金属零件与用陶瓷材料制作的零件的焊接组件

摘要

组件包括金属零件，由陶瓷材料制成，及至少一个通过焊接与各所述零件组合起来的中间连接元件，所述中间连接元件(10’)由可变形薄板构成，该薄板至少有两个与所述零件焊接的平面区(11，12)，这两个平面区(11，12)由可变形段(13’)相互连接起来，可变形段(13’)为至少两个自由波纹(19，20)，这两个自由波纹交替地朝向所述金属零件和陶瓷材料零件。

说明书

技术领域

本发明涉及将两种具有不同热机性能的材料焊接在一起的广泛领域。

更准确的说，本发明适用于将金属件与用陶瓷材料，如碳化硅及或碳基材料制作的零件钎焊在一起。

背景技术

用陶瓷材料制作的零件可以用固体碳化硅构成。他也可以由热结构复合材料构成，特别是用由用碳化硅或碳纤维增强的陶瓷基质复合材料(Ceramic MatrixComposite，CMC)构成。

热结构复合材料的特点在于其机械性能使其适合于构成结构零件，同时在高温下还保留这些机械性能。它是由纤维增强材料构成，在纤维增强材料的缝隙中至少部分地填充耐高温材料的基料以增加密度。通常选择碳与陶瓷材料(即非金属材料也非有机材料)，特别是碳化硅(Silicon Carbide，Sic)，作为纤维材料和陶瓷材料。

作为例子，本发明可用于将陶瓷材料制作的零件与由钛、铝、及钒的合金(TA6V)或因康镍合金(Inconel 718，是注册商标)，其是一种镍基合金，其化学组成为NiCr19Fe19Nb5Mo3。

陶瓷材料制作的零件的机械性能及这些性能在高温下保持不变的事实，使这些材料特别适用于制作耐受高的热机械应力的零件，具体说，适用于航空业(发动机部件，整流罩构件)。当陶瓷材料用碳化硅或碳纤维增强时，他们便成为金属材料的代用品，具有很多优点，尤其在减轻重量和延长使用部分方面。

按照惯例，陶瓷材料制作的零件和用铆接或螺栓连接组装在一起的金属零件，但有时这种连接由于尺寸、重量或难以实现等原因不能适用。

此外，供陶瓷材料及其相关的有机前体适用的现有组装方法并不适用于陶瓷材料与金属之间同类组装。

由于陶瓷材料与金属的热力学和化学性能十分不同，所以连接两种陶瓷材料所采用的现有钎焊技术难以用于将陶瓷材料与金属间的异质焊接。

镍基、铝基和钒基金属合金的膨胀系数约为陶瓷材料的二至三倍。

更确切的说，这些合金500℃时的膨胀系数约为10×10^-6K^-1±15％，而CMC膨胀系数约为2.5×10^-6K^-1至4.0×10^-6K^-1±15％。

因此，对于30mm长的组件而言，它从焊剂的凝固温度冷却到环境温度时测出的膨张偏差达0.2mm。

这一偏差导致两个零件内出现高应力，具体地，在焊接接头靠近陶瓷区域处出现压缩力，而在靠近金属零件区域出现拉力。这些应力引起的局部变形能使零件之一发生断裂或导致焊接接头强度的降低。

这种形变在金属零件中是不可逆的。在陶瓷零件中，尤其是用CMC制作时，这种形变能引起脆性断裂。当应力太高时会突然发生这样的断裂。在交变应力作用下逐步积累损伤也会出现断裂。

发明内容

本发明的主要目的是通过提出一种组件来削弱这种缺点，它包括金属零件、陶瓷材料制作的零件、和至少一件将每一所述零件用焊接方法组装起来的中间连接件，该中间连接件由可变薄板构成，薄板有焊接面区域和可变形段。

作为例子，可选用Ag-Mn或Ag-Cu-Ti型的焊剂，使其所获组件在温度高达500℃时仍然牢固。

根据本发明，用陶瓷材料制作的零件与金属零件之间的差异膨胀被可变形薄板吸收。

于是本组件对差异膨胀有热适应力，同时尽可能保持在弹性范围以内。为了能承受焊后的冷却及操作中的热循环，必须在陶瓷材料制作的零件和金属零件之间容纳差异膨胀。

在一优选实例中，陶瓷材料制作的零件是有碳化硅SiC和/或碳做成的。

例如，陶瓷材料零件由固体碳化硅制造。

在又一实施例中，陶瓷材料零件包括由碳化硅或者碳纤维增强的陶瓷基料。

在一优选实施例中，可变形薄板包括至少两个可变形波纹，这些可变形波纹交替地朝向金属零件和由陶瓷材料制成的零件。

优选地，至少一个可变形波纹是自由的，这种自由波纹保证了用于焊接连接的增大的弹性。

自由波纹的高度有利地用于在折叠方向修改刚性。

在第一变异的实例中，诸可变形波纹是同心的。

在该第一实施例中，中间连接元件包括：绕轴大体上呈圆形的第一平面区，与第一平面区共轴的大体上呈环形且其内径大于所述第一区直径的第二平面区，及绕上述轴线对称回转的波纹。

由于这一对称性，不管最大应力作用线的方向如何，这样的连接元件的作用相同。

在另一实例中，连接元件往往以波纹管式折叠带的形式存在。

在本发明一有利的实施例中，该组件包括多个中间连接元件，它们在一固定点四周沿径向排列。

使用这种连接元件，在焊接点周围应力低，刚性能够被改变。

用这种连接元件以辐射状作星形排列可有力地呈现同心配置的波纹，这些波纹在径向方向上是间断的(该间断是由沿多条径向的空隙构成)，因而能使离开这些同心圆的切向应力降低或消失。

中间连接元件最好排列在固定点周围的多条径向方向上。

该实例可使金属零件与陶瓷材料零件的组合件的刚度提高。

在所述固定点周围，因金属零件膨胀引起的偏移随离开固定点的距离而增加。

在这种配置的特定实施例中，中间元件挠性随离开固定点而增加。

这一配置的特定实施例用来弥补上述偏移的增大。

本发明还提供一种包括至少一个上述组件的涡轮机喷嘴，在该组件中金属零件是所述喷嘴的壳体(或操作体)，而陶瓷材料的零件是喷嘴的阀瓣。

本发明还试图提供一种包括至少一个上述组件的滑轮机燃烧室，在该组件中金属零件是该燃烧室的壳体(或其零件，或其接头——即连接元件)，而陶瓷材料的零件是该燃烧室的部件。

本发明还提供包括至少一个上述组件的滑轮机补燃装置，在该组件中金属零件是补燃壳体(或补燃装置的座)，而陶瓷材料零件是火焰稳定器的托架。

本发明还提供一种包括至少一个上述组件的涡轮机。

附图说明

本发明的其他特征和优点可参照附图从以下说明中显现，附图显示的实施例不具有限制性，其中：

图1示出适用于根据本发明所述第一组件的连接元件；

图2是采用图1的连接元件的本发明组件的剖面图；

图3示出适用于根据本发明的第二组件的连接元件；

图4示出适用于根据本发明的第三组件的连接元件；

图5是图3和图4连接元件的不完整剖面；

图6示出一个波纹面，从中可以看到图5所示那种中间元件；

图7示出本发明一个有利的实施例；

图8示出其上有孔口的零件的特定实施例，它有利于定位与固定用于根据本发明的组件的连接零件；及

图9A和9B分别示出适用于制作中间元件塑性和弹性材料的机械性能，该机械性能与温度的关系曲线。

具体实施方式

图1示出适用于根据本发明的第一组件的连接元件10。作为例子，它是由平坦的可变性材料冲压而成，所形成的第一平面区11是以轴线△为中心的圆形，第二平面区12是以轴线△为中心的环形，这两个区域由大体为截锥形的可变形段13相互连接起来。环形区12的内径大于圆形区11的直径。锥形壁13与平面区11和12的垂直方向具有或大或小的倾角。

图2示出采用图1所示连接元件10的本发明组件14的线II-II的剖面(见图1)。

在此组件中，金属零件16和连接元件10的圆形平面区11之间有第一钎焊接头15，陶瓷材料零件(如CMC)18和连接元件10的环形平面区12之间有第二钎焊接头，它们最好使用相同的焊料。

图1和图2所示和采用的连接元件10可从一块可变形材料的平板上用切割方法并利用圆柱形冲头冲出。

航空使用的连接元件的垂直高度或尺寸约2mm，但应明白此尺寸可随不同用途的特点而改变。连接元件10的各个部分的尺寸也可随不同应用而改变。

就此题目而论，应当看到，连接元件10几何参数的修改可改变所述应力值。

对尺寸约为10cm的零件而言，2mm的推荐尺寸使其沿切向可有弹性。例如在热循环期间，在差异膨胀的影响下，连接元件10的锥形段13能完全或部分吸收该差异膨胀，而不会危机组件的强度。由于制作连接元件的材料是可变形的，因此总的来说，圆柱部分的变形是无足轻重的。

然而在图2所示的实施例中，在其焊接接头和在连接元件表层受剪可视察到有高的应力。

下述的连接元件10’，见图3，用于弥补此缺点。

连接元件10’的可变形段13’绕轴线△呈轴对称，该段13’形成至少两个自由波纹19和20，这两波纹相对于分别为圆形和环形的平面区11和12，交替的朝上和朝下。该结构仍有利地由可变形材料冲压制作。可变形段13’中有自由的，既非焊接的波纹存在，使该结构更具10柔性。

图5示出连接元件10’的V-V剖面(见图3)。平面区11和12由具有两个自由波纹19和20的可变形段13’连接起来。

应当看到，在图3和图5中，示出的波纹19、20基本上是平直的，但它们仍可具有其它形状，如正弦形。

对图1所示连接元件所作的尺寸、体积和参数也同样适用图3的元件。

应当看到，成型薄钢板的厚度，波纹曲率半径r₁、r₂、r₃、r₄、r₅、r₆波纹长度l₁、l₂，波纹19和20的特征高度h₁、h₂、h₃，波纹与平面区垂直的夹角α₁、α₂、α₃，及所述平面区的长度l₀、l₃这些参数的改变都在设想之中，且成为改善元件的应力和刚度的特征数据。

在图1和图3的实施例中，其组件在切力作用下的刚度在装配面中是各向同性的。

在采用具有图3所示特征的连接元件的组件中，其焊接接头上的剪应力小于采用图1所示连接件的组件测定值。

图4所示的连接元件10”可用于根据本发明所述的其他组件。在此实施例中，连接元件10”通常以波纹管式折叠扁条的形式出现。在图4所示的例子中，扁条的截面与图5所示的一样，这样的连接元件也可以是冲压结构，或通过弯折或沿Y方向挤压而成。若是挤压成型，如图6所示，则在波状表面22上有沿Y向的槽纹。

然后沿所述波状表面22每隔Lmm切下一段连接元件10”。

还可设想例如用线切割方法加工诸如Inconel 718那样金属制作的零件。

本实例的中间元件10”沿X方向最易变形(切向刚度)，沿Y方向刚性最大(横向刚度)。

本实施例焊接接头中的应力低。其所获得组件的刚度低于基于轴对称连接元件10或10’的其它实施例，如图1和3所示。

扁条的几何参数可以改变，以便在切向刚度(即沿X方向)最低，法向刚度(沿Z方向)最高时，焊接接头及结构本身的最大应力最低。

于是可改变扁条的厚度e，波纹的曲率半径r₁、r₂、r₃、r₄、r₅、r₆，波纹的长度l₁、l₂，波纹19和20的高度h₁、h₂、h₃，波纹与平面区垂直的夹角α₁、α₂、α₃，及平面区的长度l₀、l₃。

三个高度h₁、h₂、h₃代表可变段13’两个自由波纹19、20的特征。第一、第二、第三高度h₁、h₂、h₃相当于第一平面区11和波纹19底部之间、波纹19底部与波纹20顶部之间，波纹20顶部与第二平面区12之间的基本上为直线的扁条的那部分的高度，如图5所示.

本领域普通技术人员明白，高度h₂选用值小于等于高度h₁。

不过，注意到自由度波纹的最小曲率半径也是有好处的。因此h₂的值选用小于等于高度h₁的1/3为好。

在这里所述的例子中，选用及推荐的值限制在1mm的十分之几，这是因为组合零件之间的接头应不超过2mm.据说，推广的观点是h₁、h₂越大，则变形也越大，应力越小。

下表列出的一组几何参数使Inconel 718(商标名称)合金扁钢带获得最大应力与刚度的最好平衡。

  e    h₁    h₂    h₃    α₁-α₃    l₁-l₃    r₁-r₆    l₀  0.4mm    0.3mm    0.1mm    0.3mm    5°    0.5mm    0.75mm    1.0mm

为了提高预装配面平行的切向刚度，在固定点23周围沿径向配置多个中间连接元件10’，如图7所示。

在此实施例中，诸可变形薄板瞄准固定点23。由于连接元件10”同心配置，因此对中心点23作同心布置的装配零件之间相对位置为零。这样使组件在组装平面内变得不易弯曲。中间元件10”可以这样方式放置：其自身的变形方向指向固定点23。

这种布置削弱了切向刚度不足的影响。于是组装在一起的两零件在冷却过程中不相对变形指向组件中心，即固定点23，因此准备组装的两个零件之间没有相对运动。于是由于差异膨胀引起的变形被集中吸收。由于结构在优选变形方向垂直的方向刚度较大，因此获得了全面的刚性。

此外，已知装配零件之间在固定点处的相对位移为零且向外周增大，因此利用该结构在离开固定点柔性逐渐变大的特点是有利的。这一点有利于增进固定点区域的切向刚度。

图8输出其上有孔或空穴31的装配零件30的一个特定实施例，它可使中间连接元件10”定位在与图7所示相应的星形排列中。这种布置使中间连接元件10”能固定在零件30中，所述零件优选是金属零件，或也可是陶瓷材料制成的零件。

为了实现本发明，要求中间元件选用的制造材料保持在其弹性范围内。制造中间连接元件的材料要尽可能稳固这点也是很重要的，以便在机械强度降低时有较大的余度，即好的韧性。

图9A和9B示出在选用中间元件材料时需要考虑的性能。在图9A中，给出表示纯质延性的中间连接元件机械性能的曲线IMD，与待组装的金属零件的性能曲线HX的比较图。可以看到机械性能(弹性极限，断裂强度)的损失PP。

曲线MP代表在与焊剂凝固温度对应的温度T_s下焊接时中间连接元件的最理想的机械性能。

低于凝固温度T_s时，中间元件的机械性能最好低于组装件的金属零件的机械性能(HX)，以便使其能像延性材料一样工作。在工作温度T_F时也必须具有足够的机械强度，根据经验，工作温度T_F约为上述凝固温度T_s的2/3，即：

T_s＝3/2T_F

式中T_s及T_F均以摄氏度表示。

但本领域普通技术人员知道，用纯度廷性的中间元件不能达到以曲线MP代表的要求。为了减少这种材料的性能损失PP，组件尺寸必须做得过大。

图9B示出本发明适用的可变形中间连接元件的材料机械性能曲线ISC。该曲线是耐高温材料(如铁基、镍基、铬基、铝基、钛基合金)的机械性能曲线，它在高温下性能降低很少。

代替图9A中性能损失PP的是本图看到的结构强度减弱幅度MAS。该幅度是可控的且用于随意调节结构的柔性。

可变形中间连接元件也做成一维(1D)的波纹板，异形板，甚至在二维(2DD)方向有交叉波纹的金属板。

作为例子，制作这些结构的材料可以从下面清单中选择：Fe C rAl Y基合金的1D波纹板，海恩斯(Haynes)230的2D波纹板(异形板)，镍铬钛合金(Nimonic)F5的2D交叉波纹板(在一维波纹板的波纹槽中插入一维波纹扁条并焊牢，其实施例未示)。

这种结构尤其适用于将SiC基陶瓷材料制作的零件与Inconel 718或TA6V合金基的金属零件组装起来，此清单不是限制性的。