CN1120756C - 用来对中空物件的复杂内表面进行气相镀敷的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了这样一种方法和装置，它通过将一种镀敷气体供送入所述通道内，并将至少两个通道的镀敷气体流速控制成具有不同的流速，以在每一通道的内表面上淀积形成一具有所需厚度的镀层，由此可对一具有诸气体流动通道的中空物件的内表面进行镀敷。

Description

用来对中空物件的复杂内表面进行气相镀敷的方法和装置

                         本发明的背景

本发明涉及一种用来对一中空物件的复杂内表面进行气相镀敷的方法和装置，更具体地说，本发明涉及在一具有至少两个气体流动通道的汽轮机发动机构件的内表面上进行的金属镀层的气相淀积，诸如铝镀层。

在已有技术中，镀铝方法是众所周知的。该方法可用来将一铝化物施加于诸如镍基超耐热合金物件之类的基底上。其中有一些这类物件要求在内表面上具有一镀层。对于一些物件来说，诸如汽轮机机翼，其内表面比较复杂并且只能通过一些狭窄且受限的通道才能接触到。为了对这些汽轮机机翼进行冷却，制造者对所述内表面进行了设计以使它们具有多个气体通道。

先进型汽轮机发动机需要一种改进的方法来对汽轮机机翼进行镀敷。先进型汽轮机金属构件的内表面都受到高温的影响，从而可使这种金属构件的未镀敷部分在使用中被氧化。由于氧化皮是形成在这些狭窄的蛇形通道内，因此，就会有一层厚的氧化皮从所述表面逐渐生长出来，从而使得所述通道变得更为狭窄，由此降低了空气的冷却效率。其结果是，这种氧化过程将以一种越来越高的速率不断进行下去。这种加速的氧化过程只能通过对所述部件的整个内部通道进行有效地镀敷才能停止。

目前有几种对诸如涡轮机机翼之类的物件的内表面进行镀敷的方法。每一种现有方法均有它的局限性，它们均会显著增加对所述物件进行加工所需的成本和时间，或者会无法对所述内表面进行适当的镀敷，尤其是当复杂内表面具有多个气体通道时更为严重。

在目前用来对物件进行镀敷的众多方法中有一种是埋置(pack)扩散方法。在这种方法中，是将待镀敷的物件的表面埋置在细碎的颗粒源内，所述颗粒源包括：铝源、用作铝的化学转移媒质的挥发性卤化物，以及诸如氧化铝粉末之类的陶瓷相，以防止金属组份发生聚结现象；并加热至高温，通常是加热到至少648.88℃，所有这些都是在一容器内(retort)进行的。在这种方法所遇到的问题之中，有一个问题是粉末状颗粒在各部件的狭窄通道或开口内的粉末颗粒的积聚会阻止铝气体穿过狭窄的蛇形通道。其结果是在堵塞的通道内没有镀层。即使在没有被堵塞的开口内，仍然发现镀层厚度在开口处或开口附近变得比较薄，并且随着离开所述开口的距离越来越大而迅速减小。这种不均匀的镀层通常会导致出现机翼的次品。

另一种用来镀敷物件的方法可称为悬置(over the pack)方法，诸如Benden于1979年1月2日申请的美国专利No.4,132,816中所描述的那一方法。这种方法是对埋置方法的改进，其中，待处理的各部件是悬置在粉状材料上方，而不是埋置在粉状材料内的。为了能使气态铝淀积在那些悬置的部件上，其中所述气态铝是在有卤化物活化剂的情况下，由铝的高温分解作用而生成的，将一种惰性气体引入容器内，并使它在待镀敷的各表面上经过。这种方法比埋置方法有所改进，因为没有任何粉末混合物与各表面相接触，因此，不会堵塞狭窄通道的开口。虽然与埋置方法相比，它是一种改进的镀敷内部通道的方法，但是在反应进行时，它只对淀积速率进行的控制只局限于对氩气气压、粉末混合物的化学性质、流量和反应温度、温度的时间的变化进行控制。然而，这样一种系统没有对内部通道的镀敷所进行的控制。

在Benden于1979年4月10日申请的美国专利No.4,148,275中描述了一种对这种方法的改进，其中，容器具有两个可同时对物件的外部和内部进行镀敷的腔室。每一腔室均具有各自的粉末混合物。这种改进可以通过对流入所述腔室内的载体气体的流速进行控制而对内部通道镀敷作业进行更好的控制，所述腔室内装有铝源、惰性填料和卤化金属。这种控制是除了可通过对温度和时间的变化进行控制的一种控制。

用来对诸如汽轮机机翼之类的、具有狭窄蛇形通道的物件进行镀敷的另一种方法是化学汽相淀积，所述化学汽相淀积也可称为CVD。在CVD方法中，是将待镀敷的部件放置在一容器。通常通过使一铝源与诸如卤化物之类的活化剂气体相反应，在一高温下，在所述容器外的一反应室内生成含铝气体。然后，利用载体气体(例如氢气或氩气)将卤化铝气体从所述反应室传送到所述容器。随后，将卤化铝气体作用于所述物件的表面，从而淀积形成一铝镀层。将生成物，即，含卤化物的气体排出所述容器。例如参见美国专利5,264,245。

虽然这些气相镀敷方法都是有效的，但是，它们都不适用于含有多个现代型机翼气体通道的复杂内表面，这种方法会产生不均匀的内表面镀层。

因此，需要一种用来可在复杂内表面上进行气相镀敷的改进型装置和改良方法。

                         本发明的概述

简言之，本发明提供了这样一种方法和装置，它通过将一种镀敷气体供送入所述通道内，并将至少两个通道的镀敷气体流速控制成具有一不同的流速，以在每一通道的内表面上淀积形成一具有所需厚度的镀层，由此对一具有气体流动通道的中空物件的内表面进行镀敷。

                       附图的简要说明

图1是一Siemens V84第一叶片的剖视图，它有四个气体流动通道。

图2是一GE 90叶片的剖视图，它有三个气体流动通道。

图3是一用来将镀敷气体供送至Siemens V84第一叶片的每一通道的歧管的剖视图，所述第一叶片具有一些不同管径的供送管。

图4是一用来将镀敷气体供送至GE 90叶片的每一通道的歧管的剖视图，所述叶片具有一些不同管径的供送管。

图5是与图1所示的Siemens V84第一叶片装配在一起以供送镀敷气体的图3所示镀敷气体供送歧管的局部剖视图。

图6是与图2所示的GE 90叶片装配在一起以供送镀敷气体的图4所示镀敷气体供送歧管的局部剖视图。

图7是用来实施本发明的镀敷装置的剖视图。

                       本发明的具体描述

为了对燃气轮发动机的现代型机翼进行冷却，将这些机翼设计成具有一些复杂的内表面，这些内表面内设有多个具有不同气体流动特征的气体流路(即，通道、沟槽、回路或腔室)。可例如参见美国专利No.5,591,007，它揭示了一种具有多个蛇管冷却通道或回路的汽轮机机翼。图1和图2示出了一具有多个气体流动通道的机翼，其中图1示出了具有四个气流通道2-5的叶片1，图2示出了一具有三个气体流动通道7-9的叶片6。对每一通道的内表面进行适当镀敷的要求是不同的。通过测量气体流动特征，通道的长度、通过每一通道的冷却出口孔的个数和尺寸大小、待镀敷的内表面的面积、通道的容积以及每一通道的所需镀敷的厚度可决定对镀敷每一通道的要求。为了满足这些要求并以这些测量结果为基础，对每一通道相对于另一通道的镀敷气体流速进行确定。这些测量结果可以用来对每一通道内的镀敷气体流速加以调节，以便有所需容积的镀敷气体从每一通道中排出。改变每一内部通道内的气体流速比以考虑每一通道内的冷却出口孔的数量和尺寸可以用来确定每一通道对镀敷气体流动的要求。在一实施例中，将每一通道内的相对镀敷气体流速控制成近似为每一气体流动通道的相对气体流速。即使在完成了这些计算之后，仍可以利用经验实验，以对每一通道内的镀敷气体流速的最终调节作业加以微调，以在每一通道内获得理想的镀层厚度。

根据所述镀敷要求，对至少两个通道的镀敷气体流速进行单独的控制使它们具有不同的流速，从而可将具有适当流速和容积的镀敷气体传送至每一内通道内，由此可以为每一通道提供适当的镀层厚度。虽然可以对所述流速加以调节从而可使每一通道的内表面具有不同的镀层厚度，但是，通常都是将所述流速调节成可使每一通道的内表面的镀层厚度大约相同。用来控制气体流速的装置是可以变化的，并例如可以采用不同尺寸(即，孔径或直径)、从一共用供气源将镀敷气体供送入每一通道内的管子，或是一能控制所述物件内至少其中一个通道的流速的阀。

图3示出了一设有供送管11一14的供送歧管10，用来将镀敷气体供送入图1所示的相应气体流动通道2-5内，如图5所示的那样。每一供送管11-14的直径均有所限制从而可对从其中通过的镀敷气体的流量加以控制。同样，图4示出了一设有供送管16-18的供送歧管15，用来将镀敷气体供送入图2所示的相应气体流动通道7-9内，如图6所示的那样。在图3到图6的每一图中，管子19是用来将镀敷气体从一镀敷气体供应源供送到所述供送歧管的。

镀敷气体可以提供诸如铝化物之类的金属镀层的气相淀积，所述金属镀层对于保护汽轮机机翼的内表面是特别有用的。气态的铝镀层可以利用上文所述的埋置方法(大体上如美国专利4,148,275中所描述的)或在上文中具体描述的化学汽相淀积方法来提供。例如，将包括铝粉、氧化铝和氟化铝(AlF₃活化剂)在内的镀层混合物加热到近似1079.44℃，并用氢气或氩气作载体气体，以将镀敷气体传送到所述部件。

图7中示出了一镀敷装置20。该装置可镀敷机翼的外表面和内表面。在该装置中，例示了图6所示的机翼和供送歧管。从上反应床22可以产生一种气态金属镀敷气体，以对叶片6的外表面进行镀敷，并且可从下反应床23产生所述气态金属镀敷气态以对各内表面进行镀敷。引入一种载体气体通过管子24，从而可通过管子19将所述镀敷气体传送到供送歧管15内，并可通过供送管16-18而传送到叶片6的内通道内。

                         例子1

图1中所示的Siemens V84型第一叶片具有四个具有以下气体流动特征的气体流动通道2-5。应予注意的是，通道3和4是横向连接的(即，藉助气体流动节流孔而横向连接)。图3所示的镀敷气体供送歧管10采用了供送管11-14，这些供送管根据所示的节流孔口面积具有一定的尺寸(即，不同的直径)，以控制每一通道内的流速，从而可以在每一通道内提供所需的、均匀的镀层厚度。

	平均通道长度(厘米)	气体流量克/秒	供送管的节流孔口面积(平方厘米)	供送管
					2	38.1	0.048988	0.496	11
3	12.7	0.019958	0.322	12
					4	25.4	0.019958	0.258	13
5	12.7	0.010432	0.225	14

一种由2％的氟化铝、5％的铝和93％的氧化铝组成的埋置原料镀敷混合物，在如图7中所示的、装有20个叶片的镀敷装置内埋置下反应床，只对各叶片的内表面进行镀敷。典型的用量在下反应床内是近似15.876千克的材料。采用流速为5.663立方米/小时的扩散气体，以将镀敷气体传送到各部件内。流速约为0.283立方米/小时的氩气用作所述载体气体，以将所述镀敷气体传送到每一部件。还采用2.831立方米/小时的流速来作为纯净用气体。将所述组件加热到1079.44℃(±13.89℃)，并将该温度保持四小时，同时保持所述镀敷气体通过各部件。

在每一通道内可以观察到0.0381毫米±0.0254毫米的、一致的铝化物镀层厚度。

                           例子2

图2所示的GE 90第一级汽轮机叶片具有三个具有以下气体流动特征的气体流动通道7-9。图4所示的镀敷气体供送歧管15采用了一些供送管，这些供送管根据所示的节流孔口面积具有不同的尺寸(即，直径)，以控制每一通道内的流速，从而可以在每一通道内提供所需的、一致的镀层厚度。

通道	平均通道长度(厘米)	气体流量克/秒	供送管的节流孔口面积(平方厘米)	供送管
					7	17.01	0.013608	0.038	16
8	38.86	0.081194	0.258	17
					9	17.01	0.013608	0.038	18

采用一种由2％的氟化铝、3％的铝和95％的氧化铝组成的埋置原料镀敷混合物，以埋置如图7所示的、装有35个叶片的镀敷装置内的下反应床。用于内部给料的下反应床内的典型用量是近似13.608千克的材料。用来对叶片的各个外表部分进行镀敷的所述原料镀敷用混合物是一种由3％的氟化铝、7％的铝组成的混合物，在用于外表面镀敷的上反应床内有18.144千克的总混合物(按重量计)。用4.247立方米/小时的载体气体的流速，将镀敷气体传送到各部件内。流速约为0.121立方米/小时的氩气用作所述载体气体，以将所述镀敷气体传送到每一部件内。还用2.831立方米/小时的流速来作为纯净用气体。将所述组件加热到1079.44℃(±13.89℃)，并将该温度保持5.5小时，同时保持所述镀敷气体通过各部件。

在每一通道内可以观察到0.0381毫米±0.0254毫米的、一致的铝化物镀层厚度。

Claims (8)

1.一种用来对一具有至少两个气体流动通道的中空物件的内表面进行镀敷的方法，其特征在于，它包括以下步骤：

通过对流入至少两个气体流动通道内的镀敷气体的流速分开加以控制使之具有一不同的流速，将镀敷气体供送入所述物件的气体流动通道内，以在每一气体流动通道的内表面上淀积形成一所需的镀层厚度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，藉助使所述镀敷气体通过一具有另一不同节流孔口尺寸的供送管供送入每一气体流动通道内，以将所述气体流速控制成为另一不同流速。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述镀敷气体流速加以控制，从而可以在所有的气体流动通道内提供近似相等的镀层厚度。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，一阀控制着至少一个气体流动通道内的镀敷气体流速。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中空物件是一燃气轮发动机的机翼。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述镀敷气体提供一铝化物镀层。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对流入每一气体流动通道内的相对镀敷气体流速加以控制，使它近似为每一气体流动通道内的相对气体流速。

8.一种用来对一具有至少两个气体流动通道的中空物件的内表面进行镀敷的装置，其特征在于，它包括：

a.一用来产生一种镀敷气体的壳体；

b.用来将所述镀敷气体供送入所述物件的气体流动通道内的供送歧管；

c.用来对流入至少两个气体流动通道内的镀敷气体流速加以控制使之具有一不同的流速、从而在每一气体流动通道的内表面上淀积形成一具有所需厚度的镀层的装置。

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