專利名稱：可研磨密封的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及可研磨密封，尤其是用激光在密封材料的表面形成紋理，使其具有改進了的可研磨性。
現代燃氣輪發(fā)動機的效率取決于鼓風機中的旋轉構件(葉片)與固定構件(殼體)之間的緊密密封。這種密封要建立在允許葉片切割(研磨)可研磨密封材料中的凹槽，這種凹槽防止大量空氣漏出葉梢。傳統的密封材料是由機織金屬纖維或燒結的金屬顆粒制成，并銅焊在適當的地方。盡管這些材料因其高內部多孔性和低強度而容易研磨，但它們的耐顆粒剝蝕性較差，而導致材料迅速耗損。材料的這種耗損使密封退化，使發(fā)動機的效率迅速下降。較先進的發(fā)動機中的密封材料采用熱噴敷層，它們具有與編織的可研磨密封材料相同的功能，但發(fā)動機大修時，它們更容易使用和更換。這種噴敷密封的特性能被變成其耐剝蝕性最好，或其可研磨性最好。但是，不可能使這兩種特性同時達到最好。
如美國專利4,291,089所示的使用熱噴敷粉末以形成可研磨密封在本領域中是眾所周知的。這種粉末用于在一基層上形成涂層，以提供可研磨密封，也就是說，提供一個密封基層與可相對于該基層運動的相鄰表面之間的空隙、并通過基層與相鄰表面之間的相對運動而被研磨到一控制程度的涂層。這樣一種密封最初是這樣形成的，將一種粉末熱噴敷在基層上，以形成厚度比基層與相鄰表面之間的空隙略大的涂層，使涂層被基層與相鄰表面之間的相對運動研磨到其厚度相對于基層和相鄰表面之間的空隙為稍小，從而在它們之間提供有效的密封。這種密封用于例如燃氣輪發(fā)動機(諸如用于飛機中的那些)的蝸輪或壓縮機葉片，以在葉片與蝸輪或壓縮機外殼之間形成密封。
提供一種合適的可研磨密封的問題之一是要產生一種熱噴敷層，一方面，這種噴敷層具有足夠的結構強度，然而這種足夠的結構強度又要低到具有可研磨性，另一方面，這種噴敷層在使用過程中能足夠抵抗撞擊可研磨密封噴敷層的顆粒所引起的剝蝕。例如，對于燃氣輪或壓縮機葉片，密封噴敷層會受到夾帶在空氣中的并被發(fā)動機吸入的研磨顆粒的撞擊。
在用于形成可研磨密封涂層的一種粉末中，每一粉末顆粒具有一被金屬材料層包圍的非金屬固體材料中心核，例如如美國專利第3,914,507號所描述的。這種粉末稱為復合粉末，粉末顆粒稱為復合粉末顆粒。所建議的這種類型的一種復合粉末具有許多顆粒，而每一種顆粒具有一被鎳或鎳合金包圍的核心，通過熱噴敷這種顆粒所形成的可研磨密封涂層已用作飛機燃氣輪發(fā)動機的壓縮機和蝸輪上的可研磨密封涂層。
發(fā)明概要簡而言之，本發(fā)明提供一種可研磨密封和制備這種可研磨密封的方法，該方法包括用激光在可研磨密封材料的表面切割出一圖案，從而提高該圖案區(qū)域中的可研磨性。
附圖簡要說明下面結合附圖、以舉例的方式來描述本發(fā)明的實施例，在附圖中

圖1-3是其上有可研磨密封涂層的燃氣輪發(fā)動機的壓縮機殼體環(huán)的圖，涂層上有網紋圖案(cross hatched pattern)，其中圖1是俯視圖，圖2是側視圖，圖3是圖2中的可研磨密封部分的局部放大圖。
圖4-6是其上有可研磨密封涂層的燃氣輪發(fā)動機的壓縮機殼體環(huán)的圖，涂層上有管狀網格圖案，其中圖4是俯視圖，圖5是側視圖，圖6是圖5中的可研磨密封部分的局部放大圖。
圖7-10是其它圖案的實施例，其中圖7是一條形圖案的俯視圖，圖8是圖7的剖視圖，圖9是一傾斜條形圖案的俯視圖，圖10是圖9的剖視圖。
圖11是例子1所形成的一圖案的俯視圖。
圖12是例子2所形成的一圖案的俯視圖。
發(fā)明的詳細說明用激光在一種可研磨的密封材料表面上切割出一種圖案，由此來制備可研磨的密封。用激光切割出某種紋理為改變可研磨密封材料表面提供了一種方法，在這種材料的該區(qū)域中不僅具有良好的耐剝蝕性，還需要有所改進的研磨性。這種表面的改變是一種例如間隔很近的孔的圖案、網紋圖案、管狀網格圖案、條狀的或傾斜條狀圖案、線條垂直或平行延伸到密封面的圖案或其它也能加強研磨性的圖案。圖中示出了各種圖案。紋理的形成也可橫過密封接觸區(qū)域的寬度，以進一步加強該區(qū)域的研磨性。本發(fā)明對耐剝蝕的可研磨密封材料進行改變，從而使該產品具有良好的研磨性。目前的可研磨密封材料不具有這些特征。
可研磨的密封材料可以是一種熱噴敷層，或一種通過燒結或銅焊連接于構件的預制片材(面板)，或本領域中熟知的其它材料。由于是通過激光形成紋理，使這種材料具有改進了的研磨性，所以可有利地使用這種耐剝飾較好的密封材料。燃氣輪發(fā)動機構件一般是鎳基、鈷基、鐵基或鈦基合金制成的?？裳心ッ芊獠牧弦彩卿X基、鈦基、鐵基、鎳基或鈷基合金，或是由包括NiCr合金、NiCrAl合金、FeCr、CoCr、FeCrAl、CoCrAl或MCrAlY合金的耐剝飾材料制成的，其中M可以是Fe、Ni或Co、氧化物、氮化物、硼化物、硫化物、硅化物和金屬化合物。甚至可采用構件表面本身作為可研磨密封材料。在一個實施例中，可研磨密封材料還含有非金屬顆粒，包括氮化硼、膨潤土(或斑脫土)(bentonite)、氧化物、氮化物、硼化物、硅化物、金屬化合物以及例如塑料、聚合物等等的非金屬。
激光形成紋理用于在可研磨密封材料的表面切割出一圖案，這種圖案將使該材料具有改進了的研磨性。有許多種圖案都是有效的，包括圖1-10所示的圓形、網紋和條形。圖1-3示出了將網紋圖案切割到可研磨密封材料中。圖4-6示出一種管狀網格(圓形)圖案，而圖7-10示出了切割到表面中的條形。選擇具體的圖案取決于特定的密封材料和所需的研磨性程度。圖案還可切割到該區(qū)域的材料中，并達到在操作中預計葉片能夠切割(研磨)的深度。一般而言，圖案的深度可從0.01至0.1英寸左右，而圖案的寬度是可變的，具體取決于葉片，可從0.125至24英寸。在一個實施例中，圖案的兩側(即預計的葉片路徑邊緣)是未切割的材料(即沒有圖案)，這樣在燃氣輪發(fā)動機運行的過程中提供了有所增加的耐剝蝕性。在附圖中，在一壓縮機的殼體環(huán)2上示出了可研磨的密封材料1，圖案3切割在葉片路徑(blade path)4的區(qū)域中。在圖案3的兩側示出了未切割(無圖案)可研磨密封材料5的另外區(qū)域。在圖3和6中，圖案的深度6與葉片進入的預計深度相對應。
可使用一標準激光器來割出圖案。典型的激光器是一裝備有以約0.5千瓦功率運行的5軸運動控制器的Raytheon SS550 YAG激光器。
例子1用噴砂箱中的60號(目)氧化鋁，經過機械方式，使一約1.5英寸寬、4英寸長和0.100英寸厚的304不銹鋼板的表面變粗。板熱噴敷一層Ni-5％重量Al的粘結層至0.004-0.006英寸厚度。然后，粘結層的表面熱噴敷NiCrAl膨潤土(一種可研磨涂層)至約0.150英寸的厚度。對可研磨涂層的表面進行機械加工，制成基本上是平的表面粗糙度均勻的表面。
將涂層板安裝在激光器計算機控制的X-Y工作臺上的夾緊裝置中。將一計算機程序寫入和裝入計算機中，就會產生一如圖11所示的約45°、間隔約0.050英寸的對角橫向圖案。使激光器通電，它就能在可研磨涂層的表面上雕刻至約0.050英寸的深度。
例子2用噴砂箱中的60號(目)氧化鋁，經過機械方式，使一約1.5英寸寬、4英寸長和0.100英寸厚的304不銹鋼板的表面變粗。板熱噴敷一層Ni-5％重量Al的粘結層至0.004-0.006英寸厚度。然后，粘結層的表面熱噴敷NiCrAl膨潤土(一種可研磨涂層)至約0.150英寸的厚度。對可研磨涂層的表面進行機械加工，制成基本上是平的表面粗糙度均勻的表面。
將涂層板安裝在激光器計算機控制的X-Y工作臺上的夾緊固定裝置中。將一程序寫入和裝入會輸出運動的計算機中，該運動使涂層板以越過表面的直線方式移動。該運動每隔0.050英寸停下來，并驅動激光器發(fā)射。在橫向長度的端部，板沿垂直方向換位0.050英寸，并橫向偏移0.025英寸，使下列孔置于前列孔之間。重復這種圖案，直到圖12所示的圖案完全橫穿和雕刻在表面上。所形成的孔的間隔約為0.050英寸，深度約為0.050英寸。
權利要求
1.一種制備一構件的可研磨密封的方法，它包括用激光器在一可研磨密封材料的表面中切割出一圖案，以在該圖案的區(qū)域中有效提供改進了的可研磨性。
2.如權利要求1所述的方法，還包括將具有切割到密封材料表面上的圖案的可研磨密封材料應用到構件中。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，構件和可研磨密封材料都是金屬。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，構件是燃氣輪發(fā)動機構件，且是可從鎳基、鈷基、鐵基、鋁基和鈦基合金構成的材料組中選擇的一種合金。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，可研磨密封材料是可從鐵基合金、鋁基合金、鈦基合金、鎳基合金、鈷基合金、NiCr合金、NiCrAl合金和MCrAlY合金構成的材料組中選擇的一種合金，其中M可從Fe、Ni或Co或其混合物構成的材料組中選擇。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于，可研磨密封材料包含非金屬顆粒。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，非金屬顆粒可從氮化硼、膨潤土、氧化物、氮化物、硼化物、硅化物、金屬化合物、塑料和聚合物組成的材料組中選擇。
8.如權利要求4所述的方法，其特征在于，圖案在一區(qū)域中，其深度達到葉片能夠研磨以形成密封。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，圖案的深度在約0.01至0.1英寸的范圍內。
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于，圖案可從諸相距近的孔、網紋、條形和同密封垂直或平行的諸線組成的圖案組中選擇。
11.如權利要求4所述的方法，其特征在于，還包括通過熱噴敷金屬合金粉末來敷加可研磨密封材料。
12.如權利要求4所述的方法，其特征在于，還包括通過將一密封片材連接到構件上來敷加可研磨密封材料。
13.如權利要求8所述的方法，其特征在于，在圖案的兩側有未切割的密封材料。
14.一種可研磨密封部分，它包括一用激光器切割在可研磨密封材料表面的圖案，以在圖案的區(qū)域中有效提供改進了的可研磨性。
15.如權利要求14所述的密封部分，其特征在于，密封材料是一種金屬合金。
16.如權利要求15所述的密封部分，其特征在于，金屬合金可從鐵基合金、鋁基合金、鈦基合金、鎳基合金、鈷基合金、NiCr合金、NiCrAl合金和MCrAlY合金構成的材料組中選擇，其中M可從Fe、Ni或Co構成的材料組中選擇。
17.如權利要求15所述的密封部分，其特征在于，可研磨密封材料包含非金屬顆粒。
18.如權利要求17所述的密封部分，其特征在于，非金屬顆?？蓮牡?、膨潤土、氧化物、氮化物、硼化物、硅化物、金屬化合物、塑料和聚合物組成的材料組中選擇。
19.如權利要求15所述的密封部分，其特征在于，可研磨密封材料為可連接到燃氣輪發(fā)動機構件的片材形式。
20.如權利要求19所述的密封部分，其特征在于，密封材料中的圖案在一區(qū)域中，其深度達到形成密封時葉片能夠研磨。
21.如權利要求20所述的密封部分，其特征在于，圖案的深度在約0.01至0.1英寸的范圍內。
22.如權利要求20所述的密封部分，其特征在于，在圖案的兩側具有未切割的密封材料。
23.如權利要求14所述的密封部分，其特征在于，圖案可從諸相距近的孔、網紋、條形和同密封垂直或平行的諸線組成的圖案組中選擇。
24.一種燃氣輪發(fā)動機構件，它包括一可研磨密封部分，它具有用激光器切割到一可研磨密封材料表面的圖案，以在圖案的區(qū)域中有效提供改進了的可研磨性。
25.如權利要求24所述的構件，其特征在于，可研磨密封材料是一種金屬合金。
26.如權利要求24所述的密封部分，其特征在于，金屬合金可從鐵基合金、鋁基合金、鈦基合金、鎳基合金、鈷基合金、NiCr合金、NiCrAl合金和MCrAlY合金構成的材料組中選擇，其中M可從Ni、Co或Fe構成的材料組中選擇。
27.如權利要求26所述的密封部分，其特征在于，可研磨密封材料包含非金屬顆粒。
28.如權利要求27所述的密封部分，其特征在于，非金屬顆?？蓮牡稹⑴驖櫷?、氧化物、氮化物、硼化物、硅化物、金屬化合物和塑料、聚合物以及其它有機化合物組成的材料組中選擇。
29.如權利要求25所述的密封部分，其特征在于，可研磨密封材料為可連接到燃氣輪發(fā)動機構件的片材形式。
30.如權利要求25所述的密封部分，其特征在于，可研磨密封材料是一種熱噴敷層。
31.如權利要求24所述的密封部分，其特征在于，圖案在一區(qū)域中，其深度達到形成密封時葉片能夠研磨。
32.如權利要求31所述的密封部分，其特征在于，圖案的深度在約0.01至0.1英寸的范圍內。
33.如權利要求31所述的密封部分，其特征在于，在圖案的兩側具有未切割的密封材料。
34.如權利要求24所述的密封部分，其特征在于，圖案可從諸相距近的孔、網紋、條形和同密封垂直或平行的諸線組成的圖案組中選擇。
全文摘要
用激光器將一圖案切割到表面上，以有效提高該圖案區(qū)域中的可研磨性，由此提供一種可研磨密封。
文檔編號F01D11/08GK1240014SQ97180398
公開日1999年12月29日 申請日期1997年12月5日 優(yōu)先權日1996年12月10日
發(fā)明者T·A·沃爾弗拉, J·J·弗格森 申請人:色合金燃氣輪機有限公司