專利名稱：形成低氧化物涂層的涂覆裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及如焊接和等離子體噴涂的工藝和裝置，諸如希望用于制造、恢復(fù)或修復(fù)金屬物件的工藝和裝置。本發(fā)明尤其涉及一種制備低氧化粘結(jié)層的焊接工藝和裝置，以及在焊接過程中提供粘結(jié)涂層的方法。
背景技術(shù)：
多種金屬都使用于工業(yè)應(yīng)用中。當(dāng)這些應(yīng)用包括操作條件的要求時(shí)，通常需要特殊金屬。例如，燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)的元件在高溫環(huán)境下操作。許多這樣的元件是由鎳基和鈷基超合金形成的。因?yàn)檫@些元件必須經(jīng)受在約1100□～約1150□范圍下連續(xù)工作的溫度，所以這些超合金常常涂覆有熱障涂層(TBC)系統(tǒng)。這些涂層系統(tǒng)通常包括直接施加到超合金底金屬的下部粘結(jié)涂層，和覆蓋該粘結(jié)涂層的陶瓷基保護(hù)涂層。對于噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)來說，涂層被施加到各種超合金的表面，如渦輪葉片和導(dǎo)流葉片、燃燒室襯套和燃燒室噴嘴。
與其他燃?xì)廨啓C(jī)部件一樣，燃?xì)廨啓C(jī)操作者發(fā)現(xiàn)定期修補(bǔ)熱障涂層部分以使其恢復(fù)到理想條件是非常值得的。通常，如果該零件可以修補(bǔ)，就要經(jīng)過包括各種操作的修補(bǔ)循環(huán)。該修補(bǔ)循環(huán)可以包括如下操作，焊接修補(bǔ)以填充裂縫和/或恢復(fù)接點(diǎn)公差，銅焊修補(bǔ)以填充裂縫和/或恢復(fù)或改變導(dǎo)流葉片的等級(jí)，接點(diǎn)修補(bǔ)以恢復(fù)磨損觸頭，和其它步驟。修補(bǔ)循環(huán)還包括粘結(jié)涂層以及熱障涂層的再施加。相應(yīng)地，修補(bǔ)過程通常包括需要不同裝置設(shè)備的各種或處理步驟。例如，可以利用各種焊接裝配和焊接的特殊加工工藝來進(jìn)行焊接，以修補(bǔ)底金屬。焊接之后可以施用粘結(jié)涂層，通常要求將需要修補(bǔ)的部分轉(zhuǎn)移到噴射單元。因此，需要兩個(gè)獨(dú)立的操作來影響焊接修補(bǔ)和等離子體噴射涂層如粘結(jié)涂層的應(yīng)用。
TBC系統(tǒng)的效果常常用它從其所保護(hù)的底金屬上分層之前所能經(jīng)受的熱循環(huán)次數(shù)來衡量。總的來說，涂層效力隨所經(jīng)受溫度的升高而降低。TBC的失效常常歸咎于與粘結(jié)涂層多少有關(guān)的不足或缺陷，如，粘結(jié)涂層的微觀結(jié)構(gòu)或粘結(jié)涂層-底金屬界面或粘結(jié)涂層-TBC界面的失效。因此，粘結(jié)涂層性能的小心控制對于底金屬足夠且延長的保護(hù)來說是很重要的。
目前工藝中的一個(gè)問題是，粘結(jié)涂層在普通熱噴涂過程中容易受空氣氧化。氧化產(chǎn)物通常被包括在涂層中，而且得到的粘結(jié)涂層通常較硬且更耐磨。然而，涂層中氧化物的存在對腐蝕性、強(qiáng)度和機(jī)加工性能造成不利影響。盡管發(fā)展了各種工藝如HVOF來改善涂層的其它性能，如密度、多孔性及其它，但是，這些方法相對昂貴，而且由于很容易就會(huì)在其等離子體供料束中引入氧氣，因此提供一種在涂層過程中形成氧化物的固有機(jī)理。此外，如上所述，通常需要使用單獨(dú)受控噴射單元，以在涂層過程中移動(dòng)部件。
發(fā)明概述本文公開的是用于焊接噴槍的局部環(huán)境單元。該局部環(huán)境單元包括具有頂面和底面的圓環(huán)，其中圓環(huán)適合于被固定在噴槍外周上；多個(gè)放射狀布置在圓環(huán)周圍的流體通道，包括多個(gè)在圓底面上與向此處提供真空的真空源流體連通的開口。
本文同時(shí)還公開了焊接槍和局部環(huán)境單元的結(jié)合，該結(jié)合包括一包括位于殼體內(nèi)的永久電極的焊接槍，其中殼體包括惰性氣體通過的流體通道；和固定在焊接槍外周上的局部環(huán)境單元，局部環(huán)境單元包括限定焊接槍殼體并具有頂面和底面的圓環(huán)，其中該圓環(huán)還包括多個(gè)徑向配置在圓環(huán)周圍的流體通道，該圓環(huán)具有多個(gè)在該環(huán)底面上與向該處提供真空的真空源流體連通的開口。
一種焊接底金屬并在焊接過程中形成低氧化物粘結(jié)涂層的工藝過程，該過程包括在被焊接的底金屬上的一區(qū)域周圍圓周地維持惰性氣氛，其中維持惰性氣氛的步驟包括在帶局部環(huán)境單元的等離子體弧周圍沿圓周形成真空；焊接所述底金屬并在底金屬區(qū)內(nèi)形成熔池，其中熔池具有前緣和尾緣；在熔池固化時(shí)或固化在底金屬上有效地形成一粘結(jié)涂層的數(shù)量之前選擇性地在尾緣處沉積粉末。
根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，形成低氧化物的過程包括在工件頂上形成等離子體??；在帶局部環(huán)境單元的等離子體弧周圍圓周地形成真空，其中局部環(huán)境單元包括與等離子體噴槍的外周邊接合以形成等離子體弧的圓環(huán)，該圓環(huán)包括多個(gè)流體通道，其開口位于底金屬上方以使得微粒、未反應(yīng)的粉末、臭氧和來自底金屬的煙氣被真空抽走；將運(yùn)載氣體中的粉末傳遞到工件以產(chǎn)生低氧化物涂層。
上述和其他特征以下面的詳細(xì)描述和附圖作為例證。
附圖簡介現(xiàn)在參照附圖，其中相同的元件有相似的編號(hào)。


圖1是一個(gè)局部環(huán)境單元和等離子體噴槍的部分透視圖；圖2是圖1中局部環(huán)境單元的俯視圖；圖3是圖1中局部環(huán)境單元的仰視圖；圖4是等離子體轉(zhuǎn)移弧形焊矩系統(tǒng)的示意圖；和圖5是根據(jù)本發(fā)明制成的粘結(jié)涂層的顯微照片，其氧化物含量為10％。
優(yōu)選實(shí)施例詳述現(xiàn)在參照圖1～3，示出了總體上用10標(biāo)記的局部環(huán)境單元，用于在控制氣氛下實(shí)現(xiàn)如等離子體轉(zhuǎn)移弧(PTA)或氣體保護(hù)鎢極弧(GTA)焊接工藝的焊接操作。諸如PTA和GTA焊接工藝的焊接方法通常在永久鎢極電極附近通入惰性氣體，如氬氣、氦氣和類似氣體，這是本領(lǐng)域公知的。惰性氣體保護(hù)電極，并且通常保護(hù)由通過將底金屬暴露在等離子體下而形成的熔池。局部環(huán)境單元10消除了用于控制焊接噴槍和等同體周圍氣氛的單獨(dú)噴射單元的需要，增加了焊接操作的多功能性，這是有利的，這里將對其進(jìn)行討論。局部環(huán)境單元在熔池周圍提供了均勻的真空，用以從底金屬上移開污染物，并提供一用于臭氧、未反應(yīng)的粉末、煙氣和其它類似物的排出機(jī)構(gòu)。
該局部環(huán)境單元10包括圓環(huán)12。該圓環(huán)12的內(nèi)徑優(yōu)選為有螺紋，尺寸能容納焊接噴槍14的外徑，該焊接噴槍具有互補(bǔ)螺紋的外表面16，用于將圓環(huán)12螺紋連接到噴槍14上。如箭頭18所示的多個(gè)液體管道形成于圓環(huán)12內(nèi)。如圖所示，這些多個(gè)液體管道18包括八個(gè)徑向固定在圓環(huán)12外周上并且與位于圓底面24的入口22流體連通的管子20。液體通道優(yōu)選在圓環(huán)12周圍均勻間隔開，以提供均勻、受控的真空。盡管圖示為八個(gè)管子，但可以依據(jù)所需要的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用來使用更多或更少的管子。此外，位于圓底面24且與管20流體連通的入口22的數(shù)量可以根據(jù)所需要的應(yīng)用來增加或減少。
圓環(huán)12可以包括一圓內(nèi)的環(huán)形通道(未示出)，各個(gè)流體通道18在其中同時(shí)或擇一地流體連通，如圖所示，每個(gè)流體通道18代表一個(gè)單獨(dú)的通道。真空源26與通道18流體連通，以向該處提供真空。采用這種方式，在局部環(huán)境單于10進(jìn)行與焊接操作，如PTA焊接操作相關(guān)的操作過程中，焊接期間臭氧、微粒物質(zhì)、煙氣和類似物的連續(xù)移開能有利地完成。因?yàn)榫植凯h(huán)境單元10直接固定在焊接噴槍20上，真空開口非常接近熔池或者底金屬以被等離子體涂覆。關(guān)于各種現(xiàn)有噴射技術(shù)中使用單獨(dú)噴射單元來控制環(huán)境的必要性不再需要，因?yàn)樵摼植凯h(huán)境單元在等離子體弧和熔池的周圍提供了一個(gè)容器中心。以這種方式使用單元10，使最后的用戶能夠?qū)⒕植康入x子體噴射作為焊接修復(fù)工藝的一部分，例如，借此提供顯著的商業(yè)優(yōu)勢。更重要的是，低氧化物粘結(jié)涂層利用噴槍結(jié)合局部環(huán)境單元10來形成。這些優(yōu)點(diǎn)將在下面更詳細(xì)地論述。
現(xiàn)在參照附圖4，該圖示出了適于焊接金屬工件52的典范性的等離子體轉(zhuǎn)移弧(PTA)焊炬系統(tǒng)50。系統(tǒng)50總體上包括一等離子體轉(zhuǎn)移弧焊炬54，氣體供應(yīng)源58、60，粉末給料供應(yīng)或漏斗62。焊炬54包括一電源66，其中一連接在焊炬54上的電導(dǎo)線68和連接在提供電接地的工件52上的另一電導(dǎo)線70。氣體供應(yīng)源58使用導(dǎo)管72與焊炬54流體連通，以向焊炬54供應(yīng)保護(hù)氣體和/或等離子體氣體，如氬氣或氬氣與氦氣的混合氣體、或類似氣體，用來形成等離子體，并在熔池和等離子體弧周圍提供合適的保護(hù)氣體。局部環(huán)境單元10被示位于焊炬54的外周，并與真空源26流體連通。
等離子氣體通常以公知的方式供給到焊炬54的環(huán)形腔中，環(huán)繞并隔離電極頭以形成引弧。保護(hù)氣體通常被供給到焊炬的下部，并依據(jù)環(huán)形路徑分布以充分保護(hù)在焊接操作過程中產(chǎn)生的熔池，使其免受任何外部化學(xué)污染物，如氧氣。局部環(huán)境單元的使用進(jìn)一步加強(qiáng)了對外部污染物的保護(hù)，以從底金屬移開煙氣、臭氧、多余的粉末和其他物。氣體供應(yīng)源60向漏斗62提供了用于將粉末運(yùn)送到焊炬54中的運(yùn)載氣體，優(yōu)選氬氣或氮?dú)狻?br> 粉末漏斗62與焊炬54流體連通，并從粉末漏斗62接收粉末74，且經(jīng)過流體導(dǎo)管78從氣體供應(yīng)源60接收運(yùn)載氣體76，如氬氣或氮?dú)?。運(yùn)載氣體76以低于受控流速提供，用來將粉末74傳送給焊炬54。粉末通常是金屬裝填物微粒，用于粘結(jié)涂層，可以包括Ni、Cr、Co、Bo、Fe、W和WC，根據(jù)所需要的應(yīng)用進(jìn)行具體的選擇。
管狀的排除物擋板或邊緣典型地可以環(huán)繞著噴槍噴嘴，以容納平衡容量的保護(hù)氣體并取代那里的氧氣。在這種情況下，局部環(huán)境單元10固定在邊緣上。保護(hù)氣體提供了一個(gè)暫時(shí)排除區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)等離子體弧76被維持并接收噴射進(jìn)來對工件12焊接或覆層的粉末。盡管邊緣與基本單元10結(jié)合能提供一個(gè)涂層中降低的氧含量水平，但是等離子體環(huán)境下，氧氣的存在完全消失，借此提供了沉淀低氧化物粘結(jié)涂層的能力以及阻止氧化物粉末進(jìn)入粘結(jié)涂層結(jié)合的能力。因此，粘結(jié)涂層中氧化物的水平將顯著降低，密度顯著增加。
為了形成如粘結(jié)涂層這樣的涂層，對經(jīng)過弧的氬氣離子化以建立等離子體弧，氬氣經(jīng)過的弧是由永久鎢極電極(-)和工件之間形成的。該弧通常被稱為“轉(zhuǎn)移弧”。該轉(zhuǎn)移弧受等離子體噴嘴約束，得到溫度在約10000℃至約15000℃的“等離子體柱”。由弧釋放的能量與當(dāng)前使用的弧和弧長度成比例。粉狀金屬以受控的速度經(jīng)過注射口被供給到等離子體流中和/或周圍，隨后被弧加熱到熔融狀態(tài)。熔融的材料被放置在底金屬上。
等離子體能量和粉末供給速度之間的聯(lián)系決定了熔化工件所需維持的“弧能量”的數(shù)量。其結(jié)果是，達(dá)到了對進(jìn)入工件中深度的極好的控制。保護(hù)氣體經(jīng)過大的外部噴嘴被輸送，保護(hù)等離子體周圍的底金屬區(qū)域免受氧化。精心制作的冷卻系統(tǒng)典型地用來以本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的方式將等離子體焊炬的溫度維持在可以接受的水平。
如上所述，局部環(huán)境單元10與焊接噴槍一起提供了在需要沉淀粘結(jié)涂層、外涂層或類似的應(yīng)用中氧化物水平的進(jìn)一步降低。粘結(jié)涂層的基本目的是為隨后的熱障涂層涂覆在金屬底金屬提供改善的粘著力。粘結(jié)涂層，如MCrAlY，被施加到元件超合金底金屬部分作為第一層，其中M為Fe、Ni、Co，或Ni和Co的混合物或另一種金屬或合金，如鉿和硅或擴(kuò)散鋁化物，通常該元件超合金底金屬為鎳基或鈷基超合金底金屬。粘結(jié)涂層可以抗氧化和抗腐蝕，并且能作為外涂層的力學(xué)粘結(jié)表面。外涂層的一個(gè)例子是為防止金屬與燃?xì)廨啓C(jī)共有的熱氣流發(fā)生反應(yīng)的熱障涂層。
粘結(jié)涂層的厚度取決于多種因素，如成分所需要的抗氧化和抗腐蝕的能力以及材料的成本。零件的形狀和尺寸同樣也要考慮，因?yàn)檎辰Y(jié)層的厚度不能超過尺寸公差。零件的重量限制是考慮的一個(gè)附加因素(尤其對于機(jī)翼而言)，因?yàn)檎辰Y(jié)涂層會(huì)增加元件的一些重量?？偟膩碚f，厚度應(yīng)在約50微米至約500微米的范圍內(nèi)，優(yōu)選在約100微米至約400微米的范圍內(nèi)。在特別優(yōu)選的實(shí)施例中，厚度應(yīng)在約200微米至約300微米的范圍內(nèi)。
在一個(gè)實(shí)施例中，粘結(jié)涂層在焊接操作的過程中同時(shí)沉積下來。焊接操作通常包括使用局部環(huán)境單元10和焊接槍一起如前述方式在底金屬上形成熔池。熔池為熔融狀態(tài)，具有前緣和尾緣。適于形成粘結(jié)涂層的粉末有選擇地沉積在尾緣上，熔池的尾緣比前緣溫度低。粉末在固化之前立即沉積，或在固化的同時(shí)沉積在尾緣。采用這種方式，粉末不需完全融解在熔池中就可以形成具有高抗張強(qiáng)度的大體離散的粘結(jié)涂層。得到的粘結(jié)涂層適于在那里熱噴涂TBC。局部環(huán)境單元10以上述方式減少了粘結(jié)涂層中的氧化物含量，并借此提供了致密的粘結(jié)涂層。有利的是，由于焊接過程中粘結(jié)涂層的沉積消除了在焊接操作完成后熱噴涂粘結(jié)涂層中通常用到的單獨(dú)步驟，所以循環(huán)時(shí)間減少了。
盡管參照示范性的實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)這樣理解，各種改變和對其等同替換都沒有脫離本公開內(nèi)容的范圍。此外，在本發(fā)明教導(dǎo)下，為適應(yīng)特殊場合或材料所做出的各種修改都沒有離開本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍。因此，并無意將本公開內(nèi)容限于如設(shè)想用于實(shí)施本公開內(nèi)容的最佳實(shí)施方式那樣公開的特定實(shí)施例，但是，本公開內(nèi)容將包括落在所附權(quán)利要求書的范圍中的全部實(shí)施例。
零件表10單元12圓環(huán)14噴槍16外表面18流體通道20管22入口24底面26真空源30底金屬50系統(tǒng)52工件54焊炬58氣體供應(yīng)源60氣體供應(yīng)源62粉末給料供應(yīng)/漏斗66電源68電導(dǎo)線70電導(dǎo)線72導(dǎo)管74粉末76運(yùn)載氣體78流體導(dǎo)管
權(quán)利要求
1.一種用于焊接噴槍的局部環(huán)境單元(10)，包括一具有頂面和底面(24)的圓環(huán)(12)，其中該圓環(huán)(12)適合于被固定在噴槍(14)的外周(15)上；和徑向設(shè)置于圓環(huán)(12)周圍的多個(gè)流體通道(20)，包括在圓環(huán)(12)底面(24)上與向該處提供真空的真空源(26)成流體連通的多個(gè)開口(16)。
2.如權(quán)利要求1所述的局部環(huán)境單元(10)，其特征在于該多個(gè)流體通道(20)包括多個(gè)管子，管子的一端與包含在圓環(huán)(12)中的環(huán)形通道成流體連通，另一端與真空(26)成流體連通，其中每個(gè)管子圍繞圓環(huán)(12)周圍均勻地間隔。
3.如上述任一權(quán)利要求所述的局部環(huán)境單元(10)，其特征在于該多個(gè)流體通道(20)包括多個(gè)管子，管子的一端與至少一個(gè)經(jīng)圓環(huán)(12)延伸到底面(24)中的開口的通道成流體連通，另一端與真空(26)成流體連通。
4.如上述任一權(quán)利要求所述的局部環(huán)境單元(10)，其特征在于該噴槍(14)為等離子體轉(zhuǎn)移弧焊炬。
5.一種焊接底金屬并在焊接過程中形成低氧化物粘結(jié)涂層的工藝方法，包括在待焊接的底金屬(52)區(qū)周圍保持惰性氣氛，其中維持該惰性氣氛的步驟包括圍繞帶局部環(huán)境單元(10)的等離子體轉(zhuǎn)移弧周圍形成真空；焊接底金屬(52)，并在底金屬(52)的區(qū)內(nèi)形成熔池，其中該熔池具有前緣和尾緣；在該熔池固化時(shí)或固化在底金屬(52)上有效地形成一粘結(jié)涂層的數(shù)量之前，選擇性地在該尾緣處沉積粉末。
6.如權(quán)利要求5所述的工藝方法，其特征在于形成該熔池的步驟包括在等離子體轉(zhuǎn)移弧工具(54)中形成等離子體，并使底金屬區(qū)的一部分暴露給該等離子體。
7.如權(quán)利要求5或6所述的工藝方法，其特征在于還包括在熱噴工藝過程中，在該粘結(jié)涂層上沉積一熱障涂層。
8.如權(quán)利要求6所述的工藝方法，其特征在于在等離子體轉(zhuǎn)移弧工具(54)中形成該等離子體的步驟包括，在等離子體轉(zhuǎn)移弧工具(54)中的電極和底金屬(52)之間形成等離子弧，并通過該等離子弧引入惰性氣體。
9.如上述任一權(quán)利要求所述工藝方法，其特征在于該粘結(jié)涂層包括MCrAlY，其中M選自由Fe、Ni、Co與Ni與Co的混合物組成的組群。
10.一種按照前述任一權(quán)利要求的工藝方法涂以粘結(jié)層并修復(fù)的渦輪機(jī)部件。
11.一種形成低氧化物粘結(jié)涂層的工藝方法，包括在底金屬(52)頂上形成等離子體?。辉趪@帶局部環(huán)境單元(10)的等離子體弧區(qū)周圍形成真空，其中局部環(huán)境單元(10)包括與形成該等離子體弧的等離子體噴槍(14)的外周(15)接合的圓環(huán)(12)，該圓環(huán)(12)包括多個(gè)流體通道(20)，其開口位于底金屬(52)上方以使微粒、未反應(yīng)的粉末、臭氧和來自底金屬(52)的焊接煙塵被真空抽走；以運(yùn)載氣體方式將粉末(74)輸送到該底金屬以產(chǎn)生該粘結(jié)涂層。
全文摘要
用于焊接噴槍(54)的局部環(huán)境單元(10)，包括具有頂面和底面(24)的圓環(huán)(12)，其中圓環(huán)(12)適合于被固定在噴槍(54)的外周(15)上；和多個(gè)放射狀位于圓環(huán)(12)周圍的流體通道(20)，包括多個(gè)在圓環(huán)(12)的底面(24)上的開口，這些開口與向此處提供真空的真空源(26)流體連通。該局部環(huán)境單元(10)的使用允許局部粘結(jié)涂層的沉積，并使得與焊接修補(bǔ)過程相關(guān)的步驟數(shù)目最小化。例如，局部環(huán)境單元(10)的使用允許焊接，并在焊接操作中低氧化物粘結(jié)涂層的形成，借此在焊接操作后就不再需要將底金屬(52)放入一個(gè)單獨(dú)的噴射單元中，以沉積粘結(jié)涂層。
文檔編號(hào)H05H1/42GK1611318SQ20041009000
公開日2005年5月4日 申請日期2004年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月8日
發(fā)明者R·A·小富薩羅, H·D·所羅門 申請人:通用電氣公司