用于將抗磨層施加到流體機械部件上的方法
【專利摘要】一種用于將抗磨層（4）施加到流體機械部件上的方法，所述流體機械部件具有含鈦的基本材料（3），所述方法具有下述步驟：混合焊料（12），所述焊料具有含鈦的合金（6）和顆粒，所述顆粒分布在合金（6）中并且具有反應(yīng)劑（5）；將焊料（12）施加到流體機械部件的預(yù)定的部位上；將熱量引入到焊料（12）中并且引入到流體機械部件中，使得合金（6）變成液態(tài)并且反應(yīng)劑（5）通過與焊料的擴散過程而發(fā)生變化并且與合金（6）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以構(gòu)成硬質(zhì)材料（8）；冷卻焊料（12），使得合金（6）變成固態(tài)。
【專利說明】用于將抗磨層施加到流體機械部件上的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于將抗磨層施加到流體機械部件上的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]燃?xì)廨啓C具有壓縮機和渦輪機。不僅在壓縮機中、而且在渦輪機中使用葉片，在此為固定的導(dǎo)向葉片和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子葉片是不同的。
[0003]此外，作為用于轉(zhuǎn)子葉片的材料使用鈦合金，所述鈦合金具有高強度、低密度以及良好的耐腐蝕性。缺點是，鈦合金具有高的缺口敏感性和裂紋敏感性。
[0004]尤其地，轉(zhuǎn)子葉片經(jīng)受不同的磨損過程，例如通過摩擦或通過氧化引起的磨損。特別是在蒸汽輪機中，液滴沖擊侵蝕作為磨損過程出現(xiàn)。在蒸汽輪機中，由導(dǎo)向葉片接收的水構(gòu)成小霧滴，所述小霧滴在那里積聚并且作為水滴從導(dǎo)向葉片的排出緣落下。水滴具有小的絕對速度，但是由于轉(zhuǎn)子葉片的旋轉(zhuǎn)，所述水滴相對于轉(zhuǎn)子葉片具有大的相對速度。如果水滴以其大的相對速度撞擊到轉(zhuǎn)子葉片上，那么這引起在轉(zhuǎn)子葉片的表面上形成缺口。
[0005]為了減少液滴沖擊侵蝕可以選擇不同的方法。在轉(zhuǎn)子葉片的表面上能夠通過熱噴射來施加相對于液滴沖擊侵蝕耐久的層。此外，能夠?qū)⒂操|(zhì)層通過焊接施加到轉(zhuǎn)子的表面上。然而，通過所述方法不利地提高了轉(zhuǎn)子葉片的裂紋敏感性，尤其是在鈦合金和硬質(zhì)層之間的邊界面處，由此減少了轉(zhuǎn)子葉片的使用壽命。此外，不利的是，層在通過液滴沖擊侵蝕的損壞之后不再能夠施加到轉(zhuǎn)子葉片上，因為所述方法要求光滑的表面。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是，實現(xiàn)一種用于將抗磨層施加到流體機械部件上的方法和一種具有抗磨層的流體機械部件，其中所述方法能夠簡單地并且重復(fù)地使用以及流體機械部件具有長的使用壽命。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的用于將抗磨層施加到具有含鈦的基本材料的流體機械部件上的方法具有下述步驟:混合焊料，所述焊料具有含鈦的合金和顆粒，所述顆粒分布在合金中并且具有反應(yīng)劑；將焊料施加到流體機械部件的預(yù)定的部位上；將熱量引入到焊料中并且引入到流體機械部件中，使得合金變成液態(tài)并且反應(yīng)劑通過與焊料的擴散過程而發(fā)生變化并且與合金發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以構(gòu)成硬質(zhì)材料；冷卻焊料，使得合金變成固態(tài)。
[0008]反應(yīng)劑是非金屬、半金屬和/或陶瓷。反應(yīng)劑是含碳的化合物，尤其是石墨，并且硬質(zhì)材料碳化鈦被形成。石墨在該方法中在與合金的鈦的化學(xué)反應(yīng)中形成碳化鈦，所述碳化鈦有利地是硬質(zhì)的從而具有良好的相對于磨損、尤其是相對于液滴沖擊侵蝕的耐久性。
[0009]基本材料為尤其是TiA16V4的鈦合金、純鈦和/或具有附加材料的純鈦，尤其是碳作為附加材料。TiA16V4具有大約960°C至985°C的β轉(zhuǎn)變溫度。
[0010]通過在根據(jù)本發(fā)明的方法中構(gòu)成硬質(zhì)材料，抗磨層有利地構(gòu)成為是硬質(zhì)的。硬質(zhì)材料相對于磨損、尤其是相對于液滴沖擊侵蝕具有較高的耐久性，使得在所述方法中制造的抗磨層有利地具有長的使用壽命。所述方法是有利簡單的并能應(yīng)用于任何幾何形狀的流體機械部件。因為不僅基本材料、而且焊料具有欽，所以基本材料和焊料具有相似的物理特性，由此有利地得出焊料良好地接合于基本材料。通過良好的接合,有利地減少了基本材料和焊料的邊界面上的裂紋。承受強負(fù)荷的流體機械部件例如是蒸汽輪機的轉(zhuǎn)子葉片。裂紋尤其能夠在轉(zhuǎn)子葉片中出現(xiàn)，因為轉(zhuǎn)子葉片在蒸汽輪機的運行中經(jīng)受高的離心力以及振動。反應(yīng)劑通過與焊料的擴散過程而發(fā)生變化，通過該方式形成由硬質(zhì)材料構(gòu)成的區(qū)域，所述區(qū)域能夠大于初始的顆粒。
[0011]因為所述方法不要求流體機械部件的光滑的表面，所述方法也有利地適合作為用于已經(jīng)受到侵蝕的表面的修復(fù)方法。通過液化焊料，所述焊料能夠有利地滲入到裂紋、缺口、凹部和凹坑中并且將其填充。修復(fù)裂紋的前提條件是裂紋不具有氧化物。此外，能夠考慮任意幾何形狀的表面侵蝕。通過修整，有利地，能夠恢復(fù)流體機械部件的初始的表面輪廓。此外，當(dāng)抗磨層受到侵蝕時，能夠重復(fù)執(zhí)行所述方法并且恢復(fù)初始的表面輪廓。
[0012]焊料優(yōu)選地制造成，使得所述焊料是墊、膏、預(yù)燒結(jié)材料(英語“presinteredperforms, PSP”)或帶,尤其是粘接帶。如果將大面積的抗磨層施加到流體機械部件上，那么墊是適合的。墊優(yōu)選是柔韌的，使得墊能夠施加在流體機械部件的任意表面輪廓上。相反地，如果抗磨層局部地作為修復(fù)層施加到流體機械部件的尤其嚴(yán)重侵蝕的部位上，膏、預(yù)燒結(jié)材料和帶是適合的。
[0013]顆粒優(yōu)選是小板形的和/或圓形的。小板形的顆粒優(yōu)選地基本上層狀地平面平行地設(shè)置。在顆粒的層狀并且平面平行的設(shè)置情況下，在化學(xué)反應(yīng)之后得出層狀地并且平面平行地設(shè)置的由硬質(zhì)材料構(gòu)成的區(qū)域，所述區(qū)域有利地相對于磨損、尤其相對于液滴沖擊侵蝕具有高的耐久性。合金的組成優(yōu)選地選擇成，使得合金的熔化溫度低于基本材料的β轉(zhuǎn)變溫度。純鈦的β轉(zhuǎn)變溫度為大約880°C。在所述溫度之下，鈦的晶格結(jié)構(gòu)是密排六方結(jié)構(gòu)，在所述溫度之上，形成體心立方的晶格結(jié)構(gòu)。晶格結(jié)構(gòu)的變化縮短了流體機械部件的使用壽命。通過合金的熔化溫度低于β轉(zhuǎn)變溫度，避免了基本材料的晶格結(jié)構(gòu)的變化，由此流體機械部件的使用壽命有利地是長的。
[0014]合金優(yōu)選是硬質(zhì)焊料，尤其是具有在750°C和950°C之間的熔化溫度的硬質(zhì)焊料。硬質(zhì)焊料有利地相對于液滴沖擊侵蝕是耐久的。
[0015]熱量和其引入時間優(yōu)選地確定成，使得焊料的和流體機械部件的溫度低于基本材料的β轉(zhuǎn)變溫度。由此能夠有利地避免鈦的或鈦合金的晶格結(jié)構(gòu)的變化。此外，熱量和其引入時間有利地確定成，使得反應(yīng)劑優(yōu)選地完全吸收到鈦基質(zhì)從而能夠形成硬質(zhì)材料顆粒。反應(yīng)劑的轉(zhuǎn)變所必需的熱量和引入時間與顆粒的大小以及與流體機械部件的質(zhì)量相關(guān)。
[0016]熱量和其引入時間優(yōu)選地確定成，使得反應(yīng)劑部分地通過擴散到達(dá)基本材料中并且在那里與基本材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以構(gòu)成硬質(zhì)材料。在此，除了反應(yīng)劑之外，合金也部分地到達(dá)基本材料中。與此類似地，通過擴散，基本材料中的材料到達(dá)抗磨層中。通過擴散并且通過也在基本材料中形成硬質(zhì)材料，在例如為彈性模量或硬度的特性方面在基本材料、硬質(zhì)材料和合金之間不再產(chǎn)生任何突變的差異。突變的差異易于形成裂紋，使得抗磨層的使用壽命有利地是長的。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的流體機械部件具有借助根據(jù)本發(fā)明的方法制造的抗磨層?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0018]下面根據(jù)所附的示意附圖來闡明根據(jù)本發(fā)明的用于將抗磨層施加到流體機械部件上的方法。附圖示出:
[0019]圖1和3示出流體機械部件的表面連同在輸入熱量之前的焊料的剖面并且
[0020]圖2和4示出圖1和3中的流體機械部件的表面連同在輸入熱量之后構(gòu)成的抗磨層的剖面。
【具體實施方式】
[0021]流體機械部件、例如蒸汽輪機的轉(zhuǎn)子葉片具有表面區(qū)域I。如從圖1至4中看出的那樣，表面區(qū)域I具有上部的表面2。表面2承受磨損。表面區(qū)域具有下部的基本材料3和上部的焊料12或上部的抗磨層4。[0022]如同從圖1和3中看出的那樣，基本材料3和焊料12彼此疊置，其中這兩部分形成表面區(qū)域I。在基本材料3和焊料12之間構(gòu)成有平行于表面2設(shè)置的邊界面7。
[0023]焊料12具有合金6，在所述合金中嵌入多個由反應(yīng)劑5構(gòu)成的顆粒。在圖1中，顆粒是球形的并且分布在焊料12中。在圖3中，顆粒是方形的，以所述顆粒的較長的側(cè)部平行于邊界面7定向并且設(shè)置在大量層中，其中顆粒彼此錯開地、也就是說具有間隙地設(shè)置。
[0024]通過輸入熱量，由焊料12形成抗磨層4。通過輸入熱量，由于擴散，不僅抗磨層4中的材料能夠到達(dá)基本材料3中，而且基本材料3中的材料能夠到達(dá)抗磨層4中。如同從圖2和4看出的那樣，在輸入熱量之后，在基本材料3和抗磨層4之間，借助這二者的消耗而構(gòu)成具有下端10和上端11的擴散區(qū)域9。端部10、11平行于表面2伸展。通過輸入熱量，合金6變成液態(tài)并且反應(yīng)劑5已經(jīng)在合金6中部分地溶解。溶解的反應(yīng)劑5與合金6發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以構(gòu)成硬質(zhì)材料8。
[0025]如從圖2中看出的，球形的顆粒在輸入熱量之后與圖1相比變小。然而，顆粒也能夠保持為同樣大。圍繞反應(yīng)劑5已經(jīng)形成球形的、由硬質(zhì)材料8構(gòu)成的重疊區(qū)域。區(qū)域的邊緣平行于關(guān)聯(lián)的顆粒的表面伸展。如從圖4中看出的，方形的顆粒在輸入熱量之后與圖3相比變小并且具有橢圓形的形狀，其中長軸平行于表面2并且短軸垂直于所述表面設(shè)置。然而，顆粒也能夠保持其形狀。圍繞顆粒已經(jīng)形成橢圓形的、由硬質(zhì)材料8構(gòu)成的重疊區(qū)域。區(qū)域的邊緣平行于顆粒的表面伸展。如從圖2和4看出的那樣，由硬質(zhì)材料8構(gòu)成的區(qū)域不僅在抗磨層4中、而且也在擴散區(qū)域9中延伸。
[0026]雖然通過優(yōu)選的實施例詳細(xì)地圖解說明并且描述本發(fā)明的細(xì)節(jié)，但是本發(fā)明不限制于公開的實例并且其他的變型形式能夠由本領(lǐng)域技術(shù)人員從中導(dǎo)出，而沒有偏離本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種用于將抗磨層(4)施加到流體機械部件上的方法，所述流體機械部件具有含鈦的基本材料(3)，所述方法具有下述步驟: -混合焊料(12 )，所述焊料具有含鈦的合金(6 )和下述顆粒，所述顆粒分布在所述合金(6)中并且具有反應(yīng)劑(5)； -將所述焊料(12)施加到所述流體機械部件的預(yù)定的部位上； -將熱量引入到所述焊料(12)中并且引入到所述流體機械部件中，使得所述合金(6)變成液態(tài)并且所述反應(yīng)劑(5)通過與所述焊料的擴散過程而發(fā)生變化并且與所述合金(6)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以構(gòu)成硬質(zhì)材料(8)； -冷卻所述焊料(12 )，使得所述合金(6 )變成固態(tài)， 其中所述反應(yīng)劑(5)是含碳的化合物，尤其是石墨，并且所述硬質(zhì)材料(8)碳化鈦被形成， 其中所述基本材料(3)具有尤其是TiA16V4的鈦合金、純鈦和/或具有附加材料的純鈦，尤其是碳作為附加材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法， 其中所述反應(yīng)劑(5)是非金屬、半金屬和/或陶瓷。
3.根據(jù)權(quán)利要求1至2中任一項所述的方法， 其中所述焊料(12)構(gòu)成為，使得所述焊料是墊、膏、燒結(jié)材料或帶、尤其是粘接帶。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的方法， 其中所述顆粒是小板形的和/或球形的。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法， 其中小板形的顆?；旧蠈訝畹仄矫嫫叫械卦O(shè)置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的方法， 其中所述合金(6)的組分選擇成，使得所述合金(6)的熔化溫度低于所述基本材料(3)的β轉(zhuǎn)變溫度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的方法， 其中所述合金是硬質(zhì)焊料，尤其是具有在750°C和950°C之間的熔化溫度的硬質(zhì)焊料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的方法， 其中所述熱量和其引入時間確定成，使得所述焊料(12)的和所述流體機械部件的溫度低于所述基本材料(3)的β轉(zhuǎn)變溫度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的方法， 其中所述熱量和其引入時間確定成，使得所述反應(yīng)劑(5)在所述化學(xué)反應(yīng)中被轉(zhuǎn)變。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的方法， 其中所述熱量和其引入時間確 定成，使得所述反應(yīng)劑(5)部分地通過擴散到達(dá)所述基本材料(3)中并且在那里與所述基本材料(3)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以構(gòu)成所述硬質(zhì)材料(8)。
11.一種具有抗磨層(4)的流體機械部件， 其中所述抗磨層(4)根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項制造。
【文檔編號】C23C8/80GK103890225SQ201280050466
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年9月21日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月14日
【發(fā)明者】約亨·巴尼克爾, 蘇珊·戈勒森, 哈拉爾德·克拉皮茨, 英戈·賴因肯斯邁爾 申請人:西門子公司