專利名稱：控制陶瓷熱噴涂層微觀結(jié)構(gòu)的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及熱噴涂層，尤其是涉及控制在陶瓷涂層中裂紋的形成。
背景技術：
現(xiàn)代的燃氣輪機發(fā)動機，特別是那些在飛機上使用的，都在高轉(zhuǎn)速和高溫下工作，以便增強性能和提高效率。現(xiàn)代燃氣輪機發(fā)動機的透平一般是軸流設計并包括許多軸流段。每個軸流段包括一組徑向安裝在固定到軸上的圓盤外周邊上的葉片。包圍各段的許多風道段限制圍繞葉片尖端流動的燃氣的泄漏。將這些風道段定位在靜止殼體或外殼的內(nèi)表面上。裝設風道段提高了熱效率因為與從葉片尖端泄漏相反可從流經(jīng)各段的燃氣中獲得更多的功。
盡管風道段限制了燃氣圍繞葉片尖端的泄漏，但它們不能完全消除這種泄漏。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)即使極少量的燃氣圍繞葉片尖端流動也會有害地影響透平的效率。因此，燃氣輪機發(fā)動機的設計者采用更大的長度來設計有效的密封結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)通常包括有涂層的風道段結(jié)合葉片尖端的涂覆，該涂覆使葉尖抗磨損。在操作中，葉尖通過切入到風道段的涂層中提供密封。因而防止葉片的損傷并獲得最小可能的葉尖間隙和空氣泄漏。
不幸的是當前通常是陶瓷的風道段涂層，受到由磨蝕或剝落造成的額外材料損失之害。一般來說，磨蝕是由于各種因素如磨損和銹蝕使涂層材料磨損掉。在發(fā)動機操作中磨蝕通常是由顆粒沖擊造成的。而剝落或散裂通常是由在陶瓷—金屬介面上因熱應力和侵蝕性熱環(huán)境引起的分層裂紋所造成。剝落基本上是零碎的涂層損失包括許多小的涂層材料的粘著體積。
由磨蝕和剝落引起的涂層損失大部分是由在分裂陶瓷涂層中存在微裂紋所造成的。與基底表面平行形成的微裂紋，或水平裂紋在經(jīng)受上述的操作條件或環(huán)境時會造成涂層剝離。與此相反，垂直取向的微裂紋加大該涂層的應變?nèi)菹蓿雇繉拥姆諌勖娱L。在分裂陶瓷涂層中微裂紋形成的機理是熱誘導應力。在涂層沉積期間以周期的方式熱梯度被誘導到涂層中。控制這些梯度以便允許要加到表面上的涂層沒有開口的裂紋，然后當每個薄層建立和隨后冷卻時，表面收縮產(chǎn)生使裂紋擴展到表面所需的應力水平。重新加熱該表面并在施加下一薄涂層之前閉合該裂紋。裂紋通過各涂層厚度擴展或平行于基底擴展的相對趨向是取決于在誘導裂紋擴展之前涂覆的各涂層的厚度。
陶瓷涂層的損失增加葉片尖端的間隙因而對透平的效率是有害的，同時對葉片本身也是有害的。例如，葉片可能由于溫度增加受到損害，因為發(fā)動機必須操作在溫度增加的狀態(tài)下以彌補推力的損失。通過提高分裂陶瓷涂層的質(zhì)量可以防止這樣的性能損失。
現(xiàn)在，美國專利6,102,656號(’656專利)公開了一種這樣的施加分裂陶瓷涂層的方法以努力改進該陶瓷涂層。在基底上涂覆陶瓷涂層是一個自動過程，例如在過程中將基底放在夾具內(nèi)，該夾具圍繞軸轉(zhuǎn)動或沿著傳送帶的線性方向運動。
如在’656專利中所描述那樣，在這樣的自動過程中基底10可以沿箭頭12所指的方向運動(見圖1)。等離子體噴管裝置14沿著由箭頭26所指的與基底10相反的方向運動并噴射等離子體火舌16。等離子體火舌16由一對指向基底10表面18的實線限定。等離子體噴管裝置14包括陶瓷(或粉末狀)材料給料器(沒有表示)，它在箭頭28所指的方向上將一定量的陶瓷材料20噴射到等離子體火舌16中。陶瓷材料20被夾帶在等離子體火舌16中并被帶向表面18。如圖所示，等離子體火舌16包括比陶瓷材料20更廣泛的噴灑模式從而在表面18上加熱區(qū)24內(nèi)形成沉積區(qū)22。
’656專利依靠很高的功率水平和燃氣流量并與等離子體噴管對部件(基底10)緩慢的相對運動一起使用來產(chǎn)生由等離子體加熱表面和獲得垂直的微裂紋所必需的空氣冷卻。這些條件代表了在設備能力、效率和陶瓷涂層的微觀結(jié)構(gòu)特征之間的一種折衷方案。
目前的方法不能對在噴灑過程中發(fā)生的熱梯度和熱循環(huán)總是施加適當有效的控制。在生成垂直裂紋和生成水平裂紋之間的平衡是非常難于控制的并且是很隨機地發(fā)生的。如在圖1中所示，由等離子體噴管產(chǎn)生的加熱區(qū)24大于沉積區(qū)22，加熱區(qū)并在剛才產(chǎn)生過沉積地方的方向上進一步在基底上伸展，而不是在將要產(chǎn)生沉積地方的方向上伸展，即，在圖1中加熱區(qū)24進一步向沉積區(qū)22的左方伸展而不是向沉積區(qū)22的右方伸展。由于在表面加熱和沉積位置之間這種關系，只有適中的驅(qū)動力才能使裂紋擴展通過涂層的厚度。結(jié)果是，在不只一個方向上產(chǎn)生收縮和熱循環(huán)造成在涂層的平面內(nèi)水平地生成裂紋和通過涂層垂直地生成裂紋。平行基底的水平裂紋并不能提高涂層的應變?nèi)菹藓湍陀眯?；這些裂紋實際上造成涂層剝離。
因此，仍然需要改進在分層陶瓷涂層中控制裂紋生成的方法，從而提高方法的可重復性和涂層性能的一致性，以及有利于獨立控制裂紋生成和孔隙率。

發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明，在基底上生成分裂的陶瓷噴射涂層的一種方法概括地包括(1)提供在基底附近設置的一個或多個熱源；(2)可選擇地將一定量的粘接涂層材料注入到一個或多個熱源的熱流中并沉積到基底表面的沉積區(qū)上以便生成可選的粘接涂層；(3)可選擇地將一定量的第一陶瓷材料注入到一個或多個熱源的熱流中并沉積到該表面的沉積區(qū)上以便在可選的粘接涂層上生成可選的第一陶瓷材料層；(4)對位于第一陶瓷材料層表面沉積區(qū)前方的預熱過的熱梯度區(qū)段施加熱流以便擴張可選的第一陶瓷材料；(5)將一種或幾種一定量的附加陶瓷材料注入到熱流中并沉積到該預熱過的擴張的可選的第一陶瓷材料層上以便生成一層或幾層陶瓷材料的附加層；(6)冷卻一層或幾層陶瓷材料的附加層以便促進垂直裂紋的擴展；(7)對一層或幾層陶瓷材料的附加層表面的預熱過的熱梯度區(qū)段施加熱流以便擴張附加的陶瓷材料。如果需要，步驟5到7可以重復一次或多次。
按照本發(fā)明，施加分裂陶瓷涂層的裝置概括地包括支持和移動一個或幾個基底的機構(gòu)；設置在一個或多個基底附近的一個或多個熱源，其中至少定位一個熱源對基底表面上預熱的熱梯度區(qū)段施加熱流；設置在一個或多個熱源附近的材料沉積裝置，其中將材料沉積裝置定位以便將材料沉積到位于該表面上熱梯度區(qū)段后面的沉積區(qū)上；和監(jiān)測一個或多個基底表面溫度的機構(gòu)。
在附圖和下面的描述中給出本發(fā)明一個或多個實施例的各種細節(jié)。從描述和附圖，以及從權(quán)利要求書，本發(fā)明的其他特點、目的、和優(yōu)點將會變得很清楚。


圖1是施加分裂陶瓷噴射涂層的現(xiàn)有系統(tǒng)的圖；圖2是表示怎樣施加分裂噴射涂層以便在涂層內(nèi)獲得垂直裂紋微觀結(jié)構(gòu)的圖；圖3是本發(fā)明施加陶瓷噴射涂層系統(tǒng)的一個實施例的圖；圖4是本發(fā)明施加陶瓷噴射涂層系統(tǒng)的再一個實施例的圖；圖5是本發(fā)明施加陶瓷噴射涂層系統(tǒng)的另有一個實施例的圖；和圖6是本發(fā)明施加陶瓷噴射涂層系統(tǒng)的還有一個實施例的圖。
在各圖中相同的參考數(shù)字和符號表示相同的元件。
具體實施例方式
為了提高陶瓷涂層的質(zhì)量，這里描述的方法建議在涂層微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)增加垂直微裂紋的數(shù)量。垂直微裂紋提供應變?nèi)菹蓿娱L涂層的服務壽命。
打算用術語“平衡”、“均衡”和它們相關的形式表達為了促進垂直裂紋在涂層中擴展在基底表面和要沉積在其上面的連續(xù)涂層之間已達到所需的溫度和熱梯度。在這里描述的各個過程期間，在涂層內(nèi)短時間發(fā)生熱流重復的循環(huán)，動態(tài)加熱涂層表面和由于該材料的熱容量和導熱性造成熱梯度。允許熱梯度在一段時間之后消散，例如，小到幾分之一秒，它造成沉積的涂層收縮并使垂直裂紋成鋸齒狀伸向涂層的表面。在這里描述的方法的整個過程中，在沉積連續(xù)的涂層時熱流的循環(huán)一次又一次地重復。
現(xiàn)在參考圖2，通過應用涂層和基底的熱膨脹、熱容量、和導熱性的材料特性，可以建立起熱梯度來控制裂紋生成的特征。不象在圖1中表示的先有技術的方法，在沉積期間，在一個或多個噴射噴管或其他熱源每次剛好在基底上通過之前和/或通過期間對涂層的瞬間加熱造成這些梯度。熱梯度引起涂層表面相對基底的擴張，它閉合裂紋同時進行陶瓷材料的沉積。在沉積每一層涂層之后允許梯度消散，表面收縮和進入使裂紋擴展到該表面的拉伸。重復表面加熱、涂覆、冷卻、和裂紋擴展的循環(huán)直到達到所需的涂層厚度。這種類型控制的好處包括提高了微觀結(jié)構(gòu)生成和得到的特性的可重復性，和獨立控制裂紋生成和孔隙率。
如在圖2中所示，這里描述的涂覆系統(tǒng)通常包括沉積在基底34的表面32上的粘接涂層30，和沉積在粘接涂層30上的一層或多層連續(xù)施加的陶瓷涂層36、38。在沉積之前，可以使用任何一種常規(guī)的方法或它們的組合清洗基底34以便除去污染物，如本發(fā)明所屬技術領域的普通技術人員理解的那樣。例如，可以使用氧化鋁磨料噴砂來清洗基底34。當基底34朝箭頭40所指方向運動時，熱源42可以對設置在由熱噴沉積裝置44正在涂覆的表面32該部分之前的至少這部分表面32進行加熱。熱源42提高了在其上面沉積涂層之前的表面32的溫度，或者表面32和沉積的涂層如30、36、38的溫度，以便確保適當?shù)臒嵫h(huán)和使垂直裂紋在涂層中擴展。
為了說明的目的，而不是限制，圖2的涂覆系統(tǒng)可以包括用來說明這里描述的熱梯度和裂紋擴展的幾個不同區(qū)域。在加熱之前，開始可以存在低熱梯度區(qū)50，在那里垂直裂紋已經(jīng)擴展到該沉積層的表面。當基底34運動時，熱源42提高低熱梯度區(qū)50的表面溫度形成表面加熱區(qū)52。在表面加熱區(qū)52，提高的溫度誘發(fā)熱梯度使表面擴張并閉合現(xiàn)有的裂紋。基底34繼續(xù)運動和表面加熱區(qū)52變成暴露在熱噴沉積裝置44之下。裝置44在涂層沉積區(qū)54內(nèi)，在現(xiàn)有的層30、36和/或表面32之上，沉積另一層連續(xù)的涂料層38。新的涂料38覆蓋原先稱為表面加熱區(qū)52的擴張的表面。
當基底34繼續(xù)在箭頭40的方向上運動和離開熱源42和沉積裝置44，連續(xù)施加的涂層30、36、38開始冷卻形成表面冷卻區(qū)56。當新沉積的涂層38和現(xiàn)有的涂層30、36之間的溫度平衡時，垂直裂紋開始擴展到暴露在大氣中的表面以便釋放拉伸應力?；?4繼續(xù)運動同時層38繼續(xù)冷卻形成低熱梯度區(qū)58，在那里垂直裂紋通過層30、36和/或38擴展到暴露在大氣中的表面。
可選擇地，可將MCrAlY材料或其他合適材料的粘接涂層30涂覆到基底34。MCrAlY指的是已知的金屬涂層系統(tǒng)，其中M代表鎳、鈷、鐵或它們的混合物；Cr代表鉻；Al代表鋁；和Y代表釔。通常知道MCrAlY材料是作為表層涂層，因為它們以預定的組份涂覆和在涂覆過程中不會與基底發(fā)生明顯的相互作用。對MCrAlY材料的某些非限制性例子請參看美國專利3,528,861號，它如美國專利3,542,530號那樣描述了FeCrAlY涂層。此外，美國專利3,649,225號描述了一種復合涂層，其中在沉積MCrAlY涂層之前先將一層鉻涂覆在基底上。美國專利3,676,085號描述了CoCrAlY表層涂層和美國專利3,754,903號描述了具有特別高延展性的NiCoCrAlY表層涂層。美國專利4,078,922號描述了鈷作為基質(zhì)的結(jié)構(gòu)合金，它借助鉿和釔組合的存在獲得改進的抗氧化性。在美國專利Re.32,121號中描述了優(yōu)選的MCrAlY粘接涂層組份，它被轉(zhuǎn)讓給本受讓人并插入這里作為參考，如有重量百分比組份范圍為5-40Cr、8-35Al、0.1-2.0Y、0.1-7Si、0.1-2.0Hf，從包括Ni、Co和它們混合物的該組材料中選擇平衡。還請參看美國專利4,585,481號，它也被轉(zhuǎn)讓給本受讓人并插入這里作為參考。
通過能夠生產(chǎn)所需組份的致密的、均勻的粘接涂層的任何方法可以涂覆這種MCrAlY粘接涂層30。這樣的技術可以包括，但不局限于，陰極濺鍍、電子束物理蒸汽沉積、高速等離子體噴涂技術(HVOF、HVAF)、燃燒方法、線噴涂技術、激光束敷涂、電子束敷涂等等。在高速等離子體噴涂技術中，噴涂噴管可操作在壓力小于約60乇(60mmHg)的真空室中或者在另一個合適的氣氛中，如空氣中。如果采用真空室，可將基底加熱到約1500(816℃)或約1900(1038℃)溫度。如果使用空氣氣氛，可將基底溫度維持在小于約600(316℃)。
粘接涂層30用的顆粒尺寸可以是任何合適的尺寸，在各實施例中可以在約15微米(0.015mm)和約60微米(0.060mm)之間有平均顆粒尺寸為約25微米(0.025mm)。可以涂覆粘接涂層30到任意合適的厚度，在各實施例中可以是約5密耳(0.127mm)到約10密耳(0.254mm)厚。在某些實施例中，厚度可以是約6密耳(0.152mm)到約7密耳(0.178mm)厚。
在粘接層30上或直接在基底34上可以涂覆分層的陶瓷涂層36、38。該陶瓷涂層可以包括一層或多層陶瓷層36、38，它們各自涂覆到任何合適的厚度。某些實施例可以有總厚度約20密耳(0.508mm)到約150密耳(3.81mm)。其他的實施例可以有總厚度約50密耳(1.270mm)。如這里所述在一次或多次連續(xù)噴涂過程中可以生產(chǎn)各陶瓷涂層。
現(xiàn)在參考圖3，說明本發(fā)明的一個系統(tǒng)。如本發(fā)明所屬技術領域的普通技術人員理解的那樣，基底100可以在自動過程中在箭頭112所指方向上運動。噴涂噴管裝置114可以保持靜止和對基底100加熱，或者噴涂噴管裝置114可以在與基底100相反的方向上運動，如箭頭126所示。噴涂噴管裝置114發(fā)射可以包含電離物質(zhì)的加熱的燃氣火舌116。預料所使用的該類熱源將決定是熱源運動還是熱源相對基底100的運動保持不動。但是在涂覆陶瓷材料時，優(yōu)選地是定位熱源來預熱位于基底100表面118上沉積區(qū)132前面的熱梯度區(qū)。代表性的噴管可以包括，但不局限于，空氣等離子體噴涂槍，如紐約州，Westbury的Sulzer Metco，Inc.公司工業(yè)上有售的3MB。
一旦已經(jīng)涂覆可選的粘著涂層122，陶瓷(或粉末)材料給料器(沒有顯示)將一定量的陶瓷材料120沿箭頭128所指的方向注入到等離子體火舌116中。注射陶瓷材料120的方向優(yōu)選地是與基底100的運動方向相同而與等離子體噴管裝置114的任何運動相反。陶瓷材料120被夾帶在等離子體火舌116內(nèi)并被帶向表面118。
最好用足夠大的力注射陶瓷材料120使其成為由等離子體火舌116的后部或最左邊一半所夾帶和搭載。通過控制注射的陶瓷材料120的方向和速度，該方法也就有效地控制陶瓷材料120在表面118上的沉積位置，例如，陶瓷材料沉積區(qū)132的位置。等離子體火舌116在收縮表面118包圍陶瓷材料沉積區(qū)132時產(chǎn)生加熱區(qū)130并在陶瓷材料120的初次沉積或再次沉積之前有效地預熱表面118。
一般來說，如出現(xiàn)熱循環(huán)那樣，沉積的陶瓷材料開始冷卻并在幾個方向收縮。當沉積另一層陶瓷材料時，從陶瓷材料薄片來的熱輸入造成涂層平面內(nèi)的裂紋。由于涂層經(jīng)受收縮和熱梯度的變化，生成的微裂紋可能不是垂直的，即微裂紋可能是平行于基底100的表面118。
預熱表面118或已沉積層，即粘接涂層122，可以提高和均衡陶瓷材料沉積區(qū)132周圍的溫度并減小在表面118和/或已沉積層與區(qū)域132中正在沉積的陶瓷材料之間存在的溫度差，即熱梯度。沉積的陶瓷材料的收縮相對原先的陶瓷層將變得不太嚴重，造成在涂層之間應力較小和平行基底生成裂紋的趨向較少。此外，如果預熱發(fā)生足夠快，在涂層表面118和基底100之間將誘發(fā)足夠的熱梯度引起平面內(nèi)的應力，在那些梯度消散時該應力將造成裂紋垂直擴展到基底。得到的沉積陶瓷材料層將更象生成所需的垂直微裂紋結(jié)構(gòu)。
為了確保進行預熱和控制熱梯度，可以采用監(jiān)測裝置134在整個沉積過程中測量表面118的溫度。合適的監(jiān)測裝置包括但不局限于，紅外相機、光學高溫計、熱電偶、包括至少一種上述裝置的各種組合、和類似的儀表。監(jiān)測裝置134可以提供關于基底和涂層溫度的數(shù)據(jù)給操作者、PLC、與被動過程控制結(jié)合的開環(huán)控制、或控制自動沉積過程的計算機、等等。
現(xiàn)在參考圖4和5，說明兩個與圖3中表示的系統(tǒng)不同的實施例?，F(xiàn)在特別參考圖4，基底200可沿箭頭212所指的方向運動。等離子體噴管裝置214可以保持不動或者可以沿箭頭226指的與基底200運動相反的方向運動，并發(fā)射等離子體火舌216。一旦已經(jīng)涂覆可選的粘接涂層，陶瓷(或粉末)材料給料器(沒有表示)將一定量的陶瓷材料220沿箭頭228所指的方向注入到等離子體火舌216中。注射的陶瓷材料220的方向優(yōu)選地是與基底200的運動方向相同和與等離子體噴管裝置214的任何運動方向相反。使陶瓷材料220被夾帶在等離子體火舌216內(nèi)并被帶向表面218。
可以使用一個或多個熱源236來預熱位于陶瓷材料沉積區(qū)232前面的表面區(qū)230。熱源236可以有足夠的額定功率對基底表面218即加熱區(qū)230發(fā)出熱量束238，以便提高和均衡基底200和陶瓷材料沉積區(qū)232周圍涂層的溫度，從而防止和/或減小熱梯度和收縮?？梢远ㄏ驘嵩?36有足夠的距離和角度以便保證在陶瓷材料220初次沉積或再次沉積之前均衡基底200和涂層的溫度。熱源236可以包括本發(fā)明所屬技術領域的普通技術人員所熟知的任何輻射或?qū)α鞯臒嵩?。代表性的熱源可以包括但不局限于，等離子體或燃燒熱噴涂噴管，如從紐約州，Westbury的Sulzer-Metco公司工業(yè)有售的3MB或Diamond Jettorch；燃燒加熱器或噴管；輻射電阻熱源，如白熾燈、常規(guī)或鹵素燈；激光熱源，包括至少一種上述熱源的各種熱源組合，和類似的裝置。
如前面設想的那樣，可以采用監(jiān)測裝置234在整個沉積過程中測量表面218的溫度。合適的監(jiān)測裝置包括但不局限于，紅外相機、光學高溫計、熱電偶、包括至少一種上述裝置的各種組合、和類似儀表。監(jiān)測裝置234可以提供有關基底和表面溫度的數(shù)據(jù)給操作者、PLC、與被動過程控制結(jié)合的開環(huán)控制、或控制如前面描述的自動沉積過程的計算機、等等。
現(xiàn)在特別參考圖5，基底300可在箭頭312所指的方向上運動。等離子體噴管裝置314可以保持不動或者可以沿著箭頭326所指的與基底300運動相反的方向運動，并發(fā)出等離子體火舌316。一旦已經(jīng)涂覆可選的粘接涂層，陶瓷(或粉末)材料給料器(沒有表示)將一定量的陶瓷材料320沿箭頭328指的方向注入到等離子體火舌316中。注射陶瓷材料320的方向優(yōu)選地是與基底300的運動方向相同但與等離子體噴管裝置314的任何運動方向相反。陶瓷材料320被夾帶在等離子體火舌316中并被帶向表面318。
如上所述，可以使用一個或多個熱源336來預熱在陶瓷材料沉積區(qū)332前面的基底表面區(qū)330。在這個代替的實施例中，熱源可以包括激光。激光熱源336發(fā)射出有足夠額定功率或強度的激光束338來加熱基底或涂層表面318的330區(qū)，以便提高陶瓷材料沉積區(qū)332周圍涂層的溫度從而防止和/或減小熱梯度和促使表面相對基底足夠擴張以基本上閉合涂層中現(xiàn)有的穿過厚度的裂紋?？梢远ㄏ蚣す鉄嵩?36有足夠的距離和角度以便確保在陶瓷材料320初次沉積或再次沉積之前足夠提高涂層的溫度。代表性的激光熱源可以包括但不局限于，在先有技術中已知的在焊接和切割應用中使用的激光熱源。
如前面設想的那樣，可以采用監(jiān)測裝置334在整個沉積過程中測量表面318的溫度。合適的監(jiān)測裝置包括但不局限于紅外相機、光學高溫計、熱電偶、包括至少一種上述裝置的各種組合、和類似的儀表。監(jiān)測裝置334可以提供有關基底表面溫度的數(shù)據(jù)直接給控制自動沉積過程的操作者或者提供這樣的數(shù)據(jù)給上述的自動系統(tǒng)，等等。
現(xiàn)在參考圖6，說明在圖3中表示的系統(tǒng)還有一個代替的實施例?；?00可以在箭頭412所指的方向上運動。第一等離子體噴管裝置414可以保持不動或者可以沿著箭頭426指的與基底400運動相反的方向運動，并發(fā)射等離子體火舌416?？梢允褂靡粋€或多個熱源，優(yōu)選地是使用第二等離子體噴管裝置436來預熱在陶瓷材料沉積區(qū)432前面的現(xiàn)有涂層表面區(qū)，即加熱區(qū)430。第二等離子體噴管裝置436發(fā)射第二等離子體火舌438到表面418上，即加熱區(qū)430上，以便提高陶瓷材料沉積區(qū)432周圍涂層的溫度從而造成溫度梯度和表面的擴張。第二等離子體噴管裝置436可以與第一等離子體噴管裝置414串聯(lián)(如圖所示)，或者另一種是，如前面所述可以由操作者、PLC、與被動過程控制結(jié)合的開環(huán)控制、或控制自動沉積過程的計算機獨立供電和控制。噴管裝置414和436加熱現(xiàn)有涂層的表面以便擴張涂層材料和閉合表面上穿過厚度的裂紋。噴管裝置436可以主要加熱現(xiàn)有涂層的表面以便擴張涂層材料和閉合穿過厚度到表面上的裂紋。一旦已經(jīng)涂覆可選的粘接涂層，陶瓷(粉末)材料給料器(沒有表示)將一定量的陶瓷材料420沿箭頭428所指的方向注入到等離子體火舌416中。陶瓷材料420被夾帶在等離子體火舌416中并被帶向表面418。
通過控制第一和第二兩個等離子體噴管裝置414和436的燃氣流量，可以獨立地伸出各自等離子體火舌416、438，以便獲得對表面418高的傳熱速率。為了達到這個目的，可以定向第二等離子體噴管裝置436有足夠的距離和角度以便保證加熱涂層的溫度，在沉積陶瓷材料420之前造成足夠高的溫度梯度和擴張。可將第二等離子體噴管裝置436放在比第一等離子體噴管裝置414更接近基底400表面418的位置，從而使第二等離子體火舌438可以預熱表面418和任何現(xiàn)有的涂層。第一等離子體噴管裝置414和第二等離子體噴管裝置436可以包括本發(fā)明所屬技術領域的普通技術人員已知的任何等離子體噴管。一個代表性的等離子體噴管可以包括但不局限于空氣等離子體噴涂槍，如紐約州，Westbury的Sulzer Meico，Inc.公司工業(yè)上有售的3MB。
如前面設想的那樣，可以采用監(jiān)測裝置434在整個沉積過程中測量表面418的溫度。合適的監(jiān)測裝置包括但不局限于紅外相機、光學高溫計、熱電偶、包括至少一種上述裝置的各種組合，和類似的儀表。如前面所述，監(jiān)測裝置434可以提供有關涂層表面溫度的數(shù)據(jù)給操作者、PLC、與被動過程控制結(jié)合的開環(huán)控制，或控制如前面所述自動沉積過程的計算機、等等。
控制這里設想的方法的處理參數(shù)以便產(chǎn)生垂直的分裂(近似與粘接涂層表面垂直)，和對如槍的類型和夾具幾何形狀這樣的變量，這些參數(shù)是特定的。一般來說，已知精確的槍到工件噴涂距離配合相對高功率的沉積產(chǎn)生所需的垂直分裂在每英寸約4個到約20個微裂紋之間。對本發(fā)明所屬技術領域的普通技術人員來說將能理解，使用不同的噴涂槍、基底和/或夾具可以改變這些參數(shù)。因此，可以使用這里提出的參數(shù)作為在不同操作條件下選擇其他合適參數(shù)的指導。
在各實施例中，在陶瓷材料噴涂沉積期間，包括直徑為約38英寸的圓筒形夾具可以在每分鐘約5轉(zhuǎn)(rpm)和約100轉(zhuǎn)之間的速度下轉(zhuǎn)動，優(yōu)選的速度是約25rpm?？蓪⒌入x子體噴涂槍定位在中空圓筒形夾具的內(nèi)部。在各個工件涂覆期間槍與工件的角度可以在約60度到約120度之間，和在某些實施例中可以是約90度。在陶瓷層生產(chǎn)期間槍到工件的距離可以約2英寸(0.05m)變化到約5英寸(0.13m)，和在某些實施例中可以是約3.25英寸(0.083m)。為了獲得令人滿意的垂直分裂這種精確的槍的距離可能是必需的。在沉積時槍的軸向跨過轉(zhuǎn)動的夾具和基底的橫向移動速率可以在約0.05英寸/夾具每轉(zhuǎn)(0.0013m/每轉(zhuǎn))和約1英寸/每轉(zhuǎn)(0.03m/每轉(zhuǎn))之間，和在某些實施例中可以為約0.02英寸/每轉(zhuǎn)(0.005m/每轉(zhuǎn))。
陶瓷材料供料速率可以在約15克/每分鐘到約300克/每分鐘之間，和在某些實施例中可在約90克/每分鐘?？梢允褂幂d氣流，如氮氣，來保持粉末在壓力下并促進粉末的供料。其流速可以在約5scfh(標準立方英寸/小時)(0.14scmh(標準立方米/小時))和約20scfh(0.57scmh)之間，和在某些實施例中可以是約11scfh(0.31scmh)。這里定義的標準條件是室溫(20℃)和約一個大氣壓(101千帕)。在槍中的主氣流量，如氮氣，可以在約60scfh(1.70scmh)和約175scfh(4.96scmh)之間。和在某些實施例中可以是約100scfh(2.83scmh)。同樣，在槍中的次級氣體流量，如氫氣，可以在約5scfh(0.14scmh)和約30scfh(0.85scmh)之間，和在某些實施例中可在約18scfh(0.51scmh)。槍的電壓可以在約60伏和約80伏之間，和在某些實施例中可以在約75伏。同樣，槍的電流量可以在約500安培和約900安培之間，和在某些實施例中約700安培。根據(jù)這里描述的過程參數(shù)，對本發(fā)明所屬技術領域的普通技術人員來說，將能理解各參數(shù)是取決于下列變量，包括但不局限于，粉末類型、粉末尺寸和特別是所采用的槍的類型、相對速度和運動、和采用的預熱表面的方法。
本發(fā)明的系統(tǒng)和方法有利于獨立控制涂層沉積和裂紋生成。這里描述的系統(tǒng)和方法通過測量和控制直接影響裂紋生成的各變量來控制導致裂紋生成的熱梯度，可以使用輔助的熱源以便允許獨立控制噴涂和裂紋生成的變量。通過改變化學組份、孔隙率和裂紋結(jié)構(gòu)可以達到獨立控制裂紋結(jié)構(gòu)和涂層孔隙率兩者，以便獲得所需的導熱性、抗磨性、可研磨性、密度、和其他有關裂紋結(jié)構(gòu)和涂層的特征。
應該理解本發(fā)明并不局限于這里圖示和描述的各種說明，它們應認為僅是說明實現(xiàn)本發(fā)明的最佳模式，同時它們允許形態(tài)、尺寸、部件的布置和操作細節(jié)的修改。更確切地說，本發(fā)明應包括在權(quán)利要求書定義的范疇和發(fā)明宗旨內(nèi)的所有這樣的修改。
權(quán)利要求
1.在基底上形成分裂的陶瓷噴涂層的一種方法，包括(1)設在基底附近設置的一個或多個熱源；(2)可選擇地將一定量的粘接涂層材料注入到所述一個或多個熱源的熱流中并沉積到所述基底表面的沉積區(qū)上以便生成可選的粘接涂層；(3)可選擇地將一定量的第一陶瓷材料注入到所述一個或多個熱源的所述熱流中并沉積到所述表面的所述沉積區(qū)以便在所述可選的粘接涂層上生成可選的第一陶瓷材料層；(4)對位于所述第一陶瓷材料層表面的所述沉積區(qū)前方的預熱過的熱梯度區(qū)段施加所述熱流以便擴張所述可選的第一陶瓷材料；(5)將一種或幾種一定量的附加陶瓷材料注入到所述熱流中并沉積到所述預熱過的擴張的可選的第一陶瓷材料層上，以便生成一層或幾層陶瓷材料的附加層；(6)冷卻所述一層或幾層陶瓷材料的附加層以便促進其中垂直裂紋的擴展；(7)對所述一層或幾層陶瓷材料的附加層表面的所述預熱過的熱梯度區(qū)段施加所述熱流以便擴張所述附加的陶瓷材料。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟5到7被重復一次或多次。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于施加所述熱流包括使用一個或多個熱源施加所述熱流。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于施加所述的熱流包括使用二個熱源施加所述熱流。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于還包括監(jiān)測所述第一陶瓷材料層和所述一層或多層附加陶瓷材料層的溫度。
6.涂覆分裂的陶瓷涂層的裝置，包括支持和移動一個或多個基底的機構(gòu)；設置在所述一個或多個基底附近的一個或多個熱源，其中至少定位一個所述熱源以施加熱流預熱基底表面上的熱梯度區(qū)段；設置在所述一個或多個熱源附近的材料沉積裝置，其中將所述材料沉積裝置定位以便將材料沉積到位于所述表面上所述熱梯度區(qū)段后面的沉積區(qū)上；和監(jiān)測所述一個或多個基底表面溫度的機構(gòu)。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于所述一個或多個熱源包括至少一種如下熱源噴管、輻射熱源、對流熱源和激光發(fā)射熱源。
8.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于所述一個或多個熱源包括噴管和第二熱源，該第二熱源包括至少一種如下熱源輻射熱源、對流熱源和激光發(fā)射熱源。
9.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于所述一個或多個熱源包括第一熱源和第二熱源，第一熱源包括至少一種如下熱源輻射熱源、對流熱源、發(fā)射激光熱源；和第二熱源包括至少一種如下熱源輻射熱源、對流熱源和激光發(fā)射熱源。
10.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于所述材料沉積裝置包括陶瓷材料沉積裝置。
11.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于所述材料沉積裝置包括粘接涂層材料沉積裝置。
12.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于所述材料沉積裝置能沉積多于一種類型的材料。
13.如權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于所述多于一種類型的材料包括陶瓷材料和粘接涂層材料。
14.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于所述支持和移動所述一個或多個基底的機構(gòu)能夠在第一方向移動所述一個或多個基底，和設計所述材料沉積裝置將一定量的材料在相對所述一個或多個基底的第二方向上沉積到所述一個和多個基底上。
15.如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于所述第一方向是與所述第二方向相同或相反。
16.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于所述支持和移動所述一個或多個基底的機構(gòu)能在第一方向移動所述一個或多個基底，和所述一個或多個熱源能在相對所述一個或多個基底的第三方向上移動。
17.如權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于所述第三方向是與所述第一方向相反。
18.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于所述材料沉積裝置構(gòu)造成將一定量的材料在第二方向上沉積在所述一個或多個基底上，和所述一個或多個熱源能夠在相對所述材料沉積裝置的第三方向上移動。
19.如權(quán)利要求18所述的裝置，其特征在于所述第二方向是與所述第三方向相同或相反。
20.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于所述監(jiān)測裝置包括至少一種如下儀表紅外相機、光學高溫計和熱電偶。
全文摘要
涂覆分裂陶瓷涂層的一種方法和裝置，所述裝置包括支持和移動一個或多個基底的機構(gòu)；設置在一個或多個基底附近的一個或多個熱源，其中將至少一個熱源定位以便施加熱流來預熱基底表面上的熱梯度區(qū)段；設置在一個或多個熱源附近的材料沉積裝置，其中使材料沉積裝置定位以便將材料沉積在位于表面上熱梯度區(qū)段后面的沉積區(qū)上；和監(jiān)測一個或多個基底表面溫度的機構(gòu)。
文檔編號C23C4/10GK1908221SQ200610108698
公開日2007年2月7日 申請日期2006年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月4日
發(fā)明者C·W·斯特羅克, C·G·達維斯 申請人:聯(lián)合工藝公司