專利名稱：金屬零件與用陶瓷材料制作的零件的焊接組件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及將兩種具有不同熱機性能的材料焊接在一起的廣一泛領域。 更準確的說，本發(fā)明適用于將金屬件與用陶瓷材料，如碳化硅及或碳基材料制 作的零件釬焊在-起。
背景技術：
用陶瓷材料制作的零件可以用固體碳化硅構成。他也可以由熱結構復合材米科勾成，特別是用由用碳化硅或碳纖維增強的陶瓷基質復合材料(Ceramic Matrix Composite, CMC)構成。熱結構復合材料的特點在F其機械性能使其適合于構成結構零件，同時在高溫 下還保留這些機械性能。它是由纖維增強材料構成，在纖維增強材料的縫隙中至少 部分地填充耐高溫材料的基料以增加密度。通常選擇碳與陶瓷材料(即非金屬材料 也非有機材料)，特別是碳化硅(SiliconCarbide，Sic)，作為纖維材料和陶瓷材料。作為例子，本發(fā)明可用于將陶瓷材料制作的零件與由鈦、鋁、及釩的合金 (TA6V)或因康鎳合金(Inconel 718，是注冊商標)，其是一種鎳基合金，其化學 組成為MCrl9Fel9Nb5Mo3。陶瓷材料制作的零件的機械性能及這些性能在高溫下保持不變的事實，使這些 材半斗特別適用于制作耐受高的熱纟幾Mi^力的零件，具體說，適用于航空業(yè)(發(fā)動豐幾 部件，整流罩構件)。當陶瓷材料用碳化硅或碳纖維增強時，他們便成為金屬材料的 代用品，具有很多優(yōu)點，尤其在減輕重量和延長使用部分方面。按照慣例，陶瓷材料制作的零件和用鉚接或螺自接組裝在一起的金屬零件， 但有時這種連接由于尺寸、重量或難以實現(xiàn)等原因不能適用。此外，供陶瓷材料及其相關的有機前體適用的現(xiàn)有組裝方法并不適用于陶瓷材 料與金屬之間同類組裝。由于陶瓷材料與金屬的熱力學和化學性能十分不同，所以連接兩種陶瓷材料所 采用的現(xiàn)有釬焊技術難以用于將陶瓷材料與金屬間的異質焊接。鎳基、鋁基和釩基金屬合金的膨脹系數(shù)約為陶瓷材料的二至三倍。更確切的說，這^金5(XTC時的膨脹系數(shù)約為10xl0^K—」15S，而CMC膨脹系數(shù)約為2.5xlCT6k—1至4.0x10—6k"土15 % 。因此，對于30咖長的組件而言，它從焊劑的凝固溫度冷卻到環(huán)境溫度時測出的 膨脹偏差達0.2誦。這-一偏差導致兩個零件內(nèi)出現(xiàn)高應力，具體地，在焊接接頭靠近陶瓷區(qū)域處出 現(xiàn)EE縮力，而在靠近金屬零件區(qū)域出現(xiàn)拉力。這些應力引起的局部變形能使零件之 …-發(fā)生斷裂或導致焊接接頭強度的降低。這種形變在金屬零件中是不可逆的。在陶瓷零件中，允其是用CMC制作時， 這種形變能引起脆性斷裂。當應力太高時會突然發(fā)生這樣的斷裂。在交變應力作用 下逐步積累損傷也會出現(xiàn)斷裂。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的主要目的是通過提出-種組件來削弱這禾中缺點，它包括金屬零件、陶 瓷材料制作的零件、和至少-件將每f謎零件用焊接方法組裝起來的屮間連接件， 該中間連接件由可變薄板構成，薄板有焊接面區(qū)域和可變形段。作為例子，可選用Ag-Mn或Ag-Cu—Ti型的焊劑，使其所獲組件在溫度高達5ocrc時仍然牢固。根據(jù)本發(fā)明，用陶瓷材料審U作的零件與金屬零件之間的差異膨脹被可變形薄板 吸收。于是本組件對差異膨脹有熱適應力，同時盡可能保持在彈性范圍以內(nèi)。為了能 承受焊后的7轉卩及操作中的熱循環(huán)，必須在陶瓷材料制作的零件和金屬零件之間容 納差異膨脹。在一優(yōu)選實例中，陶瓷材料制作的零件是有碳化硅SiC和/或碳做成的。 例如，陶瓷材料零件由固體碳化硅制造。在又一實施例中，陶瓷材料零件包括由碳化硅或者碳纖維增強的陶瓷基料。在一優(yōu)選實施例中，可變形7 包括至少兩個可變開誠紋，這些可變開M紋交 替地朝向金屬零件和由陶瓷材料制成的零件。 地，至少一個可^F娥紋是自由的，這種自由波紋保證了用于焊接連接的 增大的彈性。自由波紋的高度有利地用于在折疊方向f參改剛性。在第一變異的實例中，諸可變形波紋是同心的。在該第一實施例中，中間連接元件包括繞軸大體上呈圓形的第一平面區(qū)，與第一平面區(qū)共軸的大體上呈環(huán)形且其內(nèi)徑大于所述第一區(qū)直徑的第二平面區(qū)，及繞 上述軸線對稱回轉的波紋。由于這-對稱性，不管最大應力作用線的方向如何，這樣的連接元件的作用相同。在另一實例中，連接元件往往以波紋管式折疊帶的形式存在。 在本發(fā)明-有利的實施例中，該組件包括多個中間連接元件，它們在一固定點 四周沿徑向排列。使用這種連接元件，在焊接點周圍應力低，剛性能夠被改變。用這種連接元件以福射狀作星形排列可有力地呈現(xiàn)同心配置的波紋，這些波紋 在徑向方向上是間斷的(該間斷是由沿多條徑向的空隙構成)，[大l而能使離汗這些同 心圓的切向應力降低或消失。中間連接元件最好排列在固定點周圍的多條徑向方向上。 該實例可使金屬零件與陶瓷材料零件的組合件的剛度提高。在戶/M固定點周圍，因金屬零件膨脹引起的偏移隨離開固定點的距離而增加。 在這種配置的-,定實施例中，中間元件撓性隨離開固定點而增加。 這一配置的特定實施例用來彌補上述偏移的增大。本發(fā)明還提供一種包括至少一個上述組件的渦輪機噴嘴，在該組件中金屬零件 是戶斤述噴嘴的殼體(或操作體)，而陶瓷材料的零件是噴嘴的閥瓣。本發(fā)明還試圖提供一種包括至少一個上述組件的滑輪機燃燒室，在該組件中金 屬零件是該燃燒室的殼體(或其零件，或其接^^——即連接元件)，而陶瓷材料的零《牛是該;^燒室的部件。本發(fā)明還劍共包括至少一個上述組件的滑輪機補燃裝置，在該組件中金屬零件 是補燃殼體(或補燃裝置的座)，而陶瓷材料零件是火焰穩(wěn)定器的托架。 本發(fā)明還提供一種包括至少一個上述組件的渦輪機。


本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點可參照附圖從以下說明中顯現(xiàn)，附圖顯示的實施例不具有限制性，其中圖1示出適用于根據(jù)本發(fā)明所述第一組件的連接元f牛； 圖2是采用圖1的連接元件的本發(fā)明組件的咅靦圖； 圖3示出適用于根據(jù)本發(fā)明的第二組件的連接元件；圖4示出適用于根據(jù)本發(fā)明的第三組件的連接元件； 圖5是圖3和圖4連接元件的不完整剖面；圖6示出--個波紋面，從中可以看到圖5所示那種中間元件； 圖7示出本發(fā)吸--個有利的實施例；圖8示出其上有孔口的零件的特定實施例，它有利于定位與固定用于根據(jù)本發(fā) 明的組件的連接零件；及圖9A和9B分別示出適用于制作中間元件塑性和彈性材料的機械性能，該機械性能與溫度的關系曲線。
具體實施方式
圖I不出適用于根據(jù)本發(fā)明的第-組件的連接元件IO。作為例子，它是由平坦 的可變性材M/中壓而成，所形成的第,面區(qū)11是以軸線A為中心的圓形，第二平 面區(qū)12是以軸線A為中心的環(huán)形，這兩個區(qū)域由大體為截錐形的可變形段13相互 連接起來。環(huán)形區(qū)12的內(nèi)徑大于圓形區(qū)11的直徑。錐形壁13與平面區(qū)11和12 的垂直方向具有或大或小的傾角。圖2示出采用圖1所g接元件10的本發(fā)明組件14的線II-II的剖面(見圖1)。在此組件中，金屬零件16和連接元件10的圓形平面區(qū)11之間有第一釬焊接頭 15，陶瓷材料零件(如CMC) 18和連接元件10的環(huán)形平面區(qū)12之間有第二釬焊 接頭，它們最好使用相同的焊料。圖1和圖2所示和采用的連接元件10可從一塊可變形材料的平板上用切割方法 并利用圓柱形沖頭沖出。航空使用的連接元件的垂直高度或尺寸約2mm,但應明白此尺寸可隨不同用途 的特點而改變。連接元件10的各個部分的尺寸也可隨不同應用而改變。就此題目而論，應當看到，連接元件10幾何參數(shù)的修改可改變所述應力值。對尺寸約為10cm的零件而言，2mm的推薦尺寸使其沿切向可有彈性。例如在 熱循環(huán)期間，在差異膨脹的影響下，連接元件10的錐形段13能完全或部分吸收該 差異li脹，而不i機組件的強度。由于制作連接元件的材料是可^i的，因此總 的來i兌，圓柱部分的變形是無足輕重的。然而在圖2所示的實施例中，在其焊接接頭和在連接元件表層受剪可視察到有 高的應力。下述的連接元件10'，見圖3，用于彌補此缺點。連接元件IO'的可變形段13'繞軸線A呈軸對稱，該段13'形成至少兩個自由波 紋19和20，這兩波紋相對于分別為圓形和環(huán)形的平面區(qū)11和12，交替的朝上和朝 下。該結構仍有利地由可變形材料沖壓制作?？勺冃味?3'中有自由的，既非焊接 的波紋存在，使該結構更具10柔性。圖5示出連接元件10'的V-V剖面(見圖3)。平面區(qū)11和12由具有兩個自由 波紋19和20的可變形段13'連接起來。應巧看到，在圖3和圖5中，不出的波紋19、 20基本上是平直的，但它們?nèi)钥?具,f其它形狀，如正弦形。對圖1所示連接元件所作的尺寸、體積和參數(shù)也同樣適用圖3的元件。應當看到，成型薄鋼板的厚度，波紋曲率半徑n、 r2、 r3、 ^、 r5、 r6.波紋長度I" 12，波紋19和20的特征高度h,、 h2、 h3，波紋與平面區(qū)垂直的夾角a卜a2、 a3，及 折逸平面區(qū)的長度1。、 13這些參數(shù)的改變都在設想之中，且成為改善元件的應力和 剛度的特征數(shù)據(jù)。在圖1和圖3的實施例中，其組件在切力作用下的剛度在裝配面中是各向同性的。在采用具有圖3所示特征的連接元件的組f牛中，其焊接接頭上的剪應力小于采 用圖1所示連接件的組件測定值。圖4所示的連接元件IO"可用于根據(jù)本發(fā)明所述的其他組件。在此實施例中， 連接元件IO"通常以波紋管式折疊扁條的形式出現(xiàn)。在圖4所示的例子中，扁條的 截面與圖5所示的一樣，這樣的連接元件也可以是沖壓結構，或通過彎折或沿Y方 向擠壓而成。若是擠壓成型，如圖6所示，則在波狀表面22上有沿Y向的槽紋。 然后沿所述波狀表面22每隔Lmm切下一段連接元件10"。 還可設想例如用線切割方法加工諸如Inconel 718那樣金屬制作的零件。 本實例的中間元件IO"沿X方向最易變形(切向剛度)，沿Y方向剛性最大(橫 向剛度)。本實施例焊牛幾頭中的應力低。其所獲得組件的岡岐低于基于軸對稱連接元件 10或10'的其它實施例，如圖1和3所示。扁條的幾何參數(shù)可以改變，以便在切向剛度(即沿X方向)最低，法向剛度(沿 Z方向)最高時，焊接接頭及結構本身的最大應力最低。于是可改變扁條的厚度e,波紋的曲率舉徑^、 r2、 r3、 r4、 r5、 r6，波紋的長度l,、 12，波紋19和20的高度h:、 h2、 h3，波紋與平面區(qū)垂直的夾角ai、 a2、 a3，及平面 區(qū)的長度lo、 13。三個高度h卜h2、 h:、代表可變段13，兩個自由波紋19、 20的特征。第一、第二、 第三高度&、 h2、 h3相當于第一平面區(qū)11和波紋19底部之間、波紋19底部與波紋 20頂部之間，波紋20頂部與第二平面區(qū)12之間的基本上為直線的扁條的那部分的 高度，如圖5所w.本領域普通技術人員明白，高度h2選用值小于等于高度h、。不過，注意到自由度波紋的最小曲率半徑也是有好處的。因此h2的值選用小于 等于高度h,的1 Z3為好。在這里所述的例子中，選用及推薦的值限制在lmm的十分之幾，這是因為組 合零件之間的接頭應不超過2mm.據(jù)說，推廣的觀點是^、 h2越大，則變形也越大， 應力越小。下表列出的鄰幾何參數(shù)使Incond 718(商標名稱)合金扁鋼帶獲得最大應力與 剛度的最好平衡。hih2h3A^ct30.4mm0.3mmO.丄mm0.3mm5d0.5mm().75mm10mm為了提高預裝配面平行的切向剛度，在固定點23周圍沿徑向配置多個中間連接 元件10'，如圖7所示。在此實施例中，諸可變形薄板瞄準固定點23。由于連接元件10"同心配置，因 lt樹中心點23作同心布置的裝配零件之間相對位置為零。這樣使組件在組裝平面內(nèi) 變得不易彎曲。中間元件10"可以這樣方式放置其自身的變形方向指向固定點23。這種布置削弱了切向剛度不足的影響。于是組裝在一起的兩零件在冷卻過程中 不相對變形指向組件中心，即固定點23，因此準備組裝的兩個零件之間沒有相對運 動。于是由于差異膨脹引起的變開分皮集中吸收。由于結構在，變形方向垂直的方 向剛度較大，因此獲得了全面的剛性。此外，已知裝配零件之間在固定點處的相對位移為零且向外周增大，因此利用 該結構在離開固定點柔性逐漸變大的特點是有利的。這一點有利于增進固定點區(qū)域 的切向剛度。圖8輸出其上有孔或空穴31的裝配零件30的一個待定實施例，它可使中間連 接元件IO"定位在與圖7所示相應的星形排列中。這種布置使中間連接元件IO"能 固定在零件30中，所述零件tti^是金屬零件，或也可是陶瓷材料制成的零件。為了實現(xiàn)本發(fā)明，要求中間元件選用的制造材料保持在其齊性范圍內(nèi)。制造中 間連接元件的材豐權盡可能穩(wěn)固這點也是很重要的，以便在機械強度降低時有較大的余度，即好的韌性。圖9A和9B示出在選用中間元件材料時需要考慮的性能。在圖9A中，給出表 示純質延性的中間連接元件機械性能的曲線IMD，與待組裝的金屬零件的性能曲線 HX的比較圖?？梢钥吹綑C械性能(彈性極限，斷裂強度)的損失PP。曲線MP代表在與焊劑凝固溫度對應的溫度Ts —F悍接時中間連接元件的最理想 的機械性能。低于凝固溫度Ts時，中間元件的機械性能最女刊氏于組裝件的金屬零件的機械性 能(HX)，以便使其能像延性材料一樣工作。在工作溫度TV時也必須具有足夠的機 械強度，根據(jù)經(jīng)驗，工作溫度TV約為上述凝固溫度T;的2/3，艮P:Ts= 3 /2TF式中i;及TV均以攝氏度表示。但本領域普通技術人員知道，用純度延性的中間元件不能達到以曲線MP代表 的要求。為了減少這種材料的性能損失PP，組件尺寸必須做得過大。圖9B不出本發(fā)明適用的可變形中間連接元件的材料機械性能曲線ISC。該曲線 是耐高溫材料(如鐵基、鎳基、鉻基、鋁基、鈦基合金)的機械性能曲線，它在高 溫下性能降低很少。代替圖9 A中性能損失PP的是本圖看到的結構強度減弱幅度MAS。該幅度是 可 空的且用于隨意調節(jié)結構的柔性?？勺冃沃虚g連接元件也做成一維(1D)的波紋板，異形板，甚至在二維(2D D)方向有交叉波紋的金屬板。作為例子，制作這些結構的材料可以從下面清單中選擇Fe C rAl Y基合金的 1D波紋板，海恩斯(Haynes) 230的2D波紋板(異形板)，鎳鉻鈦合金(Nimonic;) F5 的2D交叉波紋板(在一維波紋板的波紋槽中插入一維波紋扁條并焊牢，其實施例未示)o這種結構尤其適用于將SiC基陶瓷^才料制作的零件與Inconel 718或TA6V合金基的金屬零件組裝起來，此清單不是限制性的。
權利要求
1.一種包括金屬零件(16)和由陶瓷材料制作的零件(18)的組件(14)，該組件的特征在于它包括至少一個通過釬焊組合到每個所述零件(16，18)上的中間連接元件(10’，10”)，所述中間連接元件由具有至少兩個平面區(qū)(11，12)的可變形薄板構成，這兩個平面區(qū)(11，12)分別與所述兩控件(16，18)焊接并且由具有至少兩個自由波紋(19，20)的可變形段(13’)互相連接，該自由波紋(19，20)交替地朝向所述金屬零件(16)和陶瓷材料制作的零件(18)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的組件，其中陶瓷材料制作的所述零件(18)是基于碳 化硅和/或碳的。
3. 根據(jù)權禾腰求2戶誠的組件，其中陶瓷材料制作的所述零件(18)是由固體 碳化硅做成的。
4. 根據(jù)權利要求2所述的組件，其中陶瓷禾才料制作的所述零件(18)包括由碳 化玩圭或碳纖維增強的陶瓷基體。
5. 根據(jù)權利要求1至4戶誠的任--種組件，其中戶誠可變形段(13')有兩個自由 波紋(19， 20);其特征是，有三個高度(h,， h2， h3)，這三個高度中第二高度(h2) 大于或等于第一高度(h》的1/3。
6. 根據(jù)權禾腰求1至5戶腿的任一種組件，其中戶誠自由波紋(19， 20)是同 心的。
7. 根據(jù)權利要求1至6戶腿的任一禾中組件，其中戶，中間連接元件(10，)包 括繞軸線(△)基本上為圓形的第一平面區(qū)(11)，與戶，第一區(qū)共軸的基本上為環(huán) 形的第二平面區(qū)(12)，其內(nèi)徑大于所述第一區(qū)的直徑，及三個繞戶iM軸線(△)回 轉對稱的波紋。
8. 根據(jù)權禾腰求1至5戶腿的任一種組件，其中戶腐中間連接元件(10")大 體呈扁條狀，該扁條沿主方向(X)呈波紋管式折疊。
9. 根據(jù)權利要求8所述的組件，其中所述眾多中間連接元件(10")繞固定點 (23)徑向地排列。
10. 根據(jù)權利要求9戶;M的組件，其中戶腿眾多中間連接元件(10")排列成使主方向(X)與繞戶脫固定點(23)的多條徑向成一直線。
11. 根據(jù)權利要求9或10戶誠的組件，其中戶腿眾多中間連接元件在離開戶欣 固定點(23)時其柔性逐漸增加。
12. —種包括至少一個依據(jù)權利要求1至11戶誠任一禾中組件的渦輪機噴嘴，其 中所謎金屬零件(16)是戶服噴嘴的殼體而阮述陶瓷材料做的零件(18)是阮述噴嘴的閥瓣。
13.—種包括至少個依據(jù)權利要求1至11所述的任一種組件的渦輪機燃燒室，其中所-述金屬零件(16)是戶/M燃料室的殼體而所述陶瓷材料做的零f牛(18)是所 述'燃料室的部件。
14. 一種包括至少 一個依據(jù)權利要求1至11所述的任一種組件的渦輪機補燃裝 置，其中所述金屬零件(16)是補燃殼體而所述陶瓷材料的零件是火焰穩(wěn)定器的柄。
15. —種包括至少--個根據(jù)權利要求1至11所述的任-種組件的渦輪機。
全文摘要
組件包括金屬零件，由陶瓷材料制成，及至少一個通過焊接與各所述零件組合起來的中間連接元件，所述中間連接元件(10’)由可變形薄板構成，該薄板至少有兩個與所述零件焊接的平面區(qū)(11，12)，這兩個平面區(qū)(11，12)由可變形段(13’)相互連接起來，可變形段(13’)為至少兩個自由波紋(19，20)，這兩個自由波紋交替地朝向所述金屬零件和陶瓷材料零件。
文檔編號C04B37/02GK101326138SQ200680046260
公開日2008年12月17日 申請日期2006年12月8日 優(yōu)先權日2005年12月8日
發(fā)明者奧利維爾·吉利亞, 帕斯卡爾·勒維德, 約爾·邁克爾·比諾伊特, 讓-弗朗西斯·弗羅曼特恩 申請人:斯奈克瑪;法國原子能委員會