申请/专利权人：赛峰航空器发动机;国家科学研究中心;保罗·萨巴提亚-图卢兹大学III

申请日：2016-12-13

公开（公告）日：2021-02-23

公开（公告）号：CN108367360B

主分类号：B22F7/06(20060101)

分类号：B22F7/06(20060101);C23C24/08(20060101);F01D11/12(20060101);B22F3/105(20060101)

优先权：["20151214 FR 1562318"]

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.02.23#授权;2018.12.28#实质审查的生效;2018.08.03#公开

摘要：公开了一种制造具有不同密度的耐磨损涂层的方法和一种具有这种不同密度的该类型的耐磨损涂层。根据本发明，该方法包括以下步骤：提供具有第一部分和第二部分的基板32，所述第一部分的表面位于第一水平处A，所述第二部分的表面位于与第一水平不同的第二水平B处；将前体材料应用到基板32的第一和第二部分；压缩基板和支承表面之间的前体材料；以及烧结所压缩的前体材料以获得耐磨损涂层36，所述耐磨损涂层36包括第一区域36a和第二区域36b，所述第一区域面朝基板的第一部分，并具有第一密度，所述第二区域面朝基板的第二部分，并具有不同于第一密度的第二密度。

主权项：1.一种不同密度的耐磨损涂层的制造方法，该方法包括以下步骤：提供一基板32，该基板具有第一部分33和第二部分34，所述第一部分的表面33s位于第一水平A，所述第二部分的表面34s位于与所述第一水平不同的第二水平B；将一前体材料35沉积在所述基板32的第一和第二部分33，34上；将所述前体材料35在所述基板32与一支承表面42之间压缩；和烧结以这种方式压缩的所述前体材料35，以获得一耐磨损涂层36，该耐磨损涂层36在所述基板32的第一部分33上具有一第一部分36a，在所述基板32的第二部分34上具有一第二部分36b，所述第一部分36a具有第一密度，所述第二部分36b具有与所述第一密度不同的第二密度。

全文数据：具有可变密度的耐磨损涂层技术领域[0001]本公开涉及一种制造密度不同的耐磨损涂层的方法，并且还涉及密度不同的这种耐磨损涂层。[0002]例如，这种耐磨损涂层可以特别用于装配到一旋转机器的环上，以为机器提供在旋转叶片的尖端处的密封。这种耐磨涂层特别适用于安装到航空领域的涡轮环，尤其适用于安装到飞机涡轮喷气发动机。背景技术[0003]在许多旋转机器中，现在的做法是为定子环提供面对转子叶片尖端的耐磨损轨道。这种轨道使用所称的“耐磨损”材料制成，在与旋转叶片接触时，比叶片更容易磨损。这确保了转子与定子之间的最小间隙，由此改善了旋转机器的性能，而不存在在它们摩擦定子时损坏叶片的风险。相反，这种摩擦磨损耐磨损轨道，从而自动地将定子环的直径自动地非常靠近地与转子相匹配。因此这种耐磨损轨道通常在涡轮发动机的压缩机中放置。[0004]相比之下，它们在这类机器的涡轮中，特别是在物理化学条件极端的高压涡轮中，更少使用。[0005]具体而言，来自燃烧室的燃烧气体以非常高的温度和压力水平下渗入高压涡轮中，由此导致传统耐摩损轨道的过早侵蚀。[0006]在这种情况下，为了保护涡轮环，通常优选为其提供热障型涂层的材料，该材料用于保护该环免受侵蚀和腐蚀，同时呈现出密度对于待有效耐磨的涂层而言过大。[0007]然而，自然可以理解的是，在这种情况下，在与定子接触的情况下不再确保叶片的完整性，这意味着需要在转子与定子之间提供更大的间隙，从而增加通过叶片尖端的泄漏速度，因此降低了涡轮的性能。[0008]因此真正需要一种制造耐磨涂层和用于这种耐磨涂层的方法，其至少部分地避免上述已知构造固有的缺点。发明内容[0009]本公开提供了一种用于不同密度的耐磨损涂层的制造方法，该方法包括以下步骤:提供具有第一部分和第二部分的基板，所述第一部分具有位于第一水平上的其表面，所述第二部分具有位于不同于第一水平的第二水平处的其表面;在基板的第一和第二部分上沉积前体材料;压缩在基板与支承表面之间的前体材料；以及烧结以这种方式压缩的前体材料，以获得耐磨损涂层，所述耐磨损涂层在基板的第一部分上具有第一部分和具有第一密度，并且在基板的第二部分上具有第二部分和具有与第一密度不同的第二种密度。[0010]这种方法使得可获得不同密度的涂层。具体而言，由于基板的第一部分与第二部分之间的水平差，当基板在初始状态下更接近支承表面时，在压缩步骤期间可用的体积减小量更大:例如，假设第二水平比第一水平更大，因此位于基板的第一部分之上的前体材料的部分比位于基板的第二部分之上的前体材料的部分更多地被压缩。因此在这部分前体材料中存在更大的压力，从而导致烧结后材料的密度更大。[0011]相反，在前体材料的第二部分中，由于压缩较小，所以材料的孔隙率降低并且因此致密化同样较小。在本公开中，术语“孔隙度”用于表示所述材料的晶粒之间的间隙空间的体积除以所述材料的总体积的比率。而且，在本公开中，应当理解的是，基板的第一部分和第二部分，例如耐磨损涂层的第一部分和第二部分，具有相当大的尺寸，以能够执行它们所针对的功能。因此，如从图中可以看出的那样，基板的每个部分以及因此耐磨损涂层的每个部分均具有大于2毫米mm，优选地大于5mm，的宽度和因此更大的长度。[0012]在这种情况下，借助这种方法，可以局部调节涂层的最终孔隙率，从而调节密度，以满足局部不同的要求或限制。例如，可以向对于侵蚀敏感的涂层区域提供高密度，并且向移动体接触的涂层区域提供较低的密度，由此增强这些区域的易磨损性质。而且，可设置第一涂层部分，即密度较大的部分，以便掩蔽并因此保护密度较低的第二涂层部分。[0013]在某些实现方式中，基板的第二部分通过在基板的坯件中机加工至少一个凹槽而获得。这样的双层基板因此容易制造，因为它足以制造规则的坯件，并且然后仅在所需的位置处在坯件中加工凹槽。[0014]在其他实施方式中，基板的第一部分通过在用于基板的坯件上添加至少一个低壁获得。该方法特别适用于修复不足以加工凹槽的现有厚度部分。[0015]在某些实现方式中，通过烧结，特别是通过放电等离子体烧结SPS类型的烧结方法，低壁在用于基板的坯件上被直接制造。[0016]在其他实施方式中，低壁独立制造，并且通过焊接或钎焊来安装。特别是，它可以通过钨惰性气体TIG型焊接方法来安装。[0017]在某些实现方式中，轴承表面是连续的。应该理解的是，轴承表面没有任何不连续性，例如台阶或任何其他水平的突然改变。[0018]在某些实现方式中，支承表面是直线的，至少沿着横向于基板的第一和第二部分延伸的。因此存在一均穿过基板的第一部分和第二部分的截面，并且其中轴承表面是直线的。[0019]在某些实现方式中，支承表面呈圆柱体的扇形的形式，优选地圆柱体的扇形体的形式。[0020]在某些实现方式中，支承表面是成型模具的表面。[0021]在某些实现方式中，耐摩损涂层的第一部分具有小于15%的最终孔隙率，优选小于5%。因此涂层的第一部分具有足够高的密度以耐受腐蚀。[0022]在某些实现方式中，耐摩损涂层的第二部分具有大于20%，优选大于30%，的最终孔隙率。因此涂层的第二部分具有足够低的密度以呈现易耐磨损的行为。[0023]在某些实现方式中，耐摩损涂层的第一部分在压缩和烧结步骤期间经受至少150%的致密化，并且优选至少250%。在本公开中，术语“致密化”用于表示在沉积前体材料的其初始步骤与在压缩和烧结步骤之后获得的其最终步骤之间构成耐摩损涂层的材料的密度的增加。换句话说，其是最终密度和初始密度之间的差除以初始密度。[0024]在某些实现方式中，耐摩损涂层的第二部分在压缩和烧结步骤期间经受至多150%，优选至多100%的致密化。[0025]在某些实现方式中，在将前体材料沉积在基板的第一和第二部分上的步骤之前，该方法还包括通过烧结而在基板的第二部分上形成背衬层的步骤，背衬层的孔隙率为小于15%，并且优选小于5%。该背衬层用于在耐摩损涂层的第二部分下方保存水平致密的层，该第二部分几乎不致密化。因此，在经过涂层的主体经受大于最大预期偏移的径向偏移的情况下，基板保持被保护。例如，这特别用于在移动体中存在较大不平衡的情况下保护基板。[0026]在某些实现方式中，在烧结前体材料的步骤之后，该方法还包括通过烧结在耐摩损涂层的至少一部分上，优选在其中心部分上，形成表面层的步骤，该表面层的最终孔隙率小于15%，并且优选小于5%。该层使得可确保涂层具有很小的表面粗糙度。它优选地在耐摩损涂层的整个表面上被形成。[0027]在某些实现方式中，表面层的厚度位于0.05mm至0.IOmm的范围内。[0028]在某些实现方式中，前体材料是金属或陶瓷的粉末。[0029]在某些实现方式中，基板是环形扇区。特别是，它可以是用于安装在涡轮的定子上的涡轮环扇区。[0030]在某些实现方式中，基板的第一部分沿着基板的第二部分延伸。[0031]在某些实现方式中，基板具有在两个纵向肩部之间延伸的纵向通道，肩部形成基板的第一部分的一部分，并且通道的底部形成基板的第二部分的一部分。在该方法结束时，这导致在可能例如与转子的叶片接触的区域中例如容易磨损的低密度条带以及在耐磨损带任一侧上具有较高密度的两条涂层条，用于保护耐摩损条以免受例如由空气流的轴向流动引起的侵蚀。[0032]本公开还提供了一种密度可变的耐磨损轨道，其包括第一部分和第二部分，该第一部分包括具有第一密度的烧结材料，第二部分与第一部分邻接并与第一部分齐平，包括具有不同于第一密度的第二密度的烧结材料。如上所述，这使得可以保护对侵蚀更敏感的区域，同时在与移动体接触的区域中提供易耐磨损的层。[0033]在某些实施例中，耐摩损轨道的第一部分的厚度小于第二部分的厚度。[0034]在某些实施例中，使用根据上述实现方式中的任一个的制造方法获得耐摩损轨道。[0035]本公开还提供了包括涡轮或压缩机环，该涡轮或压缩机环包括根据上述实施例中的任一个的耐摩损轨道。[0036]本公开还提供了一种涡轮发动机，该涡轮发动机包括根据任何上述实施例的耐磨损轨道或涡轮或压缩机环。[0037]在阅读所提出的设备和方法的例子的以下详细描述时，上述特征和优点以及其他特征和优点将显而易见。详细描述参考附图。附图说明[0038]附图是示意性的并且首先寻求说明本发明的原理。[0039]在附图中，从一个图到另一个图，相同的元件或元件的部分）由相同的附图标记标识。而且，属于不同例子但具有相似功能的元件或元件的一部分在附图中由增加100，200等的数字参考标识表示。[0040]图1是本发明的涡轮发动机的截面图。[0041]图2是本发明定子环例子的局部立体图。[0042]图3A至3E示出了本发明的例子性方法中的各种连续步骤。[0043]图4是耐磨损轨道的第二例子的截面图。[0044]图5是耐磨损轨道的第三例子的截面图。具体实施方式[0045]为了使本发明更加具体，下面参照附图详细描述方法和耐磨损轨道的例子。应该记得，本发明不限于这些例子。[0046]图1是本发明的旁路涡轮喷气发动机1的截面图，该截面位于包含涡轮喷气发动机的主轴线A的垂直平面上。沿气流方向从上游到下游，该涡轮喷气发动机包括:风扇2;低压压缩机3;高压压缩机4;燃烧室5;高压涡轮6;和低压涡轮7。[0047]高压涡轮6具有与转子一起旋转的多个叶片6a和安装在定子上的多个导向叶片6b。涡轮6的定子包括多个面对涡轮6的可动叶片6a设置的定子环10。如图2所示，每个定子环10被细分为多个扇形体11，每个扇形体11设有耐磨损轨道20,在转子的径向偏移的情况下可动叶片6a抵靠耐磨损轨道摩擦。[0048]参照图3A至3E描述这种耐磨损轨道20的例子。在图3A中，首先设置一坯件30。具体而言，它包括使用常规方法获得的环形扇区。它的表面30s是规则的，在图3A的轴向剖面中是直线形的，而在径向剖面中是圆弧形的。[0049]如图3B所示，在坯件30的表面中沿纵向，即圆周方向，加工凹槽31，以便形成一通道:这产生了基板32,该基板在凹槽31的任一侧分别位于上游和下游具有两个肩部33。[0050]这两个肩部一起形成第一基板部分33,该第一基板部分33的表面33s在对应于坯件30的初始水平的第一水平A处延伸。位于凹槽31底部的基板32位的部分形成第二基板部分34，该第二基板部分34的表面34s在第二水平B处延伸，第二水平B低于，即深于第一水平A，并且对应于凹槽31的底部。在本例中，凹槽31的深度为12mm，换句话说，水平A和B之间的差值是12晕米。[0051]如图3C所示，然后将以这种方式形成的基板32放置在与基板32的尺寸相对应的轴向尺寸的成形模具40的空腔中。[0052]然后以均匀的方式在整个基板32上沉积前体材料35,具体为金属粉末。粉末35因此完全填充通道31，并且在基板32的肩部33上的水平A上形成恒定厚度的连续层。于是粉末35被添加，直到其到达第三水平C为止:在本例中，该水平C位于基板的肩部23的水平A上方20mm处。在本例中，粉末是围绕ΙΟΟμπι对中的镍粉，其初始孔隙率约为70%。[0053]当然，该初始孔隙率可以根据使用的粉末的类型和期望的最终孔隙率而变化:例如，对于颗粒尺寸约为4μπι至7μπι的镍粉末，初始孔隙率可以为约23%至33%。优选地，具有高初始孔隙率的粉末用于低密度耐磨损区域。此外，可以通过向这些粉末中添加成孔剂来获得更大的初始孔隙率，该成孔剂随后在该方法中，例如，在热解步骤中被去除。[0054]相比之下，具有较低初始孔隙率的较细的粉末可以用于较高密度区域，如低壁，背衬层或低粗糙度的表面层，如下所述。[0055]因此，粉末35在肩部33上方形成20mm厚的层，在中央通道31上方形成32mm厚的层。[0056]如图3D所示，然后关闭模具40。其盖41的支承面42在图3D的轴向平面内为直线形的，在一径向平面内呈圆弧形，然后抵靠粉末层35的表面35s。[0057]然后，在模具40的盖41上施加应力，以压靠粉末层35并将其压缩在基板32与模具40的盖41的支承面42之间。粉末层35因此被压缩到一第四水平D，该第四水平D具体是位于基板的肩部33上方4.2mm处，S卩在水平A上方4.2mm处。[0058]在该压缩步骤过程中，粉末35的颗粒相互压紧，由此填充颗粒之间初始存在的一些空隙，以这种方式排出的空气从模具40排出。粉末的孔隙率因此在该压缩步骤过程中减小，并且粉末的密度增加。[0059]然而，这种致密化取决于粉末层35内所考虑的粉末体积的位置。具体来说，忽略粉末自然迀移的现象，位于肩部33与支承表面42之间的粉末35a的体积的可用体积减小，并且因此受到压缩，该压缩比位于通道31内和通道31上方的粉末35b的体积更大。[0060]具体而言，在肩部33上方，初始可用厚度与水平A和C之间的水平差异，即在该例子中为20mm相对应，而压缩后可用的厚度与水平A和D之间的水平差异，S卩4.2mm相对应:粉末体积35a因此减少体积的79%。[0061]相比之下，在基板32的第二部分34上，初始可用厚度与水平B和C之间的水平差，即在该例子中为32mm相对应，而压缩后可用厚度与水平B和D之间的水平差，S卩16.2mm相对应：粉末体积35a因此减少体积的49%。[0062]在这种情况下，只要粉末的质量在每个粉末体积35a和35b中保持不变，就可以使用下面的公式计算材料的致密化，其中ei是材料的初始厚度，ef是其最终厚度：[0063][0064]因此可以推断，第一粉末体积35a经过致密化，即其密度增加376%，而第二粉末体积35b经历98%的致密化。[0065]一旦获得了这种压缩状态，以这种方式不同地压缩的粉末层35就用常规方法烧结。[0066]在烧结步骤结束时，获得图3E中的耐摩损轨道20,其中基板32覆盖在涂层36中，涂层36具有覆盖肩部33的第一部分36a，厚度为4.2mm，最终孔隙率为14.7%，连同一第二部分36b，该第二部分36b覆盖通道31，其厚度为16.2mm，最终孔隙率为35.7%。[0067]在这方面，最终孔隙率Pf可以根据初始孔隙度PjP压缩比Tc，即所考虑的材料的部分的体积减小来计算：[0068]Pf=PiI-Tc[0069]自然，凹槽31的深度、粉末35的初始厚度和压缩的幅度可以自由调节，以实现涂层所需的密度和厚度。[0070]而且，在该例中，在比肩部33的水平低的水平B处延伸的基板的通道31是通过机加工坯件30获得的凹槽。然而，在第一实施方式的一变型中，类似通道可以通过在坯件30上增加低壁获得，以在通道31的任一侧上形成肩部33:在这种情况下，坯件的初始水平限定了通道31的底部的水平B，而壁的顶部限定了水平A。[0071]在图4所示的第二例中，该方法具有附加步骤，所述附加步骤在提供具有两个水平A和B的基板132之后立即发生。一高密度的背衬层137,例如具有0至15%范围内的最终孔隙率，通过烧结粉末在通道131的底部上就位。此后，与第一例相比，该方法保持不变，前体材料的层沉积在肩部133上，并沉积在背衬层137上。[0072]在该方法结束时，获得如图4中所示的耐摩损轨道120,其中较低密度的第二涂层部分136覆盖背衬层137,该背衬层在主体的径向偏移移过大于最大预期偏移的涂层的的情况下，例如在移动主体的一个较大不平衡的情况下，保护基板。[0073]在与第一和第二例相容并如图5所示的第三例中，该方法包括一附加步骤，该附加步骤在粉末的压缩和烧结步骤之后立即发生，该方法的开始与第一或第二例相比保持不变。高密度的表面层238,即具有0至15%范围内的最终孔隙率，以及例如0.05mm至0.IOmm的范围内的较小厚度，通过在不同密度的涂层236的表面上烧结粉末而就位。在该方法结束时，由此获得图5的耐摩损轨道220,其中表面层238覆盖所有涂层236b，该表面的表面粗糙度比涂层236b的较低密度的第二部分的表面粗糙度小，从而改善了空气动力学摩擦。[0074]在本公开中描述的例子通过非限制性说明给出，并且本领域技术人员根据本公开可以容易地修改这些例子或设想其他例子，同时保持在本发明的范围内。[0075]而且，这些实施例或实现方式的各种特征可以单独使用或相互组合使用。当它们组合时，可以如上所述或以其他方式组合特征，本发明不限于本公开中描述的特定组合。特别是，除非相反地指出，否则参考任何一个实施例或实施方式描述的任何特征可以以类似的方式应用到任何其他实施例或实施方式。

权利要求：1.一种不同密度的耐磨损涂层的制造方法，该方法包括以下步骤：提供一基板（32，该基板具有第一部分（33和第二部分（34，所述第一部分的表面33s位于第一水平A，所述第二部分的表面34s位于与所述第一水平不同的第二水平⑻；将一前体材料35沉积在所述基板32的第一和第二部分33，34上；将所述前体材料35在所述基板32与一支承表面42之间压缩;和烧结以这种方式压缩的所述前体材料35，以获得一耐磨损涂层36，该耐磨损涂层36在所述基板32的第一部分33上具有一第一部分36a，在所述基板32的第二部分34上具有一第二部分36b，所述第一部分36a具有第一密度，所述第二部分36b具有与所述第一密度不同的第二密度。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述基板32的第二部分34通过在所述基板的坯件30中加工至少一个凹槽31而获得。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述支承表面（42至少沿着相对于所述基板32的第一和第二部分33,34横向延伸的方向是连续的和直线的。4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述耐摩损涂层（36的第一部分36a具有小于15%，优选小于5%的最终孔隙率。5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述耐摩损涂层（36的第二部分36b具有大于20%，优选大于30%的最终孔隙率。6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，还包括在将所述前体材料沉积在所述基板的第一部分和第二部分上的步骤之前，在所述基板（132的第二部分上通过烧结形成一背衬层137的步骤，所述背衬层的最终孔隙率小于15%。7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，还包括在烧结所述前体材料的步骤之后，在所述耐磨损涂层236的至少一部分上通过烧结形成一表面层238的步骤，所述表面层具有小于15%的最终孔隙率。8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中所述基板是一环形的扇形体11。9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中所述基板32在两个纵向肩部33之间具有一纵向的通道31，所述肩部33形成所述基板的所述第一部分的一部分，所述通道31的底部形成所述基板的第二部分的一部分。10.—种密度不同的耐磨损轨道，包括：第一部分36a，所述第一部分36a包括具有第一密度的烧结材料；以及第二部分36b，所述第二部分36b与所述第一部分36a邻接并与其齐平，包括具有与所述第一密度不同的第二密度的烧结材料。11.一种涡轮或压缩机环，其包括根据权利要求10所述的耐摩损轨道20。12.—种涡轮发动机，其包括根据权利要求10所述的耐摩损轨道20，或根据权利要求11所述的涡轮10或压缩机环。

百度查询： 赛峰航空器发动机;国家科学研究中心;保罗·萨巴提亚-图卢兹大学III 具有可变密度的耐磨损涂层

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