用于將保護層施加到渦輪機部件上的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種渦輪機部件(1)，用于避免例如液滴沖擊侵蝕的保護層設(shè)置到所述渦輪機部件上，其中在第一方法步驟中施加納米薄膜(4)并且將焊料(5)施加到納米薄膜(4)上，并且選擇在引燃之后引起放熱反應(yīng)的這類納米薄膜(4)，由此實現(xiàn)了焊料(5)與基礎(chǔ)材料(2)熔合為保護層。
【專利說明】用于將保護層施加到渦輪機部件上的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于在基礎(chǔ)材料上制造保護層的方法，其中在所述基礎(chǔ)材料上設(shè)置有納米薄膜和焊料。

【背景技術(shù)】
[0002]在地方能量供應(yīng)的領(lǐng)域中，在蒸汽發(fā)電廠中并且在燃?xì)夂驼羝啓C發(fā)電廠中使用經(jīng)受高溫的熱機械機器。蒸汽輪機具有不同的渦輪機部件并且通常設(shè)計為是大體積的。在運行時，上述渦輪機部件不僅經(jīng)受侵蝕性的磨損而且經(jīng)受腐蝕性的磨損以及機械的磨損。通過渦輪機部件的這種持續(xù)的負(fù)荷造成材料崩解和/或材料損耗。由此顯著地降低渦輪機部件的壽命，這也影響整個蒸汽輪機設(shè)備的運行安全性。對于渦輪機部件的腐蝕性的或侵蝕性的作用例如是侵蝕腐蝕、液滴沖擊侵蝕、滑動磨損、滾動磨損、腐蝕和氧化。
[0003]為了保護渦輪機部件以防止上述磨損機制，采取不同的措施。因此，該渦輪機部件通常設(shè)有下述層，所述層相對于渦輪機部件的基礎(chǔ)材料具有提高的抗磨損性和/或抗腐蝕性。已知不同的方法以便將保護層施加到基礎(chǔ)材料上。此外已知的是:熱噴涂、釬焊、CVD、PVD、電鍍和堆焊。
[0004]當(dāng)然，由于渦輪機部件的特性不是每個上述方法都適合于將保護層施加到渦輪機部件上。例如，熱噴涂由于復(fù)雜的渦輪機部件幾何形狀可能是不可行的。此外，由于部分極其大的構(gòu)件幾何尺寸可能將爐式工藝排除在外。當(dāng)出于疲勞強度或成本的原因不應(yīng)對整個渦輪機部件而是僅對渦輪機部件的特定的部位覆層時，能夠排除其他的方法。通常，對于上述方法而言需要在一些情況下例如在檢修時不存在的空間需求。因此，也由于缺乏所需的空間需求而排除不同的方法。最后，當(dāng)通過方法本身例如因在焊接期間的熱輸入而在爐子中出現(xiàn)對基礎(chǔ)材料的不利的影響或出現(xiàn)變形時，不能夠應(yīng)用上述方法。因此，渦輪機部件通常設(shè)有保護層，使得制定個體的解決方案，所述個體的解決方案產(chǎn)生最佳的解決方案、即產(chǎn)生適當(dāng)?shù)膶?。然而，?dāng)例如必須用掩膜來加工或者必須限制方法參數(shù)、例如焊接溫度以便不因基礎(chǔ)材料的改變或者所出現(xiàn)的變形而影響渦輪機部件時，這種解決方案有時是極其成本密集的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]在這一點上也適用本發(fā)明。本發(fā)明的目的是:提出一種克服上述問題的覆層方法。
[0006]該目的通過根據(jù)權(quán)利要求1的特征所述的用于制造保護層的方法來實現(xiàn)。
[0007]因此，將納米薄膜施加到渦輪機部件的基礎(chǔ)材料上。在該納米薄膜之上設(shè)置有焊料。在下一步驟中，局部地點燃納米薄膜，由此產(chǎn)生引起基礎(chǔ)材料上的焊料熔化的放熱反應(yīng)。
[0008]因此，本發(fā)明的主要特征是應(yīng)用納米薄膜，所述納米薄膜選擇成，使得其在引燃時顯示出放熱反應(yīng)。這表示:納米薄膜在引燃之后輸出相對高的溫度，所述溫度引起:基礎(chǔ)材料輕微地熔化并且焊料完全地熔化。在焊料和納米薄膜混合物冷卻或固化之后形成保護層，所述保護層保護渦輪機部件免受上述破壞、例如侵蝕或腐蝕。
[0009]納米薄膜和焊料能夠定位到必須被保護以免受侵蝕或腐蝕的位置處。因此，不是整個渦輪機部件都必須構(gòu)成為具有根據(jù)本發(fā)明的覆層。這引起成本節(jié)約，因為有效地避免對整個渦輪機部件覆層。
[0010]納米薄膜和焊料彼此疊加地設(shè)置，其中納米薄膜局部地、例如在邊緣處點燃。該點燃能夠通過激光束或者通過其他適當(dāng)?shù)哪芰總鬏攲崿F(xiàn)。一旦施加薄膜，放熱反應(yīng)就結(jié)束。在此，納米薄膜必須被選擇成，使得局部產(chǎn)生的熱量足以超過焊接材料的液相線進而實現(xiàn)基礎(chǔ)材料和焊料的連接。由焊料和所消耗的納米薄膜構(gòu)成的混合物本身能夠用作為保護層。
[0011]有利的改進形式在從屬權(quán)利要求中說明。
[0012]因此，在第一有利的改進形式中，在焊料上設(shè)置有附加保護層。因此，在點燃納米薄膜之前在基礎(chǔ)材料上施加有三層系統(tǒng)，所述三層系統(tǒng)由納米薄膜、焊料和附加保護層組成。附加保護層的材料在此選擇成，使得在引燃之后所出現(xiàn)的熱量足以一方面熔化焊料并且建立焊料和附加保護層之間的還有焊料和基礎(chǔ)材料之間的連接。附加保護層在此不與焊料和納米薄膜混勻成新的構(gòu)成物，而是在渦輪機部件上形成保護基礎(chǔ)材料免受外部影響的保護層。
[0013]在一個有利的改進形式中，附加保護層由陶瓷材料制成。在考慮陶瓷系統(tǒng)的情況下首先考慮碳化物、但是也考慮硼化物等。例如，能夠應(yīng)用TiC、B4C、TiB2*類似的組分。但是除了陶瓷顆?；蛘邔又?，也能夠考慮金屬間相、例如TiAl或者硬質(zhì)合金、例如鈷基的司太立。
[0014]在一個有利的改進形式中，應(yīng)用具有下述化學(xué)組分的納米薄膜:鋁和鈀(Al/Pd)、鋁和鎳(Al/Ni)、氧化鎳和鎳和鋁(N1-Ni/Al)以及氧化銅和銅和鋁(CuO-Cu/Al)。
[0015]因此，納米薄膜包括至少兩種化學(xué)元素，所述化學(xué)元素在納米薄膜中成層地彼此疊加地設(shè)置。因此，在鋁納米薄膜和鎳納米薄膜的情況下將一層鋁設(shè)置在一層鎳上并且再次將一層鋁設(shè)置在鎳層上并且其交替地彼此疊加地構(gòu)造。這些層在微米或納米范圍中構(gòu)成。
[0016]在一個有利的改進形式中，應(yīng)用具有下述化學(xué)組分中的焊料=Ag59Cu27.5In12.5Ti，TiCu15Ni15或者TiZr37.5Cu15Ni10或者類似的組分。
[0017]在另一個有利的改進形式中，將所述方法擴展成，使得納米薄膜和焊料設(shè)置成，使得在放熱反應(yīng)之后剩余的納米薄膜硬質(zhì)材料瓦狀地或魚鱗狀地設(shè)置。
[0018]在引燃和緊接著進行的放熱反應(yīng)之后，反應(yīng)產(chǎn)物在放熱反應(yīng)完全結(jié)束之后保留下來，所述反應(yīng)產(chǎn)物具有金屬間相。在納米薄膜由鎳和鋁構(gòu)成的情況下，例如留下NiAl硬質(zhì)材料，所述NiAl硬質(zhì)材料在熔化的焊料中設(shè)置作為板狀的硬質(zhì)材料。在該有利的改進形式中，剩余的納米薄膜硬質(zhì)材料應(yīng)當(dāng)設(shè)置成，使得其具有瓦狀的或魚鱗狀的結(jié)構(gòu)。這意味著:為了基礎(chǔ)材料而隱匿地設(shè)置納米薄膜硬質(zhì)材料。這意味著:對渦輪機部件的表面的外部影響引起納米薄膜硬質(zhì)材料相對于基礎(chǔ)材料形成有效的阻擋物。
[0019]此外這對于特定的磨損機制、例如液滴沖擊侵蝕是有利的。因為通過特殊的設(shè)置而得到在一定程度上自保護的系統(tǒng)，因為硬的納米薄膜硬質(zhì)材料不因液滴沖擊侵蝕而以如球狀的統(tǒng)計分布的顆粒那樣的速度被掘出。
[0020]在另一個有利的改進形式中，在放熱反應(yīng)之前多個納米薄膜與多個焊料彼此疊加地設(shè)置。因此提出:以交替的方式彼此疊加地設(shè)置納米薄膜和焊料層。這表示:交替地、彼此疊加地首先設(shè)置納米薄膜，然后是焊料，然后又是納米薄膜并且然后是焊料。在放熱反應(yīng)之后，納米硬質(zhì)材料保留彼此疊加地設(shè)置，這引起上述瓦狀的或魚鱗狀的結(jié)構(gòu)。
[0021]本發(fā)明的主要優(yōu)點是:由納米薄膜產(chǎn)生的熱量形成僅局部地產(chǎn)生并且不是整個渦輪機部件經(jīng)受高溫。這例如避免渦輪機部件由于不同的溫度而變形。
[0022]本發(fā)明的另一個主要優(yōu)點是:納米薄膜在幾何形狀上能夠相應(yīng)于待覆層的區(qū)域剪裁，使得熱量輸入僅在需要其以構(gòu)成連接的位置處進行。這引起:僅局部的區(qū)域構(gòu)成為具有根據(jù)本發(fā)明的保護層。
[0023]此外有利的是，放熱持續(xù)極其短的時間。此外，能夠精確地定位匹配地制成的覆層，在所述覆層上施加有相應(yīng)的構(gòu)件。通過納米薄膜能夠建立類型相同的材料的連接，這能夠引起節(jié)約成本。
[0024]此外，不需要外部設(shè)備、例如爐子，這也引起:對于根據(jù)本發(fā)明設(shè)計的保護層而言需要較小的空間需求進而也可良好地在維護中使用。根據(jù)本發(fā)明的層主要能夠有利地在難以接近的部位上應(yīng)用，因為僅必須將薄膜安置到表面上并且最后安置焊料或陶瓷材料。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]根據(jù)一個實施例詳細(xì)闡述本發(fā)明。
[0026]附圖示出:
[0027]圖1示出在放熱反應(yīng)之前的根據(jù)本發(fā)明的層的橫截面視圖；
[0028]圖2示出在放熱反應(yīng)之前的渦輪機部件的橫截面視圖；
[0029]圖3示出在放熱反應(yīng)之后的保護層的橫截面視圖；
[0030]圖4示出在放熱反應(yīng)之前的渦輪機部件的橫截面視圖。

【具體實施方式】
[0031]圖1示出渦輪機部件I。該渦輪機部件I例如能夠是蒸汽輪機的構(gòu)件、例如外殼體、內(nèi)殼體或者轉(zhuǎn)子。渦輪機部件I包括基礎(chǔ)材料2，所述基礎(chǔ)材料在蒸汽輪機結(jié)構(gòu)中通常是鋼。該基礎(chǔ)材料2具有基礎(chǔ)材料表面3，納米薄膜4在第一方法步驟中設(shè)置到所述基礎(chǔ)材料表面上。焊料5施加到該納米薄膜4上。納米薄膜4在此由下述化學(xué)元素構(gòu)成:鋁和鈀(Al/Pd)、鋁和鎳(Al/Ni)、氧化鎳和鎳和鋁(N1-Ni/Al)以及氧化銅和銅和鋁(CuO-Cu/Al)。焊料具有下述化學(xué)組分=Ag59Cu2Ulr^5TLTiCu15Ni15或者TiZr37.5Cu15Ni1(l或者類似的組分。
[0032]在下一個方法步驟中，納米薄膜4在例如能夠設(shè)置在邊緣處的初始位置6處點燃。這種點燃通過例如因激光束或局部加熱而引起的短暫的熱量輸入實現(xiàn)。納米薄膜4在該位置處強烈地發(fā)熱，使得納米薄膜4熔化從而也促使焊料5熔化。熱量生成在此在方向7上沿著基礎(chǔ)材料表面3傳播。在納米薄膜4的放熱反應(yīng)之后，焊料5與納米薄膜4熔合并且牢固地與基礎(chǔ)材料2連接。
[0033]圖2示出在圖1中示出的用于產(chǎn)生保護層的裝置的擴展圖。在圖2中，在點燃之前在焊料5上設(shè)置有另一個附加保護層8。
[0034]保護層的產(chǎn)生類似于在圖1中那樣通過點燃初始位置6處的納米薄膜來進行，并且引起沿方向7產(chǎn)生放熱。這引起:基礎(chǔ)材料2局部地在基礎(chǔ)材料表面3上熔化并且經(jīng)由由焊料5和納米薄膜4構(gòu)成的混合物在附加保護層8之間形成化學(xué)連接。附加保護層8能夠是具有下述組分的陶瓷保護層。在考慮陶瓷系統(tǒng)的情況下首先考慮碳化物、但是也考慮硼化物等。例如可以是打(:、84(:、1182或類似的組分。但是除了陶瓷顆?；蛘邔又?，也能夠考慮金屬間相、例如TiAl或者硬質(zhì)合金、例如鈷基的司太立。
[0035]圖3示出放熱反應(yīng)之后基礎(chǔ)材料2的設(shè)置。在放熱反應(yīng)之后留下板狀的硬質(zhì)材料9，所述硬質(zhì)材料嵌入在熔化的焊料5中。因此，納米薄膜4結(jié)合焊料5本身用作為保護層。在此，能夠棄用陶瓷保護層。例如能夠是鎳鋁分子的板狀的硬質(zhì)材料9的設(shè)置使得其沿著與基礎(chǔ)材料表面3正交的觀察方向10彼此疊加地設(shè)置。這隨后可能接近于瓦狀的或魚鱗狀的構(gòu)成物。這表示:板狀的硬質(zhì)材料9的各個端部設(shè)置在另一板狀的硬質(zhì)材料9之上。
[0036]圖4示出在放熱反應(yīng)之前納米薄膜4和焊料5在基礎(chǔ)材料2上的設(shè)置。根據(jù)圖4的設(shè)置相對于根據(jù)圖1的設(shè)置的區(qū)別是:此時應(yīng)用納米薄膜4和焊料5的多個層。在圖4中僅示出由兩個納米薄膜4構(gòu)成的一個層作為示例。但是多層納米薄膜4也是可行的。
[0037]在放熱反應(yīng)之后，板狀的硬質(zhì)材料9保留在焊料5中并且能夠(如在圖3中示出的那樣)設(shè)置。
【權(quán)利要求】
1.一種用于在基礎(chǔ)材料(2)上制造保護層的方法， 其中在所述基礎(chǔ)材料(2)上設(shè)置納米薄膜(4)和焊料(5)， 其特征在于， 局部地點燃所述納米薄膜(4)，并且放熱反應(yīng)引起所述基礎(chǔ)材料(2)上的所述焊料(5)熔化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法， 其中在所述焊料(5)上設(shè)置附加保護層(8)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法， 其中由陶瓷材料制成所述附加保護層(8)。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項所述的方法， 其中應(yīng)用具有下述化學(xué)組分的納米薄膜(4):A1/Ni。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項所述的方法， 其中應(yīng)用具有下述化學(xué)組分的焊料(5) =Ag59Cu27.5In12.5T1、TiCu15Ni15或者TiZr37.5Cu15Ni10O
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項所述的方法， 其中所述納米薄膜(4)和所述焊料(5)設(shè)置成，使得在所述放熱反應(yīng)之后，剩余的納米薄膜硬質(zhì)材料(9)瓦狀地或魚鱗狀地設(shè)置。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法， 其中在所述放熱反應(yīng)之前彼此疊加地設(shè)置多個納米薄膜(4)與多個焊料(5)。
【文檔編號】C23C26/02GK104284999SQ201380024288
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年4月10日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月7日
【發(fā)明者】蘇珊·戈勒森, 托爾斯滕-烏爾夫·克恩 申請人:西門子公司