CN102590295B - 腐蚀传感器和用于制造腐蚀传感器的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及腐蚀传感器和用于制造腐蚀传感器的方法。一种腐蚀传感器(20)包括多个传导部分(24)和在相邻的传导部分(24)之间的至少一个非传导部分(26)，其中，该至少一个非传导部分(26)具有小于大约500微米的尺寸。一种用于制造腐蚀传感器(20)的方法包括将非传导材料(52)施用到衬底上，以及将传导材料(54)施用到非传导材料(52)上的离散位置上。该方法进一步包括将铜焊材料(56)施用到传导材料(54)的各个离散位置的周围。
Description
技术领域
本发明大体涉及腐蚀传感器和用于制造腐蚀传感器的方法。
背景技术
在恶劣环境中运行的机器和装备常常会经受加快的腐蚀速率，如果没有得到监测或控制的话，加快的腐蚀速率可导致机器和装备的过早老化以及最终失效。例如，在燃气轮机中，高温燃烧气体沿着热气路径而流过涡轮，以产生功。燃烧气体可包含足够量的氧气，而沿着热气路径在金属表面上产生全面腐蚀。全面腐蚀的特征在于氧化还原反应，其中金属表面氧化，从而在氧化位点处产生阳极，而在还原位点处产生阴极。
可将传感器安装在金属表面上，以监测任何全面腐蚀的存在和/或速率。例如，如图1中显示的那样，安装在金属表面12上的传统的腐蚀传感器10可包括由介电材料16分开的交替的电极14层。电极14可具有与金属表面12的氧化势相对等的氧化势，使得金属表面12上的全面腐蚀速率可由电极14上的全面腐蚀速率近似。因而可通过使用传感器18来测量跨过电极14的电势或电流流量来确定发生在金属表面12上的全面腐蚀速率。
在传统的腐蚀传感器10中的电极14和介电材料16之间的结合部或接口可随着时间的过去而退化，从而在电极14和介电材料16之间产生小空隙19或其它低流量区，如图1中显示的那样。这些空隙19或低流量区导致局部区域引起裂隙腐蚀。在电极14和介电材料16之间的裂隙腐蚀使电极14的较大表面积暴露于热气路径，从而对于相同的全面腐蚀速率而增大跨过电极14的电势或电流流量。因此，裂隙腐蚀会随着时间的过去而改变传统的腐蚀传感器10的标定和/或精确性。因此，一种抵抗裂隙腐蚀的腐蚀传感器和用于制造抵抗裂隙腐蚀的腐蚀传感器的方法将是有用的。
发明内容
下面在以下描述中阐述本发明的各方面和优点，或者根据描述，本发明的各方面和优点可为显而易见的，或者可通过实践本发明来学习本发明的各方面和优点。
本发明的一个实施例是一种腐蚀传感器，其包括多个传导部分和在相邻的传导部分之间的至少一个非传导部分。在相邻的传导部分之间的该至少一个非传导部分具有小于大约500微米的尺寸。
本发明的另一个实施例是一种用于制造腐蚀传感器的方法，其包括将非传导材料施用在衬底上，以及将传导材料施用到非传导材料上的离散位置处。该方法进一步包括将铜焊材料施用到传导材料的各个离散位置的周围。
本发明的又一个实施例是一种用于制造腐蚀传感器的方法，其包括将填料材料施用到衬底上，以及将粘合剂材料施用到衬底上的离散位置上，以在衬底的离散位置处形成传导部分。该方法进一步包括将铜焊材料施用到传导材料的各个离散位置的周围。
在审阅说明书之后，本领域普通技术人员将更好地理解这样的实施例和其它实施例的特征和各方面。
附图说明
在说明书的其余部分中更具体地阐述了针对本领域技术人员的本发明的完整和能够实施的公开，包括其最佳模式，说明书包括对附图的参照，其中：
图1是传统的腐蚀传感器的简化侧视截面图；
图2是根据本发明的一个实施例的腐蚀传感器的简化侧视截面图；
图3是图2中显示的腐蚀传感器的俯视平面图；
图4是用于制造根据本发明的一个实施例的腐蚀传感器的直写淀积系统的简化侧视截面图；
图5是根据本发明的一个实施例的用于制造腐蚀传感器的方法的流程图；
图6是根据本发明的第二实施例的用于制造腐蚀传感器的方法的流程图；
图7是根据本发明的第三实施例的用于制造腐蚀传感器的方法的流程图。
部件列表
10传统的腐蚀传感器
12金属表面
14电极
16介电材料
18传感器
19空隙
20腐蚀传感器
22金属衬底
24传导部分
26非传导部分
28无缝接头
30结合涂层
32电极
34电传感器
40直写系统
42喷嘴
44工件
46臂
48传送器
50容器
52非传导材料喷嘴
54传导材料喷嘴
56铜焊材料喷嘴
58源
60喷涂非传导材料
62喷涂传导材料
64喷涂铜焊材料
66固化
68检查厚度
70附连电极
72调节电极
74附连电传感器
80淀积非传导材料
82写传导部分
84固化
86检查厚度
88施用最后的非传导层
90加工
92连接电传感器
100喷涂非传导材料
102喷涂传导材料
104将非传导材料喷涂到传导材料的周围
106检查厚度
108连接电传感器
具体实施方式
现在将对本发明的当前实施例进行详细参照，在附图中示出了实施例的一个或多个实例。详细描述使用数字和字母标号来指示图中的特征。图和描述中的相同或类似的标号用来指示本发明的相同或类似的部件。
以阐明本发明而非限制本发明的方式来提供各个实例。事实上，对本领域技术人员显而易见的将是，可在本发明中作出修改和变型，而不偏离本发明的范围或精神。例如，示出或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例上，以产生又一个实施例。因而，意图本发明覆盖落在所附权利要求及其等效方案的范围内的这样的修改和变型。
本发明的实施例提供一种腐蚀传感器和用于制造腐蚀传感器的方法，相信该腐蚀传感器对检测和测量全面腐蚀更敏感，以及/或者对已知会降低传统的腐蚀传感器的敏感性和精确性的裂隙腐蚀更加有抗力。各种实施例大体受益于允许可重复和可靠地生产一起较紧密地隔开的较小的电极的直写淀积技术。另外，本发明的实施例所采用的直写淀积技术在腐蚀传感器的传导部分和非传导部分之间产生大体无缝的接口或接头，以减少和/或防止裂隙腐蚀随着时间的过去使腐蚀传感器退化。
图2提供了根据本发明的一个实施例的腐蚀传感器20的简化侧视截面图，而图3提供了图2中显示的腐蚀传感器20的简化俯视平面图。腐蚀传感器20设计成安装在金属衬底22中或金属衬底22上，以监测和/或测量发生在金属衬底22上的全面腐蚀的存在或速率。在运行期间，腐蚀传感器20以与金属衬底22大致相同的速率经历全面腐蚀，并且可测量腐蚀传感器20所产生的电流流量和/或电势，以确定金属衬底22的全面腐蚀速率。
如所显示的那样，腐蚀传感器20的一个特定的实施例可包括多个传导部分24、至少一个非传导部分26和在传导部分24和非传导部分26之间的无缝接头28。传导部分24可包含铂、钯、金、银、铜、它们的组合或混合物，或本领域中已知的其它高传导性材料。另外，可对传导部分24掺入另外的材料，使得传导部分24具有与金属衬底22相对等的氧化势。虽然在形状上描绘成圆柱形，但是传导部分24可采取任何几何形状。该至少一个非传导部分26可包围和电隔离传导部分24，并且可包含适用于金属衬底22所预期的温度和压力的任何非传导材料。例如，非传导部分(一个或多个)26可包括介电材料、陶瓷或本领域中已知的其它适当的非传导材料。本文公开的制造方法大体允许制造比传统的腐蚀传感器中的更小且更紧密地隔开的传导部分24。例如，根据本发明各种实施例所制造的传导部分24可具有暴露于的全面腐蚀的小于大约500微米的尺寸，而在一些实施例中，小至小于大约5微米。备选地或另外，相邻的传导部分24之间的间隔可导致相邻的传导部分24之间的非传导部分26具有小于大约500微米的尺寸，而在一些实施例中，小至小于大约5微米。
在传导部分24和非传导部分26之间的无缝接头28或连接部减少和/或防止传导部分24和非传导部分26之间发生裂隙腐蚀。无缝接头28可包括例如冶金结合部，例如在传导部分24和非传导部分26之间的铜焊接头。
腐蚀传感器20可通过例如粘附材料来直接附连到金属衬底22上。备选地，如图2中显示的那样，可在腐蚀传感器20和金属衬底22之间包括可选的结合涂层层30，以最大程度地减小腐蚀传感器20和金属衬底22之间的任何化学互作用或电互作用，以及/或者在腐蚀传感器20和金属衬底22之间提供改进的粘附。可选的结合涂层层30可包括例如氧化铝、隔热涂层或用以增强腐蚀传感器20和金属衬底22之间的粘附力的另一个层。如图2和3中显示的那样，电极32可将各个传导部分24连接到电传感器34上。电极32可包括也许由与传导部分24相同的传导材料和以其相同的方式形成的导线，并且可嵌在腐蚀传感器20中，以在传导部分24和电传感器34之间传导电流。电传感器34可包括电压表、电流表或用于测量传导部分24之间的电势和/或电流流量的另一个适当的传感器。照这样，可使用在传导部分24之间的电压或电流流量来确定衬底材料22的全面腐蚀速率。
可使用若干种直写淀积技术中的一种来制造图2和3中描述和示出的腐蚀传感器20。如本文所用，“直写淀积技术”包括沾笔纳米刻蚀、微笔写、激光粒子引导或激光射流印刷、等离子体喷涂、激光辅助的化学气相淀积、喷墨印刷和转印，它们中的任一个均可适于制造本发明的范围内的腐蚀传感器20。例如，图4显示了用于制造根据本发明的各种实施例的腐蚀传感器20的直写淀积系统40。如所显示的那样，系统40可包括对准工件44的多个喷嘴42，在喷嘴42和工件44之间有相对运动。例如，喷嘴42可附连到构造成使各个喷嘴42相对于固定工件44运动的一个或多个臂46或组件上。备选地或另外，工件44可位于构造成使工件44相对于喷嘴42运动的传送器48或其它表面上。
各个喷嘴42可连接到专用于那个特定的喷嘴42的单独的材料供应上。备选地，多个材料供应可通过单个喷嘴42来复用。各个材料供应可包括泵、容器50、混合器和用于供应待淀积到工件44上的材料的其它相关联的装备。待淀积的材料可包括大小范围为大约10纳米至几百微米的细粉。细粉可悬浮在诸如酒精或水的溶剂中，溶剂可进一步包括填料或粘合剂，例如淀粉、纤维素、表面活性剂和其它添加剂，以调节材料的流变属性。喷嘴直径和供应的材料的流变大体确定淀积的材料的最小和最大尺寸。例如，具有25微米-600微米的直径的喷嘴42每次传送可容易地产生尺寸范围为大约1微米-600微米宽和1微米-10微米厚的淀积物，传送的数量取决于淀积的材料的期望厚度。
如图4中显示的那样，例如，系统40可包括专门用来使非传导材料52、传导材料54和铜焊材料56淀积到工件44上的单独的喷嘴42。在喷嘴42相对于工件44运动时，控制器(未显示)可执行CAD/CAM或类似的程序，以如期望的那样促动各个喷嘴42来使特定的材料淀积到工件44上的离散位置上。例如，控制器可促动喷嘴42来在多次传送期间按顺序将非传导材料52、传导材料54和铜焊材料56淀积到结合涂层30上，以形成图4中显示的腐蚀传感器20。产生的淀积层可在喷嘴42的连续的传送之间或者在实现期望的厚度时使用传统的固化装置(诸如例如炉、灯和其它热源)来固化。备选地，如图4中显示的那样，源58可与系统40结合，以使用例如紫外线、超声波、热或其它形式的热来使产生的淀积层固化以及/或者铜焊传导部分24和非传导部分26。
可使用图4中显示的示例性直写系统40的多个变型来制造在本发明的范围内的腐蚀传感器20。例如，系统40可包括供应有待渗入的非传导填料材料52的一个喷嘴、供应有传导材料54或浆料的第二喷嘴，以及供应有铜焊材料56或浆料的第三喷嘴。因而，第一喷嘴可在初始传送或初始连续传送期间将填料材料52的均匀的底涂层淀积到结合涂层30(如果存在的话)或金属衬底22上。第二喷嘴然后可将传导材料54淀积到离散位置处，以与底涂层中的填料材料52混合，而第三喷嘴可将铜焊材料56淀积到传导材料54的各个离散位置的周围。然后可对产生的淀积层执行烧结或其它固化，以产生图2-4中示出的任何腐蚀传感器20。
方法1：图5提供了用于使用例如图4中描述和显示的系统40来制造腐蚀传感器20的第一种方法的流程图。在框60处，可将薄的非传导材料或填料材料52层淀积、喷涂、印刷或以其它方式施用到诸如例如结合涂层30的衬底上，或者直接淀积、喷涂、印刷或以其它方式施用到被监测腐蚀的金属衬底22上。在框62处，在同一传送或后续传送期间，薄的传导材料或粘合剂材料54层可类似地淀积、喷涂、印刷或以其它方式施用到特定位置或离散位置处，并且在框64处，铜焊材料56可淀积、喷涂、印刷或以其它方式施用到传导材料或粘合剂材料54的各个离散位置的周围。
本领域普通技术人员将容易地理解，可将填料材料52、粘合剂材料54和/或铜焊材料56中的一个或多个作为干纳米粉、液体或悬浮在诸如酒精或水的溶剂中的细粉的浆料来施用，溶剂可进一步包括填料或粘合剂，例如淀粉、纤维素、表面活性剂和其它添加剂，以调节材料的流变属性。另外，非传导材料或填料材料52、传导材料或粘合剂材料54和/或铜焊材料56可经选择和掺料而具有彼此类似的熔点。照这样，喷嘴42可淀积、喷涂、印刷或以其它方式施用传导材料或粘合剂材料54，以产生具有小于大约500微米的尺寸的传导部分24，而在一些实施例中，小至小于大约5微米。另外，相邻的传导部分24之间的间隔可导致在相邻的传导部分24之间有具有小于大约500微米的尺寸的非传导部分26，而在一些实施例中，小至小于大约5微米。
在框66处，可激励源58，以通过诸如例如使用紫外线、超声波、热或适于所使用的特定的填料材料52、粘合剂材料54和铜焊材料56的其它形式的热来使之前施用的填料材料52、粘合剂材料54和/或铜焊材料56固化。非传导材料或填料材料52的固化会产生非传导部分26。与填料材料52混合的传导材料或填料材料54的固化会产生传导部分24和/或电极32。在传导材料或粘合剂材料54的各个离散位置的周围的铜焊材料56的固化会在传导部分24和非传导部分26之间产生无缝接头或冶金结合28。
在框68处，检查各种层的厚度，并且可如期望的那样重复框60、62、64和/或66中的一个或多个，以增加腐蚀传感器20上的传导部分24、非传导部分26和/或无缝接头28的厚度。一旦实现各个层的期望厚度，工艺则继续到框70，在框70中，如果之前没有与传导部分24一致地形成，则电极32可连接到传导材料24的各个离散位置上。如期望的话，可预处理或调节电极32，以产生抵抗电极的表面上的裂隙腐蚀的粘附性氧化物层，如由框72所表示的那样。电极32的预处理或调节可发生在各个层施用到衬底上之后。备选地，电极32的预处理或调节可作为最后的完工工艺而进行。在框74处，电极32可连接到电传感器34上，使得电传感器34连接到传导材料24的各个离散位置上。
方法2：图6提供了根据本发明的第二实施例的用于制造腐蚀传感器20的方法的流程图。在框80处，第一层非传导材料26可淀积、喷涂、印刷或以其它方式施用到衬底上。衬底可包括例如结合涂层30或被监测腐蚀的金属衬底22，并且可已经包括预先定位在期望的位置处以连接到后面施用的传导部分24上的电极32。在框82处，可以类似于用墨水笔书写的方式将传导部分24在特定位置上写到非传导材料26上。例如，可将溶液中的金属(例如熔融金属或液体溶液中的金属粉末)可写到非传导材料26上，以形成传导部分24的期望型式。如之前描述的那样，传导部分24的特定位置可导致有小于大约500微米的尺寸，而在一些实施例中，小至小于大约5微米。另外，相邻的传导部分24之间的间隔可导致在相邻的传导部分24之间有具有小于大约500微米的尺寸的非传导部分26，而在一些实施例中，小至小于大约5微米。
在框84处，可通过例如使用紫外线、超声波、热或适于使用的特定的材料的其它形式的热来使得到的传导部分24和非传导部分26固化。在框86处，检查各种层的厚度。如果期望的话，可重复写工艺(框82)和/或固化工艺(框84)，另外的金属层重复地写到之前固化的传导部分24上，以在特定位置处建立比使用的下面的电极32更厚的传导部分24。
当实现传导部分24的期望厚度时，工艺继续到框88，在框88中，可将第二层或最后一层非传导材料26施用到整个表面上面，从而覆盖传导部分24和非传导部分26两者。如果期望的话，可重复最终固化步骤。在框90处，可对第二层或最后一层非传导材料26的一部分进行略微加工，以暴露传导部分24的表面，而不暴露下面的电极32。在框92处，电传感器34可连接到传导部分24和/或电极32中的各个上，以产生在传导部分24和非传导部分26之间具有无缝接头28的腐蚀传感器20。
方法3：图7提供了根据本发明的第三实施例的用于制造腐蚀传感器20的方法的流程图。在这个特定的方法中，可使用热喷涂或冷喷涂技术(诸如例如高速含氧燃料热喷涂或冷喷涂技术)来形成腐蚀传感器20。具体而言，在框100处，可使用现有技术中已知的热喷涂或泠喷涂技术来将非传导材料26喷涂到衬底上。衬底再次可包括例如结合涂层30或被监测腐蚀的金属衬底22，并且可已经包括在期望位置处的电极32，以连接到随后施用的传导部分24上。在框102处，可在特定位置上将传导部分24喷涂到衬底和/或非传导材料26上，以在衬底上实现传导部分24和非传导部分26的期望的型式或间隔，如之前关于方法1和2所描述的那样。具体而言，传导部分24的特定位置可导致有小于大约500微米的尺寸，而在一些实施例中小至小于大约5微米。另外，相邻的传导部分24之间的间隔可导致在相邻的传导部分24之间有具有小于大约500微米的尺寸的非传导部分26，而在一些实施例中小至小于大约5微米。在框104处，可将非传导材料26喷涂到之前施用的传导部分24的周围，以填充传导部分24之间的空间，并且与传导部分24一起扩散，以在传导部分24和非传导部分26之间形成无缝结合部28。
在框106处，检查传感器20的厚度，特别是传导材料24在离散位置处的厚度。如果期望的话，可如需要的那样重复将传导部分24喷涂到离散位置处(框102)以及将非传导部分26喷涂到传导部分24的周围(框104)的工艺，以实现传导部分24和非传导部分26的期望厚度。当实现传导部分24和非传导部分26的期望厚度时，工艺继续到框108，在框108中，电传感器34可连接到传导部分24或电极32中的各个上，以产生在传导部分24和非传导部分26之间具有无缝结合28的腐蚀传感器20。
相信之前描述的直写淀积技术中的一个或多个将允许制造在本发明的范围内的具有优于现有技术的一个或多个益处的腐蚀传感器20。例如，本文描述的技术将允许可重复地、成本有效地生产具有较小的传导部分24的、能够检测和/或测量较小量的水腐蚀或熔盐腐蚀的腐蚀传感器20。大小较小的腐蚀传感器20还将适于之前对于容纳腐蚀传感器来说太小的较小的环境。另外，在传导部分24和非传导部分26之间的无缝冶金接头28会减小裂隙腐蚀的发生，以增强腐蚀传感器20的长时间的精确性和可靠性。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明的可授予专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这样的其它实例包括不异于权利要求的字面语言的结构元素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这样的其它实例意图处于权利要求的范围之内。
Claims (12)
1.一种腐蚀传感器(20)，包括：
a.多个传导部分(24)；
b.在相邻的传导部分(24)之间的至少一个非传导部分(26)，其中，在相邻的传导部分(24)之间的所述至少一个非传导部分(26)具有小于大约500微米的尺寸；以及
c.在所述传导部分(24)和相邻的传导部分(24)之间的所述至少一个非传导部分(26)之间的冶金结合部(28)；
其中，在所述传导部分的各个离散位置的周围的铜焊材料的固化在所述传导部分和所述非传导部分之间产生无缝冶金结合部。
2.根据权利要求1所述的腐蚀传感器(20)，其特征在于，在相邻的传导部分(24)之间的所述至少一个非传导部分(26)具有小于大约5微米的尺寸。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的腐蚀传感器(20)，其特征在于，所述多个传导部分(24)中的各个具有小于大约500微米的尺寸。
4.一种用于制造腐蚀传感器(20)的方法，包括：
a.将非传导材料(52)施用到衬底(22)上；
b.将传导材料(54)施用到所述非传导材料(52)上的离散位置上；
c.将铜焊材料(56)施用到所述传导材料(54)的各个离散位置的周围；以及
d.在所述传导材料的各个离散位置的周围固化所述铜焊材料，以在所述传导材料和所述非传导材料之间产生无缝冶金结合部。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括施用所述传导材料(54)，使得所述离散位置具有小于大约500微米的尺寸。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括施用所述传导材料(54)，使得传导材料(54)的所述离散位置之间的距离小于大约500微米。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括施用所述传导材料(54)，使得传导材料(54)的所述离散位置之间的距离小于大约5微米。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括使所述非传导材料(52)或所述传导材料(54)中的至少一个固化。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括将所述非传导材料(52)铜焊到所述传导材料(54)上。
10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括将电极(32)连接到所述传导材料(54)的各个离散位置上。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括在所述电极(32)上形成氧化物层(72)。
12.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括将电传感器(34)连接到所述传导材料(54)的各个离散位置上。
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