Система ущільнення газотурбінної установки, лопатка газотурбінної установки та гостра кромка лопатки газотурбінної установки

1 Система ущільнення газотурбінної установки, яка включає обертовий елемент, що містить абразивну насадку, яка знаходиться у стані тертя зі стаціонарною герметизуючою поверхнею, яка піддається дії абразивів, причому абразивна насадка містить матеріал більш твердий, ніж герметизуюча поверхня, що піддається дії абразивів, такий, що абразивна насадка може зрізати герметизуючу поверхню, що піддається дії абразивів, яка відрізняється тим, що абразивна насадка містить металеве зв'язуюче покриття, нанесене на, в основному, вільну від абразивних часток поверхню обертового елемента, шар оксиду алюмінію, розташований на металевому зв'язуючому покритті, і абразивне покриття на основі оксиду цирконію, що має стовпчасту структуру, розташоване на шарі оксиду алюмінію, причому абразивне покриття на основі оксиду цирконію містить оксид цирконію і від приблизно 3 % масових до приблизно 25% масових стабілізатора, вибраного з групи, що складається з оксиду ітрію, оксиду магнію, оксиду кальцію та їх суміші 2 Система ущільнення за п 1, яка відрізняється тим, що металеве зв'язуюче покриття включає дифузійний алюмінід, сплав Ni і АІ, або MCrALY, де М означає Ni, Co, Fe, або суміш Ni і Co 3 Система ущільнення за п 1, яка відрізняється тим, що обертовий елемент являє собою лопатку турбіни 4 Система ущільнення за п 3, яка відрізняється тим, що частина профілю і частина платформи і частина профілю або частина платформи лопатки турбіни, або обидві принаймні частково покриті покриттям теплового бар'єра стовпчастої структури, що має в основному той же склад, що і абразивна насадка 5 Система ущільнення за п 1, яка відрізняється тим, що обертовий елемент являє собою гостру кромку ротора турбіни, розташовану на роторі турбіни, а герметизуюча поверхня, що піддається дії абразивів, розташована на спрямовуючих лопатках турбіни для формування внутрішнього герметичного ущільнення 6 Система ущільнення за п 1, яка відрізняється тим, що обертовий елемент являє собою лопать компресора 7 Система ущільнення за п 1, яка відрізняється тим, що обертовий елемент являє собою гостру кромку ротора компресора, розташовану на роторі компресора, а герметизуюча поверхня, що піддається дії абразивів, розташована на статорі компресора для формування внутрішнього герметичного ущільнення 8 Система ущільнення газотурбінної установки, яка включає обертовий елемент, що містить абразивну насадку, яка знаходиться у стані тертя з стаціонарною герметизуючою поверхнею, що піддається дії абразивів, причому абразивна насадка містить матеріал більш твердий, ніж герметизуюча поверхня, що піддається дії абразивів, такий, що абразивна насадка може зрізати герметизуючу поверхню, що піддається дії абразивів, яка відрізняється тим, що абразивна насадка містить абразивне покриття на основі оксиду цирконію, що має стовпчасту структуру, причому абразивне покриття на основі оксиду цирконію містить оксид цирконію і від приблизно 3 % масових до приблизно 25% масових стабілізатора, вибраного з групи, що містить оксид ітрію, оксид магнію, оксид кальцію та їх суміші, і абразивна насадка нанесена на, в основному, вільну від абразивних часток поверхню обертового елемента 9 Система ущільнення за п 8, яка відрізняється тим, що абразивна насадка додатково містить шар оксиду алюмінію, розташований між абразивним покриттям на основі оксиду цирконію і обертовим елементом о 0 0 о (О 10 Система ущільнення за п 8, яка відрізняється тим, що обертовий елемент являє собою лопатку турбіни 11 Система ущільнення за п 10, яка відрізняється тим, що частина профілю і частина платформи і частина профілю або частина платформи лопатки турбіни, або обидві принаймні частково покриті покриттям теплового бар'єра стовпчастої структури, що має той же склад, що і абразивна насадка 12 Система ущільнення за п 8, яка відрізняється тим, що обертовий елемент являє собою гостру кромку ротора турбіни, розташовану на роторі турбіни, а герметизуюча поверхня, що піддається дії абразивів, розташована на спрямовуючих лопатках турбіни для формування внутрішнього герметичного ущільнення 13 Система ущільнення за п 8, яка відрізняється тим, що обертовий елемент являє собою лопатку компресора 14 Система ущільнення за п 8, яка відрізняється тим, що обертовий елемент являє собою гостру кромку ротора компресора, розташовану на роторі компресора, а герметизуюча поверхня, що піддається дії абразивів, розташована на статорі компресора для формування внутрішнього герметичного ущільнення 15 Лопатка газотурбінної установки, що містить абразивну насадку, яка відрізняється тим, що абразивна насадка містить абразивне покриття на основі оксиду цирконію, що має стовпчасту структуру, причому абразивне покриття на основі оксиду цирконію містить оксид цирконію і від приблизно 3 % масових до приблизно 25% масових стабілізатора, вибраного з групи, що містить оксид ітрію, оксид магнію, оксид кальцію та їх суміші 61908 16 Лопатка за п 15, яка відрізняється тим, що абразивна насадка додатково містить металеве зв'язуюче покриття, яке містить дифузійний алюмінід, сплав Ni і АІ, або MCrALY, де М означає Ni, Co, Fe, або суміш Ni І CO, розташоване між абразивним покриттям на основі оксиду цирконію і обертовим елементом 17 Лопатка за п 15, яка відрізняється тим, що абразивна насадка додатково містить шар оксиду алюмінію, розташований між абразивним покриттям на основі оксиду цирконію і обертовою деталлю 18 Гостра кромка лопатки газотурбінної установки, що містить абразивну насадку, яка відрізняється тим, що абразивна насадка містить абразивне покриття на основі оксиду цирконію, що має стовпчасту структуру, причому абразивне покриття на основі оксиду цирконію містить оксид цирконію і приблизно від 6% масових до приблизно 20 % масових стабілізатора, вибраного з групи, що містить оксид іттрію, оксид магнію, оксид кальцію та їх суміші 19 Гостра кромка лопатки за п 18, яка відрізняється тим, що абразивна насадка додатково містить металеве зв'язуюче покриття, яке містить дифузійний алюмінід, сплав Ni і АІ або MCrALY, де М означає Ni, Co, Fe, або суміш Ni і Co, розташоване між абразивним покриттям на основі оксиду цирконію і обертовим елементом 20 Гостра кромка лопатки за п 18, яка відрізняється тим, що абразивна насадка додатково містить шар оксиду алюмінію, розташований між абразивним покриттям на основі оксиду цирконію і обертовим елементом Представлений винахід має відношення, в основному, до абразивних покриттів, які застосовуються для обертових елементів у газотурбінних установках, щоб посилити герметичність ущільнення, мінімізуючи, таким чином, втрати через зазор та підвищуючи ДОВГОВІЧНІСТЬ обертових елементів Газотурбінні установки, як правило, включають в себе різні системи обертових ущільнень, щоб забезпечувати різницю робочих тисків, яка є визначальною для характеристик установки Один звичайний тип герметизуючої системи містить обертовий елемент типу лопатки турбіни, розташованої у стані тертя в контакті з нерухомою, шліфованою герметизуючою поверхнею У стані тертя утворюється малий робочий зазор між лопаткою турбіни та герметизуючою поверхнею з тим, щоб обмежити КІЛЬКІСТЬ робочого газу, який обходить лопатку турбіни Дуже великий зазор може дозволити небажано великим кількостям робочого газу виходити між лопаткою турбіни та герметизуючою поверхнею, тим самим зменшуючи ефективність установки Подібні системи, як правило, використовуються у внутрішніх та ЗОВНІШНІХ герметичних ущільненнях компресора та секцій турбіни Щоб забезпечити бажаємий малий робочий зазор, обертовий елемент, наприклад, лопатка турбіни, як правило, має абразивну насадку, здібну до зрізання герметизуючої поверхні, з якою вона стикається Коли газотурбінна установка зібрана, між обертовим елементом та герметизуючою поверхнею залишається малий зазор Під час роботи установки обертовий елемент подовжується за рахунок відцентрових сил та зростаючої температури установки, і треться об герметизуючу поверхню Абразивна насадка обертового елементу зрізає герметизуючу поверхню, формуючи непроникний зазор Навмисний контакт між абразивною насадкою та герметизуючою поверхнею сумісно з ЦИКЛІЧНІСТЮ температур та тисків, типовою для газотурбінних установок, утворює середовище високого зношування як для герметизуючої поверхні, так і для абразивної насадки Щоб обмежити ерозію та викришування герметизуючої поверхні, тим самим забезпечуючи бажаний зазор між обертовим елементом та герметизуючою поверхнею, герметизуюча поверхня, як правило, виготовляється з відносно твердих, слабо зношуваних матеріалів Наприклад, пористий метал, кераміка, плазмено напилена на металеве зв'язане покриття, напиляємий у плазмі сплав ні 61908 келя, що містить нітрид бора (BN), або сотоподібнапиляємих абразивних насадок може бути недоний матеріал - звичайні матеріали для ущільнення статньою для деяких розглянутих додатків поверхні Гальванічно покрита KBN абразивна насадка Якщо обертовий елемент не має відповідної лопатки, як правило, включає безліч абразивних абразивної насадки, ущільнююча поверхня, з якою часток KBN, оточених гальванічно покритою метавін пов'язаний, може викликати значне зношуванлевою матрицею Матрицею може бути нікель, ня обертового елемента У доповнення до зниMCrAlY, де М - це Fe, Ni, Co, або суміш Ni і Co, або ження характеристик установки, це небажано ще й другого металу або сплаву Насадки з кубічного тому, що обертові елементи, особливо лопатки нітрида бора - чудові ріжучі пристрої, тому що KBN турбіни та компресора, можуть бути дуже дорогі більш тверді, ніж будь-який інший матеріал абрадля відновлення або заміни Внаслідок цього, мазивних часток, окрім алмазу Гальванічно покриті теріали, що використовуються для виготовлення насадки з KBN ПОВНІСТЮ ПІДХОДЯТЬ ДЛЯ застосуванабразивних насадок, як правило, більш тверді, ніж ня у компресорі через відносно низьку температугерметизуючи поверхні, з якими вони зв'язані Нару (тобто, менш ніж приблизно 1500°F [815°C]) приклад, матеріали типу оксида алюмінію (АЬОз), середовища Подібні насадки, однак, можуть мати що містить оксид цирконій (2г2Оз), який ужорстообмежений ресурс в газотурбінних додатках, тому чає оксид алюмінія, покритого гальванічно кубічнощо більш висока температура в секціях турбіни го BN (KBN), карбіду вольфраму-кобальту (WCможе бути причиною окисления абразивних часток Со), карбиду кремнію (SiC), нітриду кремнію KBN І, МОЖЛИВО, навіть металевої матриці Хоча (S13N4), в тому числі часток нітрида кремнія, напигальванічно покриті KBN насадки звичайно дешеляємих на металеву матрицю, і плазмено нанесевші, ніж напиляємі абразивні насадки, технологія ного оксида цирконія, що стабілізується оксидом виготовлення, що використовується, може бути іттрія (УгОз-ІгОг), використовуються для абразивтяжка і дорогостояча у здійсненні них насадок при деяких застосуваннях Три з найТому, промисловість потребує абразивних набільш звичайних виглядів абразивних насадок садок для систем ущільнень газотурбінної устанонакладки, напилені абразивні насадки та гальванівки, які були б високо абразивні, більш ДОВГОВІЧНІ, чно покриті KBN насадки та дешевші у виробництві, ніж ті, що є в наявності на цей час Верхня частина насадки звичайно складається з "лодочки" з жароміцного сплаву, заповненої абЦей винахід стосується абразивних насадок разивними частками і металевою матрицею Абрадля систем ущільнень газотурбінної установки, які зивними частками можуть бути карбід кремнія, є високо абразивними, більш довговічними і менш нітрид кремнія, кремній - алюмінійоксинітрид дорогими в виробництві, ніж ті, що є в наявності на (SiAION) і суміші цих матеріалів Металева матрицей час ця може бути жароміцним сплавом на базі Ni, Co Один аспект винаходу включає систему ущіабо Fe, який включає в себе ХІМІЧНО активний мельнень газотурбінної установки з обертовим елетал типу Y, Hf, Ті, МО, або Мп "Лодочка" приєднументом, що має абразивну насадку, яка знахоється до насадки обертового елемента, такого, як диться в стані тертя з нерухомою, шліфованою лопатка турбіни, за допомогою технології з'єднангерметизуючою поверхнею Абразивна насадка, ня переходом до рідкої фази Насадки і технології що є більш твердою, ніж шліфована герметизуюча з'єднання переходом до рідкої фази описані в паповерхня, так що абразивна насадка може підрізатентах США 3,678,570 на ім'я Полоніса і ін , ти шліфовану герметизуючу поверхню, включає в 4,038,041 на ім'я Дуваля і ін , 4,122,992 на ім'я Дусебе абразивне покриття з оксида цирконія, наневаля і ш , 4,152,488 на ім'я Шилке і ін , 4,249,913 на сене безпосередньо на, в основному, вільну від ім'я Джонсона і Ін , 4,735,656 на ім'я Шауфера і ін , часток поверхню обертового елемента Абразивне і 4,802,828 на ім'я Рутза і ін Хоча насадки викорипокриття з оксида цирконія має стовпчасту струкстовувались в багатьох комерційних застосувантуру і включає в себе оксид цирконія і від приблизнях, вони можуть бути дорогостоячими та трохи но 3% масових до приблизно 25% по масі стабілігроміздкими для установки на насадках лопатки затора Стабілізатором може бути оксид іттрія, оксид магаїя, оксид кальція або суміш цих матеріНапиляєма абразивна насадка, як правило, алів включає оксид алюмінія, покритий абразивними частками карбіда кремнія або нітрида кремнія, оточений металевою матрицею, яка потім травиться, щоб оголити частки Такі насадки описані в патентах США 4,610,698 на ім'я Ітон і ін , 4,152,488 на ім'я Шилке і ін , 4,249,913 на ім'я Джонсона і ін , 4,680,199 на ім'я Вонтелла і ін , 4,468,242 на ім'я Пайка, 4,741,973 на ім'я Кондіта і ін , і 4,744,725 на ім'я Матаріз і ін Напиляємі абразивні насадки часто сполучаються з плазмено напиляємими керамічними або металевими плакірованими ущільненнями Хоча напиляємі абразивні насадки успішно використовувались в багатьох установках, вони можуть бути тяжко відтворювані, та нові металоконструкції установки можуть демонструвати деякі відхилення в розподіленні зернистості абразиву від насадки до насадки Крім того, ДОВГОВІЧНІСТЬ В іншому аспекті винаходу абразивна насадка включає в себе металеве зв'язане покриття, нанесене на, в основному, вільну від абразивних часток поверхню обертового елемента, шар оксида алюмінія, розташований на металевому зв'язаному покритті та абразивне покриття з оксида цирконія зі стовпчастою структурою, нанесене на шар оксида алюмінія Абразивне покриття з оксида цирконія містить оксид цирконія і від приблизно 3% масових до приблизно 25% масових стабілізатора, яким може бути оксид іттрія, оксид магнія, оксид кальція або суміш цих матеріалів Крім того, інший аспект винаходу стосується лопатки газотурбінної установки або гострої кромки, що має абразивну насадку Абразивна насадка включає в себе абразивне покриття з оксида цир 61908 конія, що має стовпчасту структуру і містить оксид цирконія і від приблизно 3% масових до приблизно 25% по масі стабілізатора, вибраного з групи, що складається з оксида іттрія, оксида магнія, оксида кальція та їх сумішей Ці Й ІНШІ особливості та переваги представленого винаходу стануть більш очевидними з наступного опису та супутніх креслень Фіг 1 - показує центральний вигляд з частковим продольним розрізом газотурбінної установки Фіг 2 - розріз ЗОВНІШНІХ і внутрішніх герметичних ущільнень компресора згідно представленому винаходу Фіг 3 - центральний вигляд лопатки турбіни, що має абразивну насадку, по представленому винаходу Фіг 4 - збільшене зображення стовпчастої структури абразивної насадки по представленому винаходу Абразивна насадка згідно представленому винаходу може використовуватись в газотурбінних установках при високому зношуванні, що вимагає підтримання герметичного зазору між обертовими та нерухомими елементами Наприклад, цей винахід особливо придатний для такого використання, як абразивна насадка турбіни або лопатки компресора, або як гостра кромка компресора або турбіни Абразивний кінець лопаті або гостра кромка по цьому винаходу можуть сполучатися з придатною шліфованою герметизуючою поверхнею так, щоб утворювати зовнішнє або внутрішнє герметичне ущільнення Фіг 1 зображує типову газотурбінну установку 2, яка містить секцію компресора 4 і секцію турбіни 6 Секція компресора 4 включає в себе ротор компресора 8, розташований всередині корпуса компресора 10 Лопатки компресора 12, одна з обертових частин у двигуні, встановлені на роторі 8, спрямовуючі лопаті компресора 14 розташовані між лопатками 12 Аналогічно, секція турбіни 6 включає ротор турбіни 16, розташований всередині корпуса турбіни 18 Лопатки турбіни 20, друга з обертових частин в установці, встановлені на роторі 16, і спрямовуючі лопатки 22 турбіни розміщені між лопатками 20 Фіг 2 представляє ЗОВНІШНІ герметичні ущільнення 24 і внутрішні герметичні ущільнення 26 секції компресора 4 Кожне зовнішнє герметичне ущільнення 24 включає абразивну насадку 28, розташовану на КІНЦІ лопатки компресора 12 в стані тертя з шліфованою зовнішньою герметизуючою поверхнею ЗО Для цілей цього винаходу два компоненти знаходяться в стані тертя, в той час як зазор між ними дозволяє прямий контакт між компонентами принаймні один раз, коли установка запускається після збирання Кожне внутрішнє герметичне ущільнення 26 включає абразивну насадку 32, розташовану на КІНЦІ гострої кромки компресора 34 в стані тертя з шліфованою внутрішньою герметизуючою поверхнею 36, розташованою на спрямовуючих лопатях 14 компресора Фахівець оцінить, що подібні ЗОВНІШНІ та внутрішні герметичні ущільнення, можливо, подібні описаним вище, можуть бути використані в секції турбіни 6, та інших секціях установки у доповнення до секцій компресора 4 8 Фіг 3 зображує лопатку турбіни 20 по представленому винаходу, що має абразивну насадку 28, яка включає в себе металеве зв'язуюче покриття 38, нанесене на КІНЦІ 40 лопатки 20 турбіни і шар оксида алюмінія (АЬОз) 42 на зв'язуючому шарі 38 і абразивне покриття 44 з оксида цирконія (ZrCh), нанесене на шар оксида алюмінія 42 Абразивна насадка по представленому винаходу може бути поміщена безпосередно на обертову деталь, як показано, або може бути нанесена на підшар або впроваджена до поверхні обертової деталі Наприклад, абразивна насадка по представленому винаходу може бути нанесена на алюмінідне покриття, яке дифундоване у поверхню обертової деталі Абразивна насадка представленого винаходу, однак, повинна приєднуватися до поверхні, яка є, в основному, вільною від зерен абразиву, щоб уникнути дублювання абразивних функцій зерен і удорожчення вузла Абразивна насадка 32 на гострій кромці 34 може бути конфігурована аналогічно В обох випадках, обертова деталь (тобто, лопатка турбіни або компресора 20, 12, гостра кромка компресора 34, або гостра кромка турбіни [не показана]) до якої приєднана абразивна насадка 28, 32 згідно даному винаходу, включає в себе жароміцний сплав на базі нікеля або кобальта, або титановий сплав Хоча на Фіг 3 показана абразивна насадка 28 по цьому винаходу, яка включає металеве зв'язуюче покриття 38, зв'язуюче покриття є необов'язковим і може бути видалене, якщо абразивне покриття з оксида цирконія 44 добре зчіплюється з обертовою деталлю, з якою воно застосовується без зв'язуючого покриття 38 Якщо ніяке зв'язуюче покриття не використовується, може бути бажано виготовляти обертову деталь зі сплаву, здатного до формування щільно прилягаючого шару оксида алюмінія, порівняного з шаром оксида алюмінія 42 Один такий сплав має номінальний склад 5 ОСгЮСо-1 ОМо-5 9W-3 ORe-8 4Ta-5 65AI-0 25Hf0 013Y, інше - Ni У більшості додатків зв'язуюче покриття 38 переважніше, щоб забезпечити добру адгезію між абразивною насадкою 28, 32 та обертовою деталлю і забезпечити хорошу поверхню для формування шару оксида алюмінія 42 і застосування абразивного покриття з оксида цирконія 44 ВІДПОВІДНИЙ вибір зв'язуючого покриття 38 обмежить або запобіжить як відшаруванню абразивного покриття з оксида цирконія 44 від зв'язаного покриття 38, так і відшаруванню цілком абразивної насадки 28, 32 під час роботи установки Відшарування абразивного покриття з оксида цирконія 44 або цілком абразивної насадки 28, 32 під час роботи може зменшити ДОВГОВІЧНІСТЬ обертової деталі та послабити характеристики установки, збільшуючи робочий зазор між обертовою деталлю і шліфованою герметизуючою поверхнею Металеве зв'язуюче покриття 38 по цьому винаходу може бути будь-яким металевим матеріалом, відомим в техніці, який може утворювати міцний зв'язок між обертовою деталлю газотурбінної установки і абразивним покриттям 44 з оксида цирконія Такі матеріали, як правило, містять достатньо АІ, щоб формувати щільно прилягаючий шар з оксида алюмінія, що забезпечує хороший зв'язок з абразивним покриттям з оксида цирконія 61908 10 (0 1 мкм) до приблизно 0 4 мил (10 мкм) товщиною Абразивне покриття 44 з оксида цирконія може містити суміш оксида цирконія і стабілізатора типу оксида іттрія (Y2O3), оксида магаїя (МдО), оксида кальція (СаО), або їх суміші Оксид іттрія - переважний стабілізатор Абразивне покриття з оксида цирконія 44 повинно включати достатню КІЛЬКІСТЬ стабілізатора, щоб запобігти небажаному фазовому перетворенню оксида цирконія (тобто ЗМІНІ переважної тетрагональної або кубічної кристалічної структури на менш бажану моноклінну кристалічну структуру) за границями діапазона робочих температур, очікуваного для конкретної газотурбінної установки Переважно, абразивне покриття 44 з оксида цирконія повинно включати суміш оксида цирконія і від приблизно 3% масових до 25% масових оксида іттрія Найбільш переважне абразивМеталеве зв'язуюче покриття 38 може бути не покриття з оксида цирконія 44 повинно включананесено будь-яким способом, відомим в техніці ти приблизно від 6% масових до приблизно 8% для нанесення таких матеріалів Наприклад, зв'ямасових оксида іттрія або приблизно від 11% мазуюче покриття 38 може бути нанесено плазменим сових до приблизно 13% масових оксида іттрія, в струменем низького тиску (ПСНТ), повітряним залежності від призначеного діапазону темпераплазменим струменем (ППС), фізичним нанесентур ням покриття електронним променем осаджуван 44 Наприклад, металеве зв'язане покриття 38 може включати дифузійний алюмінід, що містить один або більшу КІЛЬКІСТЬ благородних металів, сплав Ni і АІ, або MCrAlY, де М означає Fe, Ni, Co, або суміш Ni І СО Тут термін MCrAlY також охоплює композиції, що включають додаткові елементи або комбінації елементів типу Si, Ni, Та, Re або благородні метали, ВІДОМІ В техніці MCrAlY також може включати шар дифундованого алюмініда, зокрема, алюмінід, який містить один або більшу КІЛЬКІСТЬ благородних металів Переважно, металеве зв'язане покриття 38, буде включати MCrAlY номінального складу Ni-22Co-l7Cr-l2 5AI-0 25Hf0 4Si-0 6Y Ця композиція далі описана в патентах США 4,585,481 і Re 32,121, обидва на ім'я Гупта, і ш , обидва з яких наведені тут у вигляді посилання ням з пари (ЕП-ФНП), гальванічним покриттям, катодною дугою або будь-яким іншим способом Металеве зв'язуюче покриття 38 повинно наноситись на обертову деталь з товщиною, достатньою для забезпечення міцного зв'язку між обертовою деталлю і абразивним покриттям з оксида цирконія 44 і запобігання розповсюдження тріщин, що розвиваються в абразивному покритті 44 з оксида цирконія 44, в обертову деталь Для більшості додатків, металеве зв'язуюче покриття 38 може бути товщиною від приблизно 1 мил (25 мкм) до приблизно 10 мил (250 мкм) Переважне зв'язуче покриття 38 буде від приблизно 1 мил (25 мкм) до приблизно 3 мил (75 мкм) товщиною Після нанесення металевого зв'язуючого покриття 38, може бути бажано прокувати зв'язуюче покриття 38, щоб закрити пористість або жолоби, які, можливо, розвинулись в процесі осадження, або виконати ІНШІ механічні або поліруючі операції, щоб підготувати зв'язуюче покриття 38 до нанесення абразивного покриття 44 з оксида цирконія Шар оксида алюмінія 42, який інколи згадується як термічно зростаючий оксид, може бути сформований на металевому зв'язуючому покритті 38 або обертовій деталі будь-яким способом, який приводить до одержання єдиного щільно прилягаючого шару Так, при наявності металевого зв'язуючого покриття 38, шар оксида алюмінія 42 необов'язковий Переважно, однак, щоб абразивна насадка 28 включала шар оксида алюмінія 42 Наприклад, шар 42 може формуватися окисленням АІ або в металевому зв'язуючому покритті 38, або в обертовій деталі при підвищеній температурі перед нанесенням абразивного покриття з оксида цирконія 44 Крім того, шар оксида алюмінія 42 може бути нанесений способом ХІМІЧНОГО нанесення покриття осадженням з пари або будь-яким іншим придатним способом осадження, відомим з рівня техніки Товщина шару оксида алюмінія 42, якщо він присутній, може змінюватися залежно від його густини й однорідності Переважно, щоб шар оксида алюмінія 42 був від приблизно 0 004 мил Як показано на Фіг 4, абразивне покриття з оксида цирконія 44 повинно мати безліч колоночних сегментів, що однорідно розосередились на всьому протязі абразивного покриття таким чином, що переріз абразивного покриття, перпендикулярний до поверхні, на яку нанесено дане абразивне покриття, являє собою стовпчасту (колоночну) мікроструктуру, типову для покриття, нанесеного фізичним осадженням пари Стовпчаста структура повинна мати довжину, яка складає до повної товщини абразивного покриття з оксида цирконія 44 Такі покриття описані в патентах США 4,321,310 на ім'я Улюна і ш , 4,321,311 на ім'я Стренгмена, 4,401,697 на ім'я Стренгмена, 4,405,659 на ім'я Стренгмена, 4,405,660 на ім'я Улюна і ін , 4,414,249 на ім'я Улюна і ш , і 5,262,245 на ім'я Улюна і ш , всі з яких наводяться тут у якості посилання В деяких додатках може бути бажано застосувати в основному те ж покриття, що використовується для абразивної насадки 38, як покриття теплового бар'єру на поверхні профіля 46 або платформі 48 лопатки 20 Абразивне покриття 44 з оксида цирконія може бути нанесено способом ЕП-ФНП або будь-яким іншим фізичним способом нанесення покриття осадженням з пари, відомим для нанесення покриття колоночної структури Переважно, для абразивного покриття 44 з представленого винаходу буде застосовуватися спосіб ЕП-ФНП через доступність обладнання для нього і наявності кваліфікованих спеціалістів Як обговорювалося вище, абразивне покриття 44 може бути нанесено на металеве зв'язуюче покриття 38 або безпосередньо на обертову деталь, в обох випадках, переважно разом з шаром оксида алюмінія 42 У будьякому випадку, абразивне покриття 44 повинно мати товщину, достатню для забезпечення міцного зв'язку з поверхнею, на яку воно нанесене Для більшості додатків, абразивне покриття 44 може бути від приблизно 5 мил (125 мкм) до приблизно 50 мил (1250 мкм) товщиною Переважно, абразивне покриття 44 повинно бути від приблизно 5 мил 12 11 61908 (125 мкм) до приблизно 25 мил (625 мкм) товщинія/оксид цирконія, стабілізований приблизно 20% ною Для лопаток турбіни або компресора бажано масових оксида іттрія), і пористий керамічний шар застосовувати відносно товсте абразивне покрит(зокрема, оксид цирконія, стабілізований приблизтя 44, для забезпечення шліфування агрегату роно 7% масових оксида іттрія) Інші можливі матерітора компресора або турбіни, в якому вони встаали для герметизуючої поверхні включають порисновлені Шліфування видаляє частину тим метал і сотові матеріали ПІДХОЖІ матеріали абразивного покриття 44 від КІНЦІВ лопаток, що для герметизуючої поверхні описані в патентах компенсує невеликі варіації в товщині шару, які США 4,481,237 на ім'я Боссарта і ш , 4,503,130 на розвиваються через допуски в процесі формуванім'я Боссарта і ш , 4,585,481 на ім'я Гупта і ін , ня покриття Починаючи з відносно товстого абра4,588,607 на ім'я Матаріз і ш , 4,936,745 на ім'я зивного покриття 44 можна при процедурі шліфуВайна і ш , 5,536,022 на ім'я Сілео і ш , і Re 32,121 вання одержувати, в обновному, круглий ротор, на ім'я Гупта і ш , кожний з яких наводиться в якоспри збереженні кінцевого абразивного покриття ті посилання 44, яке все ще є достатньо товстим, щоб ефективНаступний приклад демонструє представлено зрізати герметизуючу поверхню ний винахід без обмеження його рамок Здатні до шліфування герметизуючі поверхні Приклад ЗО, 36 згідно цього винаходу можуть містити будьАбразивна насадка з колоночного оксида цирякі матеріали, ВІДОМІ В техніці, які мають хорошу конія згідно з представленим винаходом була висумісність з середовищем газотурбінної установки користана в прямокутних зразках 0 25 дюйму (0 64 і можуть зрізатися абразивним покриттям 44 Для см) х 0 15 дюйму (0 38 см) з використанням звивикористання в турбінах високого тиску, переважчайних технологій осадження Насадка включає ний шліфуємий (що піддається дії абразивів) герметалеве зв'язуюче покриття приблизно 3 мил (75 метизуючий матеріал включає металеве зв'язане мкм) товщини, напилене низьконапорним плазмепокриття (зокрема, 5 ОСг-ЮСо-1 ОМо-5 9W-3 OReним струменем, яке містить Ni-22Co-17Cr-12 5АІ8 4Ta-5 65AI-0 25Hf-0 013Y, інше Ni) і пористий 0 25Hf-0 4Si-0 6Y Після осадження металеве зв'якерамічний шар (зокрема, оксид цирконія, стабілізуюче покриття було оброблене термодифузюнзований приблизно 7% масовими оксида іттрія) ною обробкою при приблизно 1975°F (1079°C) і Зв'язуюче покриття може бути нанесене напиленпрокуване зміцнювальною дробоструминною обням плазменим струменем або осадженням висоробкою TGO - шар приблизно 0 04 мил (1 мкм) кошвидкісним окислюючим полум 'ям Керамічний товщиною створювався на поверхні зв'язуючого шар може бути нанесений плазменим розпиленпокриття звичайними способами Нарешті, приням суміші, що містить від приблизно 88% масових близно 5 мил (125 мкм) колоночної кераміки, яка до приблизно 99% масових керамічного порошку і містить оксид цирконія, стабілізований 7% масових від приблизно 1% масових до приблизно 12% маоксида іттрія наносились за допомогою звичайного сових ароматичної поліефірної смоли Поліефірна фізичного процесу нанесення покриття осадженсмола пізніше випалюється з керамічного шару, ням з пари електронним променем Покритий зращо створює пористу структуру Для використання зок для іспиту був поміщений у триболопчний у компресорі високого тиску, переважний шліфуєстенд навпроти герметизуючого матеріалу, який мий (що піддається дії абразивів) герметизуючий включав послідовно розташовані шари з М-6АІматеріал містить жароміцний сплав на нікелевій 18 5Сг - металеве зв'язуюче покриття, фракціонооснові та комбінацію жароміцного сплаву на основі ваний шар Со-23Сг-ІЗАІ-0 65Y і оксида алюмінія, нікеля (зокрема, 9Cr-9W-6 8АІ-3 25Та-0 02С, інше фракціонований щільний керамічний шар оксида Ni і в незначних кількостях інших елементів, вклюалюмінія і оксида цирконія, стабілізований прибличених, щоб збільшити СТІЙКІСТЬ до окислення) і зно 20% масових оксида іттрія, і пористий шар нітрида бора як верхнього покриття Зв'язане пооксида цирконія, стабілізований приблизно 7% криття може бути сформоване плазменим напимасових оксида іттрія Триболопчний стенд почиленням порошку, який утворюється способом занав роботу при температурі герметизуючої повертверд нення з високою швидкістю Верхній шар хні рівній температурі навколишнього середовища може формуватися плазменим напиленням суміші і створював швидкість насадки 1000 футів у секунпорошку для зв'язуючого покриття і порошку нітду (305 м/с), і швидкість взаємодії між насадкою і рида бора Інший можливий шліфуємий ущільнюгерметизуючою поверхнею 10 мил/с (254 мкм/с) ючий матеріал включає фракціонований керамічІспит тривав до тих пір, доки насадка не досягла ний матеріал, напиляємий плазмою, який включає глибини 20 мил (508 мкм) Як тільки бажана глибипослідовно розташовані шари металевого зв'язуюна була досягнута, триболопчний стенд зупиняли чого покриття (зокрема, NI-6AI-18 5Сг), фракціонота зразки для іспиту видаляли для аналізу, щоб ваний металевий/керамічний шар (зокрема, Совизначити ступінь зношення насадки і герметизу23Сг-13А1-0 65У/ок-сид алюмінія), фракціонований ючої поверхні Таблиця І демонструє отримані щільний керамічний шар (зокрема, оксид алюмірезультати іспиту 13 61908 14 Таблиця 1 Зразок для випробування Температура ущільнювача, який піддається дії тертя °F(°C) Температура лопатки, яка піддається дії тертю - °F (°С) Середнє зношування лопатки - мил (мкм) Середнє зношування ущільнювача - мил (мкм) Повна взаємодія - мил (мкм) Лінійне зношування (W/I) Об'ємне зношування (VWR) Лінійне зношування (W/I) являє собою відношення лінійної КІЛЬКОСТІ матеріалу абразивної насадки, видаленого з обертової деталі до суми лінійної КІЛЬКОСТІ матеріалу, видаленого з обертового і нерухомого елементів разом Чим більш низьке значення W/I, тим краще абразивна насадка працює при зрізанні матеріалу ущільнювача Хоча визначення відношення W/I - простий і корисний шлях аналізу зношування кінця лопатки, він залежить від геометрії зразка для іспиту і поверхні ущільнювача, який використовується в триболопчному стенді Альтернативний шлях виміру зношування - об'ємне відношення зношування (ОВЗ) - не залежить від зразка для іспиту і геомет 1 2 2200(1204) 1925(1052) 2800(1538) 2105(1152) 7 0(177 8) 12 0(304 8) 19 0(482 6) 0 368 0 075 10 0(254 0) 9 0 (228 6) 19 0(482 6) 0 526 0 071 ри герметизуючої поверхні ОВЗ являє собою відношення втраченого об'єму абразивної насадки до об'єму ущільнюючого покриття, видаленого в процесі тертя Знов таки, більш низьке значення цього відношення вказує, що абразивна насадка більш ефективна при зрізанні герметизуючого матеріалу Таблиця 2 порівнює результати ОВЗ з Прикладу з даними для відомих їх рівня техніки насадок з оксида алюмінія, ужорсточених оксидом цирконія, з напиленими насадками лопаток, напиленими абразивними насадками і насадками, покритими гальванічно K B N , ЩО взаємодіяли шляхом тертя з тим же матеріалом герметизуючої поверхні, що використовувався і в Прикладі 1 Таблиця 2 Конфігурація насадки Оксид алюмінія, ужорсточений оксидом цирконія (рівень техніки) Напилена (рівень техніки) Напиляєма абразивна насадка (рівень техніки) Покрита гальванічно KBN (рівень техніки) Колоночнии оксид цирконія (представлений винахід) Хоча іспити на триболопчному стенді показали, що абразивні насадки з колоночного оксида цирконія по представленому винаходу не демонструють такі хороші результати, як насадки KBN, нанесеш гальванічно, але вони дають значно кращі результати, ніж Інші виготовлені раніше насадки Крім того, абразивні насадки з колоночного оксида цирконія мають декілька переваг порівняно з насадками KBN Наприклад, вони не схильні до окислення Також, абразивні насадки з колоночного оксида цирконія можуть спростити технологи, Ф/гЛ Середнє число ОВЗ 1 4 1 18 0 63