覆陶高温合金静叶片的制作方法

本发明涉及一种流体动力设备高温合金件，特别是涉及一种覆陶高温合金叶片，应用于燃气轮机、发动机类涡轮机械技术领域。

背景技术：

根据布雷顿循环提高涡轮进口温度可以提高涡轮机械的利用效率，如何提高涡轮机械进口温度关系到涡轮机械的性能。现代燃气轮机和发动机的涡轮进口温度已达1650～1750℃，目前第三代单晶材料只能承受1100℃的温度，有气膜冷却可以有400℃的冷却效果，还有100～200℃左右的差距，目前是靠tbc热障涂层实现的。如何增加热障涂层的厚度，增加耐热温度才能提高涡轮进口温度，才能提高燃机和发动机的性能和效率。

参见图1为西门子专利us2016/0369637的tbc涂层结构示意图，图2为rolls-royce专利us2017/0096902的tbc涂层结构示意图。西门子专利us2016/0369637和rolls-royce专利us2017/0096902，都提出来tbc涂层的方案，分别利用坯体的特殊结构增加涂层的附着力，但是此类型tbc的涂层厚度有一定的局限只能做到几十个μm级别。

技术实现要素：

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种覆陶高温合金静叶片，由陶瓷层、过渡层、网状结构和高温合金坯体形成静叶片整体结构。高温合金坯体外部的网状结构能增加陶瓷结合厚度，可将μm级的涂层提高到mm级的陶瓷与合金的复合结构；过渡层和网状结构抵消热冲击时的应力。本发明可提高涡轮入口温度和涡轮机械的效率，延长其使用寿命。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种覆陶高温合金静叶片，包括高温合金坯体，在高温合金坯体表面依次结合陶瓷复合材料过渡层和陶瓷层，使陶瓷复合材料过渡层位于高温合金坯体和陶瓷层之间，形成缓冲、能量传导和力传递功能的中间材料层，高温合金坯体、陶瓷复合材料过渡层和陶瓷层形成一体化复合材料静叶片，在一体化复合材料静叶片中设置高温合金冷却管网，高温合金冷却管网从高温合金坯体、陶瓷复合材料过渡层和陶瓷层穿过形成热流传输通道；高温合金坯体上有铸造的空心凸起与高温合金冷却管网连接在一起，将空心凸起作为高温合金冷却管网的固定支撑桩脚，使空心凸起与高温合金冷却管网连接形成凸起框架，并使空心凸起的管腔作为热流传输通道的一部分而与高温合金冷却管网连通；高温合金坯体外表面和高温合金冷却管网外表面皆附着陶瓷复合材料过渡层，陶瓷复合材料过渡层表面附着陶瓷层，高温合金冷却管网还形成连接高温合金坯体、陶瓷复合材料过渡层和陶瓷层的立体网状骨架结构。本发明重新涉及陶瓷与高温合金的结构形式，可将μm级的涂层提高到mm级的陶瓷与合金的复合结构。本发明包含高温合金坯体、高温合金框架冷却管网、陶瓷复合材料过渡层、陶瓷层部分。

作为本发明优选的技术方案，在陶高温合金静叶的整体表面按热力学分布进行布置冷却孔，冷却孔主要设置于陶瓷层中，冷却孔与高温合金冷却管网连通，形成完整的冷却通道。作为本发明进一步优选的技术方案，按照与在陶瓷层中冷却孔对应的高温合金坯体表面位置处错开的结构，在高温合金坯体表面上铸造有空心凸起，形成主管轮生支管结构的冷却通道。作为本发明另一种进一步优选的技术方案，在陶瓷层中冷却孔对应的高温合金坯体表面位置处均铸造有对应的空心凸起，形成十字形冷却通道。本发明高温合金坯体，内部有冷却通道，内部冷却通道部分与常规涡轮机械静叶片设计一致。与常规设计不同之处是表面有支撑合金管网的凸起，凸起中空后与合金管道焊接形成完整的冷却管网。此凸起为中空结构与坯体内部冷却通道相连。

作为本发明优选的技术方案，高温合金冷却管网的部管路形成高温合金坯体内设的冷却通道，高温合金冷却管网采用与高温合金坯体同材质的高温合金冷却管编织成空间网状结构，使凸起框架和网状结构连接形成悬空设置在高温合金坯体外的一层框架结构。本发明的陶瓷层附着与高温合金坯体和合金管网之上，能耐受较高的温度，陶瓷层位于合金坯体和管网结构之间和管网结构之上的不同陶瓷形成一个整体，整体附着在本发明的特殊结构之上，本发明陶瓷曾厚度能达到mm级。

上述高温合金坯体优选采用钴基高温合金或镍基高温合金铸造而成。

作为本发明优选的技术方案，陶瓷复合材料过渡层采用成分梯度材料制备而成，陶瓷复合材料过渡层的复合材料成分从结合高温合金坯体的高温合金面层到结合陶瓷层的陶瓷面层进行梯度变化，形成缓冲冷热态材料差异的内部应力的功能材料层。本发明的陶瓷复合层，喷涂与高温合金坯体与合金管网之上，用于缓冲合金与陶瓷冷热态热膨胀和热传导的物理差异。从高温合计层到陶瓷层的复合材料成分有一定的梯度变化。

上述高温合金坯体和高温合金冷却管网优选通过焊接、3d打印或直接铸造进行成形。

作为本发明优选的技术方案，高温合金冷却管网制备完成后，进行热处理，消除成形应力；还对高温合金坯体表面和高温合金冷却管网的表面进行表面处理和外部尺寸控制。

作为本发明优选的技术方案，制备陶瓷层时，将完成陶瓷复合材料过渡层制备程序的合金毛坯固定于工装之上，并设置于静叶片模具内，后将陶瓷层的陶瓷液体状浆料倒入静叶片模具内，再经离心振动，使陶瓷浆料充分与高温合金坯体外部的高温合金网状结构和高温合金坯体表面紧密结合；然后待静叶片成型固定后，将模具移除，将成型后静叶片转移至叶片烧制炉，经烧烧制成型，然后在陶瓷层表面进行打孔处理，制造冷却孔。在陶瓷层附着的高温合金静叶片的整体表面按热力学分布进行布置冷却孔，所有复合静叶片的表面打孔统一布置，冷却孔与高温合金管网连接，形成完整的冷却通道。这样形成的冷却系统完整，冷却效果优越。

作为本发明优选的技术方案，本发明高温合金管网由内径大于一定尺寸的合金管与高温合金坯体上凸起焊接而成。形成完整冷却管网。其中管网离高温合金坯体表面有一定距离，方便陶瓷层的附着。另外管网的布置充分考虑叶片冷却的分布，凡是管分布的位置就是最外层陶瓷层打冷却孔的位置。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明合金坯体有冷却通道，通道的表面冷却孔处均铸造有凸起框架，冷却管网由同材质的高温合金冷却管编织成网状，凸起框架和网状结构连接形成悬浮在坯体外的一层结构；陶瓷过渡层喷涂在此坯体和网状结构上；陶瓷层、过渡层、网状结构和高温合金胚体形成静叶；网状结构可以增加陶瓷结合厚度，过渡层和网状结构抵消热冲击时的应力。本发明可提高涡轮入口温度和涡轮机械的效率，延长其使用寿命；

2.本发明重新设计陶瓷与高温合金的结构形式，本发明高温合金坯体，内部有冷却通道，内部冷却通道部分与常规涡轮机械静叶设计一致；与常规设计不同之处是本发明高温合金坯体表面有支撑合金管网的凸起，凸起中空后与合金管道焊接形成完整的冷却管网；此凸起为中空结构与坯体内部冷却通道相连；能将μm级的涂层提高到mm级的陶瓷与合金的复合结构；

3.本发明按照陶瓷附着的高温合金静叶的整体表面按热力学分布进行布置冷却孔，所有复合静叶的表面打孔统一布置，冷却孔与高温合金管网连接，形成完整的冷却通道，这样形成的冷却系统完整，冷却效果优越；本发明覆陶高温合金静叶片结构简单，使覆陶高温合金静叶片对复杂工况的耐受能力显著提高，显著提高使用本发明静叶片的燃机和发动机的性能和效率。

附图说明

图1为现有技术tbc涂层结构示意图。

图2为现有技术tbc涂层结构示意图。

图3为本发明实施例一覆陶高温合金静叶片的结构示意图。

图4为本发明实施例一覆陶高温合金静叶片的合金冷却管网局部和冷却孔结构示意图。

图5为本发明实施例一覆陶高温合金静叶片的叶片尾缘冷却孔排布示意图。

图6为本发明实施例一高温合金坯体表面柱体结构示意图。

图7为本发明实施例一高温合金坯体和合金冷却管网结构示意图。

具体实施方式

以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，参见图3～图7，一种覆陶高温合金静叶片，包括高温合金坯体1，在高温合金坯体1表面依次结合陶瓷复合材料过渡层3和陶瓷层4，使陶瓷复合材料过渡层3位于高温合金坯体1和陶瓷层4之间，形成缓冲、能量传导和力传递功能的中间材料层，高温合金坯体1、陶瓷复合材料过渡层3和陶瓷层4形成一体化复合材料静叶片，在一体化复合材料静叶片中设置高温合金冷却管网2，高温合金冷却管网2从高温合金坯体1、陶瓷复合材料过渡层3和陶瓷层4穿过形成热流传输通道；高温合金坯体1上有铸造的空心凸起6与高温合金冷却管网2连接在一起，将空心凸起6作为高温合金冷却管网2的固定支撑桩脚，使空心凸起6与高温合金冷却管网2连接形成凸起框架，并使空心凸起6的管腔作为热流传输通道的一部分而与高温合金冷却管网2连通；高温合金坯体1外表面和高温合金冷却管网2外表面皆附着陶瓷复合材料过渡层3，陶瓷复合材料过渡层3表面附着陶瓷层4，高温合金冷却管网2还形成连接高温合金坯体1、陶瓷复合材料过渡层3和陶瓷层4的立体网状骨架结构。本实施例重新涉及陶瓷与高温合金的结构形式，将μm级的涂层提高到mm级的陶瓷与合金的复合结构。

在本实施例中，参见图3～图5，在陶高温合金静叶的整体表面按热力学分布进行布置冷却孔5，冷却孔5主要设置于陶瓷层4中，冷却孔5与高温合金冷却管网2连通，形成完整的冷却通道。冷却孔5与高温合金冷却管网2连接，形成完整的冷却通道。

在本实施例中，参见图4和图5，按照与在陶瓷层4中冷却孔5对应的高温合金坯体1表面位置处错开的结构，在高温合金坯体1表面上铸造有空心凸起6，形成主管轮生支管结构的冷却通道。空心凸起6能支撑高温合金冷却管网2，空心凸起6的中空通道与合金管道焊接形成完整的冷却管网。此空心凸起6为中空结构与高温合金坯体1内部冷却通道相连。

在本实施例中，参见图3～图7，高温合金冷却管网2的部管路形成高温合金坯体1内设的冷却通道，高温合金冷却管网2采用与高温合金坯体1同材质的高温合金冷却管编织成空间网状结构，使凸起框架和网状结构连接形成悬空设置在高温合金坯体1外的一层框架结构。高温合金坯体1采用钴基高温合金或镍基高温合金铸造而成。

在本实施例中，参见图3～图7，陶瓷复合材料过渡层3采用成分梯度材料制备而成，陶瓷复合材料过渡层3的复合材料成分从结合高温合金坯体1的高温合金面层到结合陶瓷层4的陶瓷面层进行梯度变化，形成缓冲冷热态材料差异的内部应力的功能材料层。

在本实施例中，参见图3～图7，高温合金坯体1直接铸造进行结构成形，高温合金冷却管网2通过焊接进行结构成形。高温合金冷却管网2制备完成后，进行热处理，消除成形应力；还对高温合金坯体1表面和高温合金冷却管网2的表面进行表面处理和外部尺寸控制。

在本实施例中，参见图3～图7，制备陶瓷层4时，将完成陶瓷复合材料过渡层3制备程序的合金毛坯固定于工装之上，并设置于静叶片模具内，后将陶瓷层4的陶瓷液体状浆料倒入静叶片模具内，再经离心振动，使陶瓷浆料充分与高温合金坯体1外部的高温合金网状结构和高温合金坯体1表面紧密结合；然后待静叶片成型固定后，将模具移除，将成型后静叶片转移至叶片烧制炉，经烧烧制成型，然后在陶瓷层4表面进行打孔处理，制造冷却孔5。

在本实施例中，参见图3～图7，在制造本实施例覆陶高温合金静叶片，采用如下步骤：

a.高温合金坯体1由精密铸造形成，考虑到特殊的空心凸起6结构，静叶毛坯铸造好后进行凸起处处理，方便与高温合金冷却管网2进行焊接；高温合金冷却管网2预热后，按照叶片冷却需要布置其管道位置；进行焊接，形成冷却管网；

b.冷却管网焊接好后，进行热处理，消除焊接过程中的应力，同时对高温合金坯体1和管网结构的表面进行表面处理，特别是圆角处和管道连接处，需要尺寸控制；

c.将陶瓷复合材料过渡层3进行喷涂,每过设定厚度更换异种涂层材料，喷涂完后，静置；

d.将叶片形模具按一定数量排列，将喷涂过渡层的合金毛坯固定于工装之上，后将陶瓷层的陶瓷浆料状倒入叶片形模具，经离心振动使陶瓷浆料充分与高温合金冷却管网2的网状结构和高温合金坯体1结合；待叶片成型固定后，将模具移除，连同工装一起转移至叶片烧制炉，经烧烧制成型；

e.将烧结制造完成的覆陶高温合金静叶片初成品进行精整，在叶形表面矫正后，经过五点定位加工高温合金的连接部分，精加工完成后，夹持高温合金部分，进行陶瓷此表面的打孔处理，最后得到覆陶高温合金静叶片产品。

本实施例覆陶高温合金静叶片包含高温合金坯体1，高温合金冷却管网2，陶瓷复合材料过渡层3和陶瓷层4。在高温合金坯体1内部有冷却通道，内部冷却通道部分与常规涡轮机械静叶设计一致。与常规设计不同之处是表面有支撑合金管网的空心凸起6，凸起中空后与合金管道焊接形成完整的冷却管网。此凸起为中空结构与坯体内部冷却通道相连。高温合金冷却管网2采用高温合金管连接组成，与高温合金坯体1上的空心凸起6焊接而成高温合金框架冷却管网系统，形成完整冷却管网结构。其中管网离高温合金坯体1表面有间隙距离，方便陶瓷层4的附着。陶瓷复合材料过渡层3通过喷涂工艺，将陶瓷复合材料结合在高温合金坯体1与合金管表面上，用于缓冲合金与陶瓷冷热态热膨胀和热传导的物理差异。从高温合计层到陶瓷层的复合材料成分具有梯度变化。陶瓷层4附着与高温合金坯体1和合金管网之上。可以耐受较高的温度，陶瓷层4位于高温合金坯体1和管网结构之间，陶瓷层4和管网结构之上的不同陶瓷形成一个整体，整体附着在本实施例结构之上，厚度达到mm级。本实施例陶高温合金静叶片的整体表面按热力学分布进行布置冷却孔，所有复合静叶的表面打孔统一布置，冷却孔5与高温合金冷却管网2连接，形成完整的冷却通道。这样形成的冷却系统完整，冷却效果优越。

本实施例覆陶合金静叶片包括高温合金坯体1、高温合金冷却管网2、陶瓷复合材料过渡层3、陶瓷层4。高温合金坯体1是钴基或镍基高温合金铸造而成，高温合金坯体1内有冷却通道，通道的表面冷却孔处均铸造有凸起框架，冷却管网由与高温合金坯体1同材质的高温合金冷却管网2编织成网状，凸起框架和网状结构连接形成悬浮在坯体外的一层结构。陶瓷过渡层喷涂在此坯体和网状结构上形成陶瓷复合材料过渡层3。陶瓷层4、陶瓷复合材料过渡层3、高温合金冷却管网2和高温合金胚体1一体化形成整体静叶片。框架网状结构增加了陶瓷结合厚度，过渡层和网状结构抵消热冲击时的应力。本实施例覆陶合金静叶片能提高涡轮入口温度和涡轮机械的效率，延长其使用寿命。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，在陶瓷层4中冷却孔5对应的高温合金坯体1表面位置处均铸造有对应的空心凸起6，形成十字形冷却通道。高温合金冷却管网2的布置充分考虑叶片冷却的分布，凡是管分布的位置就是最外层陶瓷层打冷却孔的位置，形成完整的冷却系统。

实施例三：

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，在本实施例中，参见图3～图7，高温合金坯体1和高温合金冷却管网2通过3d打印进行结构成形，3d打印能实现复杂空间结构的快速制造。本实施例高温合金坯体1和高温合金冷却管网2之间的连接并不局限于焊接而成，而是增材制造方法形成一个整体的冷却腔体，同时配合热处理工艺消除其内部应力，能够满足不同覆陶高温合金静叶片的多样性制造需求。

上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明覆陶高温合金静叶片的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。