CN104937127B - 热控覆层 - Google Patents

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Abstract

通过对颗粒速度、颗粒温度、颗粒强度，燃烧器电压进行组合测量并且在公差范围内对其进行调节，尽管在覆层工艺中有磨损引起的波动，但层结构、层厚度和层重量可保持恒定。

Description

热控覆层
技术领域
本发明涉及一种热覆层的工艺。热喷涂工艺用于制造金属层和陶瓷层，其中材料完全或至少部分地熔化。
背景技术
材料被注入到例如等离子燃烧器的喷嘴中或外部地注入。喷嘴至少由于很高的等离子体温度和粉末材料的影响而磨损。这导致在覆层工艺中因磨损引起的波动，其主要是通过在燃烧器上的电压降引起的。
迄今，所述波动通过粉末质量流量的再调整达到均衡，以便期望的叶片的层重量保持在容许公差范围中。
然而这不是最优的，因为仅由电压降引起的在燃烧器上的功率下降通过粉末质量流量的提高补偿。
发明内容
因此本发明的目的是解决上述问题。
所述目的通过一种借助于喷嘴用粉末流进行的热覆层方法来实现，其中加热、部分熔化和/或熔化所述粉末流的材料，其中测量或确定和控制所述粉末流的温度，其中将在所述喷嘴和所述电极之间的电流强度和/或所述喷嘴的气体流动速率作为控制变量改变，以便将所述温度保持在确定的公差范围中或保持恒定。
在下文中列举了其他有利的措施，所述措施能够任意地彼此组合，以便实现其他的优点。
附图说明
附图示出：
图1至图3示出现有技术的参数变化曲线，
图4至图9示出根据本发明的参数分布，
图10示出喷嘴，
图11示出涡轮叶片。
说明书和附图仅代表本发明的实施例。
具体实施方式
通过热覆层工艺，如SPPS(溶液前驱体等离子喷涂)、HVOF(超音速火焰喷涂)、APS(大气等离子喷涂)、LPPS(低压等离子喷涂)、VPS(真空等离子喷涂)等施加覆层。在此，在喷嘴中产生等离子体或火焰，其中材料通过喷嘴或在喷嘴端部处注入。
材料流特性通过在喷嘴上或覆层设备上的磨损而改变并且因此材料，尤其是粉末的熔化程度也发生改变。
图1示出根据现有技术在喷嘴30和电极36(图10)之间的电压UB的示例性的变化曲线。在喷嘴30和电极之间的电压UB随时间t下降并且然后转入饱和。在其他喷嘴类型中在时间t上电压UB的连续下降或其他变化也是可能的。
与此相应的是随时间推移平均温度T的变化和平均材料流速度vp(没有示出)的变化。
作为其影响，层重量mc随时间下降(图2)和/或孔隙度p(图3)上升。
因此根据本发明确定火焰或等离子体的特性和/或熔化的材料的特性，在热覆层时，尤其在等离子覆层或HVOF(超音速火焰喷涂)覆层时，所述材料从喷嘴30逸出。
在此，确定目标变量Z1、Z2、Z3，例如尤其是在喷嘴30和电极36之间的电压UB、材料流42的材料流速度vp、温度T。这通过测量仪器完成，所述测量仪器经由高温测定法或CCD摄像机(电荷耦合器件摄像机)来测定定量数据。
因此，如果在测量中确认偏差，则可推断出磨损并且对参数R1、R2、R3进行相应调整，以改变目标变量Z1、Z2、Z3，使得再次达到所期待的目标变量Z1、Z2、Z3。
目标变量(Z1、Z2、Z3)的调整通过对控制变量(R1、R2、R3)的匹配进行，在此控制变量是喷嘴30的电流强度IB，在喷嘴30处的H2、Ar中的初级气体和/或次级气体的流动速率，通过所述控制变量能够目标明确地调节目标参数Z1、Z2、Z3。
初级气体是氩气(Ar)和/或氦气(He)，次级气体例如是氢气(H2)，所述气体流过喷嘴30。
以Z1、Z2、Z3的最优期望状态为出发点，可以使用一个、两个或三个控制变量，在此，为此使用三个控制变量R1、R2、R3。
同样地，为了达到期望的结果，尤其对于电压UB，可以控制在喷嘴30上氩气(图8)的及氢气(图9)的气体流动速率
在此，在进行控制时材料流的材料流速率优选不改变。
通过所述控制保持叶片的层结构、层厚度和层重量mC(图6)以及孔隙度p(图7)在时间t上恒定。
通过电流强度IB(图4)的控制，功率P保持相对恒定(图5)。然后这也能在颗粒温度和颗粒速度VP(没有示出)的恒定值上识别出。
图10示出喷嘴30，其中，氩气(Ar)、氦气(He)作为初级气体和/或氢气(H2)作为次级气体在喷嘴端部31上导入并且在材料(Mx,y)的另一端部33上添加。
通过在电极36和喷嘴30之间施加电压UB，通过高能电弧产生等离子体，所述等离子体形成等离子火焰。
图11在立体图中示出流体机械的沿着纵轴线121延伸的转子叶片120或导向叶片130。所述流体机械可以是飞机的或用于发电的发电厂的燃气轮机，也可以是蒸汽轮机或压缩机。
叶片120、130沿着纵轴线121相继具有：固定区域400、邻接于固定区域的叶片平台403以及叶身406和叶片梢部415。作为导向叶片130，叶片130可以在其叶片梢部415处具有另一平台(没有示出)。
在固定区域400中形成有用于将转子叶片120、130固定在轴或盘上的叶片根部183(没有示出)。叶片根部183例如构造成锤头形。作为纵树形根部或燕尾型根部的其他设计方案是可行的。
叶片120、130对于流过叶身406的介质具有迎流棱边409和出流棱边412.
在传统叶片120、130中，在叶片120、130的所有区域400、403、406中使用例如实心的金属材料、尤其是超合金。例如由EP 1 204 776 B1，EP 1 306 454、EP 1 319 729 A1、WO99/67435或WO 00/44949已知这样的超合金。在这种情况下，叶片120、130可以通过铸造法，也可以借助定向凝固、通过锻造法、通过铣削法或其组合来制造。
将带有一个或多个单晶结构的工件用作机器的在运行中承受高的机械的、热的和/或化学的负荷的构件。这种单晶工件的制造例如通过由熔融物的定向凝固来进行。在此，这涉及一种浇铸方法，其中液态金属合金凝固为单晶结构、即单晶工件，或者定向凝固。在这种情况下，枝状晶体沿热流定向，并且形成柱状晶体的晶粒结构(柱状地，这就是说在工件的整个长度上分布的晶粒，并且在此根据一般的语言习惯称为定向凝固)，或者形成单晶结构，这就是说整个工件由唯一的晶体构成。在这些方法中，必须避免转变成球晶(多晶的)凝固，因为通过非定向的生长不可避免地构成横向和纵向晶界，所述横向和纵向晶界使定向凝固的或单晶的构件的良好特性不起作用。
如果一般性地提到定向凝固组织，则是指不具有晶界或最多具有小角度晶界的单晶和确实具有沿纵向分布的晶界但不具有横向晶界的柱状晶体结构。第二种所提到的晶体结构也称为定向凝固组织(directionally solidified structures)。由US-PS 6,024,792和EP 0 892 090 A1已知这样的方法。
叶片120、130同样能够具有抗腐蚀或抗氧化的覆层，例如(MCrAlX:M是铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)的组中的至少一种元素，X是活性元素并且代表钇(Y)和/或硅和/或至少一种稀土元素或铪(Hf))。这样的合金从EP 0 486 489 B1、EP 0 786 017 B1、EP 0 412 397 B1或者EP 1 306 454 A1中已知。密度优选地是理论密度的95％。在(作为中间层或最外层的)MCrAlX层上形成保护性氧化铝层(TGO＝thermal grown oxide layer(热生长氧化层))。
优选地，层组成具有Co-30Ni-28Cr-8Al-0.6Y-0.7Si或者Co-28Ni-24Cr-10Al-0.6Y。除了这些钴基的保护覆层之外，优选地也使用镍基的保护层如Ni-10Cr-12Al-0.6Y-3Re或者Ni-12Co-21Cr-11Al-0.4Y-2Re或者Ni-25Co-17Cr-10Al-0.4Y-1.5Re。
在MCrAlX上还可以有隔热层，隔热层优选是最外层并例如由ZrO2、Y2O3-ZrO2组成，即，隔热层通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁非稳定、部分稳定或完全稳定。隔热层覆盖整个MCrAlX层。
通过例如电子束气相淀积(EP-PVD)的适当的覆层方法在隔热层中产生柱状颗粒。其他覆层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CVD(化学气相沉积)。隔热层可以具有多孔的、有微观裂缝或宏观裂缝的晶粒，用于更好地耐热冲击。因此，隔热层优选地比MCrAlX层更为多孔。
再处理(Refurishment)意味着在使用构件120、130之后，必要时必须将保护层从构件120、130上去除(例如通过喷砂)。接着，去除腐蚀层和/或氧化层及腐蚀产物和/或氧化产物。必要时，还修复在构件120、130中的裂缝。然后进行构件120、130的再覆层和构件120、130的重新使用。
叶片120、130可以实施成空心的或实心的。如果要冷却叶片120、130，则叶片为空心的并且必要时还具有薄膜冷却孔418(由虚线表示)。

Claims (5)

1.一种借助于喷嘴(30)用粉末流(42)进行的热覆层方法，
其中加热、部分熔化和/或熔化所述粉末流(42)的材料(Mxy)，
其中测量或确定和控制所述粉末流(42)的温度(T)，
其中将在所述喷嘴(30)和所述电极(36)之间的电流强度(IB)和/或所述喷嘴(30)的气体流动速率作为控制变量(R1、R2、R3)改变，
以便将所述温度保持在确定的公差范围中或保持恒定，并且
其中通过对所述电流强度IB的控制，功率P保持相对恒定。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中将所述电流强度(IB)作为控制变量(R1、R2、R3)升高或降低。
3.根据权利要求1所述的方法，
其中将所述喷嘴(30)的所述初级气体(氩气、氦气)的和/或所述次级气体(氢气、……)的所述气体流动速率作为至少一个控制变量(R1、R2、R3)升高或降低。
4.根据权利要求1所述的方法，
其中应用超音速火焰喷涂法。
5.根据权利要求1所述的方法，
其中应用等离子喷涂法。
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