本發(fā)明涉及燃?xì)鉁u輪機(jī)的技術(shù)。本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的燃?xì)鉁u輪機(jī)部件。

本發(fā)明進(jìn)一步涉及用于制造這種燃?xì)鉁u輪機(jī)部件的方法。

背景技術(shù)：

如今，高效燃?xì)鉁u輪機(jī)在非常高的熱氣體溫度下操作。用于熱燃?xì)鉁u輪機(jī)部件的實(shí)際材料是密度為大約8g/cm³的鎳超合金。該相對(duì)高的密度在各種轉(zhuǎn)子部件（例如葉片）上產(chǎn)生高的離心力。當(dāng)燃?xì)鉁u輪機(jī)變得更大時(shí)，該問(wèn)題變得更嚴(yán)重。

另一方面，所謂的max相的三元陶瓷是已知的，其能夠具有大約4g/cm³的低密度。

該材料的詳情例如公開(kāi)在m.radovic和m.w.barsoum的下述文章中：maxphases:bridgingthegapbetweenmetalsandceramics,americanceramicsocietybulletin,vol.92,nr.3,p.20-27（2013年4月）。

文獻(xiàn)us2010/0055492a1公開(kāi)了包括具有分子式mn+1axn的max相材料和金屬成分的合成物，其中，m是前過(guò)渡金屬，a是a族元素，x是c和n中的一者或兩者，并且n=1-3，其中，max相材料限定多個(gè)孔；并且所述金屬成分包括低熔點(diǎn)金屬，其中，該金屬占據(jù)所述孔中的至少一些。還公開(kāi)了一種方法，其包括：提供多孔坯體，該坯體包括具有分子式mn+1axn的顆粒材料，其中，m是前過(guò)渡金屬，a是a族元素，x是c和n中的一者或兩者，并且n=1-3；以及用低熔點(diǎn)金屬滲透坯體的至少一些孔，從而提供復(fù)合材料。

在過(guò)去，已經(jīng)考慮在燃?xì)鉁u輪機(jī)的技術(shù)領(lǐng)域中使用max相。

文獻(xiàn)us8,192,850b2公開(kāi)了包括燃燒渦輪機(jī)構(gòu)件基底和在燃燒渦輪機(jī)構(gòu)件基底上的粘結(jié)涂層的燃燒渦輪機(jī)構(gòu)件。粘結(jié)涂層可包括mn+1axn（n=1、2、3），其中，m選自元素周期表的iiib、ivb、vb、vib和vii族及其混合物，其中，a選自元素周期表的iiia、iva、va和via族及其混合物，并且其中，x包括碳和氮中的至少一者。熱障涂層可在粘結(jié)涂層上。

文獻(xiàn)wo2014/149097a2公開(kāi)了包括具有翼型部分和尖端的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，該渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件具有結(jié)合到尖端的maxmet復(fù)合材料。maxmet復(fù)合材料具有在金屬基體中的max相。

文獻(xiàn)wo2014/143266a1描述了用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的抗振風(fēng)扇導(dǎo)葉。風(fēng)扇導(dǎo)葉包括由maxmet復(fù)合材料制成的振動(dòng)阻尼構(gòu)件。阻尼構(gòu)件可以是覆蓋風(fēng)扇導(dǎo)葉主體的一些或全部的蓋子。替代性地，風(fēng)扇導(dǎo)葉主體的部分或整個(gè)導(dǎo)葉主體可由maxmet復(fù)合材料制成。該公開(kāi)利用maxmet復(fù)合材料在循環(huán)彈性變形期間展現(xiàn)的超高、完全可逆、非線性彈性滯后行為以便阻尼振動(dòng)。

文獻(xiàn)ep2905271a1涉及包括嵌入在陶瓷基體中的陶瓷纖維的陶瓷基復(fù)合材料cmc。纖維包括由max相制成的涂層。max相涂層能夠直接涂布在纖維的表面上，或例如在額外涂覆層之間。改進(jìn)了cmc的性質(zhì)，優(yōu)選的高溫性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是實(shí)現(xiàn)非常大的燃?xì)鉁u輪機(jī)而不改變轉(zhuǎn)子材料。

本發(fā)明的另一目的是提供用于燃?xì)鉁u輪機(jī)的新材料的應(yīng)用和用于制造具有降低的比密度和穩(wěn)健機(jī)械強(qiáng)度的燃?xì)鉁u輪機(jī)構(gòu)件的新過(guò)程。

這些和其他目的通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求1的燃?xì)鉁u輪機(jī)部件和根據(jù)權(quán)利要求10的方法實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)本發(fā)明的燃?xì)鉁u輪機(jī)部件（其尤其暴露于燃?xì)鉁u輪機(jī)內(nèi)的高溫和離心力）的特征在于，所述燃?xì)鉁u輪機(jī)部件包括多個(gè)片狀部分，其中，所述片狀部分中的至少一個(gè)由被稱為max相的三元陶瓷制成，所述max相具有分子式mn+1axn，其中n=1、2、或3，m是前過(guò)渡金屬，諸如ti、v、cr、zr、nb、mo、hf、sc、ta，并且a是a族元素，諸如al、si、p、s、ga、ge、as、cd、in、sn、tl、pb，并且x是c和/或n，其中m在40-60at-%（原子數(shù)百分比）的范圍內(nèi)，a在10-30at-%的范圍內(nèi)并且x在20-40at-%的范圍內(nèi)，并且因此m+a+x在80-100%的范圍內(nèi)，以及0-20%是上面沒(méi)有列出且由于雜質(zhì)或氧化引入的其他元素，并且其中，所述片狀部分被接合。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述片狀部分通過(guò)螺栓連接、釬焊和互鎖或這些的組合被接合以固定所述片狀部分。

根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，所述max相是單相ti2alc或兩相ti2alc和ti3alc2的合成物，其中，ti2alc相的范圍是60-95%。

根據(jù)本發(fā)明的又另一實(shí)施例，所述max相是單相ti3sic2或兩相ti3sic2和ti4sic3的合成物，其中，ti3sic2相的范圍是60-95%。

根據(jù)本發(fā)明的又另一實(shí)施例，所述max相是兩個(gè)主相ti3sic2和ti2alc的混合物，其中，ti3sic2相的范圍是40-90%，并且因此兩個(gè)max相在50-100%的范圍內(nèi)，以及0-20%是其他max相或元素。

根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例，所述燃?xì)鉁u輪機(jī)部件通過(guò)組合具有不同晶體取向的若干片狀部分而具有各向異性材料性質(zhì)。

在片狀部分的一個(gè)中，晶體取向可在離心力的方向上，并且在片狀部分的另一個(gè)中，晶體取向可垂直于離心力的方向。

根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，所述燃?xì)鉁u輪機(jī)部件通過(guò)組合具有呈不同取向的纖維的若干片狀部分而具有各向異性材料性質(zhì)。

根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，所述燃?xì)鉁u輪機(jī)部件是轉(zhuǎn)子熱屏蔽件。

本發(fā)明方法包括以下步驟：

a）提供被稱為max相的三元陶瓷，其具有分子式mn+1axn，其中n=1、2、或3，m是前過(guò)渡金屬，諸如ti、v、cr、zr、nb、mo、hf、sc、ta，并且a是a族元素，諸如al、si、p、s、ga、ge、as、cd、in、sn、tl、pb，并且x是c和/或n，因此m在40-60at-%的范圍內(nèi)，a在10-30at-%的范圍內(nèi)并且x在20-40at-%的范圍內(nèi)，并且因此m+a+x在80-100%的范圍內(nèi)，以及0-20%是上面沒(méi)有列出且由于雜質(zhì)或氧化引入的其他元素；

b）制造多個(gè)片狀部分，因此所述片狀部分中的至少一個(gè)由所述max相制成；以及

c）接合所述片狀部分以構(gòu)造所述燃?xì)鉁u輪機(jī)部件。

根據(jù)本發(fā)明方法的實(shí)施例，所述接合步驟c）包括螺栓連接、釬焊和互鎖或這些的組合以固定所述片狀部分。

根據(jù)本發(fā)明方法的另一實(shí)施例，組合具有不同晶體取向的片狀部分以獲得具有各向異性材料性質(zhì)的燃?xì)鉁u輪機(jī)部件。

根據(jù)本發(fā)明方法的又一實(shí)施例，使用纖維以獲得具有各向異性材料性質(zhì)的燃?xì)鉁u輪機(jī)部件。

附圖說(shuō)明

現(xiàn)在借助于不同實(shí)施例并參考附圖來(lái)更詳細(xì)地解釋本發(fā)明。

圖1-3示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例將燃?xì)鉁u輪機(jī)的示例性轉(zhuǎn)子熱屏蔽件設(shè)計(jì)

分割成待單獨(dú)制造的三個(gè)單獨(dú)片；

圖4示出這些片在被單獨(dú)地制造后如何被接合的第一示例；

圖5示出這些片在被單獨(dú)地制造后如何被接合的第二示例；

圖6示出類似于圖2的片，這些片具有不同的晶體取向以便獲得各向異性

材料；以及

圖7示出在熱屏蔽件的頂部上具有單獨(dú)部件（翅部）的轉(zhuǎn)子熱屏蔽件，該單獨(dú)部件由max相制成并被插入到熱屏蔽件的頂部上的凹部中。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明關(guān)于使用新材料、設(shè)計(jì)和工藝過(guò)程來(lái)生產(chǎn)燃?xì)鉁u輪機(jī)部件，尤其是燃?xì)鉁u輪機(jī)的轉(zhuǎn)子熱屏蔽件，其中，新材料提供低密度并且因此降低轉(zhuǎn)子上的離心力，并且新設(shè)計(jì)和工藝過(guò)程方法促進(jìn)部件的制造。

這允許在不改變轉(zhuǎn)子材料的情況下構(gòu)造非常大的燃?xì)鉁u輪機(jī)。這能夠通過(guò)應(yīng)用新材料和工藝過(guò)程以制造具有降低的比密度和穩(wěn)健機(jī)械強(qiáng)度的部件來(lái)完成。

在這一點(diǎn)上，所謂的max相（三元陶瓷）是能夠滿足該要求的極其令人關(guān)注的選擇，其密度為大約4-4.5g/cm³、熱膨脹系數(shù)＞8x10^-6k^-1、700℃時(shí)的熱導(dǎo)率>50w/mk、斷裂韌性>5mpa.m^1/2、以及高抗氧化性。

使用max相的所提出的解決方案將解決氧化問(wèn)題，尤其是在轉(zhuǎn)子熱屏蔽件13的翅部14’上的氧化問(wèn)題，如在圖7中所示。

max相（其用于通過(guò)粉末冶金過(guò)程來(lái)生產(chǎn)熱渦輪機(jī)部件）是具有mn+1axn分子式的陶瓷族，其中，n=1、2、或3，m是前過(guò)渡金屬，諸如ti、v、cr、zr、nb、mo、hf、sc、ta，并且a是a族元素，諸如al、si、p、s、ga、ge、as、cd、in、sn、tl、pb，并且x是c和/或n。m在40-60at-%的范圍內(nèi)，a在10-30at-%的范圍內(nèi)并且x在20-40at-%的范圍內(nèi)。并且m+a+x在80-100%的范圍內(nèi)以及0-20%的元素，所述元素在上面沒(méi)有列出且是由于雜質(zhì)或氧化引入的。

max相的一個(gè)優(yōu)選合成物是單相ti2alc，或兩相ti2alc和ti3alc2（211和312），其中，211相的范圍是60-95%。

max相的另一優(yōu)選合成物是單相ti3sic2，或兩相ti3sic2和ti4sic3（312和413），其中，312相的范圍是60-95%。

max相的另一優(yōu)選合成物是兩個(gè)主相ti3sic2和ti2alc的混合物，其中，ti3sic2相的范圍是40-90%，并且因此兩個(gè)max相在50-100%的范圍內(nèi)，以及0-20%為其他max相或元素。

尤其，燃?xì)鉁u輪機(jī)的轉(zhuǎn)子熱屏蔽件（該部件）通過(guò)粉末技術(shù)過(guò)程由max相生產(chǎn)。轉(zhuǎn)子熱屏蔽件例如在文獻(xiàn)ep1079070a2的圖2中示出。

本申請(qǐng)的圖1示出轉(zhuǎn)子熱屏蔽件10的設(shè)計(jì)，其安裝在燃?xì)鉁u輪機(jī)的轉(zhuǎn)子上以保護(hù)轉(zhuǎn)子免受熱氣體路徑的熱氣體溫度的影響。t形轉(zhuǎn)子熱屏蔽件10具有底部部分11，其與轉(zhuǎn)子的未示出的根部區(qū)段接觸。在其上側(cè)上具有多個(gè)平行翅部14的頂部部分13與在渦輪機(jī)的定子部件（未示出）處的靜止輪葉的尖端接觸。頂部部分13和底部部分11通過(guò)中間部分12連接。當(dāng)轉(zhuǎn)子熱屏蔽件10與轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)時(shí)，其受到離心力cf，該離心力的方向在圖1和圖3中由箭頭標(biāo)記。

轉(zhuǎn)子熱屏蔽件10（在圖1-3中示出的示例中）沿著離心力f的方向被分割成三個(gè)獨(dú)立的片狀部分10a、10b和10c。其他分割也是可能的。三個(gè)片狀部分10a、10b和10c中的一個(gè)、兩個(gè)或所有部分由具有mn+1axn分子式的max相制成，其中，n=1、2、或3，m是前過(guò)渡金屬，諸如ti、v、cr、zr、nb、mo、hf、sc、ta，并且a是a族元素，諸如al、si、p、s、ga、ge、as、cd、in、sn、tl、pb，并且x是c和/或n。m在40-60at-%的范圍內(nèi)，a在10-30at-%的范圍內(nèi)并且x在20-40at-%的范圍內(nèi)。并且m+a+x在80-100%的范圍內(nèi)以及0-20%的元素，所述元素在上面沒(méi)有列出且是由于雜質(zhì)或氧化引入的。

根據(jù)圖4和圖5，然后通過(guò)螺栓連接、釬焊和利用螺栓15和相應(yīng)互鎖件16（圖4）或17（圖5）的互鎖來(lái)接合片狀部分10a、10b和10c，或使用這些的組合來(lái)固定所述部分。

因?yàn)楫?dāng)前轉(zhuǎn)子熱屏蔽件通常由于熱機(jī)械負(fù)載和不同質(zhì)量分布的加熱和冷卻而彎曲，因此進(jìn)一步提出，提供具有由若干片狀部分10a、10b和10c（參見(jiàn)圖6）產(chǎn)生的各向異性材料的轉(zhuǎn)子熱屏蔽件，其中，在一個(gè)片狀部分中，晶體取向在離心力的方向上，并且在另一片狀部分中，晶體結(jié)構(gòu)垂直于離心力的方向。在圖6中，該不同的晶體取向由不同陰影線示出。

這對(duì)于t形轉(zhuǎn)子熱屏蔽件（包括與輪葉尖端/護(hù)罩接觸的頂部部分13和與根部區(qū)段接觸的底部部分11）尤其有益，其中，頂部部分13由于不同取向和max相的高熱導(dǎo)率的組合而不彎曲。

作為不同晶體取向的替代方式，各向異性材料性質(zhì)可利用不同取向的浸漬纖維來(lái)產(chǎn)生。

此外，根據(jù)另一實(shí)施例，如在圖7中示出的，在熱屏蔽件的頂部上的單獨(dú)部件（翅部14’）可由max相制成，該翅部14’可被插入到在熱屏蔽件13的頂部上的相應(yīng)凹部中。

參考數(shù)字列表

10轉(zhuǎn)子熱屏蔽件（t形）

10a-c片狀部分

11底部部分（與根部區(qū)段接觸）

12中間部分

13頂部部分（與輪葉尖端接觸）

14、14’翅部

15螺栓

16、17互鎖件

cf離心力。