CN106536860B - 保护涡轮机的构件免受液滴侵蚀的方法、构件及涡轮机 - Google Patents
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Abstract
保护涡轮机的构件免受液滴侵蚀的方法提供了利用保护层覆盖暴露于包含待由涡轮机处理的液相的流体的流的构件表面的至少一个区域；保护层由具有1000‑3000HV的范围中的高硬度和低于20MPam1/2的低断裂韧性的不同材料的多个相邻的子层构成；材料通常为钛或铝或铬或钨的氮化物或碳化物；有利地，覆盖通过PVD技术执行，特别是通过阴极电弧PVD，或CVD技术。该方法可应用于涡轮机的任何构件，但其对于离心压缩机的部分特别有利。
Description
技术领域
本文公开的主题的实施例涉及保护涡轮机的构件免受液滴侵蚀的方法、根据此类方法保护的涡轮机的构件，以及包括此类构件的涡轮机。
背景技术
在用于油和气应用的涡轮机的领域中，两种类型的侵蚀影响与由机器处理的流动工作流体接触的部分：固体微粒侵蚀(简言之，SPE)和液滴侵蚀(简言之LDE)。这两种类型的侵蚀可能由于冲击在此部分的表面上的元件的不同稠度而很不同：侵蚀表面且在碰撞之后弹走的坚固体，以及锤击表面且在碰撞之后分解成较小柔软体的柔软体。
侵蚀保护部分可完全由抗侵蚀的单一材料制成，可由特别适于由抗侵蚀的材料制成的保护层覆盖的部分的功能的材料制成的本体构成。
通常，为了防止固体微粒侵蚀，使用了硬质材料，同时为了防止液滴侵蚀，使用了坚韧材料。
很硬的材料由于通常它们不够坚韧来抵抗锤击而在冲击液滴的情况下未提供良好结果。
由于用于油和气应用的涡轮机的领域中所需的提高性能，故总是需要改善的解决方案，包括侵蚀问题的解决方案。本发明处理液滴侵蚀。
概要
发明人认识到，固体微粒侵蚀以一致的方式进行；如图1中所示，侵蚀速率大致恒定。
发明人认识到，液滴侵蚀不以一致方式进行。如图2中所示，在基本上没有材料损失时，存在初始期P1，所谓的″孕育期″；在材料损失很快且大于线性地增大时，存在中间期P2；当侵蚀速率大致恒定时，存在最终期P3。当使用保护层时，层在一些时间之后完全除去，该时间取决于层的宽度通常对应于时期P1和时期P2的一部分的和，见图3。
发明人认识到，很难实现牢固地连接到基底的硬质材料的厚(例如，几十微米)且紧凑的保护层。通常，此层的厚度可仅达到几微米，且因此其侵蚀保护效果相对短。
发明人发现，令人惊讶的是，通过使用由具有高硬度和低断裂韧性的不同材料的多个子层构成的保护层，存在初始″孕育期″，但然后侵蚀很缓慢且大致线性地进行，见图4；根据该现象的简化描述，各种子层相继缓慢地受侵蚀。
此外，各个子层紧凑且牢固地连接到下方的子层；因此，有可能以厚保护层覆盖本体；此层的厚度可达到70微米，且因此其保护效果相对长。
值得提到的是，一些涂层供应商最近开始在市场上提供由具有高硬度和低韧性的不同材料的多个子层构成的保护层来用于防止细、中等和大的微粒引起的侵蚀。
总之，由于上文提到的原因，本领域的技术人员可能不期望此类层对于液滴侵蚀具有给定的良好结果。
发明人考虑了对涡轮机中的这些层使用由具有高硬度和低断裂韧性的不同材料的多个子层构成的保护层，特别是在离心压缩机中，特别是(但不仅是)用于其封闭的离心叶轮。
用于应用此类层(准确而言是层的各个子层)的优选技术是物理汽相沉积，简言之，PVD，更特别地是阴极电弧PVD，或化学汽相沉积，简言之，CVD。
关于封闭的离心叶轮，将注意的是，主要由液滴影响的流动通道表面的区域是入口区和出口区；PVD为视线过程，但幸运的是，对于这些区，有可能定位和定形″靶″，使得它们可直接地或间接地看到(即，通过叶轮的连续旋转)且被覆盖。
第一示例性实施例涉及保护涡轮机的构件免受液滴侵蚀的方法，包括利用保护层覆盖暴露于包含待由涡轮机处理的液相的流体的流的构件表面的至少一个区域；保护层包括不同材料的多个相邻的子层；材料具有1000-3000HV的范围中的高硬度和低于20MPam1/2的低断裂韧性。
材料为两种且布置在交替位置中。
两种材料中的第一材料为钛或锆或铬或钨或铝或钒的化学计量的氮化物或碳化物或硼化物。
两种材料中的第二材料为钛或锆或铬或钨或铝或钒的非化学计量的氮化物或碳化物或硼化物。第二示例性实施例涉及具有暴露于包含由离心压缩机压缩的液相的流体的流的表面的离心压缩机的构件；表面的至少一个区域利用保护层覆盖；保护层包括在交替位置中的两种材料的多个相邻的子层；材料具有1000-3000HV的范围中的高硬度和低于20MPam1/2的低断裂韧性。
第三示例性实施例涉及包括如上文提到的至少一个构件或其中应用如上文提到的方法的涡轮机。
附图简述
本发明将从连同附图考虑的示例性实施例的以下描述变得更清楚，在附图中：
图1示出了对于主体材料的固体微粒侵蚀对时间产生的材料损失的图表；
图2示出了对于主体材料的液滴侵蚀对时间产生的材料损失的图表；
图3示出了对于一层单一材料的液滴侵蚀对时间产生的材料损失的图表；
图4示出了对于根据本发明的实施例的多个子层制成的层的液滴侵蚀对时间产生的材料损失的图表；
图5示出了覆盖涡轮机的构件的表面的根据本发明的层的实施例的示意性截面；
图6示出了根据本发明的封闭的离心叶轮的实施例的示意性截面；
图7示出了根据本发明的隔板的示意性截面视图(也示出了离心叶轮)；
图8A和图8B示意性地示出了根据本发明的用于制造封闭的离心叶轮的实施例的第一可能的阴极电弧PVD步骤；以及
图9A和图9B示意性地示出了根据本发明的用于制造封闭的离心叶轮的实施例的第二可能的阴极电弧PVD步骤。
详细描述
示例性实施例的以下描述参照了附图。不同图中的相同参考标号表示相同或类似的元件。以下详细描述不限制本发明。而是，本发明的范围由所附权利要求限定。
贯穿说明书对″一个实施例″或″实施例″的参照意思是连同实施例描述的特定特征、结构或特点包括在公开主题的至少一个实施例中。因此，贯穿说明书的各个位置出现的短语″在一个实施例中″或″在实施例中″不一定是指相同实施例。此外，特定特征、结构或特点可在一个或多个实施例中以任何适合的方式组合。
图5示出了覆盖涡轮的构件的表面的根据本发明的层的实施例的示意性截面；在该图中，标号S对应于基底，即，构件的本体；存在四个上覆的具有大致相同的宽度的子层L1、L2、L3、L4，其构成保护层。
子层L1、L2、L3、L4为不同材料的，它们中的所有都具有1000-3000HV的范围中的高硬度以及低于20MPam1/2的低断裂韧性。
子层的材料选自包括以下项的组：一种或多种物质的氮化物、碳化物和硼化物(优选氮化物和碳化物)；这些物质选自包括以下项的组：钛、锆、铬、钨、铝和钒(优选钛、铬、钨和铝)。
通常，保护层包括在交替位置中的两种材料的多个相邻的子层；两种材料中的第一材料和两种材料中的第二材料为钛、锆、铬、钨、铝或钒的氮化物、碳化物或硼化物；此类材料的示例为TiN和TiAlN。参看图5，例如，子层L1和L3由第一材料制成，且子层L2和L4由第二材料制成。
在图5的实施例中，子层L1和L3由以化学计量成分的化合物(特别是TiN)制成，且子层L2和L4由以非化学计量成分的相同化合物(特别是TiN)制成；这两种材料具有略微不同的高硬度和略微不同的低韧性。这些子层产生保护，其由于非化学计量成分而具有低韧性，且由于化学计量成分而具有高硬度。
此子层的宽度可不同或大致相等，且在从0.1微米到5.0微米的范围中，优选在从0.3微米到3.0微米的范围中；如果不同，则一个例如可为0.5微米，且另一个例如可为2.0或2.5微米。
子层的总数可从最小2变到最大30；更典型的值在5到10的范围中。
保护层的总宽度可从最小10微米变到最大70微米；更典型的值在15到30微米的范围中。
实现根据本发明的构件的覆盖的第一很有效的方式通过称为″化学汽相沉积″(简言之，CVD)的技术。
实现根据本发明的构件的覆盖的第二很有效的方式通过称为″物理汽相沉积″(简言之，PVD)的技术，更特别地是阴极电弧PVD。
如已知的那样，阴极电弧PVD技术使用″靶″来用于实现待覆盖的部分的沉积；通常，″靶″的位置和/或形状确定成使得至少靶直接地看到将通过沉积覆盖的部分的区域。
根据本发明，由于待覆盖的构件的表面的一些区域可能难以到达(即使适当地研究了靶的位置和形状)，在PVD过程期间，构件的旋转可有利地用于到达不同区域(这将在下文中更清楚)；在该意义上，可以说″靶″的位置和/或形状确定成使得至少靶可间接地看到将通过沉积覆盖的部分的区域。
第一子层(即，结合到基底(图5中的S)的子层(图5中的L1))可完全不同于其它子层，以便优化层到基底的附着；例如，其可为通过无电的镀镍(简言之ENP)或通过电镀制成的厚镍″底板镀层″。
根据本发明的层可应用到涡轮机的任何部分，例如，可能暴露于液滴碰撞的离心压缩机、轴向压缩机和蒸汽涡轮的选择部分；在压缩机的情况下，液滴更可能在第一级或多个级中；在蒸汽涡轮的情况下，液滴更可能在末级或多个级中。
根据本发明的保护层的更有用的应用中的一个为离心压缩机中。
在离心压缩机中，至少在它们中的一些中(即，工作流体包含可由微滴构成和/或转变为微滴的水的那些)，存在许多构件，其可完全地或更通常是部分地利用根据本发明的保护层覆盖。
离心压缩机的构件可为叶轮，且暴露于包含液相的流体流且由保护层覆盖的表面可对应于流动通道的整个内表面。在封闭叶轮(即，实现为单件)的情况下，暴露于包含液相的流体流且由保护层覆盖的表面对应于仅流动通道的入口区和/或流动通道的出口区的表面，更特别地是叶片的表面。图6示出了封闭的离心叶轮60(实现为单件)和两个其流动通道61和62；点63、64和65属于入口区，且点66、67和68属于出口区；点63和67在毂上；点64和68在叶片上；点65和66在罩上；点63示为圆，以便突出图5为该点的放大视图；所有这些点63、64、65、66、67和68为示例性的点，其中特别有利的是具有根据本发明的LDE保护；在此情况下，基底S(即，叶轮的本体)可例如由马氏体不锈钢或镍基合金或钴基合金制成。
将注意的是，第一叶轮通常为大部分由LDE影响的压缩机的构件。
离心压缩机的构件可为隔板；在此情况下，暴露于包含液相的流体流且由保护层覆盖的表面对应于回流通道的整个内表面。图7示出了联接到图6的叶轮60的隔板70(实现为例如通过螺母和螺栓固定到彼此的多件)和回流通道71；点73、74、75和76为示例性的点，其中特别有利的是具有根据本发明的LDE保护；点73在回流通道71的初始U形部分的初始部分的外表面上；点74在回流通道71的初始U形部分的中间部分的外表面上(该点位于所谓的″相反的壳″上)；点75和76分别在回流通道71的开始和结束处的叶片上。
离心压缩机的构件可为入口导向导叶，简言之IGV(即，位于第一压缩机级上游的构件)；在此情况下，暴露于包含液相的流体流且由保护物覆盖的表面可对应于构件的所有表面。该构件未在任何图中示出。
将注意的是，为了降低制造成本，根据本发明的覆盖可仅在构件的一些部分(由LDE影响更大的那些)上完成；例如，隔板的回流通道的叶片和IGV的导叶。
重要的是要记住根据本发明的保护层硬且易碎。因此，例如，当具有此保护层的两个件接触彼此且然后彼此固定时，可能有利的是，其保护层不被压缩；在此情况下，至少一个且优选两个接触区域没有此保护层。
图8A和图8B很示意性地示出了用于制造根据本发明的封闭的离心叶轮60的实施例的第一可能的阴极电弧PVD步骤，更特别地是覆盖步骤。
在图8A和图8B中，封闭的叶轮60水平地布置。
在开放叶轮的情况下，有利的是将其放置成使得开放侧面向下；大体上，有利的是待覆盖的任何表面在PVT或CVD过程期间都面向下。
许多″靶″中的两个标为T1和T2；在覆盖步骤期间，叶轮60围绕其对称轴线旋转。
在图8A和图8B中，箭头示出了朝构件的材料流，其最终沉积在构件上。材料流入叶轮60的流动通路中，且覆盖流动通路的出口区。为了改善流动通路的出口区的覆盖，叶轮60根据第一旋转方向(图8A)且然后根据第二旋转方向(图8B)旋转。由于旋转，故有可能还覆盖靶T1和T2并未直接看到的流动通路的内表面的区域。
图9A和图9B很示意性地示出了用于制造根据本发明的封闭的离心叶轮60的实施例的第二可能的阴极电弧PVD步骤，更特别地是覆盖步骤。
在图9A和图9B中，封闭叶轮60竖直地布置；因此有可能布置第二封闭叶轮90；在覆盖步骤期间，封闭叶轮60和封闭叶轮90两者都围绕垂直于其对称轴线的轴线旋转。
许多″靶″中的六个标为T1、T2、T3、T4、T5和T6。
在图9A和图9B中，箭头示出了朝构件的材料流，其最终沉积在两个构件上。材料流入叶轮60和90的流动通路中，且覆盖流动通路的入口区。为了改善流动通路的入口区的覆盖，叶轮60和90根据第一旋转方向(图9A)且然后根据第二旋转方向(图9B)旋转。由于旋转，故有可能还覆盖靶T1、T2、T3、T4、T5和T6并未直接看到的流动通路的内表面的区域。
Claims (14)
1.一种保护涡轮机的构件免受液滴侵蚀的方法，包括利用保护层覆盖暴露于包含待由所述涡轮机处理的液相的流体的流的构件表面的至少一个区域，其中所述保护层包括在交替位置中的两种材料的多个相邻的子层(L1，L2，L3，L4)，
其中所述材料具有1000-3000HV的范围中的高硬度以及低于20MPam1/2的低断裂韧性；且其中所述两种材料中的第一材料为钛或锆或铬或钨或铝或钒的化学计量的氮化物或碳化物或硼化物，且所述两种材料中的第二材料为钛或锆或铬或钨或铝或钒的非化学计量的氮化物或碳化物或硼化物。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述两种材料分别为化学计量的氮化钛(TiN)和非化学计量的氮化钛。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，所述覆盖通过CVD技术执行。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，所述覆盖通过PVD技术执行。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述PVD技术为阴极电弧PVD，用于所述阴极电弧PVD的″靶″的位置和/或形状确定成使得至少所述靶直接或间接地看到待覆盖的构件表面的所述至少一个区域的部分。
6.一种具有暴露于包含待由离心压缩机压缩的液相的流体的流的表面的离心压缩机的构件，其中所述表面的至少一个区域(S)利用保护层覆盖，其中所述保护层包括在交替位置中的两种材料的多个相邻的子层(L1，L2，L3，L4)，其中所述材料具有1000-3000HV的范围中的高硬度和低于20MPam1/2的低断裂韧性。
7.根据权利要求6所述的构件，其特征在于，所述构件为隔板，其中暴露于流体流的所述表面由所述保护层完全覆盖。
8.根据权利要求6所述的构件，其特征在于，所述构件为开放叶轮，其中暴露于流体流的所述表面由所述保护层完全覆盖。
9.根据权利要求6所述的构件，其特征在于，所述构件为封闭叶轮，其中暴露于流体流的所述表面仅在通道的入口区处和/或通道的出口区处由所述保护层覆盖。
10.根据权利要求6所述的构件，其特征在于，所述构件为入口导向导叶，其中暴露于流体流的所述表面由所述保护层完全覆盖。
11.一种包括根据权利要求6至权利要求10中任一项所述的构件或所述的构件的组合的离心压缩机。
12.根据权利要求11所述的离心压缩机，
其特征在于，各个构件的主体材料为马氏体不锈钢或镍基合金或钴基合金。
13.一种轴向压缩机，其中至少第一级或多个级的叶片具有根据权利要求1至权利要求5中任一项所述的方法形成的用于保护的保护层。
14.一种蒸汽涡轮，其中至少末级或多个级的叶片具有根据权利要求1至权利要求5中任一项所述的方法形成的用于保护的保护层。
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