用于制造和修復熱障的方法和裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明一般而言涉及熱障涂層，并且在一個實施例中，涉及燃氣渦輪發(fā)動機部件 上的熱障涂層的制造和修復。
【背景技術】
[0002] 燃氣渦輪發(fā)動機的渦輪區(qū)包括旋轉葉片的每一級或每一排周圍的靜止護環(huán)。護環(huán) 具有密封表面，密封表面具有到葉片尖部的狹窄間隙，以減小經過所述渦輪葉片尖部的級 間燃氣泄漏。護環(huán)由稱為環(huán)形段的彎曲的段或葉片外部氣體密封形成。渦輪葉片和環(huán)形段 通常由基于鎳、鈷或鎳鐵的高溫超級合金組成，鎳、鈷或鎳鐵在高溫時保持機械強度、蠕變 阻力、表面穩(wěn)定性和抗腐蝕/抗氧化性的。每個環(huán)形段的密封表面通常涂覆有抗氧化的金 屬粘結涂層和熱絕緣陶瓷熱障涂層（TBC)。TBC的最外層通常形成多孔的以使其是耐磨的。 當金屬禍輪葉片尖部與耐磨的涂層摩擦時，葉片切出穿過涂層的條帶（swath)，因此使能葉 片尖部和環(huán)形段之間的最小間隙以最小化渦輪級之間的工作燃氣泄漏，由此最大化功率輸 出和燃料效率。
[0003] 耐磨涂層通常噴射得比其它類型的熱障涂層厚很多。需要額外的厚度以允許葉片 尖部切進涂層。隨著厚度增加，涂層中來自溫度梯度的應力增加，特別是在發(fā)動機的啟動和 關斷期間。這可以增加涂層的剝落，導致失去間隙控制，其減小了發(fā)動機的功率和效率。其 還可以減小環(huán)形段的熱防護，減小其使用壽命。剝落的其它原因是在發(fā)動機操作期間通過 逐漸地燒結而增加的耐磨涂層的硬度。
[0004] 當熱障涂層劣化時，其必須被更換或修復以維持發(fā)動機效率。這通?？梢酝ㄟ^移 除環(huán)形段至修復設備，移除所有舊的涂層，以及采用已知的熱噴射方法應用新的涂層來完 成。這是昂貴的、耗能的以及耗時的。如果基體是通過作為劣化的熱障涂層的結果的表面 分裂劣化的，可能需要更換環(huán)形段。
【附圖說明】
[0005] 結合附圖在下面的描述中說明本發(fā)明，附圖示出了 ：
[0006] 圖1是具有如現有技術所經歷的熱障涂層中的葉片尖端條帶的兩個相鄰的護環(huán) 段的部分透視截面圖。
[0007] 圖2是具有移除磨損的TBC的一部分且安裝TBC瓦片的兩個相鄰的護環(huán)段的部分 透視截面圖。
[0008] 圖3是用于TBC瓦片的制造裝置的原理截面圖。
[0009] 圖4顯示了用于TBC瓦片的制造裝置的另一個實施例。
[0010] 圖5是釬焊到基體上的聯(lián)鎖TBC瓦片的截面圖。
[0011] 圖6是在基體釬焊修復上方釬焊的TBC瓦片的截面圖。
[0012] 圖7是具有釬焊至在基體中選擇路徑的凹陷用于裂縫移除的額外深度的TBC瓦片 的截面圖。
[0013] 圖8是形成針對耐磨性圖案化的磨損表面的不同高度的TBC瓦片的截面圖。
[0014] 圖9是孔隙率與用于示例性陶瓷粉的放電等離子燒結的燒結溫度的圖。
[0015] 圖10是用于確定用于熱障瓦片的目標熱導率的圖表。
[0016] 圖11是用于確定用于熱障瓦片的彈性的目標模量的圖。
[0017] 圖12示出了本發(fā)明的一個實施例的方法。
【具體實施方式】
[0018] 發(fā)明人了解到環(huán)形段熱障涂層的損壞通常局部化至顆粒碰撞點以及葉片尖端的 剝落的摩擦條帶，并且其局部化的修復可以用最小的成本延長環(huán)形段的壽命。本文公開了 用于實現這種新穎的維修的裝置和方法。
[0019] 圖1顯示了兩個相鄰的護環(huán)段22、24。每個段包括基體26和熱障涂層（TBC) 28。 渦輪葉片尖端條帶30已經磨損至熱障涂層。該條帶隨時間擴大并劣化，導致了由于熱氣體 在葉片尖端的上方流動而不是穿過其翼面的渦輪效率的損耗。
[0020] 圖2示出了兩個相鄰的護環(huán)段22、24,其具有包含從基體26移除了圖1的條帶30 的磨損的TBC 28的一部分32。本文描述了所安裝的隔熱瓦片34?？梢酝ㄟ^材料移除和諸 如路徑選擇、砂磨、噴水清理、噴砂清理、蝕刻等清潔方法準備基體的表面用于接收瓦片34。
[0021] 圖3顯示了根據本發(fā)明的一個實施例的用于TBC瓦片的制造裝置。其包括具有電 極42、44的鑄模盒。在鑄模盒中沉積一層釬焊材料46。該材料形式可以為箱、金屬粉或金 屬粉預制件。在金屬釬焊材料上沉積陶瓷粉或預制件的第二層48。+/-電壓跨材料施加， 以通過放電等離子燒結共同燒結陶瓷和釬焊材料。可以控制50燒結電壓和持續(xù)時間，以獲 得通過溫度計52測量的目標溫度。在燒結期間可以壓縮38層46、48。通過控制器50可以 控制燒結壓力、溫度和持續(xù)時間，以獲得本文所述的目標密度和/或其它材料性質。
[0022] 圖3的裝置和方法創(chuàng)建了具有內層釬焊材料46的熱障瓦片34A，陶瓷材料的外層 48,和它們之間共同燒結的界面54。界面可以采用用于改善的兩層粘合的聯(lián)鎖結構圖案56 形成。通過模塑釬焊材料至圖案化的低溫預制件可以形成聯(lián)鎖圖案56。例如，釬焊層可以 由具有高分子黏結劑的釬焊粉組成或通過部分燒結制成。預制件可以以鑄塑軟模具成形， 使得圖案56可以具有包括功能為固定覆蓋的陶瓷層48的突出的咬邊的任何期望的復雜形 狀。接著用于層48的陶瓷粉可以沉積在用于最終目標的燒結的圖案化的釬焊預制件上。示 例性陶瓷的組成部分是礬土和釔穩(wěn)定氧化鋯。可以使用現有技術已知的其它陶瓷材料。
[0023] 由于硼促進脆度，缺少硼反而包括鈦的釬焊材料是有益的。本發(fā)明的受讓人已經 開發(fā)了適用于和超級合金材料一起使用的改進的釬焊材料，例如本文通過參考引入的美國 專利申請?zhí)枮?3/495, 223的共同申請中描述的基于鎳-鉻-鈦的釬焊合金。這些材料在 強度上與以前的釬焊材料媲美，并且它們是足夠強地被認為是結構修復（即母體金屬的屈 服強度的至少70%)。
[0024] 用于這些應用三元釬焊合金可能具有在下面的范圍內的成份（本文所公開的所 有成份的單位為wt. % ):
[0025] 鉻 15-25% ;
[0026] 鈦 15-25% ;
[0027] 余下的鎳。
[0028] 在該組中的特定釬焊合金可能具有下面的成份：鉻16. 3% ;鈦21. 2% ;余下的鎳； 或者鉻17. 2% ;鈦20. 9% ;余下的鎳。
[0029] 采用本發(fā)明的其它釬焊合金可能是有用的，其可能具有在下面的范圍內的成份：
[0030] 鉻 12-18%; 鈦 13-16%; 鋁 0-2.5%; 鈷 2-4%; 鎢 3-5%; 鉬 0-2%; 鉭 0-2%;
[0031] 余下的鎳。
[0032] 在該組中的特定釬焊合金可能具有下面的成份：鉻14. 1% ;鈦14% ;鋁2. 1% ;鈷 3. 1% ;媽4. 1% ;鉬1% ;鉭1% ;余下的鎳。
[0033] 其它釬焊合金可能具有在下面的范圍內的成份：
[0034] 鉻 15-18%; 鈦 10-15%; I呂 0-2.5%; 鈷 2-4%; 鎢 3-5%; 4目 0-2%; 鉭 0-2%;
[0035] 余下的鎳。
[0036] 在該組中的特定釬焊合金可能具有下面的成份：鉻17. 57% ;鈦13. 54% ;鋁 2. 39% ;鈷 3. 24% ;鎢 3. 47% ;鉬 1. 15% ;鉭 0· 83% ;余下的鎳。
[0037] 其它釬焊合金可能具有在下面的范圍內的成份：
[0038] 鉻 15-19%; 鈥 8-10%; 鋁 0-2.5%; 鈷 14-18%; 鉬 12-16%;
[0039] 余下的鎳。
[0040] 在該組中的特定釬焊合金可能具有下面的成份：鉻15. 12% ;鈦10% ;鋁2. 12% ; 鈷15. 8% ;鉬12. 97% ;余下的鎳。
[0041] 其它釬焊合金可能具有在下面的范圍內的成份：
[0042] 0-2.5% 45; 14- 18% 15- 19% 鉻； 12-16% 鉬； 8-】0%欽；
[0043] 余下的鎳。
[0044] 可以通過包含中空的陶瓷球58或易變的材料的顆粒在陶瓷層48中形成孔隙率， 以增加耐磨性和絕緣?？梢钥缤咂暮穸葘紫堵史旨?，例如具有接近其頂面的更大的孔 隙率以及接近具有釬焊層46的界面54的更低的孔隙率的瓦片。朝向瓦片的頂面62的增加 的孔隙率最小化葉片尖端磨損。朝向瓦片的底部的減小的孔隙率最大化沖擊和剝落抗力。 通過具有變化的陶瓷粉和內含物的比例的分層的沉積物，可以獲得漸變的孔隙率。采用膠 合劑或者通過部分燒結可以鞏固每個子層，以在最終燒結期間維持梯度。當使用球58時， 陶瓷層48的材料作為基質60。
[0045] 圖4顯示了一個實施例，為了增加的耐磨性和減少的釬焊磨損，在該實施例中在 隔熱瓦片34B的頂面62上形成圖案64。圖案的形式可以為脊和凹陷。凹陷可以是非連續(xù) 的并且脊可以是連續(xù)的，以通過凹陷最小化葉片尖端周圍的燃氣泄漏。這種圖案可以通過 之前所述的內含物代替孔隙率或者除了孔隙率之外來提供。
[0046] 圖5顯示了安裝在基體66上的熱障瓦片34C的一個實施例。瓦片的相對邊沿70、 72可以是等高的，以減小流進瓦片之間的間隙68的燃氣和熱量。例如，每個瓦片可以具有 在陶瓷層48的第一側上的第一非平面?zhèn)缺砻?0,和在與第一側相對的陶瓷層的第二側上 的第二非平面?zhèn)缺砻?2,第一和第二非平面?zhèn)缺砻?0、72的形狀是互補鏡像圖像，使得當 一對熱障瓦片并排設置時，瓦片沿著垂直于基體66的表面的軸聯(lián)鎖。瓦片邊沿通常被定形 并彎折以補償基體的曲率，使得貫穿陶瓷層48的深度的間隙68是均勻的。
[0047] 釬焊可以在爐中加熱76或例如在圖5所示的基體66的背面67上局部地完成。這 樣熔化了釬焊層46,其粘合瓦片至基體并且合并相鄰瓦片的釬焊層。超過整體的一個的平 鋪的熱障的優(yōu)點是瓦片之間的間隙68在熱循環(huán)期間在熱障中提供壓力釋放，延遲熱障和 基體的劣化。
[0048] 可以在釬焊層46和陶瓷層48之間增加可選的粘合層74以提高粘合，特別是當陶 瓷層48和基體66具有大致不同的熱膨脹系數時。示例性粘合材料是MCrAlY合金，其中Μ 選自鎳、鈷、鐵以及它們的混合物，并且Υ可以包括釔Υ以及鑭和鉿。粘合層74可以被沉積 和形成于上述放電等離子燒結中的鑄模盒40中的瓦片中。
[0049] 可以在金屬粉以及在導電和非導電陶瓷粉上執(zhí)行放電等離子燒結（SPS)。在內產 生熱量，因此它不需要從粉盒或鑄盒的表面向內迀移。因此，燒結是非常快速、均勻和高效 的。加熱速率可能高達大約l〇〇〇K/min。由于其均勻性和速度，SPS可以壓實納米尺