用瞬态液相粘结制造燃气轮机部件的方法技术

本发明专利技术公开了组装简单的分体结构以制成复杂的透平结构部件的方法。利用瞬态液相粘结技术将部件分体结构在相对的接合面处粘结在一起。在向接合面涂覆粘结材料之前，对分体结构的接合面进行加工处理以除去其上的氧化层，并保证结构的尺寸公差。利用溅射喷镀将粘结材料涂覆在接合面上。在涂覆粘结材料之前，可以将障板置于接合面上以便仅在接合面上的预定位置处有选择地涂覆粘结材料，进而避免用于粘结部件分体结构的粘结材料的过度使用。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及制造燃气透平热段部件的方法，以使该部件在其整个使用寿命期间在高温的运行环境下都能保持结构的完整性和自身的性能水平。更具体地说，本专利技术涉及将多个不很复杂且薄的、更易于铸造的部分组合起来形成复杂的透平部件的方法，通过将瞬态液相粘结材料施加在这些部分的选定的表面上，再将该选定的表面粘结在一起以将这些部分组合起来，形成所需的部件结构。为提供燃气透平的高效率和最大的动力输出，近年来燃气透平内的燃气温度呈现稳步的上升趋势。然而，透平部件，特别是那些在透平的热段在高的燃气温度下运行的部件如透平叶片和叶轮的结构的提高并没有太大进展。透平热段的部件暴露在高温的运行环境下不仅会降低部件的机械结构的完整性而且还会缩短部件的使用寿命。因此，如本领域的技术人员所公知的，在叶片或叶轮的内部设置冷却装置，使冷却空气或蒸汽流过部件的热段，使部件的热损耗降至最小。燃气透平的叶片和叶轮基本上包括两个部分，一薄的外皮和一翼梁，外皮具有叶片所需的空气动力轮廓并覆盖在翼梁上。为了在这样的叶片和叶轮内部提供有效的冷却，已知的方法是在外皮和翼梁之间设置钉头(或翼片)，进而将外皮由这样的钉头机械地连接到翼梁上。采用已知的方法向叶片和叶轮的内部提供冷却空气，这样钉头之间的空间为冷却空气横过外皮的内表面提供了流动通道。但由于叶片和叶轮的尺寸和几何形状的限制，在燃气透平部件内有效地设置这样的钉头冷却装置却一直是不可行的。例如，一种制造空气动力叶片和叶轮的方法是单独地铸造翼梁和外皮件，其中外皮能够被安装到翼梁上。在装配过程中外皮的变形是不容许的，因为这样的变形会导致单晶体的部件合金的再结晶，或定向结晶合金内的晶粒边界层的断裂。而且，这样的叶片或叶轮的制造的另一问题是，由于部件的横断面较大，因而在铸造结晶界面保持理想的单晶体或定向结晶的微观结构所需的高温梯度是困难的。用多个小的部分或部件分体结构制成具有空气动力轮廓的透平部件，其中每一个部分被铸成简单的形状，而后将各部件分体结构粘结在一起，形成具有空气动力轮廓的成品部件。整体部件结构的分体结构部分利用已知的瞬态液相粘结(TLP)技术连接在一起。在此方法中，粘结材料是一种合金，该合金具有与部件衬底材料的性能相似的材料性能，并含有熔点抑制剂，如硼。在本专利技术中，“熔点抑制剂”是指一种材料，当将其与一种粘结材料相混合时，它可以降低该粘结材料的熔点温度。将粘结材料涂覆在要被连接在一起的分体结构的相对的表面之间。而后，采用已知的方法加热该连接处，以便使粘结材料熔化，硼慢慢混入连接的部件的衬底材料内，进而产生固化，它可以是绝热的。利用瞬态液相粘结技术所进行的部件连接适合于单晶体和定向结晶晶体合金合成物，及等轴晶粒合金合成物，它们在焊接操作过程中会产生断裂。然而，瞬态液相部件粘结方法还具有一些缺点，即粘结过程复杂化，耗时长且成本高。为了将粘结材料置于要被粘结的部件的表面上，粘结材料是以粉状或箔的形式覆盖。当使用粉状的粘结剂时，必须是以极其细致的方式将粘结剂涂覆在粘结表面上，以避免粘结剂在熔化之前散开或失落。可以使用一种粘结剂材料将粘结剂固定到部件的粘结表面上，然而，粘结剂的高温分解产生了一种不希望出现的沉积物，一般是以一种碳化物的形式，使粘结是在还原气氛或氧化气氛下进行的。而且，随着粉状粘结材料在部件的表面上的面积的增加，粘结过程中的粘结氧化物和衬底材料氧化物也随之增加。使用箔作为粘结材料表现出与瞬态液相粘结技术相关联的另一类问题。箔是较厚的(大于25-100微米)并且具有一定的可延展性，以致于很难将其切成与要被粘结的部件的表面具有相同的形状的精确的形状。而且，箔很容易被撕裂，小片的箔则容易丢失。较厚的箔需要将较高水平的熔点抑制剂熔入最终的部件衬底中，以致降低了衬底材料的初熔温度。还有，较厚的箔需要较长的均匀化过程，使粘结的微观结构的质量降低。采用已知的瞬态液相粘结方法制造具有复杂的空气动力轮廓的部件还存在着其它的问题。需要向要被粘结在一起的部分施加压力，以便破坏在粘结表面上可能存在的氧化层，以有助于液态粘结材料在接合处的均匀分布。压力还可以使粘结区域的厚度降至最小。然而，当部件的形状复杂时，则很难在粘结区域内施加均匀的压力。而且由于潜在的再结晶危险，使向单晶体结构的合金施加较高的压力是很不利的。为了避免使用箔和粉状粘结材料带来的问题，本领域的技术人员已经尝试利用溅射喷镀技术将粘结材料喷镀到部件分体结构的表面上，以便将部件分体结构装配在一起，形成复杂的部件结构。在瞬态液相粘结合金的溅射喷镀之前，用氩离子轰击方法清洁粘结表面以除去其上的一些不希望有的氧化层。然而，实践证实这项技术仅适用于制造具有简单的整体形状的小的部件。对于大的复杂的部件，如燃气透平叶片和叶轮，由于多种原因，该项技术却不适用。在已知的TLP方法的高温均热工序的过程中，要被涂覆粘结层的部件分体结构的表面不能与重力的方向垂直，否则液相的粘结材料将由于重力的作用而流动。这会导致在粘结分体结构的上部区域内粘结材料减少，进而使这些区域内的粘结效果变弱。聚集在分体结构底部的过量的粘结材料会导致最终的部件结构尺寸的改变，而且会堵塞此区域内的冷却通道。还有，如果外皮的整个表面均涂覆有粘结合金，则在熔点抑制剂(如硼)可以散入其内的溅射涂层之后仅保留有少量的超耐热合金衬底材料。这在一些情形下会引起外皮的软化或熔化，除非高温均热处理的时间可以长到使熔点抑制剂从外皮散入翼梁并超过连接肋片。而且，在已知的溅射喷镀方法中，在某些情况下，为了将分体结构的相对的表面粘结在一起以便将分体结构连接起来，即使仅需要在较小的部件分体结构的表面上涂覆粘结材料，但也只能涂覆大的整个的部件分体结构的表面。这种在非粘结区域内的过度的衬底涂覆增加了在成品叶片或叶轮中的熔点抑制剂的含量，进而对部件结构的材料性能产生不利的影响。因此，目前需要一种改进的方法，用来制造燃气透平的热段的部件，以使该部件在其整个使用寿命期间在高温的运行环境下都能保持结构的完整性和自身的性能水平。所以，本专利技术的目的是提供一种改进的方法，用来制造燃气透平的热段的部件，以使该部件在其整个使用寿命期间在高温的运行环境下都能保持结构的完整性和自身的性能水平。简言之，本专利技术的上述目的和其它的目的均由下述的一方法来实现，该方法用于用多个部件分体结构制造一燃气透平的部件，每一个分体结构具有一衬底材料，并具有至少一个接合面，该方法包括以下步骤(a)对每一个分体结构的接合面进行表面处理以除去其上的氧化层；(b)利用溅射喷镀在至少一个分体结构的接合面上涂覆粘结材料层，该粘结材料内含有熔点抑制剂，该熔点抑制剂具有一熔点温度；(c)将每一个分体结构的接合面相对放置，使它们彼此相接触，粘结材料层夹在其相对的接合面之间，进而将每一个分体结构装配起来，以制成该部件；和(d)将该分体结构组合件置于一温度高于上述的熔点温度的环境下，进而使熔点抑制剂扩散入分体结构组合件的衬底材料内，粘结材料固化，以使分体结构组合件的相对的接合面粘结在一起。根据本专利技术的一最佳实施例，在向分体结构的接合面涂覆粘结材料层之前，将障板置于接合面上，以便仅在接合面上的预定位置处有选择地涂覆粘结材料。在涂覆粘结材料之前，对要被涂覆粘结材料的分体结构的接合面进行处理以除本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用多个部件分体结构制造一燃气透平的部件的方法，其中每一个分体结构具有一衬底材料，并具有至少一个接合面，该方法包括以下步骤：（ａ）对每一个所述分体结构的接合面进行表面加工处理以除去其上的氧化层；（ｂ）利用溅射喷镀在至少一个所述分 体结构的接合面上涂覆一粘结材料层，该粘结材料内含有熔点抑制剂，该熔点抑制剂具有一熔点温度；（ｃ）将每一个所述分体结构的接合面相对放置，使它们彼此相接触，粘结材料层夹在其相对的接合面之间，进而将每一个所述分体结构装配起来，以制成该部件；和 （ｄ）将该分体结构组合件置于一温度高于所述熔点温度的环境下，进而使所述熔点抑制剂扩散入所述分体结构组合件的衬底材料内，粘结材料固化，以使所述分体结构组合件的相对的接合面粘结在一起。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：托马斯J菲茨杰拉德，托马斯W扎加尔，
申请(专利权)人：西门子西屋动力公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]