技术领域
[0001] 本
发明涉及对构件，尤其用作燃气
涡轮中的热气部件的金属构件进行涂覆的技术。其涉及根据
权利要求1的序言所述的一种用于高速
氧气
燃料(HVOF)
热喷涂工艺的装置。
背景技术
[0002] 用于发电的燃气涡轮(GT)的使用在其工作模式上可能是非常不同的。GT可能要么用于在长时间周期内产生恒定数量的电
力，所谓“基本加载器”，或者它们可用于平衡相当恒定的
能源(核能、GT基本加载器等等)的电力生产之间的差异，其中由于非恒定的可再生
能量的增长量和由于非恒定的电力需求而增加了变化。第二类型的GT是所谓的“循环/峰化器”。
[0003] 在GT的寿命内，“加载器”变成“峰化器”是可能的。对于涡轮中的构件和尤其遭遇极端
温度条件的构件而言，这种在工作条件上的变化导致了诱导和抑
制模式的差异(即边界条件)。在“加载器”的情况下，它们将需要更大的抗蠕变和氧化能力，并且在“峰化器”的情况下，那些构件将需要更好的抗循环能力。
[0004] 此外，对于各个构件，且局部地在构件上，边界条件是不同的。某些区域更倾斜于疲劳，并且某些其它区域倾向于蠕变、氧化/
腐蚀、侵蚀等等。所有那些属性极强地依赖于通常用于使构件适应于实际的操作边界条件的涂层。为了响应所需属性的变化，因此能够产生具有灵活且单独定制属性的涂层受到强烈的关注。
[0005] 本
申请的
申请人已经提交了迄今为止仍未公布的欧洲
专利申请(申请号：13160051)。其描述了一种通过为每种单独粉末使用至少两个单独的粉末进料器而用于将涂覆系统应用到
涡轮机构件上的方法，粉末可能为均匀的成分或同时喷涂的柔性的
复合粉末，其中每种粉末的比率可通过改变进料速率而在线变化。
[0006] 用于燃气涡轮构件的保护性金属涂层，例如MCrAlY类型(M=Fe、Ni、Co或其组合)的保护性金属涂层通
过热喷涂进行应用，而HVOF喷涂工艺是用于该目的的最经常使用的其中一种技术。
[0007] 已知的
现有技术状态是，HVOF系统涉及气体燃料或
液体燃料。液体燃料推进的HVOF系统具有同其气体燃料推进的
配对物相比，它们会产生更紧密涂层的优点。因此液体燃料推进的HVOF系统更具有技术关注度。
[0008] 在图1中示意性地示出了典型的HVOF系统。系统1包括
燃烧室2，其中燃料3和氧气4被输送进去并燃烧成复杂的气体混合物5。然后这种混合物5被迫穿过
喷嘴6(德拉瓦尔(de-Laval)区段)，喷嘴6使气体混合物5在喷管7中
加速至超声速。用于涂层的粉末8通过粉末注入器模
块要么由载气输送到燃烧室2中，或者在喷嘴6之后向下游输送到喷管7中。
[0009] 已知的燃烧商用液体的HVOF
燃烧器只在两个粉末喷射器下工作。这意味着沉积速度、对非对称的喷点几何形状的灵敏度(仅仅由于C2对称类)、应
用例如双层涂层的情况下耗时的更换工具等等方面的限制。
[0010] 利用气体燃料的HVOF燃烧器通常以单个粉末管线和轴向注入到燃烧室中进行工作。事实上，这些HVOF燃烧器例如具有更稳定的喷点几何形状，但由于涂层中的强氧化物的形成而不适合于应用MCrAlY类型的
金属粉末。
[0011] 商用HVOF燃烧器的粉末注入器模块的当前设计包括大块设计，并整体制造出来。在一定
水平的不可避免的注入器模块的热气区段的磨损下(其是在粉末径向注入到
超声波气体中期间造成的)，该部件必须进行更换或精巧地改造。后者只有一次可能，并且必须由原始粉末注入器模块的制造商来完成。这是昂贵的。
[0012] 没有已知的商业设计容许只更换注入器模块的退化区段。另外，没有商用的设计改良，即使当前设计显示了由于气体流量的冲击而造成的极大损失，其是由于非优化设计而造成的，例如在横截面上的任何突然过渡处(
相位(phase)和边缘)。
[0013] 在EP1816229A1中，公开了一种用于HVOF的喷
涂装置，其只包括一个粉末注入管线、以及可围绕轴线(A)旋转的
工件保持器、在喷涂方向(S)上喷涂的喷嘴、以及用于使旋
转轴线(A)回转的回转装置，其中在(A)和(S)之间存在
角度。包围
旋转轴线(A)的周向表面的所有区域面向喷涂方向一次。利用这种装置可达到良好的喷涂
质量，但一方面对于涂覆工艺仍然需要许多时间，并且另一方面不可能产生具有灵活且单独定制属性的涂层。
[0014] 因此具有改善的HVOF系统/装置将具有很大的优势，其同现有技术状态已知的系统相比容许减少喷涂工艺的时间以及改善的可维护性、改善的工艺鲁棒性和灵活性/能力。额外的优势是同时可保留与现存的喷涂设备的兼容性。
发明内容
[0015] 本发明的一个目的是提供一种用于对涡轮机构件进行涂覆的HVOF装置，其同现有技术状态已知的系统相比容许减少喷涂工艺的时间以及改善的可维护性、改善的工艺鲁棒性和灵活性/能力。同时应保留与现存的喷涂设备的兼容性。
[0016] 这些以及其它目的通过根据
独立权利要求1的HVOF装置来实现。
[0017] 本发明的核心是根据权利要求1的序言所述的HVOF装置的粉末注入器模块一方面包括围绕轴线(A)以相等的周向距离而设置的至少四个粉末注入器，另一方面包括位于粉末注入器模块内部的可更换的热气区段
插件，其设计为圆柱形的衬套，具有至少四个开口，所述开口围绕轴线(A)以相等的周向距离设置在圆柱体中，其中衬套由穿过所述开口的至少四个粉末注入器进行固定。
[0018] 作为一个优点，热气区段插件可在不可避免的磨损之后快速地进行更换，而没有许多成本和精巧的改造工作。
[0019] 根据已知的技术状态，对于燃烧液体燃料的HVOF热喷涂系统通常使用两个粉末注入管线。但确定的是，在涂覆工艺期间的最大沉积速度受到粉末管线的容量的限制。当达到最大粉末流速时，粉末流动，并因此火焰开始脉动并且涂覆工艺变得不稳定。通过利用额外的粉末注入器(最少四个粉末注入器)，在稳定涂覆的条件下可达到较高的沉积速度，粉末注入器根据本申请是以彼此之间相等的距离，以对称的方式进行设置的。喷点几何形状将变得更加稳定。
[0020] 本申请的额外的重要优点是所申明的
硬件改善(可更换的热气区段插件、至少四个粉末注入器)可在有限的时间内可逆地实现于已经存在的装置/系统中。只有关于机器速度/重复次数和粉末管线控制方面的对准/
修改是必须的。因为保持/保留喷点几何形状的原因，所有其它额外的工艺参数，如燃烧室压力、
煤油流量、氧气流量、喷涂距离、
机器人程序等等不需要变化。
[0021] 根据本发明装置的一个
实施例，圆柱形衬套包括用于所述衬套围绕轴线A的明确定向的导向槽，其中衬套是从粉末注入器模块的外面插入的。
[0022] 本发明的另一实施例的特征在于，除了上述粉末注入器模块的特征之外，德拉瓦尔区段具有铃形设计或至少一种具有圆化边缘的设计。没有后者所述那些改良的话，当前商用设计显示了由于气体流量的冲击而引起的极大损失。对于标准设置的冲击和因此
热力学损失可通过CFD(
计算流体动力学)仿真而在横截面的任何突然过渡处(相位和边缘)得以清晰地演示。
[0023] 铃形的德拉瓦尔区段可与圆柱形的喷管结合。在这种选择方案中，气体在进入粉末注入器模块之前已经达到最终速度。不需要进一步的膨胀。
[0024] 进一步可行的是，德拉瓦尔区段的铃形设计与粉末注入器模块/喷管区段的全圆锥形设计结合。
[0025] 作为一个优势，所申明的装置用于燃气涡轮构件的HVOF涂层，尤其用于应用MCrAlY类型的金属保护性涂层。
附图说明
[0026] 现在将通过不同的实施例并参照附图更完整地解释本发明。
[0027] 图1在简图中显示了根据现有技术的用于HVOF热喷涂装置的配置；
[0028] 图2显示了根据现有技术的具有两个粉末注入器的粉末注入器模块的照片；
[0029] 图3显示了根据本发明的具有四个粉末注入器的粉末注入器模块的照片；
[0030] 图4显示了根据本发明的第一实施例的注入器模块的切面示意图；
[0031] 图5显示了根据本发明的一个实施例的可更换的热气区段装置(圆柱形衬套)的照片，且
[0032] 图6,7,8在简图中显示了该装置的德拉瓦尔区段和喷管的三个实施例。
具体实施方式
[0033] 本发明使用现有技术状态和商用液体燃料推进的HVOF设备作为基准，并且实现了关于工艺
稳定性/能力/可维护性方面的若干改良。同时保留了与现存的喷涂设备的兼容性。
[0034] 第一特征是将额外的粉末注入器应用于注入器模块上，这可实现更高粉末进给速度的可靠处理，其导致了时间减少，由于对称性增加而稳定了喷点几何形状，并可在有或没有耗时的更换工具的条件下实现不同粉末类型的同时处理。
[0035] 这个特征如图3与图2的比较中所示。图2是根据现有技术的标准粉末注入器模块9的照片。两个粉末注入器8是清晰可见的。图3是根据本发明的具有四个粉末注入器8的粉末注入器模块9的照片。粉末注入器8对称地设置在周向方向上，这意味着围绕轴线A(在图3中未显示A)处于相等的周向距离。
[0036] 根据本发明的装置的第二特征是可更换的插件10设置于注入器模块9的流动截面中，从而减少了维护成本，并改善了HVOF燃烧器的注入器模块9的可维护性。图5显示了圆柱形衬套10形式的插件的照片，其具有开口11和导向槽12，而图4显示了注入器模块9的切面示意图。开口11(这里为四个)以相等的周向距离围绕轴线A(见图4)而设置在圆柱体中。四个粉末注入器8穿过开口11，并将衬套10固定在粉末注入器模块9中。导向槽12是用于所述衬套10围绕轴线A的明确定向的担保器。衬套10从粉末注入器模块9的外面插入，并可在必要时因为磨损而以简易的方式进行更换。
[0037] 这种改善的HVOF注入器模块9的
原型在本申请人现存的喷涂工作间进行了试验，其具有四个粉末注入器8和可更换的热气区段插件10。为了对用于本申请人的GT的燃气涡轮
叶片进行涂覆，沉积速度可在保留涂层质量(粘合力、涂层厚度分布、多孔性)的条件下翻倍，其相对于利用商用HVOF注入器模块对叶片进行涂覆而言造成了筹备期减少了大约40%。改善的HVOF装置的喷点被发现是高度对称的(圆形的)，即使没有如标准设置通常需要的那样特别调整载气流量。
[0038] 可达到以下优点：
[0039] 改善的注入器模块可在几分钟内实现于现存的设备中，使用标准参数设置以及标准机器人程序(只需要调整副本数量)，并且同标准设置相比获得相同的沉积效率。火焰(即金刚石冲击的量/距离)被发现对于标准而言与改善的注入器模块是相同的。
[0040] 对于在构件的关键
位置由于增加的沉积速率而在涂层中形成残留
应力造成的裂缝只有很低的
风险。该实施方式不是复杂的。除了可能额外的粉末进料器之外，所推荐的硬件变化不需要改变现存的喷涂设备/设置，即使用相同的
控制器/机器人程序/燃料/气体等等
[0041] 当然本发明并不局限于所述的实施例，例如可使用不止四个粉末注入器。
[0042] 另外，CFD研究具有论证了商用基线设备关于热力学冲击的损失方面进行设计改良的潜在可能性。装置1的德拉瓦尔区段4可通过若干个选择方案进行改善，其如以下实施例所述：
[0043] 1. 在当前基线设计中通过圆化边缘除去阶梯和相位。这个选择方案不需要耗时的CFD研究，并减少了冲击引起的热力学损失，分别造成轻微增加的粒子速度和较低的涂层多孔性(见图6)。
[0044] 2. 德拉瓦尔区段4的铃形设计与圆柱形喷管7的结合。在这种选择方案中，气体在进入粉末注入器模块9之前已经达到最终速度。不需要进一步的膨胀，并且粉末注入器8/喷管区段7设计为圆柱形，没有边缘和相位。改善的设计还消除了基线的喷管7出口处显著的过度膨胀。较少的冲击和热力学损失分别造成了较高的粒子速度和较低的涂层多孔性(见图7)。
[0045] 3. 德拉瓦尔区段4的铃形设计与粉末注入器模块9/喷管区段7的全圆锥形设计的结合。改善的设计还消除了基线的喷管7出口处显著的过度膨胀。
[0046] 根据本发明的装置优选用于为燃气涡轮构件应用MCrAlY类型的金属保护性涂层。
[0047] 部件列表
[0048] 1 HVOF装置
[0049] 2 燃烧室
[0050] 3 燃料
[0051] 4 氧气
[0052] 5 气体混合物，燃烧气体
[0053] 6 喷嘴，德拉瓦尔区段
[0054] 7 喷管
[0055] 8 粉末注入器
[0056] 9 粉末注入器模块
[0057] 10 热气区段插件，圆柱形衬套
[0058] 11 开口
[0059] 12 导向槽。
