專利名稱：涂層系統(tǒng)的生產方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種如權利要求1前序部分所述的生產涂層系統(tǒng)的方法和一種如權利要求15所述的結構部件。
背景技術：
渦輪葉片和其他用于高溫技術領域的結構部件在長時間使用后會出現(xiàn)各種裂縫或腐蝕區(qū)域，因此需要對結構部件進行再處理來去除這些裂縫或腐蝕區(qū)域，在此過程中，結構部件上經過處理的部位會出現(xiàn)一個凹痕。
這些裂縫或凹痕一般用焊料進行充填。
據(jù)在本發(fā)明范圍內所做的研究的結果所示，多組分焊料通常含有可降低熔點的物質(例如硼)或其他會與一種密封性涂層(例如防腐涂層、隔熱涂層)生成脆性相(例如硼化鉻)的成分。
因而，這類涂層系統(tǒng)的機械性能不佳，特別是當其處于高溫環(huán)境中時。此外，涂層的防氧化功能和防腐功能也會有所減弱。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種方法和一種結構部件，所述方法可以通過充填涂層系統(tǒng)下面的凹痕來改善涂層系統(tǒng)的上述性能。
本發(fā)明基于如下認識，即，焊料的一種組分會與將要涂敷的涂層以非希望的形式發(fā)生反應。
本發(fā)明的目的通過一種如權利要求1所述的方法而實現(xiàn)，具體而言這種方法是，在一個中間步驟中施加一種第二材料，這種第二材料和第一材料(例如一焊料)發(fā)生反應，并通過與第一材料至少部分地生成化合物來除去第一材料中的非希望成分。
隨后，同時除去第二材料和從第一材料中所析出的非希望成分。這樣，第一材料與涂層之間的界面上不再含有下述成分，即，會與將要涂敷的涂層的材料以非希望的形式發(fā)生反應的成分。
第二材料也可以只是涂敷在第一材料上，在第一材料和將要涂敷的涂層之間創(chuàng)造一個間隔，從而阻止第一材料的成分和所述涂層發(fā)生反應，或顯著降低發(fā)生這種情況的可能性。這樣，由第二材料構成的涂層就形成了一個擴散阻擋層或擴散屏障。
此外，本發(fā)明的目的還通過一種如權利要求15所述的結構部件而達成。
從屬權利要求涉及的是其他有利措施。
從屬權利要求中所列舉的措施可以以有利的方式組合起來。


下面根據(jù)附圖對本發(fā)明的一個實施例進行說明，其中圖1為根據(jù)現(xiàn)有技術的一種涂層系統(tǒng)；圖2至圖6為按本發(fā)明的方法的工序；圖7為一個燃氣輪機；圖8為一個燃燒室；以及圖9為一個汽輪機。
具體實施例方式
圖1所示的涂層系統(tǒng)1至少由一個基質4和至少一個涂層7組成。
涂層系統(tǒng)1例如是一個汽輪機或燃氣輪機100的一個結構部件(葉片120、130，燃燒室內襯155......)。
與此相應地，基質4例如是一種鎳基或鈷基超級合金，也就是說，基質4是金屬基質。基質4也可以是陶瓷基質。
涂層7為陶瓷或金屬涂層，例如由一種MCrAlX合金構成。
其中，M代表鐵(Fe)、鈷(Co)或鎳(Ni)族元素中的至少一種元素。X代表釔和/或稀土元素中的至少一種元素。
基質4上有一個例如由于長時間使用某個結構部件或在生產過程中所形成的凹痕10(裂縫，凹槽，銑槽)。
當基質4處于這種狀態(tài)時，還無法對其進行正常地涂覆。
必要時先對凹痕10進行預先的凈化處理(除去氧化物)，再用一種第一多組分材料13充填凹痕10。所述的第一多組分材料例如是一種焊料13。
焊料13含有例如在較高溫度下會與涂層7發(fā)生反應的、可降低熔點的成分。
通常情況下，可降低熔點的成分是使焊料粘度變低、從而順利滲入并完全充填狹縫的必要條件。
焊料13例如含有硼(B)或含硼化合物，硼或含硼化合物會與MCrAlX涂層7中的鉻(Cr)生成易脆裂的、會對涂層的機械性能和/或防腐性能造成不良影響的硼化鉻相16。
第一多組分材料13中的至少一種組分(可降低熔點的成分)和涂層7在隨后的熱處理或運行使用過程中發(fā)生反應時就會生成這種非希望的相16。
其中，硼擴散到涂層7中，同時/或者，從涂層7中滲出的鉻擴散到充填著材料13的凹痕10中。
圖2顯示的是按本發(fā)明的方法的第一個步驟。
凹痕10已用焊料13充填，并在必要時通過焊接熱處理與基質4相連接。在此，需要材料13中含有可降低熔點的成分，以便將材料13通過凹痕10連接到基質4上。
基質4在凹痕10范圍內的表面19上涂敷了一種第二材料22，所述第二材料構成一個局部涂層(“局部”指的是材料22所占的面積<＝凹痕10的橫截面面積>小于<＜20％>涂層7的面積)。由材料22構成的這個涂層的厚度例如小于將要涂敷的涂層7的厚度。
材料22例如是鉻、一種含鉻化合物，或含鉻合金，或一種其他金屬的合金。材料22也可以是其他的物質。
可以通過膏、漿、膠帶(強力膠帶)、等離子噴涂等手段將材料22涂敷在基質的表面上，所述的這些材料均至少含有高比例的材料22。
如圖3所示，在除雜熱處理，特別是在高溫下單獨進行的擴散熱處理過程中，但也有可能例如同時在上述焊接熱處理進行的過程中，也就是當基質4和第一材料13、第二材料22一起隨著熱處理的進行而溫度升高時，會生成例如以析出物形態(tài)出現(xiàn)的相16(化合物)，由此，第一材料13中至少有一種非希望組分被析出，這種組分會與將要涂敷在基質上的涂層7(參見圖5)生成非希望的相16。
這些相例如是在焊接熱處理過程中未被化合的硼所生成的硼化鉻。材料22中也可能存在溶解在間隙(晶格)中的硼。
相16可能生成在材料22和/或位于凹痕10中的材料13中。
因此，材料22例如是涂層7的一個成分，例如是MCrAlX涂層中的鉻。
但也可以選擇一種不含有涂層7中任何一種元素或成分的材料。
所選擇的這種材料必須可以只和第一材料13中的至少一種非希望組分發(fā)生反應，以避免這種非希望組分與涂層7以非希望的形式發(fā)生反應。
在這種狀態(tài)下(參見圖6)，即，當?shù)诙牧?2以化合物的形式結合了第一材料13中的非希望組分，從而使其無法再與涂層7的材料發(fā)生反應時，就可以進行涂敷了。由材料22構成的涂層同時還形成了一個可以防止繼續(xù)滲出的非希望組分發(fā)生擴散的擴散阻擋層或擴散屏障。
如圖4所示，也可以(特別是通過研磨)將第二材料22和/或帶有脆性相16的材料13除去。
隨后進行涂層7的涂敷，參見圖5。
由于第一材料13至少在靠近表面19的地方幾乎不再含有會與涂層7的材料發(fā)生反應并生成非希望化合物的非希望組分，因此，即使下一步對基質4進行熱處理也不會在涂層7中生成脆性相。
通過上述方法制造而得的結構部件可以是一個新制的結構部件，也可以是一個使用過的結構部件。這種方法主要應用在結構部件的補焊(Refurbishment)技術領域中。
在此過程中，首先要除去原來的涂層。接著對缺陷(裂縫)進行補焊翻新，必要時進行再次涂層，主要是先涂敷一個MCrAlX涂層，再涂敷一個陶瓷隔熱涂層。
圖7顯示的是一個燃氣輪機100的縱向局部剖視圖。
燃氣輪機100的內部具有一個支承在一個旋轉軸102上的轉子103，轉子103圍繞旋轉軸102旋轉，又稱為渦輪轉子。沿著轉子103依次布置著一個吸進殼體104、一個壓縮機105、一個配有若干個共軸布置的燃燒器107的、例如呈環(huán)形的燃燒室110(特別是環(huán)形燃燒室106)、一個渦輪108和一個排氣室109。環(huán)形燃燒室106和一個例如呈環(huán)形的熱氣通道111連通。在熱氣通道中，例如有四個串聯(lián)在一起的、共同構成了渦輪108的渦輪級112。
每個渦輪級112由兩個葉片環(huán)組成。從工作介質113的流動方向上看，熱氣通道111中的每個導向葉片列115后面布置著一個由工作葉片120所組成的工作葉片列125。
導向葉片130固定在定子143上，而組成一個工作葉片列125的工作葉片120則通過一個渦輪葉輪盤133安裝在轉子103上。轉子103上耦接著一個發(fā)電機或一個做功機器(圖中未顯示)。
燃氣輪機100工作時，壓縮機105通過吸進殼體104吸入空氣135，并對這部分空氣進行壓縮。在壓縮機105靠近渦輪一側的一端上生成的壓縮空氣被輸送到燃燒器107上，并在這里與一種燃料混合。這部分由壓縮空氣和燃料構成的混合物在燃燒室110中燃燒，形成一種工作介質113。從燃燒室110中出來的工作介質113沿著熱氣通道111流過導向葉片130和工作葉片120。工作介質113在工作葉片120上膨脹并傳遞動量，從而使得工作葉片120驅動轉子103，再由轉子103驅動與其耦接的做功機器。
燃氣輪機100工作時，與工作介質113接觸的結構部件承受著一定的熱負荷。從工作介質113的流動方向上看，構成第一渦輪級112的導向葉片130和工作葉片120與覆蓋在環(huán)形燃燒室106上的隔熱石，是熱負荷最高的結構部件。為了使這部分導向葉片和工作葉片能夠經受住其所在位置的溫度，要用一冷卻劑對它們進行冷卻。葉片120、130同樣可以具有防腐(MCrAlX；M＝Fe、Co、Ni，X＝Y、稀土元素)和防熱(隔熱涂層，例如ZrO2、Y2O4-ZrO2)的涂層。
導向葉片130具有一個朝著渦輪108的內殼138的導向葉片根部(圖中未顯示)和一個位于所述導向葉片根部對面的導向葉片頂部。導向葉片頂部朝向轉子103，并固定在定子143的一個緊固環(huán)140上。
圖8顯示的是一個燃氣輪機的一個燃燒室110。燃燒室110設計成例如所謂的環(huán)形燃燒室，具有復數(shù)個燃燒器102，從切線方向上看，這些燃燒器圍繞渦輪軸103布置，并通向一個共同的燃燒室空間。因此從整體上看，燃燒室110具有一個環(huán)形結構，可以圍繞渦輪軸103布置。
為了達到較高的效率，燃燒室110設計能使用具有較高溫度的工作介質M，其中，“較高溫度”指的是約1000℃至1600℃。為了即使在存在諸如此類不利于材料的工作參數(shù)的情況下也能實現(xiàn)較長的持續(xù)工作時間，燃燒室壁153朝向工作介質M的一側上配備了一個由熱屏蔽元件155構成的內襯。每個熱屏蔽元件155朝向工作介質的一側由耐高溫材料制成，或者其上配有一個特別耐熱的防護層。此外，鑒于燃燒室110內部的高溫，還為熱屏蔽元件155和/或支持件設置了一個冷卻系統(tǒng)。
所述燃燒室110的一個特別功能是可以探測熱屏蔽元件155的損耗情況。為此，燃燒室壁153和熱屏蔽元件155之間布置了復數(shù)個溫度傳感器158。
權利要求
1.一種生產一個帶有一基質(4)的涂層系統(tǒng)(1)的方法，其中，所述基質(4)具有一個有待充填的凹痕(10)，用一第一多組分材料(13)充填所述凹痕(10)，從而可以在充填后的凹痕(10)范圍內在所述基質(4)上涂敷一個涂層(7)，其中，所述第一多組分材料(13)含有至少一非希望組分，如果這一非希望組分擴散到所述涂層(7)中，就會對所述涂層(7)的特性造成不利影響，其特征在于，在一個中間步驟中，只在充填后的凹痕(10)范圍內涂敷一第二材料(22)，使得所述的非希望組分幾乎不能或根本不能擴散到所述涂層(7)中。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二材料(22)覆蓋住位于所述凹痕(10)中的所述多組分材料(13)的非希望組分，從而起到擴散阻擋層的作用。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，在一個中間步驟中進行一次除雜熱處理，從而使得至少一種非希望組分從位于所述凹痕(10)中的所述第一多組分材料(13)中析出，且至少部分進入所述第二材料(22)。
4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于，在所述除雜熱處理之后和在所述基質(4)上涂敷所述涂層(7)之前，特別是通過研磨處理將所述第二材料(22)和從所述第一材料(13)中析出的至少一種非希望組分除去。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一多組分材料(13)是一種焊料，其所含有的至少一種組分包括至少一種以非希望組分形式出現(xiàn)的、可降低熔點的物質。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征在于，所述可降低熔點的物質由硼構成或含有硼。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，在涂敷所述涂層(7)之前，對所述第一材料(13)進行一次焊接熱處理，從而使其在所述凹痕(10)中與所述基質(4)相連接。
8.根據(jù)權利要求3或7所述的方法，其特征在于，所述除雜熱處理以擴散熱處理或焊接熱處理的形式進行。
9.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，將一種鐵基、鎳基或鈷基超級合金用作所述基質(4)。
10.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，將一種MCrAlX合金用作所述涂層(7)，其中，M是鐵(Fe)、鈷(Co)或鎳(Ni)族中的至少一種元素，X是釔和/或稀土元素中的至少一種元素。
11.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，由所述第二材料(22)構成的涂層的厚度比所述涂層(7)的厚度小。
12.根據(jù)權利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，將鉻、含鉻化合物或含鉻合金用作所述第二材料(22)。
13.根據(jù)權利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述第一多組分材料(13)含有至少一種非希望組分，所述非希望組分與所述涂層(7)生成一種非希望化合物，所述第二材料(22)在所述除雜熱處理過程中與所述第一多組分材料(13)的所述至少一種非希望組分生成一種化合物。
14.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二材料(22)通過膏、漿、膠帶或其他方法進行涂敷。
15.根據(jù)權利要求1至14中任一或若干權利要求所述制造而得的結構部件。
16.根據(jù)權利要求15所述的結構部件，其特征在于，所述結構部件是一個燃氣輪機(100)或汽輪機的一個渦輪結構部件。
17.根據(jù)權利要求15、16所述的結構部件，其特征在于，所述結構部件(1)是一個渦輪葉片(120，130)。
18.根據(jù)權利要求15、16所述的結構部件，其特征在于，所述結構部件(1)是一個燃燒室內襯(155)。
19.根據(jù)權利要求15至18所述的結構部件，其特征在于，使用過所述結構部件(1)后，根據(jù)權利要求1至15中任一或若干權利要求所述對所述結構部件(1)進行再加工。
20.根據(jù)權利要求15至19所述的結構部件，其特征在于，所述結構部件(1)是一個新的結構部件。
21.根據(jù)權利要求15至20所述的結構部件，其特征在于，所述結構部件(1)具有一個陶瓷隔熱涂層。
全文摘要
現(xiàn)有技術一般用焊料充填凹痕和/或裂縫，而焊料會與將要涂敷的涂層生成對涂層的機械特性具有不良影響的脆性相。通過按本發(fā)明的方法，可以從焊料(13)中除去會生成脆性相(16)的成分。這一點可以通過下述方法而實現(xiàn)，即，涂敷一種同樣會與所述成分發(fā)生反應的第二材料(22)，并在涂敷涂層(7)之前將所述第二材料(22)和所述脆性相(16)一起除去。
文檔編號F01D5/00GK1863640SQ200480029223
公開日2006年11月15日 申請日期2004年9月15日 優(yōu)先權日2003年10月6日
發(fā)明者賴納·安東, 克里斯琴·貝爾, 布里吉特·海內克, 邁克爾·奧特 申請人:西門子公司