用于在涡轮硬件上选择性地产生热障涂层的方法

申请号 CN201380035109.2 申请日 2013-05-09 公开(公告)号 CN104411858B 公开(公告)日 2017-05-03
申请人 通用电气公司; 发明人 T.E.曼特科夫斯基; J.M.克罗; S.M.皮尔森; S.M.莫尔特;
摘要 提供一种在 翼型 部件上沉积陶瓷涂层并由此形成部件的方法。该方法包括在翼型部件上沉积粘结涂层,包括在翼型部件的限定其 后缘 的后缘区域上、在 定位 在后缘区域内并且与后缘间隔开的孔内以及在定位在后缘区域内并且位于孔之间的地带上沉积粘结涂层。然后将陶瓷涂层沉积在粘结涂层上,包括沉积在翼型部件的后缘区域上、定位在后缘区域内的孔内以及孔之间的地带上。在不完全去除后缘区域和孔之间的地带上的陶瓷涂层的情况下,选择性地去除孔内的陶瓷涂层。
权利要求

1.一种产生陶瓷涂层的方法,包括:
翼型部件上沉积粘结涂层,包括在所述翼型部件的限定其后缘的后缘区域上、在位于所述后缘区域内并且与所述后缘间隔开的孔内以及在位于所述后缘区域内并且位于所述孔之间的地带上沉积粘结涂层;
在粘结涂层上沉积陶瓷涂层,包括在所述翼型部件的所述后缘区域上、在定位在所述后缘区域内的所述孔内以及在所述孔之间的地带上沉积陶瓷涂层;以及然后在不完全去除所述后缘区域和所述孔之间的所述地带上的陶瓷涂层的情况下,选择性地去除所述孔内的所述陶瓷涂层。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述选择性地去除的步骤利用烧蚀激光器执行。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,从所述后缘区域选择性地去除所述陶瓷涂层以使所述陶瓷涂层成锥形,使得所述孔中的每一个的上游的陶瓷涂层的厚度沿朝向所述孔中的每一个的下游方向减小。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,从所述孔之间的所述地带选择性地去除所述陶瓷涂层以使所述陶瓷涂层成锥形,使得所述地带上的所述陶瓷涂层的厚度沿朝向所述后缘的下游方向减小。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述孔是所述部件的冷却孔。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述孔中的至少一个具有横截面沿朝向所述后缘的下游方向增大的形状。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述部件是高压涡轮叶片
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在不完全从所述孔、所述后缘区域以及所述孔之间的所述地带去除所述粘结涂层的情况下,选择性地去除所述陶瓷涂层。
9.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在不破坏所述孔中、所述后缘区域上以及所述孔之间的所述地带上的粘结涂层的情况下,选择性地去除所述陶瓷涂层。
10.通过根据权利要求1所述的方法制造的翼型部件。
11.一种翼型部件,包括:
限定所述翼型部件的后缘的后缘区域;
定位在所述后缘区域内并且与所述后缘间隔开的孔;
定位在所述后缘区域内并且位于所述孔之间的地带;以及
陶瓷涂层,所述陶瓷涂层位于所述翼型部件的所述后缘区域上以及位于所述孔之间的所述地带上,但不位于所述孔内。
12.根据权利要求11所述的翼型部件,其特征在于,所述后缘区域上的所述陶瓷涂层形成锥形,使得所述孔中的每一个的上游的陶瓷涂层的厚度沿朝向所述孔中的每一个的下游方向减小。
13.根据权利要求11所述的翼型部件,其特征在于,所述孔之间的所述地带上的所述陶瓷涂层形成锥形,以使所述地带上的所述陶瓷涂层的厚度沿朝向所述后缘的下游方向减小。
14.根据权利要求11所述的翼型部件,其特征在于,所述孔之间的地带的侧部上的陶瓷涂层形成锥形,使得所述地带的侧部上的所述陶瓷涂层的厚度沿朝向所述孔的下部部分的方向减小。
15.根据权利要求11所述的翼型部件,其特征在于,所述孔是所述翼型部件的冷却孔。
16.根据权利要求11所述的翼型部件,其特征在于,所述孔中的至少一个具有横截面沿着朝向所述后缘的下游方向增大的形状。
17.根据权利要求11所述的翼型部件,其特征在于,所述部件是高压涡轮机叶片。
18.根据权利要求11所述的翼型部件,还包括所述孔内的所述翼型部件的表面上的以及在所述翼型部件的所述后缘区域上的所述陶瓷涂层之下的粘结涂层。
19.一种用于在根据权利要求11所述的翼型部件上形成陶瓷涂层的方法,所述方法包括:
在所述翼型部件上沉积粘结涂层,包括在所述翼型部件的限定其后缘的后缘区域上、在定位在所述后缘区域内并且与所述后缘间隔开的孔内以及在定位在所述后缘区域内并且位于所述孔之间的地带上沉积粘结涂层;
在所述粘结涂层上沉积陶瓷涂层,包括在所述翼型部件的所述后缘区域上、在定位在所述后缘区域内的孔内以及在所述孔之间的所述地带上沉积陶瓷涂层;以及然后在不完全去除所述后缘区域和所述孔之间的所述地带上的所述陶瓷涂层的情况下,利用烧蚀激光器选择性地去除所述孔内的所述陶瓷涂层。
20.一种产生陶瓷涂层的方法,包括:
获得翼型部件,所述翼型部件包括:所述翼型部件上的粘结涂层,包括在所述翼型部件的限定其后缘的后缘区域上、在定位在所述后缘区域内并且与所述后缘间隔开的孔内以及在定位在所述后缘区域内并且位于所述孔之间的地带上的粘结涂层;以及在所述粘结涂层上的陶瓷涂层,包括在所述翼型部件的所述后缘区域上、在定位在所述后缘区域内的所述孔内以及在所述孔之间的所述地带上的陶瓷涂层;以及然后
在不完全去除所述后缘区域和所述孔之间的所述地带上的所述陶瓷涂层的情况下,选择性地去除所述孔内的所述陶瓷涂层。

说明书全文

用于在涡轮硬件上选择性地产生热障涂层的方法

[0001] 相关申请的交叉参考
[0002] 本申请要求于2012年6月30日提交的美国临时申请No.61/666,840和于2012年6月30日提交的美国临时申请No.61/666,838的权益,其内容通过引用方式结合到本文中。

背景技术

[0003] 本发明大致涉及从部件中的通孔或槽中选择性地去除涂层。更具体地,本发明涉及从由热障涂层(TBC)保护的翼型部件中的通孔或槽中选择性地去除陶瓷热障涂层TBC。
[0004] 位于燃气涡轮发动机的某些部分中的部件,比如涡轮机燃烧器增压器(augmentor)部分,通常利用陶瓷层热绝缘以便降低其工作温度,这使得发动机能够在更高的温度下更加有效地操作。这些涂层通常被称为热障涂层(TBC),其必须具有低的导热率、强地粘附物品并且在整个许多加热和冷却循环中保持粘着。能够满足这些要求的涂层系统一般包括将热绝缘陶瓷层粘着至部件的金属粘结涂层,形成所谓的TBC系统。例如为部分或完全由化钇(Y2O3)、氧化镁(MgO)和/或其他氧化物保持稳定的氧化锆(ZrO2)的金属氧化物已被广泛地用作用于TBC系统的陶瓷层的热绝缘材料。陶瓷层一般通过热技术沉积,例如空气等离子体喷镀(APS)或者比如为电子束物理汽相沉积(EBPVD)的物理汽相沉积(PVD)技术。粘结涂层一般由抗氧化扩散涂层形成,比如扩散化物或铂铝化物,或者抗氧化叠加涂层,比如为通常由MCrAlX合金(其中,M是、钴和/或镍,X是钇、稀土元素和/或活性元素)形成的类型。
[0005] 虽然TBC系统对下层部件基体提供显著的热保护,但是对于比如为燃烧器衬套以及高压涡轮(HPT)叶片(斗叶)和轮叶(喷嘴)的内部冷却通常是必要的,并且可以与TBC组合使用或者替代TBC使用。燃气涡轮发动机的空气冷却部件通常要求冷却气流通过精细地配置的冷却孔或槽排出,冷却孔或槽在部件表面上方分配冷却膜以提高冷却流的有效性。旨在提供膜冷却效应的冷却孔通常被称为扩散器(后缘区域)孔,并且具有截面沿下游方向增大的形状以降低在部件表面处由孔排出的空气的速度,由此提高部件表面的膜冷却的有效性。冷却孔的效率可以通过排放系数Cd进行量化,排放系数Cd是冷却孔的基于流量测量的有效面积与孔的实际面积的比值。由于孔内的表面状态(包括孔的入口和出口,这为通过孔的气流提供阻力),使得有效面积小于实际面积。由于每个开口的尺寸、形状和表面状态确定排出开口的空气流的量并且影响包含孔的冷却回路内的整体气流分布,因此,形成和配置冷却孔的方法是关键的。
[0006] 对于不需要TBC的部件,冷却孔一般通过比如为电子放电加工(EDM)和激光加工的常规钻孔技术形成,或者利用产生具有尺寸上正确的开口的铸件的复杂先进铸造操作形成。EDM技术不能被用于在具有TBC的部件中形成冷却孔,这是由于陶瓷是不导电的,激光加工技术易于通过使部件基体与陶瓷之间的分界面产生裂缝而使脆性陶瓷TBC剥落。因此,冷却孔通常在应用粘结涂层或TBC之前通过EDM和激光钻孔进行加工。虽然一般期望在冷却孔的内部沉积粘结涂层用于防氧化,但是由于TBC通过改变形状和减小冷却孔开口的尺寸以及通过在冷却空气排出时使金属与冷却空气绝热而减小了排放系数,因此沉积在空气冷却部件的冷却孔中的TBC的存在可以有害地影响部件的使用寿命。具有TBC的冷却孔的阻塞不仅随着新制造的空气冷却部件而发生,而且在修复从现场返回的部件上的TBC时也发生。在修复期间,一般去除所有现有粘结涂层和TBC,在此之后新的粘结涂层和TBC被沉积,因此能够通过TBC材料的沉积阻塞冷却孔。
[0007] 如上所述,能够看出,由于需要使冷却孔保持恰当的尺寸和形状,因此使得对由TBC保护的空气冷却部件的制造和修复复杂化。通常的方案是将冷却孔进行掩模处理以保持其想要的大小和形状。例如,通常的做法是对涡轮机叶片的后缘进行掩模处理,以免沿着冷却孔的后缘在冷却孔内沉积TBC。根据这一方案,翼型部件没有将降低翼型部件的后缘处的表面温度的TBC。
[0008] 已经提出各种技术用于从冷却孔去除TBC。日本专利公开No.平9-158702公开了一种方法,通过该方法将高压流体引入空气冷却部件的内部,使得流体通过冷却孔开口流出,并且在这种情况下去除由于在形成冷却孔之后使部件涂覆有陶瓷材料而已经阻塞冷却孔的陶瓷材料。另一种技术在授予Camm的美国专利No.6,004,620中公开,其中,利用朝向孔的无覆盖表面射出的射流去除冷却孔中聚集的陶瓷。虽然如上所述类型的技术已被用于从冷却孔去除陶瓷沉积,但是当前的挑战涉及产生具有期望的空气动力性能的冷却孔的能力,例如这是在陶瓷沉积的去除期间避免破坏或者以其他方式改变冷却孔及其周围TBC的表面特性而实现的。这种挑战适用于后缘区域孔,后缘区域孔的增大的横截面形状必须被谨慎地控制以实现部件表面的有效的膜冷却。

发明内容

[0009] 根据本发明,提供一种在翼型部件上沉积涂层并由此形成部件的方法,以及一种用于去除翼型部件中的孔内的陶瓷沉积物的方法。翼型部件的具体的但非限制的示例是燃气涡轮发动机的空气冷却部件。
[0010] 根据本发明的第一方面,一种方法包括在翼型部件上沉积粘结涂层,包括在翼型部件的限定其后缘的后缘区域上、在定位在后缘区域内并且与后缘间隔开的孔内、以及在定位在后缘区域内并且位于孔之间的地带(land)上沉积粘结涂层。然后在粘结涂层上沉积陶瓷涂层,包括在翼型部件的后缘区域上、在定位在后缘区域内的孔内以及在孔之间的地带上沉积陶瓷涂层。在不完全去除后缘区域和孔之间的地带上的陶瓷涂层的情况下,选择性地去除孔内的陶瓷涂层。
[0011] 根据本发明的第二方面,翼型部件包括限定翼型部件的后缘的后缘区域。孔定位在后缘区域内并且与后缘间隔开。地带定位在后缘区域内和孔之间。陶瓷涂层位于翼型部件的后缘区域上并在孔之间的地带上,但不在孔内。
[0012] 根据本发明的第三方面,一种方法包括获得翼型部件,所述翼型部件包括翼型部件上的粘结涂层和粘结涂层上的陶瓷涂层。粘结涂层和陶瓷涂层两者均位于翼型部件的限定其后缘的后缘区域上、定位在后缘区域内并且与后缘间隔开的孔内以及定位在后缘区域内并且位于孔之间的地带上。在不完全去除后缘区域和孔之间的地带上的陶瓷涂层的情况下,选择性地去除孔内的陶瓷涂层。
[0013] 本发明的另一方面涉及一种由如上所述的方法形成的翼型部件,其中,在不完全从孔中去除粘结涂层的情况下选择性地去除陶瓷涂层。
[0014] 本发明的技术效果在于能够利用热绝缘陶瓷材料涂覆空气冷却部件的较大部分,同时还消除了陶瓷材料在部件中的孔内的沉积。作为非限制性示例,本发明提供涂覆涡轮机叶片的整个翼型部分的能力,包括翼型部分的后缘(冷却孔设置在后缘中),同时并不明显地减低冷却孔的有效性,使得后缘和叶片作为整体能够承受更高的操作温度。
[0015] 将从以下的详细说明中更好地理解本发明的其他方面和优势。附图说明
[0016] 图1描绘了具有通过传统的现有技术的方法沉积以涂覆除翼型部分的后缘之外的全部翼型的TBC的HPT叶片,以及作为对比,图2描绘了具有涂覆叶片的整个翼型部分但沿其后缘的冷却孔没有涂覆的TBC的HPT叶片。
[0017] 图3描绘了根据本发明的一方面的涂覆邻近冷却孔的、HPT叶片的表面的TBC的横截面视图。
[0018] 图4描绘了根据本发明的一个方面的涂覆邻近相邻的冷却孔之间的地带的、HPT叶片的表面的TBC的横截面视图。
[0019] 图5表示能够通过本发明实现的翼型部分的表面上方的热负荷的减小。
[0020] 图6和图7描绘了HPT叶片的后缘区域的横截面,并且示出未涂覆冷却孔(图6)而涂覆相邻的冷却孔之间的地带(图7)的TBC。
[0021] 图8描绘了位于HPT叶片的后缘区域处的两个冷却孔,并且示出在邻近每个冷却孔的两个位置中成锥形的TBC。
[0022] 图9描绘了HPT叶片的后缘区域的横截面,并且示出未涂覆冷却孔而涂覆邻近冷却孔的地带的TBC,其中TBC沿着地带的侧部成锥形。

具体实施方式

[0023] 本发明涉及一种方法,通过该方法陶瓷涂层能够沉积在部件的表面上,但随后从表面中的孔中去除。在具体示例中,HPT叶片10在图1中表示为包括限定叶片10的翼型部分的后缘20的后缘区域18。如图2中所表示的,陶瓷涂层(TBC)14能够沉积在叶片10的后缘区域18上,包括位于后缘区域18内和冷却孔(槽)24之间的地带22,但从孔24中去除以免负面地影响其性能。
[0024] 根据本发明的优选的实施例,TBC14能够沉积在叶片10的整个翼型上,包括后缘20和后缘区域18。此后,烧蚀激光束被用于从后缘区域18的孔24中选择性地去除(刻蚀)TBC14。烧蚀激光束优选地通过激光发生器(未示出)产生,激光发生器的操作参数被控制并且激光发生器利用能够将激光束选择性地投射在后缘区域18的表面上的光栅模式,旨在从后缘区域18的表面部分地或完全地去除TBC14。用于实现该过程的适当的方式对于图形识别与控制程序方法的技术人员来说是已知的,因此在此将不进行详细论述。根据本发明的优选的方面,可以选择性地去除TBC14,以使对TBC14沉积其上的任何粘结涂层16破坏最小或不对其造成破坏。据认为所期望的是保持粘结涂层16以向限定冷却孔24的金属表面提供氧化保护。
[0025] 通过对比图1和图2可以领会本发明的有益效果,图1和图2示出两个实质上相同的HPT叶片10。图1描绘了根据传统实施涂覆叶片10的结果,其中,对应于叶片10的后缘区域18的黑色表面区域没有通过TBC14涂覆(如叶片10的更淡的表面区域所看到的)。这样,后缘区域18未被TBC14热保护。相比之下,图2中描绘的叶片10的翼型部分的整体,包括后缘区域18和孔24之间的地带22,均由TBC14保护,唯一的例外是后缘区域18内的孔24。这显著地降低了叶片10的翼型表面上的热负荷。
[0026] 图5示出由于该方法的热负荷的降低。跨越叶片10的表面的阴影变化,表示相对于叶片10的两个相对地布置的表面区域26的温度下降,两个相对地布置的表面区域26中的每一个均从叶片10的前缘向下游延伸。位于表面区域26的下游的两个相对地布置的表面区域28被表示为具有比区域26低大约0℃至20℃的温度,定位在表面区域28的下游的两个相对地布置的表面区域30被表示为具有比区域26低超过20℃的温度。如能够看到的,热减少跨越翼型的整个表面蔓延,包括后缘区域18、后缘20以及由最冷的表面区域30包围的地带22。
这些结果涉及叶片10的改善的耐久性能以及全部翼型冷却流量的8%的潜在节约。
[0027] 在本发明的优选的实施例中,由磨蚀激光器执行的刻蚀可被用于使TBC14围绕冷却孔24形成锥形,例如,以减少涡轮机叶片10周围的热气体与来自冷却孔24的冷却空气的混合。据认为表面之间的TBC14的厚度的相对急剧的变化趋于产生湍流和气体的混合。因此,优选的是,TBC14的厚度随着TBC14接近冷却孔24而逐渐地减小。另外,TBC14可以在后缘20附近成锥形,使得TBC14的厚度随着TBC14接近后缘20而逐渐地减小。据认为使叶片10的后缘的厚度最小化提高了叶片10的翼型部分的空气动力性能。图3和图4分别表示靠近冷却孔24的上游壁54和地带22的示例性锥形区域12。如图所示,TBC14可以形成锥形,以随着接近冷却孔24的上游壁和后缘20而厚度逐渐减小。
[0028] 图8描述了通过当前方法执行的形成锥形的结果。包围孔24的锥形区域12由更黑的对比区域限定。锥形区域12示出为沿着孔24的边缘以及孔24和后缘20的上游。
[0029] 图6和图7是示出叶片10的后缘区域18的横截面视图的扫描图像。图6示出具有冷却孔24的部分,图7示出具有地带22的部分。参照图6,叶片10上的TBC14具有优选地是完全近点32(即,与叶片10的不形成锥形的涂层部分具有大约相同的厚度)、薄的近点34以及完全去除的近点36、38、40和42的厚度。参照图7,叶片10上的TBC14具有优选地是完全近点44、46和48、薄的近点50以及完全近点52的厚度。优选地,TBC14在这些点上形成锥形或者完全去除,同时不会引起对TBC14以下的任何层比如粘结涂层16的显著的破坏。当前试验已经表明用这样的方式去除TBC14以及形成锥形不破坏相邻TBC14的微观结构。
[0030] 图9是示出已经通过上述方法刻蚀的冷却孔24和邻近地带22的横截面视图的扫描图像。如图所示,已经从孔24中去除TBC14,并且TBC14沿着相邻地带22(相邻地带22限定孔24的壁)的壁侧部形成锥形,使得TBC14的厚度从地带22的侧部朝向孔24的下部部分减小。
根据本发明的优选的方面,沉积在TBC14与叶片10的表面之间的粘结涂层16被描述为在完成刻蚀过程之后保持未动。如前所述,将粘结涂层16保持在孔24内将可能对孔24提供氧化保护。
[0031] 根据本发明的另一方面,叶片10可被制造成由于如上所述的方法而具有有利的特性。例如,将TBC14沉积在整个翼型(包括后缘区域18)上的能力是有利的特征。由于该特征,对于叶片10的冷却流量需求可以显著地降低。当前测试表示了第1级叶片,其具有全部翼型冷却流量的8%的节约潜力。
[0032] 虽然已根据具体实施例对本发明进行了说明,但是很明显,本领域技术人员可以采用其他形式。例如,叶片10、冷却孔24和地带22的实际结构可能不同于所示出的,叶片10的表面上的涂层的类型可能与所提到的不同。因此,本发明的范围仅由以下权利要求限制。
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