁处的陶瓷中的大部分在超过使用温度范围的随后使用期间处于压缩下。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述基底金属结构或构件(14、23)为燃气涡轮的热气体路径部分。
6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述基底金属结构或构件(14、23)为定子热屏蔽件。
7. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述基底金属结构或构件(14、23)为燃烧器衬套。
8. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述基底金属结构或构件(14、23)为叶片和/或导叶的平台和/或翼型件。
9. 一种金属陶瓷复合结构(10、30)，其优选地用于用在高温条件下，尤其是在燃气涡轮中，包括基底金属结构或构件(14、23)和中间金属层(13)，其在至少一侧上被覆盖并且与一个或更多个陶瓷瓦(11、21、22)永久地连结，其特征在于：所述陶瓷瓦(11、21、22)与所述中间金属层(13)之间的所述连结包括所述陶瓷瓦(11、21、22)与所述中间金属层(13)之间的机械互锁，所述机械互锁由所述陶瓷瓦(11、21、22)内的腔(12、28)构成，腔(12、28)利用金属而完全地填充或填充到很大程度，其直接与所述中间层(13)连结，并且所述中间层(13)与所述基底金属结构或构件(14、23)连结。
10. 根据权利要求9所述的金属陶瓷复合结构，其特征在于：所述基底金属结构或构件(14、23)为燃气涡轮的热气体路径部分。
11. 根据权利要求10所述的金属陶瓷复合结构，其特征在于：所述基底金属结构或构件(14、23)为定子热屏蔽件。
12. 根据权利要求10所述的金属陶瓷复合结构，其特征在于：所述基底金属结构或构件(14、23)为燃烧器衬套。
13. 根据权利要求10所述的金属陶瓷复合结构，其特征在于：所述基底金属结构或构件(14、23)为叶片和/或导叶的平台和/或翼型件。
14. 根据权利要求10所述的金属陶瓷复合结构，其特征在于：用于所述基底金属结构或构件或中间金属层(13、14、19、23)的金属为镍基超级合金。
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