用于燃气涡轮发动机的转子定子组件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于燃气涡轮发动机的转子-定子组件的总领域。本发明更加具体地涉及优化研磨涂层和磨耗涂层的微观结构，所述研磨涂层和所述磨耗涂层分别沉积在转子的末端和包围转子的定子的内表面上。
[0002]能够应用本发明的特定领域是用于飞机涡轮机(特别地用于飞机发动机或直升机发动机)的压缩机。
【背景技术】
[0003]航空发动机压缩机包括压缩机壳体，所述压缩机壳体由一个或者多个环形结构构成，所述环形结构面对一组或者多组叶片，所述叶片在叶片和环形结构之间相对旋转运动。类似地，航空发动机涡轮机包括涡轮环，所述涡轮环由环形结构构成，所述环形结构构成单个或者多个碰触环扇形件，所述碰触环扇形件包围一组旋转叶片，由燃烧气体驱动所述一组旋转叶片。
[0004]为了向航空发动机提供可行最佳效率，必须避免或者至少最小化叶片的末端和压缩机壳体的饰面之间或者涡轮环的饰面之间的气体泄漏，原因在于这种泄漏无助于发动机操作。寻求无间隙或者最小化间隙表示在叶片末端和覆面材料之间将存在不可避免的接触。由于这种材料常有的硬度，这种接触能够损坏叶片的末端。
[0005]为了解决这个问题，已经建议优化面向叶片的材料的耐磨性，即，优化其由叶片的末端物理磨损的性能而同时又不会显著磨损末端的能力。为了这个目的的一种已知技术是为压缩机壳体的内表面或者涡轮环的内表面设置形成由多孔材料制成的磨耗涂层的层，而且同时为叶片的末端设置形成研磨涂层的致密材料的层。
[0006]对于沉积在叶片末端的研磨涂层而言，因此已知依赖于这样的材料，所述材料包含立方碳化硼(cBN)颗粒或者氧化物、碳化钨或者氮化物类型的其它硬颗粒。这种涂层在它们与磨耗涂层相关时呈现令人满意的研磨行为，所述磨耗涂层由金属或者陶瓷制成。然而，当在高温条件下使用它们时，它们呈现欠佳的耐用性(这些涂层承受氧化并且分散到涂层基底中)，并且它们还呈现有限的、与期望的使用寿命不相配的热机械行为。而且，沉积这种涂层相对昂贵。
[0007]对于沉积在定子的内表面上的多孔磨耗涂层而言，已知使用MCrAH类型的金属合金或者使用基于氧化锆的陶瓷。金属合金具有易于以低成本制造的优势。相比之下，其耐磨性能相对欠佳并且其使用受到温度限制。相反，基于氧化锆的陶瓷能够用于实施磨耗涂层功能和隔热功能。基于氧化物的涂层的性质使得能够在高温条件(高于1100°c )下使用所述基于氧化物的涂层，这是因为其保存其物理性质。这种涂层还已知易于制造、具有成本效益(通过热喷涂沉积)并且对于特定水平的多孔结构而言其呈现良好的耐磨性能。然而，这种多孔涂层因难以使得层中的孔和颗粒成形并且难以控制孔以及颗粒的尺寸，因而在机械加工之后存在这样的表面状态问题。不幸的是，气流中的这种表面状态有损发动机的性能。
[0008]通常，尽管在现有技术中已知磨耗/研磨涂层对，所述已知磨耗/研磨涂层对展示了主要预期性能(即，系统关于解除、承受腐蚀的能力、承受热循环的能力和良好的表面状态的行为)中的尤为良好性能，但所述已知磨耗/研磨涂层均不能独自优化所有预期性能。
[0009]因此，需要能够具有一种涂层对，使得能够最小化上述缺陷，所述涂层对可用于磨耗材料和研磨材料，所述磨耗材料和所述研磨材料分别沉积在定子的内表面和转子的末端。
【发明内容】
[0010]本发明的目的因此是提供涂层对，所述涂层尤其在高温条件下对于所有上述主要性能皆具有一致并且尚的性能，而同时制造成本低廉。
[0011]通过用于燃气涡轮机发动机的转子一定子组件实现这个目的，所述组件包括:
[0012]转子，所述转子具有陶瓷材料层，所诉陶瓷材料层形成沉积在转子末端上的研磨涂层，所述层主要由氧化锆构成并且拥有小于或者等于15%的空隙率；和
[0013]定子，所述定子布置在转子周围并且设置成面向转子的具有形成磨耗涂层的陶瓷材料层的转子的末端，所述层主要由氧化锆构成并且空隙率处于20%至50%的范围内，其中，孔的尺寸小于或者等于50微米(μπι)。
[0014]这种研磨/磨耗涂层对具有多个优势。特别地，本申请人已经发现的是:由基于氧化锆的陶瓷材料制成的研磨涂层在其与由基于陶瓷的氧化锆材料制成的磨耗涂层相关时具有尤为高性能的磨损性能，所述磨耗涂层的空隙率介于20%至50%的范围内，其中，孔的尺寸小于或者等于50微米(μ m)。同样，本申请人还已经发现的是，由根据本发明的基于氧化锆的陶瓷材料制成的磨耗涂层在其与由基于氧化锆的陶瓷材料制成的研磨涂层相关时具有令人满意的耐磨性能。
[0015]而且，磨耗涂层显示出在所有接触条件(即，切向速度、入侵速度和温度)下均一致的性能并且在能够在高温条件(高于1100°c )下使用。其还是这样的材料，所述材料实施隔热层的功能和磨耗涂层的功能，并且机械加工之后的其表面状态令人满意。
[0016]而且，这种研磨/磨耗涂层对易于制造和维修并且制造成本较低。能够通过热喷涂、溶胶-凝胶方法或者针对磨耗涂层烧结的方法沉积主要基于氧化锆的材料，并且这些沉积方法易于实施。
[0017]优选地，在所述层内磨耗涂层的多孔结构一致。
[0018]磨耗涂层的多孔结构可以呈现单模式分布，其中孔尺寸小于或者等于5 μπι。替代地，磨耗涂层的多孔结构可以呈现双模式分布，其中，小孔尺寸小于或者等于5 μπι，中孔尺寸处于15 μ m至50 μ m之间。
[0019]而且，磨耗涂层由至少两层部分构成，所述至少两层部分具有不同的空隙率。通过使得磨耗涂层中的多孔结构随着深度变化增强了涂层热震阻力，增强了其热循环阻力并且增加了涂层的隔热能力(这提供了更有效的隔热)。磨耗涂层还可以包括直裂纹。
[0020]而且优选地，磨耗涂层具有处于4GPa至1GPa之间的弹性模量以及处于70HRC至95HRC之间的硬度。这种性能使得磨耗涂层在保存良好的耐磨特征的同时赋予其更好的热震阻力以及充分抗腐蚀性。
[0021]类似地，磨耗涂层有利地具有大于或者等于30GPa的弹性模量和大于600维氏硬度(HV)的硬度。
[0022]同样优选地，构成磨耗涂层和研磨涂层的氧化锆掺杂有钇、钆、镝或者任何其它正方相或者立方相的氧化锆的稳定剂。
[0023]磨耗涂层可以通过热喷涂、烧结或者溶胶-凝胶方法沉积在定子上。类似地，研磨涂层可以通过热喷涂、烧结或者电解方法、通过汽相沉淀方法或者通过溶胶-凝胶方法沉积在转子的末端上。
[0024]本发明还提供了一种具有如上所述的至少一个转子-定子组件的燃气涡轮机发动机。
【附图说明】
[0025]从参照附图描写的以下描述中本发明的其它特征和优势将变得显而易见，所述附图示出了具有非限制性特征的实施例。在所述附图中:
[0026]图1是根据本发明的转子-定子组件的示例的示意图；
[0027]图2A-2C、3A-3C和4A-4B示出了适于用作图1组件的定子的磨耗涂层的材料的各个实施例；和
[0028]图5和图6是示出了分别针对现有技术转子-定子组件和根据本发明的转子-定子组件的测试期间的研磨涂层和磨耗涂层的性能的照片。
【具体实施方式】
[0029]本发明应用于用于燃气涡轮发动机的任何转子-定子组件，其中，转子的末端接触定子的包围转子的部分的内表面。
[0030]图1是本发明的应用的示例的简图，其中，转子由涡轮喷气飞机中的高压涡轮机的旋转叶片2构成而定子是涡轮环4，所述涡轮环4制成为一体或者由多个环绕所述叶片的接触环部段构成。
[0031]在这个组件中，涡轮环4的内表面和叶片2的末端之间的间隙是零或者近似为零。在内部，涡轮环承载有磨耗涂层6，沉积在叶片2的末端上的研磨涂层8能够部分穿入到所述磨耗涂层中而同时又没有承受大量磨损。
[0032]根据本发明，形成研磨涂层8的层由这样的陶瓷材料制成，所述陶瓷材料主要由氧化锆构成并且空隙率小于或者等于15%，而形成磨耗涂层6的材料由这样的陶瓷制成，所述陶瓷主要由氧化锆构成且空隙率介于20%至50%之间，其中，孔尺寸小于或者等于
50μ m0
[0033]在此使用的术语“主要”表示磨耗涂层和研磨涂层的氧化锆代表这些层的成分的至少80%。
[0034]因此使用相同的陶瓷，即，氧化锆制造根据本发明的转子-定子组件的磨耗涂层6和研磨涂层8，但是微观结构不同。构成研磨涂层的氧化锆层拥有相对低的多孔结构，以便确保最佳的可行机械性能(硬度和热震阻力)，而构成磨耗涂层的氧化锆层具有微小的微观结构(即，孔尺寸小于或者等于50 μπι)，其多孔结构被控制来增强涂层的抗腐蚀性能并确保高耐磨性能。
[0035]对于两个涂层而言，所使用的氧化锆有利地掺杂有钇、钆、镝或者任何其它正方相或者立方相的氧化锆的稳定剂。然而，对于两个涂层而言，形成这些涂层的氧化锆粉末的成分不必完全相同。因此，举例说明，能够向粉末中的一种或者另一种粉末添加稳定剂。
[0036]沉积在叶片2的末端上的研磨涂层8还优选地拥有大于或者等于30GPa的弹性模量和大于600HV的硬度。
[0037]研磨涂层可以通过已知的方法沉积在叶片的末端上，诸如，热喷涂、烧结或者电解方法、汽相沉淀方法或者溶胶-凝胶方法
[0038]也可以借助于底层10，以便有助于将研磨涂层沉积在由金属制成的叶片的末端上。例如，可以由MCrAlY(其中，M可以是镍、钴、或者氧化钴)或者通过涂覆铂铝化合物构成