本發(fā)明的各方面涉及針對(duì)暴露于例如在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)境中遇到的高溫的部件的熱障涂層系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明的各方面涉及控制激光輻射以形成定向?qū)?zhǔn)的三維結(jié)構(gòu)的技術(shù)，所述三維結(jié)構(gòu)對(duì)于改進(jìn)施加至有紋理的表面的層的附著性是有效的。

背景技術(shù)：

已知燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的效率隨著燃燒氣體的點(diǎn)火溫度的升高而提高。當(dāng)點(diǎn)火溫度升高時(shí)，渦輪的部件的高溫耐久性必須相應(yīng)地提高。雖然對(duì)于熱氣流動(dòng)路徑中的部件，例如燃燒室過(guò)渡件以及渦輪旋轉(zhuǎn)和固定葉片，可以使用基于鎳和鈷的超合金材料，但即使是這些超合金材料也不能夠在有時(shí)會(huì)超過(guò)1600攝氏度或更高的溫度下經(jīng)受住長(zhǎng)期運(yùn)行。

在許多應(yīng)用中，金屬基底涂覆有陶瓷絕緣材料如熱障涂層(TBC)，以降低下面的金屬的使用溫度并降低金屬所暴露于的溫度瞬變的幅度。TBC對(duì)于實(shí)現(xiàn)渦輪效率的提高具有重要作用。然而，一個(gè)不容忽視的基本物理現(xiàn)實(shí)在于，在部件的壽命期間，熱障涂層僅在該涂層在給定部件表面上保持基本完整的情況下才能保護(hù)所述基底。

由于異物的高速?gòu)椀罌_擊和/或不同熱膨脹而可能產(chǎn)生的高應(yīng)力可以導(dǎo)致TBC損壞甚至從部件上完全移除(散裂)。通過(guò)控制表面的粗糙度參數(shù)來(lái)改進(jìn)上覆熱障涂層的附著性是已知的。美國(guó)專利5,419,971描述了一種激光燒蝕處理，其中，據(jù)稱通過(guò)直接蒸發(fā)(例如，不熔融材料)的材料移除用于在被輻射的表面形成三維結(jié)構(gòu)。美國(guó)專利8,536,483描述了利用由掃描光學(xué)器件引導(dǎo)的大功率脈沖激光束的涂層燒蝕，并提到一些配置可以移除涂層以實(shí)現(xiàn)期望的表面粗糙度。這些方法通常受限于移除材料以創(chuàng)建期望的紋理，(例如，通常不形成延伸到表面之外的結(jié)構(gòu))，因此需要能夠提供有助于增強(qiáng)附著力的改進(jìn)的結(jié)構(gòu)形成的處理。

附圖說(shuō)明

在以下描述中結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明，附圖示出了：

圖1是被能量束輻射的基底表面的截面圖，能量束被控制以在表面中形成定向?qū)?zhǔn)的三維突出體(protrusion)。

圖2是圖1中的基底表面的俯視圖。

具體實(shí)施方式

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施方式，在本文中描述了有助于在暴露于受控的能量束的表面上形成三維錨定結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)布置和/或技術(shù)。在以下詳細(xì)描述中，闡述了各種特定細(xì)節(jié)以提供對(duì)于這些實(shí)施方式的完整理解。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將明白，本發(fā)明的實(shí)施方式可以在不利用這些特定細(xì)節(jié)的情況下實(shí)現(xiàn)，即本發(fā)明不受限于所描述的實(shí)施方式，以及本發(fā)明能夠通過(guò)各種替選實(shí)施方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。在其他情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解的方法、過(guò)程和部件未進(jìn)行詳細(xì)描述以避免不必要的和繁瑣的說(shuō)明。

本發(fā)明的發(fā)明人提出了能量束的創(chuàng)新利用以在基底表面上形成突出體。這些突出體用作增加隨后施加于基底表面的層的附著力的三維錨定結(jié)構(gòu)。除了對(duì)隨后施加的層提供錨定以外，該三維錨定結(jié)構(gòu)還可以提供增強(qiáng)的熱傳導(dǎo)(類似于散熱器翅片)、改進(jìn)的潤(rùn)滑性等。在如圖1所示的一個(gè)非限制性實(shí)施方式中，在行進(jìn)方向上移動(dòng)的能量束10可以被施加到固態(tài)基底14的表面12以在固態(tài)基底14的表面12上形成熔融池16。例如，如圖1的右側(cè)所示，能量束10可以被布置成熔融固態(tài)基底14的表面12上的相對(duì)較淺的層。能量束10的能量和移動(dòng)參數(shù)被控制成使得可以引起熔融池16移動(dòng)。來(lái)自能量束10的能量和在基底表面生成的等離子體可以有助于熔融池16的移動(dòng)，本文中還稱作“挖掘效應(yīng)”。等離子體力可以有效地引起材料定向排出。用于與本文中描述的方法一起使用的各種能量束類型包括激光束，比如作為例子的摻鐿光纖(ytterbium fiber)、二極管、摻釹釔鋁石榴石(neodymium YAG)、二氧化碳以及尤其在脈沖模式下操作的這樣的激光器。另外，能量束可以是可替選的源，例如電子束或等離子體束。

在示例實(shí)施方式中，能量束10可以引起在熔融池16中形成波前18。然而，熔融池16中的可見(jiàn)波前18對(duì)于形成期望的突出體并不是必需的，非常像在海洋中部的波浪可能未被檢測(cè)到，但是包括充足的能量以在它撞擊海岸線的時(shí)候產(chǎn)生較大的波浪。在形成波前18的情況下，其可以形成在能量束10的前面、能量束10的后面以及/或者與能量束10相鄰。如果在能量束10的后面以及在能量束10的前面存在波前18，則在能量束終止的情況下兩個(gè)波前18可以結(jié)合以形成單個(gè)波前18。無(wú)論實(shí)際的波前18自身是否形成，能量束10的能量和移動(dòng)對(duì)于形成延伸到表面12之上的液態(tài)突出體20是有效的，并且能量和移動(dòng)被控制以確保液態(tài)突出體20在其位于表面12之上時(shí)凝固以形成凝固的突出體22。這在圖1的左側(cè)可見(jiàn)，其示出了(由于能量束10從左向右的行進(jìn)方向)在時(shí)間上更早地形成的三維錨定結(jié)構(gòu)24。一旦熔融池具有足以形成液態(tài)突出體20的能量，能量束可以在任意時(shí)間終止。在圖1中示出的示例性實(shí)施方式中，其中形成波前18，波前18與相鄰的固態(tài)/未熔融(即，未被能量束10熔融)的基底26的相互作用可以用于引起波前18卷曲并延伸到相鄰的固態(tài)基底26之上。懸置的波前18在該位置凝固，從而形成懸置的突出體，本文中稱為三維錨定結(jié)構(gòu)24的鉤28。然而，該示例性實(shí)施方式不是限制性的，并且突出體不需要懸于相鄰的固態(tài)基底26之上。

在示例性實(shí)施方式中，能量束10可以是脈沖激光束并且移動(dòng)可以通過(guò)使用激光掃描光學(xué)器件(例如，檢流計(jì)驅(qū)動(dòng)鏡)以及相配的光學(xué)控制軟件和一個(gè)或更多個(gè)控制器來(lái)完成?？商孢x地，表面12可以相對(duì)于能量束10移動(dòng)。要產(chǎn)生紋理的表面可以是基底，例如在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件中使用的超合金。用于在表面改性的優(yōu)選實(shí)施方式中使用的典型超合金包括但不限于：CM 247，Rene 80，Rene 142，Rene N5，Inconel-718，X750、617、738、792和939，PWA 1483和1484，C263，ECY 768，CMSX-4，Hast-X和X45。在此情況下，突出體將在超合金基底中形成并可以用于改進(jìn)施加至超合金基底的接合涂層的附著性。

可替選地，或是除此之外，要產(chǎn)生紋理的表面可以是已被施加到超合金基底的接合涂層(例如，MCrAlY材料)。在此情況下，突出體將在接合涂層中形成并可以用于改進(jìn)施加到接合涂層的熱障涂層(TBC)的附著性。然而，前述示例并不意在是限制性的，并且該處理可以應(yīng)用到各種表面。部件可以是新部件或者剝離且修復(fù)的部件，例如渦輪葉片或輪葉?？商孢x地，基底可以是修復(fù)的部件，其中大量接合涂層留在要整修的部件上。在這種情況下，接合涂層可以在施加TBC之前預(yù)先產(chǎn)生紋理。

在其中要產(chǎn)生紋理的表面是布置在超合金基底上的接合涂層的示例性實(shí)施方式中，大約125-300微米(0.005英寸-0.012英寸)的接合涂層可以被施加至超合金基底。使用激光掃描光學(xué)器件來(lái)控制能量束10，使得能量束10沿著路徑30以脈沖方式穿過(guò)表面12，在路徑30的始端32處開(kāi)始并且在路徑30的末端34處終止。在示例性實(shí)施方式中，能量束參數(shù)包括能量束10的速度(其可以是0.02米/秒)，輸出功率(其可以是1kW)，頻率(其可以是0.01kHz)和持續(xù)時(shí)間(其可以是50000微秒脈沖)。通過(guò)使用這些參數(shù)，能量束10可以形成三維錨定結(jié)構(gòu)24的凹陷36，凹陷36具有約30微米的、從凹陷底部40至表面12的凹陷深度38。路徑30可以約1毫米長(zhǎng)。三維錨定結(jié)構(gòu)24可以具有約60微米的、從凹陷底部40至鉤28的頂部44的結(jié)構(gòu)深度42。該結(jié)果是能夠通過(guò)脈沖能量束的快速掃描來(lái)快速且有效地產(chǎn)生三維錨定結(jié)構(gòu)24的圖案的處理。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，能量束10可以被控制(例如，功率和焦點(diǎn)等)以實(shí)現(xiàn)三維錨定結(jié)構(gòu)24的期望尺寸和期望凹陷特征。

在可替選的實(shí)施方式中，能量束10的功率可以改變，而不是保持恒定功率，以使得液態(tài)突出體20的形成最大化。例如，功率可以在其終止之前立即形成尖峰(spike)以增強(qiáng)能量束10的推進(jìn)效應(yīng)。類似地，其他參數(shù)可以根據(jù)需要進(jìn)行改變以實(shí)現(xiàn)期望的三維錨定結(jié)構(gòu)24。

可選地，還可以使用機(jī)械輔助來(lái)機(jī)械地驅(qū)動(dòng)液態(tài)突出體20和相關(guān)的固態(tài)突出體22的形成。例如，可以使用輔助氣體46，比如作為例子的激光光纖冷卻氣體，其適當(dāng)?shù)囟ㄏ蛞酝苿?dòng)熔融池16。可替選地，可以使用其他形式的機(jī)械輔助，例如輔助氣體46的離散源或者超聲波能量等?？商孢x地，能量束的另外的應(yīng)用可以用來(lái)通過(guò)經(jīng)由材料的快速蒸發(fā)在熔融池16中產(chǎn)生沖擊波來(lái)對(duì)突出體20施加機(jī)械推動(dòng)。

進(jìn)一步可選地，可以在其中能量束10要橫越表面12的表面12上預(yù)先放置焊劑48。焊劑將輔助激光束光學(xué)能量的耦合。焊劑48將被能量束10熔融并作為熔融熔渣50并入熔融池16之上，其中這種熔渣50用于保護(hù)熔融池16免受大氣污染。在處理后，由焊劑熔融引起的凝固熔渣50可以通過(guò)任意已知的技術(shù)移除，例如機(jī)械清掃、噴砂等。

焊劑48還可以被設(shè)置成控制熔融池16的粘性。降低粘性引起更快的流體流速，這促進(jìn)三維錨定結(jié)構(gòu)24的形成。相反，增加粘性引起更慢的流體流速，這具有相反的效果。硅的少量添加對(duì)于降低粘性和促進(jìn)良好的金屬移動(dòng)是有效的。從而，可以調(diào)節(jié)焊劑48中的硅的量以影響三維錨定結(jié)構(gòu)24的形成。焊劑48的實(shí)施方式可以包括至少0.25wt.％的硅，或者至少0.50wt.％的硅，或者0.50–0.75wt.％的硅。

還可以通過(guò)熔融池16的相對(duì)較深的透入(penetration)來(lái)促進(jìn)錨定結(jié)構(gòu)24的形成。這樣的透入可能受下述流(flow)的影響，所述流能夠被驅(qū)動(dòng)前往或離開(kāi)熱源(例如，能量束10)，或多或少向下流動(dòng)或透入熔融池中。硫促進(jìn)表面張力的正溫度系數(shù)。由于馬拉高尼(Marangoni)效應(yīng)，這增加了透入并促進(jìn)三維錨定結(jié)構(gòu)24的形成。鋁具有相反的作用。因此，可以調(diào)節(jié)焊劑48的硫和/或鋁比例以影響三維錨定結(jié)構(gòu)24的形成。焊劑48的實(shí)施方式可以包括至少0.010wt.％的硫，或至少0.020wt.％的硫，或是0.010–0.030wt.％的硫。

熔融池16的底部形狀和熔融池穿過(guò)表面12的行進(jìn)速度也將影響錨定結(jié)構(gòu)24的形成，非常像海浪的速度和沙灘的形狀影響海岸線上的波浪形狀。因此，能量束10可以被控制成使得其有效地對(duì)錨定結(jié)構(gòu)24施加期望形狀/尺寸。

替代使用焊劑，在執(zhí)行前述處理時(shí)還可以使用合適的包圍物(enclosure)來(lái)控制環(huán)境條件。例如，取決于給定應(yīng)用的需要，可以選擇在真空條件下而不是在大氣壓下執(zhí)行能量束處理，或者可以選擇引入惰性氣體而不是空氣。

在圖2中可以看到的，三維錨定結(jié)構(gòu)24沿著行進(jìn)方向伸長(zhǎng)。也就是說(shuō)，三維錨定結(jié)構(gòu)24是橢圓形的，其短軸60橫向于行進(jìn)方向且尺寸大約為能量束10的直徑。長(zhǎng)軸62平行于行進(jìn)方向而定向。三維錨定結(jié)構(gòu)24的長(zhǎng)度64由能量束10的行進(jìn)速度和脈沖持續(xù)時(shí)間加上鉤28的懸掛長(zhǎng)度66來(lái)表征。鉤28用于機(jī)械地與隨后施加的層互鎖，從而提高該施加的層的附著性。

能量束10的行進(jìn)方向可以是沿著直線橫越的單向，這將形成均與行進(jìn)方向?qū)?zhǔn)的三維錨定結(jié)構(gòu)24和鉤28。該橫越可以重復(fù)，以使得形成三維錨定結(jié)構(gòu)24的若干平行的行，其均具有對(duì)準(zhǔn)的鉤28。可替選地，另外的能量束橫越可以并行進(jìn)行但具有不同的行進(jìn)方向，或者橫越可以以任意布置被圖案化并具有多個(gè)行進(jìn)方向。這將導(dǎo)致具有指向多個(gè)方向的鉤28的圖案，并且這將增加多個(gè)方向上的接合力。前述各種處理可以在整個(gè)表面12反復(fù)執(zhí)行，以在其上形成大量三維錨定結(jié)構(gòu)24。另外，三維錨定結(jié)構(gòu)24可以選擇性地分布在整個(gè)表面12上。例如，預(yù)期要遇到相對(duì)較高水平的應(yīng)力的表面區(qū)域可以被設(shè)計(jì)成與預(yù)期要遇到相對(duì)較低水平的應(yīng)力的表面區(qū)域相比包括較大數(shù)目的每單位面積的三維錨定結(jié)構(gòu)24。

能量束10可以形成角度以使其指向行進(jìn)方向，這能夠增強(qiáng)挖掘效應(yīng)?；蛘撸羞M(jìn)方向可以是曲線，例如弧形。這可以形成其中凝固的突出體22形成彎曲懸凸部(sweeping overhang)等的三維錨定結(jié)構(gòu)24。

在前文的詳細(xì)描述中，闡述了各種特定細(xì)節(jié)以提供對(duì)于本發(fā)明和其各個(gè)實(shí)施方式的完整理解。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可以在不利用這些特定細(xì)節(jié)的情況下實(shí)施本發(fā)明的實(shí)施方式，即本發(fā)明不受限于所描述的實(shí)施方式，并且本發(fā)明可以通過(guò)各種替選實(shí)施方式來(lái)實(shí)施。在其他情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解的方法、過(guò)程和部件將不進(jìn)行詳細(xì)描述，以避免不必要和繁雜的說(shuō)明。

另外，各種操作被描述為以有助于理解本發(fā)明的實(shí)施方式的方式執(zhí)行的多個(gè)分離步驟。然而，描述的順序并不被解釋為推斷這些操作必須以所呈現(xiàn)的順序來(lái)執(zhí)行或者這些操作甚至依賴于所述順序，除非另有說(shuō)明。另外，短語(yǔ)“在實(shí)施方式中”的重復(fù)使用不一定是指相同的實(shí)施方式，盡管也可能是指相同的實(shí)施方式。最后，如本申請(qǐng)中所使用的術(shù)語(yǔ)“包含”、“包括”、“具有”等旨在是同義的，除非另行指明。因此，本發(fā)明意在僅由所附權(quán)利要求的精神和范圍限制。