專利名稱：具有可控晶向的單晶體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃燒室鑄件。具體地，本發(fā)明涉及鑄造的燃氣輪發(fā)動機的燃燒室面板。
背景技術(shù)：
燃氣輪發(fā)動機燃燒室部件，如熱屏蔽件和浮動壁面板，通常是用多晶合金制造。這些部件在發(fā)動機操作的不同階段要經(jīng)受非常高溫的加熱，具有很大的熱梯度。熱機械應(yīng)力及其產(chǎn)生的疲勞使得部件損壞。要作出很大的努力來冷卻這些部件以提高其壽命。
因此，需要提高部件的壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個方面涉及燃氣輪發(fā)動機燃燒室部件。部件具有特征熱機械應(yīng)力主方向；和單晶基體，具有最低模量方向，其在所述主方向的15度內(nèi)。
在不同實施例中，部件可選擇用作下面的部件燃燒室殼體件和燃燒室熱屏蔽件。所述部件具有部分截頭圓錐殼體的整體形狀。燃氣輪發(fā)動機可包括多個這樣的用作燃燒室熱屏蔽件的部件。部件還包括基體上的至少部分涂層。晶體結(jié)構(gòu)可以是面心立方結(jié)構(gòu)。晶體基本上是鎳基超合金。鎳基超合金含有(重量％)1.0-12.0的鉻，5.0-20.0的鈷，4.0-10.0的鉭，5.3-6.5的鋁，和5.5-10.0的鎢，伽瑪相(γ`)體積分數(shù)超過50％。
本發(fā)明的另一方面涉及燃燒室面板，其特征在于，包括基體，具有部分截頭圓錐的整體形狀；和基體的單晶顆粒結(jié)構(gòu)，具有最低模量的第一方向，位于中心特征方向的30度內(nèi)。如果面板的半錐角小于45度，特征方向是周向。如果面板的半錐角大于45度，特征方向是錐向。
在不同的實施例中，最小模量第一方向在所述中心特征周向的15度內(nèi)。最小或第二最小模量第二方向在中心特征表面縱向的30度內(nèi)。面板可用于燃氣輪發(fā)動機。面板的半錐角在-30度到30度。半錐角可在±(5度到30度)?；w基本為鎳基超合金。面板的第一和第二邊基本沿周向延伸，第三和第四邊基本沿縱向/徑向平面延伸。面板的特征周向范圍為20度到60度。面板的縱向范圍為30毫米到200毫米。
本發(fā)明的另一方面涉及一種經(jīng)受熱機械疲勞的燃燒室部件的加工方法，包括確定特征熱機械應(yīng)力主方向。制造所述部件使之由單晶基體組成，具有最小模量方向，其與所述主方向目標(biāo)對齊。
在不同的實施例中，目標(biāo)對齊是在所述主方向的15度內(nèi)。所述確定包括模擬。所述方法用于重新加工原始部件的替代件。替代件在主方向上的彈性模量小于20Msi(138千兆帕)。原始件在主方向上的彈性模量大于30Msi(207千兆帕)。確定熱機械應(yīng)力第二方向，所述制造使基體具有第二方向，也是最小模量方向?；w上施加至少部分涂層。
下面的附圖和說明公開了本發(fā)明的一個和多個實施例的細節(jié)。本發(fā)明的其他特征、目的和優(yōu)點通過說明和附圖以及權(quán)利要求可清楚地了解。


圖1是燃氣輪發(fā)動機燃燒室的縱向截面圖；圖2是圖1燃燒室的內(nèi)熱屏蔽面板的視圖；圖3是圖1燃燒室的外熱屏蔽面板的視圖；圖4是隔壁熱屏蔽面板的后視圖；圖5是圖4面板的側(cè)視圖；
圖6是顯示面心立方結(jié)構(gòu)的晶軸的視圖。
各附圖中的相同標(biāo)記和指示表示相同的部件。
具體實施例方式
圖1顯示了燃氣輪發(fā)動機燃燒室20。示例性的燃燒室20一般是圍繞發(fā)動機中心縱向軸線(中心線)500的環(huán)狀，還顯示出與中心線平行的前方向502。示例性的燃燒室具有雙層的內(nèi)壁22和外壁24。內(nèi)外壁22，24從隔壁26向后和向下游延伸到下游的出口28，隔壁位于上游入口27，入口接受來自壓縮機部分(未顯示)的空氣，出口輸送空氣到渦輪機部分(未顯示)。沿周向設(shè)置的燃料噴射器/離心式噴嘴組件29可固定到隔壁。
隔壁包括殼體部分30和向后/下游間隔開的熱屏蔽件31。熱屏蔽件31由沿周向排列的隔壁面板形成，至少一些面板設(shè)有孔，可容納相關(guān)的燃料噴射器/離心式噴嘴組件。燃燒室設(shè)有內(nèi)腔34，位于隔壁面板排列的后面和下游。內(nèi)壁22和外壁24分別設(shè)有外殼體35和36，以及內(nèi)熱屏蔽板37和38。殼體35，36與隔壁殼體相連。各示例性的壁熱屏蔽板是由縱向和周向排列的面板組成，殼體也是如此。在示例性的燃燒室，設(shè)有6到20個熱屏蔽面板的2個到6個縱向環(huán)。從上游到下游，屏蔽件37，38的各個面板用37A-E和38A-E來表示。參考示例性的面板37C，各面板一般設(shè)有內(nèi)表面40(面對內(nèi)腔34)和外表面42。固定栓44或其他構(gòu)件可從外表面42延伸，以固定面板到相鄰的殼體。面板在前緣46和后緣48之間延伸并在第一和第二側(cè)邊(周向)50和52之間延伸(見圖2)。面板還可設(shè)置一排或多排的在內(nèi)和外表面之間延伸的冷卻孔54，還可在一個或兩個表面上設(shè)置額外的表面增強件(未顯示)，如現(xiàn)有技術(shù)已知的或?qū)硖峁┑脑鰪娂?br> 內(nèi)表面40沿周向突起，并設(shè)有中心60。圖1還顯示了曲面法線510和與其正交的錐向512。示例性的面板具有半錐角θ1，縱向范圍L1，和錐向范圍L2(見圖2)。徑向用514表示。周向用516表示。相對發(fā)動機中心線的面板側(cè)邊之間的角度用θ2表示，對于每個環(huán)的示例性的8個面板，θ2一般為45度(可稍小以提供面板之間的間隙)。
類似地，示例性面板38C具有內(nèi)和外表面80，82。前緣和后緣84，86，和側(cè)邊88，90(見圖3)。內(nèi)表面80沿周向內(nèi)凹，并設(shè)有中心100。曲面法線用520表示。錐向用522表示。半錐角用-θ3表示(負角度是指向后收縮的錐體)，縱向范圍用L3表示。圖3中用524顯示周向。周向范圍用θ4表示，錐向范圍用LA表示。
圖4顯示了隔壁的熱屏蔽面板31，形成具有徑向延伸的周向邊120，122之間的角度范圍θ5的環(huán)形部分，并沿內(nèi)緣和外緣124，126之間的徑向范圍L5延伸。示例性的面板31具有中心孔128，以容納相關(guān)的燃料噴射器/離心式噴嘴組件。孔128在前和后表面130和132之間延伸(見圖5)。固定栓134從前表面130向前延伸。內(nèi)和外沿134和136從后表面132向后延伸。面板可徑向延伸或以偏離徑向角度θ6延伸。中心錐向用530表示。周向用532表示。中心曲面法線方向用534表示(見圖5)。曲面法線方向是特征表面法線，即使其位于孔128。觀察到高應(yīng)力區(qū)140位于孔128的任何周邊。應(yīng)力可造成位于孔和鄰邊120和122之間的周邊開裂。
現(xiàn)有技術(shù)的面板一般用多晶鎳基超合金制造，其彈性模量在30到40Msi的范圍。已經(jīng)開發(fā)出先進的單晶合金，可用于燃氣輪發(fā)動機葉片，還可以應(yīng)用于本發(fā)明的面板，如下面將進行的介紹。這些超合金特別適合高溫條件(650℃)。單晶體可由各種超合金形成，其以前用于等軸和柱狀晶粒的鑄件；或由將來開發(fā)出的材料形成。示例性的鎳基超合金在Duh1等人的美國專利No.4,116,723和4,209,348給出介紹。公開的內(nèi)容在本文中參考引用。一般地，這些高伽瑪相(γ`)的操作溫度比等軸晶合金高很多。但是應(yīng)當(dāng)認識到，本發(fā)明不僅采用鎳基合金，還可采用面心立方結(jié)構(gòu)的鈷、鐵和其他金屬的合金，以及采用具有其他晶體結(jié)構(gòu)的金屬。
在非常熱的條件下(即高溫條件下)，經(jīng)常觀察到這些面板開裂，其原因是熱機械應(yīng)力導(dǎo)致的熱機械疲勞(TMF)。對于較為縱向的面板(如37A-E和38A-E，其θ1和θ3小于45度，更窄的小于40度或30度)，已經(jīng)觀察到高(初始)應(yīng)力位向基本上沿周向。此外，已經(jīng)觀察到第二應(yīng)力方向基本上是沿錐向。相對較為徑向的面板(即，隔壁面板31，θ6的角度小于30度)，初始應(yīng)力方向基本為錐向530，第二應(yīng)力方向基本上為周向532。
用具有與高應(yīng)力方向?qū)R的低模量方向的單晶合金制造面板可能容易開裂。圖6顯示了傳統(tǒng)的鎳和某些其他金屬系，如鋁、銅等的面心立方(fcc)晶體結(jié)構(gòu)的八面體晶胞的密勒指數(shù)。在這個立方體系中，任何兩個正交座標(biāo)軸之間空間內(nèi)位置的說明，如[100]和
，可充分確定晶體的位置。
性能隨Fcc晶體的位置變化，參考圖6，[100]，
和
軸的特征是具有相同的性質(zhì)，并都是最低模量。其他的晶體系沒有3個相同的最低模量軸。在[100]和
軸的平面上，[110]軸與[100]軸的角度為45度。根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)容，面板這樣的物體具有最低模量軸(如
)，其與主應(yīng)力方向516，524，532對齊(即互相平行或在誤差范圍內(nèi)，如下面所介紹的)。進行制造和其他的用途難以精確對準(zhǔn)，難以實現(xiàn)希望的重復(fù)性。因此，要設(shè)立誤差，對齊時可位于第一目標(biāo)角度(如15度)。此外，第二最低模量軸(對fcc結(jié)構(gòu)，另一個最低模量軸)最好對齊第二應(yīng)力方向512，522，530。第二應(yīng)力方向的較低應(yīng)力允許存在與這個方向目標(biāo)對齊的更寬范圍，同時可提供希望的對開裂的抗力。因此，第二應(yīng)力對齊的示例性第二目標(biāo)角度可比第一目標(biāo)角度更大(如30度，而不是15度)。主應(yīng)力和第二應(yīng)力方向的應(yīng)力的相對大小，因此，可影響目標(biāo)對齊的相對允許和希望的范圍。較寬的第一和第二對齊分別在20度和35度內(nèi)，較窄的第一和第二對齊將分別在10度和20度內(nèi)。
用于本發(fā)明的鎳基超合金的一個特定組合的示例性重量百分比為1.0-12.0的鉻，5.0-20.0的鈷，0.0-1.0的鈦，5.3-6.5的鋁，5.5-10.0的鎢，0-0.1的釔，0.5-2.5的鉬，0.0-7.0的稀土元素，0.0-5.0的釕，4.0-10.0的鉭，和0.0-0.5的鉿。伽瑪相(γ`)體積分數(shù)超過50％。平衡余量是鎳和雜質(zhì)。較窄的特定合金的重量百分比為4.0-6.0的鉻，9.0-11.0的鈷，0.0-1.0的鈦，5.3-6.0的鋁，5.5-6.5的鎢，0.001-0.1的釔，1.5-2.5的鉬，2.5-3.5的稀土元素，8.0-9.0的鉭，和0.05-0.45的鉿。伽瑪相(γ`)體積分數(shù)超過55％。另外部件的雜質(zhì)最好不超過這些特定合金的雜質(zhì)水平。
本發(fā)明可應(yīng)用于加工或重新加工部件。示例性的重新加工燃燒室面板從基線面板開始，基線面板具有基線物理結(jié)構(gòu)，由基線多晶材料形成，該材料具有示例性的30Msi(207千兆帕)到40Msi(276千兆帕)的彈性模量。示例性的重新加工可保留物理結(jié)構(gòu)或包括其變化。確定特征熱機械應(yīng)力主方向。確定特征熱機械應(yīng)力第二方向。這可通過分析(如通過計算或其他模擬方式)或物理方式(如通過測量樣品或從實際熱機械應(yīng)力得到的物理模型)來實現(xiàn)。特征方向可能是空間的(即體積的)平均，或者是加權(quán)的。特征方向可以是在峰值壓力位置的鋒值壓力方向。對于示例性的部分截頭錐體，特征方向幾乎與測量技術(shù)無關(guān)。特征應(yīng)力可確定位于面板的中心。
制造出的面板包括單晶基體，其具有最低模量方向，其與所述主方向第一目標(biāo)對齊；還具有第二最低模量方向，與所述第二方向第二目標(biāo)對齊。最低模量可小于20Msi(138千兆帕)，即大約18Msi(124千兆帕)。即使在面板中心(或其他特征位置)存在完美對齊，在其他位置也可能位未對齊。例如，對于周向面板部分，如果主應(yīng)力方向在其他位置基本是沿周向的，那么對齊將沿面板的周向地變化，直到面板的半角。因此，最好在鋒值應(yīng)力區(qū)并超過面板的一定體積分數(shù)(或應(yīng)力加權(quán))實現(xiàn)目標(biāo)對齊。
面板可通過鑄造工藝(如熔模鑄造)得到。為了實現(xiàn)希望的晶體和應(yīng)力軸線的相對對齊，可將籽晶(未顯示)設(shè)置在鑄造殼體(未顯示)的結(jié)晶開始部分，如現(xiàn)有技術(shù)已知的。還可以開發(fā)另外的技術(shù)。鑄造后加工和化學(xué)、熱和/或機械處理適合應(yīng)用于施加涂層(如陶瓷)的單晶鑄造基體。這些不同的處理和涂層是現(xiàn)有技術(shù)已知的，還可以開發(fā)其他的技術(shù)方法。
已經(jīng)介紹了本發(fā)明的一個或多個實施例，應(yīng)當(dāng)知道在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可進行各種修改。例如，應(yīng)用于重新加工現(xiàn)有部件，現(xiàn)有部件的細節(jié)可影響或規(guī)范任何特定實施例的細節(jié)。因此，其他的實施例應(yīng)屬于下面權(quán)利要求的范圍。
權(quán)利要求
1.一種燃氣輪發(fā)動機燃燒室部件，包括特征的熱機械應(yīng)力主方向；和單晶基體，具有最低模量方向，位于所述主方向的15度內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的部件，可用作燃氣輪發(fā)動機的部件，其特征在于，可選擇用作下面的部件燃燒室殼體件；和燃燒室熱屏蔽件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的部件，其特征在于，所述部件具有部分截頭圓錐形殼體的形狀。
4.一種燃氣輪發(fā)動機，包括多個如權(quán)利要求3所述的用作燃燒室熱屏蔽件的部件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的部件，其特征在于，所述部件還包括所述基體上的至少部分涂層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的部件，其特征在于，所述晶體結(jié)構(gòu)是面心立方結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的部件，其特征在于，所述晶體基本上是鎳基超合金。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的部件，其特征在于，所述鎳基超合金含有(單位為重量％)1.0-12.0的鉻；5.0-20.0的鈷；4.0-10.0的鉭；5.3-6.5的鋁；5.5-10.0的鎢；伽瑪相(γ`)體積分數(shù)超過50％。
9.一種燃燒室面板，其特征在于，包括基體，具有部分截頭圓錐的整體形狀；和基體的單晶顆粒結(jié)構(gòu)，具有最低模量的第一方向，如果面板的半錐角的度數(shù)小于45度，其位于中心特征周向的30度內(nèi)；如果面板的半錐角大于45度，其位于中心特征錐向的30度內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的面板，其特征在于，所述最小模量第一方向在所述中心特征周向的15度內(nèi)，和最小或第二最小模量第二方向在中心特征表面縱向的30度內(nèi)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的面板，其特征在于，所述面板用于燃氣輪發(fā)動機。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的面板，其特征在于，所述半錐角在-30度到30度。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的面板，其特征在于，所述半錐角在±(5度到30度)。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的面板，其特征在于，所述半錐角超過60度，和所述面板具有線性尺寸的離心式噴嘴孔，尺寸是局部周向或局部徑向范圍中至少一個的至少25％。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的面板，其特征在于，所述基體基本為鎳基超合金。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的面板，其特征在于，所述第一和第二邊基本沿周向延伸；和第三和第四邊基本沿縱向/徑向平面延伸。
17.根據(jù)權(quán)利要求9所述的面板，其特征在于，特征周向范圍為20度到60度。
18.根據(jù)權(quán)利要求9所述的面板，其特征在于，縱向范圍為30毫米到200毫米。
19.一種經(jīng)受熱機械疲勞的燃燒室部件的加工方法，包括確定特征熱機械應(yīng)力主方向；和制造所述部件，使之由單晶基體組成，并具有最小模量方向，其與所述主方向目標(biāo)對齊。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述目標(biāo)對齊是在所述主方向的15度內(nèi)。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述確定包括模擬。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述方法用于重新加工原始部件的替代件。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，所述替代件在所述主方向上的彈性模量小于20Msi(138千兆帕)，和原始物體在所述主方向上的彈性模量大于30Msi(207千兆帕)。
24.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述方法還包括確定熱機械應(yīng)力第二方向，其中所述制造使所述基體具有第二方向，也是最小模量方向。
25.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，在所述基體上施加至少部分涂層。
全文摘要
一種物體，具有特征的熱機械應(yīng)力主方向。該物體具有單晶基體，基體具有最低模量方向，其與主方向目標(biāo)對齊。
文檔編號F23R3/42GK1683833SQ20051006572
公開日2005年10月19日 申請日期2005年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月8日
發(fā)明者K·W·施利希廷, A·D·塞特爾, S·D·墨累, J·J·小馬軟 申請人:聯(lián)合工藝公司