СОЕДИНЕНИЕ ЛАЗЕРОМ CMC-СЛОЕВ
LASER COUPLING OF CMC LAYERS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к компонентам газовых турбин, образованным посредством соединения пакета слоев из композита с керамической матрицей (CMC-слоев) и, более конкретно, к способу соединения таких CMC-слоев керамическим покрытием, аддитивно осаждаемым на пакет.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Экономические и экологические требования приводят ко все большему повышению эффективности электростанций комбинированного цикла с надстроечными циклами газотурбинных двигателей. Для достижения этой эффективности, цикл газовой турбины должен работать при температурах вплоть до 1600-1800 градусов Цельсия на входе в турбину. При этих температурах достигаются эксплуатационные пределы материалов, и/или требования к потокам охлаждения повышаются настолько, что это сводит на нет преимущества от больших температур на входе. Одна технология, которая использовалась для решения этой проблемы, состояла в использовании композитов с керамической матрицей (ceramic matrix composite material - CMC) для поверхностей тракта горячих газов, таких как лопатки или лопасти турбин, и т.д. Примером пригодного класса материалов является класс композитов «оксид-оксид». Монолитная конструкция из таких материалов является проблематичной, и создания компонента было предложено использовать пакетированные CMC-слои. Патент США № 7,247,003 за авторством Burke и др. раскрывает такую структуру. Однако одна из проблем, связанных с такой конструкцией, состоит в том, что CMC-слои не связаны друг с другом, а вместо этого прикреплены болтами к металлической подложке. Очень большие тепловые нагрузки как на стороне нагнетания, так и на стороне всасывания, могут привести к структурным повреждениям металлической подложки в этой конфигурации. Дополнительно к структурным требованиям, CMC-пакеты могут иметь трудности со сцеплением с верхним покрытием, причем верхним покрытием может быть, например, керамическое покрытие, создающее термический барьер (ceramic thermal barrier coating - TBC). Соответственно, остается простор для улучшения предшествующего уровня техники.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Настоящее изобретение будет объяснено в нижеследующем описании ввиду чертежей, которые показывают:
Фиг. 1 является изображением в перспективе иллюстративного варианта осуществления компонента газовой турбины, образованного из CMC-пакета и керамического покрытия, нанесенного на него.
Фиг. 2 является сечением керамического покрытия фиг. 1 по линии 2-2, показанным после нанесения верхнего покрытия.
Фиг. 3 является изображением в перспективе альтернативного иллюстративного варианта осуществления компонента газовой турбины.
Фиг. 4 является схематичным изображением стыка между смежными CMC-слоями.
Фиг. 5 схематично показывает способ образования керамического покрытия фиг. 1.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Авторы настоящего изобретения изобрели инновационную слоистую CMC-структуру, которая обеспечивает улучшенную структурную целостность, улучшенное уплотнение между слоями, и улучшенное сцепление с любым наносимым верхним слоем. Предлагаемая структура включает в себя керамическое покрытие, аддитивно образованное на CMC-пакете. Керамическое покрытие может быть нанесено таким образом, чтобы оно связывало по меньшей мере два смежных CMC-слоя друг с другом. Оно может быть также нанесено таким образом, чтобы оно образовало поднятую структуру, которая будет увеличивать сцепление с верхним слоем. Керамическое покрытие может быть единственным способом связывания CMC-слоев друг с другом, и керамическое покрытие может образовывать газонепроницаемое уплотнение таким образом, чтобы газообразные продукты горения не проходили между CMC-слоями. Альтернативно, CMC-слои могут быть также связаны вместе и уплотнены с использованием общепринятого средства, например, с использованием связующего вещества, таким образом, чтобы стык между смежными CMC-слоями мог быть связан и уплотнен с использованием комбинации одного или нескольких керамических покрытий и связующего вещества. Авторы изобретения также изобрели способ нанесения керамического покрытия с использованием лазерного луча для нагревания и плавления керамического порошка для образования керамического покрытия посредством аддитивного производственного процесса.
Известен способ плавления края единственного CMC-слоя, раскрытый в патентной публикации США № 2007/0075455 за авторством Marini и др. Однако Marini раскрывает только уплотнение свободного края единственного слоя для улучшения износостойкости или твердости, и это обеспечивает гладкое покрытие/ слой. Способ, раскрытый здесь, связывает множественные CMC-слои вместе вдоль их примыкающих краев керамическим покрытием, которое может быть более шероховатым и, таким образом, более приспособленным для сцепления с верхним слоем, чем гладкое покрытие Mariana. При использовании здесь, каждый CMC-слой перед началом любой операции связывания является дискретной структурой. Другими словами, в то время как каждый CMC-слой может включать в себя полимерный материал в качестве части своей композиции, примыкающие CMC-слои не связываются вместе материалом матрицы, которая может присутствовать в любом отдельном CMC-слое. Соответственно, в то время как CMC-слой сам по себе может быть слоистым материалом в том отношении, что он может включать в себя слои с волокнами, связанные вместе полимерным материалом, каждый CMC-слой считается здесь единственным, дискретным CMC-слоем.
Фиг. 1 показывает изображение иллюстративного варианта осуществления компонента 10 газовой турбины, образованного из CMC-пакета 12 и керамического покрытия 14, нанесенного на него. CMC-пакет 12 включает в себя множество CMC-слоев 16, таких как композит «оксид-оксид». В этом иллюстративном варианте осуществления, каждый CMC-слой 16 обеспечен в форме слоя 18 участка 20 аэродинамического профиля компонента 10, причем компонент 10 может быть лопаткой или лопастью газотурбинного двигателя. Также обеспечен металлический сердечник 30. В этом иллюстративном варианте осуществления, металлический сердечник 30 является частично полым и имеет полости, которые могут функционировать в качестве каналов охлаждения. В этой конфигурации, CMC-слои 16 CMC-пакета 12 защищают металлический сердечник 30 от газообразных продуктов горения, в то время как металлический сердечник 30 обеспечивает прочность для компонента 10. Однако это не значит, что настоящее раскрытие ограничено такой конкретной структурой, и идеи настоящего раскрытия могут иметь более широкое применение, как будет понятно специалистам в данной области техники.
Керамическое покрытие 14 обеспечено в форме валика, который связывает смежные CMC-слои 32 вместе, подобно краевому наплавленному валику сварного шва. Смежные CMC-слои 32 определяют стык 34 между ними (например, область, определяемую примыкающими поверхностями), имеющий периметр 36. Керамическое покрытие 14 может продолжаться вдоль части периметра 36, или оно может продолжаться вдоль всего периметра 36. Различные варианты осуществления CMC-пакета 12 могут включать в себя керамические покрытия 14, которые продолжаются вдоль части периметра 36, керамические покрытия 14, которые продолжаются вдоль всего периметра 36, или их комбинацию. Выбор полного или частичного продолжения керамического покрытия 14 и/или использования связующего вещества между смежными CMC-слоями 32 может быть основан на требуемой/ заданной механической характеристике конечного компонента 10. Например, частичное краевое связывание керамическим покрытием 14 обеспечивает некоторую гибкость в пределах структуры, тогда как связующее вещество само по себе или связующее вещество и краевое связывание могут обеспечить более прочную/ менее гибкую структуру. Любая комбинация краевого связывания, соединения связующим веществом и/или болтами может быть использована для обеспечения требуемой механической характеристики в компоненте 10.
Кроме того, пористостью керамического покрытия 14 можно управлять посредством управления процессом осаждения таким образом, чтобы она составляла приблизительно от сорока до девяноста процентов, для обеспечения требуемой механической характеристики, включающей в себя, например, проницаемость и жесткость. При образовании в виде непроницаемого (газонепроницаемого) керамического покрытия, и при образовании между смежными CMC-слоями 32, керамическое покрытие 14 уплотняет смежные CMC-слои 32 таким образом, что газообразные продукты горения не могут пройти между ними и достичь металлического сердечника 30. Пористость керамического покрытия 14 также управляет модулем упругости (жесткости) керамического покрытия 14. Допустимая деформация керамического покрытия 14 связана с модулем упругости. Таким образом, управление пористостью может обеспечить управление жесткостью керамического покрытия, а также управление допустимой деформацией. Соответственно, если требуется деформируемая связь (крепление) между смежными CMC-слоями, то керамическое покрытие 14 может быть выполнено более пористым. Альтернативно, если предпочтительна жесткая связь, то керамическое покрытие 14 может быть выполнено менее пористым. Механическими характеристиками можно управлять таким образом, чтобы они были однородными по всему керамическому покрытию 14, или таким образом, чтобы они локально изменялись от одного керамического покрытия 14 к другому, или в пределах данного керамического покрытия 14, при необходимости.
Фиг. 2 является сечением по линии 2-2 керамического покрытия 14 фиг. 1, к которому добавлен верхний слой 38. Керамическое покрытие 14 образует валик, который соединяет углы 40 смежных CMC-слоев 32, в результате чего между ними образуется уплотнение 42, которое предотвращает прохождение газообразных продуктов горения через стык 34. Керамическое покрытие 14 поднято относительно поверхности 44 компонента 10, образованной краевыми поверхностями 46 соответствующих CMC-слоев 16. Соответственно, в иллюстративном варианте осуществления, керамическое покрытие не покрывает всю краевую поверхность 46. Если керамическое покрытие 14 образовано на обоих углах одной краевой поверхности 46, то все же может существовать остаток 48 краевой поверхности 46, и, следовательно, остаток поверхности 44, который не покрыт керамическим покрытием 14. Поднятая природа керамического покрытия 14 относительно поверхности 44 обеспечивает большую площадь поверхности, которая увеличивает сцепление для верхнего слоя 38. Керамическое покрытие 14 может быть также отформовано таким образом, чтобы оно включало в себя признаки, которые могут лучше сцепляться с верхним слоем 38, такие как канавки, выступы, и т.д. Они, в свою очередь, улучшают срок службы конструкции и устойчивость против растрескивания верхнего слоя 38.
Фиг. 3 является изображением альтернативного иллюстративного варианта осуществления, где керамическое покрытие 14' образует некоторый рисунок на поверхности 44 компонента. Керамическое покрытие 14' связано с соответствующими краевыми поверхностями 46 по меньшей мере двух смежных CMC-слоев 32, и поскольку оно простирается на соответствующий стык 34, керамическое покрытие 14' скрепляет смежные CMC-слои 32 друг с другом. Как и выше, механическими характеристиками можно управлять, при необходимости, в пределах рисунка для создания заданных механических характеристик. Например, по направлению к выходной кромке 50, керамическое покрытие 14' может быть нанесено таким образом, чтобы оно было более частым, и, следовательно, более жестким, для обеспечения структурной целостности. По направлению к входной кромке 52, керамическое покрытие 14' может быть более пористым и гибким, в результате чего увеличивается его способность поглощать удары, в результате чего уменьшается опасность повреждения посторонними предметами (foreign object damage - FOD). В другом примере, керамическое покрытие 14' может быть образовано таким образом, чтобы оно было газонепроницаемым, но все же достаточно пористым для того, чтобы допускать малую деформацию CMC-пакета 12 вблизи металлического сердечника 30, что при наличии обеспечивает предельную структурную устойчивость.
В то время как показан перекрещивающийся рисунок, может быть использован любой рисунок, как будет понятно специалистам в данной области техники. Например, валики рисунка могут быть расположены ближе друг к другу там, где требуется большее сцепление с верхним слоем. Подобным образом, высотой, шириной, отношением размеров (например, от 3:1 до 5:1 в терминах отношения высоты/ толщины к ширине), формой поперечного сечения, и шероховатостью поверхности керамического покрытия 14, 14' можно также локально управлять для обеспечения требуемого равновесия структурной целостности, гибкости, и сцепления с верхним слоем.
Фиг. 4 является схематичным изображением смежных CMC-слоев 32 и стыка 34 между смежными CMC-слоями 32. Стык 34 определяется областью между смежными CMC-слоями 32, сходной с областью примыкания. Отверстия 60 в CMC-слоях 16 принимают металлический сердечник 30 (не показан), и стык 34 находится между газообразными продуктами горения, находящимися за пределами CMC-пакета, и отверстиями 60. Таким образом, стык 34 может быть уплотнен для предотвращения проникновения газообразных продуктов горения между CMC-слоями 16 таким образом, чтобы газообразные продукты горения не достигали отверстий 60 и находящегося в них металлического сердечника 30. Уплотнение может быть обеспечено посредством образования керамического покрытия 14 вокруг всего периметра 36 стыка 34. Альтернативно, уплотнение может быть обеспечено посредством объединения одного или нескольких керамических покрытий 14 со связующим веществом 62 таким образом, чтобы было обеспечено непрерывное уплотнение по периметру 36.
Связующее вещество 62 может допускать малые относительные перемещения между смежными CMC-слоями 32 по месту нанесения. Керамическое покрытие 14 скрепляет края 40 смежных CMC-слоев 32, но не продолжается в стык 34, и, таким образом, может допускать большие относительные перемещения между смежными CMC-слоями 32. Соответственно, стык 34 может быть выполнен с возможностью управления локальным относительным перемещением в пределах каждого стыка 34 в зависимости от конструктивных требований.
Фиг. 5 схематично показывает иллюстративный вариант осуществления способа образования керамического покрытия 14, 14' и, в частности, керамического покрытия 14 фиг. 1. В этом иллюстративном варианте осуществления, керамическое покрытие образуют посредством прохождения луча 70 энергии, излучаемого из источника 72 луча энергии, такого как лазер, для плавления керамического материала. Расплавленный керамический материал затем охлаждают для образования керамического покрытия 14. Источник 72 луча энергии может быть зеленой лазерной системой с длиной волны, равной 512 нм, и может генерировать лазерный луч с размером пятна, приблизительно равным пятидесяти микронам.
Этот процесс может быть автогенным в отношении того, что керамика, которая плавится, может быть керамикой из CMC-слоев 16. Альтернативно или дополнительно, керамический порошок 74 может быть использован в качестве заполнителя и может быть предварительно размещен на поверхности 44 там, где должно быть образовано керамическое покрытие 14. Керамический порошок 74 может включать в себя частицы размером от одного (1) микрона и больше. Альтернативно или дополнительно, керамический порошок 74 может быть подан на местоположение 76 процесса посредством потока 78 керамического порошка, доставляемого из источника 80 керамического порошка через трубку 82 доставки. Другие варианты осуществления могут использовать пасту, ленту или полоску для обеспечения керамического материала-заполнителя для керамического покрытия. Керамика, подлежащая плавлению, либо часть CMC-слоев 16, либо отдельный материал-заполнитель, могут быть полупрозрачными или непрозрачными для выбранного луча 70 энергии для захвата тепловой энергии. Материал-заполнитель может быть обеспечен со связующим материалом или без него.
Процесс образования керамического покрытия 14 может быть итерационным. В таком иллюстративном варианте осуществления, керамическое покрытие 14 может быть создано послойно, причем каждый слой создают посредством плавления керамики способом, раскрытым выше. Каждый слой может иметь толщину от десяти (10) микрон до двух (2) миллиметров. Компонент 10 может быть расположен в слое керамического порошка (не показан), соответствующий слой может быть образован, компонент может быть опущен, и следующий слой может быть образован на ранее образованном слое. Такой процесс может обеспечить одномерные (1D) отпечатки (керамическое покрытие 14), двумерные (2D) отпечатки (керамическое покрытие 14'), и трехмерные (3D) керамические покрытия, что означает, что в сечении фиг. 2, форма поперечного сечения керамического покрытия 14 может быть выполнена, при необходимости, с возможностью лучшего сцепления верхнего слоя 38 с CMC-пакетом 12, например, с использованием выступов и вырезов.
Инновационный компонент и способ, предлагаемые здесь, обеспечивают изготовление компонентов газовых турбин, имеющих улучшенную структурную целостность и сцепление с верхним слоем. Эти улучшения могут быть обеспечены локально между смежными CMC-слоями, а также локально в областях компонента, простирающихся на многие CMC-слои, в результате чего увеличивается гибкость конструкции. Соответственно, это обеспечивает значительное улучшение по сравнению с предшествующим уровнем техники.
В то время как здесь были показаны и описаны различные варианты осуществления настоящего изобретения, очевидно, что такие варианты осуществления обеспечены только в качестве примера. Многочисленные варианты, изменения и замены могут быть реализованы, не выходя за рамки изобретения, раскрытого здесь. Соответственно предполагается, что настоящее изобретение ограничено только сущностью и объемом прилагаемой формулы изобретения.