[发明专利]用于涡轮机应用的复合材料以及相应的方法

说明书

提出了一种应用于涡轮机(100)的复合材料(10)。复合材料(10)包括金属晶格(1)和陶瓷基质(2)，其中金属晶格(1)遍布陶瓷基质(2)，从而机械地增强陶瓷基质(2)以抵抗复合材料(10)应用中的热负荷和/或机械负荷。

技术领域

本发明涉及一种应用于诸如燃气涡轮的涡轮机的复合材料。特别地，可以设想该复合材料用于涡轮技术(例如热气路径)和/或动叶技术中的隔热罩。此外，提出了一种利用增材制造技术制造复合材料的方法。

背景技术

增材制造技术例如包括诸如选择性激光熔化(SLM)或选择性激光烧结(SLS)或电子束熔化(EBM)的粉末床法。特别地，增材制造方法已被证明在制造原型或轻量化设计的复杂和精细组件或冷却组件(例如包括迷宫状内部结构)时是有用且有利的。

此外，增材制造因其短链过程步骤而突出，因为制造步骤可以直接基于对应的CAD/CAM和/或构造数据来执行。

例如，诸如选择性激光熔化或选择性激光烧结的粉末床制造方法是相对公知的方法，以用于从粉末材料制备、原型制造或制造部件或组件。用于这种方法的传统装置或设备通常包括制造平台或构建平台，在馈送基材层后，在该平台上逐层构造组件，继而例如可以通过激光束的能量将基材熔化并随后固化。层厚度通过刮刀确定，例如，刮刀在粉末床上方自动移动并去除多余材料。典型层厚度总计为20μm或40μm。在制造期间，该激光束在表面上方扫描并熔化选定区域中的粉末，选定区域可以由CAD文件根据待制造的组件的几何形状预先确定。

例如，EP2883003B1中描述了用于涡轮的隔热罩。

目前生产的在燃气涡轮中使用的陶瓷隔热罩(CHS)在运行一定时间段后往往会导致故障或形成裂缝并破碎。这可能会导致例如涡轮动叶和静叶的严重损坏。出现上述故障或损坏的有多种原因，即，热冲击和声振动或其组合。

目前使用的主要是两种类型的隔热罩，即，全陶瓷隔热罩或全金属隔热罩，例如，全陶瓷隔热罩或全金属隔热罩上被涂覆有所谓的TBC(“热障涂层”)的隔热罩。然而，迄今为止，试图增强隔热罩(例如具有金属支架的CHS)以克服上述脱层缺陷的尝试都失败了。这可能是由于这些尝试难以适应所涉及的不同材料的热膨胀系数。

因此，本发明的目的在于提供一种可以克服上述缺陷的手段。特别地，提供了一种新型复合材料和用于该复合材料的相应的制造方法，尤其是提供了一种材料，在热气环境的涡轮应用中，例如在相应的组件或隔热罩的陶瓷材料出现裂缝时或在相应的组件或隔热罩的陶瓷材料出现裂缝之后，这种材料不会破碎并且不会具有形成碎片的倾向。

发明内容

上述目的通过独立权利要求的技术方案实现。优选实施例是从属权利要求的技术方案。

本发明的一个方面涉及一种应用于涡轮机(例如燃气涡轮)的复合材料。复合材料包括金属晶格和陶瓷基质，其中金属晶格遍布陶瓷基质，从而例如在相应的涡轮机运行期间，机械地增强或支撑陶瓷基质抵抗复合材料应用中的热负荷和/或机械负荷或冲击。特别地，复合材料应当可以在运行期间、例如在高达1500℃甚至更高的热负荷下承受诸如陶瓷的部件的剥离和脱层。

本发明的另一方面涉及一种制造上述复合材料的方法，包括：例如通过基于粉末床的选择性激光熔化或电子束熔化，来增材制造金属晶格；通过诸如粉末或浆料的陶瓷基材渗透金属晶格，使得陶瓷基材至少部分地填充或遍布(例如涂覆)金属晶格的内部；以及烧结经渗透的金属晶格，其中陶瓷粉末被固化并且复合材料被形成。

通过这些手段，借助于增材制造技术，尤其可以实现金属晶格将整个(例如由晶格和基质构成的)复合材料保持在一起。例如，这可以被实现为：避免陶瓷部件从复合材料上脱层、破碎或破裂。因此，也可以防止涡轮的二次损坏，例如，燃气涡轮的隔热罩的损坏。