CN1896464A - 处理涡轮叶尖的方法和用该法处理的涡轮叶片 - Google Patents

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Abstract

提供一种处理涡轮叶片的叶尖(11)的方法，其中在该叶尖的表面上粘合碳化硅(SiC)微粒(3)，以便产生一个磨蚀覆盖层，其中在该SiC微粒上产生一个自恢复的屏障层。还提出了一种用该法处理的涡轮叶片。

Description

处理涡轮叶尖的方法和用该法处理的涡轮叶片
技术领域
本发明涉及一种处理涡轮叶尖的方法和用该法处理的涡轮叶片。
发明背景
在例如用作飞机发动机或陆基工业燃气轮机的涡轮机的操作中，从效率的观点出发，希望在涡轮叶尖和外壳中的相应的密封件之间的余隙尽可能小。如果该间隙太大，涡轮机的效率就降低，因为太大量的高能气体能从该未用的间隙逸走。为此，涡轮叶尖设有磨蚀覆盖层，可以至少在操作初期当转动时使涡轮叶尖在可磨蚀的密封件中切割出痕迹来。这些磨蚀覆盖层通常包含切割到该密封件中的硬质的研磨微粒或切割微粒。已知将这些微粒埋置在设置于叶尖的表面上的一个抗氧化的金属基体中。
从US-A-5,935,407的例子已知利用电技术将微粒埋置在一个金属基体中。该文件公开使用当今常用的陶瓷立方氮化硼(cBN)作为硬质研磨微粒。但是该cBN微粒具有在例如高于800℃的高温下迅速氧化的特性，因而该磨蚀覆盖层的性能大大变坏。
还已知将碳化硅(SiC)用作磨蚀覆盖层中的硬质微粒(例如参见US-A-4,249,913)。但是SiC的缺点是它在热动力学方面不够稳定，尤其当它接触超合金时。特别对于在极高温度下操作的涡轮机，当前常用通常为镍基或钴基合金的此种超合金来制造涡轮叶片。由于其热动力学的不稳定性，SiC与镍的接触例如导致生成硅化物会导致SiC以及磨蚀覆盖层的剥蚀。作为该问题的解决办法，US-A-4,249,913中建议，用氧化铝(Al2O3)对SiC微粒覆盖层，以便由此防止SiC与该金属基体直接接触以及硅和该金属基体的扩散和/或反应。但是该解决办法的缺点是，在诸如氧化铝层中的裂纹或裂痕的损伤情况下，在硅和该金属基体之间又可能直接接触，这导致SiC微粒因而磨蚀覆盖层的剥蚀。
因此，从该技术的这种状态出发，本发明的一个目的是提出一种处理涡轮叶尖的方法，该法能产生这样一种磨蚀覆盖层，该覆盖层既有良好的切割和研磨特性，又有阻止剥蚀作用的提高的抗力。本发明的另一目的是提出一种已用该方式处理的涡轮叶片。
满足该目的的本发明的主题的特征是相应范畴中的独立权利要求的特点。
因此，按照本发明，提出一种处理涡轮叶尖的方法，其中碳化硅(SiC)微粒粘合在涡轮叶片的表面上以产生一磨蚀覆盖层，在SiC微粒上产生一自恢复的屏障层。
由于用作扩散和反应壁垒的屏障层是自恢复的，所以即使SiC微粒的覆盖层中的裂纹也不会导致剥蚀，因为这些裂纹由于该自恢复的特征而重新闭合，从而永久防止SiC微粒和金属部件之间的接触。由此显著地延长了磨蚀覆盖层的寿命。
在一个完成该方法的优选方式中，该自恢复的屏障层是在将SiC微粒施加到叶尖表面之前在SiC微粒上产生的。这有利于SiC微粒的一种简单而有效的覆盖层。
该自恢复的屏障层最好利用覆盖层用选自下列一组元素的材料产生：铬(Cr)、锆(Zr)、钛(Ti)、钽(Ta)、铌(Nb)、铪(Hf)、钇(Y)、钪(Sc)、钍(Th)、铀(U)、钼(Mo)及上述元素的合金。利用这些材料的覆盖层能生成自恢复的良好的屏障层。
该屏障层尤其最好用铬或铬合金的覆盖层产生。利用铬的覆盖层，在Cr-SiC边界处生成热动力性能稳定的碳化硅铬层Cr5Si3C，该层形成对扩散和化学反应边程的屏障。如果生成一条延伸通过Cr-SiC边界层的裂纹，那么铬漂移到该裂纹的区域内，从而该裂纹闭合。
按照一种完成该方法的有利方式，SiC微粒利用将其埋置到一金属基体中而被粘合在叶尖的表面上。已经证明，SiC微粒可被埋置入一种MCrAlX基体中，其中M表示镍(Ni)和/或钴(Co)和/或铁(Fe)，而X表示钇(Y)和/或锆(Zr)和/或铪(Hf)。
一种产生该磨蚀覆盖层的优先的可能性是，设有屏障层的SiC微粒固定在一载体如一金属薄板上，随后通过覆盖层产生一金属基体，其中至少埋置SiC微粒的远离该载体的表面区域，该远离载体的表面固定在叶尖上，而后去除载体。该方法保证在SiC微粒和叶尖的表面之间不存在间隙或洞孔，由此导致SiC微粒的特别良好和可靠的固定。
该方法的一种带来同样优点的类似的优选的变化方案是这样完成的，使得SiC微粒固定在一载体上，例如一金属薄板上，该屏障层在SiC微粒上产生(特别是利用一种PVD方法)，随后产生一种金属基体，其中至少埋置该SiC微粒的远离该载体的表面区域，该远离载体的表面固定在叶尖上，而后去除该载体。
在这两种方法的变化方案中，远离该载体的表面最好利用钎焊而固定在叶尖上。
为实用起见，最好通过从蒸汽相的物理沉积即PVD法特别是高速PVD法来产生该金属基体。
一种不同的方法在于利用钎焊将SiC微粒粘合在叶尖上。
该配置中可能有利的是，如果在钎焊之前先在叶尖上产生一个MCrAlX层，其中M表示镍(Ni)和/或钴(Co)和/或铁(Fe)，而X表示钇(Y)和/或锆(Zr)和/或铪(Hf)。该MCrAlX层最好利用一种PVD法产生，特别是一种高速PVD法。
另一可能性是利用激光焊接将SiC微粒粘合在叶尖上。
尤其是，在钎焊SiC微粒的情况下，当SiC微粒在屏障层之外还设有一个保护层时可能是有利的，最好利用一个MCrAlX的保护层，其中M表示镍(Ni)和/或钴(Co)和/或铁(Fe)，而X表示钇(Y)和/或锆(Zr)和/或铪(Hf)。
按照本发明的涡轮叶片的特征在于，它有一个按照本发明的方法来处理的叶尖。
这特别是这样一种涡轮叶片，其叶尖有一个含SiC微粒的磨蚀覆盖层，其中该SiC微粒有一自恢复的屏障层。形成的优点类似于按照本发明的方法的优点。
在该涡轮叶片的一个优选实施例中，该屏障层是通过覆盖层利用一种选自下列一组元素的材料而产生的：铬(Cr)、锆(Zr)、钛(Ti)、钽(Ta)、铌(Nb)、铪(Hf)、钇(Y)、钪(Sc)、钍(Th)、铀(U)、钼(Mo)及上述元素的合金。
该屏障层尤其最好通过覆盖铬或铬合金(铬化)的方法来产生。
在该涡轮叶片的一个优选实施例中，这些SiC微粒利用埋置到一种金属基体中而被粘合在叶尖的表面上。
SiC微粒尤其最好被埋置在一个MCrAlX基体中，其中M表示镍(Ni)和/或钴(Co)和/或铁(Fe)，而X表示钇(Y)和/或锆(Zr)和/或铪(Hf)。
本发明的其它有利的措施和优选实施例来自于附属的权利要求。
下面参考实施例和附图更详细地说明本发明。附图中：
图1是按照本发明的一种涡轮叶片的一个实施例；
图2是带有按照本发明的一个屏障层的实施例的SiC微粒的示意图；
图3是通过利用本发明的方法产生的涡轮叶片的叶尖上的一个磨蚀层的截面图；以及
图4是完成本方法的优选方式。
图1表示按照本发明的涡轮叶片1的一个实施例的示意图。涡轮叶片1有一叶尖11，是涡轮叶片1的离转动轴线最远的端部。叶尖11的表面上设置一磨蚀层12，层12与可磨蚀密封件41以在涡轮机操作状态中本质上已知的方式相互配合。可磨蚀的密封件41利用载体介质42固定在涡轮机的外壳4上。密封件42例如可以用陶瓷材料制造。磨蚀层12是利用按照本发明的方法而产生的，这将在后面说明。
涡轮叶片1的转动方向用箭头D表示，换句话说，涡轮叶片1转入该图的平面。至少在最初操作期间涡轮叶片1研磨可磨蚀密封件41或切割到密封件41中。其结果是叶尖11和密封件41之间的间隙余隙尽可能小，使得只有非常少的高能气体能通过该余隙无用地逸走。
按照本发明的用于处理涡轮叶片1的叶尖11的方法其特别的特征在于，叶尖11的表面上粘合碳化硅(SiC)，以便产生磨蚀覆盖层，其中在SiC微粒上提供自恢复的屏障层。
图2表示这样一种覆盖层的SiC微粒(整体用3表示)的一个实施例的截面图。该覆盖层的SiC微粒3包括真正的SiC微粒31、自恢复的屏障层32和材料33，SiC微粒用材料33覆盖层以产生屏障层32。
已知SiC并非是热动力稳定的。特别是与金属或金属化合物如镍(Ni)或镍合金的接触导致SiC剥蚀。这可以导致生成不同镍硅化合物形式的硅化物和纯碳的沉积，使得SiC与Ni接触时分解。
Ni和Ni合金非常重要，因为许多通常用于制造极高操作温度(如高于800℃)的涡轮叶片的超级合金是镍基合金。
为了避免镍(或涡轮叶片的不同金属元素)和SiC微粒之间的接触，在按照本发明的SiC微粒31上提供自恢复的屏障层32，它用作SiC与其金属环境之间的扩散和化学反应屏障层。为此，例如可以在SiC微粒上产生热动力性能比SiC更稳定的碳化物或碳化物化合物。
屏障层32的一个对本发明很重要的特性是它是自恢复的。屏障层32是一个活性层，它在损伤事件中能“恢复”其自身。这意味着，当存在通过屏障层32而延伸到SiC的裂纹或损伤时，此时微粒扩散到该屏障层之外而与材料33一起进入该裂纹或损伤区，与硅化合，从而闭合屏障层32中的裂纹或损伤。通过该自恢复的特性，能有效地避免SiC微粒31的剥蚀，这意味着能实现一种特别耐久的和完全起作用的磨蚀覆盖层12，它在超过800℃的温度仍然稳定，不会氧化，相对于可磨蚀的密封件41具有极好的切割和研磨特性。
在实施该方法的一种特别优选的途径中，利用下列元素之一涂敷SiC微粒31而产生屏障层32：铬(Cr)、锆(Zr)、钛(Ti)、钽(Ta)、铌(Nb)、铪(Hf)、钇(Y)、钪(Sc)、钍(Th)、铀(U)、钼(Mo)。也可使用上述元素的合金来生产该屏障层。这些元素的覆盖层导致生成其热动力性能比SiC更稳定的碳化物。
下面参考一个在实践中特别有关联而优选的例子，其中通过用铬涂敷SiC微粒而产生按照本发明的屏障层32。但是这些说明也适用于其它元素或合金。
SiC微粒3是利用埋入一金属基体中而优选地粘合在叶尖的表面上的。图3表示通过涡轮叶片的叶尖11上的磨蚀覆盖层12的截面。覆盖层的SiC微粒3埋置在金属基体5中，基体5提供在叶尖11的表面上。金属基体5最好是一种MCrAlX型式的基体，其中M表示镍(Ni)和/或钴(Co)和/或铁(Fe)，而X表示钇(Y)和/或锆(Zr)和/或铪(Hf)。元素钇用作X特别有利。
下面说明按照本发明的方法的一些特定实施例。
一种优选的措施在于在将SiC微粒31施加到叶片顶端11的表面上之前涂敷SiC微粒31。使用商售的SiC微粒作为初始材料，它最好有最大500μm(微米)的直径，特别是300～400μm的直径，然后SiC微粒用铬(Cr)覆盖层，使得它们尽可能有一例如厚约10μm的铬层33。该铬层可以利用本质上已知的所有方法来产生。热化学工艺、填塞粘结作用、从蒸汽相出来的物理或化学沉积法(PVD：物理气相沉积法；CVD：化学气相沉积法)、从溶液或稀浆的沉积或电镀工艺均特别适合于产生铬层33。这些产生铬层的方法对该技术的普通专业人员是一般知识，因此不需进一步说明。
当对SiC微粒31进行覆盖层(图2)时，在SiC和Cr之间的边界区中形成具有化学成分Cr5Si3C的碳化硅铬层。该屏障层32在外侧由元素Cr的层33包围。该Cr5Si3C尤其具有自恢复的特点。如果产生一个裂纹，那么元素Cr将扩散到层33的外面而进入裂纹区中并将恢复其性能。通过该机制，阻止了其它金属元素(如镍)从制成涡轮叶片的合金或从金属基体5向SiC中的扩散，从而避免磨蚀覆盖层的剥蚀。已经显示，即使在1000℃的温度下，Cr5Si3C-SiC体系在热动力性能和化学性能方面也是稳定的。
可以有利地随后使已涂有铬和铬合金的SiC微粒3最好在900℃～1600℃范围内接受热处理，以便保证在屏障层32(此处换句话说是Cr5Si3C层)的形成中特别好地稍许地产生多孔性。
在SiC微粒31已涂了铬之后，它们必须被粘合在涡轮叶片1的叶尖11的表面上。涡轮叶片通常用一种超合金如镍基合金(如商品名称Inconel[因康镍合金]718)制成。具有铬层33和屏障层32的SiC微粒31最初暂时固定在叶尖11的表面上。这可以通过用环氧树脂粘住或通过聚合工艺而产生。随后在叶尖11上产生金属基体5(见图3)，其中埋置覆盖层的SiC微粒3。按照一种优选方法，通过物理气相沉积法(PVD)产生为MCrAlX型式的金属基体5，其中M最好为元素Ni。各种适用于这样做的PVD方法对于该技术的普通专业人员是已知的，因此这方面不需进一步说明。HS-PVD法(HS：高速)尤其适用，其中使用特别高的沉积速率。在该实施例中，产生的金属基体5具有约350μm的厚度。利用金属基体的沉积，SiC微粒被埋置入该基体中并利用该法牢固地固定在涡轮叶片11的表面上。由此涡轮叶片1在其叶尖11上接受磨蚀覆盖层12，它包含覆盖层的SiC微粒作为研磨元素和/或切割元素。
也可以替换地首先将尚未被覆层的SiC微粒31利用如环氧树脂牢固地粘合在叶尖11上，然后在第一步骤中利用一个PVD方法覆盖SiC微粒31，由此形成屏障层32和铬层33，并最终利用一个PVD工艺将金属基体5沉积在叶尖11上，使得SiC微粒埋置入基体5中并粘合在叶尖11上。
为了在SiC微粒3和叶尖11之间获得甚至更好和更耐久的化合物，图4中看到的按照本发明的实施例是合适的。
如图4中最上图中所示，覆盖层的SiC微粒最初例如利用环氧树脂7的粘附而固定在载体6上。载体6最好为一约1～2mm厚的金属板，如Ni板或用镍基合金Inconel 718制成的板。固定在载体6上的SiC微粒而后用MCrAlX型的金属基体5在一种PVD工艺中覆盖层，其中M最好是Ni。金属基体5的厚度为约10～200μm。这示于图4中从上往下的第二图中。通过该步骤，按照该图，每个覆盖层的SiC微粒3的表面区的上端部和最好至少上半部涂有金属基体5。如图4中从上往下的第三图所示，载体6现在上下颠倒，而覆盖了SiC微粒的基体5利用钎焊固定在叶尖11的表面上，使得涂有MCrAlX的SiC微粒的“脚”埋置在钎焊层8中。最后，如图4中最下图所示，去除载体6。这可以用弯曲、剥离、研磨或任何其它合适的处理方法来完成。
该法保证在SiC微粒和叶尖11之间不形成空腔。由此在SiC微粒和叶尖11之间形成特别良好而可靠的连接，利用该方法可将磨蚀覆盖层12特别良好而持久地固定在叶尖11上。
也可以在图4中见到的方法中最先将末覆盖层的SiC微粒31牢固地附着在载体6上，而后在一第一PVD工艺中提供带有铬层或另一可能的层33的SiC微粒31，由此形成屏障层32。该铬层最好涂敷成厚约10μm。随后同样利用PVD涂敷例如100～200μm厚的MCrAlX层，由此每个涂Cr的SiC微粒3的表面区的按照该图的上端部和最好是至少上半部涂有金属MCrAlX。现在带有部分涂MCrAlX的SiC微粒3翻转了，而覆盖了SiC微粒的MCrAlX基体5利用钎焊固定在叶尖11的表面上，使得涂有MCrAlX的SiC微粒埋置在钎焊层中。最后去除载体6。
作为利用PVD法制造金属基体5的替代，也可以利用钎焊将涂Cr时SiC微粒3埋置在一金属基体中而将其固定在叶尖11的表面上。如果SiC微粒3利用钎焊被粘合在叶尖上，那么最初将涂Cr的SiC微粒3暂时固定在叶尖11上也是有利的，例如利用环氧树脂的粘结，然后开始钎焊工艺。
选择适当的硬焊料取决于特定用途。下面将说明一些可能性，它们参考用镍基合金Inconel 718制造的涡轮叶片1的示范的特性。
原则上可以使用或不使用填充材料(填充剂)而进行钎焊。适当的钎焊材料例如是这样的硬焊料，它们属于由申请人用商品名称Amdry销售的产品组。例如Amdry 936(一种Ni-Mn-Si-B-Cu-Re高温钎焊材料)或Amdry 775(一种带有Cr和B[硼]的镍基焊料)特别适用。如果使用填充剂，Amdry 9951特别适用。这是一种带有Ni、Cr、Al、Y的Co基材料。
也可以通过钎焊工艺而产生其中埋置覆盖Si的微粒的MCrAlX基体5。
一个有利的措施是在钎焊之前提供带MCrAlX层的叶尖11，该层例如厚约50μm，最好利用PVD法产生。随后利用钎焊将涂Cr的SiC微粒3固定在该层上。这先涂敷的MCrAlX层用作叶尖11的材料和SiC微粒3之间的中间屏障层，它在钎焊期间防止或至少大大减少Ni从叶片材料Inconel 718的扩散。
另一变化方案在于利用激光焊接将涂Cr的SiC微粒固定在叶尖上。也可以首先利用激光焊接先在叶尖11上产生一个MCrAlX层，其中X最好是钇(Y)，然后利用激光焊接将涂Cr的SiC微粒固定在叶尖11上，其中最好使用一种富MCrAlX的填充剂材料。这样也能利用激光焊接将SiC微粒3埋置在叶尖上的MCrAlX基体上。
在利用钎焊和激光焊接的方法中，当涂Cr的SiC微粒3在焊接或激光处理之前先用一附加的保护层包围时，将特别有利。该保护层最好也是McrAlX型式，M最好是镍，而X最好是钇。可以用于产生该保护层的包层方法本质上是已知的，因此不需在此进一步说明。
也可以首先在涡轮叶片11上沉积MCrAlX基体(最好用PVD法)和用电流法在其中埋置覆盖Cr的SiC微粒3，或分别利用电化学法。
可以理解，用本发明的方法处理的叶尖或按照本发明的涡轮叶片可以经受额外的热处理或后处理。这些处理的最优化取决于特定的用途。

Claims (20)

1.一种处理涡轮叶片的叶尖的方法，其中将碳化硅(SiC)微粒(31)粘合于该叶尖(11)的表面上，以便产生一种腐蚀覆盖层，其特征在于，在SiC微粒(31)上产生一个自恢复的屏障(32)。
2.一种按照权利要求1的方法，其特征在于，该自恢复的屏障层(32)是在将SiC微粒施加到叶尖(11)的表面上之前在SiC微粒(31)上产生的。
3.一种按照权利要求1或2的方法，其特征在于，该自恢复的屏障层(32)是通过覆盖一种材料而产生的，该材料选自铬(Cr)、锆(Zr)、钛(Ti)、钽(Ta)、铌(Nb)、铪(Hf)、钇(Y)、钪(Sc)、钍(Th)、铀(U)、钼(Mo)以及上述元素的合金。
4.一种按照上述权利要求中的任何一项的方法，其特征在于，该屏障层(32)是通过覆盖铬或铬合金而产生。
5.一种按照上述权利要求中任何一项的方法，其特征在于，SiC微粒(31)是借助于埋置到叶尖(11)表面上的金属基体(5)中而被粘合在叶尖(11)的表面上的。
6.一种按照权利要求5的方法，其特征在于，SiC微粒(31)被埋置在一种MCrAlX基体(5)中，其中M表示镍(Ni)和/或钴(Co)和/或铁(Fe)，而X表示钇(Y)和/或锆(Zr)和/或铪(Hf)。
7.一种按照上述权利要求中任何一项的方法，其特征在于：
构成屏障层(32)的SiC微粒(31)被固定于一载体(6)上；
随后产生一个金属基体(5)，SiC微粒(3)的离载体(6)远的至少这些表面区域被埋入该金属基体(5)中；以及
去除载体(6)。
8.一种按照上述权利要求中任何一项的方法，其特征在于：
将SiC微粒(32)固定在载体(6)上；
在SiC微粒(31)上产生屏障层(32)，尤其是利用PVD法；
随后利用覆盖层产生一个金属基体(5)，至少埋置SiC微粒(31)的离载体(6)远的这些表面区域被埋入该金属基体(5)中；
离载体(6)远的该表面被固定在叶尖(11)上；以及
去除载体(6)。
9.一种按照权利要求7或8的方法，其特征在于，离载体(6)远的该表面利用钎焊而被固定在叶尖(11)上。
10.一种按照权利要求4～9中任何一项的方法，其特征在于，金属基体(5)是借助于物理气相沉积法，换句话说，PVD法，尤其是借助于高速PVD法而从蒸汽相中产生的。
11.一种按照权利要求1～9中任何一项的方法，其特征在于，SiC微粒(31)是利用钎焊而被粘合在叶尖(11)上的。
12.一种按照权利要求11的方法，其特征在于，在钎焊之前在叶尖(11)上最初产生一个MCrAlX层，其中M表示镍(Ni)和/或钴(Co)和/或铁(Fe)，而X表示钇(Y)和/或锆(Zr)和/或铪(Hf)。
13.一种按照权利要求1～9中任何一项的方法，其特征在于，SiC微粒(2)是借助于激光焊接而被粘合在叶尖(11)上的。
14.一种按照上述权利要求中任何一项的方法，其特征在于，除了屏障层(32)外，SiC微粒(31)还设有一个保护层，最好是设有一个MCrAlX保护层，其中M表示镍(Ni)和/或钴(Co)和/或铁(Fe)，而X表示钇(Y)和/或锆(Zr)和/或铪(Hf)。
15.一种具有按照上述权利要求中任何一项的方法处理的叶尖(11)的涡轮叶片。
16.一种涡轮叶片，其叶尖(11)设有一个包含碳化硅(SiC)微粒的磨蚀覆盖层(12)，其特征在于，该SiC微粒(31)有一个自恢复的屏障层(32)。
17.一种按照权利要求16的涡轮叶片，其特征在于，该屏障层(32)是利用覆盖一种金属而产生的，该金属选自由铬(Cr)、锆(Zr)、钛(Ti)、钽(Ta)、铌(Nb)、铪(Hf)、钇(Y)、钪(Sc)、钍(Th)、铀(U)、钼(Mo)及上述元素的合金组成的组群。
18.一种按照权利要求16或17的涡轮叶片，其特征在于，该屏障层(32)是利用覆盖铬或铬合金的方法产生的。
19.一种按照权利要求16～18中任何一项的涡轮叶片，其特征在于，SiC微粒(31)是利用埋入一金属基体中而被粘合于该叶尖的表面上的。
20.一种按照权利要求19的涡轮叶片，其特征在于，该SiC微粒(31)被埋置在一MCrAlX基体(5)中，其中M表示镍(Ni)和/或钴(Co)和/或铁(Fe)，而X表示钇(Y)和/或锆(Zr)和/或铪(Hf)。
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