用于将陶瓷绝热材料连结到金属结构上的构造的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于将陶瓷绝热材料连结到金属结构上的构造。用于将包括绝热材料的陶瓷层(1)连结到金属层(2)上的构造，该构造(10)包括由金属材料制成的界面层(11)，界面层(11)位于陶瓷层(1)与金属层(2)之间，界面层(11)在其侧部中的面对陶瓷层(1)的一侧上包括多个联锁元件(20)，陶瓷层(1)包括目的在于与界面层(11)的对应的联锁元件(20)连接的多个腔(30)，构造(10)还包括钎焊层(40)，借助于钎焊层(40)，界面层(11)连结到金属层(2)上。本发明还涉及一种用于获得此类构造(10)的方法。
【专利说明】用于将陶瓷绝热材料连结到金属结构上的构造
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于将陶瓷绝热材料连结到金属结构（优选为在热气体环境中 使用）上的构造。本发明还涉及一种用于获得此类构造的方法。
【背景技术】
[0002] 当在热气体环境中操作时，将陶瓷绝热材料连结到金属结构上需要良好控制陶瓷 绝热材料中的应力水平，以便避免陶瓷材料的过早失效。为了将此实现，感兴趣的是设计用 于最高可能温度的陶瓷材料和金属材料的接头，以便最大限度地减小陶瓷绝热材料的所需 厚度，使得此类陶瓷材料部分中的热应力减小，因为它们与所述部分上的温度梯度直接相 关。陶瓷层中的热梯度上的高温接头的利益由陶瓷和金属基底的热膨胀系数差异引起的接 头处的更高应力水平抵消。此外，操作期间的金属材料温度越高，金属材料的氧化速率就将 越高；因此，构成接头的金属材料需要具有较高抗氧化性。
[0003] 现有技术中已知的是使用活性钎焊、反应性空气钎焊或陶瓷材料的金属化，借助 于陶瓷部分向金属部分的钎焊来将陶瓷绝热材料连结到金属结构上。然而，所有这些已知 的解决方案受限于温度能力，由于使用活性或反应性空气钎焊时（基于Ag或Au)使用的活 性钎焊合金的低熔点，或由于进行陶瓷材料的金属化时使用的金属的较差抗氧化性，用于 金属化的该金属通常为Mo或Μη。
[0004] 本领域中已知的另一个可能性为借助于机械连结来连结陶瓷材料和金属材料：该 解决方案允许选择具有对材料相容性的最低约束的特别用于其功能性能的材料。然而，当 使用机械连结解决方案时，问题在于发生在连结位置处的应力集中，这导致陶瓷材料的局 部开裂风险，这可灾难性地传播经过整个陶瓷材料，导致其过早失效。
[0005] 例如，现有技术中已知的其它解决方案为将陶瓷配合在金属夹持系统中，这具有 针对上文指出的机械连结所述的问题，或使用高温水泥，呈现了经历高应力水平的具有受 限机械性能的脆性连结层的问题，导致可能的局部开裂，其可传播且引起陶瓷材料的过早 失效。
[0006] 本发明针对提供连结构造，其解决了现有技术中的上述问题。
【发明内容】
[0007] 根据第一方面，本发明涉及一种用于将包括绝热材料的陶瓷层连结到金属层上的 构造，该构造用于热气体环境中。本发明的构造包括由金属材料制成的界面层，其位于陶瓷 层与金属层之间，界面层在其侧部中的面对陶瓷层的一侧上包括多个联锁元件。根据本发 明的构造，陶瓷层包括目的在于与界面层的对应联锁元件连接的多个腔。本发明的构造还 包括钎焊层，借助于钎焊层，界面层连结到金属层上。
[0008] 本发明还涉及一种用于获得如上文所述的构造的方法。本发明的方法借助于激 光金属形成过程来构造界面层，界面层在其侧部中的面对陶瓷层的一侧上包括多个联锁元 件。
【专利附图】
【附图说明】
[0009] 在结合附图时，通过参照以下详细描述，本发明的前述目的和许多伴随的优点将 由于其变得更好理解而将变得更容易被认识到，在附图中： 图1示出了根据本发明的用于将包括绝热材料的陶瓷层连结到金属层上的构造中的 陶瓷层的示意图。
[0010] 图2示出了根据本发明的用于将包括绝热材料的陶瓷层连结到金属层上的构造 中的陶瓷层和界面层的示意图。
[0011] 图3示出了根据本发明的第一实施例的用于将包括绝热材料的陶瓷层连结到金 属层上的构造中的示意图。
[0012] 图4示出了根据本发明的第二实施例的用于将包括绝热材料的陶瓷层连结到金 属层上的构造中的示意图。
[0013] 图5示出了根据本发明的第三实施例的用于将包括绝热材料的陶瓷层连结到金 属层上的构造中的示意图。
[0014] 图6示出了根据本发明的用于构造将包括绝热材料的陶瓷层连结到金属层上的 构造中的界面层的、本发明的方法的示意图。
[0015] 图7示出了根据本发明的第四实施例的用于将包括绝热材料的陶瓷层连结到金 属层上的构造中的示意图。
[0016] 零件清单 10连结陶瓷和金属的构造 1陶瓷层 2金属层 11界面层 20联锁元件 30陶瓷层中的腔 40钎焊层 3联锁元件的悬突物 4激光粉末喷嘴 5聚焦激光束 6粉末和气体 7高温计 8射束成形光学元件 50冷却通道。
【具体实施方式】
[0017] 根据第一方面，本发明涉及一种用于将包括绝热材料的陶瓷层1连结到金属层2 上的构造10,该构造10用于热气体环境中，通常是在燃气涡轮环境中。构造10包括由金 属材料制成的界面层11，其位于陶瓷层1与金属层2之间，界面层11在其侧部中的面对陶 瓷层1的一侧上包括多个联锁元件20。根据本发明的构造，陶瓷层1包括目的在于与界面 层11的对应联锁元件20连接的多个腔30。本发明的构造10还包括钎焊层40,借助于钎 焊层40,界面层11连结到金属层2上。
[0018] 本发明还涉及一种用于获得如上文所述的构造10的方法。如将进一步阐释的那 样，本发明的方法借助于激光金属形成过程来构造界面层11，该界面层11在其侧部中的面 对陶瓷层1的一侧上包括多个联锁元件20。
[0019] 为了减小连结位置处的应力集中，提出了具有本发明的构造10的稳健的连结设 计，其具有较高数目的连结接触（联锁元件20和腔30);此外，接头的几何形状使得减小了 残余应力。为了将其实现，陶瓷层1制造成以便具有在自身中的腔30 (见图1)，且界面层 11然后制造成填充这些腔30,导致陶瓷层1与界面层11之间的联锁。因此，界面层11的 制造将准确地适应陶瓷层1中的各个腔30的形状。这可以以若干可能的方式实现： 1)陶瓷层1直接制造成具有包括联锁特征如悬突物3的腔30。产生的各个部分利用 适合的光学装置（例如，3D摄影测量扫描仪）来扫描，且腔30中的各个的基准位置与对应 于该部分的数目的识别数一起保存在数据文件中。在第二步骤中，执行自动激光金属形成 操作，其中供有粉末和气体6的粉末喷嘴4位于基准位置处，联锁元件20必须定位在该处， 粉末利用聚焦激光束5来局部地再熔化，允许局部地熔化的金属粉末来填充如图6中所示 的产生的腔。粉末喷嘴4的定位可利用机器人或利用CNC(计算机数控）来进行。
[0020] 2)另一个可能性在于进行第一步骤，其中执行短脉冲激光加工操作来在陶瓷层1 的表面上产生腔30。作为优选，选择ns或ps脉冲来产生没有熔化物的清洁的腔30,且没 有裂纹形成在陶瓷层1中。第二步骤类似于以上的1)中已经描述的一个：然而，不需要扫 描，因为前述加工位置可直接地用作用于激光金属形成步骤的目标位置。
[0021] 使用上文所述的两个方法中的一者，多种形状可产生来作为联锁元件20,如，图3 至图7上示出的本发明的不同实施例中所示。取决于接头的所需强度和构造10的功能要 求，可定制数目和密度和由联锁元件20覆盖陶瓷层1的程度。另一个可能性在于具有填充 有金属的腔30,以便金属填料从陶瓷层1突出，从而形成金属支柱。利用附加的磨削或铣削 操作，可产生结合界面层11的陶瓷层1的表面相对于金属层2之间的限定偏移，从而避免 了由起因于金属支柱的低刚度的陶瓷层1与金属填料之间接触点处降低的应力水平引起 的过早失效。
[0022] 激光金属形成材料相对于填料材料（优选为金属填料材料）而非常灵活。作为示 例，具有高工作温度能力和良好抗氧化性的高温Ni基钎焊粉末（如，市售的钎焊合金Amdry 915或Amdry 103)可选择为填料材料。由于激光/粉末喷嘴4或陶瓷层1可倾斜，存在相 对于联锁元件20的形状的较高灵活性。
[0023] 作为备选（见图1)，可使用高强度超级合金和高温钎焊材料的粉末混合物。在两 种情况下，与界面层11联锁的陶瓷层1可直接地连结到金属层2上用作载体结构。如果需 要确保两个表面（结合界面层11的陶瓷层1与金属层2)之间的限定偏移，则可构想出陶 瓷层1和界面层11结合金属层2的超固相线钎焊。在该情况下，钎焊温度设定在填料合金 的固体温度与液体温度之间的中间值。因此，填料的仅小部分熔化，且金属接头（联锁元件 20)保持其形状，从而确保了结合界面层11的陶瓷层1与金属层2之间的正确偏移。
[0024] 作为优选实施例（见图2、图3、图4、图5或图7)，具有高温能力的超级合金用作 填料材料。取决于局部要求，可选择具有出众的抗氧化性、抗腐蚀性、优异的机械强度或这 些性质的适合的组合，如，Amdry 995、Amdry 963、Haynes 230或Inconel 738。在此情况 下，附加的钎焊层40必须施加在金属层2与连结到界面层11上的陶瓷层1之间。然而，带 有界面层11的陶瓷层1的较高面积的覆盖极大地改善了可润湿性，且使钎焊更可靠。因 此，相对于用于构造钎焊层40的钎焊材料的灵活性更高，且可选择具有更高工作温度的高 温钎焊箔片。限定的间隙可通过选择联锁元件20的长度来建立，以限定陶瓷层1与界面层 11之间的金属支柱。这些支柱具有低刚度，且可设计成使得在联锁元件20与陶瓷层1之间 的接触点处的应力水平低到足以在室温下或在工作期间避免陶瓷层1中的裂纹形成和裂 纹生长。
[0025] 在所有情况下，由于过热可引起局部开裂或其它破坏，故必须避免对陶瓷层1输 入过量的热。为了确保这样，可实施激光粉末熔化操作的闭环控制（见图6):在此情况下， 高温计7整体结合到激光粉末喷嘴4中，其连续地测量局部熔池的温度。温度值被实时地 分析，且反馈到激光功率控制单元，该激光功率控制单元自动地调整功率水平来保持针对 熔化过程的最佳温度。作为优选，产生低于毫米等级的激光点直径的射束成形光学元件8 用于该过程。为了热输入的更佳平衡，可通过使用整体结合于射束成形光学元件8中的电 流计扫描仪来实施附加的快速射束振荡。
[0026] 在本发明的另一个实施例中，陶瓷层1包括成形联锁元件20的突出的金属填料 材料：该陶瓷层1用作启动预型件来用于额外制造过程，其可用于建立陶瓷层1与金属层2 之间的界面层11。具体而言，该操作可通过具有受控的气氛的工作室内的选择性激光熔化 (SLM)来实现。出于此目的，陶瓷层1被引入平行于粉末沉积平面的SLM室中。选择性激光 熔化以一种方式执行，使得新材料以界面层11开始而形成。作为特别关注的选择，如图7 中所示，共形（接近壁）的冷却通道50可引入而紧邻陶瓷层1与金属层2之间的热界面： 所得的混合陶瓷/金属化合物然后如上文所述那样钎焊到金属层2上。
[0027] 使用上文所述的制造程序或步骤中的一者，可产生具有本发明的构造10的大量 标准化的陶瓷层1/界面层11元件，然后其可稳固地结合到较大的金属层2上，例如，燃气 涡轮中的燃烧器衬套。
[0028] 使用激光金属形成/选择性激光熔化过程的本发明的方法的主要优点允许建立 带有陶瓷层1中的很低的残余应力和最小化的应力集中的陶瓷层1与金属结构2 (载体结 构）之间的机械接头。接头设计允许适应由构造陶瓷层1的陶瓷绝热材料与金属层2之间 的热失配引起的应变。附加的应变顺应性可通过选择具有目标操作范围内的足够的延性的 填料材料来引入。
[0029] 此外，在本发明的方法的至少一个实施例中，陶瓷层1不必在连结之前加工，且由 制造公差和其它效果如陶瓷材料在其成形之前（称为生坯陶瓷材料）的烧结期间的未受控 的收缩引起的陶瓷形状的变化性通过与3D扫描组合的灵活的激光金属形成步骤来补偿。 在金属接头形成期间的局部加热也减小了制造期间的陶瓷层1中的热冲击强度。所有这些 利益降低了结合界面层11的陶瓷层1和金属层2的连结期间陶瓷材料的预先开裂的概率。 此外，本发明的过程减少了高温操作和瞬变负载期间的裂纹形成：这降低了陶瓷材料的过 早失效的概率。
[0030] 尽管已经关于优选实施例完整描述了本发明，但很明显，改型可引入其范围内，并 未将此认作是由这些实施例限制，而是由所附权利要求的内容限制。
【权利要求】
1. 一种用于将包括绝热材料的陶瓷层（1)连结到金属层（2)上的构造（10)，其特征在 于，所述构造（10)包括由金属材料制成的界面层（11)，所述界面层（11)位于所述陶瓷层 (I) 与所述金属层（2)之间，所述界面层（11)在其侧部中的面对所述陶瓷层（1)的一侧上 包括多个联锁元件（20)，所述陶瓷层（1)包括目的在于与所述界面层（11)的对应的联锁元 件（20)连接的多个腔（30)，所述构造（10)还包括钎焊层（40)，借助于所述钎焊层（40)，所 述界面层（11)连结到所述金属层（2)上。
2. 根据权利要求1所述的构造（10)，其特征在于，所述陶瓷层（1)中的所述多个腔 (30)填充有从所述陶瓷层（1)突出的金属填料，从而形成金属支柱。
3. 根据权利要求2所述的构造（10)，其特征在于，所述构造（10)还包括结合所述界面 层（11)的所述陶瓷层⑴相对于所述金属层⑵之间的限定间隙，该引用的间隙通过选择 所述联锁元件（20)的长度限定，以限定所述陶瓷层（1)与所述界面层（11)之间的所述金 属支柱。
4. 根据前述权利要求中任一项所述的构造（10)，其特征在于，所述界面层（11)包 括多个接近壁的冷却通道（50)，所述陶瓷层（1)和具有所述冷却通道（50)的所述界面层 (II) 进一步钎焊到所述金属层（2)上。
5. -种用于获得将包括绝热材料的陶瓷层（1)连结到金属层（2)上的构造（10)的方 法，该方法借助于由金属材料制成的界面层（11)，所述界面层（11)位于所述陶瓷层（1)与 所述金属层（2)之间，所述界面层（11)在其侧部中的面对所述陶瓷层（1)的一侧上包括多 个联锁元件（20)，所述联锁元件（20)能够连接到所述陶瓷层（1)中的多个腔（30)，所述联 锁元件（20)借助于激光金属形成过程而产生于所述金属材料界面层（11)。
6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述陶瓷层（1)被制造有包括悬突物（3) 的腔（30)，所述陶瓷层（1)利用光学装置进一步扫描，从而将各个所述腔（30)的基准位置 与对应于该部分的数目的识别数一起保存，在此之后，执行自动激光金属形成操作，其中供 有粉末和气体（6)的粉末喷嘴（4)定位在所述基准位置处，所述联锁元件（20)必须定位在 所述基准位置处，所述粉末利用聚焦激光束（5)而局部地再熔化，从而允许局部地熔化的 金属粉末来填充所产生的所述腔。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述粉末喷嘴（4)的定位利用机器人或 利用CNC (计算机数控）来进行。
8. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在第一步骤中，执行短脉冲激光加工操 作来在所述陶瓷层（1)的表面上产生所述腔（30)，然后执行自动激光金属形成操作的第二 步骤，供有粉末和气体（6)的粉末喷嘴（4)定位在所述基准位置处，所述联锁元件（20)必 须定位在所述基准位置处，所述粉末利用聚焦激光束（5)而局部地再熔化，从而允许局部 地熔化的金属粉末来填充所产生的所述腔。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述陶瓷层（1)的表面上的所述腔（30) 由ns或ps脉冲产生。
10. 根据权利要求5至权利要求9中任一项所述的方法，其特征在于，在所述界面层 (11)的所述激光金属形成过程中使用的金属填料材料包括具有高工作温度能力和良好抗 氧化性的高温Ni基钎焊粉末，如钎焊合金Amdry 915或Amdry 103。
11. 根据权利要求5至权利要求9中任一项所述的方法，其特征在于，高强度超级合金 和高温钎焊材料的粉末混合物在所述界面层（11)的所述激光金属形成过程中使用。
12. 根据权利要求5至权利要求11中任一项所述的方法，其特征在于，与所述界面层 (11)联锁的所述陶瓷层（1)直接地连结到所述金属层（2)上，从而利用所述陶瓷层（1)和 所述界面层（11)结合所述金属层（2)的超固相线钎焊确保了两个表面之间的限定的偏移。
13. 根据权利要求5至权利要求12中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包 括激光粉末熔化操作的闭环控制，使得高温计（7)整体结合到所述激光粉末喷嘴（4)中，连 续地测量局部熔池的温度。
14. 根据权利要求5至权利要求13中任一项所述的方法，其特征在于，所述陶瓷层（1) 用作用于额外制造过程的启动预型件，用于通过具有受控气氛的工作室内的选择性激光熔 化（SLM)来建立所述陶瓷层（1)与所述金属层（2)之间的所述界面层（11)，使得所述陶瓷 层（1)包括成形所述联锁元件（20)的突出金属填料材料。
【文档编号】B32B18/00GK104097360SQ201410144447
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年4月11日 优先权日:2013年4月12日
【发明者】G.E.韦茨, M.霍伊贝, H-P.博斯曼恩 申请人:阿尔斯通技术有限公司