专利名称：涡轮机金属部件和衬套气相渗铝方法
技术领域：
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：
燃气涡轮发动机一诸如航空领糊于微的发动机—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
縮后提供给围纟MM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，戶腿燃气经涡轮膨胀，涡轮转子驱动压縮转子转动。发动机以涡轮 进气口的发动机气^^度工作，所述皿应尽可能的高，因为其关系到发动机的性 能。为此，材料的选用应育練受这些工作条件，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 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。
为这些部^^共做作用的一种已矢昉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 。
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，囱化物在部件表面分解成气态卣素和铝，后者扩散到金属内。
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，从而产生卣化物。 惰性气M活化剂上以可使卤素升华的，循环，后者夹带在给体上并与其产生反 应而产生金属卣化物，戶皿金属卣化物在这个温度时呈现气态形式。卣化物而后与 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。
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4OT的部件返回t青况来看，这些表面都受到侵蚀。例如，发J见如下一些瞎况，喷 嘴的内部腐蚀，腐蚀薄片iSA喷嘴腔室内，后iHl风 L堵塞等等。因此，对这类部 件的防护还是必要的。气相渗铝方纟封寺别适合用于防护涂层，因为只要冷却齐鹏环的狭窄通道敞开时，
运载气体和活性成分就^iS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i4A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，縮小了流通面积，降低了部件的冷却性能。
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/P x D2，式中，P是箱体内的压力，D是分子直径。
通过延^ig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^ia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 以从上述公式推导得出。
发明专利内容
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。
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l示出了这种部件。这是只又轴燃气涡轮发 动机内低压级的一个喷嘴的横截面图。喷嘴导向叶片1包括一个在壳模内采用铸造 金属帝随而成的部件。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微令却齐啲开口 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/焊接方法焊接或钎焯到 提#^令却空气的开口 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 L被排出。尚未流经衬套壁 的空气被导向开口 6，以便被送至lj涡轮机的其它部件上。
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。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。
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^:积，该方法可
以应用到i壬何部件上，所述部件带有可从开口滑过并装配在其内的构件。 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； 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；
根据所述方法，通过卤素和含铝金属给体之间反应而形成卣化物，而后，由运 载气体输送卤化物以便与所述金属部件接触。
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。
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。 具体来讲，部件 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 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。
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10 ,到 150 ,之间，优选20到90拜之间。
所述层含有至少15 wt。/。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。
如上所述，该方法特别适合涡轮机空心叶片的渗铝处理。所述部件然由多孔衬 套组成，用来在腔室内传播冷却空气。
该叶片为喷嘴导向叶片，带有腔室，而腔室内装有衬套。所述衬套在用给体金 属进行表面处理后通过叶片一端的开口装入。接着，衬套通过一端焊接到位于开口 一顶啲叶片的壁上，而开口贝U用来将衬套^A腔室。例如，衬套采用钴基合織喊， 因为这种合金具有抗振动和摩擦的机械特性。
铝给懒寸套的使用特别有利，因为叶片腔室的内部涂层的质量实际上得到改善， 无需对传统的气相渗铝方法进行改动。叶片和给体衬套按与非渗铝衬套叶片的相同 方式装配，唯一改动部分涉及钎焊区域，后者优选必须保持非涂覆状态，然后，再 按传统方式进行渗铝。
由给##套组成的叶片可以是燃气涡轮发动机的涡轮的高压级部分，或者所述 发动机涡轮的低压级部分。
下面结合附图介绍本发明的实施方案，但本发明并不仅限于戶/f述实施方案。
图1为带有内部腔室和衬套的喷嘴导向叶片，衬套用来将引入的冷却空气散布 到所述腔室内；
图2为适合实施本发明的方法的渗铝装置；
图3示出了采用已有技术和根据本发明的技术后在内部获得的涂层厚度。
具体实施例方式
图2示出了传统气相渗铝装置，本发明所述方法就是按照这种装置来实施的。
箱体12安装在能够将部件加热至1200° C的加热炉4内。置放在该箱体内的 有盒子16，此处所示为三个叠置的盒子，带有盖16'。这些盒子都装有要处理的部 件P，例如，涡轮喷嘴，而金属给体D为f^末状形式，或为块体形式，以及活性剂A。 箱体12包括一个清洗运载气体供应端18， 一个冲洗运载气体供气端19和一个由阀 门21控制的出口端20。
在盒子16内固定好部件、给体和活性剂后，箱体12首先通过管道18用运载气 体，例如氩气，进行清洁。当箱体内的空气被氩气取代后，供气中断。接着，对炉 进行加热，同时通过管道19向箱体提供氩气。多余的气体经由管道20被排出。在 活性剂A的活化鹏时，释放氩气、氯气或氟气。通过与给体的接触，卤素与金属 产生反应而形成卣化物。由此而形成的卣化物气在盒子16内循环，并与金属部件P 相接触。此时，卤化物分解并释放金属，后者沉积在部件上。
通过管道19继续将氩气引入到箱体12内，平缓冲刷，并通过管道20被排出。 处理时间在2到6小时之间。
根据本发明，通过使用衬套作为一种给体而将给体与腔室结合到一起。
在进行渗铝处理前，部件要进行准备，将富铝的衬套和冈卿條造的部件装配到 一起。衬套通过向叶片内提供冷却空气的通道5装入。接着，衬套9的上边缘9'钎 焊到叶片内的开口的壁上。
衬套通过所属领域技术人员者蜘晓的现有任何装置进行表面富铝处理。向所述 衬套提供涂层的方式可以是专利本身所介绍的方式(气相渗铝)，而衬套则代替SVPA 炉4的箱体12内要处理的部件P。
这样，衬套本身就可以通过气相渗铝来提前进行处理，目的是在整个表面上形 成一道渗铝层。在部件的渗铝操纵期间，所述层的厚度可以确定，以便具有足够量 的铝与卤素产生反应，并形成气相卣化物。由于给体靠近要处理的表面，所获得的
沉积要大于采用传统方法所获得的沉积量。
相对于另一个解决方案，本方案的优点是，可以4吏己经装配好的部件得到处理， 所述方案可以包括在腔室内放置一个给体篮。在中间步骤时使用一个篮子是处理不 带衬套的部件所必要的，而后，贝鹏衬套安装至IJ部件上，部件的壁上涂有一层铝， 这要求特别适用钎焊装置。此夕卜，不必研制一种清洁腔室内部给体残渣的专(、]技术。
在图3中，在y—轴上，示出了腔室壁上获得的涂层厚度的分布情况。对应于 现有技术的曲线A说明，前缘和后缘之间的涂层分布很差，沿上表面和下表面上均 是如此。而曲线B则表示，采用给術寸套后获得的涂层厚度情况。更均匀，非零效 果。区域C则表示外部厚度。
权利要求
1. 一种采用气相沉积的渗铝方法，适用于涡轮机金属部件的高温氧化防护；所述部件(1)包括一个腔室，金属部件(9)就装在该腔室内，并从开口(5)内装配到所述部件内；根据本方法，卤素和含有铝的金属给体之间发生反应而形成卤化物，然后，卤化物再通过运载气体传输与所述金属部件相接触；其特征在于，金属部件(9)在实施该方法前首先进行表面富铝处理，以便起到铝给体的作用。
2. 根据前面权利要求所述的方法，其特征在于，部件(9)涂有一道金属沉积层。
3. 根据前面权禾腰求所述的方法，其特征在于，部件上的金属沉积是采用下面其中 一个方法进行的SVPA、 CVD、 PVD、包装胶结渗铝、热喷涂、电解沉积或浴槽浸 泡。
4. 根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述层的厚度在10 ,到150 , 之间。
5. 根据前面权利要求所述的方法，其特征在于，所述层的厚度在20到90 ，之间。
6. 根据前面权利要求中其中一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述层含有至 少15 wt。/。的铝。
7. 根据前面权利要求ff述的方法，其特征在于，所述层还包括至少一种元素来改善 抗氧化性能，所述元素选自元素Cr， Hf， Y， Zr， Si， Ti， Ta, Pt， Pd， Ir。
8. 根据前面权禾腰求中其中一项权禾腰求所述的方法，为了进行涡轮机空心叶片(1) 的渗铝处理，所述部件(9)由一个多孑L衬套组成，用来在所述腔室内散布冷却空气。
9. 根据前面权利要求所述的方法，其特征在于，叶片为喷嘴导向叶片，带有一个叶 片(2)，后者提供有一个腔室和位于该腔室内的所述衬套(9)。
10. 根据前面权利要求所述的方法，其特征在于，所述衬套(9)在经过了表面富铝金 属处理后经由叶片一端的开口 (5)装入腔室内。
11. 根据前面权利要求所述的方法，其特征在于，所述衬套通过一端焊接或钎焊到 开口一侧上的叶片的壁上，用来将衬套装入腔室内。
12. —种用于涡轮机空心叶片的扩散冷却空气的衬套，其特征在于，该衬套涂有， 至少部分地涂有， 一层铝层。
13. 根据前面权利要求所述的衬套，其特征在于，铝层的厚度在10到150 (im之间， ■ 20到90 Mm之间。
14. 一种涡轮机空心叶片，其包括一个按照权利要求12和13中任一权利要求所述 的扩散冷却空气用的内部衬套。
15. 涡轮机喷嘴，其包括根据前面权利要求所述的空心叶片。
全文摘要
本发明涉及一种采用气相沉积的渗铝方法，适用于涡轮机金属部件的高温氧化防护；所述部件(1)包括一个腔室，金属部件(9)就装在该腔室内，并从开口(5)装配到所述部件内；根据本发明方法，卤素和含有铝的金属给体之间发生反应而形成卤化物，然后，卤化物再通过运载气体运输与所述金属部件相接触；其特征在于，金属部件(9)在实施该方法前首先进行表面富铝处理，以便起到铝给体的作用。本发明特别涉及到装有一种衬套的喷嘴导向叶片。
文档编号F01D9/02GK101418447SQ20081016825
公开日2009年4月29日 申请日期2008年10月6日 优先权日2007年10月3日
发明者卢西·兰西奥克斯, 马克西姆·卡林 申请人:斯奈克玛