Конструкция для присоединения термоизоляционного материала к металлической конструкции

Изобретение относится к конструкции (10) соединения керамического слоя (1), содержащего термоизоляционный материал, с металлическим слоем (2) и способу ее получения. Конструкция (10) содержит переходный слой (11), изготовленный из металлического материала, который располагают между керамическим слоем (1) и металлическим слоем (2). Переходный слой (11) содержит множество элементов (20) зацепления на одной из его сторон, обращенной к керамическому слою (1). Керамический слой (1) содержит множество полостей (30), предназначенных для соединения с соответствующими элементами (20) зацепления переходного слоя (11). Конструкция (10) также содержит слой (40) припоя, посредством которого переходный слой (11) соединен с металлическим слоем (2). Множество элементов (20) зацепления получают процессом лазерного формирования металла. В результате получают соединение с высокими прочностными свойствами и стойкостью при работе при высоких температурах. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Область техники

Настоящее изобретение относится к конструкции для присоединения керамического термоизоляционного материала к металлической конструкции, предпочтительно используемой в среде горячих газов. Данное изобретение также относится к способу получения такой конструкции.

Уровень техники

При работе в среде горячих газов присоединение керамического термоизоляционного материала к металлической конструкции требует хорошего контроля уровня напряжений в керамическом термоизоляционном материале, во избежание преждевременного отказа керамического материала. Чтобы достичь этого, представляется интересным разработать соединение керамического материала и металлического материала для наиболее высокой возможной температуры, чтобы свести к минимуму требуемую толщину керамического термоизоляционного материала, таким образом, чтобы уменьшить термические напряжения в элементе из такого керамического материала, так как они непосредственно связаны с температурным градиентом на указанном элементе. Следствием высокотемпературного соединения на температурном градиенте в керамическом слое является высокий уровень напряжения в соединении из-за разницы в коэффициентах термического расширения керамики и металлической подложки. Кроме того, чем выше температура металлического материала в процессе эксплуатации, тем выше будет скорость окисления металлического материала; следовательно, металлический материал, образующий соединение, должен иметь высокую устойчивость к окислению.

В данной области техники известен способ присоединения керамического термоизоляционного материала к металлической конструкции посредством припаивания керамической части к металлической части с использованием активной пайки, реактивной воздушной пайки или металлизации керамического материала. Однако все эти известные решения ограничены температурными свойствами, либо из-за низкой температуры плавления припоя для активной пайки, которые используют (на основе серебра (Ag) или золота (Au)) при использовании активной или реактивной воздушной пайки, либо из-за плохой устойчивости к окислению металла, используемого при металлизации керамического материала, при этом данный металл, используемый для металлизации, обычно представляет собой молибден (Mo) или марганец (Mn).

Другая возможность, известная в данной области техники, состоит в соединении керамического материала и металлического материала посредством механического соединения: это решение позволяет выбирать используемые материалы конкретно за их функциональные характеристики, с минимальными ограничениями по совместимости материалов. Однако при использовании решения, которое заключается в механическом соединении, проблема состоит в том, что в области соединения возникает концентрация напряжений, что приводит к риску местного растрескивания керамического материала, которое может распространяться с катастрофической скоростью через весь керамический материал, что приводит к преждевременному отказу.

Другие решения, известные в данной области техники, состоят, например, в установке керамики в металлическое зажимное устройство, при этом возникают проблемы, аналогичные описанным для упомянутого выше механического соединения, или использовании термостойких цементов, при этом возникает проблема, состоящая в том, что хрупкий соединительный слой с ограниченными механическими характеристиками подвергается высоким уровням напряжения, что приводит к возможному местному растрескиванию, которое может распространяться и вызывать преждевременный отказ керамического материала.

Настоящее изобретение направлено на обеспечение соединительной конструкции, которая позволяет решить вышеупомянутые проблемы предшествующего уровня техники.

Сущность изобретения

Согласно первому объекту, настоящее изобретение относится к конструкции для присоединения керамического слоя, содержащего термоизоляционный материал, к металлическому слою, при этом конструкция используется в среде горячих газов. Конструкция по изобретению содержит переходный слой, изготовленный из металлического материала, расположенный между керамическим слоем и металлическим слоем, который содержит множество элементов зацепления на одной из его сторон, обращенной к керамическому слою. Согласно конструкции по изобретению, керамический слой содержит множество полостей, предназначенных для соединения с соответствующими взаимно зацепляющимися элементами переходного слоя. Конструкция по изобретению также содержит слой припоя, посредством которого переходный слой прикреплен к металлическому слою.

Изобретение также относится к способу получения конструкции, описанной выше. Способ по изобретению позволяет создать определенную конфигурацию переходного слоя, содержащего множества элементов зацепления на одной из его сторон, обращенной к керамическому слою, посредством процесса лазерной формовки металла.

Краткое описание чертежей

Вышеупомянутые объекты и многие из сопутствующих преимуществ данного изобретения станут более очевидными по мере лучшего понимания изобретения при обращении к последующему подробному описанию, если рассматривать его вместе с прилагаемыми чертежами, на которых:

Фиг. 1 - схематичный вид керамического слоя в конструкции для присоединения керамического слоя, содержащего термоизоляционный материал, к металлическому слою, по изобретению.

Фиг. 2 - схематичный вид керамического слоя и переходного слоя в конструкции для присоединения керамического слоя, содержащего термоизоляционный материал, к металлическому слою, по изобретению.

Фиг. 3 - схематичный вид конструкции для присоединения керамического слоя, содержащего термоизоляционный материал, к металлическому слою, согласно первому варианту осуществления изобретения.

Фиг. 4 - схематичный вид конструкции для присоединения керамического слоя, содержащего термоизоляционный материал, к металлическому слою, согласно второму варианту осуществления изобретения.

Фиг. 5 - схематичный вид конструкции для присоединения керамического слоя, содержащего термоизоляционный материал, к металлическому слою, согласно третьему варианту осуществления изобретения.

Фиг. 6 - схематичный вид способа по изобретению для создания переходного слоя в конструкции для присоединения керамического слоя, содержащего термоизоляционный материал, к металлическому слою, по изобретению.

Фиг. 7 - схематичный вид конструкции для присоединения керамического слоя, содержащего термоизоляционный материал, к металлическому слою, согласно четвертому варианту осуществления изобретения.

Подробное описание изобретения

Согласно первому объекту, настоящее изобретение относится к конструкции для присоединения керамического слоя 1, содержащего термоизоляционный материал, к металлическому слою 2, при этом конструкция 10 используется в среде горячих газов, обычно в газовых турбинах. Конструкция 10 содержит переходный слой 11, изготовленный из металлического материала, расположенный между керамическим слоем 1 и металлическим слоем 2, содержащим множеством элементов 20 зацепления на одной из его сторон, обращенной к керамическому слою 1. Согласно конструкции по изобретению, керамический слой 1 содержит множество полостей 30, предназначенных для соединения с соответствующими взаимно элементами 20 зацепления переходного слоя 11. Конструкция 10 по изобретению также содержит слой 40 припоя, посредством которого переходный слой 11 прикреплен к металлическому слою 2.

Изобретение также относится к способу получения конструкции 10, аналогичной описанной выше. Способ по изобретению позволяет создать определенную конфигурацию переходного слоя 11, содержащую множества элементов 20 зацепления на одной из его сторон, обращенной к керамическому слою 1, посредством процесса лазерной формовки металла, как будет разъяснено далее.

Чтобы уменьшить концентрацию напряжений в месте соединения, предложена прочная конструкция для соединения с конструкцией 10 по изобретению, имеющая большое число соединительных контактов (взаимно элементов 20 зацепления и полостей 30); кроме того, геометрическая форма соединений такова, чтобы уменьшить остаточные напряжения. Чтобы достичь этого, керамический слой 1 изготавливают таким образом, чтобы он имел полости 30 (см. Фиг. 1), а затем изготавливают переходный слой 11, чтобы заполнить эти полости 30, что приводит к взаимному зацеплению между керамическим слоем 1 и переходным слоем 11. Изготовление промежуточного слоя 11, следовательно, должно быть точно адаптировано к форме каждой из полостей 30 керамического слоя 1. Этого можно достичь несколькими возможными способами:

1) Керамический слой 1 изготавливают непосредственно с полостями 30, включающими в себя элементы для зацепления, такие как выступы и впадины 3. Каждую изготавливаемую часть сканируют подходящим оптическим устройством, например, трехмерным фотограмметрическим сканером, и исходное положение каждой из полостей 30 сохраняют в файле данных вместе с идентификационным номером, соответствующим номеру детали. Вторым этапом выполняют операцию автоматизированного лазерного формования металла, при этом сопло 4 для порошка, снабжаемое порошком и газом 6, располагают в исходных положениях, где должны быть расположены элементы 20 зацепления, причем порошок местно расплавляют с помощью сфокусированного лазерного луча 5, что позволяет местно расплавленному металлическому порошку заполнить изготавливаемые полости, как показано на Фиг. 6. Позиционирование форсунки 4 для порошка может выполняться либо с помощью робота, либо с помощью ЧПУ (числового программного управления).

2) Другая возможность состоит в том, чтобы создать первый этап, на котором выполняют операцию обработки коротко-импульсным лазером для создания полостей 30 на поверхности керамического слоя 1. Предпочтительно для создания чистых полостей 30, свободных от продуктов плавления, и без образования трещин в керамическом слое 1, выбирают наносекундные или пикосекундные импульсы. Второй этап аналогичен уже описанному выше в пункте 1): однако нет необходимости в сканировании, так как предыдущие позиции обработки можно использовать непосредственно в качестве целевого положения для этапа лазерной формовки металла.

При использовании одного из двух способов, описанных выше, можно создать элементы 20 зацепления множества различных форм, как показано в различных вариантах осуществления изобретения, показанных на Фиг. 3-7. В зависимости от требуемой прочности соединения и функциональных требований к конструкции 10, количество, плотность и степень покрытия керамического слоя 1 элементами 20 зацепления можно регулировать. Другая возможность состоит в том, чтобы заполнить полости 30 металлом таким образом, что металлический наполнитель выступает из керамического слоя 1, образуя металлические выступы. С помощью дополнительной операции шлифования или фрезерования можно получить определенное расстояние между поверхностями керамического слоя 1 вместе с переходным слоем 11 и металлическим слоем 2, что позволяет избежать преждевременного отказа из-за уменьшенного уровня напряжений в точках контакта между керамическими слоями 1 и металлическим наполнителем из-за низкой жесткости металлических выступов.

Металлический материал, подвергающийся лазерной формовке, очень гибкий относительно материала наполнителя, предпочтительно металлического материала наполнителя. В качестве примера, жаростойкие порошковые припои на основе никеля с возможностью эксплуатации при высоких температурах и хорошей устойчивости к окислению, такие как имеющиеся на рынке припои Amdry 915 или Amdry 103, могут быть выбраны в качестве наполнителя. Так как лазерное сопло/сопло для порошка 4 или керамический слой можно наклонять, это дает высокую гибкость, что касается форм элементов 20 зацепления.

В качестве альтернативы (см. Фиг. 1) можно использовать порошковую смесь высокопрочного суперсплава и порошкового припоя с возможностью эксплуатации при высоких температурах. В обоих случаях керамический слой 1, взаимно зацепляющийся с переходным слоем 11, может быть непосредственно соединен с металлическим слоем 2, действующим как несущая конструкция. Если нужно обеспечить определенное расстояние между двумя поверхностями (керамический слой 1 вместе с переходным слоем 11 и металлическим слоем 2), то можно предусмотреть соединение керамического слоя 1 и переходного слоя 11 с металлическим слоем 2 методом пайки с супертвердым припоем. В этом случае устанавливают промежуточное значение температуры пайки между температурой солидуса и температурой ликвидуса сплава наполнителя. Вследствие этого расплавляется только малая часть наполнителя, и металлические соединения (элементы 20 зацепления) сохраняют свою форму, обеспечивая правильное расстояние между керамическим слоем 1 вместе с переходным слоем 11 и металлическим слоем 2.

В предпочтительном варианте осуществления (см. Фиг. 2, 3, 4, 5 и 7) в качестве материала наполнителя используют суперсплав с возможностью выдерживать высокие температуры. В зависимости от местных требований можно выбрать материалы с превосходной устойчивость к окислению, устойчивостью к коррозии, превосходной механической прочностью или подходящей комбинацией этих свойств, такие как Amdry 995, Amdry 963, Haynes 230 или Inconel 738. В этом случае между металлическим слоем 2 и керамическим слоем 1, присоединенным к переходному слою 11, можно нанести дополнительный слой 40 припоя. Однако большая площадь покрытия керамического слоя 1 переходным слоем 11 сильно улучшает смачиваемость и делает пайку намного более надежной. Следовательно, гибкость, что касается материала припоя, используемого для создания слоя 40 припоя, больше, и можно выбрать фольгу для припоя со значительно более высокой эксплуатационной температурой. Можно создать определенный зазор путем выбора длины элементов 20 зацепления таким образом, чтобы образовать металлические выступы между керамическим слоем 1 и переходным слоем 11. Данные выступы имеют низкую жесткость и могут иметь такую конструкцию, что уровень напряжений в точках контакта между элементами 20 зацепления и керамическим слоем 1 достаточно низок, чтобы избежать образования и распространения трещин в керамическом слое 1 как при комнатной температуре, так и во время эксплуатации.

Во всех случаях нужно избегать избыточной подачи тепла в керамический слой 1, так как перегрев может вызвать локальное растрескивание или другие повреждения. Чтобы гарантировать это, можно применить регулирование операции лазерного плавления порошка с помощью системы управления с обратной связью (см. Фиг. 6): в этом случае в сопло 4 лазера для порошка встраивают пирометр, который непрерывно измеряет температуру местного участка плавления. Значения температуры анализируют в реальном времени и передают обратно в устройство управления мощностью лазера, которое автоматически регулирует уровень мощности, чтобы поддерживать температуру, оптимальную для процесса плавления. Предпочтительно, чтобы для этого процесса использовалась оптическая система 8 формирования луча, создающая пятно излучения лазера субмиллиметрового диаметра. Для лучшего баланса подачи тепла можно применять дополнительное быстрое колебание луча, используя гальванометрический сканер, встроенный в оптическую систему 8 формирования луча.

Согласно другому варианту осуществления изобретения, керамический слой 1 содержит металлический материал выступающего наполнителя, образующий элементы 20 зацепления: этот керамический слой 1 используют в качестве исходной заготовки для процесса изготовления по аддитивной технологии, который может быть использован для создания переходного слоя 11 между керамическим слоем 1 и металлическим слоем 2. В частности, данную операцию можно выполнить с помощью селективной лазерной плавки (SLM) внутри рабочей камеры с контролируемой атмосферой. С этой целью керамический слой 1 вводят в камеру для селективной лазерной плавки параллельно плоскости, в которой располагают порошок. Селективную лазерную плавку выполняют таким образом, что образуется новый материал, начиная с переходного слоя 11. В качестве особенно интересного решения можно расположить конформные (околостенные) охлаждающие каналы 50, как показано на Фиг. 7, в непосредственной близости от горячей поверхности взаимодействия между керамическим слоем 1 и металлическим слоем 2: затем получаемый в результате гибридный керамико-металлический составной элемент припаивают к металлическому слою 2, как описано выше.

Используя один из технологических маршрутов или этапов, описанных выше, можно изготавливать большие количества стандартизованных элементов из керамического слоя 1 и переходного слоя 11, имеющие конструкцию 10 по изобретению, которые затем можно надежно прикрепить к большому металлическому слою 2, такому как, например, вкладыш камеры сгорания в газовой турбине.

Основные преимущества способа по изобретению с использованием процесса лазерной формовки металла/селективной лазерной плавки позволяют создать механическое соединение между керамическим слоем 1 и металлической конструкцией 2 (несущей конструкцией) с очень низкими остаточными напряжениями и свести к минимуму концентрацию напряжений в керамическом слое 1. Конструкция соединения позволяет компенсировать напряжения из-за термического несовпадения между керамическим изоляционным материалом, образующим керамический слой 1, и металлическим слоем 2. Дополнительную компенсацию напряжений можно получить, выбрав материал наполнителя, который имеет адекватную пластичность в заданном эксплуатационном диапазоне.

Кроме того, по меньшей мере, в одном из вариантов осуществления способа по изобретению, керамический слой 1 не требует обработки перед соединением, и вариабельность керамической формы из-за допусков на изготовление и других эффектов, подобных неконтролируемой усадке во время спекания керамического материала перед его формованием (называемого сырым керамическим материалом), компенсируется этапом лазерной формовки металла с помощью универсального лазера в сочетании с трехмерным сканированием. Местный нагрев во время формования металлического соединения также позволяет уменьшить интенсивность температурного шока в керамическом слое 1 во время изготовления. Все эти преимущества уменьшают вероятность преждевременного растрескивания керамического материала во время соединения керамического слоя 1 вместе с переходным слоем и металлического слоя 2. Кроме того, процесс по изобретению позволяет уменьшить образование трещин во время высокотемпературных операций и непостоянных нагрузок: это уменьшает вероятность преждевременного отказа керамического материала.

Хотя настоящее изобретение было полностью описано в связи с предпочтительными вариантами осуществления, очевидно, что можно осуществлять изменения в рамках объема изобретения, который не ограничивается данными вариантами осуществления, а ограничивается содержимым приведенной ниже формулы изобретения.

Номера ссылочных позиций

10 Конструкция, объединяющая керамику и металл

1 Керамический слой

2 Металлический слой

11 Переходный слой

20 Элементы зацепления

30 Полости в керамическом слое

40 Слой припоя

3 Выступы и впадины элементов зацепления

4 Сопло лазера для порошка

5 Сфокусированный лазерный луч

6 Порошок и газ

7 Пирометр

8 Оптическая система формирования луча

50 Охлаждающие каналы.

1. Соединение (10) керамического слоя (1), содержащего термоизоляционный материал, с металлическим слоем (2), отличающееся тем, что оно содержит переходный слой (11), изготовленный из металлического материала, расположенный между керамическим слоем (1) и металлическим слоем (2), и содержащий элементы (20) зацепления на одной из его сторон, обращенной к керамическому слою (1), причем керамический слой (1) содержит полости (30), предназначенные для соединения с соответствующими элементами (20) зацепления переходного слоя (11), при этом соединение (10) также содержит слой (40) припоя, посредством которого переходный слой (11) присоединен к металлическому слою (2).

2. Соединение (10) по п. 1, отличающееся тем, что полости (30) в керамическом слое (1) заполнены металлом элементов (20) зацепления, выступающих из керамического слоя (1), с образованием металлических выступов.

3. Соединение (10) по п. 2, отличающееся тем, что оно выполнено с заданным зазором между керамическим слоем (1) вместе с переходным слоем (11) и металлическим слоем (2), при этом упомянутый зазор образован элементами (20) зацепления, длина которых выбрана таким образом, чтобы они образовывали металлические выступы между керамическим слоем (1) и переходным слоем (11).

4. Соединение (10) по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что промежуточный слой (11) содержит множество пристеночных охлаждающих каналов (50), при этом керамический слой (1) и промежуточный слой (11) с охлаждающими каналами (50) дополнительно припаяны к металлическому слою (2).

5. Способ получения соединения (10) керамического слоя (1), содержащего термоизоляционный материал, с металлическим слоем (2), включающий изготовление переходного слоя (11), из металлического материала, расположенного между керамическим слоем (1) и металлическим слоем (2), который выполняют с элементами (20) зацепления на одной из его сторон, обращенной к керамическому слою (1), присоединяемых к полостям (30) в керамическом слое (1), причем элементы (20) зацепления выполняют в металлическом материале переходного слоя (11) посредством процесса лазерной формовки металла.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что керамический слой (1) изготавливают с полостями (30), содержащими выступы (3), причем керамический слой (1) дополнительно сканируют оптическим устройством так, чтобы сохранить исходное положение каждой из полостей (30) вместе с идентификационным номером, соответствующим номеру получаемого элемента, после чего выполняют операцию автоматизированного лазерного формования металла, при этом сопло (4) для порошка и газа (6) располагают в исходных положениях, в которых должны быть расположены элементы (20) зацепления, причем порошок местно расплавляют с помощью сфокусированного лазерного луча (5) для заполнения полостей местно расплавленным металлическим порошком.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что позиционирование сопла (4) для порошка выполняют с помощью робота или числового программного управления (ЧПУ).

8. Способ по п. 5, отличающийся тем, что на первом этапе выполняют операцию обработки коротко импульсным лазером для создания полостей (30) на поверхности керамического слоя (1), затем выполняют второй этап автоматизированного лазерного формования металла, при этом сопло (4) для подачи порошка, газа (6) располагают в исходных положениях, в которых должны быть расположены элементы (20) зацепления, причем порошок местно повторно расплавляют с помощью сфокусированного лазерного луча (5) для заполнения полостей расплавленным металлическим порошком.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что полости (30) на поверхности керамического слоя (1) создают с помощью наносекундных или пикосекундных импульсов.

10. Способ по любому из пп. 5-9, отличающийся тем, что в процессе лазерного формования металла переходного слоя (11) используют металлический наполнитель, содержащий высокотемпературные порошковые припои на основе никеля, обладающие возможностью выдержки высоких температур и хорошей устойчивостью к окислению, в частности сплавы для пайки Amdry 915 или Amdry 103.

11. Способ по любому из пп. 5-9, отличающийся тем, что в процессе лазерного формования металла переходного слоя (11) используют порошковую смесь высокопрочного суперсплава и порошкового припоя с возможностью эксплуатации при высоких температурах.

12. Способ по п. 5, отличающийся тем, что керамический слой (1), зацепляющийся с переходным слоем (11), непосредственно присоединяют к металлическому слою (2) с обеспечением между двумя поверхностями заданного расстояния, при этом керамический слой (1) и переходный слой (11) вместе с металлическим слоем (2) соединяют пайкой с супертвердым припоем.

13. Способ по п. 5, отличающийся тем, что он дополнительно включает в себя управление с обратной связью операцией плавления порошка, при этом в сопло лазера (4) для порошка встроен пирометр (7), непрерывно измеряющий температуру плавления местного участка плавления.

14. Способ по п. 5, отличающийся тем, что керамический слой (1) используют в качестве исходной заготовки в процессе изготовления лазерным формованием металла переходного слоя (11) аддитивной технологией в виде селективной лазерной плавки (SLM) внутри рабочей камеры с контролируемой атмосферой с получением в керамическом слое (1) выступающего металлического материала наполнителя, образующего элементы (20) зацепления.