CN101108454A - 涂覆制品的修复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及涂覆制品的修复方法。一种修复金属元件(102)的方法(10)，包括将包含钎焊合金颗粒和涂层组合物颗粒的混合物进行烧结(12)以制成复合物预制坯(200)；将该复合物预制坯(200)置于(14)金属元件的未涂覆表面(102)上；并将所述预制坯(200)加热(16)到能在复合物预制坯(200)和金属元件(102)之间有效地形成钎焊接头的温度。

Description

涂覆制品的修复方法
技术领域
本公开一般地涉及修复涂覆金属元件的损坏部分的方法。更具体来说，涉及修复涡轮发动机元件上的涂层损坏部分的方法。
背景技术
金属元件应用于不同操作条件下的各种各样的工业应用中。在许多情况下，所述元件具有涂层，其可赋予各种性质，如耐腐蚀性、耐热性、抗氧化性、和/或耐磨性。例如，典型情况下能够承受大约1100摄氏度(℃)到大约1150℃的工作温度的涡轮发动机的各种元件通常涂覆有阻热涂层(TBC)以有效地提高其能够工作的温度。通常，将TBC施加到中间粘结涂层(有时称作“粘合层”、“粘涂层”、或“粘结涂覆层”)上，该粘结层直接施加到金属涡轮机元件的表面上以提高金属与TBC之间的粘合性。
在这种环境下工作的结果是，涡轮机元件的暴露部分容易发生降解。降解的各种形式包括但不限于，散裂、氧化效应、形成龟裂、腐蚀和磨损，例如发生在涡轮机元件的螺旋桨和侧壁表面上。当这种保护涂层磨破或损坏时，必须小心地进行修复，因为下层基材直接暴露于过高温度下最终会引起元件的故障，并对发动机各部分造成不利的影响。
在元件寿命期限内可以对保护涂层进行数次修复。在许多情况下，仅某些部分(即“局部区域”)的保护涂层需要修复，而所述涂层的剩余部分保持不变。然而，用补丁，特别是TBC来局部修复涂层很困难。现有的局部修复方法，例如在涡轮机元件的损坏部分上局部热喷涂涂层，存在一些缺陷。例如，在要填充部分的边缘会出现过渡喷涂，机械手的视线有限而不能到达某些区域，原涂层与修复补丁之间的接缝很难密切配合，具有复杂几何形状的元件(例如螺旋桨、叶片和罩壳)很难恰当涂覆，和/或喷涂的时间长、成本高。
因此，本领域仍然需要改进的修复和复原涂覆金属元件的损坏部分的方法，如用于涡轮发动机中的那些。
发明内容
一种用于修复涡轮发动机元件上的阻热涂层损坏部分的方法，包括将包含粘结涂层颗粒和钎焊合金颗粒的混合物进行烧结以制成复合物预制坯；将阻热涂层沉积在该复合物预制坯上；使具有沉积阻热涂层的所述复合物预制坯与涡轮发动机元件损坏部分的未涂覆表面相接触；并将所述具有沉积阻热涂层的复合物预制坯加热到能在复合物预制坯和涡轮发动机元件损坏部分的未涂覆表面之间有效地形成钎焊接头的温度。
另一种用于修复涡轮发动机元件上的阻热涂层损坏部分的方法包括：将包含钎焊合金颗粒和MCrAlY颗粒的混合物进行烧结以形成复合物预制坯，其中M选自Fe、Co、Ni及其组合；在所述复合物预制坯上喷涂阻热涂层；使具有热喷涂阻热涂层的所述复合物预制坯与涡轮发动机元件损坏部分的未涂覆表面相接触；并将所述具有热喷涂阻热涂层的复合物预制坯在真空炉中加热到能在复合物预制坯和涡轮发动机元件损坏部分的未涂覆表面之间有效地形成钎焊接头的温度，其中所述钎焊接头的密度大于或等于大约93％。
通过以下附图和详细说明来举例说明上述和其它特征。
附图说明
现在参见作为示例实施方式的附图，其中相似的元件的附图标记相似。
图1是修复涂覆金属元件损坏部分的工艺流程图；
图2是涂覆涡轮机元件的横截面示意图，其中所述涂层包括损坏的部分；以及
图3是涂覆复合物预制坯的横截面示意图。
具体实施方式
本发明公开了用于修复金属元件上的涂层损坏部分的方法。涂层的损坏可以是散裂、氧化、龟裂、腐蚀和/或磨损的形式。现参见图1，示出了一种示例性的工艺流程图，通常表示为附图标记10。该方法10通常包括将包含钎焊合金颗粒和涂层组合物颗粒的混合物进行烧结以形成复合物预制坯12；将该复合物预制坯置于金属元件的未涂覆(因损坏)表面上14；并将所述金属元件和/或预制坯加热到能在预制坯和金属元件之间有效地形成钎焊接头的温度16。有利地，本发明公开的所述方法可显著减少检修周期的次数和成本，同时使得所述涂层金属元件具有涂层的整体性和可靠性。所公开方法的另一个有利特征是，钎焊预制坯和现有涂层之间的接缝可以不存在任何间隙。而且，所公开的方法能够使保护涂层和/或涂层金属元件的两次彻底大修之间具有较长的时间间隔。
术语“金属”当涉及上面设置有涂层的元件时，含义包括金属和合金。这里使用的术语“预制坯”是出于简便起见而没有任何涉及其大小或形状的含义。同样，应当明白如果金属元件上面设置有多层涂层，则其颗粒用于制造所述预制坯的“涂层组合物”是指直接置于金属元件表面上的涂层。
在示例性的实施方式中，金属元件是涡轮发动机元件。涡轮发动机元件的形式可以有多种，如燃烧室衬里、燃烧炉顶、罩壳、叶片或桨、喷嘴、翼片等等。术语“桨”和“叶片”可以互换使用，通常桨是飞机涡轮发动机的旋转螺旋桨，而叶片是地面发电涡轮发动机的螺旋桨。在桨或叶片的情况下，修复区域通常是由于刮蹭接触到周围罩壳而受到磨损、以及在高温环境中受到氧化的尖端区域。在喷嘴或翼片的情况下，修复区域通常是由于暴露于高温下的发动机中的高速气体而受到磨损的前沿。
现在参见图2，示出了涂覆涡轮机元件一部分的横截面，通常表示为附图标记100。该涂覆涡轮机元件100是通过将多层涂层104沉积到裸露的金属涡轮机元件102表面上而形成。该多层涂层104包括直接设置在金属涡轮机元件102的表面上的粘结涂层106，以及设置在粘结层上的阻热涂层(TBC)110。
裸露的金属涡轮机元件102包括高温合金(superalloy)。高温合金是能够在高温下使用的金属合金，该温度通常超过绝对熔点温度的大约0.7。任何Fe、Co、或Ni基的高温合金组合物都可以用于形成该结构元件。Fe、Co、或Ni基高温合金中最常用的溶质是铝和/或钛。通常，铝和/或钛的浓度低(例如，分别小于或等于大约15重量百分比(wt％))。Fe、Co、或Ni基高温合金中其它任选的成分包括铬、钼、钴(在Fe或Ni基高温合金中)、钨、镍(在Fe或Co基高温合金中)、铼、铁(在Co或Ni基高温合金中)、钽、钒、铪、铌、钌、锆、硼和碳，其分别独立地以小于或等于大约15wt％的量存在。
粘结涂层106通常呈覆盖层(overlay)的形式，用于保护下层的金属涡轮机元件102不受氧化，并且使TBC层20更加有效地粘结在金属涡轮机元件102上。在一种示例性实施方式中，粘结层的组成为MCrAlY，其中“M”可以是Fe、Co、Ni、或其组合。一般来说，这类合金具有宽泛组成：即大约17wt％到大约23wt％的Cr，大约4wt％到大约13wt％的Al，以及大约0.1wt％到大约2wt％的Y，余量为M。M的示例性组合为Ni和Co，其中Ni∶Co比以重量计大约为10∶90到大约90∶10。或者，可采用铝合金(如NiAl)作为粘结涂层106。示例性的铝化物有Pt改性NiAl，通式为Ni1-xPtxAl，其中x大于零小于1。
沉积在粘结涂层106表面上的TBC层110通常为陶瓷材料。用于TBC层110的示例性材料有氧化钇稳定化的氧化锆(YSZ)，其优选组分为大约4到8wt％的氧化钇，尽管也可以采用其它的陶瓷材料，例如，氧化钇、非稳定化的氧化锆、或者由氧化镁(MgO)、二氧化铈(CeO2)、氧化钪(Sc2O3)和/或其他氧化物稳定化的氧化锆。TBC层110的沉积厚度应足够向金属涡轮机元件102提供所需的热防护作用。
在涡轮机工作时，涂覆涡轮机元件100接触到热燃气。在暴露于高温的这个过程中，粘结层106的外部可以形成氧化层108，例如氧化铝(Al2O3)，其有助于TBC层110与粘结层106之间的粘合。遗憾的是，同样是在暴露于热燃气的这个过程中，涂覆涡轮机元件100很容易遭受上面提及的损坏类型。图2中示出了涂覆涡轮机元件100的一个此类损坏部分(由附图标记112表示)。
在修复工艺100中，一旦识别出损坏部分112，就可将所述复合物预制坯置于该损坏部分112中金属涡轮机元件102的未涂覆表面上。图3中示出的复合物预制坯，通常由附图标记200表示，是通过烧结包括钎焊合金颗粒和涂层组合物颗粒的混合物而制成的。在图2所示的实施方式中，涂料组合物是粘结涂层106的组合物(即MCrAlY或者铝化物)。
选择用于制造复合物预制坯200的钎焊合金应取决于其将结合的金属涡轮机元件102的组成。钎焊合金组成通常类似于金属涡轮机元件102的组成，但其中还包括一种或多种熔点抑制剂，如硼、硅、磷、钯、金、锆和铪。最好选择熔点低于金属涡轮机元件102的熔点的钎焊合金组合物。钎焊合金在熔融时优选使得金属涡轮机元件102的表面润湿并可填满损坏部分112内的任何空白和缝隙，并且流入预制坯200和金属涡轮机元件102之间形成的界面内。根据本公开内容，本领域技术人员很容易选择出特定的钎焊合金。
选择钎焊合金颗粒与涂料组合物颗粒在混合物中的比例，使得在形成固态接头的同时还能提供充分的粘结涂层106，以保护下层的金属涡轮机元件102不受氧化并使TBC层110恰当地粘着在金属涡轮机元件102上。通常，钎焊合金颗粒浓度的降低将提供更牢固的粘结涂层106，但需要较高的钎焊温度来形成接头。相反，提高钎焊合金颗粒的浓度将导致钎焊合金的流动性增加从而形成较好的接头，但提供较弱的粘结涂层106。因此，在示例性的实施方式中，钎焊合金颗粒与粘结涂层颗粒的比率以重量计为大约1∶10到大约10∶1。特别地，钎焊合金颗粒与粘结涂层颗粒的比率以重量计为大约1∶8到大约8∶1。更具体来说，钎焊合金颗粒与粘结涂层颗粒的比率以重量计为大约1∶4到大约4∶1。
颗粒混合物烧结的温度应当是高到足以产生晶粒生长，但也低到足以使钎焊合金流动和/或在钎焊合金和粘结涂层组合物之间不会出现合金形成。烧结温度更依赖于钎焊合金的组成而不是粘结涂层的造成。
一旦制备好复合物预制坯200，就可任选地将附加涂层202设置在复合物预制坯200的表面上。该任选步骤在图1的流程图中通常表示为附图标记18。例如，与金属涡轮机元件102的TBC层110组成相同的TBC层206可以沉积在所述复合物预制坯200上。此外，与金属涡轮机元件102的氧化层108组成相同的氧化层204可以沉积在所述复合物预制坯200上，以帮助TBC层206和复合物预制坯200之间的粘附。各附加涂层202沉积的厚度基本上与金属涡轮机元件102上的对应层相同。
TBC层206可以采用热喷涂技术沉积在复合物预制坯200上。热喷涂工艺家族包括高速氧燃料沉积(HVOF)以及其变形方式(例如高速空气燃料)，等离子喷涂，火焰喷涂，以及电线电弧喷涂。在大多数热涂覆工艺中，粉末、金属丝或棒状的材料被加热到接近于或略高于其熔点，使得材料液滴在气流中加速。液滴被导向要涂覆的基材(即复合物预制坯200)表面，在此它们粘附并流入称为薄片激冷金属(splat)的薄片状颗粒中。
在HVOF和相关的涂覆工艺中，氧气、空气或其它氧气来源用于在燃烧室中燃烧燃料，如氢气、丙烷、丙烯、乙炔、或煤油，并且使气体燃烧产物膨胀通过喷嘴。气体速度可以是超音速的。将粉末状涂层材料注入喷嘴并加热到接近于或高于其熔点，并加速至相对高的速度，例如在一些涂覆系统中高达大约600米每秒。气流通过喷嘴以及最终粉末颗粒的温度和速度可以通过改变进入油门的气体或液体的组成和流速来控制。熔融颗粒撞击在要涂覆的表面上并流入压得相当密实的薄片激冷金属中，该薄片激冷金属很好地粘结在基材上并彼此粘结。
在等离子喷涂工艺中，当气体在钨阴极周围流动通过相对短的会聚和发散喷嘴时，通过电弧将气体部分离子化。等离子体核心的温度可以超过30000开氏度，而气体速度可以是超音速的。将通常呈粉末状的涂层材料注入气体等离子体中，并加热到接近于或高于其熔点，再加速到大约600米每秒的速度。热传递到涂层材料的速率和涂层材料的最终温度是气体等离子体的流速和组成以及喷灯设计和粉末注入技术的函数。熔融颗粒投射到要涂覆的表面上形成粘附薄片激冷金属。
在火焰喷涂工艺中，氧气和燃料如乙炔在喷灯中燃烧。将粉末、金属丝或棒状进料注入火焰中，在其中熔化并加速。颗粒速度可达到大约300米每秒。气体和最终涂层材料的最高温度是所使用气体流速和组成以及喷灯设计的函数。同样，熔融颗粒投射到要涂覆的表面上形成粘附薄片激冷金属。
随着混合物在基材上的推进，为了控制喷涂中氧化物和/或碳化物的生产，可以控制喷涂的条件。所述喷涂控制得使要在基材上推进的颗粒温度足以软化该颗粒，这样使其粘附到基材上以减少引起涂层材料氧化的因素，其中特定的温度取决于一种或多种涂层材料和一种或多种结构强化剂的种类。例如，涂层温度可以小于或等于大约1500摄氏度(℃)。更特别的是，涂层温度小于或等于大约1200℃，甚至更特别是大约750℃到大约1100℃。
或者，TBC层206可以利用电子束物理气相沉积法(EB-PVD)或其它类似的技术进行沉积。在EV-PVD中，TBC层206通过将TBC组合物蒸气冷凝于基材(即复合物预制坯200)上而生长。通过用电子束辐射包含TBC组合物的靶而获得TBC组合物蒸气，其中所述电子束具有足够的能量来气化靶的被辐射部分。
如果需要的话，可以改变复合物预制坯200的形状，例如通过切割或机械加工成预期的轮廓和/或尺寸，以更好地匹配损坏部分112的轮廓和/或尺寸。图1的工艺流程图中该任选步骤通常表示为附图标记20。如果将任选的附加涂层202沉积到复合物预制坯200上，则可在所述任选的附加涂层200的沉积之前或之后实施变形过程。
在一种实施方式中，在将复合物预制坯200置于金属涡轮机元件102的表面上之前，清洁损坏部分112并剥离，以去除松散的氧化物和杂质(例如油脂、油和烟灰)。在图1的工艺流程图中该任选的步骤表示为附图标记22。清洁过程可采取许多种形式和组合，其取决于所采用的钎焊工艺的种类。例如，可以采取碱洗、酸洗、气体净化、脱脂剂、包括上述至少一种清洁过程的组合，等等。清洁过程的选择取决于被修复的部分和预期形成钎焊接头的钎焊工艺的种类。所述清洁过程还可以包括轻度喷钢砂处理，以进一步去除来自清洁过程的残余物。所希望的是，所述清洁过程在高温下进行以帮助和增加与所采用的各清洁过程相关的化学反应。
复合物预制坯200(以及任选的附加涂层202)一经置于未涂覆的或者损坏的部分112上，就进行钎焊过程以在损坏部分112中形成钎焊接头。在示例性实施方式中，钎焊过程在燃炉中进行。所希望的是，该燃炉具有真空和气体排放功能。真空钎焊可以在大约10-3到大约10-6毫巴的压力和大于300℃的温度下进行，这有助于防止金属涡轮机元件102的氧化。示例性的压力为大约10-4毫巴。在钎焊过程中可以使用保护性气体来防止金属氧化物的形成。例如，在高温真空炉钎焊过程中，优选使用惰性气体来帮助降低金属涡轮机元件102的暴露表面上形成金属氧化物。
钎焊过程中的温度可以在选定的时间段内逐步升高，接着再逐步冷却，以形成钎焊接头。值得注意的是，与焊接(welding)不同，钎焊不会熔化涡轮机元件102的基底或底层金属(parent metal)。因此，钎焊温度总是小于基底金属的熔点。如上所述，一旦熔化，钎焊合金会润湿金属涡轮机元件102的表面并填满损坏部分112中的任何空白或缝隙，并且流到所述复合物预制坯和金属涡轮机元件102之间形成的界面中。
在特别有利的方式中，复合物预制坯200和金属涡轮机元件102的损坏部分112之间形成的钎焊接头可以没有任何间隙。也就是说，钎焊接头可以大于或等于大约93％的密度(即孔隙度小于或等于钎焊接头总体积的大约7体积％)。在一种实施方式中，复合物预制坯200和金属涡轮机元件102损坏部分112之间形成的钎焊接头可以大于或等于大约96％的密度。在另一种实施方式中，复合物预制坯200和金属涡轮机元件102损坏部分112之间形成的钎焊接头可以大于或等于大约98％的密度。
钎焊过程之后，可以改变(例如机械加工)所修复的涂覆涡轮机元件100的外表面以使该表面具有均匀的外形或轮廓。在图1的工艺流程图中该任选步骤通常表示为附图标记24。所希望的是，将所述表面机械加工成原始未损坏的涂覆涡轮机元件100所限定的原始尺寸。尽管是任选的，但在表面存在台阶高度差被视为涡轮机元件缺陷的情况下需要机械加工。所希望的是，所述机械加工过程不会过度升高所修复的涡轮机元件100的温度。
本说明书利用实施例来揭示本发明，包括所述最佳方式，同时使任何本领域的技术人员能够制造和使用本发明。本发明的可专利范围由权利要求所限定，并可包括本领域技术人员可以想到的其它实施例。如果其结构元素不偏离所述权利要求的字面语言，或者其包括等价的结构元素并与所述权利要求字面语言有非实质性的区别，则这种其它实施例也在权利要求的范围内。
此外，术语“第一”、“第二”、“底部”、“顶部”等等并不表示任何顺序或重要性，而是用于将元件彼此区分开，术语“所述”、“一(a)”和“一个(an)”并不表示数量的限制，而是表示存在至少一个所涉及的项目。此外，列举相同数量或物理性质的所有范围包括所列的端点，并且可独立地进行组合。与数量相连使用的修辞“大约”包括所述的值，并具有其上下文所指的含义或者包括至少与测量特定数量有关的误差度。
部件清单：
10 方法
12 烧结颗粒混合物形成复合物预制坯
14 将复合物预制坯置于金属元件上
16 加热复合物预制坯形成钎焊接头
18 在复合物预制坯上沉积附加层
20 改变复合物预制坯的形状
22 清洁金属元件
24 改变钎焊接头的表面
100涂覆涡轮机元件
102金属涡轮机元件
104多层涂层
106粘接涂层
108氧化层
110阻热涂层
112损坏部分
200复合物预制坯
202附加涂层
204氧化层
206阻热涂层

Claims (10)

1.一种用于修复金属元件(102)上的涂层(104)损坏部分(112)的方法(10)，该方法(10)包括：
对包含涂料组合物颗粒和钎焊合金颗粒的混合物进行烧结(12)以形成复合物预制坯(200)；
将所述复合物预制坯(200)放置(14)在金属元件的未涂覆表面(102)上；以及
加热(16)所述复合物预制坯(200)到在复合物预制坯(200)与金属元件(102)之间有效形成钎焊接头的温度。
2.权利要求1所述的方法(10)，进一步包括在所述复合物预制坯(200)上沉积(18)附加层(202)。
3.权利要求2所述的方法(10)，其中在所述复合物预制坯(200)上沉积(18)附加层(202)包括将所述附加层(202)热喷涂在复合物预制坯(200)上，或者将所述附加层(202)物理气相沉积在所述复合物预制坯(200)上。
4.前述任一项权利要求所述的方法(10)，其中涂层和附加层(202)的至少之一为阻热涂层(206)，并且当涂层为阻热涂层时，所述方法进一步包括步骤：
使具有沉积的阻热涂层(206)的复合物预制坯(200)与涡轮发动机元件(102)损坏部分(112)的未涂覆表面相接触(14)，并且所述加热步骤进一步包括：
在复合物预制坯(200)和涡轮机元件(102)损坏部分(112)的未涂覆表面之间形成钎焊接头。
5.前述任一项权利要求所述的方法(10)，进一步包括在将复合物预制坯(200)放置(14)到金属元件(102)的未涂覆表面上之前，将复合物预制坯(200)的形状改变(20)成特定的轮廓或尺寸。
6.前述任一项权利要求所述的方法(10)，进一步包括在将复合物预制坯(200)放置(14)到金属元件(102)的未涂覆表面上之前，清洁(22)所述损坏部分(112)以有效地去除松散氧化物或杂质。
7.前述任一项权利要求所述的方法(10)，进一步包括改变(24)钎焊接头的表面。
8.前述任一项权利要求所述的方法(10)，其中加热(16)复合物预制坯(200)包括在燃炉中加热(16)，其中所述燃炉可包括真空燃炉。
9.前述任一项权利要求所述的方法(10)，其中所述金属元件包括涡轮发动机元件(102)，所述涡轮发动机元件选自燃烧室衬里、燃烧室顶、罩壳、叶片、桨、喷嘴、和翼片。
10.前述任一项权利要求所述的方法(10)，其中在复合物预制坯(200)和金属元件(102)之间形成的钎焊接头大于或等于大约93％的密度。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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