用于制造金屬陶瓷復合結構的方法和金屬陶瓷復合結構的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于制造金屬陶瓷復合結構的方法和金屬陶瓷復合結構。該金屬陶瓷復合結構意圖暴露于高溫，包括基底金屬結構或構件，其在至少一側上被覆蓋并且與一個或更多個陶瓷瓦永久地連結。方法包括：a)制造一個或更多個料坯，且燒結料坯以得到一個或更多個陶瓷瓦；b)將陶瓷瓦布置在鑄造模具中；c)將液態(tài)金屬注入鑄造模具中，以便制作中間金屬層；其中，中間金屬層形成為具有陶瓷瓦中間金屬層之間的機械互鎖；d)在注入金屬的凝固之后，從鑄造模具取出所得的金屬陶瓷結構；并且然后，具有中間層的陶瓷瓦與基底金屬結構或構件永久地連結。
【專利說明】用于制造金屬陶瓷復合結構的方法和金屬陶瓷復合結構
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及用于制造復合結構的方法。它涉及用于制造根據權利要求1前序的金屬陶瓷復合結構的方法。它還涉及用于在高溫條件(優(yōu)選地，高于300°c)下使用的金屬陶瓷復合結構。
【背景技術】
[0002]燒結陶瓷瓦具有高于隔熱涂層(TBC, thermal barrier coating)的溫度能力，隔熱涂層常常使用在燃氣渦輪的熱氣體路徑中。因此，出于隔離目的，在達到應用極限之前，較厚的陶瓷瓦可用作熱防護件。這又允許對該部分的增大的冷卻空氣節(jié)省，這對于機械的總體效率是有益的。
[0003]然而，陶瓷瓦對基底金屬結構的連結是一個難題。它們不可像TBC那樣噴射到基底金屬結構的表面上，因為它們需要在超過基底金屬熔解溫度的溫度下燒結。因此，預制燒結陶瓷瓦必須連結于基底金屬結構。
[0004]連結的現(xiàn)有技術是連同其他技術一道將陶瓷瓦粘合于基底結構(例如，美國航天飛機)。粘合的手段例如為粘合劑(cement)或硬焊(brazing)。
[0005]陶瓷瓦對基底金屬結構的此種連結需要連結配對件的低形狀公差和連結金屬與陶瓷的合適的硬焊。殘余剪應力通常導致連結附近的破裂和故障。
[0006]在本領域中還知道其他技術:
文獻US 3，918，255公開了一種燃氣渦輪發(fā)電設備，其中金屬燃燒室缸在其內側上襯有兩個陶瓷材料層。徑向最內層為互鎖的瓦狀致密陶瓷材料結構，其提供良好的熱沖擊抵抗力。設置在金屬缸與最內層之間的中間層為低密度陶瓷材料，其提供較高的熱隔離。陶瓷材料層由陶瓷管支承，陶瓷管從燃燒器的外金屬缸穿過中間壁和內壁而延伸。該管還用于將冷卻空氣引導到燃燒室中并且增加該室內的燃燒燃料和空氣的湍流。
[0007]文獻JP 59004824 A公開了一種結構，其中，瓦形陶瓷部件布置在熱燃氣渦輪燃燒器的金屬內缸的表面處，內缸的所述金屬表面由具有8-30%的孔隙率的陶瓷層覆蓋。所應用的陶瓷層為多孔材料且優(yōu)選地具有近似于金屬結構的熱膨脹系數(shù)的值。作為陶瓷的示例，應用氧化釔(Y203)、穩(wěn)定氧化鋯(Zr02)、氧化鎂(MgO)、氧化鈣(CaO)等。在陶瓷層的孔隙率小于8%的情況下，可容易進行該層的粘著剝離(tacky peeling)，且反過來，如果它超過30%或更多，則可容易進行該層的凝聚聚合剝離(cohesion aggregation peeling)。陶瓷的厚度優(yōu)選地在0.1-0.5mm的范圍內。
[0008]文獻EP O 658 724 A2公開了一種特別是用于燃氣渦輪的燃燒室，其具有中空柱形支承壁，在該支承壁的內側上布置有由單獨的陶瓷元件組成的內襯，陶瓷元件設計為偏方三八面體(trapezohedron)，其基底區(qū)域適應于燃燒室的幾何形狀并且緊固于支承壁的內側。
[0009]文獻US 2011/0123323 Al公開了一種用在燃氣渦輪發(fā)動機中的組件，其具有底層金屬片和至少一個陶瓷基質復合瓦，該陶瓷基質復合瓦利用至少一個緊固組件而附接于底層金屬片。板式緊固組件包括緊固件，該緊固件具有從頭部向后延伸的帶螺紋部分，該頭部具有面對帶螺紋部分的截頭圓錐表面(frustoconical surface)。截頭圓錐表面被接收在陶瓷基質復合板中的截頭圓錐開孔中。襯瓦(bushing)定位在金屬片的與陶瓷基質復合板的相對側上。襯瓦具有從金屬片延伸離開的凸緣。套管(sleeve)被接收在緊固件的帶螺紋部分周圍，并且從板延伸離開，超過金屬片。套管具有徑向地向外朝襯瓦上的凸緣延伸的唇部，使得襯瓦上的凸緣延伸超過限定在唇部與襯瓦上的安置表面之間的空間。波形彈簧被接收在腔內。
[0010]若干其他文獻，例如JP H04 119974 A、JP HOl 99767 A 或 JP S60 155579 A 的說
明書摘要公開了通過將熔融金屬鑄造在具有互鎖連結的陶瓷上來形成陶瓷金屬復合材料或工件。
[0011]另一方面，從文獻US 2011/0243724 Al得知，可通過所謂雙鑄法(b1-cast)來建立金屬對金屬連結。
[0012]然而，仍然存在對制造金屬陶瓷復合結構的處理的需要，尤其是對于用在燃氣渦輪的熱氣體路徑中的構件，該處理形成具有優(yōu)異的機械穩(wěn)定性和高溫能力的結構。

【發(fā)明內容】

[0013]本發(fā)明的一個目標是建立一種用于制造金屬陶瓷復合結構的方法，該方法滿足這些需要且避免現(xiàn)有技術方法的缺點。
[0014]本發(fā)明的另一個目的是提供一種金屬陶瓷復合結構，其在機械和熱穩(wěn)定性方面優(yōu)于已知的復合結構。優(yōu)選地，根據本發(fā)明的金屬陶瓷復合結構將用在超過300°C的溫度下。
[0015]這些和其他目標通過根據權利要求1的方法和根據權利要求9的金屬陶瓷復合結構而獲得。
[0016]一種根據本發(fā)明的用于制造金屬陶瓷復合結構的方法，該金屬陶瓷復合結構優(yōu)選地意圖暴露于高溫，包括基底金屬結構或構件，其在至少一側上被覆蓋并且與一個或更多個陶瓷瓦永久地連結。
[0017]該方法包括下列步驟:
a)制造一個或更多個料還(greenbody),其中腔從所述料還的一側上的表面延伸到所述料坯內部，且燒結所述料坯以得到具有相應的腔的一個或更多個陶瓷瓦；
b)將所述陶瓷瓦布置在鑄造模具中，由此陶瓷瓦用作所述模具的一部分；
c)以將所述陶瓷瓦的所述腔完全地填充或填充到很大程度的溫度和壓力將液態(tài)金屬注入所述鑄造模具中，以便制作中間金屬層，該中間金屬層與所述基底金屬結構或構件連結；其中，該中間層形成為具有所述陶瓷瓦與所述中間金屬層之間的機械互鎖；
d)在所述注入金屬的凝固之后，從所述鑄造模具取出所得的金屬陶瓷結構，該金屬陶瓷結構在所述陶瓷瓦與所述中間金屬層之間具有其機械互鎖，并且然后，具有所述中間層的所述陶瓷瓦與所述基底金屬結構或構件永久地連結。
[0018]由于中間金屬層13(其優(yōu)選地以厚度a覆蓋瓦的整個連結面)，于是該金屬陶瓷結構可以以通常的方式(例如，通過金屬對金屬硬焊)與基底金屬結構或構件連結。這是一個巨大的優(yōu)點。
[0019]料坯是由陶瓷粉末混合物(包括永久添加劑)通過如鑄造、塑形成形和壓制等的成形處理而制造的。它們還包含水分，且通常包含有機抗絮凝劑、塑化劑、粘結劑和其他添加劑。在較高溫度下為揮發(fā)性的全部成分(即，其汽化或分解)必須在燒結之前特別小心地從料坯移除，以便避免損害。
[0020]根據本發(fā)明的一個實施例，用于所述基底金屬結構或構件或中間金屬層的金屬為鎳基超級合金。
[0021]根據本發(fā)明的又一個實施例，在步驟(b)中，可溶解陶瓷用于組裝和遮蔽(masking)。
[0022]根據本發(fā)明的另一個實施例，所述陶瓷瓦中的所述腔以此種方式布置，S卩，使得所述機械互鎖處的陶瓷中的大部分在超過使用溫度范圍的隨后使用期間處于壓縮下。
[0023]根據本發(fā)明的再一個實施例，所述基底金屬結構或構件為燃氣渦輪的熱氣體路徑。
[0024]特別地，所述基底金屬結構或構件為定子熱屏蔽件。
[0025]特別地，所述基底金屬結構或構件為燃燒器襯套。
[0026]特別地,所述基底金屬結構或構件為葉片(blade)和/或導葉(vane)的平臺和/或翼型件。
[0027]根據本發(fā)明的金屬陶瓷復合結構，其優(yōu)選地用于用在高溫條件下，尤其是在燃氣渦輪中，包括基底金屬結構或構件或中間金屬層，其在至少一側上被覆蓋并且與一個或更多個陶瓷瓦永久地連結。其特征在于:所述陶瓷瓦與所述中間金屬層之間的所述連結包括所述陶瓷瓦與所述中間金屬層之間的機械互鎖，所述機械互鎖由所述陶瓷瓦內的腔構成，該腔利用金屬完全地填充或填充到很大程度，其直接與中間金屬層連結，并且所述中間層與所述基底金屬結構或構件連結。
[0028]根據本發(fā)明的一個實施例，所述基底金屬結構或構件為燃氣渦輪的熱氣體路徑。
[0029]特別地，所述基底金屬結構或構件為定子熱屏蔽件。
[0030]特別地，所述基底金屬結構或構件為燃燒器襯套。
[0031]特別地，所述基底金屬結構或構件為葉片和/或導葉的平臺和/或翼型件。
[0032]根據本發(fā)明的另一個實施例，用于所述基底金屬結構或構件或中間層的金屬為鎳基超級合金。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]現(xiàn)在將通過不同實施例且參照附圖來更仔細地說明本發(fā)明。
[0034]圖1示出根據本發(fā)明的實施例的制造方法中的各種處理步驟，并且 圖2示出根據本發(fā)明的結構的實施例。
【具體實施方式】
[0035]本發(fā)明基于如下構思，即，利用基底結構與具有中間層的陶瓷瓦之間的一體化機械互鎖來替代粘合。這在圖2 (示意圖)中示出。圖2的金屬陶瓷復合結構30包括基底金屬結構或構件(例如，葉片、導葉、燃燒器襯套、平臺等)23，其在該情況下在其背側上具有冷卻室，以用于在具有沖擊板25的沖擊冷卻布置中接收冷卻空氣。在操作期間，冷卻空氣穿過多個沖擊孔26進入室24，沖擊在構件23的內壁上，并且穿過冷卻空氣通道27而退出。[0036]利用陶瓷瓦21和22保護構件23的熱加載前側免受高溫影響，陶瓷瓦21和22以間隙29抵接并且利用瓦21、22中的蘑菇狀腔28形式的機械互鎖元件而固定在構件23的前側上，腔28填充有金屬且形成中間層13。金屬可為類似于制成構件23的金屬的相同材料。腔可具有其他形式(例如見圖1(a)，腔12)。在任何情況下，陶瓷瓦中的腔應以此種方式布置，即，使得機械互鎖處的陶瓷中的大部分在超過使用溫度范圍的操作期間處于壓縮下。
[0037]此種部分的制造過程如下(見圖1):
首先，制造一個或更多個料坯，其具有腔12、28，腔12、28從所述料坯的一側上的表面延伸到所述料坯內部，且然后，燒結以得到具有相應的腔12(或圖2中的28)的一個或更多個陶瓷瓦11 (或圖2中的21、22)。
[0038]然后，所述陶瓷瓦11、21、22布置在合適的鑄造模具(未在圖中明確示出)中，由此陶瓷瓦11、21、22與它們的腔12、28本身一起用作所述模具的一部分。
[0039]在下一步中，液態(tài)金屬(優(yōu)選地為鎳基超級合金)以利用所述金屬將所述陶瓷瓦 11、21、22的所述腔12、28完全地填充或填充到很大程度的溫度和壓力穿過相應的填充通道注入鑄造模具中，以便制作陶瓷金屬復合結構，該陶瓷金屬復合結構具有與所述基底金屬結構或構件14連結的中間金屬層13(如圖1所示)。因而陶瓷瓦11、21、22與它們的腔一起為模具的一部分。
[0040]在所述注入金屬的凝固之后，從所述鑄造模具取出所得的金屬陶瓷結構，該金屬陶瓷結構在所述陶瓷瓦11與所述中間金屬層13(圖1)之間具有其機械互鎖。
[0041]由于中間金屬層13 (圖1)(其優(yōu)選地以厚度a覆蓋瓦11的整個連結面)，于是該金屬陶瓷結構11、13可以以通常的方式(例如，通過金屬對金屬硬焊)與基底金屬結構或構件14連結。這是一個巨大的優(yōu)點。
[0042]本發(fā)明允許將陶瓷瓦附接于燃氣渦輪的熱氣體路徑部分，例如定子熱屏蔽件、燃燒器襯套、葉片和導葉的平臺和翼型件。當用于更復雜的部分(如葉片和導葉)時，可在與文獻EP 2 189 626 BI中公開的轉子葉片布置的連接中有利地利用該構思，以簡化部分的幾何形狀。
[0043]本發(fā)明的優(yōu)點是:
?將陶瓷瓦連結于基底結構的簡單方案；
?成本效果合算的連結處理；
?在固定區(qū)域處，陶瓷瓦在操作期間處于壓縮下，因為金屬的熱膨脹系數(shù)大于陶瓷的熱膨脹系數(shù)，因而在低于金屬的熔點的情況下，陶瓷始終處于壓縮下，這對于陶瓷是有益的。
[0044]參考標號列表
10、30金屬陶瓷復合結構
11、21、22陶瓷瓦 12,28 腔
13中間金屬層 14,23基底金屬結構或構件 15,24冷卻室 16冷卻肋片或柱 25沖擊板26沖擊孔27冷卻空氣通道29間隙
【權利要求】
1.一種用于制造金屬陶瓷復合結構(10、30)的方法，所述金屬陶瓷復合結構(10、30)優(yōu)選地意圖暴露于高溫，包括基底金屬結構或構件(14、23)，其在至少一側上被覆蓋并且與一個或更多個陶瓷瓦(11、21、22)永久地連結，所述方法包括下列步驟: a)制造一個或更多個料坯，其中腔(12、28)從所述料坯的一側上的表面延伸到所述料坯的內部，且燒結所述料坯以得到具有相應的腔(12、28)的一個或更多個陶瓷瓦(11、21、22)； b)將所述陶瓷瓦(11、21、22)布置在鑄造模具中，由此所述陶瓷瓦(11、21、22)用作所述鑄造模具的一部分； c)以將所述陶瓷瓦(11、21、22)的所述腔(12、28)完全地填充或填充到很大程度的溫度和壓力將液態(tài)金屬注入所述鑄造模具中，以便制作中間金屬層(13)，所述中間金屬層(13)與所述基底金屬結構或構件(14)連結；其中，所述中間金屬層(13)形成為具有所述陶瓷瓦(11、21、22)所述中間金屬層(13)之間的機械互鎖； d)在所述注入金屬的凝固之后，從所述鑄造模具取出所得的金屬陶瓷結構，所述金屬陶瓷結構在所述陶瓷瓦(11、21、22)與所述中間金屬層(13)之間具有其機械互鎖；并且然后，具有所述中間層(13)的所述陶瓷瓦(11、21、22)與所述基底金屬結構或構件(14、23)永久地連結。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于:用于所述基底金屬結構或構件(14、23)或所述中間金屬層(1 3)的金屬為鎳基超級合金。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于:在步驟(b)中，可溶解陶瓷用于組裝和遮蔽。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述陶瓷瓦(11、21、22)中的所述腔(12、28)以此種方式布置，即，使得所述機械互鎖處的陶瓷中的大部分在超過使用溫度范圍的隨后使用期間處于壓縮下。
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于:所述基底金屬結構或構件(14、23)為燃氣渦輪的熱氣體路徑部分。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于:所述基底金屬結構或構件(14、23)為定子熱屏蔽件。
7.根據權利要求5所述的方法，其特征在于:所述基底金屬結構或構件(14、23)為燃燒器襯套。
8.根據權利要求5所述的方法，其特征在于:所述基底金屬結構或構件(14、23)為葉片和/或導葉的平臺和/或翼型件。
9.一種金屬陶瓷復合結構(10、30)，其優(yōu)選地用于用在高溫條件下，尤其是在燃氣渦輪中，包括基底金屬結構或構件(14、23)和中間金屬層(13)，其在至少一側上被覆蓋并且與一個或更多個陶瓷瓦(11、21、22)永久地連結，其特征在于:所述陶瓷瓦(11、21、22)與所述中間金屬層(13)之間的所述連結包括所述陶瓷瓦(11、21、22)與所述中間金屬層(13)之間的機械互鎖，所述機械互鎖由所述陶瓷瓦(11、21、22)內的腔(12、28)構成，腔(12、28)利用金屬而完全地填充或填充到很大程度，其直接與所述中間層(13)連結，并且所述中間層(13)與所述基底金屬結構或構件(14、23)連結。
10.根據權利要求9所述的金屬陶瓷復合結構，其特征在于:所述基底金屬結構或構件(14、23)為燃氣渦輪的熱氣體路徑部分。
11.根據權利要求10所述的金屬陶瓷復合結構，其特征在于:所述基底金屬結構或構件(14、23)為定子熱屏蔽件。
12.根據權利要求10所述的金屬陶瓷復合結構，其特征在于:所述基底金屬結構或構件(14、23)為燃燒器襯套。
13.根據權利要求10所述的金屬陶瓷復合結構，其特征在于:所述基底金屬結構或構件(14、23)為葉片和/或導葉的平臺和/或翼型件。
14.根據權利要求10所述的金屬陶瓷復合結構，其特征在于:用于所述基底金屬結構或構件或中間金屬層(13、14、19、23)的金屬為鎳基超級合金。
【文檔編號】F01D25/08GK104001904SQ201410063395
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年2月25日 優(yōu)先權日:2013年2月25日
【發(fā)明者】H.布蘭德, H-P.博斯曼恩 申請人:阿爾斯通技術有限公司