專利名稱：渦輪機金屬部件和襯套氣相滲鋁方法
技術領域：
本發(fā)明涉及金屬部件上鋁涂層的沉積，特別是包括內襯套的空心金屬部件。本 發(fā)明特別針對這種涂層在裝有襯套的渦輪機空心葉片上的應用，用于冷卻劑的擴散。
背景技術：
燃氣渦輪發(fā)動機一諸如航空領糊于微的發(fā)動機—包括與一個或多個壓氣機 相通的大氣進氣道， 一般都包括一個風扇，圍繞同一個軸線旋轉。該主空氣流在壓
縮后提供給圍纟MM軸線環(huán)形布置的燃燒室并與燃油混合后在下游提供熱燃氣給一 個或多個渦輪，戶腿燃氣經(jīng)渦輪膨脹，渦輪轉子驅動壓縮轉子轉動。發(fā)動機以渦輪 進氣口的發(fā)動機氣^^度工作，所述皿應盡可能的高，因為其關系到發(fā)動機的性 能。為此，材料的選用應育練受這些工作條件，而且，熱氣體掠過的各個部件的壁， 諸如噴嘴或旋轉渦輪葉片，都提 冷卻裝置。此外，由于其金屬成份為基于鎳或 鈷的超級合金，所以，還必須保護其防止在這些溫度時發(fā)動機氣體成分所造成的燒 蝕和腐蝕。
為這些部^^共做作用的一種已矢昉式就是在易于受到氣體侵蝕的表面上沉 積一道鋁基涂層。通過金屬相互擴散將鋁附著在基質上，并形成一個表面保護性氧 化層。該涂層的厚度為大約幾十 。
本發(fā)明涉及以氣相方式沉積鋁的技術，又稱之為氣相滲鋁。根據(jù)這個方法，需 要處理的部件置放在一個箱體內，箱體內的大氣是由惰性氣體或還原氣體一例如氬
氣或氫氣一和由含有鹵化鋁的活性氣體的混合物組成。在反應溫度時，即在900° C 和1150° C之間時，囪化物在部件表面分解成氣態(tài)卣素和鋁，后者擴散到金屬內。
在裝有需要處理的金屬部件的箱體內，放入形成給體的鋁金屬或鋁合金塊，在 有構成活化劑的鹵素化合物、氯或氟化合物的粒子存在的情況下，從而產(chǎn)生卣化物。 惰性氣M活化劑上以可使鹵素升華的，循環(huán)，后者夾帶在給體上并與其產(chǎn)生反 應而產(chǎn)生金屬卣化物，戶皿金屬卣化物在這個溫度時呈現(xiàn)氣態(tài)形式。卣化物而后與 需要涂覆的金屬基質接觸后分解，形成鋁的沉積；重新形成氣態(tài)鹵素。
當靜子部件和轉子部件上帶有內部腔室時，從壓氣機返回的冷卻劑和空氣穿過 這些腔室，人們會發(fā)現(xiàn)這些腔室的壁上也會受到腐蝕。從發(fā)動機在某些環(huán)境下工作 所4OT的部件返回t青況來看，這些表面都受到侵蝕。例如，發(fā)J見如下一些瞎況，噴 嘴的內部腐蝕，腐蝕薄片iSA噴嘴腔室內，后iHl風 L堵塞等等。因此，對這類部 件的防護還是必要的。氣相滲鋁方纟封寺別適合用于防護涂層，因為只要冷卻齊鵬環(huán)的狹窄通道敞開時，
運載氣體和活性成分就^iS入到這些通道內。實際上，并不是這種情況。保護層的
厚度不均勻；從所述內部腔室的i4A孔口開始，厚度會大大減小。此外，在所述腔
室通風孔口處會形成集聚，縮小了流通面積，降低了部件的冷卻性能。
在以本申請人的名義提出的法國FR 2830874號專利申請中，提出了一種渦輪機 金屬部件的氣相滲鋁方法，所述部件上帶有與外部相通的孔口和腔室，根據(jù)這個方 法，包括鋁化合物在內的沉積物的氣態(tài)前體通過運載氣體與箱體內的部件表面接觸， 所述運載氣體為氦氣或氬氣，并選擇箱體內的壓力，以便在大氣壓力下，運載氣體 分子的平均自由程是氬氣分子的平均自由程的兩倍。這些分子的平均自由程通常定 義為比率1/P x D2，式中，P是箱體內的壓力，D是分子直徑。
通過延^ig載氣體分子的平均自由程，內部通道內鹵化物的擴散會增加，通過
傳統(tǒng)方法很^ia入的區(qū)域內沉積厚度也會增加，從而改善了其整體防護性能。平均
自由程的增加程度是、源于運載氣體的選擇一此處是氦氣一或者壓力的降低，這些可 以從上述公式推導得出。
發(fā)明專利內容
本發(fā)明目的是提供一種改進的方法，采用本方法，內部腔室的壁上的涂層厚度 在整個表面上都會是足夠的。
本發(fā)明涉及帶有一個腔室和一個開口的空心部件，所述腔室至少通過該開口與 外部相通。本發(fā)明還涉及所述腔室內的帶有諸如內部襯套的這類部件，所述這些部 件通過開口裝入并與部件裝配在一起。圖l示出了這種部件。這是只又軸燃氣渦輪發(fā) 動機內低壓級的一個噴嘴的橫截面圖。噴嘴導向葉片1包括一個在殼模內采用鑄造 金屬帝隨而成的部件。所述部件，如圖中局部所示，是由兩個平臺3和4之間的空 心葉片2所形成的。葉片2的腔室分別通過其一側上的兩端與提微令卻齊啲開口 5 相通，而在另一側上與流體出口端6相通。在葉片2的腔室內，安裝了一個實際圓 柱形狀的襯套9。該襯套通過沿所述腔室開口邊緣周圍釬焊/焊接方法焊接或釬焯到 提#^令卻空氣的開口 5的一側。襯套的另一端裝入到與出口端6相通的圓柱形殼體 內，無需焊接，從而在瞬態(tài)工作期間使得襯套相對于葉片相對膨脹。襯套在其整個 長度上都采用穿孔，且襯套與葉片的內壁形成一個空間，這樣，來自供氣開口5的 冷卻空氣就部分地流過襯套的孔口，并形成了多個噴氣口，通過沖擊和對流對葉片 壁進行冷卻。然后，所述空氣經(jīng)由葉片后緣附近的通風 L被排出。尚未流經(jīng)襯套壁 的空氣被導向開口 6，以便被送至lj渦輪機的其它部件上。
在制造期間，與葉片分開生產(chǎn)的襯套9滑過開口5而裝入到葉片內，然而在上 述開口附近釬焊。如圖所示，下部則保持暢通，以便膨脹和滑入到開口6所形成的 殼體內。通常，諸如襯套這樣的部件的滲鋁處理是在其裝配后進行的。
根據(jù)本發(fā)明，通過如下方法，實際上改善了所述腔室內的滲鋁^:積，該方法可
以應用到i壬何部件上，所述部件帶有可從開口滑過并裝配在其內的構件。 氣相沉積滲鋁方法可實現(xiàn)渦輪機空心金屬部件的高溫氧化防護； 所述部件包括一個腔室，金屬構件通過該腔室裝入并通過一個開口裝配在與所
述部件內；
根據(jù)所述方法，通過鹵素和含鋁金屬給體之間反應而形成卣化物，而后，由運 載氣體輸送鹵化物以便與所述金屬部件接觸。
其特征在于，金屬部件在實施該方法之前首先進行表面富鋁處理，目的是起鋁 給體的作用。
如果腔室內帶有一個給體，由表面富鋁處理的部件組成，可以產(chǎn)生有效沉積。 特別是，從部件外部進入的問題得到了解決，同時仍控制內部給體的用量。 具體來講，部件 涂上一層由金屬沉積形成的材料。這種沉積可以采用所屬
領域技術人員都熟悉的任何已有方法 行采用氣相沉積滲鋁(SVPA或CVD，包 裝膠結滲鋁)、真空沉積(PVD)、熱噴涂、電解沉積或槽內浸泡(浸涂)等等。
特別是，給體的用量可以通過所述層的厚度來控制，例如，厚度在10 ,到 150 ,之間，優(yōu)選20到90拜之間。
所述層含有至少15 wt。/。的鋁，但是，也可以由至少一個已知其具有改善抗氧化 性能的元素組成，該元素包括在元素集(Cr, Hf, Y， Zr， Si， Ti， Ta, Pt， Pd， Ir) 內，特別是元素鉻。
如上所述，該方法特別適合渦輪機空心葉片的滲鋁處理。所述部件然由多孔襯 套組成，用來在腔室內傳播冷卻空氣。
該葉片為噴嘴導向葉片，帶有腔室，而腔室內裝有襯套。所述襯套在用給體金 屬進行表面處理后通過葉片一端的開口裝入。接著，襯套通過一端焊接到位于開口 一頂啲葉片的壁上，而開口貝U用來將襯套^A腔室。例如，襯套采用鈷基合織喊， 因為這種合金具有抗振動和摩擦的機械特性。
鋁給懶寸套的使用特別有利，因為葉片腔室的內部涂層的質量實際上得到改善， 無需對傳統(tǒng)的氣相滲鋁方法進行改動。葉片和給體襯套按與非滲鋁襯套葉片的相同 方式裝配，唯一改動部分涉及釬焊區(qū)域，后者優(yōu)選必須保持非涂覆狀態(tài)，然后，再 按傳統(tǒng)方式進行滲鋁。
由給##套組成的葉片可以是燃氣渦輪發(fā)動機的渦輪的高壓級部分，或者所述 發(fā)動機渦輪的低壓級部分。
下面結合附圖介紹本發(fā)明的實施方案，但本發(fā)明并不僅限于戶/f述實施方案。


圖1為帶有內部腔室和襯套的噴嘴導向葉片，襯套用來將引入的冷卻空氣散布 到所述腔室內；
圖2為適合實施本發(fā)明的方法的滲鋁裝置；
圖3示出了采用已有技術和根據(jù)本發(fā)明的技術后在內部獲得的涂層厚度。
具體實施例方式
圖2示出了傳統(tǒng)氣相滲鋁裝置，本發(fā)明所述方法就是按照這種裝置來實施的。
箱體12安裝在能夠將部件加熱至1200° C的加熱爐4內。置放在該箱體內的 有盒子16，此處所示為三個疊置的盒子，帶有蓋16'。這些盒子都裝有要處理的部 件P，例如，渦輪噴嘴，而金屬給體D為f^末狀形式，或為塊體形式，以及活性劑A。 箱體12包括一個清洗運載氣體供應端18， 一個沖洗運載氣體供氣端19和一個由閥 門21控制的出口端20。
在盒子16內固定好部件、給體和活性劑后，箱體12首先通過管道18用運載氣 體，例如氬氣，進行清潔。當箱體內的空氣被氬氣取代后，供氣中斷。接著，對爐 進行加熱，同時通過管道19向箱體提供氬氣。多余的氣體經(jīng)由管道20被排出。在 活性劑A的活化鵬時，釋放氬氣、氯氣或氟氣。通過與給體的接觸，鹵素與金屬 產(chǎn)生反應而形成卣化物。由此而形成的卣化物氣在盒子16內循環(huán)，并與金屬部件P 相接觸。此時，鹵化物分解并釋放金屬，后者沉積在部件上。
通過管道19繼續(xù)將氬氣引入到箱體12內，平緩沖刷，并通過管道20被排出。 處理時間在2到6小時之間。
根據(jù)本發(fā)明，通過使用襯套作為一種給體而將給體與腔室結合到一起。
在進行滲鋁處理前，部件要進行準備，將富鋁的襯套和岡卿條造的部件裝配到 一起。襯套通過向葉片內提供冷卻空氣的通道5裝入。接著，襯套9的上邊緣9'釬 焊到葉片內的開口的壁上。
襯套通過所屬領域技術人員者蜘曉的現(xiàn)有任何裝置進行表面富鋁處理。向所述 襯套提供涂層的方式可以是專利本身所介紹的方式(氣相滲鋁)，而襯套則代替SVPA 爐4的箱體12內要處理的部件P。
這樣，襯套本身就可以通過氣相滲鋁來提前進行處理，目的是在整個表面上形 成一道滲鋁層。在部件的滲鋁操縱期間，所述層的厚度可以確定，以便具有足夠量 的鋁與鹵素產(chǎn)生反應，并形成氣相卣化物。由于給體靠近要處理的表面，所獲得的
沉積要大于采用傳統(tǒng)方法所獲得的沉積量。
相對于另一個解決方案，本方案的優(yōu)點是，可以4吏己經(jīng)裝配好的部件得到處理， 所述方案可以包括在腔室內放置一個給體籃。在中間步驟時使用一個籃子是處理不 帶襯套的部件所必要的，而后，貝鵬襯套安裝至IJ部件上，部件的壁上涂有一層鋁， 這要求特別適用釬焊裝置。此夕卜，不必研制一種清潔腔室內部給體殘渣的專(、]技術。
在圖3中，在y—軸上，示出了腔室壁上獲得的涂層厚度的分布情況。對應于 現(xiàn)有技術的曲線A說明，前緣和后緣之間的涂層分布很差，沿上表面和下表面上均 是如此。而曲線B則表示，采用給術寸套后獲得的涂層厚度情況。更均勻，非零效 果。區(qū)域C則表示外部厚度。
權利要求
1. 一種采用氣相沉積的滲鋁方法，適用于渦輪機金屬部件的高溫氧化防護；所述部件(1)包括一個腔室，金屬部件(9)就裝在該腔室內，并從開口(5)內裝配到所述部件內；根據(jù)本方法，鹵素和含有鋁的金屬給體之間發(fā)生反應而形成鹵化物，然后，鹵化物再通過運載氣體傳輸與所述金屬部件相接觸；其特征在于，金屬部件(9)在實施該方法前首先進行表面富鋁處理，以便起到鋁給體的作用。
2. 根據(jù)前面權利要求所述的方法，其特征在于，部件(9)涂有一道金屬沉積層。
3. 根據(jù)前面權禾腰求所述的方法，其特征在于，部件上的金屬沉積是采用下面其中 一個方法進行的SVPA、 CVD、 PVD、包裝膠結滲鋁、熱噴涂、電解沉積或浴槽浸 泡。
4. 根據(jù)權利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述層的厚度在10 ,到150 , 之間。
5. 根據(jù)前面權利要求所述的方法，其特征在于，所述層的厚度在20到90 ，之間。
6. 根據(jù)前面權利要求中其中一項權利要求所述的方法，其特征在于，所述層含有至 少15 wt。/。的鋁。
7. 根據(jù)前面權利要求ff述的方法，其特征在于，所述層還包括至少一種元素來改善 抗氧化性能，所述元素選自元素Cr， Hf， Y， Zr， Si， Ti， Ta, Pt， Pd， Ir。
8. 根據(jù)前面權禾腰求中其中一項權禾腰求所述的方法，為了進行渦輪機空心葉片(1) 的滲鋁處理，所述部件(9)由一個多孑L襯套組成，用來在所述腔室內散布冷卻空氣。
9. 根據(jù)前面權利要求所述的方法，其特征在于，葉片為噴嘴導向葉片，帶有一個葉 片(2)，后者提供有一個腔室和位于該腔室內的所述襯套(9)。
10. 根據(jù)前面權利要求所述的方法，其特征在于，所述襯套(9)在經(jīng)過了表面富鋁金 屬處理后經(jīng)由葉片一端的開口 (5)裝入腔室內。
11. 根據(jù)前面權利要求所述的方法，其特征在于，所述襯套通過一端焊接或釬焊到 開口一側上的葉片的壁上，用來將襯套裝入腔室內。
12. —種用于渦輪機空心葉片的擴散冷卻空氣的襯套，其特征在于，該襯套涂有， 至少部分地涂有， 一層鋁層。
13. 根據(jù)前面權利要求所述的襯套，其特征在于，鋁層的厚度在10到150 (im之間， ■ 20到90 Mm之間。
14. 一種渦輪機空心葉片，其包括一個按照權利要求12和13中任一權利要求所述 的擴散冷卻空氣用的內部襯套。
15. 渦輪機噴嘴，其包括根據(jù)前面權利要求所述的空心葉片。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用氣相沉積的滲鋁方法，適用于渦輪機金屬部件的高溫氧化防護；所述部件(1)包括一個腔室，金屬部件(9)就裝在該腔室內，并從開口(5)裝配到所述部件內；根據(jù)本發(fā)明方法，鹵素和含有鋁的金屬給體之間發(fā)生反應而形成鹵化物，然后，鹵化物再通過運載氣體運輸與所述金屬部件相接觸；其特征在于，金屬部件(9)在實施該方法前首先進行表面富鋁處理，以便起到鋁給體的作用。本發(fā)明特別涉及到裝有一種襯套的噴嘴導向葉片。
文檔編號F01D9/02GK101418447SQ20081016825
公開日2009年4月29日 申請日期2008年10月6日 優(yōu)先權日2007年10月3日
發(fā)明者盧西·蘭西奧克斯, 馬克西姆·卡林 申請人:斯奈克瑪