渦輪機金屬部件和襯套氣相滲鋁方法
【專利說明】渦輪機金屬部件和襯套氣相滲鋁方法
[0001]本申請是2008年10月6日遞交的申請?zhí)枮?00810168251.5，發(fā)明名稱為“渦輪機金屬部件和襯套氣相滲鋁方法”的分案申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及金屬部件上鋁涂層的沉積，特別是包括內(nèi)襯套的空心金屬部件。本發(fā)明特別針對這種涂層在裝有襯套的渦輪機空心葉片上的應(yīng)用，用于冷卻劑的擴散。
【背景技術(shù)】
[0003]燃氣渦輪發(fā)動機一諸如航空領(lǐng)域用于推進的發(fā)動機一包括與一個或多個壓氣機相通的大氣進氣道，一般都包括一個風(fēng)扇，圍繞同一個軸線旋轉(zhuǎn)。該主空氣流在壓縮后提供給圍繞所述軸線環(huán)形布置的燃燒室并與燃油混合后在下游提供熱燃氣給一個或多個渦輪，所述燃氣經(jīng)渦輪膨脹，渦輪轉(zhuǎn)子驅(qū)動壓縮轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。發(fā)動機以渦輪進氣口的發(fā)動機氣體溫度工作，所述溫度應(yīng)盡可能的高，因為其關(guān)系到發(fā)動機的性能。為此，材料的選用應(yīng)能承受這些工作條件，而且，熱氣體掠過的各個部件的壁，諸如噴嘴或旋轉(zhuǎn)渦輪葉片，都提供有冷卻裝置。此外，由于其金屬成份為基于鎳或鈷的超級合金，所以，還必須保護其防止在這些溫度時發(fā)動機氣體成分所造成的燒蝕和腐蝕。
[0004]為這些部件提供保護作用的一種已知方式就是在易于受到氣體侵蝕的表面上沉積一道鋁基涂層。通過金屬相互擴散將鋁附著在基質(zhì)上，并形成一個表面保護性氧化層。該涂層的厚度為大約幾十微米。
[0005]本發(fā)明涉及以氣相方式沉積鋁的技術(shù)，又稱之為氣相滲鋁。根據(jù)這個方法，需要處理的部件置放在一個箱體內(nèi)，箱體內(nèi)的大氣是由惰性氣體或還原氣體一例如氬氣或氫氣一和由含有鹵化鋁的活性氣體的混合物組成。在反應(yīng)溫度時，即在900°C和1150°C之間時，鹵化物在部件表面分解成氣態(tài)鹵素和鋁，后者擴散到金屬內(nèi)。
[0006]在裝有需要處理的金屬部件的箱體內(nèi)，放入形成給體的鋁金屬或鋁合金塊，在有構(gòu)成活化劑的鹵素化合物、氯或氟化合物的粒子存在的情況下，從而產(chǎn)生鹵化物。惰性氣體在活化劑上以可使鹵素升華的溫度循環(huán)，后者夾帶在給體上并與其產(chǎn)生反應(yīng)而產(chǎn)生金屬鹵化物，所述金屬鹵化物在這個溫度時呈現(xiàn)氣態(tài)形式。鹵化物而后與需要涂覆的金屬基質(zhì)接觸后分解，形成鋁的沉積；重新形成氣態(tài)鹵素。
[0007]當(dāng)靜子部件和轉(zhuǎn)子部件上帶有內(nèi)部腔室時，從壓氣機返回的冷卻劑和空氣穿過這些腔室，人們會發(fā)現(xiàn)這些腔室的壁上也會受到腐蝕。從發(fā)動機在某些環(huán)境下工作所使用的部件返回情況來看，這些表面都受到侵蝕。例如，發(fā)現(xiàn)如下一些情況，噴嘴的內(nèi)部腐蝕，腐蝕薄片進入噴嘴腔室內(nèi)，后緣通風(fēng)孔堵塞等等。因此，對這類部件的防護還是必要的。
[0008]氣相滲鋁方法特別適合用于防護涂層，因為只要冷卻劑循環(huán)的狹窄通道敞開時，運載氣體和活性成分就會進入到這些通道內(nèi)。實際上，并不是這種情況。保護層的厚度不均勻；從所述內(nèi)部腔室的進入孔口開始，厚度會大大減小。此外，在所述腔室通風(fēng)孔口處會形成集聚，縮小了流通面積，降低了部件的冷卻性能。
[0009]在以本申請人的名義提出的法國FR 2830874號專利申請中，提出了一種渦輪機金屬部件的氣相滲鋁方法，所述部件上帶有與外部相通的孔口和腔室，根據(jù)這個方法，包括鋁化合物在內(nèi)的沉積物的氣態(tài)前體通過運載氣體與箱體內(nèi)的部件表面接觸，所述運載氣體為氦氣或氬氣，并選擇箱體內(nèi)的壓力，以便在大氣壓力下，運載氣體分子的平均自由程是氬氣分子的平均自由程的兩倍。這些分子的平均自由程通常定義為比率1/PXD2，式中，P是箱體內(nèi)的壓力，D是分子直徑。
[0010]通過延長運載氣體分子的平均自由程，內(nèi)部通道內(nèi)鹵化物的擴散會增加，通過傳統(tǒng)方法很難進入的區(qū)域內(nèi)沉積厚度也會增加，從而改善了其整體防護性能。平均自由程的增加程度是源于運載氣體的選擇一此處是氦氣一或者壓力的降低，這些可以從上述公式推
B但山寸侍出。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明目的是提供一種改進的方法，采用本方法，內(nèi)部腔室的壁上的涂層厚度在整個表面上都會是足夠的。
[0012]本發(fā)明涉及帶有一個腔室和一個開口的空心部件，所述腔室至少通過該開口與外部相通。本發(fā)明還涉及所述腔室內(nèi)的帶有諸如內(nèi)部襯套的這類部件，所述這些部件通過開口裝入并與部件裝配在一起。圖1示出了這種部件。這是雙軸燃氣渦輪發(fā)動機內(nèi)低壓級的一個噴嘴的橫截面圖。噴嘴導(dǎo)向葉片I包括一個在殼模內(nèi)采用鑄造金屬制造而成的部件。所述部件，如圖中局部所示，是由兩個平臺3和4之間的空心葉片2所形成的。葉片2的腔室分別通過其一側(cè)上的兩端與提供冷卻劑的開口 5相通，而在另一側(cè)上與流體出口端6相通。在葉片2的腔室內(nèi)，安裝了一個實際圓柱形狀的襯套9。該襯套通過沿所述腔室開口邊緣周圍釬焊/焊接方法焊接或釬焊到提供冷卻空氣的開口 5的一側(cè)。襯套的另一端裝入到與出口端6相通的圓柱形殼體內(nèi)，無需焊接，從而在瞬態(tài)工作期間使得襯套相對于葉片相對膨脹。襯套在其整個長度上都采用穿孔，且襯套與葉片的內(nèi)壁形成一個空間，這樣，來自供氣開口 5的冷卻空氣就部分地流過襯套的孔口，并形成了多個噴氣口，通過沖擊和對流對葉片壁進行冷卻。然后，所述空氣經(jīng)由葉片后緣附近的通風(fēng)孔被排出。尚未流經(jīng)襯套壁的空氣被導(dǎo)向開口 6，以便被送到渦輪機的其它部件上。
[0013]在制造期間，與葉片分開生產(chǎn)的襯套9滑過開口 5而裝入到葉片內(nèi)，然而在上述開口附近釬焊。如圖所示，下部則保持暢通，以便膨脹和滑入到開口 6所形成的殼體內(nèi)。
[0014]通常，諸如襯套這樣的部件的滲鋁處理是在其裝配后進行的。
[0015]根據(jù)本發(fā)明，通過如下方法，實際上改善了所述腔室內(nèi)的滲鋁沉積，該方法可以應(yīng)用到任何部件上，所述部件帶有可從開口滑過并裝配在其內(nèi)的構(gòu)件。
[0016]氣相沉積滲鋁方法可實現(xiàn)渦輪機空心金屬部件的高溫氧化防護；
[0017]所述部件包括一個腔室，金屬構(gòu)件通過該腔室裝入并通過一個開口裝配在與所述部件內(nèi)；
[0018]根據(jù)所述方法，通過鹵素和含鋁金屬給體之間反應(yīng)而形成鹵化物，而后，由運載氣體輸送齒化物以便與所述金屬部件接觸。
[0019]其特征在于，金屬部件在實施該方法之前首先進行表面富鋁處理，目的是起鋁給體的作用。
[0020]如果腔室內(nèi)帶有一個給體，由表面富鋁處理的部件組成，可以產(chǎn)生有效沉積。特別是，從部件外部進入的問題得到了解決，同時仍控制內(nèi)部給體的用量。
[0021]具體來講，部件優(yōu)選涂上一層由金屬沉積形成的材料。這種沉積可以采用所屬領(lǐng)域技術(shù)人員都熟悉的任何已有方法來進行:采用氣相沉積滲鋁(SVPA或CVD，包裝膠結(jié)滲鋁)、真空沉積(PVD)、熱噴涂、電解沉積或槽內(nèi)浸泡(浸涂)等等。
[0022]特別是，給體的用量可以通過所述層的厚度來控制，例如，厚度在ΙΟμπι到150 μπι之間，優(yōu)選20到90 μ m之間。
[0023]所述層含有至少15wt%的鋁，但是，也可以由至少一個已知其具有改善抗氧化性能的元素組成，該元素包括在元素集(Cr, Hf, Y, Zr, Si, Ti, Ta, Pt, Pd, Ir)內(nèi)，特別是元素鉻。
[0024]如上所述，該方法特別適合渦輪機空心葉片的滲鋁處理。所述部件由多孔襯套組成，用來在腔室內(nèi)傳播冷卻空氣。
[0025]該葉片為噴嘴導(dǎo)向葉片，帶有腔室，而腔室內(nèi)裝有襯套。