用于制造和修復(fù)熱障的方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明一般而言涉及熱障涂層，并且在一個(gè)實(shí)施例中，涉及燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)部件 上的熱障涂層的制造和修復(fù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的渦輪區(qū)包括旋轉(zhuǎn)葉片的每一級或每一排周圍的靜止護(hù)環(huán)。護(hù)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(jīng)過所述渦輪葉片尖部的級 間燃?xì)庑孤Ｗo(hù)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(shí)保持機(jī)械強(qiáng)度、蠕變 阻力、表面穩(wěn)定性和抗腐蝕/抗氧化性的。每個(gè)環(huán)形段的密封表面通常涂覆有抗氧化的金 屬粘結(jié)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(dāng)金屬禍輪葉片尖部與耐磨的涂層摩擦?xí)r，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?xì)庑孤纱俗畲蠡β瘦?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(jìn)涂層。隨著厚度增加，涂層中來自溫度梯度的應(yīng)力增加，特別是在發(fā)動機(jī)的啟動和 關(guān)斷期間。這可以增加涂層的剝落，導(dǎo)致失去間隙控制，其減小了發(fā)動機(jī)的功率和效率。其 還可以減小環(huán)形段的熱防護(hù)，減小其使用壽命。剝落的其它原因是在發(fā)動機(jī)操作期間通過 逐漸地?zé)Y(jié)而增加的耐磨涂層的硬度。
[0004] 當(dāng)熱障涂層劣化時(shí)，其必須被更換或修復(fù)以維持發(fā)動機(jī)效率。這通?？梢酝ㄟ^移 除環(huán)形段至修復(fù)設(shè)備，移除所有舊的涂層，以及采用已知的熱噴射方法應(yīng)用新的涂層來完 成。這是昂貴的、耗能的以及耗時(shí)的。如果基體是通過作為劣化的熱障涂層的結(jié)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(jié)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(xiàn)有技術(shù)所經(jīng)歷的熱障涂層中的葉片尖端條帶的兩個(gè)相鄰的護(hù)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(gè)相鄰的護(hù)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(gè)實(shí)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(fù)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(jié)的燒結(jié)溫度的圖。
[0015] 圖10是用于確定用于熱障瓦片的目標(biāo)熱導(dǎo)率的圖表。
[0016] 圖11是用于確定用于熱障瓦片的彈性的目標(biāo)模量的圖。
[0017] 圖12示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的方法。
【具體實(shí)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(diǎn)以及葉片尖端的 剝落的摩擦條帶，并且其局部化的修復(fù)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(shí)現(xiàn)這種新穎的維修的裝置和方法。
[0019] 圖1顯示了兩個(gè)相鄰的護(hù)環(huán)段22、24。每個(gè)段包括基體26和熱障涂層（TBC) 28。 渦輪葉片尖端條帶30已經(jīng)磨損至熱障涂層。該條帶隨時(shí)間擴(kuò)大并劣化，導(dǎo)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(gè)相鄰的護(hù)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(zhǔn)備基體的表面用于接收瓦片34。
[0021] 圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)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(yù)制件。在金屬釬焊材料上沉積陶瓷粉或預(yù)制件的第二層48。+/-電壓跨材料施加， 以通過放電等離子燒結(jié)共同燒結(jié)陶瓷和釬焊材料?？梢钥刂?0燒結(jié)電壓和持續(xù)時(shí)間，以獲 得通過溫度計(jì)52測量的目標(biāo)溫度。在燒結(jié)期間可以壓縮38層46、48。通過控制器50可以 控制燒結(jié)壓力、溫度和持續(xù)時(shí)間，以獲得本文所述的目標(biāo)密度和/或其它材料性質(zhì)。
[0022] 圖3的裝置和方法創(chuàng)建了具有內(nèi)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(jié)的界面54。界面可以采用用于改善的兩層粘合的聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)圖案56 形成。通過模塑釬焊材料至圖案化的低溫預(yù)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(jié)劑的釬焊粉組成或通過部分燒結(jié)制成。預(yù)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(fù)雜形 狀。接著用于層48的陶瓷粉可以沉積在用于最終目標(biāo)的燒結(jié)的圖案化的釬焊預(yù)制件上。示 例性陶瓷的組成部分是礬土和釔穩(wěn)定氧化鋯?？梢允褂矛F(xiàn)有技術(shù)已知的其它陶瓷材料。
[0023] 由于硼促進(jìn)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(jīng) 開發(fā)了適用于和超級合金材料一起使用的改進(jìn)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(qiáng)度上與以前的釬焊材料媲美，并且它們是足夠強(qiáng)地被認(rèn)為是結(jié)構(gòu)修復(fù)（即母體金屬的屈 服強(qiáng)度的至少70%)。
[0024] 用于這些應(yīng)用三元釬焊合金可能具有在下面的范圍內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(jié)可以鞏固每個(gè)子層，以在最終燒結(jié)期間維持梯度。當(dāng)使用球58時(shí)， 陶瓷層48的材料作為基質(zhì)60。
[0045] 圖4顯示了一個(gè)實(shí)施例，為了增加的耐磨性和減少的釬焊磨損，在該實(shí)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?xì)庑孤?。這種圖案可以通過 之前所述的內(nèi)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(gè)實(shí)施例。瓦片的相對邊沿70、 72可以是等高的，以減小流進(jìn)瓦片之間的間隙68的燃?xì)夂蜔崃?。例如，每個(gè)瓦片可以具有 在陶瓷層48的第一側(cè)上的第一非平面?zhèn)缺砻?0,和在與第一側(cè)相對的陶瓷層的第二側(cè)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(bǔ)鏡像圖像，使得當(dāng) 一對熱障瓦片并排設(shè)置時(shí)，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(bǔ)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?fù)咂拟F焊層。超過整體的一個(gè)的平 鋪的熱障的優(yōu)點(diǎn)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(dāng)陶 瓷層48和基體66具有大致不同的熱膨脹系數(shù)時(shí)。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(jié)中的鑄模盒40中的瓦片中。
[0049] 可以在金屬粉以及在導(dǎo)電和非導(dǎo)電陶瓷粉上執(zhí)行放電等離子燒結(jié)（SPS)。在內(nèi)產(chǎn) 生熱量，因此它不需要從粉盒或鑄盒的表面向內(nèi)迀移。因此，燒結(jié)是非?？焖?、均勻和高效 的。加熱速率可能高達(dá)大約l〇〇〇K/min。由于其均勻性和速度，SPS可以壓實(shí)納米尺