CN103388118A - 涂覆构件的方法、形成冷却孔的方法以及水溶性孔口插塞 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及涂覆构件的方法、形成冷却孔的方法以及水溶性孔口插塞。提供了用于涂覆构件以及在构件中形成至少一个冷却孔的方法。该方法包括提供具有表面且包括形成于其中的多个孔口的构件。该方法包括用插塞掩蔽多个孔口中的至少一个，该插塞包括可去除材料。该方法包括向构件的表面施加至少一个涂层。该方法包括消除包括可去除材料的插塞，从而在被涂覆构件的表面中留下开放的孔口。还提供了水溶性孔口插塞，其包括：水溶性耐高温填充材料，包括氧化铝、氧化锆、氧化镁、二氧化硅、锆石、石墨、碳化钨、碳化硅、氮化硅、氮化硼、氮化铝；以及粘合剂和分散剂，包括磷酸盐、硅酸盐、糖、盐、胶、树脂、聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇和它们的组合。

Description

涂覆构件的方法、形成冷却孔的方法以及水溶性孔口插塞
技术领域
本发明大体涉及涂覆构件的方法、形成冷却孔的方法以及水溶性孔口插塞。
背景技术
当涡轮机用在飞行器上或用于发电时，它们典型地在尽可能高的温度下运行，以获得最大操作效率。由于高温可损坏用于构件的合金，因而已使用各种方法来提高金属构件的操作温度。一种方法要求在构件中并入内部冷却通道，冷却空气在发动机操作期间被迫使通过该内部冷却通道。冷却孔可通过专业的激光钻孔技术形成于基底中。冷却空气(通常由发动机的压缩机提供)从燃烧器壁的较冷侧通过孔被供给到热侧。只要孔保持通畅，急流空气便将帮助降低热金属表面的温度并防止构件的熔化或其它降解。
另一种用于保护金属部件并有效地提高飞行器发动机的实际操作温度的方法包括使用热障涂层(TBC)。TBC通常为陶瓷基的。TBC系统常常还包括置于陶瓷涂层与基底之间的结合涂层，以改善粘附。与冷却孔组相结合地使用TBC有时是用于保护发动机部件的最有效手段。然而，两种系统的合并可能非常困难。例如，冷却孔有时不能在TBC已施加之后形成于发动机部件中，因为激光通常不能有效地穿透陶瓷材料和金属两者以形成孔的图案。如果冷却孔在TBC系统的施加之前形成，则它们可在施加结合涂层和/或TBC时变得被覆盖且至少部分地堵塞。如果可能的话，从孔彻底去除陶瓷-金属材料可能非常耗时和低效。孔在发动机操作期间的任何堵塞可干扰冷却空气的通过，可浪费压缩机动力，并且可能由于过热而引起发动机构件损坏。
因此，本领域中希望有不遭受上述缺点的构件、涂覆构件的方法以及在构件中形成冷却孔的方法。
发明内容
根据本公开的示例性实施例，提供一种涂覆构件的方法。该方法包括提供具有表面且包括形成于其中的多个孔口的构件。该方法包括用插塞掩蔽多个孔口中的至少一个，插塞包括可去除材料。该方法包括向构件的表面施加至少一个涂层。该方法包括消除可去除材料，从而在被涂覆构件的表面中留下开放的孔口。
根据本公开的另一示例性实施例，提供一种在构件中形成至少一个冷却孔的方法。该方法包括提供具有表面且在其中包括多个冷却孔的构件。该方法包括用插塞掩蔽多个冷却孔中的至少一个，插塞包括水溶性膏(paste)。该方法包括用结合涂层和热障涂层涂覆构件的表面。该方法包括在水中溶解包括水溶性膏的插塞，从而在被涂覆构件的表面中留下开放的冷却孔。
根据本公开的另一示例性实施例，提供一种水溶性孔口插塞。该水溶性孔口插塞包括：水溶性耐高温填充材料，其包括氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、氧化镁(MgO)、二氧化硅(SiO2)、锆石(ZrSiO4)、石墨、碳化钨(WC)、碳化硅(SiC)、氮化硅、氮化硼、氮化铝；以及粘合剂和分散剂，其包括磷酸盐、硅酸盐、糖、盐、胶、树脂、聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇和它们的组合。
根据一方面，一种涂覆构件的方法包括：提供构件，构件具有表面且包括形成于其中的多个孔口；用插塞掩蔽多个孔口中的至少一个，插塞包括可去除材料；向构件的表面施加至少一个涂层；以及消除包括可去除材料的插塞，从而在被涂覆构件的表面中留下开放的孔口。
优选地，该方法包括：在掩蔽步骤之前，通过机械加工、喷砂、打磨、蚀刻或它们的组合来准备构件。
优选地，该方法包括：在施加至少一个涂层的步骤之前，干燥可去除材料。
优选地，插塞的可去除材料包括至少一种耐高温填充材料、至少一种粘合剂和它们的组合。
优选地，可去除材料是水溶性的、可化学溶解的、磁性的、可热降解的以及它们的组合。
优选地，至少一种耐高温填充材料包括氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、二氧化硅(SiO2)、锆石(ZrSiO4)、石墨，并且至少一种粘合剂包括磷酸盐、硅酸盐、糖、胶、树脂、聚乙烯醇(PVA)和它们的组合。
优选地，插塞在干燥之前包括以重量计约50%至80%的至少一种耐高温填充材料、以重量计约10%至约40%的至少一种粘合剂和以重量计约5%至约25%的水。
优选地，插塞是水溶性的、磁性的、可热降解的、可化学溶解的以及它们的组合。
优选地，构件为喷嘴、叶片、静叶、护罩、动叶、过渡件、衬套和它们的组合。
优选地，施加至少一个涂层的步骤包括在第一温度下施加第一涂层和在第二温度下施加第二涂层。
优选地，第一涂层为结合涂层且第二涂层为热障涂层。
优选地，在消除插塞的步骤之后，使用钻机完成孔口。
根据另一方面，一种在构件中形成至少一个冷却孔的方法包括：提供构件，构件具有表面且在其中包括多个冷却孔；用插塞掩蔽多个冷却孔中的至少一个，插塞包括水溶性膏；用结合涂层和热障涂层涂覆构件的表面；以及在水中溶解包括水溶性膏的插塞，从而在被涂覆构件的表面中留下开放的冷却孔。
优选地，该方法包括：在施加水溶性膏的步骤之前，通过机械加工、喷砂、打磨、蚀刻或它们的组合来准备构件。
优选地，构件为喷嘴、叶片、静叶、护罩、动叶、过渡件、衬套和它们的组合。
优选地，水溶性膏包括耐高温填充材料、粘合剂和它们的组合。
优选地，水溶性膏在干燥之前包括以重量计约50%至80%的耐高温填充材料、以重量计约10%至约40%的粘合剂和以重量计约5%至约25%的水。
优选地，该方法包括在施加结合涂层的步骤之前干燥水溶性膏的额外步骤。
优选地，使用注射器、填缝管、刷子或它们的组合来施加水溶性膏。
根据又一方面，一种水溶性孔口插塞包括：水溶性耐高温填充材料，其包括氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、氧化镁(MgO)、二氧化硅(SiO2)、锆石(ZrSiO4)、石墨、碳化钨(WC)、碳化硅(SiC)、氮化硅、氮化硼、氮化铝；以及粘合剂和分散剂，其包括磷酸盐、硅酸盐、糖、盐、胶、树脂、聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇和它们的组合。
本发明的其它特征和优点将从下文结合附图对优选实施例的更详细描述而显而易见，附图以示例的方式示出本发明的原理。
附图说明
图1是本公开的构件的透视图。
图2是本公开的具有形成于其中的多个孔口的图1的构件的示意顶视图。
图3是包括多个孔口的构件的沿图2的方向3-3截取的剖视图。
图4是根据本公开的各填充有插塞的多个孔口的示意图。
图5是向根据本公开的构件施加多层的示意图。
图6是涂覆在本公开的构件上的至少一个不相似金属层的示例性备选实施例的多个孔口的示意图。
图7是形成本公开的构件的示例性方法的流程图。
图8是在本公开的构件中形成冷却孔的备选示例性方法的流程图。
在可能的情况下，在全部图中将使用相同标号来表示相同部件。
具体实施方式
提供了一种涂覆构件的方法、在构件中形成至少一个冷却孔的方法、以及与这些方法联用的插塞。更具体而言，插塞包括：水溶性粘合剂材料和耐高温填充材料，其包括氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、氧化镁(MgO)、二氧化硅(SiO2)、锆石(ZrSiO4)、石墨、碳化钨(WC)、碳化硅(SiC)、氮化硅、氮化硼、氮化铝；以及粘合剂和分散剂，其包括磷酸盐、硅酸盐、糖、盐、胶、树脂、聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇和它们的组合。
本公开的实施例的一个优点包括维持构件中的孔口或冷却孔的原始形状和尺寸。实施例的另一优点是对用于再涂覆构件的气流的更好控制。又一优点是再涂覆构件的更快加工。实施例的另一优点是减少用于在构件被涂覆或再涂覆之后清空冷却孔的时间。实施例的又一优点是由于在涂覆后不需要钻孔来清空冷却孔而显著的劳力节省。又一优点是具有耐高温的掩蔽材料。
本公开的构件可用于经历温度变化的任何应用中，例如但不限于发电系统，其包括但不限于燃气涡轮机、蒸汽涡轮机、喷射式涡轮机和其它涡轮机组件。
图1是可与本公开的方法联用的涡动叶片100的透视图。涡动叶片100具有三个区段：翼型件区段103、平台区段105和楔形件区段107。翼型件区段103包括多个冷却孔109，其容许冷却空气从涡动叶片100的内部空间排出。涡动叶片100典型地由带有高温强度的耐高温氧化和腐蚀的合金(例如镍基超合金)制成。涡动叶片100的翼型件区段103的外表面可被涂覆有本领域中已知的任意涂层系统，以用于涂覆在与燃烧气体相对的涡动叶片100上。已知的涂层系统包括：涡动叶片100的表面上的结合涂层，其典型地包括铝化物或MCrAlY(其中M=Ni、Co和/或Fe)；以及设置在结合涂层上的隔热层，其可包括陶瓷材料，例如氧化钇稳定氧化锆。热障涂层典型地通过例如空气等离子喷涂或电子束物理气相沉积的工艺施加，该工艺为表面提供适合于为翼型件区段103表面提供耐热性的涂层形态。结合涂层和隔热层的组合为翼型件区段103提供对与燃烧气流接触所致的热和腐蚀的长期抵抗。
本公开涉及在涂层材料沉积于构件200的外表面220上之前掩蔽构件200的冷却孔109或孔口230的方法。如图1中所示，构件可为涡动叶片100。构件200的其它示例包括但不限于具有冷却孔109或孔口230的构件，例如但不限于喷嘴、静叶、护罩、动叶、过渡件和衬套以及它们的组合。
如图2中所示，提供了构件200的外表面220的顶视图，该构件200包括形成于外表面220中的多个孔口230。图3是包括多个空的孔口230的构件200的沿图2的方向3-3截取的剖视图。外表面220可以通过机械加工、喷砂、打磨、蚀刻或它们的组合来准备用于涂覆，以去除任何旧涂层或准备外表面200用于涂覆。
如图4中所示，多个孔口230被填充插塞250或被插塞250掩蔽。插塞250基本填满多个孔口230。插塞250可与构件200的外表面220基本齐平或定位成略高于构件200的外表面220，如图4中所示。插塞250包括可去除材料。形成插塞250的可去除材料使用例如但不限于注射器、填缝管或它们的组合来施加。可去除材料包括耐高温填充材料、粘合剂和它们的组合。如文中所用，“耐高温填充材料”是通常耐受大于约315℃(约600℉)的温度的材料或者耐受通常在约315℃(约600℉)至约982℃(约1800℉)的范围内的温度的材料。可去除材料选自水溶性、磁性、可化学溶解或可热降解的材料。用于插塞250的可去除材料的合适示例包括但不限于耐高温填充材料，例如但不限于氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、氧化镁(MgO)、二氧化硅(SiO2)、锆石(ZrSiO4)、碳化钨(WC)、碳化硅(SiC)、氮化硅、氮化硼、氮化铝和石墨。可去除材料的合适示例包括粘合剂、粘度调节剂和分散剂，例如但不限于磷酸盐、硅酸盐、糖、高温盐、胶、树脂、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和它们的组合。
用于形成和成形插塞250的溶剂的合适示例包括水。用于形成和成形插塞250的溶剂的其它合适示例包括乙醇、丙酮、松油醇。在一个实施例中，插塞250在干燥之前包括以重量计约50%至80%的耐高温填充材料、以重量计约10%至约40%的粘合剂和以重量计约5%至25%的水，或者备选地，以重量计约55%至75%的耐高温填充材料、以重量计约15%至约35%的粘合剂和以重量计约8%至20%的水，或者备选地，以重量计约60%至70%的耐高温填充材料、以重量计约20%至约30%的粘合剂和以重量计约10%至15%的水。在干燥之后，插塞250仅包括耐火材料和粘合剂。
插塞250使用任何合适的方法来干燥，例如但不限于风干、加热或化学品，以在构件200的孔口230中形成固体插塞250。在插塞250干燥之后，构件的外表面220被涂覆有至少一个涂层。如图5中所示，第一涂层260施加至构件200的外表面220且第二涂层270施加至第一涂层260。在一个实施例中，第一涂层260是结合涂层。结合涂层的合适示例包括但不限于MCrAlX，其中M是钴、镍、铁或它们的组合，X是活性元素，例如钇(Y)和/或硅(Si)和/或至少一种稀土元素或铪(Hf)。在一个实施例中，第二涂层270是热障涂层(TBC)。TBC的合适示例包括但不限于陶瓷涂层，例如氧化锆(ZrO2)，其晶体结构可通过添加氧化钇(Y2O3)而部分或完全地稳定。
第一涂层260和第二涂层270在通常大于约400℃的高温下施加。插塞250耐受施加涂层所需的高温。在施加涂层260和270之后，构件200被冷却。在涂层260和270的施加期间，插塞250的有机物可根据表面220在涂层加工期间达到的温度而被“烧”掉。被烧掉的有机物的示例包括含碳材料以及粘合剂、表面活性剂、分散剂、润湿剂中可能存在的含硫材料。大部分有机物在300℃至800℃之间烧掉。为了去除插塞250，根据插塞250的可去除材料的组分，可将包括插塞250的构件200浸没在水浴中，直至插塞250溶解，从而留下如图6中所示的通畅孔口230。水浴导致插塞250在水中溶解并使孔口230畅通，从而留下其上具有涂层260和270的构件200、以及不存在任何涂层或其它材料的孔口230，而不必进行手动钻孔以清空孔口230。为帮助插塞去除过程，可在水浴中采用诸如机械(例如，加压水)或声音振动(例如，超声波)的外力。
在另一实施例中，使用非水溶剂浴来去除或溶解插塞250。非水溶剂被选择成与插塞250的耐高温填充材料反应或将其溶解。非水或无水溶剂的合适示例包括但不限于醇(例如丙酮)、氨、弱酸(例如柠檬酸)、5-10%HCl、硝酸、硫酸、高氯酸、硼酸或松油醇。在一个实施例中，插塞250的可去除材料包括可溶于非水溶剂中的耐高温填充材料和粘合剂。为了去除插塞250，包括插塞250的构件200被浸没在非水溶剂浴中。用于包括耐高温填充材料和粘合剂的插塞250的可去除材料的示例为(但不限于)在丙酮溶剂中与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)混合的氧化铝填充材料，其使用PMMA作为粘合剂。
在又一实施例中，插塞250的可去除材料包括氧化物填料。为了去除包括氧化物填料的插塞250，使用酸性清洗剂。酸性清洗剂的合适示例包括但不限于柠檬酸、盐酸、硝酸、硫酸、高氯酸或硼酸。
在另一实施例中，插塞250包括不纯的石墨粉，其可在空气中或在存在水的情况下在400℃下烧掉。为了去除包括石墨粉的插塞250，构件200在约350至650℃下热处理，以使包括石墨粉的插塞250降解以便易于去除。在备选实施例中，插塞250去除还可通过高压空气喷射、酸洗、水中超声波处理或它们的组合来完成。
在另一实施例中，插塞250是磁性的。对于诸如高速氧燃料(HVOF)或空气等离子喷涂(APS)的高温涂覆工艺，磁性插塞250包括带有大于约600℃的居里温度的磁性氧化物，并且该磁性氧化物在涂覆过程之后保留磁性。具有大于约600℃的居里温度的磁性氧化物的合适示例包括但不限于氧化铁(Fe2O3)，其具有622℃的居里温度。使用磁体来去除包括磁性氧化物的插塞250。在去除期间，将磁体置于包括磁性氧化物材料的插塞250附近，且磁体将插塞205从孔口230吸出，从而留下具有表面上的涂层和通畅孔口230的构件200。
图7示出了涂覆构件200(见图4至图6)的方法700。方法700包括提供构件200，步骤701(见图2至图3)。方法700包括用插塞250掩蔽至少一个孔口230，步骤703(见图4)。掩蔽包括用包括可去除材料的插塞250填充多个孔口230，其中可去除材料最初呈膏形式且使用任何合适的施加手段施加，例如但不限于手动施加、注射器、填缝管和它们的组合。根据可去除材料的粘度，其可在涂层施加之前使用任何合适的手段来干燥。方法700包括向构件200的外表面220施加至少一个涂层260、270，步骤705(见图5)。方法700包括消除包括可去除材料的插塞250，从而在被涂覆构件200的外表面220中留下开放的孔口230，步骤707(见图6)。消除步骤(步骤707)可包括以下过程：使用化学手段、热处理、磁手段或它们的组合，借助或不借助外力(例如，压力、声、磁体等)，例如通过使用水溶解可去除材料而分解、降解和溶解可去除材料。在消除步骤(步骤707)之后，孔口230还可通过钻出在被涂覆构件200上可见的孔口230来完成。
图8示出了在构件200(见图1)中形成至少一个冷却孔109的方法800。如图1至图6中所示，孔口230可以是冷却孔109。方法800包括提供具有外表面220且包括多个冷却孔109的构件200，步骤801(见图1至图3)。方法800包括用插塞250掩蔽多个冷却孔109中的至少一个，插塞250包括水溶性膏，步骤803(见图4)。在水溶性膏已干燥而形成插塞250(见图4)之前，水溶性膏的合适示例包括以重量计约50%至80%的耐火材料、以重量计约10%至约40%的粘合剂以及5%至25%的水。方法800包括用结合涂层260和热障涂层270涂覆构件200的外表面220，步骤805(见图5)。方法800包括在水中溶解包括水溶性膏的插塞250，从而在被涂覆构件200的外表面220中留下开放的冷却孔109，步骤807(见图6)。
以下示例旨在进一步示出本公开。它们并不意图以任何方式限制本公开。
示例1：在一个实施例中，插塞250在干燥之前包括60g氧化铝粉、25g 30%硅胶粘合剂和15g水。该组合物形成为期望的插塞形状并且手动施加至孔口230(在燃气涡轮机第一级喷嘴的表面上开口的冷却孔)上。使用高速氧燃料(HVOF)热喷涂工艺向构件200的表面220施加第一涂层260，结合涂层。接着，使用空气等离子喷涂(APS)工艺向第一涂层260施加第二层270，TBC。接着，将构件200浸入包含温水的浴中以溶解插塞250，从而留下具有结合涂层、TBC和开放孔口230的构件200。在从孔口230去除插塞250之后，向构件200施加最终热处理，以使所施加的结合涂层和TBC固化。
示例2：在另一实施例中，插塞250包括石墨膏。石墨膏包括分散在溶剂(水或非水)中的细碳粉，并且可包括用于调整粘度、防止粘附于冷却孔以及防止腐蚀的特殊添加剂。将石墨膏手动施加至构件200(燃气涡轮机第一级喷嘴)的表面220上的孔口230或冷却孔开口中。使用HVOF热喷涂工艺向构件200的表面220施加第一涂层260，结合涂层。接着，使用APS工艺向第一涂层260施加第二涂层270，TBC。包括插塞250的构件200在鼓风炉中被加热到约538℃(约1000℉)，以氧化/烧掉孔口230中包括石墨的插塞250。在烧掉之后，对孔口230中任何残留的插塞250的碎块或片块鼓风以去除残余粉末。在从孔口230去除插塞250之后，向构件200施加最终热处理以使所施加的结合涂层和TBC固化。
示例3：在另一实施例中，插塞250包括丙酮、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和氧化铝的混合物。在制造插塞250时，20wt% PMMA溶解在丙酮中，然后添加氧化铝以使固体含量最大化，从而形成膏。将膏施加至构件200(燃气涡轮机第一级喷嘴)的表面220上的孔口230或冷却孔开口中。干燥膏，从而在孔口230中形成插塞250。使用HVOF热喷涂工艺向构件200的表面220施加第一涂层260，结合涂层。接着，使用APS工艺向第一涂层260施加第二涂层270，TBC。在施加第一涂层260和第二涂层270之后，将构件200浸入丙酮罐中以溶解插塞250中的PMMA。丙酮溶解插塞250，从而留下开放的孔口230。备选地，可与丙酮浴相结合地使用超声处理以从孔口230去除插塞250。在从孔口230去除插塞250之后，向构件200施加最终热处理以使所施加的结合涂层和TBC固化。
虽然已参照优选实施例描述了本发明，但本领域技术人员将会理解，可做出各种更改并且可用等效物代替其元件而不脱离本发明的范围。另外，可做出许多改型以使具体情形或材料适合本发明的教导而不脱离本发明的实质范围。因此，本发明并不意图受限于作为为实施本发明所设想的最佳模式公开的具体实施例，而是，本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (10)

1. 一种涂覆构件的方法，包括：
提供所述构件，所述构件具有表面且包括形成于其中的多个孔口；
用插塞掩蔽所述多个孔口中的至少一个，所述插塞包括可去除材料；
向所述构件的表面施加至少一个涂层；以及
消除包括可去除材料的所述插塞，从而在被涂覆构件的所述表面中留下开放的孔口。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：在所述掩蔽步骤之前，通过机械加工、喷砂、打磨、蚀刻或它们的组合来准备所述构件。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：在所述施加至少一个涂层的步骤之前，干燥所述可去除材料。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述插塞的可去除材料包括至少一种耐高温填充材料、至少一种粘合剂和它们的组合。
5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述可去除材料是水溶性的、可化学溶解的、磁性的、可热降解的以及它们的组合。
6. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述至少一种耐高温填充材料包括氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、二氧化硅(SiO2)、锆石(ZrSiO4)、石墨，并且所述至少一种粘合剂包括磷酸盐、硅酸盐、糖、胶、树脂、聚乙烯醇(PVA)和它们的组合。
7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述插塞在干燥之前包括以重量计约50%至80%的至少一种耐高温填充材料、以重量计约10%至约40%的至少一种粘合剂和以重量计约5%至约25%的水。
8. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述插塞是水溶性的、磁性的、可热降解的、可化学溶解的以及它们的组合。
9. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构件为喷嘴、叶片、静叶、护罩、动叶、过渡件、衬套和它们的组合。
10. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述施加至少一个涂层的步骤包括在第一温度下施加第一涂层和在第二温度下施加第二涂层。
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