專利名稱：抗磨損功能分級材料和方法
抗磨損功能分級材料和方法技術領域
本文中公開的主題的實施例大體涉及磨損保護。
背景技術：
在部件接觸的各種系統中，可發生磨損。因為磨損可縮短裝備的使用期限，延長裝備停工期并且增大成本，所以磨損通常為不合乎需要的。在其中部件磨損的系統的一個實例是燃氣渦輪。燃燒器在燃氣渦輪中使用以將熱燃燒氣體運送到渦輪的第一級。在系統中使用的每個燃燒器通常包括具有一個或多個燃料噴嘴的燃料噴射系統和燃燒室。典型燃燒室可包括燃燒內襯、過渡件以及流動套管，該過渡件連接于燃燒室和渦輪的第一級并且在它們之間延伸。通路在燃燒內襯和流動套管之間產生，通路允許壓縮機排出空氣的至少一部分引入到燃燒內襯中，用于與通過燃料噴嘴噴射到系統中的燃料混合并且用于冷卻目的。另外，過渡件將熱燃燒氣體引導和運送到渦輪的第一級，用于功率產生和膨脹。
更具體地，關于圖1描述燃燒器和它的相關過渡件。用于在燃氣渦輪中使用的燃燒器2具有燃燒室4，其位于可具有柱形形狀的燃燒內襯6之內。燃料經由(多個)噴嘴12進入燃燒室4。燃燒內襯6被大致柱形流動套管8圍繞。然而，徑向間隙存在于燃燒內襯6和柱形流動套管8之間，徑向間隙充當空氣流通路以將空氣引入到燃燒室4中以與通過燃料噴嘴12運送的燃料混合。過渡件10使燃燒內襯6與渦輪的第一級連接(未示出)。
在操作期間，一些燃燒部件受到由例如硬件振動引起的磨損的影響。該磨損產生與停工期和替換部件有關的維護和費用成本。雖然將燃氣渦輪燃燒部件用作實例，但是在其他類型的機器中使用的其他部件也可經歷磨損。用于減小部件的磨損的一個可能方法是將耐磨覆層噴涂在這些部件的表面上。這些噴涂涂覆機制利用對于期望的涂覆表面處于大約90°角的噴涂噴嘴而執行。期望涂覆的一些部件幾何形狀(例如，拐角和各種彎曲部)不一定總是允許實現所需角度(在涂覆噴涂噴嘴和部件表面之間)，這可導致薄覆層或可能根本沒有覆層。
因此，用于減小磨損、延長部件的使用期限并且減小成本的系統和方法是合乎需要的。發明內容
根據示范實施例，存在一種用于構件表面物理性質增強的系統。系統包括:構件，其構造成接收覆層；鏡像構件，其構造成是可移除的，其中，鏡像構件具有大致反映構件上的至少一個表面的至少一個涂覆表面；和覆層，其用于增強構件的至少一個表面的表面物理性質，其中，覆層通過熱等靜壓(HIP)從鏡像構件轉移到構件。
根據另一個示范實施例，存在一種用于構件的表面物理性質增強的方法。該方法包括:涂覆鏡像構件的至少一個表面，其中，鏡像構件的至少一個表面大致反映構件上的至少一個表面；通過熱等靜壓(HIP)將覆層從鏡像構件轉移到構件，其中，覆層是用于增強表面物理性質的覆層；和移除鏡像構件。
根據又一個示范實施例，存在一種用于構件的表面物理性質增強的系統。系統包括:構件，其構造成接收覆層；鏡像構件，其構造成產生在鏡像構件和構件之間的間隙，其中，鏡像構件具有大致反映構件上的至少一個表面的至少一個表面；和布置在間隙中的涂覆粉末，涂覆粉末構造成增強構件的至少一個表面的表面物理性質，其中，熱等靜壓被執行以將涂覆粉末施加于構件的至少一個表面。
了示范實施例，其中: 圖1描繪了傳統燃燒器和過渡件； 圖2示出了根據示范實施例的接觸的兩個部件； 圖3圖示了根據示范實施例的附接于凸緣的H型組塊； 圖4圖示了根據示范實施例的叉形件； 圖5示出了根據示范實施例的燃燒器內襯止動件(stop)和它的配合件； 圖6圖示了根據示范實施例的H型組塊； 圖7示出了根據示范實施例將抗磨損覆層噴涂在鏡像構件上； 圖8圖示了根據示范實施例將抗磨損覆層從鏡像構件轉移到H形組塊上； 圖9描繪了根據示范實施例移除鏡像構件； 圖10示出了根據示范實施例的具有抗磨損覆層的H形組塊； 圖11示出了根據示范實施例的磨損構件和鏡像構件； 圖12圖示了根據示范實施例的在構件和鏡像構件之間的間隙； 圖13描繪了根據示范實施例以碳化鎢粉末填充間隙；以及 圖14是圖示了根據示范實施例的用于減小磨損的方法的流程圖。
具體實施方式
示范實施例的下列詳細描述參考附圖。不同附圖中的相同附圖標記識別相同或相似的元件。另外，附圖不一定按比例繪制。此外，下列詳細描述不限制本發明。而是，發明的范圍由所附權利要求限定。
在整個說明書中參考“一個實施例”或“實施例”意味著，結合實施例描述的特別特征、結構或特性包括在所公開的主題的至少一個實施例中。因此，短語“在一個實施例中”或“在實施例中”在整個說明書中的各個地方的出現不一定指的是相同的實施例。此外，特別特征、結構或特性可以以任何合適的方式組合在一個或多個實施例中。
根據示范實施例，在部件或構件上的一個或多個表面物理性質可增強。表面物理性質增強的實例包括用于如下構件的增強，即，該構件可在磨損環境、酸性環境、腐蝕性環境中使用，和/或用作熱障。這些部件可具有多個表面，并且在各種應用(例如機器中的構件、管道、連接器等)中使用。
可增強的表面物理性質的一個實例是磨損減小。根據示范實施例，抗磨損覆層可施加于經歷磨損的構件的一個或多個表面。構件可包括至少一個表面，其經歷來自例如與另一個部件的物理接觸的磨損。兩個部件之間的該物理接觸可由于諸如摩擦、由起動/停止運動而引起的接觸、 振動等的各種機制而發生。構件可在大多數情況下具有任何形狀或大小。磨損表面幾何形狀的實例可包括但不受限于平坦表面、成形表面、內表面、凹入表面、凸出表面和其他幾何成形表面。例如，任何兩個配合構件可在各種情況下經歷磨損。在圖2中示出相互接觸的兩個部件的實例，其中，第一部件14與第二部件16接觸，并且由于例如第一部件14和第二部件的振動18，第一部件14與第二部件16之間的磨損在它們布置在其中的系統處于操作中時發生。磨損在共同接觸表面6上發生在兩個部件上。
根據示范實施例，與磨損部件相關的接觸點和表面的磨損特性可被修改，使得它們的有用使用期限延長。在討論這些示范實施例之前，將描述圖3-5以提供關于在燃氣渦輪燃燒系統中傾向于磨損的構件的背景。雖然將燃氣渦輪燃燒系統用作在其中部件磨損的系統的僅說明性的實例，但是將理解，其他系統中的其他構件可經受磨損。各種其他部件、機器和系統可受益于本文中描述的示范實施例。
首先，如在圖3中看到的，過渡件10可具有帶有開口 22的帶凸緣區段20。H形組塊(或大致H形組塊)24在開口 22內并且附接于帶凸緣區段20。雖然圖3僅示出了單獨H形組塊24和單獨帶凸緣區段20，但是可存在附接于過渡件10的這些零件/區段中的兩個。叉形件26和28可滑動地接收在H形組塊24內，使得指狀元件的相對面向表面可接合H形組塊24的橫構件(cross-piece) 30的相對側面。磨損可發生在H形組塊24的內表面上，其中，叉形件26和28可摩擦或振動。磨損還可在接觸H形組塊24的內表面的叉形件26和28的面向表面上發生。根據示范實施例，圖4還示出了包括內U形表面32的叉形件26和28，內U形表面32還可具有磨損表面。
圖5示出了燃燒器內襯止動件34和凸配合件36。這兩個零件配合的地方還為磨損可在燃燒器2的操作期間發生的位置。另外，H形組塊24、燃燒器內襯止動件34和它們各自的配合件可由例如L-605的鈷基超級合金、Hastelloy X或其他所謂的“超級合金”制成。
當在操作中時，各種磨損構件中的一些可具有相對短的使用期限，這可導致比檢查和替換的期望頻率更高的頻率。根據示范實施例，抗磨損覆層的施加可增大各種磨損構件的耐磨性，因此減小各種磨損構件的檢查和替換的頻率。對于待使用的抗磨損覆層的量的考慮包括但不受限于脆性、延展性和硬度。各種合金元素可引入到抗磨損覆層，以便獲得用于適當條件的期望性質。
根據示范實施例，抗磨損覆層可噴涂到例如低碳鋼插入件的鏡像構件上，用于施加于不可通過直接噴涂方法而適當地`涂覆的磨損表面。所謂的“鏡像構件”的幾何形狀大體反映覆層將轉移到其上的構件的一個表面或多個表面的幾何形狀。噴涂在鏡像構件上的抗磨損覆層的厚度可基于如下因素而變化，即，該因素諸如為覆層材料、轉移覆層的期望厚度和基于在轉移期間使用的溫度和壓力的預期轉移性質、以及在制造磨損部件時使用的材料的擴散性質。碳化鎢層可經由熱等靜壓(HIP)過程從鏡像構件轉移到部件的一個或多個磨損表面。
根據示范實施例，可受益于覆層的構件的實例是H形組塊30，其可加工成如圖6所示的形狀。H形組塊30可包括過多(overstock)的量,例如2mm。H形組塊30具有在每個“半部”的內部上的三個磨損表面，其中，H形組塊30的半部由虛線38分開。H形組塊30的第一半部40具有內磨損表面44、46和48。H形組塊30的第二半部42具有三個內磨損表面50、52和54。磨損表面可為H形組塊30的內表面，并且可描述為大致垂直于第二表面44的第一表面46,第二表面44大致垂直于第三表面48,第三表面48大致平行于第一表面46并且具有與第一表面46大致相同的表面面積。
如上所述，抗磨損覆層可噴涂到磨損表面上。根據示范實施例，抗磨損覆層可通過經由噴嘴58將高速火焰(HVOF)噴涂或等離子體噴涂到插入件56上而施加，如圖8所示。鏡像構件56的幾何形狀大體反映待涂履的磨損表面(在該實例中，H形組塊30的磨損表面44、46和48)的幾何形狀。
根據示范實施例，接著，碳化鎢覆層60可通過HIP過程轉移到H形組塊30的磨損表面44、46和48，如圖8所示。HIP過程可以以大約1200°C和IOOMpa執行，然而，可選溫度和壓力可用于確保碳化鎢覆層60到H形組塊30中的期望擴散發生。另外，雖然未示出，但是該操作可執行用于H形組塊30的兩個側面40和42。另外，對于不同構件，構件的組成和抗磨損覆層(或其他類型的覆層)的不同成分、各種溫度和壓力可用于HIP過程。
根據示范實施例，如圖9所示，鏡像構件56可通過酸浸(或蝕刻)并且/或者通過加工和/或其他過程而移除。鏡像構件56周圍的虛線表示鏡像構件56從H形組塊30的移除。另外，碳化鎢覆層60在H形組塊30的磨損表面44、46和48上的存在表示，這些表面被按照要求擴散到H形組塊30中的碳化鎢覆層60所覆蓋。在酸浸之后，通過酸浸改變的、來自未保護和/或未涂覆表面的過多(例如大約2_)的材料可通過加工移除。接著，H形組塊30可按照要求加工到它的最終尺寸。完整的H形組塊30示出在圖10中，并且包括具有碳化鎢覆層的所有內磨損表面44-54。如上所述，相似的方法可用于將抗磨損覆層從鏡像構件轉移到叉形件26和28的一個或多個磨損表面，并且將抗磨損覆層轉移在燃燒器內襯止動件(叉形件)26和28的磨損表面32上。碳化鎢覆層60被認為是覆層的實例，然而，為表面物理性質提供合乎需 要的增強的其他覆層可基于例如部件在其中使用的環境而按照要求使用。
根據示范實施例，可執行將覆層施加于部件的表面的另一種方法，如現在將關于圖11-13所描述地。該覆層可為抗磨損覆層或與另一種表面物理性質增強相關的覆層。圖11示出了具有三個內表面64、66和68的構件62。還示出鏡像構件70，其可按照要求由低碳鋼或其他材料制成。鏡像構件70大體反映三個內表面64、66和68，并且鏡像構件70放置到構件62的開口 72中，如圖12所示。根據示范實施例，可存在在三個內表面64、66、68和鏡像構件70之間的間隙。間隙74的期望大小可按照要求通過確定鏡像構件70的大小而控制。另外，間隙74的大小可按照要求通過各種測量方法驗證。該間隙74可填充有粉末，其可為三個內表面64、66和68提供耐磨性或其他表面物理性質增強。
根據示范實施例，如圖13所示，間隙74可填充有WC粉末76。接著，熱等靜壓可執行成將WC粉末76提供到構件62的三個內表面64、66和68上的覆層中。根據示范實施例，接著，酸浸可用于移除鏡像構件70，之后是構件62的最終加工，以實現期望的最終尺寸和/或移除被酸浸過程損壞的過多材料。根據可選的示范實施例，鏡像構件可由兩個或更多個零件制成，該兩個或更多個零件中的一些可被機械地移除。這可被進行以減小待執行的酸浸和最終加工的量，并且可基于鏡像構件70的形狀是合乎需要的。
根據示范實施例，如上所述，覆層可在經受HIP過程之前噴涂到金屬鏡像構件上或者施加為粉末。覆層可為碳化鎢。可選地，各種其他元素和合金還可按照要求用作抗磨損覆層。例如，鈷和/或鉻可添加于碳化鎢以實現覆層的期望特性。根據示范實施例，具有鈷的碳化鎢的包括成分范圍可為從83%的碳化鎢和17%的鈷到91%的碳化鎢和9%的鈷。可選地，可添加例如4%鉻的鉻，同時據此調節碳化鎢和/或鈷百分比。將理解，這些成分范圍不被認為是限制性的，并且其他成分范圍(和/或材料)可用于獲得抗磨損覆層的期望特性。另外，可使用其他覆層，其提供期望的機械/材料性質，并且可經由HVOF和/或熱噴涂技術施加。根據示范實施例，覆層的厚度可為在(多個)表面上的大致一致的厚度。根據可選示范實施例，可使用可變厚度的覆層。
如上所述，鏡像構件可被成形，該鏡像構件大致反映其他表面(或表面的部分)，其中，HVOF和/或等離子體的直接噴涂可為不合乎需要的或者甚至不可執行的。根據示范實施例，接著，先前描述的其他形狀可受益于本文中公開的示范系統和方法。例如，可為平坦的、可為彎曲的、可為凹入的(或甚至像管的內表面一樣閉合的)或其他期望幾何形狀的其他表面可具有利用這些示范方法和系統施加于它們的覆層。
利用根據示范實施例的以上描述的示范系統，在圖14的流程圖中示出了用于表面物理性質增強的方法。用于至少一個構件的表面物理性質增強的方法包括:涂覆鏡像構件的至少一個表面的步驟78 ;在步驟80處，通過熱等靜壓將大致反映構件上的至少一個表面的覆層從鏡像構件轉移到構件，其中，覆層是用于增強表面物理性質的覆層；和在步驟82處，移除鏡像構件。
本發明的以上描述的示范實施例意圖在各個方面是說明性的而非限制性的。因此，本發明能夠由本領域技術人員進行詳細實施的許多變化，其可來源于本文中包含的描述。所有該變化和修改被認為在由所附權利要求限定的本發明的范圍和精神內。在本應用的描述中使用的元件、動作或指令不應當理解為對本發明而言是必需或基本的，除非明確地如此描述。此外，如在本文中使用地，冠詞“一個”意圖包括一個或多個物品。
該書面描述使用公開的主題的實例以使本領域技術人員能夠實踐該實例(包括制造和使用任何裝置或系統，以及執行任何合并的方法)。本主題的可取得專利權的范圍由權利要求限定，并且可包括本領域技術人員所想到的其他實例。該其他實例意圖在權利要求的范圍內。
權利要求
1.一種用于構件表面物理性質增強的系統，所述系統包括: 構件(30)，其構造成接收覆層(60)； 鏡像構件(56)，其構造成是可移除的，其中，所述鏡像構件具有大致反映在所述構件(30)上的至少一個表面的至少一個涂覆表面；和 覆層(60)，其用于增強所述構件(30)的至少一個表面的表面物理性質，其中，所述覆層(60)通過熱等靜壓(HIP)從所述鏡像構件(56)轉移到所述構件(30)。
2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述覆層是抗磨損覆層。
3.根據權利要求2所述的系統，其特征在于，所述抗磨損覆層是碳化鎢(WC)覆層。
4.根據權利要求3所述的系統，其特征在于，所述構件是大致H形組塊，其構造成將燃氣渦輪燃燒器的過渡件固定于支撐件，并且其中，所述構件的至少一個表面包括大致垂直于第二表面的第一表面，所述第二表面大致垂直于第三表面，所述第三表面大致平行于所述第一表面并且具有與所述第一表面大致相同的表面面積。
5.一種用于構件的表面物理性質增強的方法，所述方法包括: 涂覆鏡像構件的至少一個表面(78)； 通過熱等靜壓(HIP)將大致反映在所述構件上的至少一個表面的覆層從所述鏡像構件轉移到所述構件，其中，所述覆層是用于增強表面物理性質的覆層(80);以及 移除所述鏡像構件(82)。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述覆層是抗磨損覆層。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述覆層是碳化鎢(WC)覆層。
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，所述構件是大致H形組塊，其構造成將燃氣渦輪燃燒器的過渡件固定于支撐件，并且其中，所述構件的至少一個表面包括大致垂直于第二表面的第一表面，所述第二表面大致垂直于第三表面，所述第三表面大致平行于所述第一表面并且具有與所述第一表面大致相同的表面面積。
9.一種用于構件表面物理性質增強的系統，所述系統包括: 構件(62)，其構造成接收覆層； 鏡像構件(70)，其構造成產生在所述鏡像構件(70)和所述構件(62)之間的間隙(74)，其中，所述鏡像構件(70)具有大致反映在所述構件(62)上的至少一個表面的至少一個表面；以及 布置在所述間隙(74)中的涂覆粉末，所述涂覆粉末構造成增強所述構件(62)的至少一個表面的表面物理性質，其中，執行熱等靜壓以將所述涂覆粉末施加于所述構件￠2)的至少一個表面。
10.根據權利要求9所述的系統，其特征在于，所述構件是大致H形組塊，其構造成將燃氣渦輪燃燒器的過渡件固定于支撐件，并且其中，所述構件的至少一個表面包括大致垂直于第二表面的第一表面，所述第二表面大致垂直于第三表面，所述第三表面大致平行于所述第一表面，并且具有與所述第一表面大致相同的表面面積。
全文摘要
本發明涉及抗磨損功能分級材料和方法。系統和方法提供用于構件表面物理性質增強。構件表面物理性質增強系統包括構件，其構造成接收覆層；鏡像構件，其構造成是可移除的，其中，鏡像構件具有大致反映構件上的至少一個表面的至少一個涂覆表面；和覆層，其用于增強構件的至少一個表面的表面物理性質，其中，覆層通過熱等靜壓(HIP)從鏡像構件轉移到構件。
文檔編號C23C4/10GK103160770SQ20121053351
公開日2013年6月19日 申請日期2012年12月12日 優先權日2011年12月12日
發明者V.布蘭徹蒂, F.巴爾薩莫 申請人:諾沃皮尼奧內有限公司