專利名稱：金屬間材料及該材料的應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權利要求1-3的金屬間材料及根據(jù)權利要求4-5的該材料作為氈和作為高溫保護層的應用。
背景技求燃氣輪機的導向葉片和動葉片經(jīng)受強負荷。為阻止燃氣輪機的泄漏損失，例如將燃氣輪機的轉輪以非常小的間隙適配到定子上，以達到相切。在燃氣輪機的定子上安置有蜂窩狀結構。該蜂窩狀結構由耐熱金屬合金制成。另一結構形式是經(jīng)涂覆的或未經(jīng)涂覆的光滑的隔熱片(WSS)，其相對于旋轉葉片置于外半徑上。該葉片的端部與隔熱片相磨擦。為防止葉片端部本身的磨損，可對其施加涂層，以達較大程度磨損隔熱片。但這種方案的缺點是該涂層在渦輪機葉片上僅有有限的可粘附性。另外的缺點是在隔熱片和/或葉片上設置的冷卻空氣孔摩擦時會被堵塞。
由DE-C2-3235230、EP-132667或DE-C2-3203869中已知，在燃氣輪機部件的不同部位應用金屬氈，如在渦輪機葉片的端部處(DE-C2-3235230)、在金屬芯體或陶瓷外皮之間(DE-C2-3235230)或作為渦輪機葉片的外殼(EP-B1-132667)。這些實施方案的缺點是所用的金屬氈不具有足夠的耐氧化性。如現(xiàn)今燃氣輪機的熱氣溫度的提高導致所用的材料必需滿足越來越高的要求。但在所述文獻中的金屬氈不再滿足當今準則的要求，特別是在所需的耐氧化性程度上。
從US-B1-6241469、US-B1-6312218、DE-A1-19912701、EP-A2-0916897和EP-A2-1076157中已知一種由金屬間合金組成的金屬氈。該氈由燒結過的和壓制過的金屬間纖維制成，并且與上述材料相比，通過金屬間相而具有明顯改進的材料特性如強度、耐氧化性、可成形性和可加工性。金屬高溫纖維也描述于VDI-Bericht 1151，1995(Metallische Hochtemperaturfasern durch Schmelzextraction-Herstellung，Eigenschaften，Anwendungen)。

發(fā)明內容
如獨立權利要求所表征的，本發(fā)明的目的在于進一步改進金屬間合金的材料特性，使其可作為氈或高溫保護層用于強熱負荷的燃氣輪機構件中。通過相應選擇金屬間合金的組成，應使其具有足夠的強度、耐氧化性、可成形性、可加工性和足夠的減振性。
本發(fā)明也涉及一種金屬間材料，其由下列組分(重量％)組成8-15％Al，15-25％Cr，20-40％Co，0-5％Ta，0-0.03％La，0-0.5％Y，0-1.5％Si，0-1％Hf，0-0.2％Zr，0-0.2％B，0.01％C，0-4％Fe，余量為Ni和不可避免的雜質，特別是由下列組分(重量％)組成12％Al，22％Cr，36％Co，0.2％Y，0.2％Hf，3％Fe，余量為Ni和不可避免的雜質或10％Al，22％Cr，36％Co，0.2％Y，0.2％Hf，2％Ta，3％Fe，余量為Ni和不可避免的雜質。
這類金屬間材料由于其材料特性適合用作如渦輪機葉片或其它構件的高溫層。
也可設想在熱渦輪機中用作帶有磨擦部件上的金屬間合金氈。該部件例如可包括轉子或定子、渦輪機葉片的端部、與渦輪機葉片相對設置的隔熱片或渦輪機葉片的平臺。另一優(yōu)點在于，當用陶瓷材料覆蓋金屬間合金氈時，在金屬間合金氈粗糙的表面上獲得了該陶瓷材料的非常良好的粘附性。由此例如可使導向葉片或動葉片的端部實現(xiàn)對熱和由磨擦引起的機械作用的良好防護作用。另一優(yōu)點還在于運行時不會因磨損引起冷卻空氣孔的堵塞，因為其涉及多孔材料。此外，金屬間合金氈還具有足夠的吸振特性。
附圖簡介本發(fā)明將以附圖作說明，其中

圖1示出本發(fā)明的在其端部有金屬間合金氈的渦輪機葉片的實施方案，圖2示出有隔熱片的燃氣輪機的實施方案，該隔熱片相對導向葉片或動葉片而設置，并由金屬間合金氈制成，圖3示出本發(fā)明渦輪機葉片的第二實施方案，其中金屬間合金氈設置在渦輪機葉片的平臺上。
圖4示出圖3中局部IV的第二實施方案的變化方案，其中將在渦輪機葉片之間的金屬間合金氈安置在支承基礎結構上的渦輪機葉片的平臺上，圖5示出圖2中截面V的帶支承基礎結構的本發(fā)明的隔熱片，
圖6示出圖5中通過沿IV-IV線的隔熱片的截面，圖7示出在1050℃時各種材料的氧化行為，圖8示出在1200℃時各種材料的氧化行為。
這里僅示出對本發(fā)明重要的部件。不同圖中的相同部件用相同標號表示。
本發(fā)明的實施方式在圖1中示出具有端部11、葉片14、平臺12和葉片基座13的渦輪機葉片1。例如包括燃氣輪機的導向葉片或動葉片或密封件。在渦輪機葉片1的端部11設置有本發(fā)明的金屬間合金氈2。該金屬間合金氈2基于Ni-Co-Al化物制備。為達到足夠的強度、耐氧化性和可成形性，加入元素Ta、Cr、Y、B和Zr。在表1中給出本發(fā)明的Ni-Co鋁化物的組成。
表1.本發(fā)明的金屬間合金的組成(Ni-Co鋁化物)

該金屬間合金氈2的優(yōu)點是明顯改進的耐氧化性。由圖7和8看出與市售鎳基合金即Hastelloy X、Haynes 230、Haynes 214和合金SV349相比較的各種材料的氧化。表2中給出實驗合金的組成。
表2.實驗合金的組成(數(shù)據(jù)為重量％)

圖8示出在1200℃下12小時期間在表2中所給出的重量增加。該重量增加代表材料的氧化。由圖8看出，對比合金Hastelloy X在短時間如約100-300分鐘后重量已增加一倍。隨時間繼續(xù)，該HastelloyX的重量繼續(xù)增加，而金屬間合金氈IM14和IM15卻控制在恒定數(shù)值即0.6-0.8mg/cm2，合金IM28和29還要低于此值。這表明在金屬間合金氈情況下耐氧化性有明顯改進，因為形成了恒定的氧化層。對于根據(jù)本發(fā)明的金屬間合金氈在熱渦輪機的帶有磨擦部位上的應用，該耐氧化性是決定整個部件壽命的最重要因素之一。兩種合金IM28和29的區(qū)別均在于Co含量為20-40％。這進一步提高了金屬間材料的耐氧化性。
圖7與圖8相當，但該實驗在1050℃下進行。
為再提高圖1中渦輪機葉片1的端部11上的強度，可用陶瓷層3覆蓋金屬間合金氈2，例如用TBC(熱阻擋涂層)覆蓋。該TBC包括用Y穩(wěn)定化處理過的Zr氧化物。也可采用有同樣效果的材料。可將陶瓷材料3濺涂到金屬間合金氈2上，通過金屬間合金氈2的不平表面該材料非常好地附著其上并有優(yōu)良的耐氧化性。該陶瓷材料3對如由磨擦引起的熱作用和機械作用有優(yōu)良的防護能力。有利的是在渦輪機葉片1或轉子/定子4中存在的冷卻空氣孔不會被堵塞，因為金屬間合金氈2是多孔材料。
圖2中示出另一實施方案。圖2圖示出具有轉子4a和定子4b的燃氣輪機。在轉子4a上緊固有動葉片6，在定子7上緊固有導向葉片7。在轉子4a或定子4b上通常設置有與導向葉片/動葉片6、7相對置的隔熱片8。按本發(fā)明該隔熱片8也可完全或部分由金屬間合金氈制成。當發(fā)生磨損時也可通過多孔特性改進這些部位處的冷卻，因為金屬間合金氈的多孔結構防止了堵塞。如己所述的該磨損可通過TBC層來防止。該構件也可在TBC層下被冷卻，因為該冷卻介質可通過多孔氈側向散出。
圖5示出圖2中截面V的本發(fā)明的隔熱片8。金屬間合金氈2安置在支承基礎結構5上。該基礎結構5具有緊固件9，用于緊固在圖5中未示出的轉子4a或定子4b上。該側面的緊固件9是通過支桿10相互連接的。在支桿10之間，在朝向渦輪機葉片的一側上施用金屬間合金氈2并與之以機械方式相連。這例如可通過釬焊、熔焊或通過澆注實現(xiàn)。為耐久性起見，該氈應固著性地緊固在支承基礎結構5上。
圖6示出圖5的VI-VI截面。從中可看出連接兩緊固件9的支桿10未貫穿金屬間合金氈2，而是該金屬間合金氈2僅緊固在支桿上。由圖6可看出，為進一步提高隔熱片8的耐溫性，該金屬間合金氈2可再次以陶瓷材料3覆蓋，如用TBC(熱阻擋涂層)覆蓋。也可采用有同樣效果的材料。如在圖1的渦輪機葉片1情況下，在磨損時也可保持冷卻作用，因為未發(fā)生金屬間合金氈2的堵塞。
為改進冷卻，在圖3的實施例中該金屬間合金氈是安置在熱渦輪機的渦輪機葉片1的平臺12上。如在圖1、2、5和6中所描述的，用陶瓷材料3覆蓋氈2是有利的。其優(yōu)點是TBC可特別好地粘附在金屬間合金氈上，并且該氈是耐氧化的。這無需另外的粘合層(如MCrAlY)。在圖3中其顯示在右方的渦輪機葉片1旁。該TBC也用作防磨損。
圖4示出圖3中局部IV的實施例的第二方案。在兩渦輪機葉片1之間即渦輪機葉片1的平臺12上，該金屬間合金氈2是緊固在由鑄件或其它金屬制成的支承基礎結構5上。該支承基礎結構5也可由各種腔室構成，以保證空氣最佳地流向金屬間合金氈2。
也可將該金屬間合金氈裝在燃氣輪機內的有振動的部位，因為該氈除所述的耐氧化性外還有非常好的減振特性。
本發(fā)明的金屬間材料由于其材料特性也可有利地用作在渦輪機葉片或其它構件上的高溫涂層15。如圖8和7所示，與合金SV 349相比，該兩種合金在氧化方面也有改進的特性?，F(xiàn)有技術中已知適于這種渦輪機葉片的各種涂覆保護層的涂層方法如等離子體濺射法。這時將由待涂材料組成的金屬粉末引入火焰中或等離子體束中。該粉末立刻熔化，并向待涂表面濺射，這時該材料固化并形成連續(xù)的層。
也可采用物理(或化學)汽相淀積法。在此類方法中固態(tài)涂層材料以塊狀被加熱和蒸發(fā)(如用激光或電子束)。該蒸汽淀積在基材上并經(jīng)相應的時間在上面形成涂層。也可采用有同樣效果的涂覆方法。
標號表1渦輪機葉片2金屬間合金氈3陶瓷覆層4轉子或定子4a 轉子4b 定子5支承基礎結構6動葉片7導向葉片8隔熱片9緊固件10 支桿11 渦輪機葉片1的端部12 平臺13 渦輪機葉片1的葉片基座14 渦輪機葉片1的葉片15 高溫涂層
權利要求
1.一種金屬間材料，其由下列組分(重量％)組成8-15％ Al，15-25％ Cr，20-40％ Co，0-5％ Ta，0-0.03％ La，0-0.5％ Y，0-1.5％ Si，0-1％ Hf，0-0.2％ Zr，0-0.2％ B，0.01％ C，0-4％ Fe，余量為Ni和不可避免的雜質。
2.權利要求1的金屬間材料，其由下列組分(重量％)組成12％Al，22％ Cr，36％ Co，0.2％ Y，0.2％ Hf，3％Fe，余量為Ni和不可避免的雜質。
3.權利要求1的金屬間材料，其由下列組分(重量％)組成10％Al，22％ Cr，36％ Co，0.2％ Y，0.2％ Hf，2％ Ta，3％ Fe，余量為Ni和不可避免的雜質。
4.權利要求1-3之一的金屬間材料作為熱渦輪機中的高溫涂層(15)的應用。
5.權利要求1-3之一的金屬間材料作為熱渦輪機中有磨擦部件上的氈的應用。
6.權利要求5的金屬間合金氈的應用，其特征在于，該金屬間合金氈安置在轉子(4，4a)或定子(4，4b)上。
7.權利要求5的金屬間合金氈的應用，其特征在于，該部件(1，8)是渦輪機葉片(1)，在該渦輪機葉片(1)的端部(11)上配置有金屬間合金氈(2)。
8.權利要求5的金屬間合金氈的應用，其特征在于，該部件(1，8)是渦輪機葉片(1)，在該渦輪機葉片(1)的平臺(12)上配置有金屬間合金氈(2)。
9.權利要求5的金屬間合金氈的應用，其特征在于，該部件(1，8)是隔熱片(8)，該隔熱片(8)完全或部分由金屬間合金氈(2)構成。
10.權利要求5-8之一的金屬間合金氈的應用，其特征在于，用陶瓷材料(3)覆蓋金屬間合金氈(2)。
11.權利要求5的金屬間合金氈的應用，其特征在于，將該氈安裝在熱渦輪機中有振動的部件上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種金屬間材料，其由下列組分(重量％)組成8－15％Al、15－25％Cr，20－40％Co，0－5％Ta，0－0.03％La，0－0.5％Y，0－1.5％Si、0－1％Hf，0－0.2％Zr，0－0.2％B，0.01％C，0－4％Fe，余量為Ni和不可避免的雜質。本發(fā)明還涉及其在熱渦輪軋的中作為高溫保護層和在有摩擦或有振動的部位上的應用。
文檔編號C22C19/05GK1708598SQ03823964
公開日2005年12月14日 申請日期2003年7月24日 優(yōu)先權日2002年8月16日
發(fā)明者A·科滋勒, M·納滋米, M·E·斯陶布里 申請人:阿爾斯托姆科技有限公司