CN103501926B - 使用脉冲激光器清洁和清除涡轮轴发动机叶片的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于清洁涡轮轴发动机叶片（1）的方法，该叶片包括涂覆有涂层的超级合金本体，其中使用脉冲激光器（3）至少部分地机械加工叶片（1）的涂层，参数化至少脉冲激光器（3）的进给速率和脉冲激光器（3）的脉冲频率，这样叶片（1）的机械加工的表面具有4μm到10μm的粗糙度。

Description

使用脉冲激光器清洁和清除涡轮轴发动机叶片的方法
本发明涉及航空部件，特别地涡轮轴发动机叶片的维护和修理的领域。
叶片理解为具有能够引导涡轮轴发动机中气流的表面的部件，其中该部件可以是移动的（转子叶片）或固定的（定子叶片）。
通常，在涡轮轴发动机的维护操作中有必要检查涡轮轴发动机的叶片，以检测任何缺陷，诸如裂纹或裂缝。涡轮轴发动机叶片包括覆盖有多层材料，以形成叶片涂层的超级合金结构本体。在其使用期间，叶片涂层磨损和被侵蚀，并且必须被替换，以确保叶片最佳的工作。叶片涂层的替换一方面必需移除磨损的涂层，另一方面给叶片本体涂覆新的涂层。
实际上，磨损的涂层移除后，检查叶片以检测可能的缺陷，诸如叶片本体中裂纹或裂缝。这可以避免超级合金本体已经损坏的叶片涂覆有新的涂层的情况。
已知叶片涂层通常包括覆盖叶片本体的至少一个金属层和覆盖金属层的陶瓷层。在其操作过程中，涂层可以发展氧化物，并且可以显示被腐蚀或污染的部分（污垢、油脂、燃烧残余等）。厚度在50和100μm之间的金属层通常指本领域技术人员所述的“金属亚层”，而厚度在150和350μm之间的陶瓷层通常指“热障”。从以斯奈克玛（Snecma）名字的申请FR2814473A1已知这种涂层。
磨损的叶片涂层的移除方法包括多个连续的步骤，诸如通过喷水器的清除、磨砂和清洁和/或浸入在酸性槽中。根据现有技术的方法引起有害物质喷射到大气中和水中，其具有环境的缺陷。而且，这种方法要始终考虑必须连续实施的各个步骤。
实际上，作为实施例，为了从涡轮轴发动机叶片移除涂层，实施下面的步骤：
-以非侵蚀性的方式清洁叶片表面，以移除叶片表面上存在的所有氧化物和污染物；
-检查叶片清洁的表面，以确定是否可以修理叶片；和
-以侵蚀性的方式清洁叶片表面，以移除叶片涂层的不同层。
称为“非侵蚀性的”的清洁包括叶片的脱脂步骤，叶片内部回路的清洁和表面氧化物的移除。
称为“侵蚀性的”的清洁为此包括叶片的磨砂，热障的清除，金属亚层和其它层的清除，超级合金叶片本体中表面和裂缝的清洁，以及叶片冷却通道的清洁。
叶片本体修理后，通常实施磨砂步骤，以使叶片本体粗糙，该粗糙有利于涂层的粘接。
以前所引用的不同清洁动作通常人工实施，并且根据操作者产生不均质的结果，特别地在磨砂期间。在一些情况下，超级合金本体在清洁期间有时候可以被损坏，叶片必须被废弃。而且，这种方法可以持续几个小时，这具有缺陷。
本发明的目的是排除这些缺陷中至少一些，以快速地从涡轮轴发动机叶片移除涂层，同时考虑环境以及准备叶片的表面。
为此，本发明涉及用于清洁和清除涡轮轴发动机叶片的方法，该叶片包括涂覆有涂层的超级合金本体，其中使用脉冲激光器至少部分地机械加工叶片的涂层。脉冲激光器有利地允许局部地移除涂层，而不损坏叶片的超级合金本体。而且，激光机械加工可以在叶片本体上提供粗糙度，这避免了另外的步骤磨砂的应用。而且，不使用化学产品，这限制了与化学废物处理相关的花费。
优选地，当涂层包括至少一个外部陶瓷层时，参数化脉冲激光器以仅仅机械加工外部陶瓷层。因此，可以替换损坏的陶瓷层，并且新的外部陶瓷层可以涂覆于清洁的表面。
也优选地，当涂层包括至少一个外部陶瓷层和设置在超级合金本体和陶瓷层之间的一个金属层时，参数化脉冲激光器以仅仅机械加工外部陶瓷层和金属层。因此，可以替换损坏的层，并且新的层可以涂覆于清洁的表面。
根据本发明的一个方面，参数化脉冲激光器以机械加工叶片的整个涂层（陶瓷层和金属层）。因此，可以替换损坏的涂层，新的涂层可以涂覆于超级合金本体，其表面已经准备好和具有期望的粗糙度。
在优选的方式中，参数化至少脉冲激光器的进给速率和脉冲激光器的脉冲频率，这样叶片的机械加工的表面具有4μm到10μm的粗糙度。这使得它可以在有利的方式中，利用具有良好粘接性质的涂覆表面涂覆新的层或新的涂层。
脉冲激光器的进给速率优选地在25mm/s和1000mm/s之间，优选地在100mm/s和600mm/s之间。这种速率使得它可以确保机械加工的深度和机械加工的速率之间良好的折中。
更优选地，脉冲激光器的脉冲频率在12kHz和50kHz之间，优选地小于或等于16kHz。这种频率使得它可以确保机械加工的深度和机械加工的速率之间良好的折中。
粗糙度优选地在机械加工涂层上恒定，以允许新的层的均质粘接，以及由此其使用寿命的增加。
优选地，当涂层包括多个层时，脉冲激光器通过进行多个机械加工通过来机械加工涂层的层，用于层的机械加工通过的数量根据层的厚度和层材料的硬度来确定。因此，可以保持激光器的相同参数化，以机械加工多个层，并且只有通过的数量必须根据层的性质参数化。
并且优选地，脉冲激光器沿着机械加工线在涂层上移动，两个连续的机械加工线重叠。因此，获得了形成清除的表面粗糙度的凸起和凹陷的均质分布，这能够实现新的涂层的最佳粘接。
根据本发明的一个方面，在机械加工的过程中，基于待要被清洁的叶片的三维模型化，控制器沿着确定的轨迹移动脉冲激光器。
由于控制器的应用，叶片的清洁是均质的和精确的，并且限制了对操作者伤害的风险。
当阅读仅仅通过实施例的方式并且参考附图所给出的下面说明时，将可以更好地理解本发明，其中
图1表示使用自动化机器人所控制的脉冲激光器，涡轮轴发动机叶片的一部分涂层的机械加工的示意图。
图2表示叶片涂层的激光机械加工期间叶片涂层的示意性剖面图。
图3A表示互相间隔第一距离E1的激光器机械加工线。
图3B表示互相间隔第二距离E2的激光器机械加工线。
图4A表示三个激光器机械加工线，每个包括多个机械加工点，机械加工线分别地由脉冲频率不同的脉冲激光器形成。
图4B表示三个激光器机械加工线，每个包括多个机械加工点，机械加工线分别地由进给速率不同的脉冲激光器形成。
图5A是用于本发明第一实施方式的涡轮轴发动机叶片的涂层的剖面图。
图5B表示激光器机械加工后，图5A叶片表面的可比较的剖面图。
图6A是用于本发明第二实施方式的涡轮轴发动机叶片的涂层的剖面图。
图6B表示激光器机械加工后，图5B叶片表面的可比较的剖面图。
参考图1和图2，本发明涉及用于清洁涡轮轴发动机叶片1的方法，该叶片具有涂覆有涂层10的超级合金本体13。在该实施例中，叶片1的涂层10包括覆盖叶片本体13的金属层12和覆盖金属层12的陶瓷层11。厚度在50和100μm之间的金属层12通常指本领域技术人员所述的“金属亚层”，而厚度在150和350μm之间的陶瓷层11通常指“热障”。
如图1中示意性所示，通过本发明的清洁方法，通过脉冲激光器3移除叶片1的超级合金本体13的涂层10。
举例说明，脉冲激光器3是钇铝石榴石类型的激光器，更好地其缩写已知为YAG，其功率约是20W。如图1中所示，脉冲激光器3的光束2导向到叶片1的表面上，以机械加工叶片1的涂层10，脉冲激光器3可以引起涂层10以局部方式破裂，而不会损坏叶片1的本体13，这是非常有利的。而且，不使用有害的产品，这注意了环境。而且，从安全性的观点，优选地，通过自动化机器人4进行激光器的机械加工，以限制对操作者伤害的风险。因此，有利地，均质地和可再生地清洁每个叶片1。
脉冲激光器3优选地连接控制器4，设置该控制器以沿着预定轨迹在叶片1的表面上移动激光器3。优选地，通过提供给控制器4的叶片1的三维模型化而参数化激光器3的机械加工轨迹。脉冲激光器3优选地在叶片1表面的法线方向上定向，以能够最佳地清除叶片1的涂层10。
为了从叶片1移除涂层10，激光器光束2从叶片1的一端开始清扫叶片1的涂层10。激光器光束2优选地沿着机械加工线20以直线方式移动，每个机械加工线20由以直线方式对齐的多个机械加工点21形成，如图3A、3B、4A、4B中所示，每个机械加工点21对应于脉冲激光器3的脉冲。
以能够快速地移除涂层10而不损坏叶片本体13的这种方式参数化脉冲激光器3。而且，可以参数化脉冲激光器3以移除叶片1的所有或部分涂层10。为此，可以考虑脉冲激光器3的多个参数，诸如激光器光束2的宽度，激光器谱线的间隔E，激光器脉冲的频率F，脉冲时间，焦点距离，光束的进给速率，激光器的功率和叶片上通过的数量。根据本发明，如下面将要详述，参数化至少脉冲激光器的进给速率和脉冲激光器的脉冲频率，这样叶片的机械加工的表面具有4μm到10μm的粗糙度。
粗糙度是清除后的叶片表面状态。在叶片表面上，这引起由凸起和凹陷所形成的凸凹起伏的存在。粗糙度值确定为凸起的顶部和凹陷的腔室之间的距离。在叶片上可控和恒定值的粗糙度使得可以通过最佳和快速的方式，通过粘接将新的涂层涂覆于叶片清除的表面的凸起。
◆激光器光束的宽度
如图3A中示意性所示，光束2的宽度对应于在其与涂层接触期间激光器光束2的功率应用的表面。光束2越窄，光束2的功率越集中，这增加了光束2对涂层10的碰撞，并且因此对于激光器3的各个脉冲，即，对于机械加工线20的机械加工点21，移除涂层厚度。激光器光束2的宽度优选地等于0.01mm，0.03mm或0.05mm，这样以形成直径等于0.01mm，0.03mm或0.05mm的机械加工点21。因此，激光器光束2的宽度等于0.03mm，这确保机械加工表面和机械加工深度之间良好的折中。
◆脉冲时间
脉冲时间确定在给定的机械加工点21上，激光器光束2与涂层10接触期间的周期。脉冲期间越长，激光器3的各个脉冲所移除的涂层10的厚度越显著。因此，用约3μs的脉冲时间参数化激光器光束3，这确保了机械加工速率和机械加工深度之间良好的折中。
◆激光器谱线的间隔E
如图3A和3B中所示，激光器光束2以直线方式沿着平行的机械加工线20移动，每个机械加工线20由以直线方式对齐的多个机械加工点21形成。
机械加工线之间的间隔E使得可以确定邻接的两个机械加工线20之间的覆盖表面。参考图3A，如果机械加工线20互相接近（间隔E1），机械加工线20的重叠是相当大的，这可能具有涂层10的过量机械加工的风险。另一方面，参考图3B，如果机械加工线20互相间隔（间隔E2），位于邻接机械加工线20之间的涂层10不能移除，这是缺陷。优选地，参数化机械加工线20之间间隔E，使得它小于光束2的宽度，以能够使得覆盖大于光束宽度的一半，以排除缺少任何机械加工和以避免过量的机械加工。在这个实施例中，对于激光器光束2等于0.03mm的宽度，机械加工线20之间的间隔E等于0.025mm。
有利地，两个连续的机械加工线重叠，以允许在叶片1的机械加工表面上获得均质的粗糙度，由此能够使得新的涂层的涂覆具有最佳的粘接。
-焦点长度
这个参数限定用于给定的脉冲激光器3，并且表示激光器光束3距离前面所限定的光束2的宽度的距离。必须考虑这个参数以控制光束的宽度和由此其功率。因此考虑YAG激光器3的焦点长度等于20cm，在该实施例中其对应于激光器视窗和正在处理的叶片上碰撞点之间的距离。
◆激光器3的脉冲的频率F和激光器光束2的进给速率V
激光器光束2的频率F限定脉冲串的频率。在激光器机械加工期间，频率F与光束2的进给速率V直接相关，以限定一个相同的机械加工线20的两个连续机械加工点21之间的间隔d，如图4A-4B中所示。
对于给定的机械加工线20，使用恒定的进给速率V，脉冲的频率越高，机械加工点21相互之间越近。举例说明，参考图4A，使用等于250mm/s的恒定进给速率V的脉冲激光器3形成机械加工线20A、20B、20C，其脉冲频率分别地等于5kHz、12kHz和25kHz。脉冲的频率越高，分离连续机械加工点21的距离d1、d2、d3被减小的越大。实际上，12kHz和50kHz之间的任何频率都是相容的。
根据机械加工线20的方向限定激光器光束2的进给速率V。因此，对于给定的机械加工线20，对于恒定的脉冲频率F，分离连续机械加工点21的距离是进给速率V的函数。举例说明，参考图4B，使用等于12kHz的恒定频率F的脉冲激光器3形成机械加工线20D、20E、20F，其进给速率V分别地等于125mm/s、250mm/s和500mm/s。进给速率越高，分离连续机械加工点21的距离d4、d5、d6越大。实际上，25mm/s和1000mm/s之间的任何进给速率V都是相容的。
优选地，对于待要被机械加工的一个相同的层，脉冲激光器3在每次通过具有相同的参数化。因此，待要移除的层的厚度越大，通过的数量越多。也优选地，对于待要被机械加工的一个相同的涂层，脉冲激光器3在每次通过对于每个层都具有相同的参数化。通过的数量根据每层材料的厚度和硬度而确定。
根据本发明方法的第一实施方式，通过脉冲激光器3仅仅移除叶片1的涂层10的陶瓷层11，所述激光器参数化如下：
-光束的宽度：0.03mm
-激光器谱线的间隔E：0.025mm
-激光器脉冲的频率F：12kHz
-脉冲时间：3μs
-焦点长度：20cm
-光束的进给速率V：250mm/s
为了完全地移除陶瓷层11，在涂层10上进行激光器光束3的50次通过。换而言之，对于涂层10上确定的机械加工线20，在清洁方法过程中，激光器在所述机械加工线20上移动50次，随着激光器光束2的通过，可以逐渐地移除涂层10。
参考图5A和5B，其表示机械加工后涂层的剖面图，根据本发明第一实施方式可以选择性地移除厚度约是200μm的涂层10的陶瓷层11。如图5A中所示，已经仅仅部分地从叶片1移除陶瓷层11，叶片1因此包括由陶瓷层11所组成的未清洁的表面S1和由激光器机械加工后金属层12所组成的清洁的表面S2。
有利地，参考图5B，其示意了清洁的表面S2的可比较的视图，激光器机械加工后涂层10的清洁的表面S2的粗糙度约是7到9μm。清洁的表面S2的粗糙度有利地使得它可以将新的陶瓷层11直接地沉积在金属层12上，不需要先进行磨砂步骤，就像根据现有技术方法中的情况。换而言之，通过脉冲激光器3的叶片清洁使得它可以一方面移除所有或部分涂层10，另一方面准备清洁的表面S2以接受新的保护层，在这种情况下新的陶瓷层11。
参考图6A描述了本发明的第二实施方式。用于描述与图5A的元件具有相同、等同或相似结构或功能的元件的附图标记是相同的，以简化描述。而且，没有重复所有的图5A的实施方式的描述，当没有不相容性时，该描述适于图6A的元件。仅描述了重要的结构和功能差异。
根据第二实施方式，以与第一实施方式相同的方式，参数化脉冲激光器，只改变了激光器的脉冲的频率F和进给速率V。在该实施方式中，激光器的脉冲频率F是16kHz，进给速率V是500mm/s。以与第一实施方式相似的方式，在清洁方法的过程中，脉冲激光器3在叶片1的涂层上进行约50次通过，这使得它可以随着激光器光束2的通过逐渐地移除涂层。
参考图6A和6B，本发明的第二实施方式也使得它可以选择性移除涂层10的陶瓷层11。有利地，激光器机械加工后涂层10的表面粗糙度是4到6μm，如图6B中所示。因此，通过修改激光器的脉冲频率F和进给速率V，有利地参数化期望的粗糙度。
根据本发明方法的第三实施方式，通过脉冲激光器3完全地移除叶片1的涂层10。换而言之，移除叶片1的所有涂层10，包括陶瓷层11和金属层12。为此，脉冲激光器3参数化如下：
-光束的宽度L：0.03mm
-激光器谱线的间隔E：0.025mm
-激光器脉冲的频率F：12kHz
-脉冲时间：3μs
-焦点长度：20cm
-光束的进给速率V：250mm/s
在该第三实施方式中，在清洁的方法过程中，脉冲激光器3在叶片1的涂层10上进行约250次通过，这使得它可以随着激光器光束2的通过逐渐地移除涂层10。与前面方法的实施方式比较，这里通过的数量更多，以增加待要移除的涂层10的厚度。这些参数使得清除组成涂层10的陶瓷层11和金属层12成为可能。
在特定的实施方式中，可以对基体进行机械加工，以获得期望的粗糙度和由此能够实现新的涂层的粘接。
移除涂层10后，超级合金本体13是裸露的，这有利地可以检查其表面，以在涂覆新的涂层10之前检测任何缺陷。
以与根据本发明方法的第一实施方式相似的方式，清洁的表面的粗糙度，也就是说超级合金本体13的表面约是7到9μm。该粗糙度有利地使得它可以将新的金属层12直接地沉积在超级合金本体13上。然后，足以在金属层12上沉积新的陶瓷层11，以形成涂层10。因为机械线的重叠，在叶片的整个处理的表面上所获得的粗糙度是均质的，处理的表面具有相互规则间隔的凹陷和凸起。
根据本发明的第四实施方式，通过参数化如下的脉冲激光器3完全地移除叶片1的涂层10：
-光束的宽度L：0.03mm
-激光器谱线的间隔E：0.025mm
-激光器脉冲的频率F：16kHz
-脉冲时间：3μs
-焦点长度：20cm
-光束的进给速率V：350mm/s
在该第四实施方式中，在清洁的方法过程中，脉冲激光器3在叶片1的涂层10上进行约100次通过，这使得它可以随着激光器光束2的通过逐渐地移除涂层10（陶瓷层11和金属层12）。与第一和第二方法的实施方式比较，这里通过的数量更多，以增加待要移除的涂层10的厚度。移除涂层10后，超级合金本体13是裸露的，这有利地可以检查其表面，以在涂覆新的涂层10之前检测任何缺陷。
本发明该第四实施方式的参数，通过获得超级合金本体13的表面4到6μm的粗糙度，使得它可以清除形成涂层10的层11和12。这种粗糙度有利地用于沉积新的金属层12。

Claims (8)

1.用于清洁和清除涡轮轴发动机叶片(1)的方法，该叶片包括涂覆有涂层(10)的超级合金本体(13)，其中使用脉冲激光器(3)至少部分地机械加工叶片(1)的涂层(10)，参数化至少脉冲激光器(3)的进给速率(V)和脉冲激光器(3)的脉冲频率(F)，其中脉冲激光器(3)的进给速率(V)是在100mm/s和600mm/s之间，脉冲激光器(3)的脉冲频率(F)是在12kHz和50kHz之间，并且脉冲激光器沿着涂层(10)上机械加工线移动，两个连续的机械加工线重叠，这样叶片(1)的机械加工的表面具有4μm到10μm的粗糙度。
2.根据权利要求1的方法，其中当涂层(10)包括至少一个外部陶瓷层(11)时，参数化脉冲激光器(3)，以只机械加工外部陶瓷层(11)。
3.根据权利要求1的方法，其中当涂层(10)包括至少一个外部陶瓷层(11)和设置在超级合金本体(13)和陶瓷层(11)之间的一个金属层(12)时，参数化脉冲激光器(3)，以只机械加工外部陶瓷层(11)和金属层(12)。
4.根据权利要求1的方法，其中参数化脉冲激光器(3)以机械加工叶片(1)的整个涂层(10)。
5.根据权利要求1的方法，其中脉冲激光器(3)的脉冲频率(F)小于或等于16kHz。
6.根据权利要求1的方法，其中粗糙度在机械加工的涂层(10)上是恒定的。
7.根据权利要求1的方法，其中当涂层包括多个层时，脉冲激光器通过进行多个机械加工通过而机械加工涂层的层，用于层的机械通过的数量根据层的厚度和层的材料的硬度来确定。
8.根据权利要求1至7中任一权利要求的方法，其中在机械加工过程中，基于待要被清洁的叶片(1)的三维模型化，控制器(4)沿着确定的轨迹移动脉冲激光器(3)。
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