专利名称：泡沫结构、制造泡沫结构的方法和包括泡沫结构的涡轮机的制作方法
技术领域：
本发明涉及制成的构件和制造构件的方法。更具体而言，本发明涉及金属泡沫和制造金属泡沫的方法。
背景技术：
制成的构件逐渐经历艰难的环境。例如，燃气涡轮机构件经历热、机械和化学上不利的环境。例如，在燃气涡轮机的压缩机部分中，大气被压缩到大气压的10-25倍，并在该过程中被绝热地加热到约800° F至约1250° F。这种经加热和压缩的空气被引导到燃烧器中，在此它与燃料混合。燃料被点燃，且燃烧过程将气体加热到超过约3000° F的极高温度。这些热气经过涡轮机并经过排气系统，在涡轮机中，固定至旋转涡轮盘的翼型件提取能量以驱动涡轮机的风扇和压缩机，在排气系统中，气体提供足以使发电机转子旋转的能量，以产生电力。紧密的密封件和精确定向的热气流提供了运行效率。在涡轮机中实现此类紧密的密封件和精确定向的流可能是昂贵的。`传统上，泡沫结构尚未用于此类苛刻的环境中。一直认为仅仅高合金蜂窝材料能够经受这种环境。同样，泡沫结构由于被认为有类似的局限性而尚未用于其它环境中。在本领域中，泡沫结构、制造泡沫结构的方法以及包括能够在上述条件下运行的泡沫结构的涡轮机将是所期望的。
发明内容
在一个实施例中，一种泡沫结构包括具有孔的铸造金属泡沫以及在孔的至少一部分内的凝胶。在另一实施例中，一种制造泡沫结构的方法包括提供具有孔的铸造金属泡沫以及用凝胶注入孔的至少一部分。在另一实施例中，一种涡轮机包括旋转部分和涡轮机密封件。涡轮机密封件包括泡沫结构。泡沫结构包括具有孔的铸造金属泡沫和定位在该孔的至少一部分内的凝胶。根据下文结合附图对优选实施例的更详细的描述，本发明的其它特征和优点将是显而易见的，附图以示例的方式说明了本发明的原理。
图I示出了根据公开内容的具有由紧固件机械地固定至背板的金属泡沫的示例性涡轮机的一部分的透视图。图2示出了根据公开内容的具有钎焊至侧壁的金属泡沫的示例性涡轮机密封件的侧视不意图。图3示出了根据公开内容的具有细孔隙的示例性金属泡沫的侧视示意图。图4示出了根据公开内容的具有粗孔隙的示例性金属泡沫的侧视示意图。图5示出了根据公开内容的具有钎焊至背板的金属泡沫的示例性涡轮机密封件的侧视不意图。图6示出了根据公开内容的具有由紧固件机械地固定至侧壁的金属泡沫的示例性涡轮机密封件的侧视示意图。图7示出了根据公开内容的具有由闩锁(latch)机械地固定至背板的金属泡沫的示例性涡轮机密封件的透视图。图8示出了根据公开内容的具有由闩锁机械地固定至侧壁的金属泡沫的示例性涡轮机密封件的透视图。图9示出了根据公开内容的具有由互锁特征机械地固定至背板的金属泡沫的示例性涡轮机密封件的透视图。图10示出了根据公开内容的具有由互锁特征机械地固定至侧壁 的金属泡沫的示例性涡轮机密封件的透视图。图11示出了根据公开内容的具有由凸缘机械地固定至背板的金属泡沫的示例性涡轮机密封件的透视图。图12示出了根据本公开内容的具有由凸缘(Iip)机械地固定至侧壁的金属泡沫的示例性涡轮机密封件的透视图。只要有可能，在全部附图中将使用相同的标号来代表相同的部分。
具体实施例方式提供了成本更低的涡轮机密封件和制造能够在上述条件下运行的涡轮机密封件的方法。本公开内容的实施例允许在热气路径区域中使用更廉价的材料，允许涡轮机密封件的更简单和/或更廉价的组装和/或修理，允许燃气涡轮机的提高的运行效率，允许提高的抗氧化性能，以及它们的组合。图I示出了涡轮机100 (如燃气涡轮机)的部分，其包括旋转部102 (如叶片)以及涡轮机密封件104或外罩密封件。热气路径106沿着使旋转部102旋转的涡轮机密封件104经过沿着涡轮机密封件104内的预定路径110的凹槽108或密封件切口。旋转部102包括具有预定厚度114的边缘112。例如，在一个实施例中，该预定厚度114为介于约％英寸与约、英寸之间，介于约％英寸与约'h英寸之间，约％英寸，或者约'h英寸。预定厚度114对应于凹槽108的预定厚度116。例如，在一个实施例中，边缘112的预定厚度略小于凹槽108的预定厚度，且/或通过使旋转部102旋转而磨损涡轮机密封件104从而形成凹槽108而形成。在一个实施例中，凹槽108的预定厚度116为介于约％英寸与约、英寸之间，介于约％英寸与约'h英寸之间，约％英寸，或者约'h英寸。在一个实施例中，边缘112的预定厚度114与凹槽108的预定厚度116之间的差允许旋转部102旋转而不接触涡轮机密封件104，但是提供了减小或消除在涡轮机密封件104与旋转部102之间行进的热气路径106的量的密封。涡轮机密封件104为任何合适的几何形状。图I示出了长方体几何形状；然而，在其它实施例中，涡轮机密封件104为弓形几何形状、基本上平坦的几何形状、沿着热气路径106深度增加的复杂几何形状或者提供密封的任何其它几何形状。涡轮机密封件104包括一整块材料或者例如通过钎焊、机械固定、焊接或其它合适固定方法固定在一起的多块材料。作为修理方法的一部分，涡轮机密封件104形成在涡轮机100的外侧或涡轮机100内。
涡轮机密封件104包括沿着热气路径106定位的金属泡沫118。参照图3_图4，针对具体运行参数而选择金属泡沫118。例如，在一个实施例中，金属泡沫118耐受由涡轮机100的热气路径106导致的介于约1000° F与约2000° F之间、约1000° F、约1250° F、约1500° F、约2000° F或约3000° F的温度。金属泡沫118包括孔302的网络。参照图3，在一个实施例中，孔302在视觉上几乎不能辨别或具有细孔隙。参照图4，在另一实施例中，孔302很复杂且不具有一致的几何形状，类似于钢丝绒，或者具有粗孔隙。孔302为任何合适的尺寸且在任何合适的密度内。孔302的合适尺寸为介于每英寸约I个与约100个孔之间、每英寸约10个与约50个孔之间、每英寸约30个与约40个孔之间、每英寸约50个与约100个孔之间、每英寸约50个与约70个孔之间，或者它们的组合。孔302的合适的密度为介于约2%与约15%之间、约3%与约10%之间、约5%与约7%之间，以及它们的组合。金属泡沫118被固定在沿着热气路径106的位置。该固定是到背板120和/或侧壁202。在一个实施例中，通过将金属泡沫118钎焊或焊接至背板120(参见图5)和/或侧壁202 (参见图2)来固定金属泡沫118。在另一实施例中，通过机械地固定至背板120和/或侧壁202来固定金属泡沫18。该机械固定借助于任何合适的机构，包括但不限于诸如螺栓的紧固件122(参见图I和图6)、闩锁702 (参见图7和图8)、互锁特征902 (参见图9和图10)、凸缘1102(参见图11和图12)、另一合适机构或者它们的组合。参照图I，在一个实施例中，通过将金属泡沫118机械地固定至背板120而将金属泡沫118固定就位。在该实施例中，紧固件122穿过背板120延伸到金属泡沫118中并被固定就位。紧固件122以任何合适的定向延伸穿过整个金属泡沫118或金属泡沫118的一部分。合适的定向包括但不限于基本上平行于热气路径106、基本上平行于背板120、基本上垂直于侧壁202、成不同于与背板120和/或侧壁202平行或垂直的角度、其它合适的定向，或者它们的组合。参照图6，在一个实施例中，通过将金属泡沫118机械地固定至侧壁202中的一个或更多而将金属泡沫118固定就位。在该实施例中，紧固件122穿过(多个)侧壁202延伸到金属泡沫118中并被固定就位。紧固件122以任何合适的定向延伸穿过整个金属泡沫118或金属泡沫118的一部分。合适的定向包括但不限于基本上平行于热气路径106、基本上平行于背板120、基本上垂直于侧壁202、成不同于与背板120和/或侧壁202平行或垂直的角度、其它合适的定向，或者它们的组合。在一个实施例中，金属泡沫118另外或备选地由闩锁702机械地固定至背板120和/或侧壁202。参照图7，在一个实施例中，闩锁702包括闩锁卡扣704和用于接合闩锁卡扣704的闩锁部件706。闩锁卡扣704包括能够固定至闩锁部件706的打开部。闩锁卡扣704或闩锁部件706定位在金属泡沫118上且另一者定位在背板120上。在将闩锁卡扣704固定至闩锁部件706之后，涡轮机密封件104被固定就位。闩锁702包括任何合适的精细调节机构(未示出)。合适的精细调节机构包括但不限于紧固螺钉、可调节的尺寸或者允许调节闩锁702的固定的任何其它合适的机构。另外或备选地，参照图8，在一个实施例中，闩锁卡扣704或闩锁部件706类似地定位在金属泡沫118上且另一者定位在侧壁202中的一个或更多上。在一个实施例中，金属泡沫118另外或备选地由互锁特征902 (诸如舌键和凹槽特征)机械地固定至背板120和/或侧壁202。参照图9，在一个实施例中，互锁特征902包括突起904 (或舌键部)和用于接合突起904的对应的凹部906 (或凹槽部)。突起904、凹部906或者它们的组合定位在金属泡沫118上。对应的突起904和/或凹部906定位在背板120上(参见图9)、在侧壁202中的一个或更多上(参见图10)，或者它们的组合。互锁特征902沿着任何合适的定向定位。合适的定向包括但不限于基本上平行于热气路径106、基本上平行于背板120、基本上垂直于侧壁202、成不同于与背板120和/或侧壁202平行或垂直的角度、其它合适的定向或者它们的组合。在一个实施例中，互锁特征902允许涡轮机密封件104插入背板120中且通过强行就位而被机械地固定。参照图11，在一个实施例中，金属泡沫118另外或备选地由凸缘1102(例如，围绕金属泡沫118延伸和/或形成摩擦配合的)机械地固定至背板120。参照图12，在一个实施例中，金属泡沫118另外或备选地由凸缘1102机械地固定至侧壁202。凸缘11 02的尺寸略小于金属泡沫118的背面和/或侧面，从而允许强制地使金属泡沫118定位及固定在凸缘1102内。金属泡沫118是任何合适的合金或金属。在一个实施例中，金属泡沫118包括不锈钢。在另一实施例中，金属泡沫118包括镍基合金。其它合适的合金包括但不限于钴基合金、铬基合金、碳钢以及它们的组合。合适的金属包括但不限于钛、铝以及它们的组合。如本领域的技术人员将会意识到的，金属泡沫118中的合金或金属的选择与期望的运行温度相对应。然而，可以基于下述由凝胶注入/浸溃处理导致的提高的运行能力而选择更廉价的合金和/或金属。另外或备选地，凝胶提高了金属泡沫118的抗氧化性能。参照图3-图4，在一个实施例中，金属泡沫118 (例如铸造金属泡沫)注入/浸溃有凝胶(未示出)或浆料。凝胶定位在孔302的至少一部分内，例如，基本上全部孔302、约一半孔302、约四分之一孔302或者任何其它合适部分的孔302。金属泡沫118的注入通过任何合适的方法来执行，包括但不限于真空注入法、化学气相淀积、气相镀铝和/或其它合适的方法。凝胶利用经真空注入法提供的力而行进通过全部或一部分金属泡沫118，从而充填金属泡沫118的孔302中的一些或全部。铸造金属泡沫由任何合适的铸造金属合金形成。例如，在一个实施例中，铸造金属合金是具有在重量上高达约15%的铬、高达10%的钴、高达约4%的钨、高达约2%的钥、高达约5%的钛、高达约3%的铝以及高达约3%的钽的镍基合金。在又一实施例中，铸造金属合金具有在重量上约14%的铬、约9. 5%的钴、约3. 8%的钨、约I. 5%的钥、约4. 9%的钛、约3%的铝、约O. 1%的碳、约O. 01%的硼、约2. 8%的钽以及镍余量。凝胶是能够注入到金属泡沫118内的任何合适的浆料。例如，一种合适的凝胶是凝胶招化物衆料。凝胶包括金属成分、卤化物活化剂(halide activator)以及粘合剂。凝胶的组分提供了允许通过喷涂、浸涂、刷涂或注射而涂布到涡轮机密封件104的一致性。凝胶组分在重量上为介于约10%与约90%固体(金属成分和卤化物活化剂)之间，余量为粘合剂。在另外的实施例中，在剩余部分为粘合剂、卤化物活化剂和杂质的情况下，金属成分在重量上为介于约35%与约65%之间、约45%与约60%之间、约50%与约55%之间，或者在任何子范围内。在这些实施例中，在剩余部分为金属成分、卤化物活化剂和杂质的情况下，粘合剂在重量上为介于约25%与约60%之间、约25%与约50%之间、约35%与约40%之间，或者在任何子范围内。在这些实施例中，在剩余部分为粘合剂、金属成分和杂质的情况下，卤化物活化剂在重量上为介于约1%与约25%之间、约5%与约25%之间、约10%与约15%之间，或者在任何子范围内。在一个实施例中,凝胶具有预定的熔点。凝胶的熔点超过金属泡沫118的熔点,例如，对于铝而言的约1220° F。这样，通过对金属泡沫118注入凝胶，所得结构(例如，密封结构)的熔点提高。凝胶没有大于预定尺寸的颗粒。例如，在一个实施例中，凝胶没有大于约74微米的颗粒。在另一实施例中，凝胶没有大于约149微米的颗粒。凝胶的金属成分包括能够与卤化物活化剂和粘合剂形成浆料的任何合适的金属或合金。金属成分是具有足够高的熔点以便不会在扩散过程中沉积的合金剂。金属成分用作金属(例如铝)的惰性载体。在一个实施例中，金属成分是用铬合金化的金属铝，例如，具有在重量上为约56%铬和约44%铝的组分，任何剩余部分为铝和/或附带的杂质。其它合适的组分包括但不限于约30%铬和约70%铝、约70%铬和约30%铝、约40%铬和约60%铝、约60%铬和约40%铝以及约50%铬和约50%铝。在另一实施例中，金属成分包括用钴合金化的金属铝。在另一实施例中，金属成分包括用铁合金化的金属铝。卤化物活化剂对应于金属泡沫118的凝胶和/或组分的所选择的金属成分。在一个实施例中，卤化物活化剂处于细粉的形式。合适的卤化物活化剂包括但不限于卤化铵，诸如氯化铵、氟化铵、溴化铵以及它们的组合。合适的卤化物活化剂能够与金属成分中所选择的金属(例如铝)发生反应而形成挥发性的卤化铝，例如AlCl3 *A1F3。在一个实施例中，卤化物活性剂被封装以抑制湿气的吸收，例如当使用水基粘合剂时。粘合剂对应于所选择的金属成分和卤化物活化剂。合适的粘合剂包括但不限于醇基有机聚合物、水基有机聚合物以及它们的组合。粘合剂能够在使卤化物活化剂气化并发生反应所需的温度以下的温度下完整且清洁地燃尽，剩余的残留物处于易于例如通过迫使气体(如空气)流过金属泡沫118的表面而被去除的灰焊的形式。合适的醇基有机聚合物粘合剂包括但不限于低分子量多元醇(多元醇类)，诸如聚乙烯醇。在一个实施例中，粘合剂还包括固化催化剂或加速剂，诸如次磷酸盐。在另一实施例中，粘合剂是无机聚合粘合剂。虽然已参考优选实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员将会理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以做出各种更改，并且可用等同物来代替其元件。此外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可以做出许多修改，以使特定的情形或材料适合于本发明的教导。因此，本发明并非旨在局限于作为为实施本发明设想的最佳模式而公开的特定实施例，而是，本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。
权利要求
1.一种泡沫结构,包括 具有孔的铸造金属泡沫；以及 在所述孔的至少一部分内的凝胶。
2.根据权利要求I所述的结构，其特征在于，所述凝胶包括金属成分、卤化物活化剂以及粘合剂。
3.根据权利要求2所述的结构，其特征在于，所述金属成分包括用铬合金化的金属招。
4.根据权利要求3所述的结构，其特征在于，所述用铬合金化的金属铝包括重量为约56%的铬和约44%的铝，任何剩余物为铝。
5.根据权利要求2所述的结构，其特征在于，所述金属成分包括用钴合金化的金属招。
6.根据权利要求2所述的结构，其特征在于，所述金属成分包括用铁合金化的金属招。
7.根据权利要求6所述的结构，其特征在于，所述凝胶没有大于约74微米的颗粒。
8.根据权利要求6所述的结构，其特征在于，所述凝胶没有大于约149微米的颗粒。
9.根据权利要求2所述的结构，其特征在于，所述卤化物活化剂选自由氯化铵、氟化铵、溴化铵以及它们的组合组成的卤化铵的组。
10.根据权利要求2所述的结构，其特征在于，所述粘合剂选自由醇基有机聚合物、水基有机聚合物以及它们的组合组成的组。
11.根据权利要求2所述的结构，其特征在于，所述凝胶包括重量介于约10%与约80%之间的固体，余量为粘合剂。
12.根据权利要求I所述的结构，其特征在于，所述结构为涡轮机密封件。
13.—种制造泡沫结构的方法，所述方法包括 提供具有孔的铸造金属泡沫；以及 用凝胶注入所述孔的至少一部分。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述凝胶被真空注入到所述铸造金属泡沫中。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述凝胶包括给体材料，所述给体材料包括金属铝、齒化物活化剂以及粘合剂。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，用铬合金化的金属铝包括重量为约56%的铬和约44%的铝，任何剩余物为铝。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述卤化物活化剂选自由氯化铵、氟化铵、溴化铵以及它们的组合组成的卤化物的组。
18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述粘合剂选自由醇基有机聚合物、水基有机聚合物以及它们的组合组成的组。
19.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述结构为涡轮机密封件。
20.—种润轮机,包括 旋转部分；以及 涡轮机密封件，所述涡轮机密封件包括泡沫结构；其中，所述泡沫结构包括具 有孔的铸造金属泡沫和注入所述孔的至少一部分内的凝胶。
全文摘要
公开了泡沫结构、制造泡沫结构的方法和包括泡沫结构的涡轮机。泡沫结构包括具有孔的铸造金属泡沫和定位在该孔的至少一部分内的凝胶。制造泡沫结构的方法包括提供铸造金属并用凝胶注入铸造金属泡沫。涡轮机包括旋转部分以及包括泡沫结构的涡轮机密封件。
文档编号F01D11/00GK102877895SQ201210242599
公开日2013年1月16日 申请日期2012年7月13日 优先权日2011年7月13日
发明者G.A.戈勒, D.W.卡瓦诺 申请人:通用电气公司