專利名稱：具有可控晶向的單晶體的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種燃燒室鑄件。具體地，本發明涉及鑄造的燃氣輪發動機的燃燒室面板。
背景技術：
燃氣輪發動機燃燒室部件，如熱屏蔽件和浮動壁面板，通常是用多晶合金制造。這些部件在發動機操作的不同階段要經受非常高溫的加熱，具有很大的熱梯度。熱機械應力及其產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。

發明內容
本發明的一個方面涉及燃氣輪發動機燃燒室部件。部件具有特征熱機械應力主方向；和單晶基體，具有最低模量方向，其在所述主方向的15度內。
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。晶體結構可以是面心立方結構。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`)體積分數超過50％。
本發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構，具有最低模量的第一方向，位于中心特征方向的30度內。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。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。面板可用于燃氣輪發動機。面板的半錐角在-30度到30度。半錐角可在±(5度到30度)。基體基本為鎳基超合金。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。
本發明的另一方面涉及一種經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對齊。
在不同的實施例中，目標對齊是在所述主方向的15度內。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。基體上施加至少部分涂層。
下面的附圖和說明公開了本發明的一個和多個實施例的細節。本發明的其他特征、目的和優點通過說明和附圖以及權利要求可清楚地了解。


圖1是燃氣輪發動機燃燒室的縱向截面圖；圖2是圖1燃燒室的內熱屏蔽面板的視圖；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面板的側視圖；
圖6是顯示面心立方結構的晶軸的視圖。
各附圖中的相同標記和指示表示相同的部件。
具體實施例方式
圖1顯示了燃氣輪發動機燃燒室20。示例性的燃燒室20一般是圍繞發動機中心縱向軸線(中心線)500的環狀，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壁22和外壁24。內外壁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，至少一些面板設有孔，可容納相關的燃料噴射器/離心式噴嘴組件。燃燒室設有內腔34，位于隔壁面板排列的后面和下游。內壁22和外壁24分別設有外殼體35和36，以及內熱屏蔽板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，設有6到20個熱屏蔽面板的2個到6個縱向環。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，各面板一般設有內表面40(面對內腔34)和外表面42。固定栓44或其他構件可從外表面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邊(周向)50和52之間延伸(見圖2)。面板還可設置一排或多排的在內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置額外的表面增強件(未顯示)，如現有技術已知的或將來提供的增強件。
內表面40沿周向突起，并設有中心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。相對發動機中心線的面板側邊之間的角度用θ2表示，對于每個環的示例性的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具有內和外表面80，82。前緣和后緣84，86，和側邊88，90(見圖3)。內表面80沿周向內凹，并設有中心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的環形部分，并沿內緣和外緣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。觀察到高應力區140位于孔128的任何周邊。應力可造成位于孔和鄰邊120和122之間的周邊開裂。
現有技術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。已經開發出先進的單晶合金，可用于燃氣輪發動機葉片，還可以應用于本發明的面板，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。但是應當認識到，本發明不僅采用鎳基合金，還可采用面心立方結構的鈷、鐵和其他金屬的合金，以及采用具有其他晶體結構的金屬。
在非常熱的條件下(即高溫條件下)，經常觀察到這些面板開裂，其原因是熱機械應力導致的熱機械疲勞(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)，已經觀察到高(初始)應力位向基本上沿周向。此外，已經觀察到第二應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)，初始應力方向基本為錐向530，第二應力方向基本上為周向532。
用具有與高應力方向對齊的低模量方向的單晶合金制造面板可能容易開裂。圖6顯示了傳統的鎳和某些其他金屬系，如鋁、銅等的面心立方(fcc)晶體結構的八面體晶胞的密勒指數。在這個立方體系中，任何兩個正交座標軸之間空間內位置的說明，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，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。根據本發明的內容，面板這樣的物體具有最低模量軸(如
)，其與主應力方向516，524，532對齊(即互相平行或在誤差范圍內，如下面所介紹的)。進行制造和其他的用途難以精確對準，難以實現希望的重復性。因此，要設立誤差，對齊時可位于第一目標角度(如15度)。此外，第二最低模量軸(對fcc結構，另一個最低模量軸)最好對齊第二應力方向512，522，530。第二應力方向的較低應力允許存在與這個方向目標對齊的更寬范圍，同時可提供希望的對開裂的抗力。因此，第二應力對齊的示例性第二目標角度可比第一目標角度更大(如30度，而不是15度)。主應力和第二應力方向的應力的相對大小，因此，可影響目標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，較窄的第一和第二對齊將分別在10度和20度內。
用于本發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`)體積分數超過50％。平衡余量是鎳和雜質。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`)體積分數超過55％。另外部件的雜質最好不超過這些特定合金的雜質水平。
本發明可應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構，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構或包括其變化。確定特征熱機械應力主方向。確定特征熱機械應力第二方向。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力得到的物理模型)來實現。特征方向可能是空間的(即體積的)平均，或者是加權的。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無關。特征應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對齊；還具有第二最低模量方向，與所述第二方向第二目標對齊。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，最好在鋒值應力區并超過面板的一定體積分數(或應力加權)實現目標對齊。
面板可通過鑄造工藝(如熔模鑄造)得到。為了實現希望的晶體和應力軸線的相對對齊，可將籽晶(未顯示)設置在鑄造殼體(未顯示)的結晶開始部分，如現有技術已知的。還可以開發另外的技術。鑄造后加工和化學、熱和/或機械處理適合應用于施加涂層(如陶瓷)的單晶鑄造基體。這些不同的處理和涂層是現有技術已知的，還可以開發其他的技術方法。
已經介紹了本發明的一個或多個實施例，應當知道在不脫離本發明的精神和范圍的情況下，可進行各種修改。例如，應用于重新加工現有部件，現有部件的細節可影響或規范任何特定實施例的細節。因此，其他的實施例應屬于下面權利要求的范圍。
權利要求
1.一種燃氣輪發動機燃燒室部件，包括特征的熱機械應力主方向；和單晶基體，具有最低模量方向，位于所述主方向的15度內。
2.根據權利要求1所述的部件，可用作燃氣輪發動機的部件，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.根據權利要求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。
4.一種燃氣輪發動機，包括多個如權利要求3所述的用作燃燒室熱屏蔽件的部件。
5.根據權利要求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.根據權利要求1所述的部件，其特征在于，所述晶體結構是面心立方結構。
7.根據權利要求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.根據權利要求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構，具有最低模量的第一方向，如果面板的半錐角的度數小于45度，其位于中心特征周向的30度內；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。
10.根據權利要求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，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。
11.根據權利要求9所述的面板，其特征在于，所述面板用于燃氣輪發動機。
12.根據權利要求9所述的面板，其特征在于，所述半錐角在-30度到30度。
13.根據權利要求9所述的面板，其特征在于，所述半錐角在±(5度到30度)。
14.根據權利要求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.根據權利要求9所述的面板，其特征在于，所述基體基本為鎳基超合金。
16.根據權利要求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.根據權利要求9所述的面板，其特征在于，特征周向范圍為20度到60度。
18.根據權利要求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對齊。
20.根據權利要求19所述的方法，其特征在于，所述目標對齊是在所述主方向的15度內。
21.根據權利要求19所述的方法，其特征在于，所述確定包括模擬。
22.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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 優先權日2004年4月8日
發明者K·W·施利希廷, A·D·塞特爾, S·D·墨累, J·J·小馬軟 申請人:聯合工藝公司