CN104937128B - 受控制的热覆层 - Google Patents

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Abstract

通过组合地测量颗粒速度、颗粒温度、颗粒强度、燃烧器电压和其在公差范围中的控制，可行的是：尽管在覆层工艺中存在因磨损引起的波动但是将层重量保持恒定。

Description

受控制的热覆层
技术领域
本发明涉及一种热覆层的工艺。
背景技术
热喷射工艺用于制造金属的和陶瓷的层，其中材料完全或至少部分地熔化。
材料被注射到例如等离子体燃烧器的喷嘴中或在外部被注射。至少喷嘴因极其高的等离子体温度和粉末材料影响而磨损。这引起覆层工艺中的因磨损而引起的波动，所述波动主要因燃烧器处的压降引起。
至今为止，所述波动通过粉末质量流的再控制来平衡，以便将叶片的期望的层重量保持在公差带中。
然而这不是最佳的，因为通过提高粉末质量流仅补偿燃烧器处的压降引发的功率下降。
发明内容
因此，本发明的目的是解决上述问题。
所述目的通过一种用于借助于喷嘴用材料流来热覆层的方法实现，其中将所述材料流的材料加热、部分熔化和/或熔化，其中测量或确定和控制如下目标变量中的至少一个：所述材料流的亮度分布；和/或电极和所述喷嘴之间的电压；和/或所述喷嘴的功率。
在实施方式中列出另外的有利的措施，所述措施能够彼此任意地组合，以便实现其他的优点。
附图说明
附图示出：
图1至3示出现有技术的参数变化，
图4至9示出根据本发明的参数变化，
图10示出喷嘴，
图11、12示出温度分布，
图13示出涡轮机叶片。
附图和描述仅示出本发明的实施例。
具体实施方式
覆层通过热覆层工艺、如SPPS(溶液前驱体等离子喷涂)、HVOF(高速火焰熔射)、APS(大气等离子喷涂)、LPPS(低压等离子喷涂)、VPS(真空等离子喷涂)、……来施加。在此，在喷嘴中产生等离子体或火焰，其中材料通过喷嘴流入或者在喷嘴端部处流入。
由于喷嘴处或覆层设备处的磨损，材料流特性改变进而材料、尤其粉末的熔化程度也改变。
图1示出根据现有技术的、在喷嘴30和电极36(图10)之间的电压UB的示例的变化。喷嘴30和电极之间的电压UB随时间t下降并且随后进入饱和。在其他的喷嘴类型中，电压UB在时间t上的连续下降或其他的变化也是可行的。
与此相应的是平均温度T和平均材料流速度vp(未示出)在时间上的变化。
作为其效果，层重量mc随时间下降(图2)和/或孔隙度p(图3)增加。
因此，根据本发明，确定在热覆层时、尤其在等离子体覆层或HVOF覆层时从喷嘴30中出现的熔化的材料和/或等离子体或火焰的特性。
在此确定目标值Z1、Z2、Z3、如尤其喷嘴30和电极36之间的电压UB的目标值或者喷嘴30处的功率P的目标值、材料流速度vp、材料流42的温度Tp和/或亮度分布H(x,y)或温度分布T(x,y)，其中H是材料流42中的颗粒Mxy的辐射功率或光强度。这通过测量仪器来进行，所述测量仪器经由高温测定法或CCD摄像机来确定量化数据。
也就是说，如果在测量时确定偏差，那么推测出现磨损并且相应地设定用于改变目标变量Z1、Z2、Z3的参数R1、R2、R3，使得再次达到Z1、Z2、Z3的所期望的目标值。
目标值(Z1,Z2,Z3)的控制经由控制对变量(R1,R2,R3)、在此即喷嘴30的电流强度IB、喷嘴30处的H2、Ar形式的初级气体和/或次级气体的流速的调整来进行，通过所述控制调整，可有针对性地设定目标参数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)，所述初级气体和次级气体流动穿过喷嘴30。
以Z1、Z2、Z3的、在此所使用的三个控制变量R1、R2、R3的最佳的理论状态为出发点，能够使用一个、两个或三个控制变量。
从遵守目标变量Z1、Z2、Z3的控制变量R1、R2、R3出发，事先确定参数组K1、K2、……，其中控制变量R1、R2、R3同时或部分地被提高(>1.0)或降低(<1.0)或者保持恒定(1.0)。
1.0在此对于R1、R2、R3为指定的值，即，所设定的值除以初始状态R1、R2、……。
数值1.1；0.9与此相应地表示R1、R2、……的相应的提高或降低。
R1 R2 R3
K1 1.1 1.1 1.1
K2 1.1 1.0 1.0
K3 1.1 1.0 1.1
K4 1.1 1.0 0.9
K5 0.9 0.9 0.9
K6 0.9 1.1 1.0
K7 ... ... ...
由于控制变量R1、R2、R3的这种提高和/或变化，因此确定在此优选三个所使用的目标变量Z1、Z2、Z3的改变的值：
R1 R2 R3 Z1 Z2 Z3
K1 1.1 1.1 1.1 1.2 0.8 0.8
K2 1.1 1.0 1.0 1.2 1.2 1.2
K3 1.1 1.0 1.1 1.2 1.2 1.2
K4 1.1 1.0 0.9 1.2 1.2 1.2
K5 ... ... ... ... ... ...
值1.1；0.9；1.0与此相应地表示Z1、Z2、……的标准化的值的相应的提高、降低或不改变。
目标变量Z1、Z2、Z3、在此即颗粒温度TP、电压UB、功率P、颗粒速度的变化与相应的喷嘴30相关。
同样可行的是，仅用R1、R2、……的更高的(↑)和更低的(↓)数值来记录数据表格，也就是说，没有控制变量的保持相同的值(-)。
R1 R2 R3 Z1 Z2 Z3
K1 1.1 1.1 1.1 1.2 0.8 0.8
K8 1.1 1.1 0.8 1.2 1.2 1.3
K9 1.1 0.9 1.1 1.2 1.1 1.1
K10 0.9 1.1 0.9 1.2 1.2 1.2
K11 · · · · · ·
同样可行的是，不同大地构成R1、R2、R3的更高(1.0)或更低(0.9)的值，并且确定对于目标变量Z1、Z2、Z3的作用：
K1：R2按百分比计与R1、R3相比具有更大的变化；K2：R1按百分比计与R2、R3相比具有更大的变化；K4：R3按百分比计与R1、R2相比具有更小的变化。
R1 R2 R3 Z1 Z2 Z3
K12 1.1 1.2 1.1 1.1 0.9 0.9
K13 1.2 1.1 1.1 1.1 1.4 1.2
K14 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1
K15 1.1 1.0 0.8 1.1 1.1 1.1
如果在Z1、Z2、Z3中出现偏差时，那么事先确定的这个参数组K1、……用于控制。
在Z1、Z2、……的值偏差时确定：Z1、Z2、Z3的何种组合K1、K2、……最接近偏差，必要时执行最佳拟合匹配，并且随后将如此找到的该组合K1、K2、……的控制值R1、R2、R3用于喷嘴30和电极36的进一步的运行，以便补偿偏差。
通过这种控制，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上保持恒定。
通过控制电流强度IB(图4)，功率P保持相对恒定(图5)。这因此也可在颗粒速度vp和颗粒温度的恒定值上看出来(未示出)。
图10示出喷嘴30，其中在喷嘴端部31处导入作为初级气体的氩气(Ar)、氦气(He)和/或作为次级气体的氢气(H2)并且在另一端部33处添加材料(Mx,y)。
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体火焰。
同样地，能够在喷嘴30处控制氩气(图8)的气体流速以及氢气(图9)的气体流速，以便实现所期望的结果，尤其对于电压UB而言。
在图11中示出沿着材料流42的出流方向z的温度T(x,y)或亮度H(x,y)的分布36。在此，存在最热的内部的芯39'和不那么热的更靠外的区域39”、39”'。多个区域39'、39”、39”'的存在在此关于温度或亮度的连续的下降或变化仅是示意性的。
图12示出材料流42和其亮度分布H(x,y)或其温度分布T(x,y)的侧向的俯视图。在该侧向的俯视图中，对于y位置而言将沿x方向的亮度值相加。亮度H(x,y)通过针对部位y沿着x方向的全部颗粒Mxy并且通过颗粒Mxy的温度T来确定，因为不仅区域39”'中的外部颗粒辐射，而且区域39'中的内部颗粒也向外放射并被检测到。
温度T(x,y)仅通过区域39”'中的外部颗粒确定。
也能够经由根据图11或图12的俯视图确定面积∫H(x,y)dxdy的积分值R并且得到单一的积分的亮度值R。
该数值R能够用于控制。当在该积分值R中确定到偏差时，进行控制。
同样地，为了控制能够确定在根据图12或图11的横截面上的积分的温度值R＝∫'T(x,y)dxdy。
因此，该积分的、单数的数值R也为控制变量Z。
同样地，针对亮度分布H(x,y)或其温度分布T(x,y)能够在图11、12的两个图像之间在不同时间进行图形化的比较并且确定偏差。当确定偏差时，同样进行控制。
材料流的材料流速在控制时在此优选不改变。
图13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。
所述流体机械能够是飞机的或用于发电的发电厂的燃气轮机、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能够在其叶片梢部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(没有示出)上的叶片根部183。叶片根部183例如构成为锤头形。作为枞树形根部或燕尾形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。
在传统的叶片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 776B1、EP 1 306 454、EP 1 319 729A1、WO 99/67435或WO 00/44949已知这样的超合金。
在这种情况下，叶片120、130能够通过铸造法，也能够借助定向凝固、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时承受高的机械的、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，这涉及一种浇注法，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，也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，也就是说整个工件由唯一的晶体构成。在这些方法中，必须避免过渡成球形(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方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 090A1已知这样的方法。
叶片120、130同样可以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是活性元素并代表钇(Y)和/或硅和/或至少一种稀土元素，或铪(Hf))。由EP 0 486 489B1、EP 0 786 017B1、EP 0 412 397B1或EP 1 306454A1已知这样的合金。密度优选是理论密度的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，层成分具有Co-30Ni-28Cr-8Al-0.6Y-0.7Si或Co-28Ni-24Cr-10Al-0.6Y。除这些钴基保护覆层外，也优选地使用镍基保护层，例如Ni-10Cr-12Al-0.6Y-3Re或Ni-12Co-21Cr-11Al-0.4Y-2Re或Ni-25Co-17Cr-10Al-0.4Y-1.5Re。
在MCrAlX上还能够存在隔热层，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(EB-PVD)的适当的覆层方法在隔热层中产生柱状晶粒。
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)。隔热层能够具有多孔的、有微观裂缝或宏观裂缝的晶粒，以达到更好的耐热冲击性。因此，隔热层优选地比MCrAlX层更为多孔。
再处理(Refurbishment)意味着，在使用构件120、130之后，必要时必须将保护层去除(例如通过喷砂)。接着，去除腐蚀层和/或氧化层或腐蚀产物和/或氧化产物。必要时，还修复在构件120、130中的裂纹。然后，进行构件120、130的再覆层以及构件120、130的重新使用。
叶片120、130能够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 (13)

1.一种用于借助于喷嘴(30)用材料流(42)来热覆层的方法，
其中将所述材料流(42)的材料(Mxy)加热、部分熔化和/或熔化，
其中测量或确定和控制如下目标变量(Z1,Z2,Z3):
所述材料流(42)的亮度分布(H(x,y)；∫H(x,y)dxdy)；
或者
所述材料流(42)的亮度分布(H(x,y)；∫H(x,y)dxdy)和电极(36)和所述喷嘴(30)之间的电压(UB)；
或者
所述材料流(42)的亮度分布(H(x,y)；∫H(x,y)dxdy)和所述喷嘴(30)的功率(P)；
或者
所述材料流(42)的亮度分布(H(x,y)；∫H(x,y)dxdy)和所述电极(36)和所述喷嘴(30)之间的电压(UB)和所述喷嘴(30)的功率(P)。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中所述材料流是粉末流。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其中将所述喷嘴(30)和所述电极(36)之间的电流强度(IB)
和/或
将所述喷嘴(30)的气体流速作为控制变量(R1,R2,R3)来改变，以便将所述目标变量(Z1,Z2,Z3)、如所述材料流(42)的所述亮度分布(H(x,y)；∫H(x,y)dxdy)
或所述喷嘴(30)处的所述电压(UB)
或所述喷嘴(30)处的所述功率(P)
保持在特定的公差范围中或保持恒定。
4.根据权利要求3所述的方法，
其中将所述电流强度(IB)作为控制变量(R1,R2,R3)来提高或降低。
5.根据权利要求1或2所述的方法，
其中将所述喷嘴(30)的初级气体的和/或次级气体的气体流速 作为至少一个控制变量(R1,R2,R3)来提高或降低。
6.根据权利要求1或2所述的方法，
其中在覆层期间不改变材料流速
7.根据权利要求1或2所述的方法，
其中将所述材料流(42)的积分值(∫H(x,y)dxdy)用作为亮度值。
8.根据权利要求1或2所述的方法，
其中将所述材料流(42)的所述亮度分布(H(x,y))用作为亮度值。
9.根据权利要求1或2所述的方法，
其中将所述材料流(42)的辐射功率或光强度用作为亮度值(H)。
10.根据权利要求1或2所述的方法，
其中应用HVOF法。
11.根据权利要求1或2所述的方法，
其中应用等离子喷涂法。
12.根据权利要求1或2所述的方法，
其中在覆层之前，从所述控制变量(R1,R2,R3)的一个和/或多个初始值出发，
其中实现和/或维持期望的所述目标变量(Z1,Z2,Z3)，
设定用于不同的情况的所述控制变量(R1,R2,R3)的参数组，并且
确定所述目标变量(Z1,Z2,Z3)的变化，所述变化随后用于控制控制。
13.根据权利要求12所述的方法，
其中不同的情况的所述控制变量(R1,R2,R3)是更高、更低、恒定的所述控制变量(R1,R2,R3)。
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