專利名稱：金屬零件與用陶瓷材料制作的零件的焊接組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將兩種具有不同熱機(jī)性能的材料焊接在一起的廣一泛領(lǐng)域。 更準(zhǔn)確的說，本發(fā)明適用于將金屬件與用陶瓷材料，如碳化硅及或碳基材料制 作的零件釬焊在-起。
背景技術(shù)：
用陶瓷材料制作的零件可以用固體碳化硅構(gòu)成。他也可以由熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材米科勾成，特別是用由用碳化硅或碳纖維增強(qiáng)的陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料(Ceramic Matrix Composite, CMC)構(gòu)成。熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的特點(diǎn)在F其機(jī)械性能使其適合于構(gòu)成結(jié)構(gòu)零件，同時在高溫 下還保留這些機(jī)械性能。它是由纖維增強(qiáng)材料構(gòu)成，在纖維增強(qiáng)材料的縫隙中至少 部分地填充耐高溫材料的基料以增加密度。通常選擇碳與陶瓷材料(即非金屬材料 也非有機(jī)材料)，特別是碳化硅(SiliconCarbide，Sic)，作為纖維材料和陶瓷材料。作為例子，本發(fā)明可用于將陶瓷材料制作的零件與由鈦、鋁、及釩的合金 (TA6V)或因康鎳合金(Inconel 718，是注冊商標(biāo))，其是一種鎳基合金，其化學(xué) 組成為MCrl9Fel9Nb5Mo3。陶瓷材料制作的零件的機(jī)械性能及這些性能在高溫下保持不變的事實(shí)，使這些 材半斗特別適用于制作耐受高的熱纟幾Mi^力的零件，具體說，適用于航空業(yè)(發(fā)動豐幾 部件，整流罩構(gòu)件)。當(dāng)陶瓷材料用碳化硅或碳纖維增強(qiáng)時，他們便成為金屬材料的 代用品，具有很多優(yōu)點(diǎn)，尤其在減輕重量和延長使用部分方面。按照慣例，陶瓷材料制作的零件和用鉚接或螺自接組裝在一起的金屬零件， 但有時這種連接由于尺寸、重量或難以實(shí)現(xiàn)等原因不能適用。此外，供陶瓷材料及其相關(guān)的有機(jī)前體適用的現(xiàn)有組裝方法并不適用于陶瓷材 料與金屬之間同類組裝。由于陶瓷材料與金屬的熱力學(xué)和化學(xué)性能十分不同，所以連接兩種陶瓷材料所 采用的現(xiàn)有釬焊技術(shù)難以用于將陶瓷材料與金屬間的異質(zhì)焊接。鎳基、鋁基和釩基金屬合金的膨脹系數(shù)約為陶瓷材料的二至三倍。更確切的說，這^金5(XTC時的膨脹系數(shù)約為10xl0^K—」15S，而CMC膨脹系數(shù)約為2.5xlCT6k—1至4.0x10—6k"土15 % 。因此，對于30咖長的組件而言，它從焊劑的凝固溫度冷卻到環(huán)境溫度時測出的 膨脹偏差達(dá)0.2誦。這-一偏差導(dǎo)致兩個零件內(nèi)出現(xiàn)高應(yīng)力，具體地，在焊接接頭靠近陶瓷區(qū)域處出 現(xiàn)EE縮力，而在靠近金屬零件區(qū)域出現(xiàn)拉力。這些應(yīng)力引起的局部變形能使零件之 …-發(fā)生斷裂或?qū)е潞附咏宇^強(qiáng)度的降低。這種形變在金屬零件中是不可逆的。在陶瓷零件中，允其是用CMC制作時， 這種形變能引起脆性斷裂。當(dāng)應(yīng)力太高時會突然發(fā)生這樣的斷裂。在交變應(yīng)力作用 下逐步積累損傷也會出現(xiàn)斷裂。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的主要目的是通過提出-種組件來削弱這禾中缺點(diǎn)，它包括金屬零件、陶 瓷材料制作的零件、和至少-件將每f謎零件用焊接方法組裝起來的屮間連接件， 該中間連接件由可變薄板構(gòu)成，薄板有焊接面區(qū)域和可變形段。作為例子，可選用Ag-Mn或Ag-Cu—Ti型的焊劑，使其所獲組件在溫度高達(dá)5ocrc時仍然牢固。根據(jù)本發(fā)明，用陶瓷材料審U作的零件與金屬零件之間的差異膨脹被可變形薄板 吸收。于是本組件對差異膨脹有熱適應(yīng)力，同時盡可能保持在彈性范圍以內(nèi)。為了能 承受焊后的7轉(zhuǎn)卩及操作中的熱循環(huán)，必須在陶瓷材料制作的零件和金屬零件之間容 納差異膨脹。在一優(yōu)選實(shí)例中，陶瓷材料制作的零件是有碳化硅SiC和/或碳做成的。 例如，陶瓷材料零件由固體碳化硅制造。在又一實(shí)施例中，陶瓷材料零件包括由碳化硅或者碳纖維增強(qiáng)的陶瓷基料。在一優(yōu)選實(shí)施例中，可變形7 包括至少兩個可變開誠紋，這些可變開M紋交 替地朝向金屬零件和由陶瓷材料制成的零件。 地，至少一個可^F娥紋是自由的，這種自由波紋保證了用于焊接連接的 增大的彈性。自由波紋的高度有利地用于在折疊方向f參改剛性。在第一變異的實(shí)例中，諸可變形波紋是同心的。在該第一實(shí)施例中，中間連接元件包括繞軸大體上呈圓形的第一平面區(qū)，與第一平面區(qū)共軸的大體上呈環(huán)形且其內(nèi)徑大于所述第一區(qū)直徑的第二平面區(qū)，及繞 上述軸線對稱回轉(zhuǎn)的波紋。由于這-對稱性，不管最大應(yīng)力作用線的方向如何，這樣的連接元件的作用相同。在另一實(shí)例中，連接元件往往以波紋管式折疊帶的形式存在。 在本發(fā)明-有利的實(shí)施例中，該組件包括多個中間連接元件，它們在一固定點(diǎn) 四周沿徑向排列。使用這種連接元件，在焊接點(diǎn)周圍應(yīng)力低，剛性能夠被改變。用這種連接元件以福射狀作星形排列可有力地呈現(xiàn)同心配置的波紋，這些波紋 在徑向方向上是間斷的(該間斷是由沿多條徑向的空隙構(gòu)成)，[大l而能使離汗這些同 心圓的切向應(yīng)力降低或消失。中間連接元件最好排列在固定點(diǎn)周圍的多條徑向方向上。 該實(shí)例可使金屬零件與陶瓷材料零件的組合件的剛度提高。在戶/M固定點(diǎn)周圍，因金屬零件膨脹引起的偏移隨離開固定點(diǎn)的距離而增加。 在這種配置的-,定實(shí)施例中，中間元件撓性隨離開固定點(diǎn)而增加。 這一配置的特定實(shí)施例用來彌補(bǔ)上述偏移的增大。本發(fā)明還提供一種包括至少一個上述組件的渦輪機(jī)噴嘴，在該組件中金屬零件 是戶斤述噴嘴的殼體(或操作體)，而陶瓷材料的零件是噴嘴的閥瓣。本發(fā)明還試圖提供一種包括至少一個上述組件的滑輪機(jī)燃燒室，在該組件中金 屬零件是該燃燒室的殼體(或其零件，或其接^^——即連接元件)，而陶瓷材料的零《牛是該;^燒室的部件。本發(fā)明還劍共包括至少一個上述組件的滑輪機(jī)補(bǔ)燃裝置，在該組件中金屬零件 是補(bǔ)燃?xì)んw(或補(bǔ)燃裝置的座)，而陶瓷材料零件是火焰穩(wěn)定器的托架。 本發(fā)明還提供一種包括至少一個上述組件的渦輪機(jī)。


本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)可參照附圖從以下說明中顯現(xiàn)，附圖顯示的實(shí)施例不具有限制性，其中圖1示出適用于根據(jù)本發(fā)明所述第一組件的連接元f牛； 圖2是采用圖1的連接元件的本發(fā)明組件的咅靦圖； 圖3示出適用于根據(jù)本發(fā)明的第二組件的連接元件；圖4示出適用于根據(jù)本發(fā)明的第三組件的連接元件； 圖5是圖3和圖4連接元件的不完整剖面；圖6示出--個波紋面，從中可以看到圖5所示那種中間元件； 圖7示出本發(fā)吸--個有利的實(shí)施例；圖8示出其上有孔口的零件的特定實(shí)施例，它有利于定位與固定用于根據(jù)本發(fā) 明的組件的連接零件；及圖9A和9B分別示出適用于制作中間元件塑性和彈性材料的機(jī)械性能，該機(jī)械性能與溫度的關(guān)系曲線。
具體實(shí)施方式
圖I不出適用于根據(jù)本發(fā)明的第-組件的連接元件IO。作為例子，它是由平坦 的可變性材M/中壓而成，所形成的第,面區(qū)11是以軸線A為中心的圓形，第二平 面區(qū)12是以軸線A為中心的環(huán)形，這兩個區(qū)域由大體為截錐形的可變形段13相互 連接起來。環(huán)形區(qū)12的內(nèi)徑大于圓形區(qū)11的直徑。錐形壁13與平面區(qū)11和12 的垂直方向具有或大或小的傾角。圖2示出采用圖1所g接元件10的本發(fā)明組件14的線II-II的剖面(見圖1)。在此組件中，金屬零件16和連接元件10的圓形平面區(qū)11之間有第一釬焊接頭 15，陶瓷材料零件(如CMC) 18和連接元件10的環(huán)形平面區(qū)12之間有第二釬焊 接頭，它們最好使用相同的焊料。圖1和圖2所示和采用的連接元件10可從一塊可變形材料的平板上用切割方法 并利用圓柱形沖頭沖出。航空使用的連接元件的垂直高度或尺寸約2mm,但應(yīng)明白此尺寸可隨不同用途 的特點(diǎn)而改變。連接元件10的各個部分的尺寸也可隨不同應(yīng)用而改變。就此題目而論，應(yīng)當(dāng)看到，連接元件10幾何參數(shù)的修改可改變所述應(yīng)力值。對尺寸約為10cm的零件而言，2mm的推薦尺寸使其沿切向可有彈性。例如在 熱循環(huán)期間，在差異膨脹的影響下，連接元件10的錐形段13能完全或部分吸收該 差異li脹，而不i機(jī)組件的強(qiáng)度。由于制作連接元件的材料是可^i的，因此總 的來i兌，圓柱部分的變形是無足輕重的。然而在圖2所示的實(shí)施例中，在其焊接接頭和在連接元件表層受剪可視察到有 高的應(yīng)力。下述的連接元件10'，見圖3，用于彌補(bǔ)此缺點(diǎn)。連接元件IO'的可變形段13'繞軸線A呈軸對稱，該段13'形成至少兩個自由波 紋19和20，這兩波紋相對于分別為圓形和環(huán)形的平面區(qū)11和12，交替的朝上和朝 下。該結(jié)構(gòu)仍有利地由可變形材料沖壓制作。可變形段13'中有自由的，既非焊接 的波紋存在，使該結(jié)構(gòu)更具10柔性。圖5示出連接元件10'的V-V剖面(見圖3)。平面區(qū)11和12由具有兩個自由 波紋19和20的可變形段13'連接起來。應(yīng)巧看到，在圖3和圖5中，不出的波紋19、 20基本上是平直的，但它們?nèi)钥?具,f其它形狀，如正弦形。對圖1所示連接元件所作的尺寸、體積和參數(shù)也同樣適用圖3的元件。應(yīng)當(dāng)看到，成型薄鋼板的厚度，波紋曲率半徑n、 r2、 r3、 ^、 r5、 r6.波紋長度I" 12，波紋19和20的特征高度h,、 h2、 h3，波紋與平面區(qū)垂直的夾角a卜a2、 a3，及 折逸平面區(qū)的長度1。、 13這些參數(shù)的改變都在設(shè)想之中，且成為改善元件的應(yīng)力和 剛度的特征數(shù)據(jù)。在圖1和圖3的實(shí)施例中，其組件在切力作用下的剛度在裝配面中是各向同性的。在采用具有圖3所示特征的連接元件的組f牛中，其焊接接頭上的剪應(yīng)力小于采 用圖1所示連接件的組件測定值。圖4所示的連接元件IO"可用于根據(jù)本發(fā)明所述的其他組件。在此實(shí)施例中， 連接元件IO"通常以波紋管式折疊扁條的形式出現(xiàn)。在圖4所示的例子中，扁條的 截面與圖5所示的一樣，這樣的連接元件也可以是沖壓結(jié)構(gòu)，或通過彎折或沿Y方 向擠壓而成。若是擠壓成型，如圖6所示，則在波狀表面22上有沿Y向的槽紋。 然后沿所述波狀表面22每隔Lmm切下一段連接元件10"。 還可設(shè)想例如用線切割方法加工諸如Inconel 718那樣金屬制作的零件。 本實(shí)例的中間元件IO"沿X方向最易變形(切向剛度)，沿Y方向剛性最大(橫 向剛度)。本實(shí)施例焊牛幾頭中的應(yīng)力低。其所獲得組件的岡岐低于基于軸對稱連接元件 10或10'的其它實(shí)施例，如圖1和3所示。扁條的幾何參數(shù)可以改變，以便在切向剛度(即沿X方向)最低，法向剛度(沿 Z方向)最高時，焊接接頭及結(jié)構(gòu)本身的最大應(yīng)力最低。于是可改變扁條的厚度e,波紋的曲率舉徑^、 r2、 r3、 r4、 r5、 r6，波紋的長度l,、 12，波紋19和20的高度h:、 h2、 h3，波紋與平面區(qū)垂直的夾角ai、 a2、 a3，及平面 區(qū)的長度lo、 13。三個高度h卜h2、 h:、代表可變段13，兩個自由波紋19、 20的特征。第一、第二、 第三高度&、 h2、 h3相當(dāng)于第一平面區(qū)11和波紋19底部之間、波紋19底部與波紋 20頂部之間，波紋20頂部與第二平面區(qū)12之間的基本上為直線的扁條的那部分的 高度，如圖5所w.本領(lǐng)域普通技術(shù)人員明白，高度h2選用值小于等于高度h、。不過，注意到自由度波紋的最小曲率半徑也是有好處的。因此h2的值選用小于 等于高度h,的1 Z3為好。在這里所述的例子中，選用及推薦的值限制在lmm的十分之幾，這是因為組 合零件之間的接頭應(yīng)不超過2mm.據(jù)說，推廣的觀點(diǎn)是^、 h2越大，則變形也越大， 應(yīng)力越小。下表列出的鄰幾何參數(shù)使Incond 718(商標(biāo)名稱)合金扁鋼帶獲得最大應(yīng)力與 剛度的最好平衡。hih2h3A^ct30.4mm0.3mmO.丄mm0.3mm5d0.5mm().75mm10mm為了提高預(yù)裝配面平行的切向剛度，在固定點(diǎn)23周圍沿徑向配置多個中間連接 元件10'，如圖7所示。在此實(shí)施例中，諸可變形薄板瞄準(zhǔn)固定點(diǎn)23。由于連接元件10"同心配置，因 lt樹中心點(diǎn)23作同心布置的裝配零件之間相對位置為零。這樣使組件在組裝平面內(nèi) 變得不易彎曲。中間元件10"可以這樣方式放置其自身的變形方向指向固定點(diǎn)23。這種布置削弱了切向剛度不足的影響。于是組裝在一起的兩零件在冷卻過程中 不相對變形指向組件中心，即固定點(diǎn)23，因此準(zhǔn)備組裝的兩個零件之間沒有相對運(yùn) 動。于是由于差異膨脹引起的變開分皮集中吸收。由于結(jié)構(gòu)在，變形方向垂直的方 向剛度較大，因此獲得了全面的剛性。此外，已知裝配零件之間在固定點(diǎn)處的相對位移為零且向外周增大，因此利用 該結(jié)構(gòu)在離開固定點(diǎn)柔性逐漸變大的特點(diǎn)是有利的。這一點(diǎn)有利于增進(jìn)固定點(diǎn)區(qū)域 的切向剛度。圖8輸出其上有孔或空穴31的裝配零件30的一個待定實(shí)施例，它可使中間連 接元件IO"定位在與圖7所示相應(yīng)的星形排列中。這種布置使中間連接元件IO"能 固定在零件30中，所述零件tti^是金屬零件，或也可是陶瓷材料制成的零件。為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，要求中間元件選用的制造材料保持在其齊性范圍內(nèi)。制造中 間連接元件的材豐權(quán)盡可能穩(wěn)固這點(diǎn)也是很重要的，以便在機(jī)械強(qiáng)度降低時有較大的余度，即好的韌性。圖9A和9B示出在選用中間元件材料時需要考慮的性能。在圖9A中，給出表 示純質(zhì)延性的中間連接元件機(jī)械性能的曲線IMD，與待組裝的金屬零件的性能曲線 HX的比較圖。可以看到機(jī)械性能(彈性極限，斷裂強(qiáng)度)的損失PP。曲線MP代表在與焊劑凝固溫度對應(yīng)的溫度Ts —F悍接時中間連接元件的最理想 的機(jī)械性能。低于凝固溫度Ts時，中間元件的機(jī)械性能最女刊氏于組裝件的金屬零件的機(jī)械性 能(HX)，以便使其能像延性材料一樣工作。在工作溫度TV時也必須具有足夠的機(jī) 械強(qiáng)度，根據(jù)經(jīng)驗，工作溫度TV約為上述凝固溫度T;的2/3，艮P:Ts= 3 /2TF式中i;及TV均以攝氏度表示。但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員知道，用純度延性的中間元件不能達(dá)到以曲線MP代表 的要求。為了減少這種材料的性能損失PP，組件尺寸必須做得過大。圖9B不出本發(fā)明適用的可變形中間連接元件的材料機(jī)械性能曲線ISC。該曲線 是耐高溫材料(如鐵基、鎳基、鉻基、鋁基、鈦基合金)的機(jī)械性能曲線，它在高 溫下性能降低很少。代替圖9 A中性能損失PP的是本圖看到的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度減弱幅度MAS。該幅度是 可 空的且用于隨意調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的柔性?？勺冃沃虚g連接元件也做成一維(1D)的波紋板，異形板，甚至在二維(2D D)方向有交叉波紋的金屬板。作為例子，制作這些結(jié)構(gòu)的材料可以從下面清單中選擇Fe C rAl Y基合金的 1D波紋板，海恩斯(Haynes) 230的2D波紋板(異形板)，鎳鉻鈦合金(Nimonic;) F5 的2D交叉波紋板(在一維波紋板的波紋槽中插入一維波紋扁條并焊牢，其實(shí)施例未示)o這種結(jié)構(gòu)尤其適用于將SiC基陶瓷^才料制作的零件與Inconel 718或TA6V合金基的金屬零件組裝起來，此清單不是限制性的。
權(quán)利要求
1.一種包括金屬零件(16)和由陶瓷材料制作的零件(18)的組件(14)，該組件的特征在于它包括至少一個通過釬焊組合到每個所述零件(16，18)上的中間連接元件(10’，10”)，所述中間連接元件由具有至少兩個平面區(qū)(11，12)的可變形薄板構(gòu)成，這兩個平面區(qū)(11，12)分別與所述兩控件(16，18)焊接并且由具有至少兩個自由波紋(19，20)的可變形段(13’)互相連接，該自由波紋(19，20)交替地朝向所述金屬零件(16)和陶瓷材料制作的零件(18)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的組件，其中陶瓷材料制作的所述零件(18)是基于碳 化硅和/或碳的。
3. 根據(jù)權(quán)禾腰求2戶誠的組件，其中陶瓷材料制作的所述零件(18)是由固體 碳化硅做成的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的組件，其中陶瓷禾才料制作的所述零件(18)包括由碳 化玩圭或碳纖維增強(qiáng)的陶瓷基體。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4戶誠的任--種組件，其中戶誠可變形段(13')有兩個自由 波紋(19， 20);其特征是，有三個高度(h,， h2， h3)，這三個高度中第二高度(h2) 大于或等于第一高度(h》的1/3。
6. 根據(jù)權(quán)禾腰求1至5戶腿的任一種組件，其中戶誠自由波紋(19， 20)是同 心的。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6戶腿的任一禾中組件，其中戶，中間連接元件(10，)包 括繞軸線(△)基本上為圓形的第一平面區(qū)(11)，與戶，第一區(qū)共軸的基本上為環(huán) 形的第二平面區(qū)(12)，其內(nèi)徑大于所述第一區(qū)的直徑，及三個繞戶iM軸線(△)回 轉(zhuǎn)對稱的波紋。
8. 根據(jù)權(quán)禾腰求1至5戶腿的任一種組件，其中戶腐中間連接元件(10")大 體呈扁條狀，該扁條沿主方向(X)呈波紋管式折疊。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的組件，其中所述眾多中間連接元件(10")繞固定點(diǎn) (23)徑向地排列。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9戶;M的組件，其中戶腿眾多中間連接元件(10")排列成使主方向(X)與繞戶脫固定點(diǎn)(23)的多條徑向成一直線。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9或10戶誠的組件，其中戶腿眾多中間連接元件在離開戶欣 固定點(diǎn)(23)時其柔性逐漸增加。
12. —種包括至少一個依據(jù)權(quán)利要求1至11戶誠任一禾中組件的渦輪機(jī)噴嘴，其 中所謎金屬零件(16)是戶服噴嘴的殼體而阮述陶瓷材料做的零件(18)是阮述噴嘴的閥瓣。
13.—種包括至少個依據(jù)權(quán)利要求1至11所述的任一種組件的渦輪機(jī)燃燒室，其中所-述金屬零件(16)是戶/M燃料室的殼體而所述陶瓷材料做的零f牛(18)是所 述'燃料室的部件。
14. 一種包括至少 一個依據(jù)權(quán)利要求1至11所述的任一種組件的渦輪機(jī)補(bǔ)燃裝 置，其中所述金屬零件(16)是補(bǔ)燃?xì)んw而所述陶瓷材料的零件是火焰穩(wěn)定器的柄。
15. —種包括至少--個根據(jù)權(quán)利要求1至11所述的任-種組件的渦輪機(jī)。
全文摘要
組件包括金屬零件，由陶瓷材料制成，及至少一個通過焊接與各所述零件組合起來的中間連接元件，所述中間連接元件(10’)由可變形薄板構(gòu)成，該薄板至少有兩個與所述零件焊接的平面區(qū)(11，12)，這兩個平面區(qū)(11，12)由可變形段(13’)相互連接起來，可變形段(13’)為至少兩個自由波紋(19，20)，這兩個自由波紋交替地朝向所述金屬零件和陶瓷材料零件。
文檔編號C04B37/02GK101326138SQ200680046260
公開日2008年12月17日 申請日期2006年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月8日
發(fā)明者奧利維爾·吉利亞, 帕斯卡爾·勒維德, 約爾·邁克爾·比諾伊特, 讓-弗朗西斯·弗羅曼特恩 申請人:斯奈克瑪;法國原子能委員會