CN101410214A - 用于不导电的材料的电火花烧蚀加工的介电液体 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于不导电的材料(1)的电火花烧蚀加工的介电液体(5)，其特征在于，所述介电液体是至少一种含碳材料的水溶液或者水悬浮液。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于不导电的材料的电火花烧蚀加工的介电液体和一种用于不导电的材料的电火花烧蚀加工的方法。
背景技术
在现有技术中已经公开了用于不导电的材料的电火花烧蚀加工方法。该方法此外用于，在设有陶瓷涂层的构件中产生孔。这样比方说在在金属基体上具有陶瓷隔热层的涡轮机叶片上通过电火花烧蚀产生冷却空气孔。
在DE 4102250A1中一般说明了一种用于不导电的材料的电火花烧蚀加工的方法。在该方法下，所述不导电的材料在它加工前利用导电物质涂装。该涂层用作辅助电极，它在电火花烧蚀加工时产生与工作电极的电接触。利用辅助电极涂装的不导电的材料和工作电极的朝向辅助电极的，在加工时产生电火花放电的终端区域浸入一种由液体，如煤油或者也可以是汽油构成的介质中。
如果在该结构上施加电压，在工作电极和辅助电极之间产生电火花放电并且结果是辅助电极以及位于它下面的不导电的材料的剥蚀。同时介质的一部分被裂解，由此产生碳或者导电的碳化物，它们以导电的涂层的形式沉积到不导电的材料露出的表面区域上。这样沉积的导电的涂层由此代替辅助电极的剥蚀的材料并且在工作电极在不导电的材料中推进时产生到不导电的材料的表面的导电连接，由此可以获得连续的加工。
被认为不利的是，在已知的方法下，加工速度受限制，因为导电涂层的沉积过程进行得慢。因此流畅的加工是不可能的。
沉积速度决定性地依赖介电液体的聚集。目前一般使用也用于金属的相同的介电液体用于不导电的材料的电火花烧蚀加工。这例如是煤油或者其它的碳氢化合物，这因此也有问题，因为它们有害健康的并且是可燃的。由此原因必须采用特别的预防措施，以阻止介电液体的起燃。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种特别的用于不导电的材料的电火花烧蚀加工的介电液体，它可以获得导电的涂层在电火花加工区域的快速形成并且由此总体上提高加工的加速。
此外本发明的任务是，提供一种用于不导电的材料的电火花烧蚀加工的方法，在该方法下应用根据本发明的介电液体。
该任务由此解决，即提供一种介电液体，它是至少一种含碳材料的水溶液或者水悬浮液。
因为介电液体的主要成份是水，不存在它在加工期间如在现有技术已知的有机溶液可能的燃烧的危险。此外是有利的，即一方面水是便宜的并且另一方面，又与已知的有机溶液相反，是不威胁健康的。溶解的或者悬浮的含碳材料特别好地适合于直接或者在电火花放电时产生的化学变化中沉积作为导电的涂层。因此该导电涂层快速形成并且电火花烧蚀加工也可以相应地快速向前进行。
特别合适的含碳材料是有机化合物，它溶解在水中，不需要在此离解。它例如可以说多油如甘油。不过替代地也可以应用不溶解在水中的材料，那么它悬浮。
此外已经证实，单糖，双糖和多糖提供好的结果。那么例如可以应用葡萄糖，蔗糖或者也可以应用淀粉。所有这些化合物具有此优点，即它们是价格便宜的，不威胁健康的并且可以大量供应的。此外它们算得上再生原材料，这使它们的应用值得追求。
本发明的另外一种实施方式是石墨作为含碳材料的应用，它可以无需在电火花烧蚀加工期间的另外的化学变化直接沉积作为导电的涂层。
如果在介电液体附加地包含导电材料的微米颗粒和/或纳米颗粒，该导电的涂层的形成进行的特别快。这些颗粒可以不通过其它的转换直接嵌入导电涂层中。
为了加工不导电的材料，提供一种方法，在该方法下，材料如前面说明的，被浸入介电液体中。
如果在加工期间才给介电液体供应导电材料的微米颗粒和/或纳米颗粒，可以实现电火花烧蚀加工时的高速度。如果颗粒直接供应到加工区域中是特别有利的，因为它可以直接嵌入形成的导电涂层中。该供应例如可以通过钻孔的工作电极和/或通过在不导电的材料中的孔进行。
根据本发明的方法很好地适合于由全部或者部分稳定的氧化锆组成的或者包含上述氧化锆的陶瓷。这种材料经常应用作为承受高温的构件的涂层。属于此类的也包括涡轮机的零件，特别是工作叶片和导向叶片。因为以扩散器形式的冷却空气孔的开口区域必须完全或者部分构造在陶瓷涂层中，该方法这里提供了很大的优点。
附图说明
根据本发明的方法接下来借助两套附图详细说明。
图中示出：
图1在示意图中示出了在加工开始之前，用于根据本发明实施用于不导电的材料的电火花烧蚀加工的结构，
图2示出了在加工期间的图1的结构，
图3示出了燃气轮机，
图4示出了涡轮机叶片，以及
图5示出了燃烧室。
具体实施方式
图1示出了一种用于实施根据本发明的，用于不导电的材料的电火花烧蚀加工的方法布置，所述不导电的材料在这里是构件1的形式，它由包含氧化锆的陶瓷制成。构件1可以是涡轮机100(图3)或者燃烧室的一部分，例如工作叶片120(图3，4)或者导向叶片130(图3，4)。不导电的材料是例如涡轮机叶片的涂层也是可以的，其中它可以制成隔热层。
在构件1上平面地涂装了石墨层形式的导电物质作为辅助电极2。替代地也可以应用有机的化合物或者金属，例如锆作为导电的物质。
辅助电极2和工作电极3导电地与发电机4连接，该发电机4在电极2，3上施加合适的电压。两个电极2，3浸入介电液体5中。该介电液体包含水作为主要成份以及附加的葡萄糖作为溶解的单糖。替代地也可以悬浮石墨或者应用不同的含碳材料的混合物。附加地也可以在液体5中包含导电材料的微米颗粒和/或纳米颗粒。
为了借助根据本发明的电火花烧蚀方法加工构件1，在第一步骤中将石墨层涂装在构件1的要加工的表面上作为辅助电极2，它然后与工作电极3一起与发电机4导电连接。接着构件1以及工作电极3的至少下端部分被浸入介电液体5中。然后工作电极3被带到石墨层2的直接附近并且在两个电极2，3上施加合适的电压，在电极2，3之间产生电火花飞弧形式的电接触，此时辅助电极2和构件1的陶瓷材料在加工区域6中被蒸发并由此被剥蚀，以构造孔8。通过电火花放电，溶解在介电液体5中的葡萄糖同时裂解，并且相应的裂解产物以导电涂层7的形式沉积到构件1上，此处它代替辅助电极，这样在方法继续时在沉积的涂层7和工作电极之间出现电火花飞弧，并且结果是沉积的涂层7以及构件1的陶瓷材料被进一步剥蚀，此时涂层7的剥蚀的区域连续地重新通过裂解产物填充。
在加工期间也可以将导电的微米颗粒和/或纳米颗粒通过未示出的有孔工作电极3或者通过同样未示出的在构件1中的孔直接供应到加工区域6中。
图3在纵向部分截面中示例示出了燃气轮机100。
燃气轮机100在内部具有一个绕着旋转轴线102旋转支承着的具有轴101的转子103，它也称为涡轮机转子。沿着转子103相继设有进气罩104，压缩机105，例如环形的燃烧室110，特别是具有多个同轴布置的燃烧器107的环形燃烧室，涡轮机108和排气罩109。
环形燃烧室110与例如环形的热气通道111相通。在那里例如四个串联接通的涡轮级112构成涡轮机108。
每个涡轮级112例如由两个叶片环构成。在工作介质113的流动方向看，在热气通道111中跟随导向叶片排列115的是由工作叶片120构成的排列125。
导向叶片130在这种情况下固定在定子143的内壳138上，而排列125的工作叶片120例如借助涡轮机盘133安装在转子103上。
连接在转子103上的是发电机或者工作机器(未示出)。
在燃气轮机100工作期间，空气135被压缩机105通过进气罩104吸入并且压缩。在压缩机105的涡轮机侧的端部准备好的压缩过的空气被输送到燃烧器107并在那里与燃料混合。该混合物然后在形成工作介质113的情况下在燃烧室110中燃烧。工作介质113从那里沿着热气通道111流过导向叶片130和工作叶片120。工作介质113在工作叶片120上脉动传递式地释放压力，这样工作叶片120驱动转子103并且该转子驱动连接在它上面的工作机器。
承受热的工作介质113的构件在燃气轮机100工作期间受到热力负荷。在工作介质113的流动方向看，第一涡轮级112的导向叶片130和工作叶片120除了遮蔽环形燃烧室110的隔热元件外受热力负荷最多。
为了承受住那里出现的温度，它们可以借助冷却剂冷却。
构件的基底同样可以具有定向的结构，也就是说，它是单晶的(SX结构)或者只具有纵向定向的晶粒(DS结构)。
例如应用铁基，镍基或者钴基的超级耐高温合金作为构件的材料，特别是涡轮机叶片120，130和燃烧室110的构件的材料。
这些超级耐高温合金例如由EP 1204776 B1，EP 1306454，EP 1319729A1，WO 99/67435或者WO 00/44949公开；这些文献关于合金的化学成份是公开内容的一部分。
导向叶片130具有正对流体机械108的内壳138的导向叶片根部(这里未示出)以及位于导向叶片根部对面的导向叶片头部。导向叶片头部正对转子103并且固定在定子143的固定环140上。
图4在透视图中示出了涡轮机的工作叶片120或者导向叶片130，它们沿着纵轴线121延伸。
该流体机械可以是飞机或者用于产生电的发电厂的燃气轮机，蒸汽轮机或者压缩机。
叶片120，130具有沿着纵轴线121互相跟随的固定区域400、与其邻接的叶片平台403以及桨叶406和叶片尖415。
作为导向叶片130，叶片130可以在它的叶片尖415具有另一个平台(未示出)。
在固定区域400中构造了一个用于将工作叶片120，130固定到轴上或者盘(未示出)上的叶片根部183。
叶片根部183例如设计成锤头。其它的设计方案如枞树形叶片根部或者燕尾形叶片根部也是可以的。
叶片120，130对流过桨叶406上的介质具有流入棱409和流出棱412。
对于传统的叶片120，130，在叶片120，130的所有区域400，403，406中例如应用实心的金属材料，特别是超级耐高温合金。
这些超级耐高温合金例如由EP 1204776 B1，EP 1306454，EP 1319729 A1，WO 99/67435或者WO 00/44949公开，这些文献关于合金的化学成份是公开内容的一部分。
叶片120，130可以在这种情况下通过铸造方法，也借助定向凝固，通过锻造方法，通过铣制方法或者这些方法的组合加工。
具有单晶的结构的工件被使用作为机器的构件，它们在工作中承受高的机械，热力学和/或化学的负荷。
这种单晶的工件的加工例如通过熔液的定向凝固实现。它在此涉及铸造方法，在该方法下液态的金属合金凝固成单晶的结构，也就是说凝固成单晶的工件，或者定向凝固。
在这种情况下树枝状的晶体沿着热量流定向并且或者形成棒状晶体的晶粒结构(纵行，也就是说，沿着工件的整个长度延伸的晶粒，按照一般的语言习惯称为定向凝固)，或者形成单晶的结构，也就是说，整个工件由一种唯一的晶体构成。在这种方法中人们必须避免过渡到球状(多晶体)，因为通过不定向的生长必然形成纵向的和横向的晶界，它会破坏定向凝固或者单晶的构件的性能。
一般谈到定向凝固的组织，那么不仅指不具有晶界或者最多具有小角度晶界的单晶体，而且指尽管具有纵向延伸的晶界，但是不具有横向的晶界的棒状晶体结构。对于第二种举出的晶体结构人们也称为定向凝固的组织(定向凝固结构)。
这些方法由US-PS 6,024,792和EP 0892090A1公开，这些文献关于凝固方法是公开内容的一部分。
同样叶片120，130可以具有涂层防止腐蚀或者氧化，例如(MCrAlX；M至少是铁(Fe)，钴(Co)，镍(Ni)的集合中的一种元素，X是活性元素并且是钇(Y)和/或硅和/或稀土的至少一种元素，或者铪(Hf))。这些合金由EP 0486489 B1，EP 0786017 B1，EP 0412397B1或者EP1306454 A1公开，这些文献关于合金的化学成份是公开内容的一部分。密度优选是理论密度的95％。
在MCrAlX涂层(中间层或者最外层)上构造保护的氧化铝涂层(TGO＝热生长氧化层)。
在MCrAlX涂层上还可以存在隔热层，该隔热层优选是最外侧的层，并且例如由ZrO2，Y2O3-ZrO2组成，也就是说，它不是部分或者全部通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁加固。
该隔热层覆盖整个MCrAlX涂层。
通过合适的涂装方法例如电子射线物理气相沉积(EB-PVD)会在隔热层中生成棒状晶体。
其它的涂装方法也是可以考虑的，例如大气等离子喷涂(APS)，LPPS(低压等离子喷涂)，VPS(真空等离子喷涂)或者CVD(化学气相沉积)。隔热层可以具有多孔的，有微缝或者粗缝的晶体用于更好的抗热冲击性能。即隔热层优选比MCrAlX涂层更多孔。
叶片120，130可以制成空心的或者实心的。如果叶片120，130要被冷却，它们是空心的并且或许还具有利用根据本发明的方法产生的薄膜冷却孔418(虚线标明)。
图5示出了燃气轮机100的燃烧室110。燃烧室110例如设计成所谓的环形燃烧室，其中多个在圆周方向围绕旋转轴线102布置的产生火焰156的燃烧器107通到共同的燃烧室空间154中。为此燃烧室110在它的总体上设计成环形的结构，它围绕旋转轴线102定位。
为了实现相对高的效率，燃烧室110设计成用于工作介质M的从约1000℃到1600℃的相对高的温度。为了在这种对于材料不利的工作参数下也可以获得相对长的工作寿命，燃烧室壁153在它的正对工作介质M的一侧设有利用隔热元件155形成的内衬。
由于在燃烧室110内部的高的温度，此外可以为隔热元件155和或者为它的固定元件设置冷却系统。隔热元件155例如是空心的并且或许还具有通到燃烧室空间154中的优选利用根据本发明的方法产生的冷却孔(未示出)。
每个由合金制成的隔热元件155在工作介质侧都装备有特别耐热的保护涂层(MCrAlX涂层和/或陶瓷涂层)或者由耐高温材料(实心的陶瓷砖)制成。
该保护涂层可以类似于涡轮机叶片，即意味着例如MCrAlX：M至少是铁(Fe)，钴(Co)，镍(Ni)集合中的一种元素，X是活性元素并且是钇(Y)和/或硅和/或稀土的至少一种元素，或者铪(Hf)。这些合金由EP 0486489 B1，EP 0786017 B1，EP 0412397 B1或者EP 1306454 A1公开，这些文献关于合金的化学成份是公开内容的一部分。
在MCrAlX涂层上例如还可以存在陶瓷的隔热层并且例如由ZrO2，Y2O3-ZrO2组成，也就是说，它不是部分或者全部通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁加固。
通过合适的涂装方法例如电子射线物理气相沉积(EB-PVD)会在隔热层中生成棒状晶体。
其它的涂装方法也是可以考虑的，例如大气等离子喷涂(APS)，LPPS(低压等离子喷涂)，VPS(真空等离子喷涂)或者CVD(化学气相沉积)。隔热层可以具有多孔的，有微缝或者粗缝的晶体用于更好的抗热冲击性能。
再加工(整修)意味着，涡轮机叶片120，130，隔热元件155在它们使用后必要时必须清除保护涂层(例如通过喷砂)。然后进行腐蚀层和/或氧化层或者腐蚀/氧化物的清除。也许还要修复涡轮机叶片120，130或者隔热元件155中的裂缝。然后进行涡轮机叶片120，130，隔热元件155的重新涂装以及涡轮机叶片120，130或者隔热元件155的重新使用。
Claims (16)
1.用于不导电的材料(1)的电火花烧蚀加工的介电液体(5)，其特征在于，所述介电液体是至少一种含碳材料的水溶液或者水悬浮液。
2.根据权利要求1所述的介电液体(5)，其特征在于，所述介电液体是至少一种含碳材料的水溶液。
3.根据权利要求1所述的介电液体(5)，其特征在于，所述介电液体是至少一种含碳材料的水悬浮液。
4.根据权利要求1所述的介电液体(5)，其特征在于，所述介电液体是至少一种含碳材料的水溶液和水悬浮液。
5.根据权利要求1，2，3或4所述的介电液体(5)，其特征在于，所述含碳材料是一种有机化合物。
6.根据权利要求5所述的介电液体(5)，其特征在于，所述有机化合物是单糖，双糖或者多糖。
7.根据权利要求1，2，3，4或5所述的介电液体(5)，其特征在于，所述含碳材料是石墨。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的介电液体(5)，其特征在于，所述介电液体附加地包含导电材料的微米颗粒和/或纳米颗粒。
9.用于不导电的材料(1)的电火花烧蚀加工的方法，其特征在于，材料被浸入根据权利要求1至8中任意一项所述的介电液体(5)中。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述介电液体(5)在加工期间被供应导电材料的微米颗粒和/或纳米颗粒。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述微米颗粒和/或纳米颗粒通过钻孔的工作电极(3)和/或通过在不导电的材料(1)中的孔来供应。
12.根据权利要求9至11中任意一项所述的方法，其特征在于，所述不导电的材料(1)是陶瓷。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述陶瓷包含全部或者部分稳定的氧化锆或者由其组成。
14.根据权利要求9至13中任意一项所述的方法，其特征在于，所述不导电的材料(1)是构件上的涂层。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述构件是涡轮机的零件。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述构件是工作叶片或者导向叶片。
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