專利名稱：用于制造部件的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明主要涉及陶瓷涂層，且更具體而言，本發(fā)明涉及致密且垂直開裂的隔熱涂層。
背景技術：
在一些已公知的燃氣輪機引擎中，一些部件例如葉片翼面在使用中可能會經(jīng)受超過1000攝氏度(℃)(1832華氏度())的高溫。為了保護這些部件，可使用陶瓷隔熱涂層(TBC)從而在基底金屬、或陶瓷、部件基底和高溫環(huán)境之間提供有效且可靠的絕緣隔熱屏障。如本領域已公知地，涂層的平滑性可影響到表面的空氣動力學特性，并且利于減小傳熱系數(shù)。
在一些已公知的部件中，采用等離子體噴涂工藝形成隔熱涂層，從而達到所需的結(jié)構(gòu)特征，即機械和熱學特征。典型的等離子體噴涂工藝可包括使用產(chǎn)生用于使注入到其中的隔熱涂層粉末熔化的熱的電離等離子體的等離子體噴涂噴槍或噴嘴。
一種已公知的隔熱涂層(TBC)沉積物通常被稱作致密且垂直開裂(DVC)的材料。致密且垂直開裂的隔熱涂層材料傾向于具有附帶有利于增大抗侵蝕能力的低孔隙率的致密的顯微結(jié)構(gòu)。致密且垂直開裂的隔熱涂層材料還具有有利于增大應變?nèi)菹薜亩鄺l垂直的微裂紋。然而，該高密度和低孔隙率可能傾向于增加與對已包括DVC隔熱涂層的部件表面進行平整相關的難度。
一些已公知的部件制造工藝包括使用一些已公知的“平滑涂覆”陶瓷隔熱涂層材料從而在施涂DVC隔熱涂層后在部件上形成一層涂層。至少一些這樣的平滑涂覆材料在多孔隔熱涂層上產(chǎn)生平滑的表面。然而，這些平滑涂覆材料中的一些可典型地不能可靠地附著到DVC隔熱涂層上。結(jié)果是，該平滑涂層在固化過程中可能會從部件表面上面“剝落”(即層離或者脫落)下來，由此在結(jié)束制造之前對部件造成損傷。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，提供一種制造機器部件的方法。所述方法包括成形出機器部件基底，其中所述基底具有基底表面區(qū)域。所述方法進一步包括成形出至少一層基本隔熱層，其中所述至少一層基本隔熱層包括第一基本隔熱層。所述第一基本隔熱層進一步包括具有第一孔隙率的第一陶瓷隔熱材料。所述方法還包括成形出至少一層第二隔熱層，其中所述至少一層第二隔熱層形成在所述第一基本隔熱層的至少一部分上面。同時，所述第二隔熱層進一步包括具有第二孔隙率的第二陶瓷隔熱材料，其中所述第二孔隙率大于所述第一孔隙率。所述方法還包括成形出包括具有第三孔隙率的平滑涂覆材料的至少一層第三隔熱層，其中所述第三隔熱層形成在所述第二隔熱層的至少一部分上面。所述第二隔熱層有利于減少第三隔熱層的層離。所述方法進一步包括固化所述第三隔熱層。
另一方面，提供一種制造具有隔熱涂層的渦輪部件的方法。所述方法包括成形出渦輪部件基底，其中所述基底具有基底表面區(qū)域。所述方法進一步包括使用距離所述部件第一距離設置的噴涂噴嘴成形出至少一層基本隔熱層。形成基本隔熱層的步驟包括在機器部件的基底表面區(qū)域的至少一部分上面形成第一基本隔熱層。至少一層后續(xù)的基本隔熱層大體上在每一層在前形成的基本隔熱層上面進行延伸。所述多層基本隔熱層包括具有第一孔隙率的第一陶瓷隔熱材料。所述方法還包括使用距離所述部件第二距離設置的噴涂噴嘴成形出至少一層第二隔熱層，其中所述第二距離大于所述第一距離。所述第二隔熱層形成在所述基本隔熱層的至少一部分上面。此外，所述第二隔熱層包括具有第二孔隙率的第二陶瓷隔熱材料，其中所述第二孔隙率大于所述第一孔隙率。所述方法還包括成形出包括具有第三孔隙率的平滑涂覆材料的至少一層第三隔熱層。所述第三隔熱層形成在所述至少一層第二隔熱層的至少一部分上面。所述方法進一步包括在預定溫度下在空氣中對所述第三隔熱層進行固化，其中所述第二隔熱層有利于減少第三隔熱層的層離。
又一方面，提供一種機器部件。所述機器部件包括具有表面區(qū)域的基底，其中所述基底進一步包括具有預定尺寸的制品。所述部件還包括具有第一孔隙率的至少一層基本隔熱層。所述部件進一步包括具有第二孔隙率的至少一層第二隔熱層，其中所述第二孔隙率大于所述第一孔隙率。所述部件還包括具有第三孔隙率的至少一層第三隔熱層，其中所述第二孔隙率有利于減少所述至少一層第三隔熱層的層離。


圖1是一個典型的渦輪部件的剖面的局部示意圖；和圖2是用于制造如圖1所示的渦輪部件的典型方法的流程圖。
具體實施例方式
圖1是一個典型的渦輪部件100的剖面的局部示意圖。渦輪部件100包括基底102，所述基底進一步包括基底表面區(qū)域104。部件100還包括至少一層致密且垂直開裂(DVC)的基本隔熱涂層(TBC)105，所述隔熱涂層進一步包括第一DVC隔熱涂層106和多層后續(xù)的DVC隔熱涂層107。層107包括周向最外側(cè)的DVC隔熱涂層108和周向最外側(cè)的DVC隔熱涂層表面109。部件100進一步包括具有周向最外側(cè)的第二隔熱涂層表面112的第二隔熱涂層110和具有周向最外側(cè)的第三隔熱涂層表面116的第三隔熱涂層114。
如在此所使用的，術語層指的是，但是不限于，覆蓋表面，或形成制品例如渦輪部件上覆的或在下面的部分或部段的一種材料或多種材料的層狀區(qū)或區(qū)域。一層具有一定的厚度。術語層不表示形成所述層的任何特定的工藝。例如，可采用噴涂、涂覆或?qū)訅汗に囆纬伤鰧印?br> 基底102包括表面區(qū)域104并且可成形具有預定尺寸的一組預定外形輪廓且厚度大致與成品渦輪部件100的尺寸相似。在該典型實施例中，基底102可以是金屬的。另一種可選方式是，基底102可以是陶瓷的。
在該典型實施例中，DVC隔熱涂層105包括八(8)層，其中第一DVC隔熱涂層106在表面區(qū)域104上面形成；且在七(7)個后續(xù)DVC隔熱涂層107中，每一個后續(xù)層形成在前一層之上。每一層的厚度和孔隙率基本上相似。所述多個層105中的每一層的厚度為大約0.0508毫米(mm)(0.002英寸)，總厚度為大約0.4064毫米(mm)(0.016英寸)。層108的周向最外側(cè)的表面109可以是平滑的。DVC隔熱涂層105可以是金屬氧化物材料，例如化學成分為重量百分比為6％-8％的氧化釔和余量為氧化鋯的氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯。另一種可選方式是，DVC隔熱涂層105可包括其它陶瓷材料和相關數(shù)量的層，且這些層的厚度可根據(jù)適當?shù)臉藴屎凸疃兓?。在該典型實施例中，一層第二隔熱涂?10形成在周向最外側(cè)的DVC隔熱涂層表面108上。層110為比DVC隔熱涂層105致密度更差即更多孔的層。
在該典型實施例中，一層第三隔熱涂層114形成在表面112上。層114為大約0.0254毫米(0.001英寸)至大約0.0508毫米(0.002英寸)。在該典型實施例中，使用一種平滑的涂覆材料，例如但不限于AJ11。在該典型實施例中，一個具有上述厚度的層形成具有大約小于2.54微米(100微英寸)的平均表面粗糙度(RA)。另一種可選方式是，所述層的數(shù)量和所述層的厚度可根據(jù)部件100的作業(yè)應用而變化。
圖2是用于制造(如圖1所示的)渦輪部件100的典型方法200的流程圖。方法200包括成形出202渦輪部件的基底102(如圖1所示)，其中該基底102包括基底表面區(qū)域104(如圖1所示)并且成形具有預定尺寸的一組預定外形輪廓且厚度大致與成品機器部件的尺寸相似。在該典型實施例中，可通過把熔融金屬注入具有大致類似于部件基底102的形狀的鑄模并且進行冷卻從而形成金屬部件基底102?；谒纬傻奶囟ú考捌潆S后的作業(yè)應用確定被選定用以形成部件基底102的金屬材料。后續(xù)層的初始表面為金屬部件基底102的表面104。
方法200包括進一步包括在渦輪部件102上成形出至少一層基本DVC隔熱涂層105(如圖1所示)的方法步驟204。通常，通過將多層隔熱涂層等離子噴涂在渦輪部件102的表面104上而形成致密且垂直開裂(DVC)層。在等離子噴涂噴槍(在圖1或圖2中未示出)進行一遍噴涂的過程中，可在給定平面內(nèi)或單位面積上沉積出一層陶瓷材料。為了基本上完全覆蓋基底102的表面104并且使隔熱涂層達到必要的厚度，通常所希望的是在沉積隔熱涂層時，等離子噴涂噴槍和基底102相對于彼此進行移動。這可采取使噴槍移動，使基底102移動，或使二者均移動的形式，并且其與進行噴漆所采用的工藝相類似。所述運動與給定的等離子噴涂噴槍噴出覆蓋有限面積(即具有噴槍覆蓋區(qū))的圖案這一事實相結(jié)合導致分層沉積出隔熱涂層。
在該典型實施例中，可使用受到計算機控制的程序反復進行機器人運動通過八(8)遍噴涂沉積出DVC隔熱涂層105，其中噴槍或噴嘴距離基底表面104大約11.43厘米(cm)(4.5英寸)遠。每一層105的厚度和孔隙率基本上相似。該工藝生產(chǎn)出均勻堅硬的、致密的、陶瓷涂層，經(jīng)過每遍噴涂，厚度增加大約0.0508毫米(mm)(0.002英寸)，最后達到為大約0.4064毫米(mm)(0.016英寸)的總厚度。在該典型實施例中，未對表面109進行平滑處理。在另一可選實施例中，前述總厚度允許在對層108(如圖1所示)進行精整操作的過程中除去大約0.0508毫米(mm)(0.002英寸)，所述精整操作可被用以獲得所需的表面109粗糙度和厚度規(guī)格。同樣，另一種可選方式是，噴涂遍數(shù)、噴槍-部件間的距離、每遍噴涂的沉積厚度和總沉積厚度可發(fā)生變化，從而有利于部件上的所需的層特征。
被用以形成多個DVC隔熱涂層105的陶瓷材料可以是金屬氧化物，例如化學成分為重量百分比為6％-8％的氧化釔和余量為氧化鋯的氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯。另一種可選方式是，也可以使用其它陶瓷材料。
在該典型實施例中，方法200包括進一步包括在渦輪部件100上形成一層第二隔熱涂層110(如圖1所示)的方法步驟206，其中除了以約33厘米(13英寸)至38.1厘米(15英寸)的距離進行噴涂之外，等離子噴涂噴槍采用與前一遍噴涂基本上相似的參數(shù)和運動進行至少一個附加遍數(shù)的等離子噴涂。該加大的距離形成隔熱涂層中的致密度更差即更多孔的“犧牲”層110，從而使得犧牲層110更軟且有利于平滑?？墒褂贸Ｒ?guī)的表面精整材料、刀具、工藝和技術比去除同樣厚度的更致密的DVC層108消耗更少的時間和資源去除相對較軟的犧牲層110。使犧牲層110平滑減少了平滑更致密的DVC層108的工作并且向精整操作人員提供“自報警”特征。反應在去除軟質(zhì)層110對硬質(zhì)層108所需的費力程度中的硬度變化會立即向操作人員報警，即軟質(zhì)層110已被消耗掉且相鄰的硬質(zhì)層108正在起作用。因此，該手段應使在精整過程中除去太多的DVC隔熱涂層108即“過混合(overblending)”的可能性降至最低，有可能會導致形成可處于預定的最小厚度公差以下的DVC隔熱涂層厚度。另一種可選方式是，涂覆遍數(shù)、所述層的層數(shù)和這些層的厚度可根據(jù)適當?shù)臉藴屎凸疃a(chǎn)生變化。同樣，在該典型實施例中，可采用多種方法，包括但不限于，調(diào)節(jié)相關等離子體噴槍噴涂的距離、調(diào)節(jié)相關TBC材料的化學成分和/或調(diào)節(jié)等離子體噴涂工藝的溫度，從而對第二層的孔隙率進行調(diào)節(jié)。
典型方法200中的方法步驟210包括對部件100進行高溫熱處理。相關的熱處理溫度和時間周期可基于多個參數(shù)發(fā)生變化，所述參數(shù)可包括但不限于，層數(shù)和所述層的預定厚度。
典型方法200中的方法步驟212包括通過使用一種流動性較好的平滑涂覆漿料(圖1或2中未示出)對部件100進行預定時間的噴涂從而在渦輪部件100上形成厚度為大約0.0254毫米(0.001英寸)-0.0508毫米(0.002英寸)的第三隔熱涂層114(如圖1所示)。所述第二隔熱涂層110的更多孔的表面112在施涂過程中允許所述流動性較好的平滑涂覆漿料互相滲透并且有利于增強第三層114對第二隔熱涂層110的附著性能。在該典型實施例中，一個具有上述厚度的層形成以具有一定的表面粗糙度，所述表面粗糙度大致可小于2.54微米(100微英寸)的粗糙度平均值。另一種可選方式是，層數(shù)和這些層的厚度可根據(jù)適當?shù)臉藴屎凸疃a(chǎn)生變化。
典型方法200中的方法步驟214包括在大約900℃(1650)的溫度下在空氣中使部件100熱固化。該步驟是測試檢驗法，原因在于如果層114與層110間的附著力不夠，那么加熱部件會誘發(fā)可將第三層114從第二層110上層離下來的應力。該相關的熱固化溫度和時間周期可基于多個參數(shù)發(fā)生變化，所述參數(shù)可包括但不限于，層數(shù)和所述層的預定厚度。
在此所描述的部件制造方法有利于對部件施涂保護性隔熱層。更具體而言，在上述渦輪部件上形成多層保護層防止在高溫環(huán)境中產(chǎn)生損傷。結(jié)果是，可減少或消除部件在使用時發(fā)生的劣化和增大的制造成本。
盡管在此所描述和/或示出的方法是結(jié)合制造一個部件，更具體而言一個渦輪部件而進行描述和/或圖示的，但是在此所描述和/或示出的方法的實踐通常既不受限于渦輪部件，也不受限于形成隔熱層。相反地，在此所描述和/或示出的方法適于制造任何制品并且適于形成任何材料的任何層。
上文中已詳細地對渦輪部件制造的典型實施例進行了描述。所述方法、設備和系統(tǒng)既不限于在此所述的具體實施例，又不限于所制造出的具體渦輪部件，而是，可獨立于在此所述的其它方法、設備和系統(tǒng)使用所述制造渦輪部件的方法，并且不限于制造在此未進行描述的部件。例如，還可使用在此所述的方法制造其它部件。
盡管已結(jié)合多個具體實施例對本發(fā)明進行了描述，但是本領域的技術人員將會意識到可使用落入權利要求書的精神和范圍內(nèi)的變型實踐本發(fā)明。
零件列表100 渦輪部件102 基底104 表面區(qū)域105 層106 第一DVC隔熱涂層107 后續(xù)DVC隔熱涂層108 硬質(zhì)層109 表面110 軟質(zhì)層114 第三層116 第三隔熱涂層表面200 方法202 成形204 方法步驟206 方法步驟210 方法步驟212 方法步驟214 方法步驟
權利要求
1.一種用于制造機器部件(100)的方法，所述方法包括成形出機器部件基底(102)，其中所述基底具有基底表面區(qū)域(104)；成形出至少一層基本隔熱層(105)，其中所述至少一層基本隔熱層包括形成在所述機器部件的基底表面區(qū)域的至少一部分上面的第一基本隔熱層(106)，其中所述基本隔熱層包括具有第一孔隙率的第一陶瓷隔熱材料；成形出至少一層第二隔熱層(107)，其中所述至少一層第二隔熱層形成在所述基本隔熱層的至少一部分上面，所述第二隔熱層進一步包括具有第二孔隙率的第二陶瓷隔熱材料，所述第二孔隙率大于所述第一孔隙率；成形出包括具有第三孔隙率的平滑涂覆材料的至少一層第三隔熱層(114)，其中所述至少一層第三隔熱層形成在所述第二隔熱層的至少一部分上面，所述第二隔熱層有利于減少第三隔熱層的層離；以及固化所述第三隔熱層。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中成形出至少一層基本隔熱層(105)的步驟包括在所述機器部件(100)的基底(102)表面區(qū)域(104)的至少一部分上面噴涂第一陶瓷隔熱材料。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中在所述機器部件的基底表面區(qū)域(104)的至少一部分上面噴涂第一陶瓷隔熱材料的步驟包括噴涂基本隔熱層(105)，從而使得每一層所述基本隔熱層的厚度和孔隙率大體上相似。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中成形出至少一層基本隔熱層(105)的步驟進一步包括在距離所述部件第一距離處噴涂基本隔熱層。
5.一種機器部件(100)，包括具有表面區(qū)域(104)的基底(102)，其中所述基底進一步包括具有預定尺寸的制品；具有第一孔隙率的至少一層基本隔熱層(105)；具有第二孔隙率的至少一層第二隔熱層(107)，其中所述第二孔隙率大于所述第一孔隙率；和至少一層第三隔熱層(114)，其中所述第二孔隙率有利于減少所述至少一層第三隔熱層的層離。
6.根據(jù)權利要求5所述的機器部件(100)，其中所述具有預定尺寸的制品包括預成形為一組具有預定外形輪廓且厚度與精整后的機器部件的尺寸基本相似的制品。
7.根據(jù)權利要求5所述的機器部件(100)，其中所述至少一層基本隔熱層(105)包括第一基本隔熱層(106)和至少一層后續(xù)的基本隔熱層，所述基本隔熱層進一步包括具有第一化學成分、多種預定厚度和多種孔隙率的第一陶瓷隔熱材料。
8.根據(jù)權利要求5所述的機器部件(100)，其中每一層所述基本隔熱層(105)的所述厚度和所述孔隙率包括大體上相似的厚度和大體上相似的孔隙率。
9.根據(jù)權利要求5所述的機器部件(100)，其中所述至少一層第二隔熱層(107)包括具有第二化學成分和預定厚度的第二陶瓷隔熱材料，其中所述第二化學成分與所述第一化學成分基本相似。
10.根據(jù)權利要求5所述的機器部件(100)，其中所述至少一層第三隔熱層(114)包括具有預定厚度的平滑涂覆材料。
全文摘要
提供一種制造機器部件的方法。所述方法包括成形出機器部件基底，其中所述基底具有基底表面區(qū)域。所述方法進一步包括成形出至少一層包括具有第一孔隙率的第一陶瓷隔熱材料的基本隔熱層。所述方法還包括成形出至少一層第二隔熱層，其中所述至少一層第二隔熱層形成在所述多層基本隔熱層的至少一部分上面。同時，所述第二隔熱層進一步包括具有第二孔隙率的第二陶瓷隔熱材料，其中所述第二孔隙率大于所述第一孔隙率。所述方法還包括成形出包括平滑涂覆材料的至少一層第三隔熱層，其中所述第三隔熱層形成在所述第二隔熱層的至少一部分上面。所述第二隔熱層有利于減少第三隔熱層的層離。
文檔編號C23C4/12GK1955330SQ20061014287
公開日2007年5月2日 申請日期2006年10月27日 優(yōu)先權日2005年10月27日
發(fā)明者R·G·羅維, R·S·沙爾沃伊, W·A·納爾遜 申請人:通用電氣公司