CN109878124B - 叶片和用于制造该叶片的方法 - Google Patents

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Abstract

叶片(1)包括复合材料部分(3,17)和覆盖该复合材料部分(3,17)的插入件(4a,5a,6a,7a)。插入件(4a,5a,6a,7a)由钢制成并涂覆有防腐蚀层(8)。该方法包括提供一个或多个纤维预制件(10)，提供一个或多个插入件(4a,5a,6a,7a)，浸渍纤维预制件(10)，将浸渍的纤维预制件(10)接合到插入件(4a,5a,6a,7a)，并且最终将浸渍的纤维预制件与插入件连接到金属叶片部分(16)。插入件(4a,5a,6a,7a)优选地在接合之前涂覆有防腐蚀层(8)。

Description

叶片和用于制造该叶片的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求享有2017年11月21日提交的欧洲专利申请号17202860.7的优先权，其公开内容通过引用并入。
技术领域
本发明涉及一种叶片和一种用于制造该叶片的方法。叶片优选地是燃气轮机的压缩机的叶片，并且其可以是定子或转子叶片。使用这种叶片对于燃气轮机的压缩机的初始级、例如对于第一、二、三或四级中的任一级是尤其有利的，其中，第一级看作最靠近空气入口的级。
背景技术
用于燃气轮机的复合压缩机叶片是已知的；例如，这些压缩机叶片由浸渍有环氧树脂的碳纤维制成。此外，为了抵抗由可能在燃气轮机入口的进口处经过过滤器的水微滴(water droplet)或其它元件引起的腐蚀，这些叶片可在其选定部分处设有防腐蚀层。尤其地，已知提供由钛或钛合金或镍或镍合金制成的防腐蚀层，以便保证针对叶片所需的可靠性。例如，文件EP 2 353 830 A2公开了这些材料的使用。
钛和钛合金昂贵且难以应用，例如因为钛部件难以机加工和成型。此外，已经证明钛、镍及其合金提供仅部分令人满意的防腐蚀。
发明内容
本发明的一方面包括提供一种叶片和一种用于制造这些叶片的方法，与现有叶片相比，其允许叶片的改进的防腐蚀性。
这些和其它方面通过提供根据所附权利要求的叶片和方法来实现。
本发明已令人惊奇地发现，钢、尤其是高铬(Cr)含量钢与防腐蚀层一起的使用可保证比已知的解决方案更好的防腐蚀性。
附图说明
由在附图中以非限制性示例的方式示出的叶片和方法的优选但非排他性实施例的描述，其它特征和优点将更明显，其中：
图1显示了叶片；
图2显示了表明来自由水微滴撞击的样品的损失质量作为耐腐蚀性的指示的图表；
图3显示了通过图1的线III-III的叶片的横截面；
图4至8显示了不同种类的插入件和将插入件连接到叶片的复合材料部分的不同方式；
图9、10和10a显示了叶片的不同示例；图10a显示了通过图10的线X-X的横截面；
图11至14显示了用于制造叶片的方法的第一实施例；
图15至18显示了用于制造叶片的方法的第二实施例。
具体实施方式
参考图，这些图显示了叶片1(定子或转子叶片)，例如燃气轮机的压缩机叶片；优选地，叶片1是燃气轮机的压缩机的第一和/或第二和/或第三和/或第四级的一部分，但是其也可用于其它级。
叶片1通常具有根部2和翼型件3。
叶片1包括一个或多个复合材料部分；例如叶片1由复合材料制成(即根部2和翼型件3均由复合材料制成)，或者仅叶片1的一部分可由复合材料制成，在这种情况下优选地，翼型件3或翼型件3的一部分由复合材料制成，且叶片的其余部分可由金属制成，例如已知的镍钢合金。例如，图1显示了由复合材料部分限定的叶片，并且图9和10显示了具有金属部分16并设有复合材料部分17的叶片，如在下面更好地描述的那样。
在不同的示例中，复合材料可包括碳纤维，其浸渍有环氧树脂(epoxy resin)或聚苯并恶嗪(polybenzoxazine)或氰酸盐(cyanate)或聚酰亚胺(polyimide)例如BMI树脂(BMI树脂允许比环氧树脂更高的操作温度)。
碳纤维可以是由Toray制造的T700S和/或T800S和/或T1000G和/或M50J和/或M60J。
树脂可以是由Hexcel制造的环氧树脂RTM6或由Hexcel制造的BMI-RTM651或由Huntsman公司制造的阿拉尔代特环氧树脂(araldite)MT 35710FST。
浸渍可由用于碳纤维(碳纤维增强塑料)的环氧树脂渗透过程进行。
渗透之后的机加工是可能的，并且最终的防腐蚀涂覆也是可能的。
以这种方式制造的叶片可在高达150-200℃的温度下操作。
备选地，复合材料可包括浸渍有熔融金属的陶瓷纤维。
陶瓷纤维可例如是：由3M制造的Nextel 312、Nextel 440、Nextel 610、Nextel720。
熔融金属可以是铝、铝合金、镁、镁合金、铜、铜合金、钢、钢合金；作为示例，纯铝(例如具有99.9%bw或更高的Al含量的铝)可用作熔融金属。
渗透方法可以是使用无压、压力辅助、真空辅助渗透技术的熔融渗透。例如，渗透方法可以是用于陶瓷纤维的熔融金属渗透过程(金属基复合材料)。
渗透之后的机加工是可能的，并且最终的防腐蚀涂覆也是可能的。
以这种方式制造的叶片可在高达600-650℃的温度下操作。
叶片还具有一个或多个插入件用于保护复合材料部分免受腐蚀。图1显示了在前缘4处的插入件4a、在后缘5处的插入件5a和在叶片1的尖端6处的插入件6a。明显的是，即使图1显示了一个用于前缘的插入件、一个用于后缘的插入件和一个用于叶片1的尖端的插入件，插入件不需要设在所有指示的位置处，并且此外，插入件还可设在叶片的不同位置处。此外，一个插入件可覆盖以上指示的那些中的多个位置，或者多个插入件可设在所示位置处。同样，图9,10的复合材料部分17可设有插入件7a。
插入件由钢制成，优选地高含量Cr钢；有利的是，插入件的钢具有在10-18%bw之间且优选地在13-15%bw之间的Cr含量。例如，以下钢可使用15-5 PH钢。
在第一示例中，图1的实施例的插入件4a,5a,6a包括箔片；在图中，箔片覆盖前缘4、后缘5、尖端6。图9,10的实施例的插入件7a也优选地为箔片。
备选的是，插入件4a,5a,6a包括构成前缘4、后缘5、尖端6的一个或多个实心元件。图9,10的实施例的插入件也可以是实心元件，但是该实施例不是优选的。
当然，为箔片和实心元件的插入件的组合也是可能的。
插入件有利地涂覆有防腐蚀层8。在相同插入件连接到复合材料部分之前，优选地将涂覆层施覆到插入件上。
不同的用于涂覆插入件的技术是可用的，但以下已证明是尤其有利的。
在第一示例中，插入件由无电镀镍(electroless nickel plating)(在浴中)涂覆。在这种情况下，防腐蚀层8的厚度在大于0至110微米之间、优选地在25-90微米之间、更优选地在40-80微米之间、并且甚至更优选地其为约50微米。
防腐蚀层可具有双层结构，其在其上具有NiP层和NiP/SiC层，或具有多层结构，其一个在另一个之上具有多对NiP层和NiP/SiC层。双层结构证明可以提供更好的结果。
此外，具有1-2微米的厚度并且例如由电解过程制成的镍中间层可被提供以促进NiP-NiP/SiC层至插入件的粘附。
在第二示例中，插入件由W/WC的化学气相沉积涂覆；优选地，化学气相沉积在低于或等于550℃的温度下进行，使得插入件的材料的性能不受负面影响。在这种情况下，防腐蚀层8的厚度在大于0至110微米之间、优选地在25-90微米之间、更优选地在40-80微米之间、且甚至更优选地其为约70微米。
防腐蚀层8的结构优选地具有单个或多个W/WC层。
还是在这种情况下，具有1-4且优选地约3微米的厚度且例如由电解过程制成的镍中间层可被提供以促进W/WC层至插入件的粘附。
参考图2，解释了以上过程的有利选择。
图2表示覆盖有或未覆盖有防腐蚀层的插入件的抗腐蚀性。
样品由钢制成(例如15-5 PH钢，该材料可用于制造插入件)并且具有带有25×8×3 mm的尺寸的矩形形状。
防腐蚀层由不同技术和不同材料制成。
样品(当需要时，其侧部设有防腐蚀层)由具有200微米的直径的水微滴以400 m/s的速度垂直撞击。
图2显示了针对这些样品的质量损失-冲击数量之间的关系。尤其是，在该图中，“M”表示由于水微滴的冲击而损失(即侵蚀)的样品的质量，并且“I”表示冲击的数量。
在图2中，曲线A指没有防腐蚀层的样品；曲线B指具有由氮化钛制成的由PVD(物理气相沉积)施覆的具有50微米的厚度的防腐蚀层的样品，用于制造防腐蚀层、例如由HVLP(高容量低压)、无气喷涂(airless spraying)或刷涂(brushing)施覆的具有150-200微米的厚度的聚氨酯涂覆层的其它技术提供了类似的结果；曲线C指由具有50微米的厚度的由无电镀镍(在浴中)制成的防腐蚀层覆盖的样品；曲线D指具有在低于或等于550℃的温度和70微米的厚度下由W/WC的化学气相沉积制成的防腐蚀层的样品。
优化涂覆层的厚度以得到粘附/机械性能/化学性能/抗腐蚀性。
该图显示，未涂覆的样品具有差的抗腐蚀性，因为微滴冲击使它们损失大量材料(曲线A)。
该行为通过提供防腐蚀层改善(曲线B)。
曲线C和D显示通过提供由无电镀镍或化学气相沉积制成的防腐蚀层而获得的显著的抗腐蚀性的改善。此外，在这两种技术之间，在低温下、例如在等于或低于550℃的温度下进行的化学气相沉积已经显示出最佳结果。
本公开还涉及一种用于制造叶片的方法。
该方法包括提供一个或多个纤维预制件(fibre preform)10；纤维预制件可具有待制造的最终叶片部分的形状，或者可变形以便具有这样的最终形状。纤维预制件通过缝合(stitching)、编结(braiding)、针织(knitting)、编织(weaving)、单轴/多轴非卷曲纤维编织或通过织物铺叠(fabric lay-up)在不同示例中实现。
该方法然后包括提供一个或多个插入件4a,5a,6a,7a；插入件可用于前缘和/或后缘和/或尖端或者用于叶片的不同部分；插入件有利地由钢制成。插入件有利地具有上述类型，例如箔片和/或实心元件。
因此，该方法包括浸渍纤维预制件10并将浸渍的纤维预制件10接合到插入件4a,5a,6a,7a。
根据该方法，插入件优选地在接合之前涂覆有防腐蚀层。如上所述，涂覆层有利地包括无电镀镍或化学气相沉积，其优选地在低于或等于550℃的温度下进行。
浸渍和接合可以以不同的方式进行，即在一个步骤中或在多个步骤中。
当该方法在一个步骤中进行时(图11-14)，浸渍和接合包括将纤维预制件10(图11)和插入件4a,5a,6a(图12)放置在模具12中，在模具12中提供浸渍剂13(图13)例如环氧树脂或聚苯并恶嗪或氰酸盐或聚酰亚胺树脂例如BMI树脂；因此浸渍剂固化(即树脂干固)以浸渍纤维预制件10，将浸渍的纤维预制件10与插入件4a,5a,6a接合并在一个步骤中限定叶片1。
在一种优选的实施例中，浸渍(和接合)通过树脂传递模制过程(RTM过程)进行。
浸渍之后，将叶片1从模具12移除(图14)。
当该方法在多个步骤中进行时(图15-18)，浸渍包括将纤维预制件10放置在模具12中(图15)，提供浸渍剂13如环氧树脂或聚苯并恶嗪或氰酸盐或聚酰亚胺例如BMI或熔融金属(图16)，使浸渍剂13固化以形成一个或多个复合材料部分17。
然后，接合包括将复合材料部分17和插入件4a,5a,6a,7a以及可能地金属叶片部分16粘结或机械互锁，以限定叶片1(图18)。
例如，用于在多个步骤中实现叶片的方法可包括制造复合材料部分，其具有叶片的所有几何特征，且然后在其上、例如在其前缘和/或后缘和/或尖端处施覆涂覆的插入件，产生图1的叶片。
备选地，用于在多个步骤中实现叶片的方法可包括制造一个或多个复合材料部分17，提供设有一个或多个座的金属叶片部分16，将复合材料部分17和插入件7a(优选地涂覆的插入件)提供到座中，产生图9,10的叶片。在这种情况下，优选地插入件7a且优选地同样其防腐蚀层容纳在座内，即如图10a中所示，面向外的(优选地同样防腐蚀层的)插入件7a的表面与叶片1的金属部分16的外部表面齐平。
图4至8显示了与叶片的复合材料部分粘结或机械互锁的插入件的不同示例。尤其地，图4-6涉及机械互锁，并且图7-8涉及粘结。此外，机械互锁和粘结可以同时应用。此外，图4和5将箔片称为插入件，并且图6-8将实心元件称为插入件。
在下文中那里描述了叶片的一些实施例。
示例1
叶片1由复合材料制成，并且插入件通过由防腐蚀层涂覆的高Cr钢制成的实心元件或箔片限定。
复合材料包括浸渍有环氧树脂的碳纤维或由其组成，备选地，复合材料包括浸渍有熔融金属的陶瓷纤维或由其组成。
防腐蚀层具有单层结构或双层结构或多层结构。
防腐蚀层通过无电镀镍实现，并且具有大于0且小于或等于110微米、优选地在25-90微米之间、更优选地在40-80微米之间、并且甚至更优选地其为约50微米的厚度。
插入件还包括镍中间层以促进防腐蚀层的粘附；优选地，镍中间层具有1-2微米的厚度。
备选地，防腐蚀层通过化学气相沉积实现，并且包括一个或多个(优选地仅一个)W/WC的层。在这种情况下，防腐蚀层具有在大于0至110微米之间、优选地在25-90微米之间、更优选地在40-80微米之间、并且甚至更优选地其为约70微米的厚度。
有利地，化学气相沉积在低于或等于550℃的温度下进行。
当插入件是箔片时，其具有0.2-0.4 mm的厚度，且优选地将其预成形或模制成所期望的形状。
插入件的钢具有在10-18%bw之间、且优选地在13-15%bw之间的Cr含量。
例如，插入件(或者箔片或者实心插入件)可由15-5 PH钢做成。
示例2
叶片由复合材料制成，并且插入件通过由防腐蚀层涂覆的高Cr钢制成的实心元件或箔片限定。
优选地，复合材料部分由浸渍有熔融金属的陶瓷纤维预制件制成。
陶瓷纤维可例如是：由3M制造的Nextel 312、Nextel 440、Nextel 610、Nextel720。预制件可通过缝合、编结、针织、编织、单轴/多轴非卷曲纤维编织、织物、铺展丝束(spread row)来制备。熔融金属可以是铝、铝合金、镁、镁合金、铜、铜合金。例如，纯铝(Al含量99.9%bw或更高)可用作熔融金属。渗透方法可以是使用无压、压力辅助、真空辅助渗透技术的熔融渗透。渗透之后的机加工是可能的，并且最终的防腐蚀涂覆也是可能的。
涂覆层可由无电镀镍或W/WC的化学气相沉积制成，优选地在低于或等于550℃的温度下进行。
当插入件是箔片时，箔片具有优选地0.2-0.4 mm的厚度，并且被预成形或模制成所期望的形状。插入件的钢具有在10-18%bw之间、且优选地在13-15%bw之间的Cr含量。
当然，所描述的特征可彼此独立地提供。例如，所附权利要求中的每个的特征可独立于其它权利要求的特征来应用。此外，在以上描述中提及镍或镍合金必须理解为指本领域中使用的镍或镍合金。
在实践中，所使用的材料和尺寸可根据要求和现有技术任意选择。

Claims (19)

1.一种用于使用在燃气轮机中的叶片(1)，其包括至少一个复合材料部分和至少一个至少部分地覆盖所述复合材料部分的插入件(4a,5a,6a,7a)，其中，所述插入件(4a,5a,6a,7a)由钢制成，并且所述插入件(4a,5a,6a,7a)涂覆有防腐蚀层(8)，其特征在于，所述防腐蚀层(8)具有以下之一：双层结构，其具有NiP层和在所述NiP层上的NiP/SiC层；多层结构，其一个在另一个之上具有多对NiP层和NiP/SiC层；或单个或多个W/WC层。
2.根据权利要求1所述的叶片(1)，其特征在于，所述插入件(4a,5a,6a,7a)通过无电镀镍或化学气相沉积涂覆。
3.根据权利要求2所述的叶片(1)，其特征在于，所述化学气相沉积在低于或等于550℃的温度下进行。
4.根据权利要求1所述的叶片(1)，其特征在于，所述插入件(4a,5a,6a,7a)是箔片。
5.根据权利要求1所述的叶片(1)，其特征在于，所述插入件(4a,5a,6a,7a)是实心元件。
6.根据前述权利要求中任一项所述的叶片(1)，其特征在于，所述插入件(4a,5a,6a,7a)的钢具有在10-18%bw之间的Cr含量。
7.根据权利要求1所述的叶片(1)，其特征在于，还包括金属部分(16)，其中，所述金属部分(16)具有容纳所述复合材料部分的至少一个座。
8.根据权利要求7所述的叶片(1)，其特征在于，所述插入件(4a,5a,6a,7a)容纳在所述座中。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的叶片(1)，其特征在于，所述至少一个复合材料部分的复合材料包括碳纤维，其浸渍有环氧树脂或聚苯并恶嗪或氰酸盐或聚酰亚胺。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的叶片(1)，其特征在于，所述至少一个复合材料部分的复合材料包括熔融金属浸渍的陶瓷纤维。
11.根据权利要求6所述的叶片(1)，其特征在于，所述插入件(4a,5a,6a,7a)的钢具有在13-15%bw之间的Cr含量。
12.根据权利要求9所述的叶片(1)，其特征在于，所述碳纤维浸渍有BMI树脂。
13.一种用于制造用于使用在燃气轮机中的叶片的方法，包括：
提供至少一个纤维预制件(10)，
提供钢插入件(4a,5a,6a,7a)，
浸渍所述至少一个纤维预制件(10)，
将所述至少一个浸渍的纤维预制件(10)接合到所述至少一个插入件(4a,5a,6a,7a)，
以防腐蚀层(8)涂覆所述插入件(4a,5a,6a,7a)，
其特征在于，所述防腐蚀层(8)具有以下之一：双层结构，其具有NiP层和在所述NiP层上的NiP/SiC层；多层结构，其一个在另一个之上具有多对NiP层和NiP/SiC层；或单个或多个W/WC层。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，涂覆包括无电镀镍或化学气相沉积。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述化学气相沉积在低于或等于550℃的温度下进行。
16.根据权利要求13-15中任一项所述的方法，其特征在于，浸渍和接合包括将所述至少一个纤维预制件(10)和所述至少一个插入件(4a,5a,6a,7a)放置在模具(12)中，在所述模具(12)中提供浸渍剂(13)并固化所述浸渍剂，以浸渍所述至少一个纤维预制件(10)，并将所述至少一个纤维预制件(10)与至少一个插入件(4a,5a,6a,7a)接合以在一个步骤中限定所述叶片，并且其中，在浸渍之后，所述方法包括将所述叶片从所述模具(12)移除。
17.根据权利要求13-15中任一项所述的方法，其特征在于，
浸渍包括将所述至少一个纤维预制件(10)放置在模具(12)中，浸渍并固化以实现至少一个复合材料部分，并且
接合包括将所述至少一个复合材料部分和至少一个插入件(4a,5a,6a,7a)粘结或机械互锁。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括提供设有至少一个座的金属叶片部分(16)，并且将所述至少一个插入件提供到所述至少一个座中。
19.根据权利要求13-15中任一项所述的方法，其特征在于，在接合之前以防腐蚀层(8)涂覆所述插入件(4a,5a,6a,7a)。
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