CN105555467A - 用于通过使能量穿过多芯光纤传播而在表面上形成三维锚固结构的方法 - Google Patents

用于通过使能量穿过多芯光纤传播而在表面上形成三维锚固结构的方法 Download PDF

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Abstract

提供一种用于在表面上形成三维锚固结构的方法。该方法可以导致热障涂层系统呈现用于其构成涂层的附着性的提高。方法牵涉到将穿过多芯光纤(4)的第一部分(7)的第一激光束(20)施加至固体材料(14)的表面(12)以在固体材料(14)的表面(12)上形成液化床(16)，接着将穿过多芯光纤(4)的第二部分(6)的激光能量的脉冲(24)施加至液化床(16)的一部分以引起在液化床(16)外侧的诸如液化材料的飞溅(28)等的扰动。三维锚固结构(30)因此可以在液化材料的飞溅(28)的凝固时形成在表面(12)上。

Description

用于通过使能量穿过多芯光纤传播而在表面上形成三维锚固结构的方法
技术领域
本发明的方面涉及用于暴露于高温、诸如在燃烧涡轮发动机的环境中遇到的高温的组成部件的热障涂层系统。更特别地，本发明的方面指向于牵涉到来自传播穿过多芯光纤的至少两个激光束的激光辐照，其在表面上形成三维锚固结构。这些锚固结构提供了用于被施加在表面上面的热障涂层系统的增强的附着性。
背景技术
已知的是，燃烧涡轮发动机的效率随着燃烧气体燃烧温度增加而提高。然而，随着燃烧温度增加，涡轮机组成部件的高温耐久性必须相应地增加。虽然镍基和钴基超合金材料可以被用于热气体流动路径中的组成部件、诸如燃烧器过渡零件和涡轮机转动叶片及固定导叶，但即使这些超合金材料也不能挺过在有时超过1,400℃的温度下的长时期的操作。
在很多应用中，金属基板(例如，组成部件的)或涂覆在金属基板上的粘结涂层被用陶瓷绝缘材料、诸如热障涂层(TBC)涂覆，以降低金属基板的操作温度和金属被暴露所至的温度瞬变的幅值。
TBC在降低涡轮机组成部件的操作温度和实现涡轮机效率的提高上发挥着显著作用。显然热障涂层仅在涂层在基板表面上保持基本完整的时候保护基板。
在操作期间，TBC和任何下层的粘结涂层经受剥落和劣化。这样的窘迫的原因可以包含：因异物的高速弹道冲击引起的高物理应力、不同的热膨胀(即，在下层的超合金基板与上覆的粘结涂层之间或者在粘结涂层与TBC之间)、材料缺陷和归因于操作环境的材料性质的改变。这些情况中的任何一个都可以导致粘结涂层和/或TBC的损伤并且甚至从基板表面的全部去除。传统的修复工艺牵涉到将受损层(多个)剥离并且重新涂覆基板，是耗时且成本高的任务。
已知的是，控制表面(诸如基板表面)的粗糙度参数以提高上覆的粘结层或热障涂层的附着性。美国专利号5,419,971描述了一种激光烧蚀工艺，其中通过直接蒸发(例如，在没有使材料熔化的情况下)进行的材料的去除据称用于在被辐照表面处形成三维特征。参见第6栏第3行。这些特征限于形成在被辐照表面内的图案。这些激光烧蚀工艺未形成延伸超越表面的结构。因此需要可以提供有助于增强的附着性的改进的结构形成的工艺。
附图说明
鉴于附图在以下描述中说明发明，附图示出：
图1是依照本发明的方面的正用激光辐照被辐照的固体材料的截面图。
图2是液化材料的示例性飞溅的等距视图，该液化材料依照本发明的方面在材料飞溅的凝固时在固体材料的表面上方形成三维锚固结构。
图3是在固体材料的表面上方形成的诸如波动、波浪、指或钩等的锚固结构的非限制性示例的部分截面图。
图4是包含可以从体现本发明的方面的方法中获益的热障涂层系统的示例燃气涡轮机组成部件的部分截面图。
图5是热障涂层系统的部分截面图，其中依照本发明的进一步实施例粘结涂层表面可以经受激光辐照。
具体实施方式
依照本发明的一个或多个实施例，在这里公开了有助于三维锚固结构(通常称作机械钩、指或波浪)的在暴露于来自多芯激光光纤的激光辐照的表面上形成的结构布置和/或技术。在一个应用中，机械钩提高了粘结涂层和TBC的在燃气涡轮机叶片和导叶上的附着性，并且还可以延长有效的TBC的持续时间。发明的技术可以在叶片和导叶的制造期间使用并且也可以在修复期间使用。在任一情况中，叶片和导叶的操作寿命都被延长。
本发明的发明人提出了用以在基板的或粘结涂层的表面上形成三维锚固结构的来自多芯激光光纤的激光辐照的创新性利用。图1的轴向截面图中图示出多芯同轴光纤4，包括内芯6和外环7。根据一个实施例，相对较高功率的激光在内芯6中传播并且相对较低功率的激光在外环7中传播。在离开光纤4时，两个激光束都撞击固体材料或基板14的表面12。
在一个实施例中，传播穿过外环7的外激光束20(脉冲的或连续的)包括如图1中所图示的产生熔体16(也称作液化床)的相对低功率密度相对大直径的光束。当光学组成部件和基板14如箭头18所指示彼此相对移动时，在表面12上形成多个或者一系列的这样的熔体16。
由内芯6携带的内部脉冲激光束24呈现相对高的功率密度和与外激光束20相比较窄的光束直径。内部激光束24被聚焦到熔体16的至少一个区域上以在熔体16中创建扰动。例如，在熔体凝固之前用内部激光束24照射熔体16以创建液化熔体材料的飞溅。该飞溅可以形成在熔体16的外侧和/或上方。当飞溅凝固时，形成锚固表面特征或结构30(例如，钩状、锚状或指状结构)。这些结构用作锚固件，其机械上提高随后施加的TBC或粘结涂层层在基板14的表面12上的附着性。
一般情况下，熔体可以在直径或宽度上在大约1mm至4mm的数量级上，其中飞溅和锚固结构以熔体直径的大约10％至30％在熔体的上方和外侧延伸。
这样的多芯同轴激光光纤4和用于与本发明一起使用的相关联的芯开关器件可从各种激光器制造商、例如康涅狄格州法明顿的通快有限公司(Trumpf,Inc.ofFarmington,CT)得到。这些多芯激光光纤已被用于交替的但不是同时的处理，诸如用传播穿过100μm直径的芯的激光来切割材料并接着用传播穿过400μm或600μm直径的环的激光来焊接材料。
图2图示出包括了在液化床16外侧的三维钩状锚固结构30的凝固的飞溅28。
图3图示出具有与图2的凝固的飞溅28不同的特征的凝固的飞溅34。特别地，飞溅34除指状锚固结构30之外还包括波浪状锚固结构36。
一般情况下钩状和指状锚固结构具有类似的结构特征。波浪状锚固结构趋向于呈现不一定提供与由钩/指所给予的机械优点相同的机械优点的较平滑的表面特征。虽然波浪增加了附着表面面积并且可以因此抵抗施加在TBC或粘结涂层上的一些横向剪切力。但归因于更好的附着性质，钩/指典型地优于波浪。
波浪或钩/指锚固结构的形成一般情况下是施加至熔体的激光能量的量和定时的函数。形成钩/指一般情况下与形成波浪相比要求附加的能量。
根据一个实施例，外激光束20可以被可控地散焦或被功率控制成引起熔体16延伸到基板或粘结涂层层内仅到期望的深度、诸如大约0.3mm的示例性深度。
内部激光束24可以是具有用以在熔体16中形成破坏、诸如图2的锚固结构30或图3的波浪36的充分高功率密度的聚焦脉冲。破坏的形成可以归因于熔体材料的局部闪蒸。
在一个非限制性实施例中，用于一般的宽面积熔化(即，用以通过外激光束20形成熔体16)的典型的能量密度可以在从近似3kJ/cm2至近似10kJ/cm2的范围内。
为了破坏熔体16以创建钩状锚固结构30，可以采用聚焦能量的脉冲。在一个非限制性实施例中，这样的脉冲可以包括具有激光烧蚀工艺的典型的各个范围的参数。Karl-HeinzLeitz等人在发表于PhysicsProcedia2011年第12期第230-238页中的题为“利用短和超短激光脉冲的金属烧蚀”的文章中已经将参数上的这样的范围总结如下：
脉冲 施加的功率 脉冲能量 聚焦半径 峰值输出
80μs 44w 90mJ 200μm 140J/cm2
60ns 34w 280μJ 20μm 45J/cm2
10ps 7.5w 150μJ 40μm 6J/cm2
170fs 300mw 300μJ 30μm 23J/cm2
在液化床16中形成的液化材料的破坏(例如，飞溅)也可以通过除了激光能量以外的能量脉冲产生，诸如声波能量、超声波能量、机械能量(例如，一股空气、实体对象)等等。
根据另一实施例，激光传播穿过光纤的环形区域并且声波、超声波或机械能量被携带穿过中空芯。在一个实施例中，光纤的外径是例如大约600μm，并且中空芯具有例如大约200μm的直径。
激光能量产生熔体16。在一个实施例中，由高熔点材料(诸如碳)制成的导线、例如190μm直径的导线被增量地插入穿过芯并且到熔体16内以在熔体16中创建飞溅或破坏。
可选地，其他形式的机械能量可以被携带穿过中空芯，诸如一阵空气、声波能量或超声波能量。
各种上述描述的工艺可以遍及表面12被迭代地执行以在其上形成大量的三维锚固结构30。此外，三维锚固结构30可以遍及表面12被选择性地分布。例如，预计会遇到相对大水平的应力的表面区域可以被工程设计成与预计会遇到相对较低水平的应力的表面区域相比每单位面积包含更大数量的三维锚固结构30。
另外，为了在熔体16的所选区域(多个)中形成锚固结构30，激光能量的脉冲24被聚焦到这些所选区域(多个)上。
在一个非限制性实施例中，激光束20和24可以通过激光束20和24的光束扫描技术(例如，二维扫描)的使用被施加至基板14的表面12。该光束扫描可以不仅在用图1中的箭头18所指定的方向上前进，而且在沿着表面12的垂直于箭头18的方向上前进。
除多芯同轴光纤4(并因此是激光束20和24)在固定基板上方的移动之外，可选地基板12可以相对于固定光纤和传播穿过光纤的激光束移动。因此在扫描过程期间，或者是光纤4或者是基板12相对于另一个移动。
在可选实施例中，引起飞溅的激光能量的脉冲24(即，内部激光束)可以在外激光束20(即，其形成熔体)的施加期间被散置地施加至表面12。例如，在内部激光束20的施加期间的某一时间，激光能量的脉冲24可以被聚焦到液化床16的给定点上以引起在给定点处的飞溅并因此在飞溅的凝固时形成三维锚固结构30。
可选地，内部激光束24可以在外激光束20的去激活之前或之后被立即通电。例如，在一个实施例中，使外激光束20去激活(以形成熔体)与使内部激光束24通电(以形成飞溅)之间的时间间隔可以是一秒的分数、例如0.5秒。
这里所描述的工艺可以通过将激光束20横跨表面平移(或者两者间的相对移动)而被横跨表面12连续地施加以形成连续移动的熔体池16，其中脉冲能量24恰好在材料重新凝固之前靠近熔体池16的移动的后边缘被重复地施加。该工艺对于当表面重新凝固时横跨表面创建多个锚固结构是有效的。
本领域技术人员将领会的是，激光束20和24可以被控制(例如，功率和焦点)以获得期望的池深和期望的锚固结构30的尺寸。
可以预见的是，可以在执行上述激光辐照工艺的时候使用合适的包围件来控制方法的环境条件。例如，取决于给定应用的需要，可以选择取代大气压力在真空条件下来执行激光辐照工艺，或者可以选择取代空气将惰性气体或反应性气体引入到环境内。
焊剂代表惰性保护气体的使用的又另一可选方案。焊剂可以在激光束20和24的激活之前被施加至表面12。熔化的焊剂附着至被飞溅的材料以当它们冷却并凝固时保护锚固结构30免受环境污染。焊剂接着通过任何众所周知的技术、诸如通过机械刷洗工艺、喷砂等等被去除。
在一个非限制性应用中，体现本发明的方面的方法可以被用于构造(或用于修复)提供在燃气涡轮发动机的高温环境中操作的组成部件42(图4)(例如，叶片、导叶等等)的热保护的热障涂层系统。组成部件42可以包括用于在涡轮发动机的高温环境中使用的由诸如陶瓷热障涂层(TBC)46层等的屏障涂层覆盖的金属基板44(例如，超合金)。
如TCB涂层领域技术人员应该容易领会的，粘结涂层48(例如，MCrAlY材料)可以在TBC46的施加之前被沉积在基板44上，以提高TBC46至基板44的附着性。
应该领会的是，本发明的方面不限于图4中所示出的示例涂层布置，这样的方面也不限于具有TBC涂层或粘结涂层的组成部件。
在一个非限制性应用中，经受激光辐照以在其表面上形成三维锚固结构的固体材料的表面可以是金属基板44。在这样的三维锚固结构的形成时，可以接着将粘结涂层层48沉积在金属基板44的包含了三维锚固结构的表面上。因此，在该应用中，粘结涂层可以通过将与基板44在冶金学上为一体的三维锚固结构(例如，超合金锚)被锚固。
在另一非限制性应用中，参照图1，基板14的表面12可以包括粘结涂层。在三维锚固结构的形成时，可以接着将TBC46层(参见图4)沉积在粘结涂层的包含了三维锚固结构的表面上。因此，在该应用中，TBC46可以通过将与粘结涂层46在冶金学上为一体的三维锚固结构(例如，粘结涂层锚)被锚固。
在再另一非限制性应用中，金属基板的各个表面并且接着是粘结涂层可以经受各自的激光辐照以在这样的表面两者上形成三维锚固结构。例如，金属基板44的表面可以首先经受激光辐照以在其表面上形成三维锚固结构。粘结涂层层48接着沉积在金属基板44的包含了三维锚固结构的表面上。可以接着使粘结涂层48的表面经受激光辐照以在其表面上、典型地不直接在形成于金属基板44中的锚固结构上边形成三维锚固结构。最后，可以接着将TBC46层沉积在粘结涂层的包含了三维锚固结构的表面上。因此，在该应用中，粘结涂层可以通过与基板44在冶金学上为一体的三维锚固结构(例如，超合金锚)被锚固。另外，TBC46将通过与粘结涂层48在冶金学上为一体的三维锚固结构(例如，粘结涂层锚)被锚固。
在一个非限制性实施例中，如图5所图示的，假设经受激光辐照以在其表面上形成三维锚固结构的固体材料的表面是粘结涂层48，则可能期望控制液化床16的深度(D)使得液化床16不延伸到基板44内。例如，固体粘结涂层48的区域T1(例如，粘结涂层38的未熔化层)保持在液化床16的底表面和与基板44的边界之间。在一个非限制性实施例中，粘结涂层48的厚度(T2)可以在从近似150μm至近似300μm的范围内，并且未熔化区域T1可以在从厚度T2的近似10％至近似50％的范围内。
在不同的应用中，熔体尺寸可以通过相应的较大或较小尺寸的光纤和/或较高或较低功率的激光的使用而根据期望增加或减小。具有指或钩的选择间距的较大或较小的锚特征可以通过较高或较低功率密度的激光和/或较大或较小直径的光纤的使用来形成。
虽然是在双光纤的背景下描述的，但根据另一实施例可以使用超过两个的传播介质、例如三芯光纤。还有，这样的分开的光束可以由入射在分段反射镜之上的复合光纤来提供以产生用于不同的功能的不同光束、包含例如用于表层熔化的不太强烈的加热和用于表面破坏的更强烈的加热。
用于在表面改性的优选实施例中使用的典型超合金包含但不限于CM247、Rene80、Rene142、ReneN5、lnconel-718、X750、738、792和939、PWA1483和1484、C263、ECY768、CMSX-4和X45。
用于与本发明一起使用的各种激光器类型包含但不限于NdYAG镱光纤和激光器二极管。
根据一个实施例，用于创建熔体池16的激光束20(参见图1)可以具有与用于创建飞溅28的激光束24不同的频率。这些单个频率可以被选择以在它们各自的特征的形成中提供激光束20和24的最佳高效的操作。例如，激光束20可以是用于与固体表面耦合以引起飞溅的最佳频率的，而激光束24可以是用于与熔化的表面耦合以引起飞溅的最佳频率的。此外，激光束20和24可以具有不同的“开启”持续时间(即，激光作用持续时间)用于形成它们各自的特征。
在前述详细描述中，各种具体细节是为了提供发明及其各种实施例的全面理解而陈述的。然而，本领域技术人员应该理解的是，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践，本发明不限于所描绘的实施例，并且本发明可以在多种可选实施例中实践。在其他情况中，本领域技术人员应该很好地理解的方法、程序和组成部件没有详细地描述以避免不必要的和繁琐的说明。
此外，各种操作已经被描述作为以对于理解本发明的实施例而言有帮助的方法执行的多个离散的步骤。然而，描述的顺序不应该被解释为推断这些操作必须以它们所呈现出的顺序执行，它们甚至是与顺序无关的，除非另有如此描述。此外，词语“在一个实施例中”的重复使用不一定是指相同实施例，尽管它可以是相同实施例。最后，如在本申请中使用的术语“包括”“包含”“具有”等类似的意在是同义的，除非另有指明。于是，意在发明仅由随附权利要求的精神和范围限制。

Claims (20)

1.一种方法，包括：
使第一激光束传播穿过多芯光纤的第一光纤并且使第二激光束传播穿过所述多芯光纤的第二光纤；
将所述第一激光束施加至基板的表面以在所述表面上形成液化床；
将所述第二激光束施加至所述液化床的至少一部分以引起在所述液化床外侧的液化材料的飞溅；和
在所述液化材料的飞溅的凝固时在所述基板的所述表面上或上方形成三维锚固结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述三维锚固结构包括钩、指和波浪中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的方法，其中施加所述第一、第二激光束的步骤包括相对于所述基板的所述表面扫描所述第一、第二激光束。
4.根据权利要求1所述的方法，其中施加所述第二激光束的步骤在施加所述第一激光束的步骤期间执行。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一激光束包括连续的激光束或脉冲激光束，并且所述第二激光束包括脉冲激光束。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在施加步骤期间提供包围所述表面的惰性气体、反应性气体或真空条件中的一个。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在将所述第一激光束施加至所述表面的步骤之前将焊剂施加至所述表面。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一和第二激光束的参数包括激光作用持续时间、功率密度和功率，并且其中这些参数中的至少一个在所述第一和第二激光束之间不同。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一激光束传播穿过所述多芯光纤的环形区域并且呈现相对较低的功率密度和相对较大直径的光束，并且所述第二激光束传播穿过所述多芯光纤的内部区域并且呈现相对较高的功率密度和相对较小直径的光束。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一激光束被控制成引起所述表面的熔化到所选深度。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述基板包括燃气涡轮机导叶或叶片，并且其中所述方法进一步包括在所述基板的粘结涂层层或陶瓷热障涂层中形成所述锚固结构。
12.一种方法，包括：
将具有第一功率密度的能量穿过多芯光纤的环形区域施加至固体材料的表面以在所述固体材料的所述表面上形成液化床；
将具有大于所述第一功率密度的第二功率密度的能量的脉冲施加穿过所述多芯光纤的内部芯区域以引起所述液化床的至少一部分中的破坏；和
允许所述破坏在所述固体材料的所述表面上凝固以形成锚固结构。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述锚固结构包括钩、指和波浪中的至少一个。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述能量的脉冲包括激光能量的脉冲，并且所述破坏包括在所述液化床外侧的液化材料的飞溅。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述能量的脉冲包括超声波能量的脉冲或声波能量的脉冲。
16.根据权利要求12所述的方法，进一步包括在施加具有所述第一功率密度的能量的步骤之前将焊剂施加至所述表面。
17.一种方法，包括：
提供第一和第二能量源；
通过扫描固体材料的表面而传递来自所述第一源的能量的图案，以创建沿着后边缘重新凝固的液化材料的移动池，来自所述第一源的所述能量穿过多芯光纤的环形区域被传递；和
用来自所述第二源的能量的脉冲重复地冲击所述液化材料的池，以当所述池移动并且所述表面重新凝固时、横跨所述表面创建相应的多个锚固结构，来自所述第二源的所述能量穿过所述多芯光纤的内部区域被传递。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述固体材料是热障涂层系统的粘结涂层，并且进一步包括控制来自所述第一能量源的能量的所述图案使得所述移动池的深度小于所述粘结涂层的厚度。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述第一和第二能量源包括第一和第二激光能量源。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述多芯光纤的所述内部区域包括中空内部区域并且所述能量的脉冲包括超声波能量的脉冲、声波能量的脉冲或机械能量的脉冲。
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