用瞬态液相粘结制造燃气轮机部件的方法 本发明涉及制造燃气透平热段部件的方法，以使该部件在其整个使用寿命期间在高温的运行环境下都能保持结构的完整性和自身的性能水平。更具体地说，本发明涉及将多个不很复杂且薄的、更易于铸造的部分组合起来形成复杂的透平部件的方法，通过将瞬态液相粘结材料施加在这些部分的选定的表面上，再将该选定的表面粘结在一起以将这些部分组合起来，形成所需的部件结构。
为提供燃气透平的高效率和最大的动力输出，近年来燃气透平内地燃气温度呈现稳步的上升趋势。然而，透平部件，特别是那些在透平的热段在高的燃气温度下运行的部件如透平叶片和叶轮的结构的提高并没有太大进展。透平热段的部件暴露在高温的运行环境下不仅会降低部件的机械结构的完整性而且还会缩短部件的使用寿命。因此，如本领域的技术人员所公知的，在叶片或叶轮的内部设置冷却装置，使冷却空气或蒸汽流过部件的热段，使部件的热损耗降至最小。
燃气透平的叶片和叶轮基本上包括两个部分，一薄的外皮和一翼梁，外皮具有叶片所需的空气动力轮廓并覆盖在翼梁上。为了在这样的叶片和叶轮内部提供有效的冷却，已知的方法是在外皮和翼梁之间设置钉头(或翼片)，进而将外皮由这样的钉头机械地连接到翼梁上。采用已知的方法向叶片和叶轮的内部提供冷却空气，这样钉头之间的空间为冷却空气横过外皮的内表面提供了流动通道。
但由于叶片和叶轮的尺寸和几何形状的限制，在燃气透平部件内有效地设置这样的钉头冷却装置却一直是不可行的。例如，一种制造空气动力叶片和叶轮的方法是单独地铸造翼梁和外皮件，其中外皮能够被安装到翼梁上。在装配过程中外皮的变形是不容许的，因为这样的变形会导致单晶体的部件合金的再结晶，或定向结晶合金内的晶粒边界层的断裂。而且，这样的叶片或叶轮的制造的另一问题是，由于部件的横断面较大，因而在铸造结晶界面保持理想的单晶体或定向结晶的微观结构所需的高温梯度是困难的。
用多个小的部分或部件分体结构制成具有空气动力轮廓的透平部件，其中每一个部分被铸成简单的形状，而后将各部件分体结构粘结在一起，形成具有空气动力轮廓的成品部件。整体部件结构的分体结构部分利用已知的瞬态液相粘结(TLP)技术连接在一起。在此方法中，粘结材料是一种合金，该合金具有与部件衬底材料的性能相似的材料性能，并含有熔点抑制剂，如硼。在本发明中，“熔点抑制剂”是指一种材料，当将其与一种粘结材料相混合时，它可以降低该粘结材料的熔点温度。将粘结材料涂覆在要被连接在一起的分体结构的相对的表面之间。而后，采用已知的方法加热该连接处，以便使粘结材料熔化，硼慢慢混入连接的部件的衬底材料内，进而产生固化，它可以是绝热的。利用瞬态液相粘结技术所进行的部件连接适合于单晶体和定向结晶晶体合金合成物，及等轴晶粒合金合成物，它们在焊接操作过程中会产生断裂。
然而，瞬态液相部件粘结方法还具有一些缺点，即粘结过程复杂化，耗时长且成本高。为了将粘结材料置于要被粘结的部件的表面上，粘结材料是以粉状或箔的形式覆盖。当使用粉状的粘结剂时，必须是以极其细致的方式将粘结剂涂覆在粘结表面上，以避免粘结剂在熔化之前散开或失落。可以使用一种粘结剂材料将粘结剂固定到部件的粘结表面上，然而，粘结剂的高温分解产生了一种不希望出现的沉积物，一般是以一种碳化物的形式，使粘结是在还原气氛或氧化气氛下进行的。而且，随着粉状粘结材料在部件的表面上的面积的增加，粘结过程中的粘结氧化物和衬底材料氧化物也随之增加。
使用箔作为粘结材料表现出与瞬态液相粘结技术相关联的另一类问题。箔是较厚的(大于25-100微米)并且具有一定的可延展性，以致于很难将其切成与要被粘结的部件的表面具有相同的形状的精确的形状。而且，箔很容易被撕裂，小片的箔则容易丢失。较厚的箔需要将较高水平的熔点抑制剂熔入最终的部件衬底中，以致降低了衬底材料的初熔温度。还有，较厚的箔需要较长的均匀化过程，使粘结的微观结构的质量降低。
采用已知的瞬态液相粘结方法制造具有复杂的空气动力轮廓的部件还存在着其它的问题。需要向要被粘结在一起的部分施加压力，以便破坏在粘结表面上可能存在的氧化层，以有助于液态粘结材料在接合处的均匀分布。压力还可以使粘结区域的厚度降至最小。然而，当部件的形状复杂时，则很难在粘结区域内施加均匀的压力。而且由于潜在的再结晶危险，使向单晶体结构的合金施加较高的压力是很不利的。
为了避免使用箔和粉状粘结材料带来的问题，本领域的技术人员已经尝试利用溅射喷镀技术将粘结材料喷镀到部件分体结构的表面上，以便将部件分体结构装配在一起，形成复杂的部件结构。在瞬态液相粘结合金的溅射喷镀之前，用氩离子轰击方法清洁粘结表面以除去其上的一些不希望有的氧化层。然而，实践证实这项技术仅适用于制造具有简单的整体形状的小的部件。对于大的复杂的部件，如燃气透平叶片和叶轮，由于多种原因，该项技术却不适用。
在已知的TLP方法的高温均热工序的过程中，要被涂覆粘结层的部件分体结构的表面不能与重力的方向垂直，否则液相的粘结材料将由于重力的作用而流动。这会导致在粘结分体结构的上部区域内粘结材料减少，进而使这些区域内的粘结效果变弱。聚集在分体结构底部的过量的粘结材料会导致最终的部件结构尺寸的改变，而且会堵塞此区域内的冷却通道。还有，如果外皮的整个表面均涂覆有粘结合金，则在熔点抑制剂(如硼)可以散入其内的溅射涂层之后仅保留有少量的超耐热合金衬底材料。这在一些情形下会引起外皮的软化或熔化，除非高温均热处理的时间可以长到使熔点抑制剂从外皮散入翼梁并超过连接肋片。而且，在已知的溅射喷镀方法中，在某些情况下，为了将分体结构的相对的表面粘结在一起以便将分体结构连接起来，即使仅需要在较小的部件分体结构的表面上涂覆粘结材料，但也只能涂覆大的整个的部件分体结构的表面。这种在非粘结区域内的过度的衬底涂覆增加了在成品叶片或叶轮中的熔点抑制剂的含量，进而对部件结构的材料性能产生不利的影响。
因此，目前需要一种改进的方法，用来制造燃气透平的热段的部件，以使该部件在其整个使用寿命期间在高温的运行环境下都能保持结构的完整性和自身的性能水平。
所以，本发明的目的是提供一种改进的方法，用来制造燃气透平的热段的部件，以使该部件在其整个使用寿命期间在高温的运行环境下都能保持结构的完整性和自身的性能水平。
简言之，本发明的上述目的和其它的目的均由下述的一方法来实现，该方法用于用多个部件分体结构制造一燃气透平的部件，每一个分体结构具有一衬底材料，并具有至少一个接合面，该方法包括以下步骤：(a)对每一个分体结构的接合面进行表面处理以除去其上的氧化层；(b)利用溅射喷镀在至少一个分体结构的接合面上涂覆粘结材料层，该粘结材料内含有熔点抑制剂，该熔点抑制剂具有一熔点温度；(c)将每一个分体结构的接合面相对放置，使它们彼此相接触，粘结材料层夹在其相对的接合面之间，进而将每一个分体结构装配起来，以制成该部件；和(d)将该分体结构组合件置于一温度高于上述的熔点温度的环境下，进而使熔点抑制剂扩散入分体结构组合件的衬底材料内，粘结材料固化，以使分体结构组合件的相对的接合面粘结在一起。根据本发明的一最佳实施例，在向分体结构的接合面涂覆粘结材料层之前，将障板置于接合面上，以便仅在接合面上的预定位置处有选择地涂覆粘结材料。在涂覆粘结材料之前，对要被涂覆粘结材料的分体结构的接合面进行处理以除去接合面上的氧化层，并保证部件结构所需的尺寸公差。
图1A至1F示出了本发明的一翼梁和基架分体结构的一种组合。
图2A至2C示出了本发明利用电化学加工方法在翼梁上制造翼片。
图3示出了本发明利用溅射喷镀在分体结构的面板上涂覆TLP粘结材料层的第一个实施例。
图4示出了本发明利用溅射喷镀在分体结构的面板上涂覆TLP粘结材料层的第二个实施例。
图5A至5C示出了本发明将面板分体结构装配到翼梁分体结构上的第一个实施例。
图6A至6C示出了本发明将面板分体结构装配到翼梁分体结构上的第二个实施例。
本发明提供了在燃气轮机、燃气轮机和喷气式发动机的热段使用的金属衬底(substrate)的改进的制造方法，用来增加这些金属衬底的使用寿命。可以采用本发明方法制造的涡轮机部件包括燃气轮机的燃烧室、过渡段、叶片和叶轮。
参见附图，图1A至1F示出了本发明的一翼梁和基架分体结构的一个组件。翼梁10与基架12的一部分以一种简单的形状铸在一起，以形成翼梁基架分体结构组件14。根据本发明方法，翼梁的初始铸造形状可以与最终想要得到的翼梁形状相同，而对铸造公差没有任何要求。基架的剩余部分被单独地铸造成基架分体结构16、18。将翼梁基架分体结构14和基架分体结构16、18结合在一起，就得到了本发明方法的翼梁基架结构。
通过粘结翼梁基架分体结构14和基架分体结构16、18中的每一个上的选定的接合表面，而将它们连接在一起。在一最佳实施例中，在粘结之前，每一个接合表面如翼梁基架分体结构14的接合面20均用电化学方法进行处理以除去这些表面上的氧化层。接合面的氧化层也可以由放电处理或其它已知的处理方式来除去。而且在上述的处理过程中，还可以保证分体结构的尺寸公差。在现有技术中，在TLP粘结过程中，必须预先向分体结构部件施加压力以便破坏接合表面上的氧化层，使粘结材料与衬底的表面直接接触。但是在粘结过程中向分体结构施加太大的压力会有损坏分体结构部件的危险。在本发明中，由于分体结构的相对的接合表面在粘结之前均经过电化学处理或放电处理，这种在粘结之前除去氧化层的预处理工序可以减小或排除在粘结阶段必需向分体结构施加的压力。
除了电化学方法和放电处理之外，还可以对接合表面进行微切削加工以除去其上的氧化层，并同时保证分体结构的尺寸公差合乎要求。众所周知，微切削加工与常规的切削加工类似，但是微切削加工可以将尺寸公差保持在微米数量级，表面粗糙度保持为毫微米数量级。
如图1C所示，在将要粘结在一起的分体结构的接合表面进行处理之后，由溅射喷镀工序将TLP粘结层22喷镀到分体结构的接合表面(如接合面20)上。在利用溅射喷镀将粘结层喷镀到接合表面上之前，可采用已知的方式使溅镀装置的极性相反，以便将在表面处理和溅射喷镀两工序之间的过程中可能在接合表面上形成的氧化层溅蚀掉。
TLP粘结材料最好包括一种合金，该合金与分体结构的衬底合金相同或相似，而且具有一种熔点抑制剂(如一种TLP粘结剂)。根据本发明制造的燃气轮机的叶片和叶轮一般包括一种镍基的超耐热合金，但是本发明并不局限于这些超耐热合金的叶片和叶轮的设计。熔点抑制剂材料最好是硼，另一种可用的熔点抑制剂材料是硅。
现有的溅射喷镀技术可以在分体结构的接合面上大体均匀地喷镀大约10微米以下的TLP粘结层。以前按常规的方法在分体结构的接合面上施加的粘结箔的厚度大约为50微米。由于在TLP粘结过程中，液态的粘结材料的均质化过程随粘结材料的数量而变，而且由于现有技术方法的均质化时间一般是从半天到一周，因此，将粘结材料溅射喷镀到接合表面上可以显著地降低制造最终产品所需的时间。还有，由于溅射喷镀降低了在粘结工序中使用的熔点抑制剂的量，因而可以降低在成品叶片或叶轮中的熔点抑制剂的量。
如图1D所示，在TLP粘结材料被喷镀到要被连接在一起的分体结构的接合表面上之后，基架分体结构16、18的接合面24(其上具有TLP粘结层)与翼梁基架分体结构的接合面20对齐对准。而后，如图1E所示，将这些分体结构合在一起，使粘结材料层在接合点25处被夹在两个相对的分体结构的接合面之间。这样形成的组合结构被放置在一加热炉内(没有氧)的高温均热环境下一预定的时间，以便由于粘结材料内的熔点抑制剂的作用，粘结材料熔化成液态，熔点抑制剂扩散进入衬底超耐热合金内。在均热处理过程中，均热处理条件没有对超耐热合金衬底材料产生太大的影响，基本上可以保持超耐热合金衬底材料的化学组分和微观结构。由于熔点抑制剂材料扩散进入衬底材料，粘结材料可以出现固化，以便在组合件的分体结构的相对表面之间形成一接合粘结。如图1F所示，在均热处理之后，根据本发明方法制成了一具有最终产品结构形状的整体的翼梁基架装置26，随时可以向其上粘结外皮。
如图2A-2C所示，在将外皮分体结构粘结到翼梁上之前，用电化学方法或放电处理方法在翼梁上制造钉头或翼片。如图2A中所示，电化学加工装置30与翼梁10的外表面的一部分相接触。电化学加工装置30能够将翼梁的外表面的一部分加工掉，结果使得有多个钉头32从加工之后的翼梁外表面34上向外延伸。在该翼梁的相邻部分重复以上的电化学加工，以得到所需的钉头32构造，并提供加工后的翼梁的外表面34。在翼梁外表面的许多部分上进行的重复的电化学加工使在加工后的翼梁外表面34上形成多个向外延伸的外皮连接肋条36。在加工后的翼梁外表面34上的钉头32及外皮连接肋条36的形成为以下述方法将外皮连接到翼梁上提供了连接表面，并为冷却流体在外皮表面下流动提供了通道38。
电化学加工装置30用于除去加工后的翼梁外表面34、钉头32及外皮连接肋条36的外表面上的氧化层，并保证翼梁设计所需的尺寸公差。本领域的技术人员可以理解本说明书所示出的电化学加工装置的一般表达。这里所述的加工操作所必需的装置及电化学加工技术对本领域的技术人员是公知的，并且本领域的技术人员能够在实践中采用这些技术和装置加工出所需要的部件结构形状。
根据本发明，可以利用TLP粘结，将透平叶片或叶轮以多个几何形状简单的外皮分体结构的形式连接到翼梁上。图3示出了本发明利用溅射喷镀在一外皮面板分体结构上喷镀一TLP粘结材料层的第一个实施例。一外皮面板40分体结构用来粘结到翼梁上，该翼梁已经利用上述方法被加工出多个钉头和肋条。构成最终的外表结构的多个外皮面板40可以以具有简单的几何形状的外皮分体结构分别浇铸出，或者整个的外皮结构以一整个壳体的形式整体地浇铸出，而后将其分段以形成多个几何形状简单的面板，用以连接到翼梁上。在铸造之后，可以用电化学方法加工该面板，以除去氧化层并保证外皮设计的尺寸公差。
在一最佳实施例中，利用溅射喷镀将TLP粘结材料层喷镀到面板的外皮连接表面上。外皮面板40被放入一溅射喷镀箱内，如图3所示。首先操纵溅射喷镀装置除去面板40的内部接合面42的氧化层，通过使溅射装置的极性相反，用氩离子或其它的惰性气体的离子轰击，来溅射蚀刻内部接合面42。而后，操纵溅射装置从喷射源41向外皮面板40的内部接合面42溅射喷镀粘结材料层44。如上所述，溅射喷镀到外皮面板的内部接合面的TLP粘结材料层最好是一种加有硼的镍基化合物，作为一种TLP粘结剂。在溅射喷镀操作之后，就可以将其上具有粘结材料的面板46连接到翼梁上，以完成透平叶片的装配。
在面板的整个的内部接合面上喷镀粘结材料层是在面板的内部接合面40上的预定位置处有选择地喷镀粘结材料。图4示出了本发明利用障板(mask)在一面板上有选择地喷镀TLP粘结材料层。在对面板的接合面进行溅射蚀刻和将粘结材料溅射喷镀到面板的接合面上之前，将一障板放置在内部接合面42上。最好，该障板具有多个孔50，这些孔的位置与面板将要粘结在其上的翼梁部分上的钉头的位置相对应。而且，障板的形状大小要使其不覆盖接合面42的外部边缘，该外部边缘对应于面板将要粘结在其上的翼梁部分上的外皮连接肋条的位置。
在此实施例中，当其上具有障板48的面板40在溅射喷镀箱内被溅射蚀刻以除去氧化层时，仅没有被障板48覆盖的部分的氧化层被除去。同样，在将粘结材料溅射喷镀到面板的内部接合面上的过程中，仅没有被障板48覆盖的部分被喷镀上粘结材料层。因此，当在溅射喷镀工序之后将障板从面板上移去时，内部接合面42具有多个其上具有粘结材料的岛式部分52以及沿该接合面的外部边缘还有粘结材料带54。粘结材料的岛式部分52的位置将与每一个外皮面板分体结构由TLP粘结剂连接到其上的那部分翼梁上的钉头的位置相对应。而且，粘结材料带54将与外皮连接肋条相对齐。
由于在溅射蚀刻工序和随后的将粘结材料溅射喷镀到面板的内部接合面上的工序中使用了障板48，加工后的翼梁外表面34的围绕粘结材料的岛式部分52的区域和与面板40上的岛式部分相邻的材料上都将具有氧化层。因此，含有硼的粘结材料的岛式部分被隔离开，而且由于氧化层的存在，在TLP粘结过程中不会流走。所以，本发明的障板的使用使得可以仅在分体结构表面上的所需的位置处喷镀TLP粘结材料，这些位置是在应用TLP粘结步骤中分体结构的连接所必需的。使用障板仅在所需的表面上有选择地喷镀粘结材料可避免在分体结构上使用过量的粘结材料，过量的粘结材料会对上述的成品组合结构产生不利的影响。本领域的技术人员可以想到，利用现有技术仅在分体结构接合表面上的选定的位置处加覆箔或粉状粘结材料而不将粘结材料施加到分体结构的相邻的区域上，所需的时间和劳动力会是相当多的。
一旦粘结材料已经被施加到面板的接合表面上之后，面板分体结构在翼梁上其各自的位置处对准，以便进行TLP粘结。图5A至5C示出了本发明的将面板分体结构装配到一翼梁分体结构上的第一实施例。将在内部接合面上具有一TLP粘结材料层44的每一面板40置于翼梁26上，以便接合面42与钉头32和外皮连接肋条36的外部接合面相接触。而后，以上述的方法，将该组合的分体结构放置在一无氧装置内进行高温TLP均热处理，以便外皮分体结构粘覆在翼梁上。这样就得到了一具有复杂的空气动力轮廓的TLP粘结透平叶片60。
如图6A至6C所示，图中示出了粘结材料被喷镀在面板分体结构的接合面上的岛式部分52和带54上的情形，这些岛式部分和带将与翼梁上的相应的钉头和肋条相对准，以便进行TLP粘结。如该实施例所示，TLP粘结材料也可以被施加在翼梁上的钉头和肋条上。应该指出的是，该方法并不局限于这里所示出的叶片装置的结构，该方法可用于多种组合部件的结构。例如，该方法可用于在外皮面板分体结构上加工出钉头和肋条，而不是在翼梁分体结构上加工出钉头和肋条。
在不偏离本发明宗旨和本质特征的前提下，本发明还可以有其它形式的特定实施例，因而，本发明应该由所附的表明本发明范围的权利要求来限定，而不是由上述的说明书的内容来限定。