CN116710634A - 具有高温能力、特别是作为用于燃气涡轮叶片的研磨涂层的预烧结预成型件 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种用于粘合到叶片尖端以形成研磨叶片尖端盖的研磨燃气涡轮叶片尖端盖预成型件(11)，该研磨燃气涡轮叶片尖端盖预成型件(11)由粘合层(12)和研磨层(13)形成，该粘合层(12)是包括镍钎焊合金和镍基超合金的粉末尺寸颗粒的金属层，并且该研磨层(13)是在金属基质中的陶瓷层，该研磨层在与粘合层(12)的组成相同的金属基质中包括立方氮化硼(cBN)和氧化铝(Al2O3)的粉末尺寸颗粒。本公开还涉及一种制造研磨燃气涡轮叶片尖端盖预成型件(11)的方法以及将研磨燃气涡轮叶片尖端盖预成型件(11)粘合到叶片尖端以形成研磨叶片尖端盖的方法。
Description
技术领域
本公开总体上涉及包括高温部件的涡轮机领域，并且涉及施加到此类部件上的高阻力材料，例如研磨涂层以及施加该研磨涂层的方法。
根据一个实施方案，本公开涉及轴向、径向和混合涡轮机，例如压缩机和涡轮，并且更具体地涉及固定部件和旋转部件之间的泄漏控制，并且包括施加到涡轮转子斗或压缩机转子叶片的研磨材料。
根据一个实施方案，本公开涉及施加在转子斗尖端上的研磨涂层，以与定子部件(称为护罩)形成动态密封，从而通过使用具有高温能力的先进材料和涂层来减少气体流泄漏并提高燃气涡轮发动机的效率。
背景技术
已知燃气涡轮通常包括在至少一个转子组件上延伸的至少一个固定组件。转子组件包括至少一排周向间隔开的、可旋转的金属涡轮叶片。叶片包括从可旋转轮毂径向向外延伸到金属尖端的金属翼型件。转子叶片的许多此类金属翼型件由诸如镍(Ni)基超合金的材料制成。
涡轮机的固定组件包括形成金属护罩的表面，该金属护罩可常规地暴露于热气体流。这些金属表面中的一些金属表面包括施加的金属基MCrAlY(其中M＝Co、Ni或Co/Ni，Cr＝铬，Al＝铝并且Y＝钇)涂层和/或施加的陶瓷热障涂层，该涂层在固定组件上形成护罩。另选地，一些此类金属表面包括具有或不具有保护性热障涂层的施加的陶瓷基质复合物。
金属尖端和金属护罩在它们之间限定尖端间隙。然而，这种尖端间隙不适用于需要高效率的高温单元。为了减小这种尖端间隙，燃气涡轮包括形成在固定组件上的可研磨护罩，并且叶片尖端包括形成在其上的研磨材料，该研磨材料具有比叶片材料和可研磨涂层更大的硬度值。当转子组件在固定组件内旋转时，研磨材料研磨护罩涂层。可研磨护罩涂层和研磨尖端限定它们之间的尖端间隙。尖端间隙足够小以利于减少绕过叶片的通过燃气涡轮的轴向流动，从而利于提高燃气涡轮的效率和性能。尖端间隙也足够大以利于在可用燃气涡轮操作条件的范围内的无摩擦燃气涡轮操作。
已经提出了各种材料和工艺以在涡轮定子和转子叶片上提供合适的研磨尖端盖。所用的典型研磨材料包括碳化硅、氧化铝、碳化钽和立方氮化硼。研磨材料颗粒通常与金属基质(包括例如镍或钴基合金)结合，以提供可结合到叶片尖端的足够坚固的结构。然而，由于研磨组合物的结构弱点，这种金属基质的厚度通常受到限制。
另外，一些研磨材料会被高温损坏。例如，对于高于约927℃(1700℉)的温度，立方氮化硼变得不稳定并且易于氧化。此外，尽管碳化硅更适合经受超过约927℃(1700℉)的温度，但碳化硅磨料包括游离硅，该游离硅可能侵蚀Ni/Co(镍/钴)合金基底。
在一些应用中，通常使用热喷涂技术(诸如等离子喷涂或爆炸枪喷涂)将研磨组合物施加到转子叶片尖端。随后的工艺通常是必需的，以提供研磨组合物经受得住燃气涡轮的不利环境所必需的粘附性和结构完整性。此类步骤通常包括在第一加热和冷却循环期间将研磨组合物粘附到叶片尖端，并且随后通过第二加热和冷却循环(诸如在热等静压期间)将额外量的金属基质沉积在研磨组合物上。作为替代方案，还建议诸如用激光熔化叶片的尖端，将磨料引入到叶片尖端，然后再凝固叶片尖端。
虽然上述工艺可适用于一些涡轮叶片结构，但现代燃气涡轮发动机中使用的涡轮叶片通常由具有单晶微结构的铸造高温镍基超合金制造。单晶叶片的特征在于在升高的温度下极高的抗氧化性和机械强度，这对于现代燃气涡轮的性能要求是必需的。然而，单晶微结构必须不受转子叶片研磨尖端盖固定到转子叶片上的工艺的影响。特别地，该工艺必须不使转子叶片的单晶微结构再结晶，使得转子叶片的高温性能丧失或降低。因此，需要将转子叶片尖端熔化成单晶转子叶片的工艺是完全不可接受的。此外，转子叶片的重复热循环存在使转子叶片的单晶微结构降解的风险。
因此，希望提供一种研磨组合物，该研磨组合物可以容易地形成为研磨叶片尖端盖并且可以在单个加热和冷却循环中在受控温度下附接到一个涡轮转子叶片，以便使单晶涡轮转子叶片的微结构的任何降解最小化。
发明内容
在一方面，本文所公开的主题涉及一种研磨材料预成型件，该预成型件被构造成在受控温度下通过单个加热和冷却循环固定地联接到燃气涡轮转子叶片。
在另一方面，本文所公开的主题涉及生产此类研磨材料预成型件的方法。
在又一方面，本文所公开的主题涉及一种用于在单个加热和冷却循环中将此类研磨材料预成型件附接到燃气涡轮叶片以保持单晶转子叶片的微结构和研磨材料的稳定性的方法。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，将容易地获得对本发明所公开的实施方案及其许多伴随的优点的更全面的理解，这同样变得更好理解，其中：
图1示出了涂覆有研磨材料预成型件的燃气涡轮叶片的横截面；
图2示出了研磨材料预成型件的横截面；
图3示出了制造用于结合到叶片尖端以在燃气涡轮叶片的尖端上形成研磨叶片尖端盖的研磨燃气涡轮叶片尖端盖预成型件的新的改进方法的流程图；
图4示出了将研磨材料预成型件施加到燃气涡轮叶片的尖端上的新的改进的方法的流程图；
图5示出了制造图3的研磨燃气涡轮叶片尖端盖预成型件的方法的第一示例性实施方案的流程图；
图6示出了制造图3的研磨燃气涡轮叶片尖端盖预成型件的方法的第二示例性实施方案的流程图；并且
图7示出了将研磨材料预成型件施加到图4的燃气涡轮叶片的尖端上的方法的示例性实施方案的流程图。
具体实施方式
在一方面，本文所公开的主题涉及一种研磨材料预成型件11，该研磨材料预成型件被构造成在受控温度下通过单个加热和冷却循环固定地联接到燃气涡轮转子叶片10，以实现涂覆有研磨材料预成型件11的燃气涡轮叶片10，如图1所示。
根据一个方面，本文所公开的主题更具体地涉及由超合金基材和钎焊合金粉末的均匀混合物组成的预烧结研磨材料预成型件11，该预成型件被构造成被点焊在叶片尖端上并且然后被真空钎焊，以实现涂覆有研磨材料预成型件11的燃气涡轮叶片10，如图1所示。
在本公开中，术语粉末是根据其通常已知的含义使用的，以标识筛目尺寸为几微米至几千微米的细的、干燥的固体颗粒。
另外，在本公开中，术语烧结也是根据其通常已知的含义使用的，以标识通过加热或加压而不将其熔化至液化点来压实和形成材料的固体块的工艺。
在本公开中使用术语“预成型件”来标识初步成形的部件。
图2示出了预烧结预成型件11的剖视图，该预成型件由两层形成，即用于与叶片尖端联接的粘合层12，以及顶层13或研磨层13。根据一个示例性实施方案，每一层的厚度为应用所需的总预成型件厚度的50％±15％。特别地，根据一个示例性实施方案，粘合层12可以是通过烧结镍钎焊合金粉末和镍基超合金粉末的共混物获得的金属层，如下所述，并且顶层13可以是金属基质中的陶瓷层，该顶层通过烧结与粘合层的组成相同的金属基质中的立方氮化硼(cBN)粉末和氧化铝(Al2O3)粉末的共混物而产生。这两个层可以通过单次烧结操作获得，或者通过一系列烧结操作获得，包括将分别烧结的两个层粘合。
根据一个示例性实施方案，预烧结预成型件可以是烧结粉末冶金产品，其由粘合层12以及顶层13或研磨层13组成，粘合层由超合金基材和钎焊合金粉末的均匀混合物组成，顶层或研磨层由研磨粉末(也称为研磨砂砾)组成，组成在表1的范围内。
表1
选择金属和研磨粉末以承受燃气涡轮部分中的高温。特别地，研磨砂砾确保了短期切割能力和热稳定性两者，从而确保随时间维持间隙。
粉末粒度应满足以下要求：
-cBN粉末粒度在最少93％重量中应在181目-277目的范围内
-氧化铝粉末粒度在最少40％重量中应为100目
-Ni基超合金粉末粒度在最少95％重量中应为395目
-Ni基钎焊合金粉末粒度在最少95％重量中应为395目
在该系统的一个示例性实施方案中，该镍钎焊合金粉末的组成参见表2。
表2
| 元素 | 重量(％) |
| 镍 | 46.71-55.21 |
| 钴 | 13.5-16.5 |
| 铬 | 18.5-21.5 |
| 铝 | 4.2-5.8 |
| 硅 | 7.5-8.4 |
| 所有其他元素 | <1.1 |
在该系统的一个示例性实施方案中，镍基超合金粉末的组成参见表3。
表3
| 元素 | 重量(％) |
| 镍 | 55.61-60.36 |
| 钴 | 11.35-12.1 |
| 铬 | 6.5-7.2 |
| 铝 | 5.9-6.6 |
| 钽 | 6.1-6.7 |
| 钨 | 4.5-5.3 |
| 铪 | 1.2-1.8 |
| 铼 | 2.5-3.1 |
| 所有其他元素 | <1.6 |
根据一个示例性实施方案，通过图3中所示的方法，通过形成20带材或片材来实现预烧结的预成型件11，该预成型件由两层形成，即粘合层12以及顶层13或研磨层13，具有上述指定的组成。然后将带材或片材烧结，即真空热处理30至80％-90％的钎焊温度，随后切割40至所需形状。
根据示例性实施方案，通过图4中所示的工艺，通过将预烧结预成型件11点焊50到燃气涡轮叶片10的尖端并且真空钎焊60以将预烧结预成型件11粘合到该尖端，将预烧结预成型件11联接到燃气涡轮叶片尖端。
特别地，如图5所示，由两层制成的预烧结预成型件通过一系列后续烧结工艺来制造。每个层可以由传送带驱动的柔性片材的形式单独制造：即通过粘合层制造工艺201和相应的预烧结工艺203以及研磨层制造工艺202和相应的预烧结工艺204。根据粘合层制造工艺201，将用于形成粘合层12的两种金属粉末与粘合剂一起混合2011以产生糊料，将该糊料在相对的辊之间压制2012。当柔性片材达到合适的厚度时，将其切割2013并称重2014以形成带材。然后将片材或带材预烧结203，即放入高真空炉中并在1150℃-1180℃下真空热处理以获得预烧结的片材或带材。根据研磨层制造工艺202，将立方氮化硼(cBN)粉末、氧化铝(Al2O3)粉末和用于形成研磨层13的粘合层的相同组成的两种金属粉末与粘合剂一起混合2021，以产生糊料，该糊料在相对的辊之间被压制2022。当柔性片材达到合适的厚度时，将其切割2023并称重2024以形成带材。然后将片材或带材预烧结204，即放入高真空炉中并在1150℃-1180℃下真空热处理以获得预烧结的片材或带材。然后将两个预烧结的片材或带材彼此堆叠放置205以形成由粘合层12以及顶层13或研磨层13组成的片材或带材。然后在小于5×10E-4托的压力下，在高真空炉中烧结30片材或带材以将两层联结在一起，随后切割40以形成最终的预烧结预成型件11。
另选地，根据示例性实施方案，如图6所示，通过同时烧结两层来制造由两层制成的预烧结预成型件。用于形成206粘合层12的两种金属粉末与粘合剂一起混合2061以产生糊料，该糊料在相对的辊之间被压制2062。当柔性片材达到适当厚度时，执行相同的混合步骤2071和压制步骤2072，以形成207具有布置在粘合层12顶部上的嵌入陶瓷颗粒的研磨层13。然后在小于5×10E-4托的压力下，在高真空炉中同时烧结30两个片材并将它们联结在一起，随后切割40以形成最终的预烧结预成型件11。
根据一个示例性实施方案，在低于5×10E-4托的压力下，在1200℃-1220℃下执行叶片10与预先点焊50的预成型件11的钎焊步骤60。根据示例性实施方案，也如图6所示，在1178℃和1198℃之间的扩散子步骤602的温度下执行重复加热601和扩散602的后续子步骤，以实现预成型件11和叶子10之间的适当粘合。然后通过淬火603、将温度降低到室温来结束钎焊步骤。
根据示例性实施方案，叶片10的钎焊步骤60必须遵循以下热循环：
-在150分钟内加热至1038℃
-在1038℃下保持30分钟
-在20分钟内加热至1177℃
-在1177℃下保持30分钟
-在5分钟内加热至1218℃
-在1218℃下保持20±5分钟
-氩气骤冷至室温(1.2÷1.8巴)。
钎焊步骤60的热处理的目的是多重的：
-将陶瓷颗粒与金属基质粘合，以达到叶片所需的研磨特性，从而防止在运行期间对定子护罩的过度磨损；
-最小化镍基超合金的降解，例如机加工根的再结晶。
组件的单炉运行旨在获得与热喷涂或电解研磨涂层相比具有减少的时间的精益工艺。
预烧结预成型件的示例性实施方案的一个重要优点是在高达980℃金属温度测试的高温下使用此类预成型件的可能性。预烧结预成型件还可以生产为净形预成型件，以便减少浪费并且对于在轴向、径向和混合涡轮机上的应用是灵活的。
根据本文所公开的示例性实施方案的预烧结预成型件的附加应用可以是彼此滑动经过的燃烧衬套和过渡件的组件，过渡件将高温气体从燃烧衬套引导到燃气涡轮的第一定流喷嘴。
根据本文所公开的示例性实施方案的预烧结预成型件在燃气涡轮叶片上的另一应用可以是涡轮中的转子叶片与喷嘴之间的天使翼密封件，其抑制热气体从热气体流穿过涡轮吸入到涡轮叶轮空间中。
根据本文所公开的示例性实施方案的预烧结预成型件的又一应用是实现燃气涡轮的旋转涡轮部件、固定喷嘴和壳体之间的密封，诸如在J形密封件上。已知的是，J形密封件是高效蒸汽涡轮操作的主要部分。当材料向下游迁移时，J形密封件的失效可导致对涡轮转子的显著损坏。为此，工厂人员必须进行蒸汽路径系统的检查，以在定期安排的停机期间识别潜在问题，以便检查密封的完整性。蒸汽涡轮效率严重依赖于蒸汽通道级到级密封的完整性和性能。使用根据本文所公开的示例性实施方案的研磨预烧结预成型件可通过允许密封件的持久完整性而在旋转涡轮部件、固定喷嘴和壳体之间的密封方面产生显著优点。
Barzanò和Zanardo Roma S.p.A.
Claims (11)
1.一种研磨燃气涡轮叶片尖端盖预成型件(11)，所述研磨燃气涡轮叶片尖端盖预成型件被构造成粘合到燃气涡轮叶片尖端以形成研磨燃气涡轮叶片尖端盖，所述研磨燃气涡轮叶片尖端盖预成型件(11)由粘合层(12)和研磨层(13)形成，所述粘合层(12)是包括镍钎焊合金和镍基超合金的粉末尺寸颗粒的金属层，并且所述研磨层(13)是在金属基质中的陶瓷层，所述研磨层在与所述粘合层(12)的组成相同的金属基质中包括立方氮化硼(cBN)和氧化铝(Al2O3)的粉末尺寸颗粒。
2.根据权利要求1所述的研磨燃气涡轮叶片尖端盖预成型件(11)，其中所述粘合层(12)的厚度为所述研磨燃气涡轮叶片尖端盖预成型件(11)的总厚度的50％±15％。
3.根据权利要求1所述的研磨燃气涡轮叶片尖端盖预成型件(11)，其中所述粘合层(12)由按重量计50％±15％的Ni基超合金粉末尺寸颗粒和按重量计50％±15％的Ni基钎焊合金粉末尺寸颗粒组成。
4.根据权利要求1所述的研磨燃气涡轮叶片尖端盖预成型件(11)，其中所述研磨层(13)由在按重量计50％±15％的金属基质中的按重量计25％±7.5％的立方氮化硼(cBN)的粉末尺寸颗粒和按重量计25％±7.5％的氧化铝(Al2O3)的粉末尺寸颗粒组成，所述金属基质由按重量计50％±15％的Ni基超合金和按重量计50％±15％的Ni基钎焊合金组成。
5.根据权利要求1所述的研磨燃气涡轮叶片尖端盖预成型件(11)，其中立方氮化硼(cBN)颗粒尺寸在最小93％重量中在181目-277目的范围内，氧化铝颗粒尺寸在最小40％重量中为100目，Ni基超合金颗粒尺寸在最小95％重量中为395目并且Ni基钎焊合金颗粒尺寸在最小95％重量中为395目。
6.根据权利要求1所述的研磨燃气涡轮叶片尖端盖预成型件(11)，其中所述镍钎焊合金由以下组成：钴按重量计13.5％-16.5％，铬按重量计18.5％-21.5％，铝按重量计4.2％-5.8％，硅按重量计7.5％-8.4％，镍按重量计46.71％-55.21％，其他元素按重量计小于1.1％。
7.根据权利要求1所述的研磨燃气涡轮叶片尖端盖预成型件(11)，其中所述镍基超合金由以下组成：钴按重量计11.35％-12.1％，铬按重量计6.5％-7.2％，铝按重量计5.9％-6.6％，钽按重量计6.1％-6.7％，钨按重量计4.5％-5.3％，铪按重量计1.2％-1.8％，铼按重量计2.5％-3.1％，镍按重量计55.61％-60.36％，其他元素按重量计小于1.6％。
8.一种制造根据权利要求1-7所述的研磨燃气涡轮叶片尖端盖预成型件(11)的方法，所述方法包括以下步骤：
-形成(20)由粘合层(12)和研磨层(13)形成的片材或带材，
所述粘合层(12)包括镍钎焊合金和镍基超合金的粉末尺寸颗粒，并且所述研磨层(13)在与所述粘合层(12)的组成相同的基质中包括立方氮化硼(cBN)和氧化铝(Al2O3)的粉末尺寸颗粒，所述镍钎焊合金具有钎焊温度；
-在80％-90％的所述钎焊温度下真空热处理(30)所述片材或带材；以及
-将所述片材或带材切割(40)成所述研磨燃气涡轮叶片尖端盖预成型件(11)的最终形状。
9.根据权利要求8所述的制造方法，其中形成(20)两层片材或带材的步骤另选地包括以下步骤：
-形成(201)包括镍钎焊合金和镍基超合金的粉末尺寸颗粒的粘合层(12)；
-通过在80％-90％的所述钎焊温度下真空热处理所述粘合层(12)
来烧结(203)所述粘合层(12)；
-形成(202)研磨层(13)，所述研磨层(13)在与所述粘合层(12)的组成相同的金属基质中包括立方氮化硼(cBN)和氧化铝(Al2O3)的粉末尺寸颗粒；
-通过在80％-90％的所述钎焊温度下真空热处理所述研磨层(13)
来烧结(204)所述研磨层(13)；以及
-将所述研磨层(13)放置(205)在所述粘合层(12)的顶部上；或者
-形成(206)包括镍钎焊合金和镍基超合金的粉末尺寸颗粒的粘合层(12)；
-在第一层上形成(207)研磨层(13)，所述研磨层(13)在与所述粘合层(12)的组成相同的基质中包括立方氮化硼(cBN)和氧化铝(Al2O3)的粉末尺寸颗粒；
并且附加地包括以下步骤：
-在80％-90％的所述钎焊温度下对所述层进行真空热处理(30)以形成金属片材；以及
-将所述金属片材切割(40)成期望的形状。
10.一种将根据权利要求1所述的研磨燃气涡轮叶片尖端盖预成型件(11)粘合到叶片尖端以形成研磨叶片尖端盖的方法，所述方法包括以下步骤：
-将所述研磨燃气涡轮叶片尖端盖预成型件(11)点焊(50)到燃气涡轮叶片(10)的尖端；
-真空热处理(60)以通过真空钎焊将所述研磨燃气涡轮叶片尖端盖预成型件(11)和所述燃气涡轮叶片尖端粘合在一起。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述真空热处理(60)步骤包括重复的加热(601)子步骤和扩散(602)子步骤，随后是通过将温度降低至室温的淬火(603)最后子步骤。
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