CN1683833A - 具有可控晶向的单晶体 - Google Patents

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Abstract

一种物体，具有特征的热机械应力主方向。该物体具有单晶基体，基体具有最低模量方向，其与主方向目标对齐。

Description

具有可控晶向的单晶体
技术领域
本发明涉及一种燃烧室铸件。具体地，本发明涉及铸造的燃气轮发动机的燃烧室面板。
背景技术
燃气轮发动机燃烧室部件，如热屏蔽件和浮动壁面板，通常是用多晶合金制造。这些部件在发动机操作的不同阶段要经受非常高温的加热，具有很大的热梯度。热机械应力及其产生的疲劳使得部件损坏。要作出很大的努力来冷却这些部件以提高其寿命。
因此，需要提高部件的寿命。
发明内容
本发明的一个方面涉及燃气轮发动机燃烧室部件。部件具有：特征热机械应力主方向；和单晶基体，具有最低模量方向，其在所述主方向的15度内。
在不同实施例中，部件可选择用作下面的部件：燃烧室壳体件和燃烧室热屏蔽件。所述部件具有部分截头圆锥壳体的整体形状。燃气轮发动机可包括多个这样的用作燃烧室热屏蔽件的部件。部件还包括基体上的至少部分涂层。晶体结构可以是面心立方结构。晶体基本上是镍基超合金。镍基超合金含有(重量％)：1.0-12.0的铬，5.0-20.0的钴，4.0-10.0的钽，5.3-6.5的铝，和5.5-10.0的钨，伽玛相(γ`)体积分数超过50％。
本发明的另一方面涉及燃烧室面板，其特征在于，包括：基体，具有部分截头圆锥的整体形状；和基体的单晶颗粒结构，具有最低模量的第一方向，位于中心特征方向的30度内。如果面板的半锥角小于45度，特征方向是周向。如果面板的半锥角大于45度，特征方向是锥向。
在不同的实施例中，最小模量第一方向在所述中心特征周向的15度内。最小或第二最小模量第二方向在中心特征表面纵向的30度内。面板可用于燃气轮发动机。面板的半锥角在-30度到30度。半锥角可在±(5度到30度)。基体基本为镍基超合金。面板的第一和第二边基本沿周向延伸，第三和第四边基本沿纵向/径向平面延伸。面板的特征周向范围为20度到60度。面板的纵向范围为30毫米到200毫米。
本发明的另一方面涉及一种经受热机械疲劳的燃烧室部件的加工方法，包括：确定特征热机械应力主方向。制造所述部件使之由单晶基体组成，具有最小模量方向，其与所述主方向目标对齐。
在不同的实施例中，目标对齐是在所述主方向的15度内。所述确定包括模拟。所述方法用于重新加工原始部件的替代件。替代件在主方向上的弹性模量小于20Msi(138千兆帕)。原始件在主方向上的弹性模量大于30Msi(207千兆帕)。确定热机械应力第二方向，所述制造使基体具有第二方向，也是最小模量方向。基体上施加至少部分涂层。
下面的附图和说明公开了本发明的一个和多个实施例的细节。本发明的其他特征、目的和优点通过说明和附图以及权利要求可清楚地了解。
附图说明
图1是燃气轮发动机燃烧室的纵向截面图；
图2是图1燃烧室的内热屏蔽面板的视图；
图3是图1燃烧室的外热屏蔽面板的视图；
图4是隔壁热屏蔽面板的后视图；
图5是图4面板的侧视图；
图6是显示面心立方结构的晶轴的视图。
各附图中的相同标记和指示表示相同的部件。
具体实施方式
图1显示了燃气轮发动机燃烧室20。示例性的燃烧室20一般是围绕发动机中心纵向轴线(中心线)500的环状，还显示出与中心线平行的前方向502。示例性的燃烧室具有双层的内壁22和外壁24。内外壁22，24从隔壁26向后和向下游延伸到下游的出口28，隔壁位于上游入口27，入口接受来自压缩机部分(未显示)的空气，出口输送空气到涡轮机部分(未显示)。沿周向设置的燃料喷射器/离心式喷嘴组件29可固定到隔壁。
隔壁包括壳体部分30和向后/下游间隔开的热屏蔽件31。热屏蔽件31由沿周向排列的隔壁面板形成，至少一些面板设有孔，可容纳相关的燃料喷射器/离心式喷嘴组件。燃烧室设有内腔34，位于隔壁面板排列的后面和下游。内壁22和外壁24分别设有外壳体35和36，以及内热屏蔽板37和38。壳体35，36与隔壁壳体相连。各示例性的壁热屏蔽板是由纵向和周向排列的面板组成，壳体也是如此。在示例性的燃烧室，设有6到20个热屏蔽面板的2个到6个纵向环。从上游到下游，屏蔽件37，38的各个面板用37A-E和38A-E来表示。参考示例性的面板37C，各面板一般设有内表面40(面对内腔34)和外表面42。固定栓44或其他构件可从外表面42延伸，以固定面板到相邻的壳体。面板在前缘46和后缘48之间延伸并在第一和第二侧边(周向)50和52之间延伸(见图2)。面板还可设置一排或多排的在内和外表面之间延伸的冷却孔54，还可在一个或两个表面上设置额外的表面增强件(未显示)，如现有技术已知的或将来提供的增强件。
内表面40沿周向突起，并设有中心60。图1还显示了曲面法线510和与其正交的锥向512。示例性的面板具有半锥角θ1，纵向范围L1，和锥向范围L2(见图2)。径向用514表示。周向用516表示。相对发动机中心线的面板侧边之间的角度用θ2表示，对于每个环的示例性的8个面板，θ2一般为45度(可稍小以提供面板之间的间隙)。
类似地，示例性面板38C具有内和外表面80，82。前缘和后缘84，86，和侧边88，90(见图3)。内表面80沿周向内凹，并设有中心100。曲面法线用520表示。锥向用522表示。半锥角用-θ3表示(负角度是指向后收缩的锥体)，纵向范围用L3表示。图3中用524显示周向。周向范围用θ4表示，锥向范围用LA表示。
图4显示了隔壁的热屏蔽面板31，形成具有径向延伸的周向边120，122之间的角度范围θ5的环形部分，并沿内缘和外缘124，126之间的径向范围L5延伸。示例性的面板31具有中心孔128，以容纳相关的燃料喷射器/离心式喷嘴组件。孔128在前和后表面130和132之间延伸(见图5)。固定栓134从前表面130向前延伸。内和外沿134和136从后表面132向后延伸。面板可径向延伸或以偏离径向角度θ6延伸。中心锥向用530表示。周向用532表示。中心曲面法线方向用534表示(见图5)。曲面法线方向是特征表面法线，即使其位于孔128。观察到高应力区140位于孔128的任何周边。应力可造成位于孔和邻边120和122之间的周边开裂。
现有技术的面板一般用多晶镍基超合金制造，其弹性模量在30到40Msi的范围。已经开发出先进的单晶合金，可用于燃气轮发动机叶片，还可以应用于本发明的面板，如下面将进行的介绍。这些超合金特别适合高温条件(650℃)。单晶体可由各种超合金形成，其以前用于等轴和柱状晶粒的铸件；或由将来开发出的材料形成。示例性的镍基超合金在Duh1等人的美国专利No.4,116,723和4,209,348给出介绍。公开的内容在本文中参考引用。一般地，这些高伽玛相(γ`)的操作温度比等轴晶合金高很多。但是应当认识到，本发明不仅采用镍基合金，还可采用面心立方结构的钴、铁和其他金属的合金，以及采用具有其他晶体结构的金属。
在非常热的条件下(即高温条件下)，经常观察到这些面板开裂，其原因是热机械应力导致的热机械疲劳(TMF)。对于较为纵向的面板(如37A-E和38A-E，其θ1和θ3小于45度，更窄的小于40度或30度)，已经观察到高(初始)应力位向基本上沿周向。此外，已经观察到第二应力方向基本上是沿锥向。相对较为径向的面板(即，隔壁面板31，θ6的角度小于30度)，初始应力方向基本为锥向530，第二应力方向基本上为周向532。
用具有与高应力方向对齐的低模量方向的单晶合金制造面板可能容易开裂。图6显示了传统的镍和某些其他金属系，如铝、铜等的面心立方(fcc)晶体结构的八面体晶胞的密勒指数。在这个立方体系中，任何两个正交座标轴之间空间内位置的说明，如[100]和[001]，可充分确定晶体的位置。
性能随Fcc晶体的位置变化，参考图6，[100]，[010]和[001]轴的特征是具有相同的性质，并都是最低模量。其他的晶体系没有3个相同的最低模量轴。在[100]和[010]轴的平面上，[110]轴与[100]轴的角度为45度。根据本发明的内容，面板这样的物体具有最低模量轴(如[001])，其与主应力方向516，524，532对齐(即互相平行或在误差范围内，如下面所介绍的)。进行制造和其他的用途难以精确对准，难以实现希望的重复性。因此，要设立误差，对齐时可位于第一目标角度(如15度)。此外，第二最低模量轴(对fcc结构，另一个最低模量轴)最好对齐第二应力方向512，522，530。第二应力方向的较低应力允许存在与这个方向目标对齐的更宽范围，同时可提供希望的对开裂的抗力。因此，第二应力对齐的示例性第二目标角度可比第一目标角度更大(如30度，而不是15度)。主应力和第二应力方向的应力的相对大小，因此，可影响目标对齐的相对允许和希望的范围。较宽的第一和第二对齐分别在20度和35度内，较窄的第一和第二对齐将分别在10度和20度内。
用于本发明的镍基超合金的一个特定组合的示例性重量百分比为：1.0-12.0的铬，5.0-20.0的钴，0.0-1.0的钛，5.3-6.5的铝，5.5-10.0的钨，0-0.1的钇，0.5-2.5的钼，0.0-7.0的稀土元素，0.0-5.0的钌，4.0-10.0的钽，和0.0-0.5的铪。伽玛相(γ`)体积分数超过50％。平衡余量是镍和杂质。较窄的特定合金的重量百分比为：4.0-6.0的铬，9.0-11.0的钴，0.0-1.0的钛，5.3-6.0的铝，5.5-6.5的钨，0.001-0.1的钇，1.5-2.5的钼，2.5-3.5的稀土元素，8.0-9.0的钽，和0.05-0.45的铪。伽玛相(γ`)体积分数超过55％。另外部件的杂质最好不超过这些特定合金的杂质水平。
本发明可应用于加工或重新加工部件。示例性的重新加工燃烧室面板从基线面板开始，基线面板具有基线物理结构，由基线多晶材料形成，该材料具有示例性的30Msi(207千兆帕)到40Msi(276千兆帕)的弹性模量。示例性的重新加工可保留物理结构或包括其变化。确定特征热机械应力主方向。确定特征热机械应力第二方向。这可通过分析(如通过计算或其他模拟方式)或物理方式(如通过测量样品或从实际热机械应力得到的物理模型)来实现。特征方向可能是空间的(即体积的)平均，或者是加权的。特征方向可以是在峰值压力位置的锋值压力方向。对于示例性的部分截头锥体，特征方向几乎与测量技术无关。特征应力可确定位于面板的中心。
制造出的面板包括单晶基体，其具有最低模量方向，其与所述主方向第一目标对齐；还具有第二最低模量方向，与所述第二方向第二目标对齐。最低模量可小于20Msi(138千兆帕)，即大约18Msi(124千兆帕)。即使在面板中心(或其他特征位置)存在完美对齐，在其他位置也可能位未对齐。例如，对于周向面板部分，如果主应力方向在其他位置基本是沿周向的，那么对齐将沿面板的周向地变化，直到面板的半角。因此，最好在锋值应力区并超过面板的一定体积分数(或应力加权)实现目标对齐。
面板可通过铸造工艺(如熔模铸造)得到。为了实现希望的晶体和应力轴线的相对对齐，可将籽晶(未显示)设置在铸造壳体(未显示)的结晶开始部分，如现有技术已知的。还可以开发另外的技术。铸造后加工和化学、热和/或机械处理适合应用于施加涂层(如陶瓷)的单晶铸造基体。这些不同的处理和涂层是现有技术已知的，还可以开发其他的技术方法。
已经介绍了本发明的一个或多个实施例，应当知道在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可进行各种修改。例如，应用于重新加工现有部件，现有部件的细节可影响或规范任何特定实施例的细节。因此，其他的实施例应属于下面权利要求的范围。

Claims (25)

1.一种燃气轮发动机燃烧室部件，包括：
特征的热机械应力主方向；和
单晶基体，具有最低模量方向，位于所述主方向的15度内。
2.根据权利要求1所述的部件，可用作燃气轮发动机的部件，其特征在于，可选择用作下面的部件：
燃烧室壳体件；和
燃烧室热屏蔽件。
3.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，所述部件具有部分截头圆锥形壳体的形状。
4.一种燃气轮发动机，包括多个如权利要求3所述的用作燃烧室热屏蔽件的部件。
5.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，所述部件还包括所述基体上的至少部分涂层。
6.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，所述晶体结构是面心立方结构。
7.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，所述晶体基本上是镍基超合金。
8.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，所述镍基超合金含有(单位为重量％)：
1.0-12.0的铬；
5.0-20.0的钴；
4.0-10.0的钽；
5.3-6.5的铝；
5.5-10.0的钨；
伽玛相(γ`)体积分数超过50％。
9.一种燃烧室面板，其特征在于，包括：
基体，具有部分截头圆锥的整体形状；和
基体的单晶颗粒结构，具有最低模量的第一方向，如果面板的半锥角的度数小于45度，其位于中心特征周向的30度内；
如果面板的半锥角大于45度，其位于中心特征锥向的30度内。
10.根据权利要求9所述的面板，其特征在于，所述最小模量第一方向在所述中心特征周向的15度内，和
最小或第二最小模量第二方向在中心特征表面纵向的30度内。
11.根据权利要求9所述的面板，其特征在于，所述面板用于燃气轮发动机。
12.根据权利要求9所述的面板，其特征在于，所述半锥角在-30度到30度。
13.根据权利要求9所述的面板，其特征在于，所述半锥角在±(5度到30度)。
14.根据权利要求9所述的面板，其特征在于，所述半锥角超过60度，和
所述面板具有线性尺寸的离心式喷嘴孔，尺寸是局部周向或局部径向范围中至少一个的至少25％。
15.根据权利要求9所述的面板，其特征在于，所述基体基本为镍基超合金。
16.根据权利要求9所述的面板，其特征在于，所述第一和第二边基本沿周向延伸；和
第三和第四边基本沿纵向/径向平面延伸。
17.根据权利要求9所述的面板，其特征在于，特征周向范围为20度到60度。
18.根据权利要求9所述的面板，其特征在于，纵向范围为30毫米到200毫米。
19.一种经受热机械疲劳的燃烧室部件的加工方法，包括：
确定特征热机械应力主方向；和
制造所述部件，使之由单晶基体组成，并具有最小模量方向，其与所述主方向目标对齐。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述目标对齐是在所述主方向的15度内。
21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述确定包括模拟。
22.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述方法用于重新加工原始部件的替代件。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述替代件在所述主方向上的弹性模量小于20Msi(138千兆帕)，和
原始物体在所述主方向上的弹性模量大于30Msi(207千兆帕)。
24.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述方法还包括确定热机械应力第二方向，其中所述制造使所述基体具有第二方向，也是最小模量方向。
25.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，在所述基体上施加至少部分涂层。
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