专利名称：金属间材料及该材料的应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1-3的金属间材料及根据权利要求4-5的该材料作为毡和作为高温保护层的应用。
背景技求燃气轮机的导向叶片和动叶片经受强负荷。为阻止燃气轮机的泄漏损失，例如将燃气轮机的转轮以非常小的间隙适配到定子上，以达到相切。在燃气轮机的定子上安置有蜂窝状结构。该蜂窝状结构由耐热金属合金制成。另一结构形式是经涂覆的或未经涂覆的光滑的隔热片(WSS)，其相对于旋转叶片置于外半径上。该叶片的端部与隔热片相磨擦。为防止叶片端部本身的磨损，可对其施加涂层，以达较大程度磨损隔热片。但这种方案的缺点是该涂层在涡轮机叶片上仅有有限的可粘附性。另外的缺点是在隔热片和/或叶片上设置的冷却空气孔摩擦时会被堵塞。
由DE-C2-3235230、EP-132667或DE-C2-3203869中已知，在燃气轮机部件的不同部位应用金属毡，如在涡轮机叶片的端部处(DE-C2-3235230)、在金属芯体或陶瓷外皮之间(DE-C2-3235230)或作为涡轮机叶片的外壳(EP-B1-132667)。这些实施方案的缺点是所用的金属毡不具有足够的耐氧化性。如现今燃气轮机的热气温度的提高导致所用的材料必需满足越来越高的要求。但在所述文献中的金属毡不再满足当今准则的要求，特别是在所需的耐氧化性程度上。
从US-B1-6241469、US-B1-6312218、DE-A1-19912701、EP-A2-0916897和EP-A2-1076157中已知一种由金属间合金组成的金属毡。该毡由烧结过的和压制过的金属间纤维制成，并且与上述材料相比，通过金属间相而具有明显改进的材料特性如强度、耐氧化性、可成形性和可加工性。金属高温纤维也描述于VDI-Bericht 1151，1995(Metallische Hochtemperaturfasern durch Schmelzextraction-Herstellung，Eigenschaften，Anwendungen)。
发明内容
如独立权利要求所表征的，本发明的目的在于进一步改进金属间合金的材料特性，使其可作为毡或高温保护层用于强热负荷的燃气轮机构件中。通过相应选择金属间合金的组成，应使其具有足够的强度、耐氧化性、可成形性、可加工性和足够的减振性。
本发明也涉及一种金属间材料，其由下列组分(重量％)组成8-15％Al，15-25％Cr，20-40％Co，0-5％Ta，0-0.03％La，0-0.5％Y，0-1.5％Si，0-1％Hf，0-0.2％Zr，0-0.2％B，0.01％C，0-4％Fe，余量为Ni和不可避免的杂质，特别是由下列组分(重量％)组成12％Al，22％Cr，36％Co，0.2％Y，0.2％Hf，3％Fe，余量为Ni和不可避免的杂质或10％Al，22％Cr，36％Co，0.2％Y，0.2％Hf，2％Ta，3％Fe，余量为Ni和不可避免的杂质。
这类金属间材料由于其材料特性适合用作如涡轮机叶片或其它构件的高温层。
也可设想在热涡轮机中用作带有磨擦部件上的金属间合金毡。该部件例如可包括转子或定子、涡轮机叶片的端部、与涡轮机叶片相对设置的隔热片或涡轮机叶片的平台。另一优点在于，当用陶瓷材料覆盖金属间合金毡时，在金属间合金毡粗糙的表面上获得了该陶瓷材料的非常良好的粘附性。由此例如可使导向叶片或动叶片的端部实现对热和由磨擦引起的机械作用的良好防护作用。另一优点还在于运行时不会因磨损引起冷却空气孔的堵塞，因为其涉及多孔材料。此外，金属间合金毡还具有足够的吸振特性。
附图简介本发明将以附图作说明，其中
图1示出本发明的在其端部有金属间合金毡的涡轮机叶片的实施方案，图2示出有隔热片的燃气轮机的实施方案，该隔热片相对导向叶片或动叶片而设置，并由金属间合金毡制成，图3示出本发明涡轮机叶片的第二实施方案，其中金属间合金毡设置在涡轮机叶片的平台上。
图4示出图3中局部IV的第二实施方案的变化方案，其中将在涡轮机叶片之间的金属间合金毡安置在支承基础结构上的涡轮机叶片的平台上，图5示出图2中截面V的带支承基础结构的本发明的隔热片，
图6示出图5中通过沿IV-IV线的隔热片的截面，图7示出在1050℃时各种材料的氧化行为，图8示出在1200℃时各种材料的氧化行为。
这里仅示出对本发明重要的部件。不同图中的相同部件用相同标号表示。
本发明的实施方式在图1中示出具有端部11、叶片14、平台12和叶片基座13的涡轮机叶片1。例如包括燃气轮机的导向叶片或动叶片或密封件。在涡轮机叶片1的端部11设置有本发明的金属间合金毡2。该金属间合金毡2基于Ni-Co-Al化物制备。为达到足够的强度、耐氧化性和可成形性，加入元素Ta、Cr、Y、B和Zr。在表1中给出本发明的Ni-Co铝化物的组成。
表1.本发明的金属间合金的组成(Ni-Co铝化物)
该金属间合金毡2的优点是明显改进的耐氧化性。由图7和8看出与市售镍基合金即Hastelloy X、Haynes 230、Haynes 214和合金SV349相比较的各种材料的氧化。表2中给出实验合金的组成。
表2.实验合金的组成(数据为重量％)
图8示出在1200℃下12小时期间在表2中所给出的重量增加。该重量增加代表材料的氧化。由图8看出，对比合金Hastelloy X在短时间如约100-300分钟后重量已增加一倍。随时间继续，该HastelloyX的重量继续增加，而金属间合金毡IM14和IM15却控制在恒定数值即0.6-0.8mg/cm2，合金IM28和29还要低于此值。这表明在金属间合金毡情况下耐氧化性有明显改进，因为形成了恒定的氧化层。对于根据本发明的金属间合金毡在热涡轮机的带有磨擦部位上的应用，该耐氧化性是决定整个部件寿命的最重要因素之一。两种合金IM28和29的区别均在于Co含量为20-40％。这进一步提高了金属间材料的耐氧化性。
图7与图8相当，但该实验在1050℃下进行。
为再提高图1中涡轮机叶片1的端部11上的强度，可用陶瓷层3覆盖金属间合金毡2，例如用TBC(热阻挡涂层)覆盖。该TBC包括用Y稳定化处理过的Zr氧化物。也可采用有同样效果的材料。可将陶瓷材料3溅涂到金属间合金毡2上，通过金属间合金毡2的不平表面该材料非常好地附着其上并有优良的耐氧化性。该陶瓷材料3对如由磨擦引起的热作用和机械作用有优良的防护能力。有利的是在涡轮机叶片1或转子/定子4中存在的冷却空气孔不会被堵塞，因为金属间合金毡2是多孔材料。
图2中示出另一实施方案。图2图示出具有转子4a和定子4b的燃气轮机。在转子4a上紧固有动叶片6，在定子7上紧固有导向叶片7。在转子4a或定子4b上通常设置有与导向叶片/动叶片6、7相对置的隔热片8。按本发明该隔热片8也可完全或部分由金属间合金毡制成。当发生磨损时也可通过多孔特性改进这些部位处的冷却，因为金属间合金毡的多孔结构防止了堵塞。如己所述的该磨损可通过TBC层来防止。该构件也可在TBC层下被冷却，因为该冷却介质可通过多孔毡侧向散出。
图5示出图2中截面V的本发明的隔热片8。金属间合金毡2安置在支承基础结构5上。该基础结构5具有紧固件9，用于紧固在图5中未示出的转子4a或定子4b上。该侧面的紧固件9是通过支杆10相互连接的。在支杆10之间，在朝向涡轮机叶片的一侧上施用金属间合金毡2并与之以机械方式相连。这例如可通过钎焊、熔焊或通过浇注实现。为耐久性起见，该毡应固着性地紧固在支承基础结构5上。
图6示出图5的VI-VI截面。从中可看出连接两紧固件9的支杆10未贯穿金属间合金毡2，而是该金属间合金毡2仅紧固在支杆上。由图6可看出，为进一步提高隔热片8的耐温性，该金属间合金毡2可再次以陶瓷材料3覆盖，如用TBC(热阻挡涂层)覆盖。也可采用有同样效果的材料。如在图1的涡轮机叶片1情况下，在磨损时也可保持冷却作用，因为未发生金属间合金毡2的堵塞。
为改进冷却，在图3的实施例中该金属间合金毡是安置在热涡轮机的涡轮机叶片1的平台12上。如在图1、2、5和6中所描述的，用陶瓷材料3覆盖毡2是有利的。其优点是TBC可特别好地粘附在金属间合金毡上，并且该毡是耐氧化的。这无需另外的粘合层(如MCrAlY)。在图3中其显示在右方的涡轮机叶片1旁。该TBC也用作防磨损。
图4示出图3中局部IV的实施例的第二方案。在两涡轮机叶片1之间即涡轮机叶片1的平台12上，该金属间合金毡2是紧固在由铸件或其它金属制成的支承基础结构5上。该支承基础结构5也可由各种腔室构成，以保证空气最佳地流向金属间合金毡2。
也可将该金属间合金毡装在燃气轮机内的有振动的部位，因为该毡除所述的耐氧化性外还有非常好的减振特性。
本发明的金属间材料由于其材料特性也可有利地用作在涡轮机叶片或其它构件上的高温涂层15。如图8和7所示，与合金SV 349相比，该两种合金在氧化方面也有改进的特性。现有技术中已知适于这种涡轮机叶片的各种涂覆保护层的涂层方法如等离子体溅射法。这时将由待涂材料组成的金属粉末引入火焰中或等离子体束中。该粉末立刻熔化，并向待涂表面溅射，这时该材料固化并形成连续的层。
也可采用物理(或化学)汽相淀积法。在此类方法中固态涂层材料以块状被加热和蒸发(如用激光或电子束)。该蒸汽淀积在基材上并经相应的时间在上面形成涂层。也可采用有同样效果的涂覆方法。
标号表1涡轮机叶片2金属间合金毡3陶瓷覆层4转子或定子4a 转子4b 定子5支承基础结构6动叶片7导向叶片8隔热片9紧固件10 支杆11 涡轮机叶片1的端部12 平台13 涡轮机叶片1的叶片基座14 涡轮机叶片1的叶片15 高温涂层
权利要求
1.一种金属间材料，其由下列组分(重量％)组成8-15％ Al，15-25％ Cr，20-40％ Co，0-5％ Ta，0-0.03％ La，0-0.5％ Y，0-1.5％ Si，0-1％ Hf，0-0.2％ Zr，0-0.2％ B，0.01％ C，0-4％ Fe，余量为Ni和不可避免的杂质。
2.权利要求1的金属间材料，其由下列组分(重量％)组成12％Al，22％ Cr，36％ Co，0.2％ Y，0.2％ Hf，3％Fe，余量为Ni和不可避免的杂质。
3.权利要求1的金属间材料，其由下列组分(重量％)组成10％Al，22％ Cr，36％ Co，0.2％ Y，0.2％ Hf，2％ Ta，3％ Fe，余量为Ni和不可避免的杂质。
4.权利要求1-3之一的金属间材料作为热涡轮机中的高温涂层(15)的应用。
5.权利要求1-3之一的金属间材料作为热涡轮机中有磨擦部件上的毡的应用。
6.权利要求5的金属间合金毡的应用，其特征在于，该金属间合金毡安置在转子(4，4a)或定子(4，4b)上。
7.权利要求5的金属间合金毡的应用，其特征在于，该部件(1，8)是涡轮机叶片(1)，在该涡轮机叶片(1)的端部(11)上配置有金属间合金毡(2)。
8.权利要求5的金属间合金毡的应用，其特征在于，该部件(1，8)是涡轮机叶片(1)，在该涡轮机叶片(1)的平台(12)上配置有金属间合金毡(2)。
9.权利要求5的金属间合金毡的应用，其特征在于，该部件(1，8)是隔热片(8)，该隔热片(8)完全或部分由金属间合金毡(2)构成。
10.权利要求5-8之一的金属间合金毡的应用，其特征在于，用陶瓷材料(3)覆盖金属间合金毡(2)。
11.权利要求5的金属间合金毡的应用，其特征在于，将该毡安装在热涡轮机中有振动的部件上。
全文摘要
本发明涉及一种金属间材料，其由下列组分(重量％)组成8－15％Al、15－25％Cr，20－40％Co，0－5％Ta，0－0.03％La，0－0.5％Y，0－1.5％Si、0－1％Hf，0－0.2％Zr，0－0.2％B，0.01％C，0－4％Fe，余量为Ni和不可避免的杂质。本发明还涉及其在热涡轮轧的中作为高温保护层和在有摩擦或有振动的部位上的应用。
文档编号C22C19/05GK1708598SQ03823964
公开日2005年12月14日 申请日期2003年7月24日 优先权日2002年8月16日
发明者A·科滋勒, M·纳滋米, M·E·斯陶布里 申请人:阿尔斯托姆科技有限公司