CN113898416B - 一种液态金属冷却叶片系统及其防腐蚀方法 - Google Patents

一种液态金属冷却叶片系统及其防腐蚀方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及航空发动机叶片冷却系统液态金属腐蚀防护技术领域，尤其涉及一种液态金属冷却叶片系统，其包括分离器、管道A、管道B、电磁泵、管道C、膨胀节、管道D、换热器、管道F、管道G、收集器和叶片；换热器上设有管道E；叶片内设有冷却通道；冷却通道、管道A、分离器、管道B、电磁泵、管道C、膨胀节、管道D、管道E、管道F、收集器和管道G依次连通，形成循环通路；循环通路内存有液体金属；管道A、管道B、管道C、管道D、管道F和管道G均选用石英材质或石墨材质或碳化铝材质制成；循环通路的内壁均设有防护层。本发明还提出了液态金属冷却叶片系统的防腐蚀方法。本发明能有效的解决在高温下液态金属腐蚀冷却系统的问题。

Description

一种液态金属冷却叶片系统及其防腐蚀方法
技术领域
本发明涉及航空发动机叶片冷却系统液态金属腐蚀防护技术领域，尤其涉及一种液态金属冷却叶片系统及其防腐蚀方法。
背景技术
液态金属具有优异的性能，如熔点与沸点之间差别很大、物理化学性质接近固体、有固定体积、优良的流动性以及金属良好的导热导电性等，使得液态金属已经广泛应用于多个领域，如大功率高热流密度芯片、空间热控技术、新型清洁能源技术和激光相关热控等方面，特别是以冷却剂的形式成功应用于高性能计算机和大功率LED照明，从而设想将液态金属作为流动工质应用在航空燃气发动机涡轮叶片上。
在将液态金属作为流动工质应用在航空燃气发动机涡轮叶片上，然而在实际生产应用过程中，由于液态金属镓及镓基合金与纯金属（铁、铬以及镍）、不锈钢、铝合金以及T2铜等金属材料发生不同程度的反应，使得材料强度降低，甚至粉碎脱落，一定程度上影响材料的正常使用，因此需要在与液态金属接触的材料选择和金属基体表面防护提出一种科学有效的方法。
发明内容
本发明目的是针对背景技术中存在的问题，提出一种能有效的解决在高温状态下液态金属腐蚀冷却系统的液态金属冷却叶片系统及其防腐蚀方法。
本发明的技术方案：一种液态金属冷却叶片系统，包括分离器、管道A、管道B、电磁泵、管道C、膨胀节、管道D、换热器、管道F、管道G、收集器和叶片；
换热器上设有管道E；管道E选用1Cr18Ni9不锈钢材质或铌基合金材质或T91钢材质制成；
叶片内设有冷却通道；冷却通道的出液端口通过管道A连接分离器的一个进液端口；分离器的出液端口通过管道B连接电磁泵的进液端口；
管道C的一端管口连接电磁泵的出液端口，管道C的另一端管口连接膨胀节的一端管口；膨胀节的另一端管口通过管道D连接管道E的进液管口；管道E的出液管口通过管道F连接收集器的进液端口；收集器的一个出液端口通过管道G连接冷却通道的进液端口；
管道A、管道B、管道C、管道D、管道F和管道G均选用石英材质或石墨材质或碳化铝材质制成；冷却通道的内壁、电磁泵内流体流经的内壁、膨胀节的内壁、收集器内与流体接触的内壁以及分离器内与流体接触的内壁均设有防护层。
冷却通道、管道A、分离器、管道B、电磁泵、管道C、管道D、管道E、管道F、收集器和管道G依次连通，形成循环通路；循环通路内存有液体金属。
优选的，管道E的内表面设有Al2O3防护层或SiO2防护层。
优选的，管道E呈蛇形分布。
优选的，液态金属包括但不限于镓金属或者镓基合金金属。
优选的，防护层的施工方法，具体包括以下步骤：
S51、对待喷涂的内壁进行喷砂或抛光处理；
S52、将干燥的AlN陶瓷粉末装入超细杆内壁喷枪内；
S53、通过超细杆内壁喷枪对S51中处理后的光滑内壁进行喷涂；
S54、对喷涂后的内壁进行涂层漏点检查；
若检测出漏点，执行S55；
若没有检测出漏点，则待处理内壁处理合格，在待处理内壁上制得防护层；
S55、继续对漏点所在的内壁进行喷涂，并继续执行S54。
优选的，S54中对涂层漏点检查的方法为涂层表面观察检查和电火花测试。
一种液态金属冷却叶片系统的防腐蚀方法，包括上述液态金属冷却叶片系统，具体包括以下步骤：
S71、按设计工艺的要求对液态金属冷却叶片系统中的叶片、电磁泵、膨胀节、收集器以及分离器进行喷涂施工；
按设计需求加工液态金属冷却叶片系统中的管道A、管道B、管道C、管道D、管道E、管道F和管道G；
S72、将分离器、管道A、管道B、电磁泵、管道C、膨胀节、管道D、换热器、管道E、管道F、管道G、收集器和叶片进行组装，得到液态金属冷却叶片系统，并在液态金属冷却叶片系统中注入液体金属。
与现有技术相比，本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种液态金属冷却叶片系统及其防腐蚀方法，通过中行考虑液态金属冷却叶片系统中各管道材料的导热性以及耐腐蚀性能，并对液态金属冷却叶片系统中各部件与液体金属接触的部件内壁进行防腐喷涂处理以生成耐腐蚀的防腐层，大大提高其使用寿命，进而提高液态金属冷却叶片系统的可靠性以及使用寿命；
本发明提供的一种液态金属冷却叶片系统及其防腐蚀方法基于能根除液态金属在固体接触面的质量迁移，避免固相金属溶解于液态金属和液态金属原子扩散到固相金属的晶格中，从而研究出可行的防腐方法以及筛选出合适的耐腐材料，从而保证液态金属冷却叶片系统的可靠持久运行。
附图说明
图1为实施例一的结构示意图。
图2为实施例二中对叶片上冷却通道内壁喷涂的结构示意图。
附图标记：1、分离器；2、管道A；3、管道B；4、电磁泵；5、管道C；6、膨胀节；7、管道D；8、换热器；9、管道E；10、管道F；11、管道G；12、收集器；13、叶片；14、冷却通道；15、超细杆内壁喷枪。
具体实施方式
实施例一
如图1-2所示，本发明提出的一种液态金属冷却叶片系统，包括分离器1、管道A2、管道B3、电磁泵4、管道C5、膨胀节6、管道D7、换热器8、管道F10、管道G11、收集器12和叶片13；
换热器8上设有管道E9；管道E9选用但不限于1Cr18Ni9不锈钢材质或铌基合金材质或T91钢材质制成；管道E9的内表面设有Al2O3防护层或SiO2防护层，以提高管道E9的使用寿命；
1Cr18Ni9不锈钢材质或铌基合金材质或T91钢材质均为耐高温且导热系数高的耐腐蚀金属材料，因此，具有耐高温且导热系数高的耐腐蚀金属材料均可以加工制成管道E9；
进一步的，管道E9呈蛇形分布，以提高液体金属在管道E9内流经的时间；
叶片13内设有冷却通道14；冷却通道14的出液端口连接管道A2的一端管口；管道A2的另一端管道连接分离器1的一个进液端口；
分离器1的出液端口连接管道B3的一端管口；管道B3的另一端管口连接电磁泵4的进液端口；
电磁泵4的出液端口连接管道C5的一端管口；管道C5的另一端管口连接膨胀节6的一端管口；膨胀节6的另一端管口连接管道D7的一端管口；管道D7的另一端管口连接管道E9的进液管口；
管道E9的出液管口连接管道F10的一端管口；管道F10的另一端管口连接收集器12的进液端口；收集器12的一个出液端口连接管道G11的一端管口；管道G11的另一端管口连接冷却通道14的进液端口；
管道A2、管道B3、管道C5、管道D7、管道F10和管道G11均选用石英材质或石墨材质或碳化铝材质制成；
石英材质或石墨材质或碳化铝材质均为耐高温且导热系数低的耐腐蚀非金属材料，因此，耐高温且导热系数低的耐腐蚀非金属材料均可以加工制成管道A2、管道B3、管道C5、管道D7、管道F10和管道G11；
冷却通道14的内壁、电磁泵4内流体流经的内壁、膨胀节6的内壁、收集器12内与流体接触的内壁以及分离器1内与流体接触的内壁均设有防护层。
冷却通道14、管道A2、分离器1、管道B3、电磁泵4、管道C5、膨胀节6、管道D7、管道E9、管道F10、收集器12和管道G11依次连通，形成循环通路；循环通路内存有液体金属；液态金属包括但不限于镓金属或者镓基合金金属，如液态金属还包括钠金属、钾金属、钠钾合金金属以及铅铋合金金属等。
本发明的一个实施例中，通过具有优良导热性能的液体金属对叶片13进行散热；叶片13中冷却通道14内的高温液体金属由电磁泵4依次沿、管道A2、分离器1、管道B3和管道C5进入管道E9内，通过换热器8对流经管道E9内的高温液体金属进行散热；散热后的液体金属依次沿管道F10、收集器12和管道G11流入叶片13中冷却通道14内；冷却通道14的内壁、电磁泵4内液体金属流经的内壁、膨胀节6的内壁、收集器12内与液体金属接触的内壁以及分离器1内与液体金属接触的内壁均设有防护层，避免液体金属对上述部件造成腐蚀；管道A2、管道B3、管道C5、管道D7、管道E9、管道F10和管道G11均选用耐腐蚀材质制成，大大提高其使用寿命，保证液态金属冷却叶片系统运行的可靠性。
实施例二
本发明提出的一种液态金属冷却叶片系统，相较于实施例一，本实施例还包括防护层的施工方法，具体包括以下步骤：
S51、对待喷涂的内壁进行喷砂或抛光处理；
对叶片13上的冷却通道14的内壁、电磁泵4内流体流经的内壁、膨胀节6的内壁、收集器12内与流体接触的内壁以及分离器1内与流体接触的内壁进行处理时，根据各部件结构的不同选择对上述内壁进行抛光处理或者喷砂处理，以使得上述内壁光滑；
S52、将干燥的AlN陶瓷粉末装入超细杆内壁喷枪15内；
AlN陶瓷粉末具有导热系数高、膨胀系数低且不受镓及其合金腐蚀的优点；
S53、通过超细杆内壁喷枪15对S51中处理后的光滑内壁进行喷涂；
干燥的AlN陶瓷粉末颗粒与高压气体混合形成气溶胶，在将其输送至超细杆内壁喷枪15上的真空室内，加速至每秒几百米后从超细杆内壁喷枪15上的喷嘴喷出以附着在上述处理后的光滑内壁上，以在上述光滑内壁上形成防护层；
S54、对喷涂后的内壁进行涂层漏点检查；涂层漏点检查的方法为涂层表面观察检查和电火花测试；
若检测出漏点，执行S55；
若没有检测出漏点，则待处理内壁处理合格，在待处理内壁上制得防护层；
S55、继续对漏点所在的内壁进行喷涂，并继续执行S54。
本发明的一个实施例中，通过在冷却通道14的内壁、电磁泵4内液体金属流经的内壁、膨胀节6的内壁、收集器12内与液体金属接触的内壁以及分离器1内与液体金属接触的内壁经喷涂的方式生成防护层，进而避免液体金属对上述部件的内壁造成腐蚀，大大提高液态金属冷却叶片系统运行的可靠性以及使用寿命。
实施例三
一种液态金属冷却叶片系统的防腐蚀方法，包括实施例一中的液态金属冷却叶片系统，具体包括以下步骤：
S71、按设计工艺的要求对液态金属冷却叶片系统中的叶片13、电磁泵4、膨胀节6、收集器12以及分离器1进行喷涂施工；
按设计需求加工液态金属冷却叶片系统中的管道A2、管道B3、管道C5、管道D7、管道E9、管道F10和管道G11；
S72、将分离器1、管道A2、管道B3、电磁泵4、管道C5、膨胀节6、管道D7、换热器8、管道E9、管道F10、管道G11、收集器12和叶片13进行组装，得到液态金属冷却叶片系统，并在液态金属冷却叶片系统中注入液体金属。
本发明的一个实施例中，综合考虑液态金属冷却叶片系统中各连接管道材料的导热性和耐腐蚀性，对各管道的材质进行选择，并对液态金属冷却叶片系统中叶片13、电磁泵4、膨胀节6、收集器12以及分离器1内部进行防腐涂层喷涂处理，大大提高液态金属冷却叶片系统运行的可靠性以及使用寿命。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于此，在所属技术领域的技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下还可以作出各种变化。

Claims (6)

1.一种液态金属冷却叶片系统，其特征在于，包括分离器（1）、管道A（2）、管道B（3）、电磁泵（4）、管道C（5）、膨胀节（6）、管道D（7）、换热器（8）、管道F（10）、管道G（11）、收集器（12）和叶片（13）；
换热器（8）上设有管道E（9）；管道E（9）选用1Cr18Ni9不锈钢材质或铌基合金材质或T91钢材质制成；
叶片（13）内设有冷却通道（14）；冷却通道（14）的出液端口通过管道A（2）连接分离器（1）的一个进液端口；分离器（1）的出液端口通过管道B（3）连接电磁泵（4）的进液端口；
管道C（5）的一端管口连接电磁泵（4）的出液端口，管道C（5）的另一端管口连接膨胀节（6）的一端管口；膨胀节（6）的另一端管口通过管道D（7）连接管道E（9）的进液管口；管道E（9）的出液管口通过管道F（10）连接收集器（12）的进液端口；收集器（12）的一个出液端口通过管道G（11）连接冷却通道（14）的进液端口；
管道A（2）、管道B（3）、管道C（5）、管道D（7）、管道F（10）和管道G（11）均选用石英材质或石墨材质或碳化铝材质制成；冷却通道（14）的内壁、电磁泵（4）内流体流经的内壁、膨胀节（6）的内壁、收集器（12）内与流体接触的内壁以及分离器（1）内与流体接触的内壁均设有由干燥的AlN陶瓷粉末喷涂而成的防护层，防护层的施工方法具体包括以下步骤：
S51、对待喷涂的内壁进行喷砂或抛光处理；
S52、将干燥的AlN陶瓷粉末装入超细杆内壁喷枪（15）内；
S53、通过超细杆内壁喷枪（15）对S51中处理后的光滑内壁进行喷涂；
S54、对喷涂后的内壁进行涂层漏点检查；
若检测出漏点，执行S55；
若没有检测出漏点，则待处理内壁处理合格，在待处理内壁上制得防护层；
S55、继续对漏点所在的内壁进行喷涂，并继续执行S54；
冷却通道（14）、管道A（2）、分离器（1）、管道B（3）、电磁泵（4）、管道C（5）、膨胀节（6）、管道D（7）、管道E（9）、管道F（10）、收集器（12）和管道G（11）依次连通，形成循环通路；循环通路内存有液体金属。
2.根据权利要求1所述的一种液态金属冷却叶片系统，其特征在于，管道E（9）的内表面设有Al2O3防护层或SiO2防护层。
3.根据权利要求1所述的一种液态金属冷却叶片系统，其特征在于，管道E（9）呈蛇形分布。
4.根据权利要求1所述的一种液态金属冷却叶片系统，其特征在于，液态金属包括镓金属或者镓基合金金属。
5.根据权利要求1所述的一种液态金属冷却叶片系统，其特征在于，S54中对涂层漏点检查的方法为涂层表面观察检查和电火花测试。
6.一种液态金属冷却叶片系统的防腐蚀方法，包括权利要求1-5任一项所述的液态金属冷却叶片系统，其特征在于，具体包括以下步骤：
S71、对液态金属冷却叶片系统中的叶片（13）、电磁泵（4）、膨胀节（6）、收集器（12）以及分离器（1）内与流体接触的内壁进行防护层喷涂施工；
加工液态金属冷却叶片系统中的管道A（2）、管道B（3）、管道C（5）、管道D（7）、管道E（9）、管道F（10）和管道G（11）；
S72、将分离器（1）、管道A（2）、管道B（3）、电磁泵（4）、管道C（5）、膨胀节（6）、管道D（7）、换热器（8）、管道E（9）、管道F（10）、管道G（11）、收集器（12）和叶片（13）进行组装，得到液态金属冷却叶片系统，并在液态金属冷却叶片系统中注入液体金属。
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