CN113490784A - 包括可磨耗材料的蜂窝结构 - Google Patents
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Abstract
各种实施方案包括具有可磨耗材料的蜂窝结构，以及将此类蜂窝结构施加到燃气涡轮发动机的钢部件以减少摩擦损伤的方法。具体实施方案包括具有多个巢室的蜂窝结构，该多个巢室中的每个巢室包括包围空隙的巢室壁，以及位于该多个巢室中的每个巢室的空隙内的可磨耗材料，该可磨耗材料包括金属合金和中空颗粒。
Description
技术领域
本公开整体涉及蜂窝结构和可磨耗材料，并且更具体地涉及包括施加到燃气涡轮发动机的钢部件以减少摩擦损伤的可磨耗材料的蜂窝结构。
背景技术
按照惯例，在旋转电机中的移动部件和静止部件之间使用可磨耗材料，使得部件中的一个部件在可磨耗材料中切出或摩擦出凹槽。在燃气涡轮发动机中，可磨耗材料通常放置在静止壳体(例如，护罩)上，并且旋转叶片在可磨耗材料中切出/摩擦出凹槽。这允许适应热增长和叶片蠕变。然而，当燃气涡轮发动机的护罩包括不锈钢作为基础材料时，需要解决钢护罩和常规可磨耗材料之间的热膨胀系数(CTE)失配增加的问题，以便提供有效的可磨耗系统。这些常规可磨耗系统无法考虑燃气涡轮发动机的高温、大气流和易氧化环境。
发明内容
本发明公开了包括可磨耗材料的蜂窝结构以及减少对涡轮发动机的钢部件的摩擦损伤的方法。在本公开的第一方面，蜂窝结构包括：多个巢室，该多个巢室中的每个巢室包括包围空隙的巢室壁；以及位于该多个巢室中的每个巢室的空隙内的可磨耗材料，该可磨耗材料包括至少一种金属合金和多个中空颗粒，该至少一种金属合金包括钎焊合金，并且多个中空颗粒包括飞灰颗粒。
在本公开的第二方面，蜂窝结构包括：多个巢室，该多个巢室中的每个巢室包括包围空隙的巢室壁；以及位于该多个巢室中的每个巢室的空隙内的可磨耗材料，该可磨耗材料包括至少一种金属合金和多个中空颗粒，该至少一种金属合金包括MCrAlY-NiAlx，其中M为Fe、Co和Ni中的一种或多种，并且x为20％或更大，并且多个中空颗粒包含选自氧化锌、氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化铈和羟基磷灰石中的至少一种。
在本公开的第三方面，减少对涡轮发动机的至少一个钢部件的摩擦损伤的方法包括：在易于摩擦的位置将金属可磨耗物填充的蜂窝结构施加到该至少一个钢部件，该蜂窝结构包括多个巢室，该多个巢室中的每个巢室包括包围空隙的巢室壁，该金属可磨耗物包括至少一种金属合金和多个中空颗粒，并且填充该多个巢室中的每个巢室的空隙。
附图说明
从结合描绘本公开的各种实施方案的附图的对本公开的各个方面的以下详细描述，将更容易理解本公开的这些和其他特征，其中：
图1是包括紧邻壳体/护罩的叶片的燃气涡轮发动机的一部分的示意性剖视图。
图2示意性地示出了摩擦后的叶片磨损和护罩切割。
图3示出了蜂窝结构。
应当注意，本公开的附图未必按比例绘制。附图旨在仅描绘本公开的典型方面，并且因此不应当被视为限制本公开的范围。在附图中，类似的编号表示附图之间的类似的元件。
具体实施方式
本公开整体涉及蜂窝结构和可磨耗材料，并且更具体地涉及包括施加到燃气涡轮发动机的钢部件以减少摩擦损伤的可磨耗材料的蜂窝结构。如上所述，当燃气涡轮发动机的护罩包括不锈钢作为基础材料时，存在钢护罩和常规可磨耗材料之间的热膨胀系数(CTE)失配增加的问题。还如上所述，除了CTE失配问题之外，这些常规可磨耗系统无法考虑燃气涡轮发动机的高温、大气流和易氧化环境。
本公开的各个方面包括具有可磨耗材料的蜂窝结构，该蜂窝结构解决了与常规不锈钢部件相关联的所述的CTE失配问题，并且使用低成本材料，同时即使在大气体流量(约1725磅/秒)下也仍然保持高温能力(≥1620℉)。本公开的附加方面包括用于减少和/或防止蜂窝结构自身氧化的方法。因此，与常规方法相比，可通过利用本公开的蜂窝结构来减少钢发动机部件的损伤(例如，摩擦损伤)和氧化。此外，对损坏和氧化的敏感性降低有助于延长利用本公开的蜂窝结构的钢发动机部件的预期寿命。
图1示出了燃气涡轮发动机100的截面，该燃气涡轮发动机包括被构造成围绕中心(或初级)轴旋转的叶片110，以及与叶片110相邻的静止壳体区段120(例如，护罩)。在没有用于适应热增长和叶片蠕变的装置的情况下，可发生叶片磨损和护罩切割中的一者或两者-这示意性地示于图2中。图2所示的左侧图(“摩擦前”)和水平虚线示出了在发生摩擦和叶片磨损/护罩切割之前叶片110和护罩120之间的间隙。右侧图(“摩擦后”)示出了摩擦后的叶片磨损间隙210和护罩切口220。如图2所示，叶片磨损间隙210和护罩切口220显著增加了叶片110和护罩120之间的原始间隙(由水平虚线指示)。这种增大的间隙可导致不需要的间隙和气流泄漏，这可降低发动机100(图1)的总体性能。
蜂窝结构可用于间隙控制目的。常规蜂窝结构具有多个六边形巢室，这些巢室通常包括在中间具有气隙(空隙)的金属巢室壁，以防止在发生摩擦/切割时产生过度的摩擦热和/或磨损。然而，每个蜂窝结构巢室内的气隙可产生空气湍流(例如，旋转涡流)，这是空气动力学损失的来源。因此，用可磨耗材料填充蜂窝结构巢室可为有益的，因为其可消除此类空气动力学损失，同时蜂窝结构巢室壁可提供结构完整性。下面参考图3讨论填充有可磨耗材料的蜂窝结构的各个方面。
在本公开的各方面，如图3所示，提供了包括多个巢室320的蜂窝结构300。每个巢室320具有包围空隙310的巢室壁330。每个巢室320包括巢室尺寸(有时称为高度)“h”。巢室尺寸/高度h可包括诸如但不限于如下的尺寸：1/8”、3/16”、1/4”和3/8”(以毫米为单位分别为：3.175、4.7625、6.35和9.525)。在各个方面，巢室壁330是金属的，并且可包含金属合金，诸如镍基合金。然而，在各个方面，为了在与常规方法进行比较时改善抗氧化性和/或预防，巢室壁330可设置有铝涂层。
根据各个方面，为了减少或防止空气动力学损失，用可磨耗材料填充巢室320中的空隙310。可磨耗材料可包括至少一种金属合金和多个中空颗粒。可磨耗材料的金属合金可包含以下中的任何两种或更多种金属：铁(Fe)、镍(Ni)、铝(Al)、铬(Cr)、钛(Ti)、钇(Y)和钴(Co)。此类金属合金的非限制性示例包括钎焊合金或MCrAlY-NiAlx，其中M为Fe、Co和Ni中的一种或多种，并且其中x为20％或更大。可磨耗材料的中空颗粒可包括中空飞灰颗粒和中空陶瓷颗粒。中空陶瓷颗粒可包括但不限于氧化锌、氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化铈和羟基磷灰石的中空球体。
就主要由Al2O3和SiO2制成的中空飞灰颗粒而言，此类颗粒具有的有益效果是低成本填料。因此，本公开的一个方面包括用可磨耗材料填充巢室320的空隙310，该可磨耗材料包括由活性钎焊合金保持在一起的中空飞灰颗粒。包含活性元素诸如例如钛(Ti)、锆(Zr)或铪(Hf)的活性钎焊合金可润湿金属表面诸如巢室320的巢室壁330并与其粘结，即使那些巢室壁包含氧化物诸如氧化铝、氧化铬和氧化硅。钎焊合金可以是例如高温镍基活性钎焊合金。Ni基钎焊合金的非限制性示例是Ni-7Cr-4.5Si-3Fe-3.2B-(0.5-10)Ti，或者更具体地Ni-7Cr-4.5Si-3Fe-3.2B-4.5Ti，其中数字表示重量％并且余量是镍(Ni)。由于活性元素与颗粒(例如，陶瓷颗粒)的反应，这种Ni基钎焊合金可以将金属接合到可磨耗颗粒，诸如中空颗粒(包括陶瓷颗粒)。另外，钎焊合金可包含硼(B)。当钎焊合金中存在硼(B)时，硼(B)可与例如氧化硅陶瓷反应并结合，以形成各种硼硅酸盐玻璃相，从而改善钎焊和陶瓷颗粒之间的粘附性。可选择钎焊合金的组成，使得所选择的钎焊合金的钎焊温度在900℃至1200℃的范围内。
在示例性实施方案中，如下公开了制备包括中空飞灰颗粒和钎焊合金的可磨耗材料，然后填充蜂窝结构。钎焊合金可与中空飞灰颗粒混合(例如离心混合)，并且可将有机粘结剂(例如特种等级的有机粘结剂)添加到混合物中。可选择有机粘结剂以在低于钎焊温度下分解，从而不留下残余物并允许干净的钎焊接头。为了确保适当的钎焊(下文讨论)，混合物中使用的钎焊合金优选地为粉末形式，以便与中空飞灰颗粒完全接触。由于可基于粒度选择最佳混合体积比，因此325目(<45微米粒度)可用于钎焊粉末。所得混合物可为糊状物形式，然后可将其填充到蜂窝结构300的空隙310中，其中巢室壁330包含混合物(图3)。如上所述，蜂窝结构300的巢室壁330可在填充之前设置有铝涂层。
在各个方面，填充后，对填充的蜂窝结构进行热处理。热处理可分两个步骤执行，一个步骤用于烧掉有机粘结剂，并且另一个步骤用于熔化钎焊合金，使得钎焊合金粘结到蜂窝结构的巢室壁以及可磨耗材料的颗粒。此类热处理产生所得的可磨耗材料，该可磨耗材料被置于蜂窝结构的巢室中并且具有可在例如120密耳至200密耳(1密耳＝1/1000英寸)范围内的选定厚度。所得可磨耗材料具有可磨耗性，这归因于其中所用材料的性质和其中夹带的孔隙率。孔隙率是由中空颗粒引起的，因此不需要将孔形成物添加到可磨耗材料的金属合金中，并且还允许使用无孔金属合金。
在填充的蜂窝结构的另一个示例性实施方案中，金属合金可为MCrAlY(其中M为Fe、Ni和/或Co)，其中NiAlx(x≥20％)作为脆性相添加至金属合金，并且中空颗粒可为氧化锌的中空球体。在该实施方案中，氧化锌占总体可磨耗材料的大于22重量％，并有助于改善所得蜂窝结构的可磨耗性。氧化锌中空球体可占可磨耗材料的大约40重量％。如前所述，蜂窝结构300的巢室壁330可在填充可磨耗材料之前设置有铝涂层。类似于先前所述的实施方案，置于蜂窝结构的巢室中的所得可磨耗材料可具有可在例如120密耳至200密耳范围内的选定厚度。
在本公开的又一个实施方案中，存在包括多个巢室的蜂窝结构，其中每个巢室包括包围空隙的巢室壁，并且其中巢室壁包括上文所述可磨耗材料中的任一种。换句话讲，可磨耗材料被图案化以形成蜂窝结构本身的巢室的巢室壁，蜂窝结构在其中仍然具有空隙或在其中具有填充有可磨耗材料的空隙。
包括所提到的可磨耗材料的本公开的上述蜂窝结构不仅解决了例如钢护罩和可磨耗材料之间的常规CTE失配问题，但也可使用低成本材料(例如，中空飞灰颗粒)，同时在大气流(例如，1725磅/秒)下仍然保持高温能力(例如，≥1620℉)。另外，当相对于常规结构考虑时，可提供蜂窝结构本身的氧化还原和/或防止(例如，如果被铝化)。与常规方法和所得结构相比，本公开的蜂窝结构的所有这些特征均有助于使用此类蜂窝结构的发动机部件的预期寿命延长。
本公开的附加方面包括减少对涡轮发动机的至少一个钢部件(包括不锈钢部件，诸如304级不锈钢和310级不锈钢)的摩擦损伤的方法。此类方法可包括在易于摩擦的位置将例如上述金属可磨耗物填充的蜂窝结构施加到钢部件。填充的蜂窝结构的应用可包括将金属可磨耗物粘结到钢部件的表面。将金属可磨耗物粘结到蜂窝结构的巢室壁可在将金属可磨耗物粘结到钢部件的表面之前或同时发生。蜂窝结构的填充和金属可磨耗物的粘结可如下执行。
如上所述，蜂窝结构含有多个巢室，该多个巢室通常彼此规则地间隔开，并且通常为具有指定的巢室尺寸(有时称为高度“h”-参见图3)的六边形。该多个巢室通常还具有指定的巢室壁厚度和指定的深度(有时称为蜂窝结构厚度)。因此，可容易地估计由给定巢室占据的体积。因此，也可容易地确定填充蜂窝结构的每个巢室所需的体积以及预定量的溢流。已知此类体积，可使用其中将预定量的可磨耗材料浆液馈送到注射器中的手动或自动系统，来将浆液分配到蜂窝结构的巢室中。可通过考虑可磨耗材料的各个组分的体积和/或重量来调节浆料的粘度。在使用自动化系统的一个实施方案中，系统可被编程以控制分配到每个单独蜂窝结构巢室中的浆液的量，并且可被另外编程以从一个巢室移动到下一个巢室，以确保巢室被填充至预定体积。
在可磨耗材料包括金属钎焊合金的情况下，可使用最少8体积％至12体积％的金属钎焊合金来确保金属钎焊颗粒之间的连续接触，以便提供所得钎焊接头的连续网。根据钎焊合金对陶瓷介质(例如，中空飞灰颗粒)的可润湿性，并且还考虑到可磨耗物的所需最终特性，金属钎焊合金的体积百分比可增加至多达约75体积％。在填充蜂窝结构之后，可在具有至少10-3毫巴真空的真空炉中钎焊整个填充的蜂窝结构。钎焊后，可将钎焊结构挫平，使得填充的蜂窝结构巢室与蜂窝结构巢室壁高度齐平。如果需要，钎焊结构可在结合到例如涡轮发动机的钢部件中之前经附加的热处理循环处理。
当与常规方法相比时，用于减少摩擦损伤的本公开的方法可减少对涡轮发动机的部件(包括不锈钢部件)的摩擦损伤，同时即使在大气流(例如，1725磅/秒)下也仍然保持高温能力(例如，≥1620℉)，并且在一些情况下，在实现上述时利用低成本材料(例如，中空飞灰颗粒)。因此，当与常规方法相比时，本公开的方法允许部件的预期寿命延长，这继而可降低与燃气涡轮发动机相关联的总成本，诸如制造成本、操作成本和修理成本。
本文使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的并且不旨在限制本公开。如本文所用，单数形式“一个”、“一种”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确地说明。将进一步理解，当在说明书中使用时，术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”指定存在陈述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
如在整个说明书和权利要求书中使用的，近似语言可以用于修改可以允许变化的任何定量表示，而不会导致与其相关的基本功能的变化。因此，由一个或多个术语(诸如“约”、“大约”和“基本上”)修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度。在此和整个说明书和权利要求书中，范围限制可以组合和/或互换，此类范围被识别并且包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另有指示。应用于范围的特定值的“大约”适用于两个值，除非另外依赖于测量值的仪器的精度，否则可以指示所述值的+/-10％。“基本上”大多数情况下主要是指提供本公开的相同技术益处的完全指定的或任何轻微的偏差。
以下权利要求书中的所有装置或步骤加功能元件的对应结构、材料、动作和等同物旨在包括用于结合具体要求保护的其他要求保护的元件执行功能的任何结构、材料或动作。已经出于说明和描述的目的给出了对本公开的描述，但其并不旨在穷举或将本公开限制于所公开的形式。在不脱离本公开的范围和实质的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员将是显而易见的。选择和描述了实施方案以便最好地解释本公开的原理和实际应用，并且使得本领域的其他技术人员能够理解具有适合于预期的特定用途的各种修改的本公开的各种实施方案。
Claims (20)
1.一种蜂窝结构，所述蜂窝结构包括：
多个巢室，所述多个巢室中的每个巢室包括包围空隙的巢室壁；和
位于所述多个巢室中的每个巢室的所述空隙内的可磨耗材料，所述可磨耗材料包括至少一种金属合金和多个中空颗粒，所述至少一种金属合金包括钎焊合金，并且所述多个中空颗粒包括中空飞灰颗粒。
2.根据权利要求1所述的结构，其中所述钎焊合金是具有在900℃至1200℃范围内的钎焊温度的活性镍基钎焊合金，所述活性镍基钎焊合金包含选自钛(Ti)、锆(Zr)和铪(Hf)的至少一种活性元素。
3.根据权利要求1所述的结构，其中所述钎焊合金为Ni-Cr7％-Si4.5％-Fe3％-B3.2％-Ti0.5-10％，所述百分比为重量百分比，并且余量为镍(Ni)。
4.根据权利要求1所述的结构，其中所述可磨耗材料具有在120密耳至200密耳范围内的厚度。
5.根据权利要求1所述的结构，其中所述金属合金是无孔的。
6.根据权利要求1所述的结构，其中所述巢室壁包括所述可磨耗材料。
7.一种蜂窝结构，所述蜂窝结构包括：
多个巢室，所述多个巢室中的每个巢室包括包围空隙的巢室壁；和
位于所述多个巢室中的每个巢室的所述空隙内的可磨耗材料，所述可磨耗材料包括至少一种金属合金和多个中空颗粒，所述至少一种金属合金包括MCrAlY-NiAlx，其中M为Fe、Co和Ni中的一种或多种，并且x为20％或更大，并且所述多个中空颗粒包含选自氧化锌、氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化铈和羟基磷灰石中的至少一种。
8.根据权利要求7所述的结构，其中所述金属合金包括CoNiCrAlY-NiAl20％。
9.根据权利要求8所述的结构，其中所述多个中空颗粒包含氧化锌，所述可磨耗材料包含大于22重量％的所述氧化锌。
10.根据权利要求7所述的结构，其中所述可磨耗材料具有在120密耳至200密耳范围内的厚度。
11.根据权利要求7所述的结构，其中所述金属合金是无孔的。
12.根据权利要求7所述的结构，其中所述巢室壁包括所述可磨耗材料。
13.一种减少对涡轮发动机的至少一个钢部件的摩擦损伤的方法，所述方法包括：
在易于摩擦的位置将金属可磨耗物填充的蜂窝结构施加到所述至少一个钢部件，
所述蜂窝结构包括多个巢室，所述多个巢室中的每个巢室包括包围空隙的巢室壁，
所述金属可磨耗物包括至少一种金属合金和多个中空颗粒，并且填充所述多个巢室中的每个巢室的所述空隙。
14.根据权利要求13所述的方法，所述方法还包括在将所述填充的蜂窝结构施加到所述至少一个钢部件之前：
用所述金属可磨耗物填充所述多个巢室中的每个巢室的所述空隙，并且将所述金属可磨耗物粘结到所述巢室壁。
15.根据权利要求13所述的方法，其中将所述蜂窝结构施加到所述至少一个钢部件包括将所述蜂窝结构的所述金属可磨耗物和所述巢室壁两者粘结到所述至少一个钢部件的表面。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所述至少一种金属合金包括钎焊合金，并且所述多个中空颗粒包括中空飞灰颗粒。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述钎焊合金为Ni-Cr7％-Si4.5％-Fe3％-B3.2％-Ti4.5％，所述百分比为重量百分比，并且余量为镍(Ni)。
18.根据权利要求13所述的方法，其中所述至少一种金属合金包括MCrAlY-NiAlx，其中M为Fe、Co和Ni中的一种或多种，并且x为20％或更大，并且所述多个中空颗粒包含选自氧化锌、氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化铈和羟基磷灰石中的至少一种。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述金属合金包括CoNiCrAlY-NiAl20％，并且所述多个中空颗粒包含氧化锌，所述可磨耗材料包含大于22重量％的所述氧化锌。
20.根据权利要求13所述的方法，其中所述至少一个钢部件为304级不锈钢部件或310级不锈钢部件。
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