涡轮机金属部件和衬套气相渗铝方法
【专利说明】涡轮机金属部件和衬套气相渗铝方法
[0001]本申请是2008年10月6日递交的申请号为200810168251.5，发明名称为“涡轮机金属部件和衬套气相渗铝方法”的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及金属部件上铝涂层的沉积，特别是包括内衬套的空心金属部件。本发明特别针对这种涂层在装有衬套的涡轮机空心叶片上的应用，用于冷却剂的扩散。
【背景技术】
[0003]燃气涡轮发动机一诸如航空领域用于推进的发动机一包括与一个或多个压气机相通的大气进气道，一般都包括一个风扇，围绕同一个轴线旋转。该主空气流在压缩后提供给围绕所述轴线环形布置的燃烧室并与燃油混合后在下游提供热燃气给一个或多个涡轮，所述燃气经涡轮膨胀，涡轮转子驱动压缩转子转动。发动机以涡轮进气口的发动机气体温度工作，所述温度应尽可能的高，因为其关系到发动机的性能。为此，材料的选用应能承受这些工作条件，而且，热气体掠过的各个部件的壁，诸如喷嘴或旋转涡轮叶片，都提供有冷却装置。此外，由于其金属成份为基于镍或钴的超级合金，所以，还必须保护其防止在这些温度时发动机气体成分所造成的烧蚀和腐蚀。
[0004]为这些部件提供保护作用的一种已知方式就是在易于受到气体侵蚀的表面上沉积一道铝基涂层。通过金属相互扩散将铝附着在基质上，并形成一个表面保护性氧化层。该涂层的厚度为大约几十微米。
[0005]本发明涉及以气相方式沉积铝的技术，又称之为气相渗铝。根据这个方法，需要处理的部件置放在一个箱体内，箱体内的大气是由惰性气体或还原气体一例如氩气或氢气一和由含有卤化铝的活性气体的混合物组成。在反应温度时，即在900°C和1150°C之间时，卤化物在部件表面分解成气态卤素和铝，后者扩散到金属内。
[0006]在装有需要处理的金属部件的箱体内，放入形成给体的铝金属或铝合金块，在有构成活化剂的卤素化合物、氯或氟化合物的粒子存在的情况下，从而产生卤化物。惰性气体在活化剂上以可使卤素升华的温度循环，后者夹带在给体上并与其产生反应而产生金属卤化物，所述金属卤化物在这个温度时呈现气态形式。卤化物而后与需要涂覆的金属基质接触后分解，形成铝的沉积；重新形成气态卤素。
[0007]当静子部件和转子部件上带有内部腔室时，从压气机返回的冷却剂和空气穿过这些腔室，人们会发现这些腔室的壁上也会受到腐蚀。从发动机在某些环境下工作所使用的部件返回情况来看，这些表面都受到侵蚀。例如，发现如下一些情况，喷嘴的内部腐蚀，腐蚀薄片进入喷嘴腔室内，后缘通风孔堵塞等等。因此，对这类部件的防护还是必要的。
[0008]气相渗铝方法特别适合用于防护涂层，因为只要冷却剂循环的狭窄通道敞开时，运载气体和活性成分就会进入到这些通道内。实际上，并不是这种情况。保护层的厚度不均匀；从所述内部腔室的进入孔口开始，厚度会大大减小。此外，在所述腔室通风孔口处会形成集聚，缩小了流通面积，降低了部件的冷却性能。
[0009]在以本申请人的名义提出的法国FR 2830874号专利申请中，提出了一种涡轮机金属部件的气相渗铝方法，所述部件上带有与外部相通的孔口和腔室，根据这个方法，包括铝化合物在内的沉积物的气态前体通过运载气体与箱体内的部件表面接触，所述运载气体为氦气或氩气，并选择箱体内的压力，以便在大气压力下，运载气体分子的平均自由程是氩气分子的平均自由程的两倍。这些分子的平均自由程通常定义为比率1/PXD2，式中，P是箱体内的压力，D是分子直径。
[0010]通过延长运载气体分子的平均自由程，内部通道内卤化物的扩散会增加，通过传统方法很难进入的区域内沉积厚度也会增加，从而改善了其整体防护性能。平均自由程的增加程度是源于运载气体的选择一此处是氦气一或者压力的降低，这些可以从上述公式推
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【发明内容】
[0011]本发明目的是提供一种改进的方法，采用本方法，内部腔室的壁上的涂层厚度在整个表面上都会是足够的。
[0012]本发明涉及带有一个腔室和一个开口的空心部件，所述腔室至少通过该开口与外部相通。本发明还涉及所述腔室内的带有诸如内部衬套的这类部件，所述这些部件通过开口装入并与部件装配在一起。图1示出了这种部件。这是双轴燃气涡轮发动机内低压级的一个喷嘴的横截面图。喷嘴导向叶片I包括一个在壳模内采用铸造金属制造而成的部件。所述部件，如图中局部所示，是由两个平台3和4之间的空心叶片2所形成的。叶片2的腔室分别通过其一侧上的两端与提供冷却剂的开口 5相通，而在另一侧上与流体出口端6相通。在叶片2的腔室内，安装了一个实际圆柱形状的衬套9。该衬套通过沿所述腔室开口边缘周围钎焊/焊接方法焊接或钎焊到提供冷却空气的开口 5的一侧。衬套的另一端装入到与出口端6相通的圆柱形壳体内，无需焊接，从而在瞬态工作期间使得衬套相对于叶片相对膨胀。衬套在其整个长度上都采用穿孔，且衬套与叶片的内壁形成一个空间，这样，来自供气开口 5的冷却空气就部分地流过衬套的孔口，并形成了多个喷气口，通过冲击和对流对叶片壁进行冷却。然后，所述空气经由叶片后缘附近的通风孔被排出。尚未流经衬套壁的空气被导向开口 6，以便被送到涡轮机的其它部件上。
[0013]在制造期间，与叶片分开生产的衬套9滑过开口 5而装入到叶片内，然而在上述开口附近钎焊。如图所示，下部则保持畅通，以便膨胀和滑入到开口 6所形成的壳体内。
[0014]通常，诸如衬套这样的部件的渗铝处理是在其装配后进行的。
[0015]根据本发明，通过如下方法，实际上改善了所述腔室内的渗铝沉积，该方法可以应用到任何部件上，所述部件带有可从开口滑过并装配在其内的构件。
[0016]气相沉积渗铝方法可实现涡轮机空心金属部件的高温氧化防护；
[0017]所述部件包括一个腔室，金属构件通过该腔室装入并通过一个开口装配在与所述部件内；
[0018]根据所述方法，通过卤素和含铝金属给体之间反应而形成卤化物，而后，由运载气体输送齒化物以便与所述金属部件接触。
[0019]其特征在于，金属部件在实施该方法之前首先进行表面富铝处理，目的是起铝给体的作用。
[0020]如果腔室内带有一个给体，由表面富铝处理的部件组成，可以产生有效沉积。特别是，从部件外部进入的问题得到了解决，同时仍控制内部给体的用量。
[0021]具体来讲，部件优选涂上一层由金属沉积形成的材料。这种沉积可以采用所属领域技术人员都熟悉的任何已有方法来进行:采用气相沉积渗铝(SVPA或CVD，包装胶结渗铝)、真空沉积(PVD)、热喷涂、电解沉积或槽内浸泡(浸涂)等等。
[0022]特别是，给体的用量可以通过所述层的厚度来控制，例如，厚度在ΙΟμπι到150 μπι之间，优选20到90 μ m之间。
[0023]所述层含有至少15wt%的铝，但是，也可以由至少一个已知其具有改善抗氧化性能的元素组成，该元素包括在元素集(Cr, Hf, Y, Zr, Si, Ti, Ta, Pt, Pd, Ir)内，特别是元素铬。
[0024]如上所述，该方法特别适合涡轮机空心叶片的渗铝处理。所述部件由多孔衬套组成，用来在腔室内传播冷却空气。
[0025]该叶片为喷嘴导向叶片，带有腔室，而腔室内装有衬套。