本發(fā)明涉及燃?xì)鉁u輪機(jī)的技術(shù)。本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的燃?xì)鉁u輪機(jī)部件。

本發(fā)明進(jìn)一步涉及用于制造這種燃?xì)鉁u輪機(jī)部件的方法。

背景技術(shù)：

如今，高效燃?xì)鉁u輪機(jī)在非常高的熱氣體溫度下操作。用于熱燃?xì)鉁u輪機(jī)部件的實(shí)際材料是密度為大約8g/cm³的鎳超合金。該相對(duì)高的密度在各種轉(zhuǎn)子部件（例如葉片）上產(chǎn)生高的離心力。當(dāng)燃?xì)鉁u輪機(jī)變得更大時(shí)，該問題變得更嚴(yán)重。

另一方面，所謂的max相的三元陶瓷是已知的，其能夠具有大約4g/cm³的低密度。

該材料的詳情例如公開在m.radovic和m.w.barsoum的下述文章中：maxphases:bridgingthegapbetweenmetalsandceramics,americanceramicsocietybulletin,vol.92,nr.3,p.20-27（2013年4月）。

文獻(xiàn)us2010/0055492a1公開了包括具有分子式mn+1axn的max相材料和金屬成分的合成物，其中，m是前過渡金屬，a是a族元素，x是c和n中的一者或兩者，并且n=1-3，其中，max相材料限定多個(gè)孔；并且所述金屬成分包括低熔點(diǎn)金屬，其中，該金屬占據(jù)所述孔中的至少一些。還公開了一種方法，其包括：提供多孔坯體，該坯體包括具有分子式mn+1axn的顆粒材料，其中，m是前過渡金屬，a是a族元素，x是c和n中的一者或兩者，并且n=1-3；以及用低熔點(diǎn)金屬滲透坯體的至少一些孔，從而提供復(fù)合材料。

在過去，已經(jīng)考慮在燃?xì)鉁u輪機(jī)的技術(shù)領(lǐng)域中使用max相。

文獻(xiàn)us8,192,850b2公開了包括燃燒渦輪機(jī)構(gòu)件基底和在燃燒渦輪機(jī)構(gòu)件基底上的粘結(jié)涂層的燃燒渦輪機(jī)構(gòu)件。粘結(jié)涂層可包括mn+1axn（n=1、2、3），其中，m選自元素周期表的iiib、ivb、vb、vib和vii族及其混合物，其中，a選自元素周期表的iiia、iva、va和via族及其混合物，并且其中，x包括碳和氮中的至少一者。熱障涂層可在粘結(jié)涂層上。

文獻(xiàn)wo2014/149097a2公開了包括具有翼型部分和尖端的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，該渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件具有結(jié)合到尖端的maxmet復(fù)合材料。maxmet復(fù)合材料具有在金屬基體中的max相。

文獻(xiàn)wo2014/143266a1描述了用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的抗振風(fēng)扇導(dǎo)葉。風(fēng)扇導(dǎo)葉包括由maxmet復(fù)合材料制成的振動(dòng)阻尼構(gòu)件。阻尼構(gòu)件可以是覆蓋風(fēng)扇導(dǎo)葉主體的一些或全部的蓋子。替代性地，風(fēng)扇導(dǎo)葉主體的部分或整個(gè)葉主體可由maxmet復(fù)合材料制成。該公開利用maxmet復(fù)合材料在循環(huán)彈性變形期間展現(xiàn)的超高、完全可逆、非線性彈性滯后行為以便阻尼振動(dòng)。

文獻(xiàn)ep2905271a1涉及包括嵌入在陶瓷基體中的陶瓷纖維的陶瓷基復(fù)合材料cmc。纖維包括由max相制成的涂層。max相涂層能夠直接涂布在纖維的表面上，或例如在額外涂覆層之間。改進(jìn)了cmc的性質(zhì)，優(yōu)選的高溫性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是實(shí)現(xiàn)非常大的燃?xì)鉁u輪機(jī)而不改變轉(zhuǎn)子材料。

本發(fā)明的另一目的是提供用于燃?xì)鉁u輪機(jī)的新材料的應(yīng)用和用于制造具有降低的比密度和穩(wěn)健機(jī)械強(qiáng)度的燃?xì)鉁u輪機(jī)的構(gòu)件的新過程。

這些和其他目的通過根據(jù)權(quán)利要求1的燃?xì)鉁u輪機(jī)部件和根據(jù)權(quán)利要求8的方法實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)本發(fā)明的燃?xì)鉁u輪機(jī)部件（其尤其暴露于燃?xì)鉁u輪機(jī)內(nèi)的高溫和離心力）的特征在于，所述燃?xì)鉁u輪機(jī)部件具有由金屬和被稱為max相的三元陶瓷構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，所述max相具有分子式mn+1axn，其中，n=1、2、或3，m是前過渡金屬，諸如ti、v、cr、zr、nb、mo、hf、sc、ta，并且a是a族元素，諸如al、si、p、s、ga、ge、as、cd、in、sn、tl、pb，并且x是c和/或n，因此m在40-60at-%（原子數(shù)百分比）的范圍內(nèi)，a在10-30at-%的范圍內(nèi)并且x在20-40at-%的范圍內(nèi)，并且因此m+a+x在80-100%的范圍內(nèi)，以及0-20%是上面沒有列出且由于雜質(zhì)或氧化引入的其他元素。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述max相是單相ti2alc或兩相ti2alc和ti3alc2的合成物，其中，ti2alc相的范圍是60-95%。

根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，所述max相是單相ti3sic2或兩相ti3sic2和ti4sic3的合成物，其中，ti3sic2相的范圍是60-95%。

根據(jù)本發(fā)明的又另一實(shí)施例，所述max相是兩個(gè)主相ti3sic2和ti2alc的混合物，其中，ti3sic2相的范圍是40-90%，并且因此兩個(gè)max相在50-100%的范圍內(nèi)，以及0-20%是其他max相或元素。

根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例，所述金屬是ni或co基超合金，或者屬于合成物mcralyx，其中m表示ni、co或fe，并且x表示少于20%的其他元素。

根據(jù)本發(fā)明的又另一實(shí)施例，所述燃?xì)鉁u輪機(jī)部件具有包括一個(gè)或多個(gè)腔的中空金屬結(jié)構(gòu)，所述腔填充有所述max相材料。

根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例，所述燃?xì)鉁u輪機(jī)部件包括塊體max相，所述塊體max相涂覆有所述金屬。

用于制造根據(jù)本發(fā)明的燃?xì)鉁u輪機(jī)部件的本發(fā)明方法包括如下步驟：

a）提供適合于在燃?xì)鉁u輪機(jī)環(huán)境中使用的金屬：

b）提供被稱為max相的三元陶瓷，其具有分子式mn+1axn，其中，n=1、2、或3，m是前過渡金屬，諸如ti、v、cr、zr、nb、mo、hf、sc、ta，并且a是a族元素，諸如al、si、p、s、ga、ge、as、cd、in、sn、tl、pb，并且x是c和/或n，因此m在40-60at-%的范圍內(nèi)，a在10-30at-%的范圍內(nèi)并且x在20-40at-%的范圍內(nèi)，并且因此m+a+x在80-100%的范圍內(nèi)，以及0-20%是上面沒有列出且由于雜質(zhì)或氧化引入的其他元素；以及

c）通過粉末技術(shù)過程和/或噴涂方法將所述金屬和所述max相結(jié)合以構(gòu)造所述燃?xì)鉁u輪機(jī)部件。

根據(jù)本發(fā)明方法的實(shí)施例，所述金屬是ni或co基超合金或mcralyx，其中m表示ni、co或fe，并且x表示少于20%的其他元素。

根據(jù)本發(fā)明方法的另一實(shí)施例，所述燃?xì)鉁u輪機(jī)部件在步驟c）之后進(jìn)行熱處理或熱等靜壓（hip）過程。

所述hip或熱處理過程可以在比所述金屬和max相的熔點(diǎn)更低的溫度下完成，以便在高溫下致密化和/或應(yīng)力松弛。

根據(jù)本發(fā)明方法的又一實(shí)施例，在步驟c）中，所述金屬的金屬中空金屬結(jié)構(gòu)填充有所述max相。

可對(duì)所述金屬中空結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)氧化以形成薄tgo（熱生長(zhǎng)氧化物），從而避免氧化和與所述max相的相互擴(kuò)散。

根據(jù)本發(fā)明方法的又另一實(shí)施例，在步驟c）中，使用噴涂過程用所述金屬涂覆塊體max相。

可對(duì)所述max相進(jìn)行預(yù)氧化以形成薄tgo（熱生長(zhǎng)氧化物），從而避免氧化和與所述金屬的相互擴(kuò)散。

所述噴涂過程可包括冷等離子噴涂和超音速火焰噴涂（hvof）中的一者。

根據(jù)本發(fā)明方法的又一實(shí)施例，在步驟c）中，所述金屬的金屬中空金屬結(jié)構(gòu)填充有max相和金屬粉末的混合物，其中，所述max相占50-100%wt，并且所述金屬粉末具有比所述max相和金屬中空結(jié)構(gòu)更低的熔點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

現(xiàn)在借助于不同實(shí)施例并參考附圖來(lái)更詳細(xì)地解釋本發(fā)明。

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的燃?xì)鉁u輪機(jī)部件的實(shí)施例；

圖2示出用于制造圖1的燃料渦輪機(jī)部件的過程的主要步驟；

圖3示出用于在max相中產(chǎn)生壓應(yīng)力的熱處理過程的示例；

圖4示出在熱屏蔽件的頂部上具有獨(dú)立部件（翅部）的轉(zhuǎn)子熱屏蔽件，該翅部由max相制成并被插入到在熱屏蔽件的頂部上的凹部中；

圖5示出根據(jù)本發(fā)明的燃?xì)鉁u輪機(jī)部件的又一實(shí)施例；以及

圖6示出用于制造圖5的燃料渦輪機(jī)部件的過程的主要步驟。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明關(guān)于使用新材料、設(shè)計(jì)和工藝過程來(lái)生產(chǎn)燃?xì)鉁u輪機(jī)部件、尤其是燃?xì)鉁u輪機(jī)的轉(zhuǎn)子熱屏蔽件，其中，新材料提供低密度并且因此降低轉(zhuǎn)子上的離心力，并且新設(shè)計(jì)和工藝過程方法促進(jìn)部件的制造。

這允許在不改變轉(zhuǎn)子材料的情況下構(gòu)造非常大的燃?xì)鉁u輪機(jī)。這能夠通過應(yīng)用新材料和工藝過程以制造具有降低的比密度和穩(wěn)健機(jī)械強(qiáng)度的構(gòu)件來(lái)完成。

在這一點(diǎn)上，所謂的max相（三元陶瓷）是能夠滿足該要求的極其令人關(guān)注的選擇，其密度為大約4-4.5g/cm³、熱膨脹系數(shù)＞8x10^-6k^-1、700℃時(shí)的熱導(dǎo)率>50w/mk、斷裂韌性>5mpa.m^1/2、以及高抗氧化性。

使用max相的所提出的解決方案將解決氧化問題，尤其是在轉(zhuǎn)子熱屏蔽件的頂部上的翅部上的氧化問題（參見圖4）。

max相（其用于通過粉末冶金過程來(lái)生產(chǎn)熱渦輪機(jī)部件）是具有mn+1axn分子式的陶瓷族，其中，n=1、2、或3，m是前過渡金屬，諸如ti、v、cr、zr、nb、mo、hf、sc、ta，并且a是a族元素，諸如al、si、p、s、ga、ge、as、cd、in、sn、tl、pb，并且x是c和/或n。m在40-60at-%的范圍內(nèi)，a在10-30at-%的范圍內(nèi)并且x在20-40at-%的范圍內(nèi)。并且m+a+x在80-100%的范圍內(nèi)以及0-20%的元素，所述元素在上面沒有列出且是由于雜質(zhì)或氧化引入的。

max相的一個(gè)優(yōu)選合成物是單相ti2alc，或兩相ti2alc和ti3alc2（211和312），其中，211相的范圍是60-95%。

max相的另一優(yōu)選合成物是單相ti3sic2，或兩相ti3sic2和ti4sic3（312和413），其中，312相的范圍是60-95%。

max相的另一優(yōu)選合成物是兩個(gè)主相ti3sic2和ti2alc的混合物，其中，ti3sic2相的范圍是40-90%，并且因此兩個(gè)max相在50-100%的范圍內(nèi)，以及0-20%為其他max相或元素。

當(dāng)燃?xì)鉁u輪機(jī)部件尤其是燃?xì)鉁u輪機(jī)的轉(zhuǎn)子熱屏蔽件時(shí)，其通過粉末技術(shù)過程和/或噴涂方法由max相和金屬生產(chǎn)，并且金屬是ni或co基超合金或mcralyx，其中，m表示ni、co或fe，并且x表示少于20%的其他元素。

如在圖1和圖2中所示，例如具有t形橫截面的燃?xì)鉁u輪機(jī)部件10a由中空金屬結(jié)構(gòu)11制成，其腔12填充有max相并將進(jìn)行熱處理和/或熱等靜壓（hip）過程。用以避免部件開裂的當(dāng)前方法是使用諸如噴丸加工的方法來(lái)引起壓應(yīng)力。

本發(fā)明提出一種引起壓應(yīng)力的不同解決方案。其將諸如max相和金屬的材料與特定熱處理方法結(jié)合（參見圖3）。與所述金屬相比，max相具有更低的熱膨脹系數(shù)。如在圖3中的示例中所示，通過應(yīng)用某熱處理，在操作溫度下在塊體中產(chǎn)生壓應(yīng)力。熱處理過程將在比操作溫度更高的溫度下完成，以便在max相中產(chǎn)生壓應(yīng)力。max相將在熱處理溫度下無(wú)應(yīng)力，并且在室溫到操作溫度的范圍內(nèi)處于壓應(yīng)力下。

填充有max相的金屬中空結(jié)構(gòu)11與塊體金屬部件相比有助于減輕重量，并且與中空金屬部件相比有助于提高強(qiáng)度。

金屬中空結(jié)構(gòu)11填充有max相和金屬粉末的混合物，其中，max相占50-100%wt，并且金屬粉末具有比max相和金屬中空結(jié)構(gòu)11更低的熔點(diǎn)。

hip或熱處理在比金屬和max相的熔點(diǎn)更低的溫度下完成以便在高溫下致密化和/或應(yīng)力松弛。低于hip或熱處理溫度的操作溫度使max相處于壓應(yīng)力下并增大部件的拉伸負(fù)載能力。

如在圖5和圖6中所示，燃?xì)鉁u輪機(jī)部件10b由塊體max相15制成，該塊體max相15使用噴涂方法（例如，冷等離子噴涂、hvof）涂覆有金屬（金屬涂層16）并且然后對(duì)整個(gè)部件進(jìn)行熱處理或經(jīng)受hip。hip或熱處理在比金屬和max相的熔點(diǎn)更低的溫度下完成以便在高溫下致密化和/或應(yīng)力松弛（在室溫下，max相由于較低的熱膨脹系數(shù)而處于壓應(yīng)力下）。操作溫度低于hip或熱處理溫度；max相15保持在壓應(yīng)力下，這進(jìn)而增大部件10b的拉伸負(fù)載能力。通過使用max相減小部件10b的重量并且利用外部金屬層（金屬涂層16）改善了可機(jī)加工性。

能夠?qū)ax相15進(jìn)行預(yù)氧化以形成薄tgo（熱生長(zhǎng)氧化物），從而避免氧化和與所述金屬的相互擴(kuò)散。

能夠?qū)饘僦锌战Y(jié)構(gòu)11進(jìn)行預(yù)氧化以形成薄tgo（熱生長(zhǎng)氧化物），從而避免氧化和與max相的相互擴(kuò)散。

此外，根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，如在圖4中所示，轉(zhuǎn)子熱屏蔽件13的頂部上的單獨(dú)部件（翅部14）可由這樣的max相制成，該翅部14可插入到在熱屏蔽件13的頂部上的相應(yīng)凹部中。

參考數(shù)字列表

10a、10b燃?xì)鉁u輪機(jī)部件

11中空金屬結(jié)構(gòu)

12腔

13轉(zhuǎn)子熱屏蔽件

14翅部

15塊體max相

16金屬涂層。