用于制造金屬陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法和金屬陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及用于制造金屬陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法和金屬陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)。該金屬陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)意圖暴露于高溫，包括基底金屬結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，其在至少一側(cè)上被覆蓋并且與一個或更多個陶瓷瓦永久地連結(jié)。方法包括：a)制造一個或更多個料坯，且燒結(jié)料坯以得到一個或更多個陶瓷瓦；b)將陶瓷瓦布置在鑄造模具中；c)將液態(tài)金屬注入鑄造模具中，以便制作中間金屬層；其中，中間金屬層形成為具有陶瓷瓦中間金屬層之間的機(jī)械互鎖；d)在注入金屬的凝固之后，從鑄造模具取出所得的金屬陶瓷結(jié)構(gòu)；并且然后，具有中間層的陶瓷瓦與基底金屬結(jié)構(gòu)或構(gòu)件永久地連結(jié)。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
用于制造金屬陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法和金屬陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)
本專利技術(shù)涉及用于制造復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法。它涉及用于制造根據(jù)權(quán)利要求1前序的金屬陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法。它還涉及用于在高溫條件(優(yōu)選地，高于300℃)下使用的金屬陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)。
技術(shù)介紹
燒結(jié)陶瓷瓦具有高于隔熱涂層(TBC，thermalbarriercoating)的溫度能力，隔熱涂層常常使用在燃?xì)鉁u輪的熱氣體路徑中。因此，出于隔離目的，在達(dá)到應(yīng)用極限之前，較厚的陶瓷瓦可用作熱防護(hù)件。這又允許對該部分的增大的冷卻空氣節(jié)省，這對于機(jī)械的總體效率是有益的。然而，陶瓷瓦對基底金屬結(jié)構(gòu)的連結(jié)是一個難題。它們不可像TBC那樣噴射到基底金屬結(jié)構(gòu)的表面上，因為它們需要在超過基底金屬熔解溫度的溫度下燒結(jié)。因此，預(yù)制燒結(jié)陶瓷瓦必須連結(jié)于基底金屬結(jié)構(gòu)。連結(jié)的現(xiàn)有技術(shù)是連同其他技術(shù)一道將陶瓷瓦粘合于基底結(jié)構(gòu)(例如，美國航天飛機(jī))。粘合的手段例如為粘合劑(cement)或硬焊(brazing)。陶瓷瓦對基底金屬結(jié)構(gòu)的此種連結(jié)需要連結(jié)配對件的低形狀公差和連結(jié)金屬與陶瓷的合適的硬焊。殘余剪應(yīng)力通常導(dǎo)致連結(jié)附近的破裂和故障。在本領(lǐng)域中還知道其他技術(shù)：文獻(xiàn)US3,918,255公開了一種燃?xì)鉁u輪發(fā)電設(shè)備，其中金屬燃燒室缸在其內(nèi)側(cè)上襯有兩個陶瓷材料層。徑向最內(nèi)層為互鎖的瓦狀致密陶瓷材料結(jié)構(gòu)，其提供良好的熱沖擊抵抗力。設(shè)置在金屬缸與最內(nèi)層之間的中間層為低密度陶瓷材料，其提供較高的熱隔離。陶瓷材料層由陶瓷管支承，陶瓷管從燃燒器的外金屬缸穿過中間壁和內(nèi)壁而延伸。該管還用于將冷卻空氣引導(dǎo)到燃燒室中并且增加該室內(nèi)的燃燒燃料和空氣的湍流。文獻(xiàn)JP59004824A公開了一種結(jié)構(gòu)，其中，瓦形陶瓷部件布置在熱燃?xì)鉁u輪燃燒器的金屬內(nèi)缸的表面處，內(nèi)缸的所述金屬表面由具有8-30%的孔隙率的陶瓷層覆蓋。所應(yīng)用的陶瓷層為多孔材料且優(yōu)選地具有近似于金屬結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)的值。作為陶瓷的示例，應(yīng)用氧化釔(Y2O3)、穩(wěn)定氧化鋯(ZrO2)、氧化鎂(MgO)、氧化鈣(CaO)等。在陶瓷層的孔隙率小于8%的情況下，可容易進(jìn)行該層的粘著剝離(tackypeeling)，且反過來，如果它超過30%或更多，則可容易進(jìn)行該層的凝聚聚合剝離(cohesionaggregationpeeling)。陶瓷的厚度優(yōu)選地在0.1-0.5mm的范圍內(nèi)。文獻(xiàn)EP0658724A2公開了一種特別是用于燃?xì)鉁u輪的燃燒室，其具有中空柱形支承壁，在該支承壁的內(nèi)側(cè)上布置有由單獨的陶瓷元件組成的內(nèi)襯，陶瓷元件設(shè)計為偏方三八面體(trapezohedron)，其基底區(qū)域適應(yīng)于燃燒室的幾何形狀并且緊固于支承壁的內(nèi)側(cè)。文獻(xiàn)US2011/0123323A1公開了一種用在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中的組件，其具有底層金屬片和至少一個陶瓷基質(zhì)復(fù)合瓦，該陶瓷基質(zhì)復(fù)合瓦利用至少一個緊固組件而附接于底層金屬片。板式緊固組件包括緊固件，該緊固件具有從頭部向后延伸的帶螺紋部分，該頭部具有面對帶螺紋部分的截頭圓錐表面(frustoconicalsurface)。截頭圓錐表面被接收在陶瓷基質(zhì)復(fù)合板中的截頭圓錐開孔中。襯瓦(bushing)定位在金屬片的與陶瓷基質(zhì)復(fù)合板的相對側(cè)上。襯瓦具有從金屬片延伸離開的凸緣。套管(sleeve)被接收在緊固件的帶螺紋部分周圍，并且從板延伸離開，超過金屬片。套管具有徑向地向外朝襯瓦上的凸緣延伸的唇部，使得襯瓦上的凸緣延伸超過限定在唇部與襯瓦上的安置表面之間的空間。波形彈簧被接收在腔內(nèi)。若干其他文獻(xiàn)，例如JPH04119974A、JPH0199767A或JPS60155579A的說明書摘要公開了通過將熔融金屬鑄造在具有互鎖連結(jié)的陶瓷上來形成陶瓷金屬復(fù)合材料或工件。另一方面，從文獻(xiàn)US2011/0243724A1得知，可通過所謂雙鑄法(bi-cast)來建立金屬對金屬連結(jié)。然而，仍然存在對制造金屬陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)的處理的需要，尤其是對于用在燃?xì)鉁u輪的熱氣體路徑中的構(gòu)件，該處理形成具有優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性和高溫能力的結(jié)構(gòu)。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的一個目標(biāo)是建立一種用于制造金屬陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，該方法滿足這些需要且避免現(xiàn)有技術(shù)方法的缺點。本專利技術(shù)的另一個目的是提供一種金屬陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)，其在機(jī)械和熱穩(wěn)定性方面優(yōu)于已知的復(fù)合結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，根據(jù)本專利技術(shù)的金屬陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)將用在超過300℃的溫度下。這些和其他目標(biāo)通過根據(jù)權(quán)利要求1的方法和根據(jù)權(quán)利要求9的金屬陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)而獲得。一種根據(jù)本專利技術(shù)的用于制造金屬陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，該金屬陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)優(yōu)選地意圖暴露于高溫，包括基底金屬結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，其在至少一側(cè)上被覆蓋并且與一個或更多個陶瓷瓦永久地連結(jié)。該方法包括下列步驟：a)制造一個或更多個料坯(greenbody)，其中腔從所述料坯的一側(cè)上的表面延伸到所述料坯內(nèi)部，且燒結(jié)所述料坯以得到具有相應(yīng)的腔的一個或更多個陶瓷瓦；b)將所述陶瓷瓦布置在鑄造模具中，由此陶瓷瓦用作所述模具的一部分；c)以將所述陶瓷瓦的所述腔完全地填充或填充到很大程度的溫度和壓力將液態(tài)金屬注入所述鑄造模具中，以便制作中間金屬層，該中間金屬層與所述基底金屬結(jié)構(gòu)或構(gòu)件連結(jié)；其中，該中間層形成為具有所述陶瓷瓦與所述中間金屬層之間的機(jī)械互鎖；d)在所述注入金屬的凝固之后，從所述鑄造模具取出所得的金屬陶瓷結(jié)構(gòu)，該金屬陶瓷結(jié)構(gòu)在所述陶瓷瓦與所述中間金屬層之間具有其機(jī)械互鎖，并且然后，具有所述中間層的所述陶瓷瓦與所述基底金屬結(jié)構(gòu)或構(gòu)件永久地連結(jié)。由于中間金屬層13(其優(yōu)選地以厚度a覆蓋瓦的整個連結(jié)面)，于是該金屬陶瓷結(jié)構(gòu)可以以通常的方式(例如，通過金屬對金屬硬焊)與基底金屬結(jié)構(gòu)或構(gòu)件連結(jié)。這是一個巨大的優(yōu)點。料坯是由陶瓷粉末混合物(包括永久添加劑)通過如鑄造、塑形成形和壓制等的成形處理而制造的。它們還包含水分，且通常包含有機(jī)抗絮凝劑、塑化劑、粘結(jié)劑和其他添加劑。在較高溫度下為揮發(fā)性的全部成分(即，其汽化或分解)必須在燒結(jié)之前特別小心地從料坯移除，以便避免損害。根據(jù)本專利技術(shù)的一個實施例，用于所述基底金屬結(jié)構(gòu)或構(gòu)件或中間金屬層的金屬為鎳基超級合金。根據(jù)本專利技術(shù)的又一個實施例，在步驟(b)中，可溶解陶瓷用于組裝和遮蔽(masking)。根據(jù)本專利技術(shù)的另一個實施例，所述陶瓷瓦中的所述腔以此種方式布置，即，使得所述機(jī)械互鎖處的陶瓷中的大部分在超過使用溫度范圍的隨后使用期間處于壓縮下。根據(jù)本專利技術(shù)的再一個實施例，所述基底金屬結(jié)構(gòu)或構(gòu)件為燃?xì)鉁u輪的熱氣體路徑。特別地，所述基底金屬結(jié)構(gòu)或構(gòu)件為定子熱屏蔽件。特別地，所述基底金屬結(jié)構(gòu)或構(gòu)件為燃燒器襯套。特別地，所述基底金屬結(jié)構(gòu)或構(gòu)件為葉片(blade)和/或?qū)~(vane)的平臺和/或翼型件。根據(jù)本專利技術(shù)的金屬陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)，其優(yōu)選地用于用在高溫條件下，尤其是在燃?xì)鉁u輪中，包括基底金屬結(jié)構(gòu)或構(gòu)件或中間金屬層，其在至少一側(cè)上被覆蓋并且與一個或更多個陶瓷瓦永久地連結(jié)。其特征在于：所述陶瓷瓦與所述中間金屬層之間的所述連結(jié)包括所述陶瓷瓦與所述中間金屬層之間的機(jī)械互鎖，所述機(jī)械互鎖由所述陶瓷瓦內(nèi)的腔構(gòu)成，該腔利用金屬完全地填充或填充到很大程度，其直接與中間金屬層連結(jié)，并且所述中間層與所述基底金屬結(jié)構(gòu)或構(gòu)件連結(jié)。根據(jù)本專利技術(shù)的一個實施例，所述基底金屬結(jié)構(gòu)或構(gòu)件為燃?xì)鉁u輪的熱氣體路徑。特別地，所述基底金屬結(jié)構(gòu)或構(gòu)件為定子熱屏蔽件。特本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
一種用于制造金屬陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)(10、30)的方法，所述金屬陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)(10、30)優(yōu)選地意圖暴露于高溫，包括基底金屬結(jié)構(gòu)或構(gòu)件(14、23)，其在至少一側(cè)上被覆蓋并且與一個或更多個陶瓷瓦(11、21、22)永久地連結(jié)，所述方法包括下列步驟：a)?制造一個或更多個料坯，其中腔(12、28)從所述料坯的一側(cè)上的表面延伸到所述料坯的內(nèi)部，且燒結(jié)所述料坯以得到具有相應(yīng)的腔(12、28)的一個或更多個陶瓷瓦(11、21、22)；b)?將所述陶瓷瓦(11、21、22)布置在鑄造模具中，由此所述陶瓷瓦(11、21、22)用作所述鑄造模具的一部分；c)?以將所述陶瓷瓦(11、21、22)的所述腔(12、28)完全地填充或填充到很大程度的溫度和壓力將液態(tài)金屬注入所述鑄造模具中，以便制作中間金屬層(13)，所述中間金屬層(13)與所述基底金屬結(jié)構(gòu)或構(gòu)件(14)連結(jié)；其中，所述中間金屬層(13)形成為具有所述陶瓷瓦(11、21、22)所述中間金屬層(13)之間的機(jī)械互鎖；d)?在所述注入金屬的凝固之后，從所述鑄造模具取出所得的金屬陶瓷結(jié)構(gòu)，所述金屬陶瓷結(jié)構(gòu)在所述陶瓷瓦(11、21、22)與所述中間金屬層(13)之間具有其機(jī)械互鎖；并且然后，具有所述中間層(13)的所述陶瓷瓦(11、21、22)與所述基底金屬結(jié)構(gòu)或構(gòu)件(14、23)永久地連結(jié)。...

【技術(shù)特征摘要】
2013.02.25 EP 13156516.01.一種用于制造金屬陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)(10、30)的方法，所述金屬陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)(10、30)包括基底金屬結(jié)構(gòu)或構(gòu)件(14、23)，其在至少一側(cè)上被覆蓋并且與一個或更多個陶瓷瓦(11、21、22)永久地連結(jié)，所述方法包括下列步驟：a)制造一個或更多個料坯，其中腔(12、28)從所述料坯的一側(cè)上的表面延伸到所述料坯的內(nèi)部，且燒結(jié)所述料坯以得到具有相應(yīng)的腔(12、28)的一個或更多個陶瓷瓦(11、21、22)；b)將所述陶瓷瓦(11、21、22)布置在鑄造模具中，由此所述陶瓷瓦(11、21、22)用作所述鑄造模具的一部分；c)以將所述陶瓷瓦(11、21、22)的所述腔(12、28)完全地填充或填充到很大程度的溫度和壓力將液態(tài)金屬注入所述鑄造模具中，以便制作中間金屬層(13)，所述中間金屬層(13)與所述基底金屬結(jié)構(gòu)或構(gòu)件(14)連結(jié)；其中，所述中間金屬層(13)形成為具有所述陶瓷瓦(11、21、22)所述中間金屬層(13)之間的機(jī)械互鎖；d)在所述注入金屬的凝固之后，從所述鑄造模具取出所得的金屬陶瓷結(jié)構(gòu)，所述金屬陶瓷結(jié)構(gòu)在所述陶瓷瓦(11、21、22)與所述中間金屬層(13)之間具有其機(jī)械互鎖；并且然后，具有所述中間層(13)的所述陶瓷瓦(11、21、22)與所述基底金屬結(jié)構(gòu)或構(gòu)件(14、23)永久地連結(jié)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：用于所述基底金屬結(jié)構(gòu)或構(gòu)件(14、23)或所述中間金屬層(13)的金屬為鎳基超級合金。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：在步驟(b)中，可溶解陶瓷用于組裝和遮蔽。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述陶瓷瓦(11、21、22)中的所述腔(12、28)以此種方式布置，即，使得所述機(jī)械互鎖處的陶瓷中的大部分在超過使用溫度范圍的隨后使用期間處于壓縮下。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述基底金屬結(jié)構(gòu)或構(gòu)件(14、23)為燃?xì)鉁u輪的熱氣體路徑部分。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：H布蘭德，HP博斯曼恩，
申請(專利權(quán))人：阿爾斯通技術(shù)有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：瑞士;CH