专利名称：抗磨损功能分级材料和方法
抗磨损功能分级材料和方法技术领域
本文中公开的主题的实施例大体涉及磨损保护。
背景技术：
在部件接触的各种系统中，可发生磨损。因为磨损可缩短装备的使用期限，延长装备停工期并且增大成本，所以磨损通常为不合乎需要的。在其中部件磨损的系统的一个实例是燃气涡轮。燃烧器在燃气涡轮中使用以将热燃烧气体运送到涡轮的第一级。在系统中使用的每个燃烧器通常包括具有一个或多个燃料喷嘴的燃料喷射系统和燃烧室。典型燃烧室可包括燃烧内衬、过渡件以及流动套管，该过渡件连接于燃烧室和涡轮的第一级并且在它们之间延伸。通路在燃烧内衬和流动套管之间产生，通路允许压缩机排出空气的至少一部分引入到燃烧内衬中，用于与通过燃料喷嘴喷射到系统中的燃料混合并且用于冷却目的。另外，过渡件将热燃烧气体引导和运送到涡轮的第一级，用于功率产生和膨胀。
更具体地，关于图1描述燃烧器和它的相关过渡件。用于在燃气涡轮中使用的燃烧器2具有燃烧室4，其位于可具有柱形形状的燃烧内衬6之内。燃料经由(多个)喷嘴12进入燃烧室4。燃烧内衬6被大致柱形流动套管8围绕。然而，径向间隙存在于燃烧内衬6和柱形流动套管8之间，径向间隙充当空气流通路以将空气引入到燃烧室4中以与通过燃料喷嘴12运送的燃料混合。过渡件10使燃烧内衬6与涡轮的第一级连接(未示出)。
在操作期间，一些燃烧部件受到由例如硬件振动引起的磨损的影响。该磨损产生与停工期和替换部件有关的维护和费用成本。虽然将燃气涡轮燃烧部件用作实例，但是在其他类型的机器中使用的其他部件也可经历磨损。用于减小部件的磨损的一个可能方法是将耐磨覆层喷涂在这些部件的表面上。这些喷涂涂覆机制利用对于期望的涂覆表面处于大约90°角的喷涂喷嘴而执行。期望涂覆的一些部件几何形状(例如，拐角和各种弯曲部)不一定总是允许实现所需角度(在涂覆喷涂喷嘴和部件表面之间)，这可导致薄覆层或可能根本没有覆层。
因此，用于减小磨损、延长部件的使用期限并且减小成本的系统和方法是合乎需要的。发明内容
根据示范实施例，存在一种用于构件表面物理性质增强的系统。系统包括:构件，其构造成接收覆层；镜像构件，其构造成是可移除的，其中，镜像构件具有大致反映构件上的至少一个表面的至少一个涂覆表面；和覆层，其用于增强构件的至少一个表面的表面物理性质，其中，覆层通过热等静压(HIP)从镜像构件转移到构件。
根据另一个示范实施例，存在一种用于构件的表面物理性质增强的方法。该方法包括:涂覆镜像构件的至少一个表面，其中，镜像构件的至少一个表面大致反映构件上的至少一个表面；通过热等静压(HIP)将覆层从镜像构件转移到构件，其中，覆层是用于增强表面物理性质的覆层；和移除镜像构件。
根据又一个示范实施例，存在一种用于构件的表面物理性质增强的系统。系统包括:构件，其构造成接收覆层；镜像构件，其构造成产生在镜像构件和构件之间的间隙，其中，镜像构件具有大致反映构件上的至少一个表面的至少一个表面；和布置在间隙中的涂覆粉末，涂覆粉末构造成增强构件的至少一个表面的表面物理性质，其中，热等静压被执行以将涂覆粉末施加于构件的至少一个表面。
了示范实施例，其中: 图1描绘了传统燃烧器和过渡件； 图2示出了根据示范实施例的接触的两个部件； 图3图示了根据示范实施例的附接于凸缘的H型组块； 图4图示了根据示范实施例的叉形件； 图5示出了根据示范实施例的燃烧器内衬止动件(stop)和它的配合件； 图6图示了根据示范实施例的H型组块； 图7示出了根据示范实施例将抗磨损覆层喷涂在镜像构件上； 图8图示了根据示范实施例将抗磨损覆层从镜像构件转移到H形组块上； 图9描绘了根据示范实施例移除镜像构件； 图10示出了根据示范实施例的具有抗磨损覆层的H形组块； 图11示出了根据示范实施例的磨损构件和镜像构件； 图12图示了根据示范实施例的在构件和镜像构件之间的间隙； 图13描绘了根据示范实施例以碳化钨粉末填充间隙；以及 图14是图示了根据示范实施例的用于减小磨损的方法的流程图。
具体实施方式
示范实施例的下列详细描述参考附图。不同附图中的相同附图标记识别相同或相似的元件。另外，附图不一定按比例绘制。此外，下列详细描述不限制本发明。而是，发明的范围由所附权利要求限定。
在整个说明书中参考“一个实施例”或“实施例”意味着，结合实施例描述的特别特征、结构或特性包括在所公开的主题的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”在整个说明书中的各个地方的出现不一定指的是相同的实施例。此外，特别特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合在一个或多个实施例中。
根据示范实施例，在部件或构件上的一个或多个表面物理性质可增强。表面物理性质增强的实例包括用于如下构件的增强，即，该构件可在磨损环境、酸性环境、腐蚀性环境中使用，和/或用作热障。这些部件可具有多个表面，并且在各种应用(例如机器中的构件、管道、连接器等)中使用。
可增强的表面物理性质的一个实例是磨损减小。根据示范实施例，抗磨损覆层可施加于经历磨损的构件的一个或多个表面。构件可包括至少一个表面，其经历来自例如与另一个部件的物理接触的磨损。两个部件之间的该物理接触可由于诸如摩擦、由起动/停止运动而引起的接触、 振动等的各种机制而发生。构件可在大多数情况下具有任何形状或大小。磨损表面几何形状的实例可包括但不受限于平坦表面、成形表面、内表面、凹入表面、凸出表面和其他几何成形表面。例如，任何两个配合构件可在各种情况下经历磨损。在图2中示出相互接触的两个部件的实例，其中，第一部件14与第二部件16接触，并且由于例如第一部件14和第二部件的振动18，第一部件14与第二部件16之间的磨损在它们布置在其中的系统处于操作中时发生。磨损在共同接触表面6上发生在两个部件上。
根据示范实施例，与磨损部件相关的接触点和表面的磨损特性可被修改，使得它们的有用使用期限延长。在讨论这些示范实施例之前，将描述图3-5以提供关于在燃气涡轮燃烧系统中倾向于磨损的构件的背景。虽然将燃气涡轮燃烧系统用作在其中部件磨损的系统的仅说明性的实例，但是将理解，其他系统中的其他构件可经受磨损。各种其他部件、机器和系统可受益于本文中描述的示范实施例。
首先，如在图3中看到的，过渡件10可具有带有开口 22的带凸缘区段20。H形组块(或大致H形组块)24在开口 22内并且附接于带凸缘区段20。虽然图3仅示出了单独H形组块24和单独带凸缘区段20，但是可存在附接于过渡件10的这些零件/区段中的两个。叉形件26和28可滑动地接收在H形组块24内，使得指状元件的相对面向表面可接合H形组块24的横构件(cross-piece) 30的相对侧面。磨损可发生在H形组块24的内表面上，其中，叉形件26和28可摩擦或振动。磨损还可在接触H形组块24的内表面的叉形件26和28的面向表面上发生。根据示范实施例，图4还示出了包括内U形表面32的叉形件26和28，内U形表面32还可具有磨损表面。
图5示出了燃烧器内衬止动件34和凸配合件36。这两个零件配合的地方还为磨损可在燃烧器2的操作期间发生的位置。另外，H形组块24、燃烧器内衬止动件34和它们各自的配合件可由例如L-605的钴基超级合金、Hastelloy X或其他所谓的“超级合金”制成。
当在操作中时，各种磨损构件中的一些可具有相对短的使用期限，这可导致比检查和替换的期望频率更高的频率。根据示范实施例，抗磨损覆层的施加可增大各种磨损构件的耐磨性，因此减小各种磨损构件的检查和替换的频率。对于待使用的抗磨损覆层的量的考虑包括但不受限于脆性、延展性和硬度。各种合金元素可引入到抗磨损覆层，以便获得用于适当条件的期望性质。
根据示范实施例，抗磨损覆层可喷涂到例如低碳钢插入件的镜像构件上，用于施加于不可通过直接喷涂方法而适当地`涂覆的磨损表面。所谓的“镜像构件”的几何形状大体反映覆层将转移到其上的构件的一个表面或多个表面的几何形状。喷涂在镜像构件上的抗磨损覆层的厚度可基于如下因素而变化，即，该因素诸如为覆层材料、转移覆层的期望厚度和基于在转移期间使用的温度和压力的预期转移性质、以及在制造磨损部件时使用的材料的扩散性质。碳化钨层可经由热等静压(HIP)过程从镜像构件转移到部件的一个或多个磨损表面。
根据示范实施例，可受益于覆层的构件的实例是H形组块30，其可加工成如图6所示的形状。H形组块30可包括过多(overstock)的量,例如2mm。H形组块30具有在每个“半部”的内部上的三个磨损表面，其中，H形组块30的半部由虚线38分开。H形组块30的第一半部40具有内磨损表面44、46和48。H形组块30的第二半部42具有三个内磨损表面50、52和54。磨损表面可为H形组块30的内表面，并且可描述为大致垂直于第二表面44的第一表面46,第二表面44大致垂直于第三表面48,第三表面48大致平行于第一表面46并且具有与第一表面46大致相同的表面面积。
如上所述，抗磨损覆层可喷涂到磨损表面上。根据示范实施例，抗磨损覆层可通过经由喷嘴58将高速火焰(HVOF)喷涂或等离子体喷涂到插入件56上而施加，如图8所示。镜像构件56的几何形状大体反映待涂履的磨损表面(在该实例中，H形组块30的磨损表面44、46和48)的几何形状。
根据示范实施例，接着，碳化钨覆层60可通过HIP过程转移到H形组块30的磨损表面44、46和48，如图8所示。HIP过程可以以大约1200°C和IOOMpa执行，然而，可选温度和压力可用于确保碳化钨覆层60到H形组块30中的期望扩散发生。另外，虽然未示出，但是该操作可执行用于H形组块30的两个侧面40和42。另外，对于不同构件，构件的组成和抗磨损覆层(或其他类型的覆层)的不同成分、各种温度和压力可用于HIP过程。
根据示范实施例，如图9所示，镜像构件56可通过酸浸(或蚀刻)并且/或者通过加工和/或其他过程而移除。镜像构件56周围的虚线表示镜像构件56从H形组块30的移除。另外，碳化钨覆层60在H形组块30的磨损表面44、46和48上的存在表示，这些表面被按照要求扩散到H形组块30中的碳化钨覆层60所覆盖。在酸浸之后，通过酸浸改变的、来自未保护和/或未涂覆表面的过多(例如大约2_)的材料可通过加工移除。接着，H形组块30可按照要求加工到它的最终尺寸。完整的H形组块30示出在图10中，并且包括具有碳化钨覆层的所有内磨损表面44-54。如上所述，相似的方法可用于将抗磨损覆层从镜像构件转移到叉形件26和28的一个或多个磨损表面，并且将抗磨损覆层转移在燃烧器内衬止动件(叉形件)26和28的磨损表面32上。碳化钨覆层60被认为是覆层的实例，然而，为表面物理性质提供合乎需 要的增强的其他覆层可基于例如部件在其中使用的环境而按照要求使用。
根据示范实施例，可执行将覆层施加于部件的表面的另一种方法，如现在将关于图11-13所描述地。该覆层可为抗磨损覆层或与另一种表面物理性质增强相关的覆层。图11示出了具有三个内表面64、66和68的构件62。还示出镜像构件70，其可按照要求由低碳钢或其他材料制成。镜像构件70大体反映三个内表面64、66和68，并且镜像构件70放置到构件62的开口 72中，如图12所示。根据示范实施例，可存在在三个内表面64、66、68和镜像构件70之间的间隙。间隙74的期望大小可按照要求通过确定镜像构件70的大小而控制。另外，间隙74的大小可按照要求通过各种测量方法验证。该间隙74可填充有粉末，其可为三个内表面64、66和68提供耐磨性或其他表面物理性质增强。
根据示范实施例，如图13所示，间隙74可填充有WC粉末76。接着，热等静压可执行成将WC粉末76提供到构件62的三个内表面64、66和68上的覆层中。根据示范实施例，接着，酸浸可用于移除镜像构件70，之后是构件62的最终加工，以实现期望的最终尺寸和/或移除被酸浸过程损坏的过多材料。根据可选的示范实施例，镜像构件可由两个或更多个零件制成，该两个或更多个零件中的一些可被机械地移除。这可被进行以减小待执行的酸浸和最终加工的量，并且可基于镜像构件70的形状是合乎需要的。
根据示范实施例，如上所述，覆层可在经受HIP过程之前喷涂到金属镜像构件上或者施加为粉末。覆层可为碳化钨。可选地，各种其他元素和合金还可按照要求用作抗磨损覆层。例如，钴和/或铬可添加于碳化钨以实现覆层的期望特性。根据示范实施例，具有钴的碳化钨的包括成分范围可为从83%的碳化钨和17%的钴到91%的碳化钨和9%的钴。可选地，可添加例如4%铬的铬，同时据此调节碳化钨和/或钴百分比。将理解，这些成分范围不被认为是限制性的，并且其他成分范围(和/或材料)可用于获得抗磨损覆层的期望特性。另外，可使用其他覆层，其提供期望的机械/材料性质，并且可经由HVOF和/或热喷涂技术施加。根据示范实施例，覆层的厚度可为在(多个)表面上的大致一致的厚度。根据可选示范实施例，可使用可变厚度的覆层。
如上所述，镜像构件可被成形，该镜像构件大致反映其他表面(或表面的部分)，其中，HVOF和/或等离子体的直接喷涂可为不合乎需要的或者甚至不可执行的。根据示范实施例，接着，先前描述的其他形状可受益于本文中公开的示范系统和方法。例如，可为平坦的、可为弯曲的、可为凹入的(或甚至像管的内表面一样闭合的)或其他期望几何形状的其他表面可具有利用这些示范方法和系统施加于它们的覆层。
利用根据示范实施例的以上描述的示范系统，在图14的流程图中示出了用于表面物理性质增强的方法。用于至少一个构件的表面物理性质增强的方法包括:涂覆镜像构件的至少一个表面的步骤78 ;在步骤80处，通过热等静压将大致反映构件上的至少一个表面的覆层从镜像构件转移到构件，其中，覆层是用于增强表面物理性质的覆层；和在步骤82处，移除镜像构件。
本发明的以上描述的示范实施例意图在各个方面是说明性的而非限制性的。因此，本发明能够由本领域技术人员进行详细实施的许多变化，其可来源于本文中包含的描述。所有该变化和修改被认为在由所附权利要求限定的本发明的范围和精神内。在本应用的描述中使用的元件、动作或指令不应当理解为对本发明而言是必需或基本的，除非明确地如此描述。此外，如在本文中使用地，冠词“一个”意图包括一个或多个物品。
该书面描述使用公开的主题的实例以使本领域技术人员能够实践该实例(包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何合并的方法)。本主题的可取得专利权的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员所想到的其他实例。该其他实例意图在权利要求的范围内。
权利要求
1.一种用于构件表面物理性质增强的系统，所述系统包括: 构件(30)，其构造成接收覆层(60)； 镜像构件(56)，其构造成是可移除的，其中，所述镜像构件具有大致反映在所述构件(30)上的至少一个表面的至少一个涂覆表面；和 覆层(60)，其用于增强所述构件(30)的至少一个表面的表面物理性质，其中，所述覆层(60)通过热等静压(HIP)从所述镜像构件(56)转移到所述构件(30)。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述覆层是抗磨损覆层。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述抗磨损覆层是碳化钨(WC)覆层。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述构件是大致H形组块，其构造成将燃气涡轮燃烧器的过渡件固定于支撑件，并且其中，所述构件的至少一个表面包括大致垂直于第二表面的第一表面，所述第二表面大致垂直于第三表面，所述第三表面大致平行于所述第一表面并且具有与所述第一表面大致相同的表面面积。
5.一种用于构件的表面物理性质增强的方法，所述方法包括: 涂覆镜像构件的至少一个表面(78)； 通过热等静压(HIP)将大致反映在所述构件上的至少一个表面的覆层从所述镜像构件转移到所述构件，其中，所述覆层是用于增强表面物理性质的覆层(80);以及 移除所述镜像构件(82)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述覆层是抗磨损覆层。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述覆层是碳化钨(WC)覆层。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述构件是大致H形组块，其构造成将燃气涡轮燃烧器的过渡件固定于支撑件，并且其中，所述构件的至少一个表面包括大致垂直于第二表面的第一表面，所述第二表面大致垂直于第三表面，所述第三表面大致平行于所述第一表面并且具有与所述第一表面大致相同的表面面积。
9.一种用于构件表面物理性质增强的系统，所述系统包括: 构件(62)，其构造成接收覆层； 镜像构件(70)，其构造成产生在所述镜像构件(70)和所述构件(62)之间的间隙(74)，其中，所述镜像构件(70)具有大致反映在所述构件(62)上的至少一个表面的至少一个表面；以及 布置在所述间隙(74)中的涂覆粉末，所述涂覆粉末构造成增强所述构件(62)的至少一个表面的表面物理性质，其中，执行热等静压以将所述涂覆粉末施加于所述构件￠2)的至少一个表面。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述构件是大致H形组块，其构造成将燃气涡轮燃烧器的过渡件固定于支撑件，并且其中，所述构件的至少一个表面包括大致垂直于第二表面的第一表面，所述第二表面大致垂直于第三表面，所述第三表面大致平行于所述第一表面，并且具有与所述第一表面大致相同的表面面积。
全文摘要
本发明涉及抗磨损功能分级材料和方法。系统和方法提供用于构件表面物理性质增强。构件表面物理性质增强系统包括构件，其构造成接收覆层；镜像构件，其构造成是可移除的，其中，镜像构件具有大致反映构件上的至少一个表面的至少一个涂覆表面；和覆层，其用于增强构件的至少一个表面的表面物理性质，其中，覆层通过热等静压(HIP)从镜像构件转移到构件。
文档编号C23C4/10GK103160770SQ20121053351
公开日2013年6月19日 申请日期2012年12月12日 优先权日2011年12月12日
发明者V.布兰彻蒂, F.巴尔萨莫 申请人:诺沃皮尼奥内有限公司