CN109070219B

CN109070219B - 用于制造涡轮机的涡轮护罩的方法

Info

Publication number: CN109070219B
Application number: CN201780023920.7A
Authority: CN
Inventors: 让-巴普蒂斯特·莫廷; 扬妮克·马赛尔·贝奈特; 杰弗洛伊·谢瓦利尔; 罗曼·埃菲尔; 克劳德·伊斯图内斯
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Universite Toulouse III Paul Sabatier
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Universite Toulouse III Paul Sabatier
Priority date: 2016-03-14
Filing date: 2017-03-10
Publication date: 2021-08-17
Anticipated expiration: 2037-03-10
Also published as: FR3048629B1; CN109070219A; FR3048629A1; US20190054537A1; WO2017158264A1; EP3429784A1; US10843271B2

Abstract

本发明涉及一种用于制造涡轮机的涡轮护罩(24)的方法，该方法包括制造至少一个涡轮护罩区段(26)，将涡轮护罩区段(26)定位在下模具中，使得涡轮护罩区段的外表面至少部分地与下模具接触，以及在涡轮护罩区段(26)的内表面(28)上沉积粉末层。然后，上模具放置在粉末层上，并且通过使粉末层烧结的火花等离子体来制造耐磨损涂层(32)，耐磨损层(32)设置为从涡轮叶轮穿过。

Description

用于制造涡轮机的涡轮护罩的方法

技术领域

本公开涉及一种用于制造涡轮机的涡轮护罩的方法。

背景技术

在许多旋转机器中，现在已知的是，向定子的环提供面向转子叶片的尖端的耐磨轨道。这种轨道使用所称的“耐磨”材料制成，当它们与旋转叶片接触时，材料比叶片本身更容易磨损。这用于确保转子与定子之间的最小间隙，从而改善旋转机器的性能，而不会在叶片摩擦定子时具有损坏叶片的风险。相反，这种摩擦会侵蚀耐磨轨道，从而自动地使定子的护罩的直径尽可能地与转子的相匹配。因此，这种耐磨轨道通常安装在涡轮机压缩机中。

相反，这种轨道的使用在这种涡轮机的涡轮中较不常见，特别是在物理化学条件极端的高压涡轮中。

具体来说，来自燃烧室的燃烧气体以非常高的温度和压力水平流入高压涡轮，从而导致传统耐磨轨道的过早磨损。

在这种情况下，为了保护涡轮护罩，通常优选的是为其提供隔热型涂层，该涂层由用于保护护罩免受侵蚀和腐蚀的材料制成，并且该材料的密度也高，足够高以用于涂层有效耐磨。

然而，在这种情况下，自然可以理解的是，在与定子接触的情况下不再确保叶片的完整性，这使得必须在转子与定子之间提供更大的间隙，因此增加了通过叶片尖端的泄漏率，从而降低了涡轮机的性能。

发明内容

本公开试图至少部分地弥补这些缺点。

为此，本公开涉及一种制造用于涡轮机的涡轮护罩的方法，该方法包括以下步骤：

·制造至少一个涡轮护罩扇区；

·将涡轮护罩扇区定位在底部模具中，使得涡轮护罩扇区的外表面至少部分地与底部模具接触；

·在涡轮护罩扇区的内表面上沉积粉末层；

·将顶部模具放置在粉末层上；和

·通过使粉末层经受SPS烧结的方法在内表面上制造耐磨损层，该耐磨损层用于面向涡轮叶轮设置。

涡轮护罩通常由多个部分制成，每个部分形成涡轮护罩扇区，其尺寸与整个涡轮护罩的尺寸相比较小。因此，将护罩扇区放置在模具中是简单的。

涡轮护罩扇区的内表面是当涡轮护罩安装在涡轮中时面向涡轮叶轮的表面，因此其是在其上沉积粉末层的内表面。

SPS烧结方法(SPS代表“放电等离子体烧结”)也称为场辅助烧结技术(FAST)，或称为快速烧结，并且它是一种烧结方法，在烧结粉过程中粉末同时经受高温-电流脉冲和单轴压力以形成烧结材料。SPS烧结通常在受控气氛下进行，并且可以通过热处理来辅助。

SPS烧结的持续时间相对较短，并且SPS烧结使得可以选择具有相对较少限制的起始粉末。具体地说，SPS烧结使得尤其可以烧结，即致密化，焊接或实际上不可能焊接的相对复杂材料，因为它们是在加热时容易破裂的材料。由于选择SPS烧结和这种烧结的短的持续时间，因此可以用各种各样的材料制造耐磨损层。

此外，由于SPS烧结是在通过底部模具和顶部模具施加在粉末层上的单轴压力下进行的，因此用于生产耐磨损层的烧结产生的粉末层的收缩限于其中压力被施加的方向。因此，在垂直于施加压力的方向上没有观察到粉末层的收缩。耐磨损层因此覆盖护罩扇区的整个内表面。

因此，涡轮护罩被覆盖在耐磨损层中。因此可以在涡轮护罩与转子之间提供间隙，例如，使涡轮叶轮的叶片相对较小，并且可用于改善涡轮的性能，但是在它们与定子的护罩摩擦的情况下没有任何损坏叶片的风险。

此外，SPS烧结使得能够在耐磨损层与形成护罩扇区的材料之间形成扩散层，使得耐磨损层牢固地附着到形成护罩扇区的材料上。以这种方式形成的耐磨损层不能以无意的方式从护罩扇区中移除。

该方法还可包括以下步骤

·将多个涡轮护罩扇区组装在一起，每个涡轮护罩扇区的内表面覆盖在耐磨损层中；和

·加工耐磨损层的自由表面。

一旦多个这些涡轮护罩扇区组装在一起，每个护罩扇区的耐磨损层均呈现自由表面，该自由表面不一定必须从相邻护罩扇区的自由表面连续延伸。因此，各种护罩扇区的自由表面被机械加工，使得面向涡轮叶轮的表面呈现尽可能小的不连续性。具体地，如果存在任何这种不连续性，那么涡轮叶轮可以抵抗这种不连续性，从而导致涡轮机内的冲击，这是不希望的。

底部模具的形状可与涡轮护罩扇区的外表面互补。

因此，底部模具对护罩扇区的外表面施加相对均匀的压力。然而，由于底部模具呈现出与护罩扇区的外表面互补的形状，因此模具使得可由于制造护罩扇区的方法而可适应于从一个护罩扇区到另一个护罩扇区的尺寸变化。具体而言，并在例中，涡轮扇区可以通过铸造方法获得，每个涡轮扇区的尺寸可以从一个涡轮扇区到另一个涡轮扇区稍微变化。

在将涡轮护罩扇区定位在底部模具和顶部模具中之前，可以在底部模具和顶部模具上沉积一层化学惰性材料。

该层化学惰性材料使得可以在SPS烧结过程中减少粉末层与具有底部模具和顶部模具的涡轮护罩扇区之间的化学反应。化学惰性材料尤其用于减少或甚至避免耐磨损材料层和/或护罩扇区粘附到模具的部分。

该化学惰性材料还使得可以减少或甚至避免在耐磨损层的自由表面上的碳化物层的任何形成。期望避免形成这样的碳化物层，因为形成的任何碳化物层需要在使用之前从耐磨损层移除。

在底部模具中，化学惰性材料还可用于填充底部模具与涡轮护罩扇区的外表面之间存在的间隙。这改善了通过底部模具对涡轮护罩扇区施加的压力的均匀性，并因此改善了施加在粉末层上的压力的均匀性。

在例中，化学惰性材料可包括氮化硼或刚玉。当化学惰性材料被称为“包含”氮化硼时，其用于表示该材料包含至少95％重量的氮化硼。同样地，当化学惰性材料被称为“包含”刚玉时，其用于表示该材料包含至少95％重量的刚玉。

粉末可以是基于钴或镍的金属粉末。

术语“基于钴”用于表示其中钴呈现最大重量百分比的金属粉末。同样，术语“基于镍”用于表示其中镍具有最大重量百分比的金属粉末。因此，在例中，包含38％重量钴和32％重量镍的金属粉末被称为钴基粉末，因为钴是在金属粉末中具有最大重量百分比的化学元素。

钴基或镍基金属粉末是在烧结后呈现良好高温强度的粉末。因此，它们可以执行耐磨损和提供隔热罩这两个功能。在例中，可以提及CoNiCrAlY超合金。这些金属粉末还具有提供与形成涡轮护罩的材料，例如AM1或N5超合金的化学组成相似的化学组成的优点。

SPS烧结可以进行短于或等于60分钟，优选短于或等于30分钟，更优选短于或等于15分钟的持续时间。

因此，SPS烧结的持续时间相对较短。

顶部模具和底部模具可以由石墨制成，并且SPS烧结可以在高于或等于800℃，优选高于或等于900℃的温度下进行。

SPS烧结可以在高于或等于10兆帕(MPa)，优选高于或等于20MPa，更优选高于或等于30MPa的压力下进行。

顶部模具和底部模具可以由碳化钨制成，SPS烧结可以在高于或等于500℃，优选高于或等于600℃的温度下进行。

SPS烧结可以在高于或等于100MPa，优选高于或等于200MPa，更优选高于或等于300MPa的压力下进行。

耐磨损层可具有小于或等于20％，优选小于或等于15％，更优选小于或等于10％的表观孔隙率。

通过使用SPS烧结方法，可以改变烧结参数，例如压力、烧结温度和/或烧结时间，从而改变所得耐磨损层的孔隙率。这种用于制造涡轮机的涡轮护罩的方法因此提供了很大的灵活性。

耐磨损层的厚度可以大于或等于0.5毫米(mm)，优选大于或等于4mm，并且小于或等于15mm，优选地小于或等于10mm，仍然是更优选小于或等于5毫米。

涡轮护罩中的涡轮护罩扇区的数量可以大于或等于20，优选地大于或等于30，还更优选地大于或等于40。

附图说明

本发明的其他特征和优点从作为非限制性示例给出的本发明的实施方式的以下描述中并且参考附图显现，其中：

图1是涡轮机的纵向剖视图；

图2是包括耐磨损层的涡轮护罩扇区的示意性立体图；

图3是用于SPS烧结的模具中的涡轮护罩扇区的剖视图，该剖面与图2的剖面III-III相似；

图4A和4B分别是在加工耐磨损层的自由表面之前和之后，在耐磨损层中覆盖的多个涡轮护罩扇区的示意侧视图；

图5是护罩扇区与耐磨损层之间界面的扫描电子显微镜图像；

图6显示了某些化学元素的浓度在护罩扇区的耐磨层中是如何变化的；和

图7A-7D是显示各种耐磨损层的微观结构的扫描电子显微镜图像。

具体实施方式

图1示出了在包含其主轴线A的竖直平面上的截面中看到的旁通喷气发动机10。沿气流的流动方向从上游到下游，旁通喷气发动机10包括风扇12、低压压缩机14、高压压缩机16、燃烧室18、高压涡轮20和低压涡轮22。

高压涡轮20具有多个与转子一起旋转的叶片20A和安装在定子上的桨叶20B。涡轮机20的定子具有多个定子护罩24，所述定子护罩24面向涡轮机20的叶片20A设置。

从图2中可以看出，每个定子护罩24均由多个护罩扇区26制成。每个护罩扇区26均具有内表面28、外表面30和耐磨损层32，转子的叶片20A抵靠该耐磨损层32进行摩擦接触。

在例中，护罩扇区26由钴基或镍基超合金制成，如超合金AM1或N5超合金，耐磨损层32由基于钴或镍的金属粉末获得。

用于制造涡轮护罩24的方法包括用于例如通过使用铸造方法制造至少一个涡轮护罩扇区26的第一步骤。

图3以剖视图示出了用于SPS烧结的模具中的涡轮护罩扇区26。模具包括底部模具34，其形状与护罩扇区26的外表面30互补。

护罩扇区26定位在底部模具34中，使得护罩扇区26的外表面30至少部分地与底部模具34接触。因此，底部模具34在护罩扇区26的整个外表面30上不与底部模具34接触。护罩扇区26与底部模具34之间可见的间隙用于适应由于制造各种护罩扇区26的方法引起的尺寸变化。然而，由于底部模具34的形状与护罩扇区26的外表面30互补，因此由底部模具34施加在护罩扇区26上的压力相对均匀。

此后，粉末层36沉积在护罩扇区26的内表面28上，顶部模具38定位在粉末层36上。

此后，执行SPS烧结步骤，其用于获得直接在护罩扇区26上制成的耐磨损层32。在例中，顶部模具38和底部模具34可以由石墨制成。它们同样可以由碳化钨制成。

在将护罩扇区26放置在底部模具34中之前，可以在底部模具34和顶部模具38上沉积一层化学惰性材料。在例中，化学惰性材料可以使用喷雾施加氮化硼。还可以添加氮化硼粉末以填充护罩扇区26与底部模具34之间存在的间隙。

化学惰性材料也可以是刚玉。

此后，涂覆在耐磨损层32中的护罩扇区26从模具中移除。

如图4A所示，为了构成完整的护罩24，将多个护罩扇区26组装在一起，每个护罩扇区26覆盖在耐磨损层32中。一旦这些涡轮护罩扇区26已经组装好在一起，每个护罩扇区的耐磨损层32具有自由表面44，该自由表面44不需要必须从相邻的护罩扇区26的自由表面44连续延伸。因此，各种护罩扇区26的自由表面44被加工成以便提供了面向涡轮叶轮的机加工表面46。机加工表面46呈现尽可能小的不连续性。特别是，如果存在任何这种不连续性，那么涡轮叶轮可以抵抗这种不连续性，从而导致涡轮机内的冲击，这是不希望的。

图5是用扫描电子显微镜制作的护罩扇区26与耐磨损层32之间的界面的图像。在例中，该耐磨损层32在950℃在40MPa的压力下在护罩扇区26上烧结30分钟。

在冷却时，即从循环的开始，或在烧结过程中，当施加热时，可施加压力。

从图5和图6中可以看出，化学成分沿着图5的线40逐渐变化，从护罩扇区26开始并朝向耐磨损层32，扩散区42被限定在护罩扇区26与耐磨损层32之间的界面处。

图7A-7D示出了耐磨损层32的各种微结构，其表现出为约10％、约7％、约3％并且实际上为零的各自的表观孔隙率。

因此可以看出，通过改变SPS烧结参数，例如温度、压力和烧结时间，可以获得呈现不同结构的耐磨损层32。在例中，图7A示出了在SPS烧结步骤过程中在925℃下10分钟同时施加20MPa的压力下获得的耐磨损层32。图7D示出了在SPS烧结步骤过程中在950℃下30分钟同时施加40MPa的压力下获得的耐磨损层32。

可以理解，在SPS烧结之后获得的耐磨损层32的厚度具体取决于沉积在护罩扇区26的内表面28上的粉末层36的厚度和SPS烧结参数。在SPS烧结后获得的耐磨损层32的厚度也可取决于所用粉末的粒度和形态。特别是，粉末的形态可取决于制造粉末的方法。因此，通过气态雾化或通过旋转电极制造的粉末具有基本上球形的颗粒，而通过液体雾化制造的粉末具有不规则形状的颗粒。

尽管参考具体实施方式描述了本公开，但是显然可以对那些实施方式进行各种修改和改变，而不超出由权利要求限定的本发明的一般范围。而且，上述各种实现方式的各个特征可以在另外的实现方式中组合。因此，应该在说明性而非限制性的意义上考虑说明书和附图。

Claims

1.一种用于制造涡轮机的涡轮护罩(24)的方法，所述方法包括以下步骤：

制造至少一个涡轮护罩扇区(26)；

将所述涡轮护罩扇区(26)定位在底部模具(34)中，使得所述涡轮护罩扇区(26 )的外表面(30)至少部分地与所述底部模具(34)接触；

在所述涡轮护罩扇区(26)的内表面(28)上沉积粉末层(36)，其中的粉末是基于钴或镍的金属粉末；

将顶部模具(38)定位在所述粉末层(36)上；以及

通过使所述粉末层(36)经受SPS烧结的方法在所述内表面(28)上制成一耐磨损层(32)，所述耐磨损层(32)面向涡轮叶轮设置，

其中在将所述涡轮护罩扇区(26)定位在所述底部模具(34)和所述顶部模具(38)中之前，在所述底部模具(34)和所述顶部模具(38)上沉积一层化学惰性材料，以减少粘到模具的部分上的耐磨材料层和/或护罩扇区。

2.根据权利要求1所述的方法，其还包括以下步骤：

将多个涡轮护罩扇区(26)组装在一起，每个涡轮护罩扇区(26)的内表面(28)均被覆盖在耐磨损层(32)中；以及

加工所述耐磨损层(32)的自由表面(44)。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述底部模具(34)的形状与所述涡轮护罩扇区(26)的外表面(30)互补。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述SPS烧结进行的持续时间短于或等于60分钟。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述SPS烧结进行的持续时间短于或等于30分钟。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述SPS烧结进行的持续时间短于或等于15分钟。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述顶部模具(38)和所述底部模具(34)由石墨制成，其中所述SPS烧结在高于或等于800℃的温度下进行。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述SPS烧结在高于或等于900℃的温度下进行。

9.根据权利要求7所述的方法，其中所述SPS烧结在高于或等于10MPa的压力下进行。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述SPS烧结在高于或等于20MPa的压力下进行。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述SPS烧结在高于或等于30MPa的压力下进行。

12.根据权利要求1所述的方法，其中所述顶部模具(38)和所述底部模具(34)由碳化钨制成，所述SPS烧结在高于或等于500℃的温度下进行。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述SPS烧结在高于或等于600℃的温度下进行。

14.根据权利要求12所述的方法，其中所述SPS烧结在高于或等于100MPa的压力下进行。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述SPS烧结在高于或等于200MPa的压力下进行。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述SPS烧结在高于或等于300MPa的压力下进行。