專利名稱：用來對中空物件的復(fù)雜內(nèi)表面進行氣相鍍敷的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的背景本發(fā)明涉及一種用來對一中空物件的復(fù)雜內(nèi)表面進行氣相鍍敷的方法和裝置，更具體地說，本發(fā)明涉及在一具有至少兩個氣體流動通道的汽輪機發(fā)動機構(gòu)件的內(nèi)表面上進行的金屬鍍層的氣相淀積，諸如鋁鍍層。
在已有技術(shù)中，鍍鋁方法是眾所周知的。該方法可用來將一鋁化物施加于諸如鎳基超耐熱合金物件之類的基底上。其中有一些這類物件要求在內(nèi)表面上具有一鍍層。對于一些物件來說，諸如汽輪機機翼，其內(nèi)表面比較復(fù)雜并且只能通過一些狹窄且受限的通道才能接觸到。為了對這些汽輪機機翼進行冷卻，制造者對所述內(nèi)表面進行了設(shè)計以使它們具有多個氣體通道。
先進型汽輪機發(fā)動機需要一種改進的方法來對汽輪機機翼進行鍍敷。先進型汽輪機金屬構(gòu)件的內(nèi)表面都受到高溫的影響，從而可使這種金屬構(gòu)件的未鍍敷部分在使用中被氧化。由于氧化皮是形成在這些狹窄的蛇形通道內(nèi)，因此，就會有一層厚的氧化皮從所述表面逐漸生長出來，從而使得所述通道變得更為狹窄，由此降低了空氣的冷卻效率。其結(jié)果是，這種氧化過程將以一種越來越高的速率不斷進行下去。這種加速的氧化過程只能通過對所述部件的整個內(nèi)部通道進行有效地鍍敷才能停止。
目前有幾種對諸如渦輪機機翼之類的物件的內(nèi)表面進行鍍敷的方法。每一種現(xiàn)有方法均有它的局限性，它們均會顯著增加對所述物件進行加工所需的成本和時間，或者會無法對所述內(nèi)表面進行適當?shù)腻兎?，尤其是當?fù)雜內(nèi)表面具有多個氣體通道時更為嚴重。
在目前用來對物件進行鍍敷的眾多方法中有一種是埋置(pack)擴散方法。在這種方法中，是將待鍍敷的物件的表面埋置在細碎的顆粒源內(nèi)，所述顆粒源包括鋁源、用作鋁的化學轉(zhuǎn)移媒質(zhì)的揮發(fā)性鹵化物，以及諸如氧化鋁粉末之類的陶瓷相，以防止金屬組份發(fā)生聚結(jié)現(xiàn)象；并加熱至高溫，通常是加熱到至少1200°F，所有這些都是在一容器內(nèi)(retort)進行的。在這種方法所遇到的問題之中，有一個問題是粉末狀顆粒在各部件的狹窄通道或開口內(nèi)的粉末顆粒的積聚會阻止鋁氣體穿過狹窄的蛇形通道。其結(jié)果是在堵塞的通道內(nèi)沒有鍍層。即使在沒有被堵塞的開口內(nèi)，仍然發(fā)現(xiàn)鍍層厚度在開口處或開口附近變得比較薄，并且隨著離開所述開口的距離越來越大而迅速減小。這種不均勻的鍍層通常會導(dǎo)致出現(xiàn)機翼的次品。
另一種用來鍍敷物件的方法可稱為懸置(over the pack)方法，諸如Benden于1979年1月2日申請的美國專利No.4,132,816中所描述的那一方法。這種方法是對埋置方法的改進，其中，待處理的各部件是懸置在粉狀材料上方，而不是埋置在粉狀材料內(nèi)的。為了能使氣態(tài)鋁淀積在那些懸置的部件上，其中所述氣態(tài)鋁是在有鹵化物活化劑的情況下，由鋁的高溫分解作用而生成的，將一種惰性氣體引入容器內(nèi)，并使它在待鍍敷的各表面上經(jīng)過。這種方法比埋置方法有所改進，因為沒有任何粉末混合物與各表面相接觸，因此，不會堵塞狹窄通道的開口。雖然與埋置方法相比，它是一種改進的鍍敷內(nèi)部通道的方法，但是在反應(yīng)進行時，它只對淀積速率進行的控制只局限于對氬氣氣壓、粉末混合物的化學性質(zhì)、流量和反應(yīng)溫度、溫度的時間的變化進行控制。然而，這樣一種系統(tǒng)沒有對內(nèi)部通道的鍍敷所進行的控制。
在Benden于1979年4月10日申請的美國專利No.4,148,275中描述了一種對這種方法的改進，其中，容器具有兩個可同時對物件的外部和內(nèi)部進行鍍敷的腔室。每一腔室均具有各自的粉末混合物。這種改進可以通過對流入所述腔室內(nèi)的載體氣體的流速進行控制而對內(nèi)部通道鍍敷作業(yè)進行更好的控制，所述腔室內(nèi)裝有鋁源、惰性填料和鹵化金屬。這種控制是除了可通過對溫度和時間的變化進行控制的一種控制。
用來對諸如汽輪機機翼之類的、具有狹窄蛇形通道的物件進行鍍敷的另一種方法是化學汽相淀積，所述化學汽相淀積也可稱為CVD。在CVD方法中，是將待鍍敷的部件放置在一容器。通常通過使一鋁源與諸如鹵化物之類的活化劑氣體相反應(yīng)，在一高溫下，在所述容器外的一反應(yīng)室內(nèi)生成含鋁氣體。然后，利用載體氣體(例如氫氣或氬氣)將鹵化鋁氣體從所述反應(yīng)室傳送到所述容器。隨后，將鹵化鋁氣體作用于所述物件的表面，從而淀積形成一鋁鍍層。將生成物，即，含鹵化物的氣體排出所述容器。例如參見美國專利5,264,245。
雖然這些氣相鍍敷方法都是有效的，但是，它們都不適用于含有多個現(xiàn)代型機翼氣體通道的復(fù)雜內(nèi)表面，這種方法會產(chǎn)生不均勻的內(nèi)表面鍍層。
因此，需要一種用來可在復(fù)雜內(nèi)表面上進行氣相鍍敷的改進型裝置和改良方法。
本發(fā)明的概述簡言之，本發(fā)明提供了這樣一種方法和裝置，它通過將一種鍍敷氣體供送入所述通道內(nèi)，并將至少兩個通道的鍍敷氣體流速控制成具有一不同的流速，以在每一通道的內(nèi)表面上淀積形成一具有所需厚度的鍍層，由此對一具有氣體流動通道的中空物件的內(nèi)表面進行鍍敷。
附圖的簡要說明

圖1是一Siemens V84第一葉片的剖視圖，它有四個氣體流動通道。
圖2是一GE 90葉片的剖視圖，它有三個氣體流動通道。
圖3是一用來將鍍敷氣體供送至Siemens V84第一葉片的每一通道的歧管的剖視圖，所述第一葉片具有一些不同管徑的供送管。
圖4是一用來將鍍敷氣體供送至GE 90葉片的每一通道的歧管的剖視圖，所述葉片具有一些不同管徑的供送管。
圖5是與圖1所示的Siemens V84第一葉片裝配在一起以供送鍍敷氣體的圖3所示鍍敷氣體供送歧管的局部剖視圖。
圖6是與圖2所示的GE 90葉片裝配在一起以供送鍍敷氣體的圖4所示鍍敷氣體供送歧管的局部剖視圖。
圖7是用來實施本發(fā)明的鍍敷裝置的剖視圖。
本發(fā)明的具體描述為了對燃氣輪發(fā)動機的現(xiàn)代型機翼進行冷卻，將這些機翼設(shè)計成具有一些復(fù)雜的內(nèi)表面，這些內(nèi)表面內(nèi)設(shè)有多個具有不同氣體流動特征的氣體流路(即，通道、溝槽、回路或腔室)?？衫鐓⒁娒绹鴮＠鸑o.5,591,007，它揭示了一種具有多個蛇管冷卻通道或回路的汽輪機機翼。圖1和圖2示出了一具有多個氣體流動通道的機翼，其中圖1示出了具有四個氣流通道2-5的葉片1，圖2示出了一具有三個氣體流動通道7-9的葉片6。對每一通道的內(nèi)表面進行適當鍍敷的要求是不同的。通過測量氣體流動特征，通道的長度、通過每一通道的冷卻出口孔的個數(shù)和尺寸大小、待鍍敷的內(nèi)表面的面積、通道的容積以及每一通道的所需鍍敷的厚度可決定對鍍敷每一通道的要求。為了滿足這些要求并以這些測量結(jié)果為基礎(chǔ)，對每一通道相對于另一通道的鍍敷氣體流速進行確定。這些測量結(jié)果可以用來對每一通道內(nèi)的鍍敷氣體流速加以調(diào)節(jié)，以便有所需容積的鍍敷氣體從每一通道中排出。改變每一內(nèi)部通道內(nèi)的氣體流速比以考慮每一通道內(nèi)的冷卻出口孔的數(shù)量和尺寸可以用來確定每一通道對鍍敷氣體流動的要求。在一實施例中，將每一通道內(nèi)的相對鍍敷氣體流速控制成近似為每一氣體流動通道的相對氣體流速。即使在完成了這些計算之后，仍可以利用經(jīng)驗實驗，以對每一通道內(nèi)的鍍敷氣體流速的最終調(diào)節(jié)作業(yè)加以微調(diào)，以在每一通道內(nèi)獲得理想的鍍層厚度。
根據(jù)所述鍍敷要求，對至少兩個通道的鍍敷氣體流速進行單獨的控制使它們具有不同的流速，從而可將具有適當流速和容積的鍍敷氣體傳送至每一內(nèi)通道內(nèi)，由此可以為每一通道提供適當?shù)腻儗雍穸?。雖然可以對所述流速加以調(diào)節(jié)從而可使每一通道的內(nèi)表面具有不同的鍍層厚度，但是，通常都是將所述流速調(diào)節(jié)成可使每一通道的內(nèi)表面的鍍層厚度大約相同。用來控制氣體流速的裝置是可以變化的，并例如可以采用不同尺寸(即，孔徑或直徑)、從一共用供氣源將鍍敷氣體供送入每一通道內(nèi)的管子，或是一能控制所述物件內(nèi)至少其中一個通道的流速的閥。
圖3示出了一設(shè)有供送管11-14的供送歧管10，用來將鍍敷氣體供送入圖1所示的相應(yīng)氣體流動通道2-5內(nèi)，如圖5所示的那樣。每一供送管11-14的直徑均有所限制從而可對從其中通過的鍍敷氣體的流量加以控制。同樣，圖4示出了一設(shè)有供送管16-18的供應(yīng)歧管15，用來將鍍敷氣體供送入圖2所示的相應(yīng)氣體流動通道7-9內(nèi)，如圖6所示的那樣。在圖3到圖6的每一圖中，管子19是用來將鍍敷氣體從一鍍敷氣體供應(yīng)源供送到所述供應(yīng)歧管的。
鍍敷氣體可以提供諸如鋁化物之類的金屬鍍層的氣相淀積，所述金屬鍍層對于保護汽輪機機翼的內(nèi)表面是特別有用的。氣態(tài)的鋁鍍層可以利用上文所述的埋置方法(大體上如美國專利4,148,275中所描述的)或在上文中具體描述的化學汽相淀積方法來提供。例如，將包括鋁粉、氧化鋁和氟化鋁(ALF3活化劑)在內(nèi)的鍍層混合物加熱到近似1975°F，并用氫氣或氬氣作載體氣體，以將鍍敷氣體傳送到所述部件。
圖7中示出了一鍍敷裝置20。該裝置可鍍敷機翼的外表面和內(nèi)表面。在該裝置中，例示了圖6所示的機翼和供送歧管。從上反應(yīng)床22可以產(chǎn)生一種氣態(tài)金屬鍍敷氣體，以對葉片6的外表面進行鍍敷，并且可從下反應(yīng)床23產(chǎn)生所述氣態(tài)金屬鍍敷氣態(tài)以對各內(nèi)表面進行鍍敷。引入一種載體氣體通過管子24，從而可通過管子19將所述鍍敷氣體傳送到供送歧管15內(nèi)，并可通過供送管16-18而傳送到葉片6的內(nèi)通道內(nèi)。
例子1圖1中所示的Siemens V84型第一葉片具有四個具有以下氣體流動特征的氣體流動通道2-5。應(yīng)予注意的是，通道3和4是橫向連接的(即，藉助氣體流動節(jié)流孔而橫向連接)。圖3所示的鍍敷氣體供送歧管10采用了供送管11-14，這些供送管根據(jù)所示的節(jié)流孔口面積具有一定的尺寸(即，不同的直徑)，以控制每一通道內(nèi)的流速，從而可以在每一通道內(nèi)提供所需的、均勻的鍍層厚度.
一種由2％的氟化鋁、5％的鋁和93％的氧化鋁組成的埋置原料鍍敷混合物，在如圖7中所示的、裝有20個葉片的鍍敷裝置內(nèi)埋置下反應(yīng)床，只對各葉片的內(nèi)表面進行鍍敷。典型的用量在下反應(yīng)床內(nèi)是近似35磅的材料。采用流速為200立方英尺/小時的擴散氣體，以將鍍敷氣體傳送到各部件內(nèi)。流速約為10立方英尺/小時的氬氣用作所述載體氣體，以將所述鍍敷氣體傳送到每一部件。還采用100立方英尺/小時的流速來作為純凈用氣體。將所述組件加熱到1975°F+/-25°F，并將該溫度保持四小時，同時保持所述鍍敷氣體通過各部件。
在每一通道內(nèi)可以觀察到0.0015英寸+/-0.0010英寸的、一致的鋁化物鍍層厚度。
例子2圖2所示的GE 90第一級汽輪機葉片具有三個具有以下氣體流動特征的氣體流動通道7-9。圖4所示的鍍敷氣體供送歧管15采用了一些供送管，這些供送管根據(jù)所示的節(jié)流孔口面積具有不同的尺寸(即，直徑)，以控制每一通道內(nèi)的流速，從而可以在每一通道內(nèi)提供所需的、一致的鍍層厚度。<
采用一種由2％的氟化鋁、3％的鋁和95％的氧化鋁組成的埋置原料鍍敷混合物，以埋置如圖7所示的、裝有35個葉片的鍍敷裝置內(nèi)的下反應(yīng)床。用于內(nèi)部給料的下反應(yīng)床內(nèi)的典型用量是近似30磅的材料。用來對葉片的各個外表部分進行鍍敷的所述原料鍍敷用混合物是一種由3％的氟化鋁、7％的鋁組成的混合物，在用于外表面鍍敷的上反應(yīng)床內(nèi)有40磅的總混合物(按重量計)。用150立方英尺/小時的載體氣體的流速，將鍍敷氣體傳送到各部件內(nèi)。流速約為4.3立方英尺/小時的氬氣用作所述載體氣體，以將所述鍍敷氣體傳送到每一部件內(nèi)。還用100立方英尺/小時的流速來作為純凈用氣體。將所述組件加熱到1975°F+/-25°F，并將該溫度保持5.5小時，同時保持所述鍍敷氣體通過各部件。
在每一通道內(nèi)可以觀察到0.0015英寸+/-0.0010英寸的、一致的鋁化物鍍層厚度。
權(quán)利要求
1.一種用來對一具有至少兩個氣體流動通道的中空物件的內(nèi)表面進行鍍敷的方法，其特征在于。它包括以下步驟通過對流入至少兩個氣體流動通道內(nèi)的鍍敷氣體的流速分開加以控制使之具有一不同的流速，將鍍敷氣體供送入所述物件的氣體流動通道內(nèi)，以在每一氣體流動通道的內(nèi)表面上淀積形成一所需的鍍層厚度。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，藉助使所述鍍敷氣體通過一具有另一不同節(jié)流孔口尺寸的供送管供送入每一氣體流動通道內(nèi)，以將所述氣體流速控制成為另一不同流速。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，至少兩個氣體流動通道具有不同的氣體流速。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，對所述鍍敷氣體流速加以控制，從而可以在所有的氣體流動通道內(nèi)提供近似相等的鍍層厚度。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，一閥控制著至少一個氣體流動通道內(nèi)的鍍敷氣體流速。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述中空物件是一燃氣輪發(fā)動機的機翼。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述鍍敷氣體可提供一鋁化物鍍層。
8.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，對流入每一氣體流動通道內(nèi)的相對鍍敷氣體流速加以控制，使它近似為每一通道流動通道內(nèi)的相對氣體流速。
9.一種用來對一具有至少兩個氣體流動通道的中空物件的內(nèi)表面進行鍍敷的裝置，其特征在于，它包括a.一用來產(chǎn)生一種鍍敷氣體的殼體；b.用來將所述鍍敷氣體供送入所述物件的通道流動通道內(nèi)的裝置；c.用來對流入至少兩個氣體流動通道內(nèi)的鍍敷氣體流速加以控制使之具有一不同的流速、從而可在每一氣體流動通道的內(nèi)表面上淀積形成一具有所需厚度的鍍層的裝置。
全文摘要
本發(fā)明提供了這樣一種方法和裝置,它通過將一種鍍敷氣體供送入所述通道內(nèi),并將至少兩個通道的鍍敷氣體流速控制成具有不同的流速,以在每一通道的內(nèi)表面上淀積形成一具有所需厚度的鍍層,由此可對一具有諸氣體流動通道的中空物件的內(nèi)表面進行鍍敷。
文檔編號B05B13/06GK1261829SQ98806861
公開日2000年8月2日 申請日期1998年5月8日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月18日
發(fā)明者P·霍華德, M·威廉斯, S·拉埃曼基, S·盧卡斯, C·易 申請人:色合金燃氣輪機有限公司