CN106661723A - 用于形成三维锚定结构的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于使表面产生纹理以形成用于涂层的锚定结构的方法。该方法包括：使能量束(10)沿着固态基底表面(12)上的路径(30)横越以引起熔融池(16)沿着该路径移动；控制能量束的功率和移动参数以有效地在该熔融池中建立波前(18)；以及在波前具有足够的能量时在该路径的终端处(34)终止该能量束，以在该熔融池凝固时在该路径的终端处、在表面之上创建材料的突出体(22)。

Description

用于形成三维锚定结构的方法

技术领域

本发明的各方面涉及针对暴露于例如在燃气涡轮发动机的环境中遇到的高温的部件的热障涂层系统。更具体地，本发明的各方面涉及控制激光辐射以形成定向对准的三维结构的技术，所述三维结构对于改进施加至有纹理的表面的层的附着性是有效的。

背景技术

已知燃气涡轮发动机的效率随着燃烧气体的点火温度的升高而提高。当点火温度升高时，涡轮的部件的高温耐久性必须相应地提高。虽然对于热气流动路径中的部件，例如燃烧室过渡件以及涡轮旋转和固定叶片，可以使用基于镍和钴的超合金材料，但即使是这些超合金材料也不能够在有时会超过1600摄氏度或更高的温度下经受住长期运行。

在许多应用中，金属基底涂覆有陶瓷绝缘材料如热障涂层(TBC)，以降低下面的金属的使用温度并降低金属所暴露于的温度瞬变的幅度。TBC对于实现涡轮效率的提高具有重要作用。然而，一个不容忽视的基本物理现实在于，在部件的寿命期间，热障涂层仅在该涂层在给定部件表面上保持基本完整的情况下才能保护所述基底。

由于异物的高速弹道冲击和/或不同热膨胀而可能产生的高应力可以导致TBC损坏甚至从部件上完全移除(散裂)。通过控制表面的粗糙度参数来改进上覆热障涂层的附着性是已知的。美国专利5,419,971描述了一种激光烧蚀处理，其中，据称通过直接蒸发(例如，不熔融材料)的材料移除用于在被辐射的表面形成三维结构。美国专利8,536,483描述了利用由扫描光学器件引导的大功率脉冲激光束的涂层烧蚀，并提到一些配置可以移除涂层以实现期望的表面粗糙度。这些方法通常受限于移除材料以创建期望的纹理，(例如，通常不形成延伸到表面之外的结构)，因此需要能够提供有助于增强附着力的改进的结构形成的处理。

附图说明

在以下描述中结合附图对本发明进行说明，附图示出了：

图1是被能量束辐射的基底表面的截面图，能量束被控制以在表面中形成定向对准的三维突出体(protrusion)。

图2是图1中的基底表面的俯视图。

具体实施方式

根据本发明的一个或更多个实施方式，在本文中描述了有助于在暴露于受控的能量束的表面上形成三维锚定结构的结构布置和/或技术。在以下详细描述中，阐述了各种特定细节以提供对于这些实施方式的完整理解。然而，本领域的技术人员将明白，本发明的实施方式可以在不利用这些特定细节的情况下实现，即本发明不受限于所描述的实施方式，以及本发明能够通过各种替选实施方式来实现。在其他情况下，本领域技术人员容易理解的方法、过程和部件未进行详细描述以避免不必要的和繁琐的说明。

本发明的发明人提出了能量束的创新利用以在基底表面上形成突出体。这些突出体用作增加随后施加于基底表面的层的附着力的三维锚定结构。除了对随后施加的层提供锚定以外，该三维锚定结构还可以提供增强的热传导(类似于散热器翅片)、改进的润滑性等。在如图1所示的一个非限制性实施方式中，在行进方向上移动的能量束10可以被施加到固态基底14的表面12以在固态基底14的表面12上形成熔融池16。例如，如图1的右侧所示，能量束10可以被布置成熔融固态基底14的表面12上的相对较浅的层。能量束10的能量和移动参数被控制成使得可以引起熔融池16移动。来自能量束10的能量和在基底表面生成的等离子体可以有助于熔融池16的移动，本文中还称作“挖掘效应”。等离子体力可以有效地引起材料定向排出。用于与本文中描述的方法一起使用的各种能量束类型包括激光束，比如作为例子的掺镱光纤(ytterbium fiber)、二极管、掺钕钇铝石榴石(neodymium YAG)、二氧化碳以及尤其在脉冲模式下操作的这样的激光器。另外，能量束可以是可替选的源，例如电子束或等离子体束。

在示例实施方式中，能量束10可以引起在熔融池16中形成波前18。然而，熔融池16中的可见波前18对于形成期望的突出体并不是必需的，非常像在海洋中部的波浪可能未被检测到，但是包括充足的能量以在它撞击海岸线的时候产生较大的波浪。在形成波前18的情况下，其可以形成在能量束10的前面、能量束10的后面以及/或者与能量束10相邻。如果在能量束10的后面以及在能量束10的前面存在波前18，则在能量束终止的情况下两个波前18可以结合以形成单个波前18。无论实际的波前18自身是否形成，能量束10的能量和移动对于形成延伸到表面12之上的液态突出体20是有效的，并且能量和移动被控制以确保液态突出体20在其位于表面12之上时凝固以形成凝固的突出体22。这在图1的左侧可见，其示出了(由于能量束10从左向右的行进方向)在时间上更早地形成的三维锚定结构24。一旦熔融池具有足以形成液态突出体20的能量，能量束可以在任意时间终止。在图1中示出的示例性实施方式中，其中形成波前18，波前18与相邻的固态/未熔融(即，未被能量束10熔融)的基底26的相互作用可以用于引起波前18卷曲并延伸到相邻的固态基底26之上。悬置的波前18在该位置凝固，从而形成悬置的突出体，本文中称为三维锚定结构24的钩28。然而，该示例性实施方式不是限制性的，并且突出体不需要悬于相邻的固态基底26之上。

在示例性实施方式中，能量束10可以是脉冲激光束并且移动可以通过使用激光扫描光学器件(例如，检流计驱动镜)以及相配的光学控制软件和一个或更多个控制器来完成。可替选地，表面12可以相对于能量束10移动。要产生纹理的表面可以是基底，例如在燃气涡轮发动机部件中使用的超合金。用于在表面改性的优选实施方式中使用的典型超合金包括但不限于：CM 247，Rene 80，Rene 142，Rene N5，Inconel-718，X750、617、738、792和939，PWA 1483和1484，C263，ECY 768，CMSX-4，Hast-X和X45。在此情况下，突出体将在超合金基底中形成并可以用于改进施加至超合金基底的接合涂层的附着性。

可替选地，或是除此之外，要产生纹理的表面可以是已被施加到超合金基底的接合涂层(例如，MCrAlY材料)。在此情况下，突出体将在接合涂层中形成并可以用于改进施加到接合涂层的热障涂层(TBC)的附着性。然而，前述示例并不意在是限制性的，并且该处理可以应用到各种表面。部件可以是新部件或者剥离且修复的部件，例如涡轮叶片或轮叶。可替选地，基底可以是修复的部件，其中大量接合涂层留在要整修的部件上。在这种情况下，接合涂层可以在施加TBC之前预先产生纹理。

在其中要产生纹理的表面是布置在超合金基底上的接合涂层的示例性实施方式中，大约125-300微米(0.005英寸-0.012英寸)的接合涂层可以被施加至超合金基底。使用激光扫描光学器件来控制能量束10，使得能量束10沿着路径30以脉冲方式穿过表面12，在路径30的始端32处开始并且在路径30的末端34处终止。在示例性实施方式中，能量束参数包括能量束10的速度(其可以是0.02米/秒)，输出功率(其可以是1kW)，频率(其可以是0.01kHz)和持续时间(其可以是50000微秒脉冲)。通过使用这些参数，能量束10可以形成三维锚定结构24的凹陷36，凹陷36具有约30微米的、从凹陷底部40至表面12的凹陷深度38。路径30可以约1毫米长。三维锚定结构24可以具有约60微米的、从凹陷底部40至钩28的顶部44的结构深度42。该结果是能够通过脉冲能量束的快速扫描来快速且有效地产生三维锚定结构24的图案的处理。本领域技术人员将理解，能量束10可以被控制(例如，功率和焦点等)以实现三维锚定结构24的期望尺寸和期望凹陷特征。

在可替选的实施方式中，能量束10的功率可以改变，而不是保持恒定功率，以使得液态突出体20的形成最大化。例如，功率可以在其终止之前立即形成尖峰(spike)以增强能量束10的推进效应。类似地，其他参数可以根据需要进行改变以实现期望的三维锚定结构24。

可选地，还可以使用机械辅助来机械地驱动液态突出体20和相关的固态突出体22的形成。例如，可以使用辅助气体46，比如作为例子的激光光纤冷却气体，其适当地定向以推动熔融池16。可替选地，可以使用其他形式的机械辅助，例如辅助气体46的离散源或者超声波能量等。可替选地，能量束的另外的应用可以用来通过经由材料的快速蒸发在熔融池16中产生冲击波来对突出体20施加机械推动。

进一步可选地，可以在其中能量束10要横越表面12的表面12上预先放置焊剂48。焊剂将辅助激光束光学能量的耦合。焊剂48将被能量束10熔融并作为熔融熔渣50并入熔融池16之上，其中这种熔渣50用于保护熔融池16免受大气污染。在处理后，由焊剂熔融引起的凝固熔渣50可以通过任意已知的技术移除，例如机械清扫、喷砂等。

焊剂48还可以被设置成控制熔融池16的粘性。降低粘性引起更快的流体流速，这促进三维锚定结构24的形成。相反，增加粘性引起更慢的流体流速，这具有相反的效果。硅的少量添加对于降低粘性和促进良好的金属移动是有效的。从而，可以调节焊剂48中的硅的量以影响三维锚定结构24的形成。焊剂48的实施方式可以包括至少0.25wt.％的硅，或者至少0.50wt.％的硅，或者0.50–0.75wt.％的硅。

还可以通过熔融池16的相对较深的透入(penetration)来促进锚定结构24的形成。这样的透入可能受下述流(flow)的影响，所述流能够被驱动前往或离开热源(例如，能量束10)，或多或少向下流动或透入熔融池中。硫促进表面张力的正温度系数。由于马拉高尼(Marangoni)效应，这增加了透入并促进三维锚定结构24的形成。铝具有相反的作用。因此，可以调节焊剂48的硫和/或铝比例以影响三维锚定结构24的形成。焊剂48的实施方式可以包括至少0.010wt.％的硫，或至少0.020wt.％的硫，或是0.010–0.030wt.％的硫。

熔融池16的底部形状和熔融池穿过表面12的行进速度也将影响锚定结构24的形成，非常像海浪的速度和沙滩的形状影响海岸线上的波浪形状。因此，能量束10可以被控制成使得其有效地对锚定结构24施加期望形状/尺寸。

替代使用焊剂，在执行前述处理时还可以使用合适的包围物(enclosure)来控制环境条件。例如，取决于给定应用的需要，可以选择在真空条件下而不是在大气压下执行能量束处理，或者可以选择引入惰性气体而不是空气。

在图2中可以看到的，三维锚定结构24沿着行进方向伸长。也就是说，三维锚定结构24是椭圆形的，其短轴60横向于行进方向且尺寸大约为能量束10的直径。长轴62平行于行进方向而定向。三维锚定结构24的长度64由能量束10的行进速度和脉冲持续时间加上钩28的悬挂长度66来表征。钩28用于机械地与随后施加的层互锁，从而提高该施加的层的附着性。

能量束10的行进方向可以是沿着直线横越的单向，这将形成均与行进方向对准的三维锚定结构24和钩28。该横越可以重复，以使得形成三维锚定结构24的若干平行的行，其均具有对准的钩28。可替选地，另外的能量束横越可以并行进行但具有不同的行进方向，或者横越可以以任意布置被图案化并具有多个行进方向。这将导致具有指向多个方向的钩28的图案，并且这将增加多个方向上的接合力。前述各种处理可以在整个表面12反复执行，以在其上形成大量三维锚定结构24。另外，三维锚定结构24可以选择性地分布在整个表面12上。例如，预期要遇到相对较高水平的应力的表面区域可以被设计成与预期要遇到相对较低水平的应力的表面区域相比包括较大数目的每单位面积的三维锚定结构24。

能量束10可以形成角度以使其指向行进方向，这能够增强挖掘效应。或者，行进方向可以是曲线，例如弧形。这可以形成其中凝固的突出体22形成弯曲悬凸部(sweepingoverhang)等的三维锚定结构24。

在前文的详细描述中，阐述了各种特定细节以提供对于本发明和其各个实施方式的完整理解。然而，本领域技术人员将理解，可以在不利用这些特定细节的情况下实施本发明的实施方式，即本发明不受限于所描述的实施方式，并且本发明可以通过各种替选实施方式来实施。在其他情况下，本领域技术人员容易理解的方法、过程和部件将不进行详细描述，以避免不必要和繁杂的说明。

另外，各种操作被描述为以有助于理解本发明的实施方式的方式执行的多个分离步骤。然而，描述的顺序并不被解释为推断这些操作必须以所呈现的顺序来执行或者这些操作甚至依赖于所述顺序，除非另有说明。另外，短语“在实施方式中”的重复使用不一定是指相同的实施方式，尽管也可能是指相同的实施方式。最后，如本申请中所使用的术语“包含”、“包括”、“具有”等旨在是同义的，除非另行指明。因此，本发明意在仅由所附权利要求的精神和范围限制。

Claims (20)

1.一种方法，包括：

使能量束沿着固态基底表面上的路径横越以引起熔融池沿着所述路径移动；

控制所述能量束的功率和移动参数，以有效地在所述熔融池中建立波前；以及

在所述波前包括足够的能量时在所述路径的终端处终止所述能量束，以在所述熔融池凝固时在所述路径的终端处、在表面之上创建材料的突出体。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括在相邻的未熔融的固态基底之上形成所述突出体，并使所述相邻的未熔融的固态基底之上的突出体凝固。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括使所述能量束沿着直线、在仅一个行进方向上移动穿过所述固态基底表面，并且在所述能量束的行进方向上伸长的横越期间在所述固态基底表面中形成凹陷。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述横越期间保持所述能量束的恒定功率输出。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述能量束定位成使得其指向所述能量束的行进方向。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括向所述熔融池提供附加机械推动来帮助形成所述突出体。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述附加机械推动包括被配置成在所述横越期间沿着所述能量束的行进方向推动所述熔融池的辅助气体。

8.根据权利要求1所述的方法，还包括重复地使所述能量束横越以形成突出体的图案。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述固态基底表面包括接合涂层。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述固态基底表面包括超合金基底。

11.根据权利要求1所述的方法，还包括将包含硅的焊剂并入所述熔融池中。

12.根据权利要求1所述的方法，还包括将包含硫的焊剂并入所述熔融池中。

13.一种方法，包括：

使能量束沿着固态基底表面上的路径横越；

控制所述能量束的功率和移动参数以有效地引起熔融池沿着所述路径移动；

在所述路径的终端处终止所述能量束，以有效地引起所述熔融池与相邻固态基底材料相互作用，以便在所述熔融池凝固时在所述路径的终端处、在表面之上形成材料的突出体。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括在相邻的未熔融的固态基底之上形成所述突出体。

15.根据权利要求13所述的方法，还包括使所述能量束沿着直线、在仅一个行进方向上移动穿过所述固态基底表面。

16.根据权利要求13所述的方法，还包括在所述横越期间改变所述能量束的功率输出以辅助波前的形成。

17.根据权利要求13所述的方法，还包括通过辅助气体来推动熔融的基底材料以辅助所述熔融池中波前的形成。

18.根据权利要求13所述的方法，还包括将所述能量束定位成使得其指向所述能量束的行进方向。

19.根据权利要求13所述的方法，其中，所述固态基底表面由接合涂层限定。

20.根据权利要求13所述的方法，还包括将包括硅和硫中的至少之一的焊剂并入所述熔融池中。