用于将耐热部件固定在暴露于热的部件的表面上的方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于将耐热部件(1)固定在暴露于热的部件(4)的表面上的方法，其通过利用熔焊料(3)将由周缘边缘(7)所限制的耐热部件(1)的表面的至少一部分钎焊在暴露于热的部件(4)的表面上。第一备选方案包括以下步骤：-使至少除包括周缘边缘(7)的边缘区域之外的耐热部件(1)的表面金属化以及-将所述金属化的表面(2)钎焊至暴露于热的部件(4)的表面，其中，至少耐热部件(1)的表面由陶瓷材料构成，该陶瓷材料具有关于可湿性的物理化学特性使得陶瓷材料不可被熔焊料(3)润湿，并且/或者金属或金属合金被用于金属化，其具有关于可湿性的物理化学特性使得该金属化可被熔焊料(3)润湿。
【专利说明】用于将耐热部件固定在暴露于热的部件的表面上的方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种用于将耐热部件固定在暴露于热的部件(heat exposedcomponent)的表面上的方法，其通过利用熔焊料(molten solder)将由周缘边缘(peripheral boundary edge)所限制的耐热部件的表面的至少一部分钎焊(brazing)在暴露于热的部件的表面上。
【背景技术】
[0002]由于从过程参数控制其微结构的受限的能力和适合于热等离子喷涂的材料的减少的选择，当前的热障覆层(TBC)可能在高度先进的燃气轮机中达到其应用限制。克服这些限制的一种方式是离开热障覆层并且以所谓的瓷砖代替其，可利用不同的紧固技术将瓷砖固定在暴露于热的部件的表面上。
[0003]文件US 7，198，860 B2公开了一种用于带有大量被连结至燃气轮机部件的暴露于热的表面的瓷砖的燃气轮机部件的瓷砖隔绝部。单独的瓷砖的第一层被连结至是陶瓷材料的燃气轮机部件的表面。单独的砖的第二层被连结到第一层之上。
[0004]瓷砖可通过施加粘合剂被连结至每个砖的背面、至基质的表面或者至二者。每个单独的砖然后被压到基质的表面上并且通过在高达1200°C的提高的温度下干燥和灼烧来实现永久连结。砖在其面对接合部的整个表面上被连结至基质。
[0005]文件EP O 396 026 Al公开了一种合成物，在其中由陶瓷和金属制成的部分通过焊接彼此连结，其中，膨胀元件布置在陶瓷与金属材料之间，其中，所述膨胀元件整体地连结至所述材料，其中，膨胀元件通过焊接被连结至材料，其中，膨胀元件一件式地模制在金属材料处并且通过焊接被连结至陶瓷材料。该文件使用在一侧与金属部分而在另一侧与陶瓷部分相连接的膨胀元件。
[0006]文件US 4 690 793 A公开了一种带有用于包围等离子颗粒的新型真空容器的热核反应器，其中，暴露于上述等离子颗粒的反应器壁具有成堆的结构。大量耐热砖以冶金的方式通过钎焊材料被连结至具有冷却剂的金属基主体。瓷砖优选地由高密度的烧结的碳化硅构成并且在晶粒的边界之间包含少量氧化铍。其非常接近我们的权利要求1。
[0007]文件JP 2002 373955 A公开了一种电源模块基质，在那里散热板形成在一表面上而电路穿过形成在陶瓷基础材料的相对的侧面上的金属化图案层(metalIizat1npattern layer)形成在另一表面上或者待成形的铜板利用金属钎焊材料来连结。陶瓷基础材料具有从陶瓷基础材料的外周缘端部延伸至相对的表面的内侧的不连结区域。
[0008]文件JP 1985 0207162 A公开了使用钎焊填充材料将具有金属化表面层的陶瓷和金属部件接合，在那里在面向金属化层的边缘部分的金属部件上成形有凹入部分。钎焊填充材料被置入金属化层与金属部件之间。
[0009]文件JP 2008 311296 A公开了一种陶瓷基质，其提供有粗糙表面部段，这些部段包括金属层的相应布置区域的外边缘或者沿着它们的外边缘的电路层(circuit layer)。光滑部段被在布置区域中的粗糙表面部段围绕并且比粗糙表面部段更光滑。
【发明内容】
[0010]本发明的目的是提供一种用于使用熔焊料将耐热部件(优选地以板状瓷砖的形状每个由周缘边缘所限制)固定在暴露于热的部件的表面处的增强的方法，其使耐热部件能够以可靠的且耐久的方式并且尤其免于热应力地被紧固在表面上。
[0011]该目的通过在独立权利要求1、2和5中的特征的总和来实现。本发明有利地可通过在从属权利要求中以及在下面的尤其涉及优选的实施例的说明中公开的特征来改型。
[0012]由发明人执行的关于在陶瓷耐热部件(以下瓷砖)与暴露于热的部件(如涡轮叶片)的金属表面之间的接合部的集中调查显示出，如果单独的瓷砖的边缘不被连结至金属基质，瓷砖将在暴露于热的条件下很大程度上保持无压力。在相反的情况中，如果瓷砖直至其边缘完全被连结在金属表面处，可产生较大压力引起单独瓷砖层离。
[0013]为了避免单独的瓷砖从暴露于热的部件的金属表面的前述层离，创造性地提出备选的方法以避免在暴露于热的部件的表面上连结边缘、优选地瓷砖的周缘边缘的至少一部分。在创造性的方法后面的技术问题是寻求一种耐用的方法，其在生产期间不会强加任何尺寸公差来确保在瓷砖与暴露于热的部件之间的无缺陷的且合适的接合。
[0014]根据第一备选方案，一种用于将耐热部件(如瓷砖)固定在暴露于热的部件的表面上的方法，其通过使用熔焊料将由周缘边缘所限制的瓷砖的表面的至少一部分钎焊在暴露于热的部件的表面上，该方法创造性地特征在于使至少除包括瓷砖的周缘边缘的边缘区域之外的瓷砖的表面金属化。在金属化步骤之后，瓷砖的金属化的表面被钎焊至暴露于热的部件的表面，在该表面中瓷砖的周缘边缘保持排除于钎焊接合或焊接接合。
[0015]为了确保熔焊料在钎焊期间不覆盖和因此润湿沿着瓷砖的周缘边缘的陶瓷表面区域，瓷砖的陶瓷材料和焊接材料两者鉴于其物理化学特性、尤其关于可湿性被选择成使得熔焊料不具有润湿瓷砖的陶瓷表面的亲和性。
[0016]提出利用钎焊金属合金作为焊接材料工作，其不润湿耐热部件的陶瓷表面，除非这样的表面之前已经历金属化。因此，钎焊区域或焊接区域(其对应于接合区域)可通过金属化过程在形状和尺寸上来限定，在金属化过程期间金属层如创造性地所要求的那样被涂覆到瓷砖的表面的所限定的区域上。
[0017]备选于前述方法，创造性地提出以间隔层(distance layer)(其具有关于可湿性的物理化学特性使得间隔层将不被熔焊料润湿)至少涂覆包括瓷砖的周缘边缘的边缘区域。在该情况中砖的陶瓷材料和焊接材料被选择成使得熔焊料具有润湿瓷砖的陶瓷表面的高亲和性，从而可能不需要金属化步骤在瓷砖与暴露于热的部件的金属表面之间形成直接的焊接接合。重要的是间隔层覆盖瓷砖的边缘区域，使得间隔层防止熔焊料润湿包括瓷砖的周缘边缘的至少边缘区域。
[0018]在高达1200°C的过程温度下在保护性气氛下、也就是说无氧气地或在减少的氧气量下来执行钎焊步骤，使得间隔层将不遭受任何损害。在钎焊之后进行附加的燃烧步骤，在该步骤中间隔层(其至少覆盖包括周缘边缘的边缘区域)在空气环境下以氧化的方式被烧尽。
[0019]优选地，间隔层实现为碳或聚合薄膜层，其施加在包括耐热部件(其优选地是成板状部件(如瓷砖)的形状)的至少一部分、优选地完整的周缘边缘的边缘区域上。碳或聚合薄膜可抵抗在保护性气氛下的钎焊过程，从而确保了熔焊料不能覆盖瓷砖的边缘区域。在钎焊步骤之后，碳或聚合薄膜可在空气中以氧化的方式被烧尽，确保独立的边缘，其与暴露于热的部件的金属表面一起围出自由间隙。自由间隙具有在烧尽的间隔层的厚度的维度中的间隙尺寸。
[0020]用于将瓷砖固定在暴露于热的部件的表面上的本发明的第三备选方法提出瓷砖的接触表面和/或暴露于热的部件的表面结构化成使得包含周缘边缘的瓷砖的边缘区域在两个表面接触之后不与暴露于热的部件的表面接触。在这样的情况中两个表面具有关于可湿性的物理化学特性使得表面可被熔焊料润湿。
[0021]由于待通过钎焊来接合的这两个表面中的至少一个的合适的结构化，在钎焊之后瓷砖的周缘边缘与暴露于热的部件的表面包围自由间隙。用于结构化的一优选的实施例将在以下附图中的一个中来说明。
[0022]也可能将第三备选方法与之前所说明的第一和第二备选方法相结合。
[0023]优选的钎焊材料或焊接材料是钎焊金属合金，其在金属表面(其在之前所说明的本发明的第一方法的情况中是暴露于热的部件的表面和瓷砖的金属化表面)上具有良好的可湿性能。
[0024]如之前所提及的耐热部件在优选的实施例中是瓷砖，其可以是单块的陶瓷或带有多层结构的陶瓷或陶瓷基复合物。瓷砖优选地具有在Imm与1mm之间、优选地6mm的板厚度和在0.5cm2与1cm2之间的板表面尺寸。术语“耐热部件”不限于瓷砖，而是可考虑适合于施加到暴露于热的部件(特别是燃气轮机或蒸汽轮机组件的燃烧器或涡轮的金属部件)的表面上的所有陶瓷体。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]接下来将更详细地基于示例性的实施例结合附图来解释本发明。其中:
图1显示了穿过在瓷砖与金属基质之间利用金属化的接合部的横截面图，
图2显示了穿过在瓷砖与金属基质之间利用间隔层的接合部的横截面图，以及图3显示了在结构化的瓷砖与金属基质之间的接合部的横截面图。
[0026]附图标记清单 I耐热部件
2金属化物 3熔焊料
4暴露于热的部件 5熔焊料 6间隔层 7周缘边缘
8 顶峰点(crest-point)
9空间 g间隙
r 边缘区(rim area)。
【具体实施方式】
[0027]图1显示了在由陶瓷材料制成的耐热部件I(其成砖的形状)与提供金属表面的暴露于热的部件4之间的接合部的横截面视图。暴露于热的部件4优选地是燃气或蒸汽轮机组件的金属部件，例如燃烧器的燃烧衬套(combust1n liner)、润轮的叶片、静叶(vane)或隔热元件。
[0028]为了提高暴露于热的部件4的耐热，瓷砖I被连结至暴露于热的部件4的金属化表面。为了避免在瓷砖I中的显著的热应力，瓷砖I的边缘7是自由的并且被从在部件I与4之间的连结接合部排除。为了实现在周缘边缘7与暴露于热的部件4的金属表面之间的间隙g，瓷砖I在接合在面向暴露于热的部件4的表面处之前在第一步骤中被金属化。金属化被执行成使得包括周缘边缘7的边缘区域被从金属化排除，使得沿着周缘边缘7的边缘区r将保持为陶瓷表面。在金属化之后金属层2覆盖面向暴露于热的部件4的金属表面的瓷砖I的表面的一部分。
[0029]在下面的步骤中，暴露于热的部件4的金属表面利用熔焊料3被钎焊到金属化的表面2上，熔焊料3仅将金属化表面2的表面润湿但是其不能够在包括周缘边缘7的边缘区域中润湿在瓷砖I的边缘区r处的自由陶瓷表面。
[0030]在钎焊之后，靠近周缘边缘7的间隙g将保留在瓷砖I与暴露于热的部件4之间。
[0031]图2显示出用于在包括瓷砖I的周缘边缘7的边缘区域与暴露于热的部件4之间建立间隙g的备选实施例。
[0032]在图2的情况中，包括周缘边缘7的边缘区域首先涂覆有间隔层6，其用作防止熔焊料遍布瓷砖I的整个陶瓷表面的物理屏障。间隔层6 (优选地是碳或聚合材料的)确保熔焊料不能润湿包括周缘边缘7的边缘区域。瓷砖I的陶瓷表面的可湿性和熔焊材料被选择成使得熔焊料能够润湿瓷砖I的陶瓷表面以及暴露于热的部件4的金属表面。将在保护性的环境条件下来执行钎焊过程使得间隔层6可无损伤地做完钎焊步骤。图2显示了在钎焊步骤之后的结果。为了除去间隔层6，需要在空气条件下的进一步的燃烧过程以通过氧化过程将间隔层6烧尽以在边缘区域与暴露于热的部件4的金属表面之间建立自由间隙。
[0033]图3a和b显示了用于通过钎焊将成瓷砖I的形状的耐热部件固定在暴露于热的部件4的金属表面上的另一备选方法。与结合图1和2所说明的实施例(在其中待钎焊在一起的表面是平面形状)不同，瓷砖I的表面成波浪状结构，使得周缘边缘7设置成相对于瓷砖I的结构化表面的波峰点8凹进。
[0034]此外，钎焊或焊接材料5被选择成使得熔焊料5润湿瓷砖I的陶瓷结构化表面以及暴露于热的部件4的金属表面。焊接材料5的层厚和表面尺寸与砖I的结构化陶瓷表面的凹进体积相对应，使得熔焊材料5填充由瓷砖和暴露于热的部件1、4的彼此相接触的两个表面所包围的空间9。
[0035]图3b显示了在钎焊之后的接合部，在其中空间9完全以焊接材料5来填充。此外，在包括周缘边缘7的边缘区域与暴露于热的部件4的金属表面之间的间隙g中没有焊接材料5。
[0036]也可能备选地或与在图3a和b中所示的瓷砖I的表面结构化相结合使暴露于热的部件4的金属表面成结构。此外可考虑还在图1和2中所示的实施例中施加如在图3a、b的情况中的表面的结构化。
【权利要求】
1.一种用于将耐热部件(I)固定在暴露于热的部件(4)的表面上的方法，其通过利用熔焊料(3)将由周缘边缘(7)所限制的所述耐热部件(I)的表面的至少一部分钎焊在暴露于热的所述部件(4)的表面上，其包括: -使至少除包括所述周缘边缘(7)的边缘区域之外的所述耐热部件(I)的表面金属化以及 -将金属化的所述表面(2)钎焊至暴露于热的所述部件(4)的表面，其特征在于， -至少所述耐热部件(I)的表面由陶瓷材料构成，所述陶瓷材料具有关于可湿性的物理化学特性使得所述陶瓷材料不能够被所述熔焊料(3)润湿，并且/或者 -金属或者金属合金被用于金属化，其具有关于可湿性的物理化学特性使得所述金属化能够被所述熔焊料(3)润湿。
2.一种用于将耐热部件(I)固定在暴露于热的部件的表面上的方法，其通过利用熔焊料(5)将由周缘边缘(7)所限制的所述耐热部件(I)的表面的至少一部分钎焊在暴露于热的所述部件(4)的表面上，其特征在于: -以间隔层(6)至少涂覆包括所述耐热部件(I)的周缘边缘(7)的边缘区域，所述间隔层(6)具有关于可湿性的物理化学特性使得所述间隔层(6)不能被所述熔焊料(5)润湿，并且 -将所述耐热部件(I)的表面钎焊至暴露于热的所述部件(4)的表面，所述耐热部件(I)的表面具有关于可湿性的物理化学特性使得所述表面能够被所述熔焊料(5)润湿。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在保护性气氛下、也就是说无氧气地或在减少的氧气量下来执行钎焊，并且在钎焊之后跟随有燃烧步骤，在所述燃烧步骤中至少覆盖包括所述周缘边缘(7)的所述边缘区域的所述间隔层(6)在空气环境下被烧尽。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，至少所述耐热部件(I)的表面由陶瓷材料构成，所述间隔层(6)由碳或聚合材料构成而所述焊料(5)由金属或金属合金构成。
5.一种用于将耐热部件(I)固定在暴露于热的部件(4)的表面上的方法，其通过利用熔焊料(5)将由周缘边缘(7)所限制的所述耐热部件(I)的接触表面钎焊在暴露于热的所述部件(4)的表面上或者根据权利要求4至6中任一项所述，其特征在于: -使所述耐热部件(I)的接触表面和/或暴露于热的所述部件(4)的表面结构化成使得在两表面接触之后包括所述周缘边缘(7)的所述耐热部件的边缘区域不与暴露于热的所述部件(4)的表面接触并且 -钎焊所述表面，每个具有关于可湿性的物理化学特性使得所述表面能够被所述熔焊料(5)润湿。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，结构化被执行成使得在钎焊之后所述耐热部件(I)的周缘边缘与暴露于热的所述部件(4)的表面围出自由间隙(g)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述焊料是钎焊金属合金。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，暴露于热的所述部件(4)的表面是金属材料，其具有关于可湿性的物理化学特性使得所述金属能够被所述熔焊料(5)润湿。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述耐热部件(I)是陶瓷材料的板状部件，其具有在Imm与1mm之间、优选地6_的板厚度和在0.5cm2和1cm2之间的板表面尺寸。
【文档编号】C04B37/02GK104446593SQ201410484918
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年9月22日 优先权日:2013年9月20日
【发明者】斯图尔 M., 博斯曼 H-P., 伊斯奎雷 M. 申请人:阿尔斯通技术有限公司