由陶瓷材料構成的包括基底和壁的部件的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明的領域為制造至少部分地由陶瓷材料制成的部件的領域，并且更特別地為制造用于渦輪發(fā)動機(特別是燃氣渦輪發(fā)動機)的部件的領域，所述部件例如為渦輪轉子葉片或固定的噴嘴輪葉。
【背景技術】
[0002]在渦輪發(fā)動機的高溫氣體流經的熱部件中，使用了能夠經受所述溫度水平的金屬合金，并且如果必要的話，通過流體適當的冷卻使得所述部件能夠在超過材料的穩(wěn)定性的溫度下工作。
[0003]在航空領域中開發(fā)新型燃氣渦輪發(fā)動機的背景下，正在尋找在高溫下具有良好的結構特性的更輕質的材料。陶瓷為能夠滿足這些要求的材料。陶瓷被用于位于從渦輪到發(fā)動機的后段、在燃燒室的下游的部件。
[0004]已知粉末燒結的制造技術，所述制造技術為一種用于由或多或少較細的粉末直接生產機械部件或其它物品的方法。根據一種制造方法，使用多個過程來使粉末結塊以形成未完成狀態(tài)的部件，所述部件然后被加熱到足以使晶粒通過沿其接觸區(qū)域擴散而熔化或粘合到一起的溫度。因此，使部件獲得了一定水平的凝聚。根據特定技術，部件由連續(xù)層構造而成。在所述方法中，材料呈粉末的形式，粉末在沿與部件的一部分的表面相應的路徑引導的激光束或電子束的作用下被加熱。重復應用粉末和使用激光束或電子束使粉末燒結的過程使得可逐步地將部件變厚并且獲得所需的形狀。由激光束或電子束應用的熱量取決于材料的性質。如果必要的話，對熱敏感的(為預制陶瓷或不為預制陶瓷的)聚合物能夠被使用以確保部件的形成期間的粘合，在非預制陶瓷的聚合物的情況下，聚合物然后能夠通過熱處理被消除。圖2繪出了通過激光加熱來生產部件的工具，并且下文詳細描述了所述技術的實施。
[0005]對于燃氣渦輪發(fā)動機的熱部件，鑒于陶瓷的極限溫度大于現有技術中使用的合金的極限溫度，本申請人已經設定了根據使用激光束或電子束來粘合粉末的技術由陶瓷材料生產部件(例如，渦輪轉子葉片)的目標。
[0006]本發(fā)明的另一目標在于使旋轉部件(例如，渦輪轉子葉片)的根部區(qū)域中的機械應力減小到這樣的程度以致根部區(qū)域的機械應力保持為最大的手段。
[0007]因為缺陷引發(fā)由整塊陶瓷材料制成的部件上的張力，本發(fā)明的另一目標在于減小面臨臨界尺寸缺陷的概率的手段。
[0008]因為可能要面臨的溫度會超出用于陶瓷的使用的極限溫度，本發(fā)明的另一目標在于設計冷卻的部件。
[0009]因為冷卻由流體在部件中的流通來確保，為此，意在所述部件內產生通道，本發(fā)明的另一目標在于用于使陶瓷成形為使得能夠在制造所述部件期間產生這種類型的通道的方法。
[0010]更特別地，所述方法不需要使用大量的加工技術。

【發(fā)明內容】

[0011]根據本發(fā)明，這些目標通過由陶瓷材料制成的部件來實現，所述部件包括形成基底的部分和形成壁的部分，所述部件的特征在于，所述基底由具有低的孔隙度的陶瓷材料制成并且所述壁通過陶瓷粉末燒結來獲得，并且，所述基底具有外殼或外輪廓和芯部，所述芯部位于所述外殼內，并且所述芯部的孔隙度大于所述基底的孔隙度并且隨著所述基底變得漸遠而增大。
[0012]由于其孔隙度或密度梯度，根據本發(fā)明的部件的結構使得可具有相當輕的部分，從而在移動部件的情況下確保降低了基底上的應力水平。此外，所述部件具有以下優(yōu)點:由于部件內的陶瓷的體積的減小從而減小了面臨臨界尺寸的缺陷的可能性，所述缺陷可能弱化所述結構。
[0013]此外，多孔性質或腔的存在(與現有技術相反，不需要加工)使得可提供冷卻流體的流通。
[0014]優(yōu)選地，基底通過陶瓷粉末燒結來生產。
[0015]根據其它的特征，一方面，形成基底的材料的孔隙度小于3%，并且另一方面，芯部的孔隙度大于5%、優(yōu)選地介于10到50%之間。
[0016]術語“孔隙度”涉及部件中的空白空間占所考慮的部分的比例。所述空白空間與材料的結構有關，并且所述空白空間涉及結構中粘合的陶瓷材料的晶粒之間形成的空間。材料的密度與其孔隙度成反比關系。
[0017]在本申請中，針對形成壁的部分，在另一實施例中，通過由粘合陶瓷晶粒形成的狹窄分割部形成的腔的體積和分隔部的體積之間的關系也用孔隙度來表示。
[0018]此外，如果提供了冷卻，基底還包括用于將冷卻空氣輸送至壁的通道。在這種情況下，通道不由基底的孔隙度的定義覆蓋。
[0019]在本申請中，本發(fā)明具有兩個方面:
[0020]-控制陶瓷的孔隙度并且因此控制密度；
[0021]-在部件的壁內產生腔，從而導致材料的體積減小。
[0022]因此，根據第一實施例，芯部包括由陶瓷晶粒制成的多孔材料，陶瓷晶粒通過局部燒結來粘合并且在其間形成空間。
[0023]“局部燒結”應被理解為意味著在比導致最大密度的溫度低的溫度下燒結的技術。
[0024]根據另一實施例，芯部包括通過分割部分離的腔，所述分割部利用激光束或電子束燒結而產生。分割部為密集的；分割部的孔隙度小于3%。
[0025]有利地，芯部具有擁有不同腔的部分，特別是其中腔的尺寸隨著基底變得漸遠而增大的部分。
[0026]根據特定實施例，部件包括壁的延伸部中的踵狀部(heel)，踵狀部的孔隙度小于形成芯部的材料的孔隙度。
[0027]本發(fā)明特別涉及一種渦輪發(fā)動機葉片，所述渦輪發(fā)動機葉片的基底形成葉片的根部、壁形成葉片翼面(或葉片翼型)，所述渦輪發(fā)動機葉片可選地具有孔隙度小于芯部的孔隙度的踵狀部。
[0028]本發(fā)明還涉及一種用于制造這種部件的方法，所述方法具有以下步驟:通過使用包含粉末的燒結托盤來形成壁，基底在步驟開始時與所述燒結托盤齊平，所述方法包括:利用激光束或電子束對連續(xù)層中的粉末選擇性燒結，所述連續(xù)層通過使所述部件在燒結托盤中逐步向下移動來獲得。
[0029]所述方法特別包括:通過粉末燒結單獨地生產基底并且然后通過沉積連續(xù)的陶瓷粉末層形成壁，并且通過燒結所述層而將所述層粘合。
【附圖說明】
[0030]通過下述所給出的僅為示例性并非限制性的實施例的詳細說明性描述，并且參考附圖，本發(fā)明將更好地被理解并且本發(fā)明的其它目標、細節(jié)、特征和優(yōu)點將更清楚地顯現。
[0031]在附圖中:
[0032]圖1示出了由陶瓷材料制成的具有根據本發(fā)明的結構的渦輪轉子葉片；
[0033]圖2示出了激光熔合燒結機器；
[0034]圖3示出了根據本發(fā)明的部件的單個基底的示例；
[0035]圖4示出了通過激光燒結在圖3的基底上形成的第一層；
[0036]圖5示出了相同基底上的雙渦輪葉片的一個變化形式。
【具體實施方式】
[0037]參考圖1，能夠看到渦輪葉片10，渦輪葉片10形成了能夠根據本發(fā)明來生產的部件。葉片包括根部，即基底11，通過基底11，葉片被安裝在渦輪盤的輪緣上。根部具有安裝在其上的平臺12并且沿其軸線XX于發(fā)動機的操作期間在所受到的離心力的方向上通過壁13延伸，壁13形成了被熱發(fā)動機氣體拂掠的葉片翼面。在這種情況下，葉片具有安裝在其上的踵狀部15，踵狀部15設置有密封條16。踵狀部15和平臺分別為燃氣發(fā)動機的導管的外表面元件和內表面元件，葉片翼面在外表面元件和內表面元件之間徑向延伸。密封條與設置在渦輪級的定子上的環(huán)形成了密封。
[0038]根據本發(fā)明，由陶瓷材料制成的所述部件具有沿其軸線XX變化的密度。密度的變化通過沿相對于軸線XX橫向的平面的截面被示意性地示出，所述平面為:部件沿軸線XX的A、B、C 和 D0
[0039]基底11具有最大密度。例如，基底為通過使陶瓷粉末在模具中成形而獲得的元件，所述粉末可選地與粘合劑結合。所述步驟緊接著是對由模具生產的未完成的毛坯進行燒結熱處理。根據所使用的材料的組成，處理可包括中間的脫粘步驟。所述元件的孔隙度優(yōu)選地小于3%。
[0040]壁13具有外殼13E和芯部13N。外殼形成了壁的外表面。外殼是薄的(例如小于1mm，優(yōu)選地大約為0.5mm)，并且具有與基底類似的低的孔隙度。外殼界定了芯部13N，芯部13N的孔隙度較大。所述孔隙度大于5%、優(yōu)選地介于10到50%之間。因此，其密度較低，從而在部件被安裝在轉子上時(如在所述示例中)提供了減小基底上的離心機械應力的上述優(yōu)點。有利地，密度沿整個軸線不相同。如截面B和C中所能夠看到的，所述密度通過具有較小或較大的篩孔尺寸的不同的網格圖形來示意性地示出。由截面D所示出的踵狀部可具有比基底的密度低且比壁的密度高的密度。踵狀部通過陶瓷粉末燒結的晶粒來生產。
[004