本发明涉及高温形状记忆合金致动器。具体而言,提供了一种具有致动器主体(201)的高温部件,该致动器主体(201)具有包括形状记忆合金的可致动部分,该形状记忆合金含有镍、铝、铌、钛、钽中的一种或多种和铂系金属。形状记忆合金在预定温度时具有改变的几何形状。致动器主体(201)也能在高温氧化环境下工作并能抵抗高温氧化环境。本发明还公开了用于形成致动器的方法和用于高温控制的方法。
1.一种高温燃气涡轮发动机部件,包括: 致动器主体(201),所述致动器主体(201)具有包括形状记忆合金的 可致动部分,所述形状记忆合金含有从由镍、铝、铌、钛、钽及其组 合构成的组中选出的一种或多种元素和从由铂、钯、铑、钌、铱及其 组合构成的组中选出的铂系金属,所述形状记忆合金在预定温度以上 时具有改变的几何形状;并且 其中,所述致动器主体(201)能抵抗高温氧化环境。
2.根据权利要求1所述的部件,其特征在于,所述致动器主体(201) 的改变的几何形状更改了气流路径。
3.根据权利要求1所述的涡轮发动机部件,其特征在于,由于 所述涡轮发动机部件在工作期间使得达到或超过所述预定温度,所述 可致动部分在所述预定温度以下时基本上处于马氏体相,而在所述预 定温度以上时基本上处于奥氏体相。
4.根据权利要求1所述的涡轮发动机部件,其特征在于,所述 致动器主体(201)被固定到或相邻于从由喷嘴、排气结构、罩、罩悬挂 件、叶片、盘、密封件、燃烧室及其组合构成的组中选出的部件。
5.根据权利要求1所述的涡轮发动机部件,其特征在于,所述 致动器主体(201)形成到从由喷嘴、排气结构、罩、罩悬挂件、叶片、 盘、密封件、燃烧室及其组合构成的组中选出的部件中。
6.根据权利要求1所述的涡轮发动机部件,其特征在于,所述 形状记忆合金包括下列式的合金: (A_1-xPGM_x)_0.5+yB_0.5-y其中,A是从由镍、钴、铁及其组合构成的组中选出的元素;B 是从由铝、铬、铪、锆、镧、钇、铈、钛、钼、钨、铌、铼、钽、钒 及其组合构成的组中选出的元素;PGM是从由铂、钯、铑、钌、铱及 其组合构成的组中选出的铂系元素;x从大于0到大约1,且y从大 约0到大约0.23。
7.根据权利要求6所述的涡轮发动机部件,其特征在于,所述 形状记忆合金包括下列式的合金: (A_1-xPGM_x)_0.5+yB_0.5-y其中,x从大约0.05到大约0.6,且y从大约0.01到大约0.2。
8.根据权利要求1所述的涡轮发动机部件,其特征在于,所述 形状记忆合金包括下列式的合金: (A_1-xPGM_x)_0.5+yB_0.5-y其中,A基本上是镍和钴,PGM是铂和钯中之一或者二者,B基 本上是铝和钛,且钛与铝的比为从大约0.1到大约10。
9.根据权利要求6所述的涡轮发动机部件,其特征在于,所述 形状记忆合金包括下列式的合金: (A_1-xPGM_x)_0.5+yB_0.5-y其中,B还包括高达10原子%的铬,以及高达2原子%的铪、锆 中之一或者二者和钇。
10.根据权利要求1所述的涡轮发动机部件,其特征在于,所述 形状记忆合金包括下列式的合金: Ru_0.5+y(Nb_1-xTa_x)_0.5-y其中,x从大约0到大约1,且y从大约-0.06到大约0.23。 技术领域 本公开一般涉及包括用于在高温下致动的用形状记忆合金的结 构的部件,例如燃气涡轮发动机中的部件。 背景技术 在燃气涡轮发动机中,空气在压缩机内被加压,在燃烧室内与燃 料混合并被点燃从而产生热燃烧气体。热燃烧气体流入发动机的涡轮 部分。发动机的涡轮部分典型地包括多个级,其可包括涡轮叶片 (turbinexa0blade)与涡轮导叶(turbinexa0vane)的组合。膨胀的燃烧气体通过 施加压力于用于使涡轮轴转动的叶片上而驱动涡轮。利用涡轮轴的转 动来产生电力或产生机械驱动力。导叶典型地包括翼型构造并将燃烧 气体引导至涡轮的下一级涡轮叶片。这些燃烧气体使得涡轮叶片与涡 轮导叶暴露在高温且腐蚀性的环境下。 通过对包括基于铁、镍及钴基超合金在内的高性能材料的开发, 以用于在保持机械完整性与尺寸稳定性的同时应对工作应力与温度 的组合,已经在耐高温能力领域取得了巨大的进步。涡轮效率与可靠 性的进一步改良源于使用了能够防止超合金被氧化及被热腐蚀的周 围涂层。然而,由于现在还未发现能够承受涡轮发动机工作期间的高 温及氧化环境的形状记忆合金,因此还不存在用于这些方面以及类似 高温应用的形变致动器。 基于镍-钛系统的形状记忆合金已经在商业上被采用在各种的低 温应用中。然而,由于在大约250°C温度以上镍-钛系统因相变与氧化 会经历快速的退化。 因此,期望得到一种能用于高温应用的包括形状记忆合金的部 件,其具有在高温和氧化环境下、例如在涡轮发动机的工作条件下工 作和/或致动的能力。 发明内容 本公开的一个实施例包括一种具有致动器主体的高温燃气涡轮 发动机部件,该致动器主体具有包括形状记忆合金的可致动部分,该 形状记忆合金含有镍(Ni)、铝(Al)、铌(Nb)、钛(Ti)和/或钽(Ta)以及铂 系金属(PGM)。致动器主体在预定温度下具有改变的几何形状。致动 器还能抵抗高温氧化。 本公开的另一实施例包括一种形成用于致动的高温形状记忆合 金的方法。该方法包括:提供一种形状记忆合金,其含有从由镍、铝、 铌、钛、钽及其组合构成的组中选出的一种或多种元素和从由铂(Pt)、 钯(Pd)、铑(Rh)、钌(Ru)、铱(Ir)及其组合构成的组中选出的铂系金属。 该合金被加热至预定的高温。然后合金在预定温度被形变以赋予对高 温的形状记忆。根据功能上的需要,形状记忆合金可以被反复热机械 处理,以实现形状记忆合金更好的可逆性。然后合金被固定在结构/ 部件上以形成高温形状记忆致动器。 本公开的又一实施例包括一种提供高温致动控制的方法。该方法 包括提供一种包括致动器主体的高温致动器,该致动器主体具有包括 形状记忆合金的可致动部分,该形状记忆合金含有从由镍、铝、铌、 钛、钽及其组合构成的组中选出的一种或多种元素和从由铂、钯、铑、 钌、铱及其组合构成的组中选出的铂系金属。致动器主体在预定温度 下具有改变的几何形状。致动器能抵抗高温氧化。该方法还包括将致 动器暴露在预定温度下以改变可致动部分的几何形状。可以通过环境 温度的改变、电阻加热或其类似来实现预定温度。 从下文对优选实施例更详细的描述,并结合通过实例来说明本公 开原理的附图,可以明白本公开的其它特征和优势。 附图说明 图1显示了根据本公开的实施例的燃气涡轮发动机的涡轮部分的 一部分的横截面图。 图2显示了如图1所示的根据本公开的实施例的燃气涡轮发动机 的涡轮部分的一部分的放大视图。 图3显示了根据本公开的实施例的致动器。 图4显示了根据本公开的另一实施例的致动器。 图5显示了实例1和对比实例2的受到热循环的形状记忆合金涂 层的照片。 图6显示了实例1和对比实例2的形状记忆合金涂层的重量增加 与热氧化循环的图表。 在任何可能的情况下,所有图中使用相同的参考标号表示相同或 类似的部件。 具体实施方式 于此公开的是用在高温致动器中的材料。于此使用的“致动器”、 “致动”、“可致动的”和其语法变化的意思涵括了设备或部件以及运动 或功能,该运动和功能包括对暴露在某一条件下、例如对暴露在预定 温度或温度范围作出响应的机械设备或系统的移动或控制。例如,形 状记忆合金可以结合到致动器中,其中该形状记忆合金可以用于当暴 露在预定温度下时以控制的方式操纵或移动部件的表面或部分。另 外,含有致动器的形状记忆合金在首次暴露于某一温度期间能不可逆 地展开或以别的方式移动,并且之后保持基本上静止。根据特定实施 例的致动器包括部件或部件的部分,其包括一种或多种能够在高温和 氧化条件下、例如在燃气涡轮发动机中出现的条件下使用的形状记忆 合金。 涡轮发动机部件大体由高温合金、例如超合金形成,而且已知其 在拉伸强度、抗蠕变和抗氧化方面的高温性能。实例包括镍基合金、 钴基合金、铁基合金以及钛基合金。在一个实施例中,形状记忆合金 材料可被制造到涡轮部件中,以提供期望的部件致动功能。制造方式 可包括将形状记忆合金机械连接或冶金结合到致动器主体和/或涡轮 部件中。 根据本公开的实施例的形状记忆合金的特征在于温度相关的相 变。这些相包括马氏体相和奥氏体相。在以下的讨论中,马氏体相一 般是指低温相,而奥氏体相一般是指高温相。马氏体相一般较易于变 形,而奥氏体相一般则较难以变形。当形状记忆合金处于马氏体相, 并且被加热至某一温度以上时,形状记忆合金开始变至奥氏体相。此 现象开始时的温度被称为奥氏体开始温度(A_s)。此现象完成时的温度 被称为奥氏体完成温度(A_f)。当形状记忆合金处于奥氏体相并且被冷 却时,它开始转变至马氏体相。此现象开始时的温度被称为马氏体开 始温度(M_s)。转变至马氏体相完成时的温度被称为马氏体完成温度 (M_f)。 形状记忆合金可以显示出单程形状记忆效应、固有的双程形状记 忆效应,或者非固有的双程形状记忆效应,这取决于特定的合金成分、 加工历史以及(在非固有的情况下)致动器构造。退火的形状记忆合金 典型地只显示出单程形状记忆效应。在形状记忆材料的低温变形(M_f以下)之后将其加热至奥氏体完成温度以上时会使其恢复到原始的高 温奥氏体(A_f以上)形状。因此,通过加热可以观察到单程形状记忆效 应。 固有和非固有的双程形状记忆材料的特征在于从马氏体相加热 到奥氏体相时和从奥氏体相冷却到马氏体相时的形状转变。固有的双 程形状记忆行为必须通过加工而在形状记忆材料中引起。这些步骤可 以包括在材料处于马氏体相时使其变形,之后在约束下反复地加热和 冷却经过转变温度。一旦材料已经被训练成显示出双程形状记忆效 应,那么其在低温状态与高温状态之间形状变化一般是可逆的,并且 能够持续大量次数的热循环。与此相反,显示出非固有的双程形状记 忆效应的结构是将显示出单程效应的形状记忆合金与提供用于恢复 低温形状的恢复力的另一元件组合在一起。非固有的双程形状记忆效 应的实例包括将形状记忆合金固定到不同的材料上,通过激光退火或 喷丸处理及其类似来改变形状记忆合金的表面。在此类情况下,致动 器主体的一部分被用于在加热时引起单程形状记忆致动,而致动器主 体的另一部分被用于在冷却经过转变温度时提供形状恢复力。 本公开的一个实施例包括一种形成形状记忆致动器的方法。根据 本公开的形状记忆合金可以利用在致动器机构上,以响应预定温度来 提供致动。形状记忆合金被赋予期望的几何形状和/或构造,用于在致 动器工作期间致动。该方法包括提供含有镍、铝、铌、钛、钽或其组 合和铂系金属的形状记忆合金。该合金可以通过已知的用于制造形状 记忆合金的方法来制造。例如,合金可以用真空熔炼来制造,例如真 空感应熔炼或真空电弧熔炼,以形成形状记忆合金合成物的锭块,可 选择地之后进行变形工艺,例如轧制、挤压、锻造、拉拔和/或型锻。 备选地,形状记忆合金可以通过沉积(如热喷涂、物理气相沉积、真空 电弧沉积)来制造。另外,合金也可通过粉末固结来制造。一旦制成, 合金被加热至足够的温度以赋予其期望的高温形状,例如加热至奥氏 体完成温度以上的温度。在高温下使合金变形以赋予其在高温工作时 的期望几何形状。当冷却至马氏体相时,形状记忆合金保持其奥氏体 相的几何形状。在A_s以下的温度下合金任何以后的变形会在重新加热 至A_f以上的温度来恢复。形状记忆效应的可逆性可以通过热机械训练 来改进。该训练可以包括在低温马氏体状态下使合金轻微变形。轻微 形变的一个实例可以包括赋予大约2%的塑性应变。然后合金在接近 或高于A_f的温度下退火。变形和退火工艺被反复进行多个循环,例如 一到十个循环,或者直到获得期望的形状记忆效应的可逆性为止。 用于提供致动的合适的形状记忆合金材料包括,但并不意指局限 于,镍-铝基合金,特别是具有铂系金属(即PGM)添加物(铑,钌,钯, 铱,铂)的镍-铝合金。合金成分选择成对于应用能提供期望的形状记 忆效应,例如但并不局限于,转变温度和应变、应变滞后、致动力、 屈服强度(马氏体相和奥氏体相的)、阻尼能力、抗氧化和抗热腐蚀性、 反复循环致动的能力、显示出双程形状记忆效应的能力、以及其它大 量的工程设计标准。对于在燃气涡轮发动机应用中的致动,形状记忆 合金具有极佳的抗氧化性(对于最热的应用高达1150°C)以及高转变温 度(需要在接近工作温度下进行致动的情况下)。合适的形状记忆合金 成分可以包括,但并不局限于符合分子式(A_1-xPGM_x)_0.5+yB_0.5-y的合金, 其中A为镍、钴、铁中的一种或多种;PGM包括一种或多种铂系金 属元素,包括铂、钯、铑、钌、铱;B包括铝、铬(Cr)、铪(Hf)、锆(Zr)、 镧(La)、钇(Y)、铈(Ce)、钛(Ti)、钼(Mo)、钨(W)、铌(Nb)、铼(Re)、 钽(Ta)、钒(V)中的一种或多种;x的范围为从大于0到大约1或者从 大约0.1到大约0.6原子分数,且y的范围为从大约0到大约0.23或 者从大约0.01到大约0.2原子分数。另外,合金可以还包括高达约1 原子%的碳和/或硼。一个实施例包括该分子式,其中A为镍,PGM 为铂和钯中的一种或多种;B为铝、铬、铪和锆中的一种或多种。另 一实施例包括该分子式,其中A为镍;PGM为钯;B为钛和铝;x为 大约0.4,且y从大约-0.1到大约0.1。在又一实施例中,B包括钛和 铝,且钛与铝的比从大约0.1到大约10。在又一实施例中,B包括高 达10原子%的铬和高达2原子%的铪、锆中之一或二者以及钇。 本公开的又一实施例包括具有分子式Ru_0.5+y(Nb_1-xTa_x)_0.5-y的合金 系统。这些合金系统还包括适合形状记忆特性的相,例如马氏体相和 奥氏体相。含钌系统的一个实施例包括合金,其中y从大约-0.06到大 约0.23原子分数,且x从大约0到大约1。 虽然形状记忆合金可以形成到致动器主体或致动器主体的一部 分内,但形状记忆合金也可以直接地固定到高温部件上。固定的具体 方法部分地取决于期望的几何形状、形状记忆合金的成分以及可致动 的部件。固定形状记忆合金到基础部件结构上的不同方法一般可被归 类为机械连接、沉积或者冶金结合。合适的机械连接方法包括但不局 限于铆接、螺栓连接、支撑或者丝线打捆。合适的沉积方法包括,但 不局限于通过电弧喷涂、电火花沉积、激光包覆、真空等离子喷涂、 惰性气体保护的热喷涂、等离子传递电弧、物理气相沉积或者真空电 弧沉积的包覆或涂覆。合适的冶金结合方法包括,但不局限于钎焊、 共挤压、爆炸结合、热等静压成型(HIP)、锻造结合、扩散结合、惰性 焊接、平移摩擦焊接,熔焊、摩擦搅拌焊接及其类似。 虽然已经参考了将形状记忆合金固定到涡轮部件上,但应注意到 包括根据本公开的形状记忆合金的涡轮部件也可以是能从固定的或 转动的涡轮部件分离和/或拆下的。例如,合适的部件可包括分离的密 封部件,其具有在腔体内自由浮动的结构,其通过加热而膨胀到期望 的几何形状。 图1是显示了根据本公开的实施例的利用形状记忆致动器的燃气 涡轮发动机的中心线横截面的视图。涡轮部100虽是三级涡轮,但也 可取决于涡轮设计而采用任何数量的级数。涡轮盘101安装在轴(未示 出)上,该轴沿发动机的中心线103延伸通过盘101中的孔,如图所示。 涡轮叶片102固定到盘101上。特别地,第一级叶片105连接到第一 级盘106上,而第二级叶片107连接到第二级盘108上,第三级叶片 109连接到第三级盘110上。导叶111从壳体113中延伸出。热燃烧 气体流过热气流路径中的导叶111和叶片102。第一级叶片105、第 二级叶片107、第三级叶片109以及导叶111延伸进入热气流路径中。 当安装在盘101上的叶片102由于热气体撞击到其上而转动时,导叶 111用来引导热气流,从而抽取能量以操作发动机。 轮间(wheelxa0space)密封件115用于密封盘101和涡轮叶片102的 下部以防止热燃烧气体通过,并且将热燃烧气体维持在热气流路径 中。密封件115形成边界以防止热气体的泄漏。然而密封件115在转 动期间会容易发生泄漏,特别是在工作温度下,因此期望将发生的泄 漏量减到最小。包括具有根据本公开的实施例的形状记忆合金材料的 致动器主体在内的致动器可以用来在高温下、例如在燃气涡轮发动机 的工作温度下展开,以降低穿过密封件115产生的泄漏量。 图2显示了图1中区域117的放大视图,显示了燃气涡轮机的位 于第一级叶片105和第一级盘106之前的一部分。由形状记忆合金制 成的多个形状致动器201沿轮间密封路径203被固定,燃烧气体可能 在此处发生泄漏。形状致动器201可以用任何的方式被固定在沿轮间 密封路径203的表面上,包括连接到金属表面或者以其它方式结合或 者固定到该表面上。形状致动器201构造成能够在燃气涡轮发动机的 工作温度时或低于工作温度的情况下运动或致动。特别地,当轮间密 封路径203内的温度开始超过大约奥氏体开始温度时致动可发生。在 奥氏体开始温度,形状致动器201内的形状记忆合金的几何形状开始 变化。虽然此过程可以是不可逆的,但形状致动器201也可包括双程 形状记忆特征,其中将形状致动器201冷却(例如轮间密封路径203内 的温度降低)到大约马氏体开始温度以下会导致相变为马氏体相,并且 使形状致动器201回到其相应的低温时的几何形状。形状记忆合金几 何形状的改变使得形状致动器201能够运动。该运动可以通过在单个 点或多个点处将致动器201固定到刚性表面上来提供,其中当处于奥 氏体相时,形状致动器201可以包括直的、弯的或者曲线的几何形状。 特别是在工作温度下,本实施例中的弯曲或其它运动提供了轮间密封 路径203内减小的横截面,泄漏可能穿过该横截面而发生,从而改善 了密封件115的性能。虽然图2显示了多个致动器201,但也能使用 任何数量或单个的致动器201,其中致动器201的位置可以包括在组 装和/或展开期间能提供期望功能的任何位置。致动器201可以单个地 设置或者被分割以适应单个零件的构造,例如围绕导叶111的周边方 向。备选地,一个或更多的致动器201可以在涡轮装配期间或之后被 固定到涡轮部件的表面上。 图3显示了致动器201的一个实例,其中致动器201以一定的方 式被固定到表面上,使得在致动器201暴露于超过约奥氏体开始温度 时能够在密封路径203内枢转运动。此实例中的致动器201被固定到 涡轮部件的表面上的某一位置处,并离开枢轴一段距离,以允许致动 器在致动期间绕枢轴转动。 图4显示了致动器201的一个实例,其中致动器201以一定的方 式沿某一位置被固定到涡轮部件的表面上,使得在致动器201暴露于 超过大约奥氏体开始温度时允许其的至少一部分向轮间密封路径内 弯曲或成弧形。 虽然图1-4描述了涡轮密封件,但是本公开并不局限于使用在密 封件中。本公开也可包括在任何高温和/或氧化环境中的形状致动器 201。虽然不作为限制,但包括根据本发明的形状记忆合金的形状致 动器201可以使用在涡轮喷嘴、叶片、罩、罩悬挂件、燃烧室、排气 嘴、盘以及其它暴露在高温下的密封件中,或邻近于上述部件,或与 上述部件结合使用。特别地,形状致动器201可以包括排气嘴或关联 结构,其中排气嘴的几何形状可以通过使用其中的形状记忆合金在工 作温度下改变或构造,用以提供对排出气体流量的控制或管理。在另 一实施例中,根据本公开的实施例的形状致动器201可以包括V形排 气装置,以提供起飞时的噪音降低和巡航时的空气动力效率。另外, 根据本公开的实施例的形状致动器201可以包括用于控制、调节和/ 或优化燃气涡轮发动机内的冷却气流分配的冷却空气分流器。 实例 单晶体超合金Renexa0N5试样涂覆有测试材料。该试样直径为25 毫米,厚度为3.25毫米。实例1包括50微米的(Ni,Pt)Al涂层,其具 有根据分子式Ni-40Al-6Co-5Pt-4Cr(原子%)的近似成分。对比实例2 包括275微米的镍钛涂层,其具有根据分子式Ni-47Ti(原子%)的成分。 对比实例2是广泛使用的镍钛-族形状记忆合金的代表。试样经过了空 气中反复的热循环,其中它们被加热到1150°C长达1小时,之后被 冷却至室温。图5显示了热循环之前、1个循环后及100个循环后的 实例1和对比实例2。注意到对比实例2由于单个循环后严重的氧化 而失效,但实例1甚至在1150°C的100个循环后仍保持完整。图6 用图表显示了实例1和对比实例2相对的质量增加。从这个实例中可 以看出,形状记忆合金的抗高温成分可以承受以涡轮工作为代表的苛 刻的氧化环境,然而本领域的技术人员已知的用于低温工作的镍钛基 形状记忆合金则在高温下被过于严重地氧化以至于不能使用。 虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述,但在不脱离本发 明的范围的情况下,可以对其进行各种改变并且可以用等效物替换其 元件。另外,在不脱离本发明的基本范围的情况下,可以进行多种修 改,以根据本发明的教导来改变特定的环境或材料。因此,本发明意 指并不局限于本文所公开的实施本发明的最佳实施方式的特定实施 例,而是本发明将包括落入所附的权利要求的范围内的所有实施例。