CN102443752A - 保持冷却空气孔畅通的热喷涂工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及保持冷却空气孔畅通的热喷涂工艺，特别是提供一种对主体(1)的表面(10)进行涂覆的方法，主体(1)具有至少一个贯通的孔(5)，孔(5)具有入口(51)和出口(52)，其中出口(52)设置在待涂覆的表面(10)中，在所述方法中，借助于热喷涂发生涂覆，其中，在热喷涂期间，流体流动通过孔(5)，所述流体流出通过孔(5)的出口(52)、并且实质上防止了涂覆引起的孔(5)的收缩。

Description

保持冷却空气孔畅通的热喷涂工艺
技术领域
本发明涉及依照独立的方法权利要求的前序部分的对主体的表面进行涂覆的方法。本发明还涉及依照这种方法被涂覆的涡轮机叶片。
背景技术
向涡轮机叶片提供冷却空气孔是目前涡轮机叶片的通常措施，尤其是承受非常高的热量或者腐蚀应变的、诸如用作以地面为基础的工业涡轮机或者航空发动机这样的燃气轮机的涡轮机叶片的通常措施，该冷却空气孔延伸通过叶片并且在涡轮机叶片的外表面中开口。在涡轮机运行期间，通常是空气的冷却介质然后被引导通过冷却空气孔，然后在涡轮机叶片的表面处排出，并且提供冷却。在这个方面，也经常实施所谓的薄膜冷却，即，从所有冷却空气孔排出的流体形成了涡轮机叶片的表面上的保护气体膜或者蒸汽膜，其相当大地减少了叶片上的热应变。
当已经设有冷却空气孔的这种部件在修理或者维护或者新制造时应该借助于热喷涂工艺而被涂覆时，特别容易发生问题。这种涂覆通常应用在涡轮机叶片上作为热保护层、或者作为对抗(热)腐蚀的保护措施。
在热喷涂中，涂覆材料目前可能淀积在冷却空气孔的开口中，并且相当大程度上限制它们的流动横断面，或者开口可能完全被阻塞。这自然地对运行中实现的冷却效果产生非常不利的影响。因此，冷却空气孔必须在接下来的处理步骤中从多余的涂覆材料中解脱。
这个问题非常明确的是因为具有非常小直径的孔，例如小于一毫米的直径。特别是有这样的趋势即：已经提到的薄膜冷却趋向于提供更多且更小的、即更狭窄的冷却空气孔，例如用以实现在叶片表面上尽可能均匀的流体薄膜。在这种冷却原理中，所有冷却空气孔实际上保持开口是非常重要的。
在表面上的热喷涂通常是必须的，表面中的这种冷却空气孔开口，开孔不阻塞或者它们的流动横截面不被减少。只能通过这个方法获得解决了问题的冷却性能。
已经提议了不同的方法解决这个问题。例如，WO-A-2010/078994中提到引入一种掩模材料，优选是聚合物，在热涂覆之前被引入冷却孔穴、或者冷却空气孔的出口开口内。这个掩模材料在涂覆之前被硬化处理，例如通过利用UV辐射进行处理而实现。在涂覆程序之后，掩模材料然后必须在接下来的处理步骤中被移除，其中必须确保掩模材料实际上完全被移除。这是复杂的和/或昂贵的程序，尤其是具有非常薄的孔。
发明内容
从该现有技术开始，因此本发明的目的是，提出一种可能涂覆表面的方法，其中在将被涂覆的表面中开口的孔的流动横截面能保持实质上恒定。而且，以该方式涂覆的涡轮机叶片应当由本发明提供。
满足这个目的的本发明主题的特征在于各个种类的独立权利要求。
根据本发明，因此提供一种对主体的表面进行涂覆的方法，主体具有至少一个贯通的孔，贯通的孔具有入口和出口，其中出口设置在将被涂覆的表面中，在所述方法中，借助于热喷涂而发生涂覆，其中，在热喷涂期间，流体流动通过孔，所述流体流出通过所述孔的出口并且实质上阻止了涂覆引起的孔的收缩/缩窄。
在热喷涂期间，通过允许流体流动通过孔的措施，通过排出出口的流体而防止了涂覆材料渗入孔中或者淀积在孔中。在这种方式中防止了：在热喷涂期间减少孔的流动横截面、或者甚至完全阻塞孔。这个工艺的具体优点实际上在于，在热喷涂之后，不需要附加工艺步骤去打开孔或者再拓宽孔到理想的直径、或者从硬化的掩模材料中使其剥离开来。
流体优选是气体，因为用气体则流体流动能够更好地受控制，但是通常液体也可以用作流体，例如然后作为蒸汽排出出口的液体。为了避免不必要的化学反应，流体特别优选是惰性气体，尤其为氩气，因为这通常用作热喷涂工艺中的工艺气体。
流体流过该孔的流率或者所有孔总体的流率自然取决于各自的工艺参数，并且能被针对应用而优化。特别在实践中已经证实，如果流体的流率至多5SLPM(标准升每分)，并且优选总计至多1SLPM，则具有压力不足或真空(underpressure)区域中进行的工艺。
在优选应用中，热喷涂是等离子喷涂工艺。
当热喷涂是等离子喷涂工艺，该工艺在小于10,000Pa的工艺压力下执行时，则根据本发明的方法是尤其适合的。LPPS工艺(LPPS＝低压等离子喷涂)是尤其适合的，特别是，那些值被选择为介于50和2000Pa之间、优选介于100和800Pa之间的工艺压力。
在与实践有关的LPPS工艺的具体实施方式中，涂覆的开始材料以工艺射流的形式被喷涂在主体上，其中开始材料被喷射到使得工艺射流散开的等离子体中，并且在那部分地或者全部地改变为液相，并且其中通过从液相淀积而发生涂覆。这个工艺也称为LPPS-TF工艺，其中TF表示薄膜。
与实践非常相关的另一实施方式是具有源于气相的淀积的LPPS工艺。在这个方面，涂覆的开始材料以工艺射流的形式被喷射在主体上，其中开始材料被喷射到使得工艺射流散开的等离子体中，并且在那至少部分地改变为气态，并且其中通过从气相淀积而发生涂覆。名称LPPS-TF有时也用于这个工艺；然而，由于它是从气相或者汽相至少部分淀积的，则名称PS PVD(等离子喷涂物理汽相淀积)也用于这个工艺。
依照本发明的方法尤其适于对具有一个或者多个冷却空气孔的涡轮机叶片进行的涂覆。于是主体是涡轮机叶片，并且至少一个孔是冷却空气孔。
涡轮机叶片优选具有根部，根部在涂覆期间连接至流体源，从而使得流体能从涡轮机叶片的根部流动通过至少一个冷却空气孔到冷却空气孔的出口。
该方法还特别适合于当涡轮机叶片具有流体流动通过的多个冷却空气孔的情况。
本发明还提出了依照本发明所述的方法涂覆的涡轮机叶片。
在实施方式的变型中，冷却空气孔倾斜地开口在将被涂覆的表面中。自然地也可能的情况是冷却空气孔基本垂直地开口在将被涂覆的表面中。这两种变型的结合也是可能的。
在涡轮机叶片的优选实施方式中，涂层的厚度随着距孔的出口的距离的增加而增加，直到所述厚度已经达到它的最大值为止。由于在涂覆期间排出流体流，则比起流体已经变得较弱的稍远处，涂覆材料很难直接淀积在各自出口附近。从孔的出口到主体的表面的转变不再是突然的或者急剧地锐利的，这是由于层厚度的这种增加，但是在一定程度上是倾斜的或者圆角的。从冷却空气的流动行为方面看，这有利于涡轮机叶片的运行。特别是具有薄膜冷却工艺的情况，由此在涡轮机叶片的表面处能实现更均匀的冷却薄膜。
而且，从从属权利要求中可以得到本发明的有利措施和优选实施方式。
附图说明
参考实施方式和附图，在下文中将会更详细地解释本发明。已示出了示意性附图，并且部分是截面的：
图1流体冷却式的涡轮机叶片的剖面视图；
图2气体冷却式的涡轮机叶片的壁部分的横断面视图，其依照本发明方法的实施方式涂覆，具有作为冷却空气孔的孔；以及
图3类似于图2，但是孔不同。
具体实施方式
依照本发明的方法用于涂覆具有至少一个贯通孔的主体的表面，所述贯通孔在将被涂覆的表面中开口。接下来，利用示例性特征参考了对于实践而言特别重要的应用，其中主体是在运行中受气体冷却的涡轮机叶片1(参见图1)。
图1示出了纵向剖面表示的诸如从现有技术已知的气体冷却涡轮机叶片1的实施方式。涡轮机叶片1包括涡轮机翼片2和根部3，涡轮机叶片1利用根部3安装在转子或者轮毂上。多个冷却空气通道4典型地设置在涡轮机叶片1的内部，并且，在涡轮机运行中气体(通常是空气)流动通过所述多个冷却空气通道4以冷却涡轮机叶片1。冷却空气的流动发展在图1中由箭头示出、而没有附图标记。多个冷却空气孔5从冷却空气通道4延伸通过涡轮机叶片1的壁，使得冷却空气能在涡轮机叶片1的表面10处排出。每个冷却空气孔5具有入口51(参见图2)和出口52，冷却空气通过入口51进入孔5，出口52设置在涡轮机叶片1的外表面10中并且冷却空气通过出口52流出孔5。
如上面已述的，依照本发明的方法不限制于涡轮机叶片的涂覆，而是通常地非常适合具有至少一个贯通孔5的主体1的表面10的涂覆，即，其能由流体流动通过，具有入口51和出口52，其中，出口52设置在将被涂覆的表面10中。这种主体也能够，例如，是管状主体，其外表面将被涂覆并且它的壁设有多个孔5。
依照本发明的方法，主体1的表面10，这里是涡轮机叶片1的表面10，借助于热喷涂而被涂覆。依照本发明，在热喷涂期间，流体流动通过孔5，所述流体流出通过孔5的出口52，且因此充分防止由涂覆引起的出口52或者孔5的狭窄化。在热喷涂工艺期间，通过排出流体至少很大程度地防止了涂覆材料淀积在出口52或者孔5中。孔5的流动横截面因此被维护；即使在涂覆之后，孔5依然同涂覆之前一样具有相同的流动横截面。
因此相同的冷却空气通道4或者冷却空气孔5在热喷涂期间用于流通流体，同涡轮机常规运行中用于冷却介质的情况一样。
依照本发明的方法适合于所有热喷涂工艺诸如火焰喷涂、高速火焰喷涂(HVOF)、例如金属丝电弧喷涂这样的电弧喷涂、激光喷涂、冷气体喷涂、以及例如常压等离子喷涂(APS)、真空等离子喷涂(VPS)或者保护气氛等离子喷涂这样的所有等离子喷涂工艺。
气体、特别是惰性气体、优选作为涂覆工艺中用于在孔5中通流的流体。通过使用惰性气体能够避免不必要的化学反应，在热喷涂期间流出孔5的流体可能引起所述化学反应。特别优选气体为氩气，因为这种惰性气体用作很多喷涂工艺中的工艺气体。
流体流出孔5的流率或在热涂覆过程中流体流出孔5的流率能被依赖于依赖应用和热喷涂工艺而被调适。在一方面，流率应该被选择为很高，从而使得防止了涂覆材料在孔中的淀积。在另一方面，流率应该被选作为很高，从而使得不导致涂覆工艺的相当大的降级或退化。
实践中，至多5SLMP(标准公升每分)以及尤其至多1SPLM的流率已明确地证明了它们自已是在使用氩气的真空范围内的等离子喷涂工艺。
现在将参考图2和3解释依照本发明的方法的具体实施方式，在图2和3中，LPPS工艺(LPPS：低压等离子喷涂)用于热喷涂。这个工艺在WO-A-03/087422中已被通常地描述。那里描述的工艺也被描述为LPPS薄膜工艺(LPPS-TF＝LPPS薄膜)。常规的LPPS等离子喷涂方法由LPPS薄膜工艺按技术工艺的方式加以修正，具有等离子体流动(“等离子火焰”或者“等离子射流”)通过的空间，由于改变和被扩展至高达2.5米的长度，该空间被加宽。等离子体的几何范围导致粉末射流的均匀扩展-“散开”，使用推进剂气体来喷射粉末流进入等离子体中。粉末流的材料被驱散以形成等离子体中的云、并且在那被部分或者全部熔化，所述粉末流均匀分布地移动于将被涂覆的广泛扩大的主体表面上。
WO-A-03/087422中披露了，等离子体产生为具有足够高的比焓，从而使得涂覆材料的实质部分改变为蒸汽相，并且从蒸汽相淀积在将被涂覆的表面上。这里参考WO-A-03/087422的关于等离子体的参数以及工艺细节。
在WO-A-03/087422中披露的工艺的主要方面在于，涂覆材料的实质部分从蒸汽相淀积在将被涂覆的主体上。由于这个工艺不必针对薄膜的产生，则其目前通常称为PS PVD工艺(PS PVD：等离子喷涂物理汽相淀积)以代替LPPS-TF工艺，，然而术语LPPS-TF工艺用于例如产生了小于50微米的薄膜的这种工艺，其中淀积通常从液相发生，即，涂覆材料以小液滴的形式移动在将被涂覆的表面上。
在参考图2和3解释的依照本发明的工艺的实施方式中，PS PVD工艺被用作诸如所披露的热喷涂，例如，在已经引证的WO-A-03/087422(但是在那里称为LPPS-TF)中，即，将被涂覆的表面10上的涂覆材料的淀积发生为至少是从气相淀积在表面10上的涂覆层的至少50％的实质总量。
图2示出了气体冷却涡轮机叶片1的壁的部分的横断面图示，其依照本发明方法的实施方式涂覆，具有作为冷却空气孔的孔5。孔5的出口52基本垂直于涡轮机叶片1的将被涂覆的表面10而开口。图3示出了(以类似于图2的图示表示)孔5倾斜地(非直角地)开口进入将被涂覆的表面10中。图2和图3都显示了具有已经淀积在表面10上的涂层11的涡轮机叶片1。由于足够理解，则在图2和3中的每种情况中只示出了一个孔5。
为了准备涂覆，涡轮机叶片1首先被紧固到保持器，其未示出，利用该保持器则能使叶片被引入涂覆室。在这个方面，如果涂覆室位于前室之前，且将被涂覆的涡轮机叶片1借助于保持器能被引导从所述前室通过闸壁进入涂覆室，则特别优选的利用真空范围内的等离子体工艺。例如EP-A-1 006 211中披露了这种具有前室的设备。
涡轮机叶片1的保持器或者根部3现在连接到储存惰性气体(优选氩气)的源。在这方面，发生连接，从而使得：以与涡轮机运行期间冷却介质流动通过涡轮机叶片1对应地相同的方式，氩气能从源流动通过涡轮机叶片1的根部3、通过至少一个冷却空气孔5。自然地优选设置多个冷却空气孔5，然后在涂覆期间，氩气流动通过所有冷却空气孔5，如箭头所示，图2和3中没有使用参考标记指示。
使得涂覆室中的压力达到理想工艺压力，低于10,000Pa，优选为在50Pa和2000Pa之间的值，尤其是在100和800Pa之间的值。
在已经使得涡轮机叶片1达到涂覆室中处于理想工艺压力之后，流动通过冷却空气孔5的氩气如箭头所示般开始，图2和3中没有使用参考标记来进行指示。用于以工艺射流形式涂覆的开始材料现在借助于等离子喷涂设备而被喷涂到涡轮机叶片1上，其中开始材料被喷射进入使得工艺射流散开的等离子体中，并且在那里至少部分地改变为气相。涡轮机叶片1的涂覆现在通过从气相的淀积来发生，而同时氩气流动通过孔5。
在这个方面，排出的氩气能额外地影响在表面11上的绝对冷却效果。氩气与工艺气体一起被泵送出涂覆室。
在替换的工艺管理中，执行LPPS-TF工艺，从而使得开始材料部分地或者完全地塑化在等离子体中、或者改变为液相，并且然后通过从液相的淀积发生涂覆。
在涂覆工艺期间，流动通过孔5的氩气防止了涂覆材料淀积在孔5或者出口52中。因此确保了在热喷涂结束之后，每个孔5如热喷涂之前一样依然具有相同的流动横截面。
参考图2和图3解释的方法的具体优点是，从孔5的边缘到涂层11而发生了更均匀的、即更慢的转变，这是因为在热喷涂期间流体流出孔5。如图2和图3所示，涂层11的厚度在B标示的区域内随着距孔5的出口52的距离增加而连续增加，直到所述厚度已经达到它的最大值d。涂层的这种缓慢增加是由于：流出的流体在涂覆期间使得涂覆材料的淀积更难以直接在出口52的附近发生，随着与出口52距离的增加这种困难降低。
在图2中能够看出，利用孔5的垂直开口，涂层的厚度的这种连续增加对称地发生，即，依照图示，在孔5的出口52的两侧上进行。
在图3中示出的孔5的倾斜开口上，涂层11的倾斜的增加实质上仅在一侧发生，即，依照图示，在出口52的左侧上。
在流动方向中看到的涂层11的厚度的这种缓慢增加有利于涡轮机运行，因为从冷却空气孔5排出的冷却空气由此更好地在在运行状态中的涡轮机叶片1的表面上被引导，且至少能减少孔5的出口52处的湍流。

Claims (14)

1.一种对主体(1)的表面(10)进行涂覆的方法，主体(1)具有至少一个贯通的孔(5)，孔(5)具有入口(51)和出口(52)，其中出口(52)设置在待涂覆的表面(10)中，在所述方法中，借助于热喷涂而发生涂覆，其特征在于，在热喷涂期间，流体流动通过孔(5)，所述流体流出通过孔(5)的出口(52)、并且实质上防止了涂覆引起的孔(5)的收缩。
2.依照权利要求1所述的方法，其中流体是气体，特别是惰性气体，尤其是为氩气。
3.依照前述权利要求之一所述的方法，其中流体的流率总计至多5SLPM，并且优选至多1SLPM。
4.依照前述权利要求之一所述的方法，其中热喷涂是等离子喷涂工艺。
5.依照前述权利要求中任一项所述的方法，其中热喷涂是等离子喷涂工艺，该工艺在总计小于10,000Pa的工艺压力的情况下执行。
6.依照权利要求5所述的方法，其中介于50和2000Pa之间的值，优选地介于100和800Pa之间的值，被选为工艺压力。
7.依照权利要求5或者6所述的方法，其中涂覆的开始材料以工艺射流的形式被喷涂在主体(1)上，其中开始材料被喷射到使得工艺射流散开的等离子体中，并且在那部分地或者全部地改变为液相，并且其中通过从液相淀积而发生涂覆。
8.依照权利要求4或者5所述的方法，其中涂覆的开始材料以工艺射流的形式被喷涂在主体(1)上，其中开始材料被喷射到使得工艺射流散开的等离子体中，并且在那至少部分地改变为气相，并且其中通过从气相淀积而发生涂覆。
9.依照前述权利要求中任一项所述的方法，其中主体是涡轮机叶片(1)，并且至少一个孔是冷却空气孔(5)。
10.依照权利要求9所述的方法，其中涡轮机叶片(1)具有根部(3)，根部(3)在涂覆期间连接流体源，从而使得流体能从涡轮机叶片(1)的根部(3)流动通过至少一个冷却空气孔(5)到冷却空气孔(5)的出口(52)。
11.依照权利要求10所述的方法，其中涡轮机叶片(1)具有流体流动通过的多个冷却空气孔(5)。
12.一种依照权利要求1至11中任一项所述的方法涂覆的涡轮机叶片。
13.依照权利要求12所述的涡轮机叶片，其中冷却空气孔(5)倾斜地开口在待涂覆的表面(10)中。
14.依照权利要求12所述的涡轮机叶片，其中涂层(11)的厚度随着从孔(5)的出口(52)的距离的增加而增加，直到所述厚度已经达到它的最大值(d)。
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