燃气涡轮发动机的旋转部构成部件及其制造方法与流程

燃气涡轮发动机的旋转部构成部件及其制造方法
相关申请
1.本技术主张2020年11月20日提出的日本专利申请2020-193415的优先权，并通过参照将其整体引用为本技术的一部分。
技术领域
2.本发明涉及一种用于燃气涡轮发动机的构成旋转部的部件及其制造方法。


背景技术：

3.关于燃气涡轮发动机的构成旋转部的部件(旋转部构成部件)，例如涡轮动叶设置为在其与位于其外径侧的固定部件即护罩之间形成有微小的间隙。另外，通常涡轮动叶为金属制，会因露出于高温气体而发生热伸长。为了在这种情况下也使旋转部构成部件与护罩之间的间隙保持为适当的间隔，而要求旋转部构成部件的前端部具有能够利用与对象侧部件的滑动来磨削该对象侧部件的性质(研磨性)。
4.为了提高旋转部构成部件前端部的研磨性，提出了利用硬质颗粒涂覆该前端部的方案(例如，参照专利文献1)。作为对旋转部构成部件前端部涂覆硬质颗粒的方法，可以考虑如激光堆焊那样的定向能量沉积(directed energy deposition:ded)。对于激光堆焊而言，由于能够对施工位置进行精细的控制而具有如下优点：对于构成燃气涡轮的旋转部构成部件前端部的狭窄面也能够高精度地进行施工。通常，在利用激光堆焊来形成含有硬质颗粒的堆焊层的情况下，一边向旋转部构成部件的对象部位喷射硬质颗粒粉末和形成用于保持硬质颗粒的基体的金属材料的粉末一边照射激光。现有技术文献专利文献
5.专利文献1：国际公开第2004/052555号


技术实现要素：

(一)要解决的技术问题
6.但是，对于将硬质颗粒粉末和基体材料粉末一起进行堆焊的方法而言，难以使硬质颗粒仅在基体表面集中地分布，会在基体内部分布很多对研磨性没有帮助的硬质颗粒。此外，在上述的方法中，需要用于供给多种粉末的设备，并且需要对供给量的比例、时机等进行复杂的控制。因此，难以使旋转部构成部件前端的研磨性充分提高，并且在成本面方面会产生浪费。
7.为了解决上述问题，本发明的目的在于，以简单的方法并且低成本地提高用于燃气涡轮发动机的旋转部构成部件的研磨性。(二)技术方案
8.为了实现上述目的，本发明的旋转部构成部件构成燃气涡轮发动机的旋转部，具备：金属制的旋转部构成部件主体、以及硬质颗粒层，该硬质颗粒层由多个硬质颗粒和母材
构成，所述多个硬质颗粒由与形成所述旋转部构成部件主体的材料相比更硬的材料形成，所述母材保持所述硬质颗粒且仅由形成所述旋转部构成部件主体的材料形成，所述硬质颗粒层直接载置于所述旋转部构成部件主体的表面。
9.根据本结构，硬质颗粒以露出的状态载置于旋转部构成部件的表面，因此能够可靠地提高研磨性。另外，仅使用硬质颗粒作为旋转部构成部件的表面上的堆焊材料而简化了施工，并且能够大幅地减少对提高研磨性没有帮助的无用的硬质颗粒，因此提高了成本效率。
10.另外，本发明的旋转部构成部件的制造方法包含：形成金属制的旋转部构成部件；以及通过对所述旋转部构成部件主体的表面照射定向能量束并对照射了所述定向能量束的部分仅喷射由与形成所述旋转部构成部件主体的材料相比更硬的材料形成的硬质颗粒的粉末而形成硬质颗粒层，该硬质颗粒层由多个所述硬质颗粒和母材构成，所述母材保持所述硬质颗粒且仅由形成所述旋转部构成部件主体的材料形成。
11.根据本结构，使用所谓的定向能量沉积，从而当例如作为所述旋转部构成部件而在如涡轮动叶的前端部那样的狭窄面形成硬质颗粒层时，也能够高精度地进行施工。
12.在权利要求书和/或说明书和/或附图中公开的至少两个结构的任意组合均包含于本发明。尤其是权利要求书的各权利要求的两个以上的任意组合均包含于本发明。
附图说明
13.通过以下参照附图对优选实施方式的说明，可更加清楚地理解本发明。但是，实施方式和附图仅用于图示和说明，不应用于限定本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求书确定。附图的各图中的相同附图标记表示相同或相当的部分。图1是表示具备本发明一实施方式的旋转部构成部件的燃气涡轮发动机一例的纵向剖视图。图2是表示本发明一实施方式的旋转部构成部件即涡轮动叶的俯视图。图3是表示本发明一实施方式的旋转部构成部件的剖视图，示意地表示了沿着图2的iii-iii线的剖面。图4是将图3的硬质颗粒层的周围放大且示意地表示的剖视图。图5是将图4的硬质颗粒层的边缘周边放大且示意地表示的剖视图。图6是用于对计算本发明一实施方式的旋转部构成部件的硬质颗粒层中的埋没率的方法进行说明的示意剖视图。图7是用于对计算上述埋没率的方法进行说明的示意俯视图。图8是表示本发明一实施方式的ded装置的例子的概要图。
具体实施方式
14.以下参照附图对本发明的实施方式进行说明，但是本发明不限于该实施方式。
15.图1表示具备本发明一实施方式的旋转部构成部件1的燃气涡轮发动机(以下简称为燃气涡轮)gt。在燃气涡轮gt中，利用压缩机(未图示)将从外部导入的空气压缩并导向燃烧器3，在燃烧器3内使燃料与压缩的空气一起燃烧，并使所得高温高压的燃烧气体向涡轮5内供给来驱动涡轮5。
16.在涡轮5中，多个喷嘴(静叶)7和多个涡轮动叶11在轴心方向上交替相邻配置，所述多个涡轮动叶11配置于燃气涡轮gt的构成旋转部分的转子9的外周面。以下，主要将涡轮动叶11作为本实施方式的旋转部构成部件1的例子来进行说明。各涡轮动叶11的径向r外方被护罩(涡轮5机壳的一部分)13覆盖。也就是说，涡轮动叶11的径向r的前端部隔着微小的间隙与护罩13对置。
17.此外，在本说明书中，旋转部构成部件1即燃气涡轮发动机的构成旋转部分的部件不仅包含旋转侧部件(例如上述的涡轮动叶11、转子9)，也包含在径向上与旋转侧部件对置的固定侧部件(例如上述的护罩13)。除了以上例示的部件之外，在旋转部构成部件中例如还包括压缩机叶轮、转子或者迷宫式密封件。
18.此外，在本说明书中，“径向r”及“周向q”分别表示以旋转部构成部件1的旋转轴心c为基准的径向及周向。
19.如图2所示，涡轮动叶11作为整体具有以向周向q的一方鼓出的方式弯曲的形状。如图3所示，本实施方式的旋转部构成部件1即涡轮动叶11具备：金属制的旋转部构成部件主体15、以及由后述的多个硬质颗粒16和母材20构成的硬质颗粒层17。硬质颗粒层17在旋转部构成部件主体15的径向r的前端部15a的表面(以下简称为“前端面”)19上形成。更具体而言，如图2所示，涡轮动叶11的前端部15a形成为，其中央部分15aa向径向r内侧凹陷一定量，并且对应于该凹陷的程度，该中央部分15aa的缘部15ab向径向r外侧突出一定量。图3所示的硬质颗粒层17在前端部15a的缘部15ab的表面19上形成。
20.在本说明书中，“硬质颗粒”是指：由与形成载置该硬质颗粒的旋转部构成部件主体15的材料相比更硬的材料形成的颗粒。此外，该硬质颗粒16相对于形成与旋转部构成部件1的前端部15a对置的部件(在本例中是图1所示的护罩13)的材料而言也更硬。
21.这样，通过在旋转体构成部件1的表面设置硬质颗粒层17，从而提高旋转体构成部件1的研磨性。为了更高效地提高旋转体部件1的研磨性，硬质颗粒层17中的硬质颗粒16的表面占有率例如优选为55％以上，更优选为65％以上。这里的“表面占有率”是指：硬质颗粒16的露出于外部的面积相对于硬质颗粒层17的总表面积的比例。
22.在本实施方式中，包含于硬质颗粒层17的多个硬质颗粒16由单一种类的材料形成。通过这样构成可简化施工。具体而言，不使用旋转部构成部件主体15和由单一种类的材料构成的硬质颗粒16以外的堆焊材料，因此当进行堆焊施工时，不需要用于供给多种粉末的设备，并且也不需要对供给量的比例、时机等进行复杂的控制。另外，也可以在硬质颗粒层17中包含由不同的材料形成的多种硬质颗粒。
23.另外，在本说明书中，一般将如图4所示那样存在于硬质颗粒16周围并保持硬质颗粒16且与该硬质颗粒不同的材料称为“母材20”。在本实施方式中，仅由形成旋转部构成部件主体15的材料形成母材20。此外，在本实施方式中，旋转部构成部件主体15的材料即母材是镍(ni)基的耐热合金，旋转部构成部件主体15通过铸造形成。形成硬质颗粒的材料是立方晶氮化硼(cbn)。
24.此外，即使在硬质颗粒层17中包含由不同的材料形成的多种硬质颗粒，当其中的特定种类的颗粒是为了保持其他种类的颗粒而设置时，该特定种类的颗粒是本说明书中所说的“母材”(但此时不属于“仅由形成旋转部构成部件主体的材料形成的母材”)，而不属于“硬质颗粒”。
25.此外，旋转部构成部件1的材料以及形成硬质颗粒16的材料不限于上述的例子。作为旋转部构成部件主体15的材料，例如能够使用钛(ti)基合金、钴(co)基合金、铁(fe)基合金等。另外，旋转部构成部件主体15的制造方法不限于铸造。作为硬质颗粒16的材料，例如能够使用碳化钛(tic)、碳化硅(sic)、碳化钨(wc)、碳化铌(nbc)、碳化铬(cr3c2)等。
26.更具体而言，硬质颗粒层17直接载置于旋转部构成部件主体15的前端面19。在本说明书中，“直接”载置是指：为了保持硬质颗粒16而作为母材20不使用形成旋转部构成部件主体15的材料以外的堆焊材料，硬质颗粒层17以接触状态载置于前端面19。
27.换言之，旋转部构成部件主体15中的与硬质颗粒层17邻接的部分(在该例中是前端部15a)与硬质颗粒层17的母材20为一体，该旋转部构成部件主体15中的与硬质颗粒层17邻接的部分由与旋转部构成部件主体15的主体部(除了前端部15a以外的部分)15b相同的材料形成，并且，该前端部15a的周缘部15ab(侧面)具有从主体部15b连续的表面状态，并具有从主体部15b连续的形状。在本说明书中，“从主体部15b连续的表面状态”是指：在前端部15a与主体部15b之间没有如接缝那样的不连续的部分，并且光泽及表面粗度相同。例如，当仅在前端部15a磨削侧面时，不属于“从主体部15b连续的表面状态”。另外，在本说明书中，“从主体部15b连续的形状”是指：剖视的表面的直线状态或者曲线状态从主体部15b到前端部15a圆滑地连续。例如，当具有仅前端部15a向侧方鼓出的形状时，不属于“从主体部15b连续的形状”。
28.另外，在本实施方式中，俯视来看(径向r视角)，硬质颗粒层17在旋转部构成部件主体15的前端部15a的区域内形成。
29.这样，对于本实施方式的旋转部构成部件1而言，由于不使用旋转部构成部件主体15及硬质颗粒16以外的堆焊材料，因此能够避免堆焊部分从旋转部构成部件主体15向侧方鼓出。另外，能够抑制堆焊部分向前端侧鼓出。由此，能够以接近设计规格的形状、尺寸来使用旋转部构成部件1，容易确保所用燃气涡轮gt的性能。
30.此外，从空气力学的观点出发，图5所示的、硬质颗粒层17的边缘角度(硬质颗粒层的最前端部的侧面与前端面所成的角度)α优选为90
°
以上且接近90
°
的角度。具体而言，边缘角度α例如优选为150
°
以下，更优选为135
°
以下。
31.在本实施方式的旋转部构成部件1中，硬质颗粒16的埋没率小于100％且为70％以上。在本说明书中，硬质颗粒16的“埋没率”是指：在硬质颗粒层17的剖面中，硬质颗粒16的埋没于母材20的部分的长度的比例。即，在图6所示的硬质颗粒层17的剖面中，将硬质颗粒16从母材表面20a突出的部分的、垂直于母材表面20a的方向的长度(以下称为“突出部长度”)设为lp，并将埋没于硬质颗粒的母材20内的部分的、垂直于母材表面的方向的长度(以下称为“埋没部长度”)设为lb，此时用lb/(lp+lb)来计算个别的硬质颗粒16的埋没率(以下称为“个别埋没率”)。在本实施方式中，将从旋转部构成部件1如以下说明的那样提取的试样中所包含的硬质颗粒16的个别埋没率的平均值设为“埋没率”，以该值小于100％且为70％以上的方式进行设定。
32.如图7所示，测量埋没率的旋转部构成部件1的剖面s设定为如下的剖面，即：沿着硬质颗粒层17的施工方向x即沿着当进行后述的施工时使粉体喷射嘴移动的方向，并且在母材表面20a的宽度方向(与施工方向x正交的方向)的中央与母材表面20a垂直地剖切的剖面。上述施工方向x典型地是旋转部构成部件1的俯视的长度方向。将该剖面中存在的全部
硬质颗粒16的个别埋没率的平均值设为埋没率。但是，对于在剖面s中观察的粒径极小的颗粒而言，实际上是颗粒的端部的可能性较高，因此为了提高埋没率的精度而从平均值的计算对象中排除。
33.通过使埋没率为70％以上，从而利用母材20更可靠地保持硬质颗粒16，能够抑制旋转部构成部件1与对象侧部件滑动接触时的硬质颗粒16的脱落。尤其是，通过使埋没率的值为70％并且上如上述那样使表面占有率成为55％以上，从而能够长期维持较高的研磨性。此外，埋没率的更优选的范围是80％以上且95％以下，进一步优选为85％以上且90％以下。另外，埋没率也可以小于70％。
34.在本实施方式中，硬质颗粒层17利用定向能量沉积(以下记载为“ded”)形成于旋转部构成部件主体15的前端面19。具体而言，在本实施方式中，通过作为定向能量而使用激光的激光堆焊来进行施工。如图8所示，从ded装置21的喷嘴23朝向作为母材的旋转部构成部件主体15的前端部15a照射激光25，并且向照射了激光25的部分喷射硬质颗粒的粉末27。
35.在本实施方式中使用的ded装置21具备：在中央部配置的定向能量束(在本例中是激光)照射器(未图示)、以及粉体喷射嘴(所述喷嘴23)，该粉体喷射嘴在定向能量束照射器的周围呈同心状配置且具有圆环状的切口。粉体喷射嘴也可以是在定向能量束照射器的周围呈同心状且具有等间隔配置的多个孔的喷嘴。通过使用这样的装置，能够以简单的结构进行设置硬质颗粒层的施工。另外，利用ded的具体的施工方式不限于图示的例子，也可以是通常使用的其他施工方式。
36.使用ded能够在如涡轮动叶11的前端面19那样的狭窄的宽度范围(例如0.3mm～3mm的程度)高精度地进行堆焊施工。由此，能够如上述那样，俯视来看(径向r视角)，在旋转部构成部件主体15的前端部15a的区域内形成硬质颗粒层17自身。
37.此外，对于形成硬质颗粒层17的方法而言，由于能够在涡轮动叶11的前端面19局部地高精度地进行堆焊施工而优选上述的ded，但只要是能够以与ded相同程度或更高的精度形成的方法，则也可以是ded以外的方法。
38.另外，由于能够容易地进行上述的高精度的施工，因此优选硬质颗粒16的粒径比施工部分的宽度幅尺寸小。
39.此外，也可以在形成硬质颗粒层17的旋转部构成部件主体15的前端部15a存在实施了耐氧化处理等表面处理的层。在这种情况下，可以在对旋转部构成部件主体15的前端部15a实施了表面处理之后利用ded形成硬质颗粒层17，也可以在形成了硬化颗粒层17后实施表面处理。
40.另外，硬质颗粒层17也可以在对旋转部构成部件主体15的损伤部分实施了修补之后形成。
41.如上所述，根据本实施方式的旋转部构成部件1及其制造方法，在旋转部构成部件1的前端部15a表面以露出的状态载置硬质颗粒，因此能够可靠地提高研磨性。
42.此外，能够大幅地减少对提高研磨性没有帮助的无用的硬质颗粒，因此提高了成本效率。
43.如上所述，参照附图对本发明的优选实施方式进行了说明，但是在不脱离本发明宗旨的范围内可以进行各种追加、变更或者删除。因此，这样的方式也包含在本发明的范围内。
附图标记说明
44.1-旋转部构成部件；11-涡轮动叶；15-旋转部构成部件主体；16-硬质颗粒；17-硬质颗粒层；20-母材；21-ded装置；25-激光(定向能量束)；gt-燃气涡轮发动机。

技术特征：
1.一种旋转部构成部件，构成燃气涡轮发动机的旋转部，具备：金属制的旋转部构成部件主体、以及硬质颗粒层，所述硬质颗粒层由多个硬质颗粒和母材构成，所述多个硬质颗粒由与形成所述旋转部构成部件主体的材料相比更硬的材料形成，所述母材保持所述硬质颗粒且仅由形成所述旋转部构成部件主体的材料形成，所述硬质颗粒层直接载置于所述旋转部构成部件主体的表面。2.根据权利要求1所述的旋转部构成部件，其特征在于，通过对所述旋转部构成部件主体的表面照射定向能量束并对照射了所述定向能量束的部分喷射所述硬质颗粒的粉末而形成所述硬质颗粒层。3.根据权利要求1或2所述的旋转部构成部件，其特征在于，所述硬质颗粒层仅包含由单一种类的材料形成的所述硬质颗粒。4.根据权利要求1至3的任一项所述的旋转部构成部件，其特征在于，具有：所述旋转部构成部件主体中的与所述硬质颗粒层邻接的部分和其他部分连续的表面状态及连续的形状。5.根据权利要求1至4的任一项所述的旋转部构成部件，其特征在于，由径向来看，所述硬质颗粒层形成于所述旋转部构成部件主体中的与所述硬质颗粒层邻接的部分的区域内。6.根据权利要求1至5的任一项所述的旋转部构成部件，其特征在于，该旋转部构成部件是涡轮动叶。7.根据权利要求1至6的任一项所述的旋转部构成部件，其特征在于，在所述硬质颗粒层的剖面中，所述硬质颗粒的埋没于所述母材的部分的长度的比例即埋没率小于100％且为70％以上。8.根据权利要求1至7的任一项所述的旋转部构成部件，其特征在于，所述硬质颗粒层中的所述硬质颗粒的表面占有率为55％以上。9.一种旋转部构成部件的制造方法，制造燃气涡轮发动机的构成旋转部的部件，该方法包含：形成金属制的旋转部构成部件；以及通过对所述旋转部构成部件主体的表面照射定向能量束并对照射了所述定向能量束的部分仅喷射由与形成所述旋转部构成部件主体的材料相比更硬的材料形成的硬质颗粒的粉末而形成硬质颗粒层，该硬质颗粒层由多个所述硬质颗粒和母材构成，所述母材保持所述硬质颗粒且仅由形成所述旋转部构成部件主体的材料形成。10.根据权利要求9所述的旋转部构成部件的制造方法，其特征在于，利用定向能量沉积施工装置来进行所述定向能量束的照射和所述硬质颗粒的喷射，所述定向能量沉积施工装置具备：在中央部配置的定向能量束照射器、以及在所述定向能量束照射器的周围呈同心状配置且具有圆环状的切口或者多个孔的粉体喷射嘴。

技术总结
在燃气涡轮(GT)发动机的构成部件即旋转部构成部件(1)中，设置有：金属制的旋转部构成部件主体(15)、以及硬质颗粒层(17)，硬质颗粒层(17)由多个硬质颗粒(16)和母材(20)构成，所述多个硬质颗粒(16)由与形成所述旋转部构成部件主体(15)的材料相比更硬的材料形成。所述母材(20)仅由形成旋转部构成部件主体(15)的材料形成。所述硬质颗粒层(17)直接载置于所述旋转部构成部件主体(15)的表面。旋转部构成部件主体(15)的表面。旋转部构成部件主体(15)的表面。


技术研发人员：佐藤贵克 森桥辽 辻敏郎 泷博资 藤光利茂
受保护的技术使用者：川崎重工业株式会社
技术研发日：2021.11.15
技术公布日：2023/9/22