專利名稱：渦輪機(jī)金屬部件和襯套氣相滲鋁方法
技術(shù)領(lǐng)域：
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(duì)這種涂層在裝有襯套的渦輪機(jī)空心葉片上的應(yīng)用，用于冷卻劑的擴(kuò)散。
背景技術(shù)：
燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)一諸如航空領(lǐng)糊于微的發(fā)動(dòng)機(jī)—包括與一個(gè)或多個(gè)壓氣機(jī) 相通的大氣進(jìn)氣道， 一般都包括一個(gè)風(fēng)扇，圍繞同一個(gè)軸線旋轉(zhuǎn)。該主空氣流在壓
縮后提供給圍纟MM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?xì)饨o一 個(gè)或多個(gè)渦輪，戶腿燃?xì)饨?jīng)渦輪膨脹，渦輪轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)壓縮轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)以渦輪 進(jìn)氣口的發(fā)動(dòng)機(jī)氣^^度工作，所述皿應(yīng)盡可能的高，因?yàn)槠潢P(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的性 能。為此，材料的選用應(yīng)育練受這些工作條件，而且，熱氣體掠過的各個(gè)部件的壁， 諸如噴嘴或旋轉(zhuǎn)渦輪葉片，都提 冷卻裝置。此外，由于其金屬成份為基于鎳或 鈷的超級(jí)合金，所以，還必須保護(hù)其防止在這些溫度時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)氣體成分所造成的燒 蝕和腐蝕。
為這些部^^共做作用的一種已矢昉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(kuò)散將鋁附著在基質(zhì)上，并形成一個(gè)表面保護(hù)性氧 化層。該涂層的厚度為大約幾十 。
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(gè)方法，需 要處理的部件置放在一個(gè)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(shí)，即在900° C 和1150° C之間時(shí)，囪化物在部件表面分解成氣態(tài)卣素和鋁，后者擴(kuò)散到金屬內(nèi)。
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)生卣化物。 惰性氣M活化劑上以可使鹵素升華的，循環(huán)，后者夾帶在給體上并與其產(chǎn)生反 應(yīng)而產(chǎn)生金屬卣化物，戶皿金屬卣化物在這個(gè)溫度時(shí)呈現(xiàn)氣態(tài)形式。卣化物而后與 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。
當(dāng)靜子部件和轉(zhuǎn)子部件上帶有內(nèi)部腔室時(shí)，從壓氣機(jī)返回的冷卻劑和空氣穿過 這些腔室，人們會(huì)發(fā)現(xiàn)這些腔室的壁上也會(huì)受到腐蝕。從發(fā)動(dòng)機(jī)在某些環(huán)境下工作 所4OT的部件返回t青況來看，這些表面都受到侵蝕。例如，發(fā)J見如下一些瞎況，噴 嘴的內(nèi)部腐蝕，腐蝕薄片iSA噴嘴腔室內(nèi)，后iHl風(fēng) L堵塞等等。因此，對(duì)這類部 件的防護(hù)還是必要的。氣相滲鋁方纟封寺別適合用于防護(hù)涂層，因?yàn)橹灰鋮s齊鵬環(huán)的狹窄通道敞開時(shí)，
運(yùn)載氣體和活性成分就^iS入到這些通道內(nèi)。實(shí)際上，并不是這種情況。保護(hù)層的
厚度不均勻；從所述內(nèi)部腔室的i4A孔口開始，厚度會(huì)大大減小。此外，在所述腔
室通風(fēng)孔口處會(huì)形成集聚，縮小了流通面積，降低了部件的冷卻性能。
在以本申請(qǐng)人的名義提出的法國FR 2830874號(hào)專利申請(qǐng)中，提出了一種渦輪機(jī) 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(gè)方 法，包括鋁化合物在內(nèi)的沉積物的氣態(tài)前體通過運(yùn)載氣體與箱體內(nèi)的部件表面接觸， 所述運(yùn)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(yùn)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/P x D2，式中，P是箱體內(nèi)的壓力，D是分子直徑。
通過延^ig載氣體分子的平均自由程，內(nèi)部通道內(nèi)鹵化物的擴(kuò)散會(huì)增加，通過
傳統(tǒng)方法很^ia入的區(qū)域內(nèi)沉積厚度也會(huì)增加，從而改善了其整體防護(hù)性能。平均
自由程的增加程度是、源于運(yùn)載氣體的選擇一此處是氦氣一或者壓力的降低，這些可 以從上述公式推導(dǎo)得出。
發(fā)明專利內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種改進(jìn)的方法，采用本方法，內(nèi)部腔室的壁上的涂層厚度 在整個(gè)表面上都會(huì)是足夠的。
本發(fā)明涉及帶有一個(gè)腔室和一個(gè)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l示出了這種部件。這是只又軸燃?xì)鉁u輪發(fā) 動(dòng)機(jī)內(nèi)低壓級(jí)的一個(gè)噴嘴的橫截面圖。噴嘴導(dǎo)向葉片1包括一個(gè)在殼模內(nèi)采用鑄造 金屬帝隨而成的部件。所述部件，如圖中局部所示，是由兩個(gè)平臺(tái)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)上的兩端與提微令卻齊啲開口 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(gè)實(shí)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/焊接方法焊接或釬焯到 提#^令卻空氣的開口 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(duì)于葉片相對(duì)膨脹。襯套在其整個(gè) 長度上都采用穿孔，且襯套與葉片的內(nèi)壁形成一個(gè)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(gè)噴氣口，通過沖擊和對(duì)流對(duì)葉片 壁進(jìn)行冷卻。然后，所述空氣經(jīng)由葉片后緣附近的通風(fēng) L被排出。尚未流經(jīng)襯套壁 的空氣被導(dǎo)向開口 6，以便被送至lj渦輪機(jī)的其它部件上。
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)。通常，諸如襯套這樣的部件的滲鋁處理是在其裝配后進(jìn)行的。
根據(jù)本發(fā)明，通過如下方法，實(shí)際上改善了所述腔室內(nèi)的滲鋁^:積，該方法可
以應(yīng)用到i壬何部件上，所述部件帶有可從開口滑過并裝配在其內(nèi)的構(gòu)件。 氣相沉積滲鋁方法可實(shí)現(xiàn)渦輪機(jī)空心金屬部件的高溫氧化防護(hù)； 所述部件包括一個(gè)腔室，金屬構(gòu)件通過該腔室裝入并通過一個(gè)開口裝配在與所
述部件內(nèi)；
根據(jù)所述方法，通過鹵素和含鋁金屬給體之間反應(yīng)而形成卣化物，而后，由運(yùn) 載氣體輸送鹵化物以便與所述金屬部件接觸。
其特征在于，金屬部件在實(shí)施該方法之前首先進(jìn)行表面富鋁處理，目的是起鋁 給體的作用。
如果腔室內(nèi)帶有一個(gè)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(jìn)入的問題得到了解決，同時(shí)仍控制內(nèi)部給體的用量。 具體來講，部件 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 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。
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10 ,到 150 ,之間，優(yōu)選20到90拜之間。
所述層含有至少15 wt。/。的鋁，但是，也可以由至少一個(gè)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。
如上所述，該方法特別適合渦輪機(jī)空心葉片的滲鋁處理。所述部件然由多孔襯 套組成，用來在腔室內(nèi)傳播冷卻空氣。
該葉片為噴嘴導(dǎo)向葉片，帶有腔室，而腔室內(nèi)裝有襯套。所述襯套在用給體金 屬進(jìn)行表面處理后通過葉片一端的開口裝入。接著，襯套通過一端焊接到位于開口 一頂啲葉片的壁上，而開口貝U用來將襯套^A腔室。例如，襯套采用鈷基合織喊， 因?yàn)檫@種合金具有抗振動(dòng)和摩擦的機(jī)械特性。
鋁給懶寸套的使用特別有利，因?yàn)槿~片腔室的內(nèi)部涂層的質(zhì)量實(shí)際上得到改善， 無需對(duì)傳統(tǒng)的氣相滲鋁方法進(jìn)行改動(dòng)。葉片和給體襯套按與非滲鋁襯套葉片的相同 方式裝配，唯一改動(dòng)部分涉及釬焊區(qū)域，后者優(yōu)選必須保持非涂覆狀態(tài)，然后，再 按傳統(tǒng)方式進(jìn)行滲鋁。
由給##套組成的葉片可以是燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪的高壓級(jí)部分，或者所述 發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪的低壓級(jí)部分。
下面結(jié)合附圖介紹本發(fā)明的實(shí)施方案，但本發(fā)明并不僅限于戶/f述實(shí)施方案。


圖1為帶有內(nèi)部腔室和襯套的噴嘴導(dǎo)向葉片，襯套用來將引入的冷卻空氣散布 到所述腔室內(nèi)；
圖2為適合實(shí)施本發(fā)明的方法的滲鋁裝置；
圖3示出了采用已有技術(shù)和根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)后在內(nèi)部獲得的涂層厚度。
具體實(shí)施例方式
圖2示出了傳統(tǒng)氣相滲鋁裝置，本發(fā)明所述方法就是按照這種裝置來實(shí)施的。
箱體12安裝在能夠?qū)⒉考訜嶂?200° C的加熱爐4內(nèi)。置放在該箱體內(nèi)的 有盒子16，此處所示為三個(gè)疊置的盒子，帶有蓋16'。這些盒子都裝有要處理的部 件P，例如，渦輪噴嘴，而金屬給體D為f^末狀形式，或?yàn)閴K體形式，以及活性劑A。 箱體12包括一個(gè)清洗運(yùn)載氣體供應(yīng)端18， 一個(gè)沖洗運(yùn)載氣體供氣端19和一個(gè)由閥 門21控制的出口端20。
在盒子16內(nèi)固定好部件、給體和活性劑后，箱體12首先通過管道18用運(yùn)載氣 體，例如氬氣，進(jìn)行清潔。當(dāng)箱體內(nèi)的空氣被氬氣取代后，供氣中斷。接著，對(duì)爐 進(jìn)行加熱，同時(shí)通過管道19向箱體提供氬氣。多余的氣體經(jīng)由管道20被排出。在 活性劑A的活化鵬時(shí)，釋放氬氣、氯氣或氟氣。通過與給體的接觸，鹵素與金屬 產(chǎn)生反應(yīng)而形成卣化物。由此而形成的卣化物氣在盒子16內(nèi)循環(huán)，并與金屬部件P 相接觸。此時(shí)，鹵化物分解并釋放金屬，后者沉積在部件上。
通過管道19繼續(xù)將氬氣引入到箱體12內(nèi)，平緩沖刷，并通過管道20被排出。 處理時(shí)間在2到6小時(shí)之間。
根據(jù)本發(fā)明，通過使用襯套作為一種給體而將給體與腔室結(jié)合到一起。
在進(jìn)行滲鋁處理前，部件要進(jìn)行準(zhǔn)備，將富鋁的襯套和岡卿條造的部件裝配到 一起。襯套通過向葉片內(nèi)提供冷卻空氣的通道5裝入。接著，襯套9的上邊緣9'釬 焊到葉片內(nèi)的開口的壁上。
襯套通過所屬領(lǐng)域技術(shù)人員者蜘曉的現(xiàn)有任何裝置進(jìn)行表面富鋁處理。向所述 襯套提供涂層的方式可以是專利本身所介紹的方式(氣相滲鋁)，而襯套則代替SVPA 爐4的箱體12內(nèi)要處理的部件P。
這樣，襯套本身就可以通過氣相滲鋁來提前進(jìn)行處理，目的是在整個(gè)表面上形 成一道滲鋁層。在部件的滲鋁操縱期間，所述層的厚度可以確定，以便具有足夠量 的鋁與鹵素產(chǎn)生反應(yīng)，并形成氣相卣化物。由于給體靠近要處理的表面，所獲得的
沉積要大于采用傳統(tǒng)方法所獲得的沉積量。
相對(duì)于另一個(gè)解決方案，本方案的優(yōu)點(diǎn)是，可以4吏己經(jīng)裝配好的部件得到處理， 所述方案可以包括在腔室內(nèi)放置一個(gè)給體籃。在中間步驟時(shí)使用一個(gè)籃子是處理不 帶襯套的部件所必要的，而后，貝鵬襯套安裝至IJ部件上，部件的壁上涂有一層鋁， 這要求特別適用釬焊裝置。此夕卜，不必研制一種清潔腔室內(nèi)部給體殘?jiān)膶?、]技術(shù)。
在圖3中，在y—軸上，示出了腔室壁上獲得的涂層厚度的分布情況。對(duì)應(yīng)于 現(xiàn)有技術(shù)的曲線A說明，前緣和后緣之間的涂層分布很差，沿上表面和下表面上均 是如此。而曲線B則表示，采用給術(shù)寸套后獲得的涂層厚度情況。更均勻，非零效 果。區(qū)域C則表示外部厚度。
權(quán)利要求
1. 一種采用氣相沉積的滲鋁方法，適用于渦輪機(jī)金屬部件的高溫氧化防護(hù)；所述部件(1)包括一個(gè)腔室，金屬部件(9)就裝在該腔室內(nèi)，并從開口(5)內(nèi)裝配到所述部件內(nèi)；根據(jù)本方法，鹵素和含有鋁的金屬給體之間發(fā)生反應(yīng)而形成鹵化物，然后，鹵化物再通過運(yùn)載氣體傳輸與所述金屬部件相接觸；其特征在于，金屬部件(9)在實(shí)施該方法前首先進(jìn)行表面富鋁處理，以便起到鋁給體的作用。
2. 根據(jù)前面權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，部件(9)涂有一道金屬沉積層。
3. 根據(jù)前面權(quán)禾腰求所述的方法，其特征在于，部件上的金屬沉積是采用下面其中 一個(gè)方法進(jìn)行的SVPA、 CVD、 PVD、包裝膠結(jié)滲鋁、熱噴涂、電解沉積或浴槽浸 泡。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述層的厚度在10 ,到150 , 之間。
5. 根據(jù)前面權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述層的厚度在20到90 ，之間。
6. 根據(jù)前面權(quán)利要求中其中一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述層含有至 少15 wt。/。的鋁。
7. 根據(jù)前面權(quán)利要求ff述的方法，其特征在于，所述層還包括至少一種元素來改善 抗氧化性能，所述元素選自元素Cr， Hf， Y， Zr， Si， Ti， Ta, Pt， Pd， Ir。
8. 根據(jù)前面權(quán)禾腰求中其中一項(xiàng)權(quán)禾腰求所述的方法，為了進(jìn)行渦輪機(jī)空心葉片(1) 的滲鋁處理，所述部件(9)由一個(gè)多孑L襯套組成，用來在所述腔室內(nèi)散布冷卻空氣。
9. 根據(jù)前面權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，葉片為噴嘴導(dǎo)向葉片，帶有一個(gè)葉 片(2)，后者提供有一個(gè)腔室和位于該腔室內(nèi)的所述襯套(9)。
10. 根據(jù)前面權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述襯套(9)在經(jīng)過了表面富鋁金 屬處理后經(jīng)由葉片一端的開口 (5)裝入腔室內(nèi)。
11. 根據(jù)前面權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述襯套通過一端焊接或釬焊到 開口一側(cè)上的葉片的壁上，用來將襯套裝入腔室內(nèi)。
12. —種用于渦輪機(jī)空心葉片的擴(kuò)散冷卻空氣的襯套，其特征在于，該襯套涂有， 至少部分地涂有， 一層鋁層。
13. 根據(jù)前面權(quán)利要求所述的襯套，其特征在于，鋁層的厚度在10到150 (im之間， ■ 20到90 Mm之間。
14. 一種渦輪機(jī)空心葉片，其包括一個(gè)按照權(quán)利要求12和13中任一權(quán)利要求所述 的擴(kuò)散冷卻空氣用的內(nèi)部襯套。
15. 渦輪機(jī)噴嘴，其包括根據(jù)前面權(quán)利要求所述的空心葉片。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用氣相沉積的滲鋁方法，適用于渦輪機(jī)金屬部件的高溫氧化防護(hù)；所述部件(1)包括一個(gè)腔室，金屬部件(9)就裝在該腔室內(nèi)，并從開口(5)裝配到所述部件內(nèi)；根據(jù)本發(fā)明方法，鹵素和含有鋁的金屬給體之間發(fā)生反應(yīng)而形成鹵化物，然后，鹵化物再通過運(yùn)載氣體運(yùn)輸與所述金屬部件相接觸；其特征在于，金屬部件(9)在實(shí)施該方法前首先進(jìn)行表面富鋁處理，以便起到鋁給體的作用。本發(fā)明特別涉及到裝有一種襯套的噴嘴導(dǎo)向葉片。
文檔編號(hào)F01D9/02GK101418447SQ20081016825
公開日2009年4月29日 申請(qǐng)日期2008年10月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月3日
發(fā)明者盧西·蘭西奧克斯, 馬克西姆·卡林 申請(qǐng)人:斯奈克瑪