CN106994749A - 用于修改构件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于修改构件的方法，其包括在构件的外表面上设置陶瓷材料，其中该构件包括镍基或钴基超级合金，以及将局部激光应用施加至该陶瓷材料的至少一部分，以将其结合到该构件。

Description

用于修改构件的方法
技术领域
本文所公开的主题涉及修改构件，且更具体而言涉及用于通过对设置在构件上的陶瓷材料施加局部热(例如激光)应用来修改构件的方法。
背景技术
一些构件可能需要在包括升高的温度和/或腐蚀性条件的环境中运行。例如，涡轮机械广泛地应用于诸如发电以及飞行器发动机的领域。这样的燃气涡轮系统包括压缩机段，燃烧器段，以及至少一个涡轮段。压缩机段构造成在空气流动通过该压缩机段时压缩空气。然后空气从压缩机段流动到燃烧器段，此处其与燃料混合并且燃烧，从而产生热气流。热气流被提供至涡轮段，涡轮段通过从热气流提取能量来利用该热气流为压缩机、发电机以及其它各种负载提供动力。
在燃气涡轮发动机的运行期间，燃烧气体的温度可超过3000ºF，其显著地高于与这些气体接触的发动机的金属部件的熔融温度。这些发动机在高于金属部件熔融温度的气体温度下的运行可部分地取决于一个或多个保护性覆层和/或取决于通过多种方法将冷却空气供应至金属部件的外表面。特别地经受高温且因此需要关于冷却特别注意的这些发动机的金属部件是形成燃烧器的金属部件以及位于燃烧器后方的部件。
此外，涡轮构件可在其运行生命周期经历来自各种力的应力和/或应变。虽然多种工具可用于在比较标准的环境中测量所赋予的应力和应变，但涡轮发动机中的涡轮构件可经历更热的和/或更腐蚀性的工作条件，其可能不适于这样的测量工具。设置在这些和其它构件上的陶瓷材料可帮助针对高温进行保护，监测在这些高温下所经历的任何所赋予的应力或应变，和/或帮助在它们的生命周期中的一个或多个点处标记，标识或追踪构件。
因此，本领域欢迎用于修改构件的备选方法。
发明内容
在一个实施例中，公开了一种用于修改构件的方法。该方法包括在构件的外表面上设置陶瓷材料，其中，该构件包括镍基或钴基超级合金，和将局部激光应用施加至陶瓷材料的至少一部分，以将其结合到该构件。
在另一实施例中，公开了一种用于修改构件的方法。该方法包括在构件的外表面上至少部分地邻近预先存在的覆层设置陶瓷材料，其中，该构件包括镍基或钴基超级合金；以及将局部激光应用施加至陶瓷材料，以将其结合到构件上。
技术方案1. 一种修改构件的方法，所述方法包括：
在所述构件的外表面上设置陶瓷材料，其中，所述构件包括镍基或钴基超级合金；和
将局部激光应用施加至所述陶瓷材料的至少一部分，以将其结合到所述构件。
技术方案2. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述陶瓷材料包括钇稳定氧化锆。
技术方案3. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述陶瓷材料包括可喷涂陶瓷材料，且其中，将可喷涂陶瓷材料设置在所述构件的外表面上包括将所述可喷涂陶瓷材料喷涂到所述构件的外表面上。
技术方案4. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述陶瓷材料包括光反应材料。
技术方案5. 根据技术方案4所述的方法，其特征在于，所述光反应材料与所述局部激光应用的波长反应。
技术方案6. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，还包括从所述构件移除所述陶瓷材料的未施加激光的部分。
技术方案7. 根据技术方案6所述的方法，其特征在于，从所述构件移除所述陶瓷材料的未施加激光的部分通过冲洗所述构件而发生。
技术方案8. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述构件包括涡轮构件。
技术方案9. 根据技术方案8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在涡轮运行时使用所述涡轮构件。
技术方案10. 根据技术方案8所述的方法，其特征在于，所述涡轮构件包括涡轮叶片。
技术方案11. 一种修改构件的方法，所述方法包括：
在所述构件的外表面上至少部分地邻近预先存在的覆层设置陶瓷材料，其中，所述构件包括镍基或钴基超级合金；以及
将局部激光应用施加至所述陶瓷材料的至少一部分，以将其结合到所述构件。
技术方案12. 根据技术方案11所述的方法，其特征在于，所述陶瓷材料包括钇稳定氧化锆。
技术方案13. 根据技术方案11所述的方法，其特征在于，所述陶瓷材料包括可喷涂陶瓷材料，且其中，在所述构件的外表面上设置可喷涂陶瓷材料包括将所述可喷涂陶瓷材料喷涂到所述构件的外表面上。
技术方案14. 根据技术方案11所述的方法，其特征在于，所述陶瓷材料包括光反应材料。
技术方案15. 根据技术方案14所述的方法，其特征在于，所述光反应材料与所述局部激光应用的波长反应。
技术方案16. 根据技术方案11所述的方法，其特征在于，所述预先存在的覆层包括预先存在的陶瓷覆层。
技术方案17. 根据技术方案16所述的方法，其特征在于，所述预先存在的陶瓷覆层包括预先存在的钇稳定氧化锆。
技术方案18. 根据技术方案11所述的方法，其特征在于，所述构件包括涡轮构件。
技术方案19. 根据技术方案18所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在涡轮运行时使用所述涡轮构件。
技术方案20. 根据技术方案18所述的方法，其特征在于，所述涡轮构件包括涡轮叶片。
鉴于以下详细描述，结合附图，本文所讨论的实施例所提供的这些和另外的特征将得到更完整地理解。
附图说明
附图中所阐述的实施例本质上是示意性的以及示例性的，且不意图限制由权利要求限定的本发明。在结合附图阅读时，可理解示意性的实施例的以下详细描述，其中，相似的结构以类似的参考标号标示，且其中：
图1是根据本文所示或所述的一个或多个实施例的包括沉积在其上的陶瓷材料的示例性构件；
图2是根据本文所示或所述的一个或多个实施例的用于修改构件的示例性方法；
图3是根据本文所示或所述的一个或多个实施例的沉积在构件上的陶瓷材料的截面图；
图4是根据本文所示或所述的一个或多个实施例的在构件上的局部热应用的截面图；
图5是根据本文所示或所述的一个或多个实施例的沉积在构件上的另一示例性的陶瓷材料的截面图；
图6是根据本文所示或所述的一个或多个实施例的在构件上的另一局部热应用的截面图；且
图7是根据本文所示或所述的一个或多个实施例的示例性的应变传感器。
具体实施方式
下面将描述本发明的一个或更多个具体实施例。为了提供这些实施例的简要描述，可不在说明书中描述实际实现方式的所有特征。应当理解的是，在任何此种实际实现方式的开发中，如在任何工程或设计项目中一样，必须进行许多实现方式特定的决定以实现开发者的具体目标，诸如遵守与系统相关和与商业相关的约束，它们可从一个实现方式到另一个而不同。而且，应当理解的是，这种开发努力可能是复杂且耗时的，但尽管如此，对于享有本公开益处的本领域技术人员而言将只是设计、制造、和加工的例行任务。
当介绍本发明的各种实施例的要素时，冠词“一”、“一个”、“该”、和“所述”意图指存在一个或更多个要素。用语“包括”、“包含”、和“具有”意图为包含性的，且意思是可存在除所列出的要素之外的附加要素。
参看图1，根据本文所公开的用于修改构件10的方法，构件10显示为具有沉积在其上的多个陶瓷材料20。
构件10可包括用于多种不同应用中的多种类型的构件，诸如，例如，用于高温应用中的构件(例如，包括镍基或钴基超级合金的构件)。例如，构件10可包括镍基或钴基超级合金。
在一些实施例中，构件10可包括工业燃气涡轮或蒸汽涡轮构件，诸如燃烧构件或热气路径构件。在一些实施例中，构件10可包括涡轮叶片，压缩机叶片，导叶，喷嘴，护罩，转子，过渡件，壳体或发电机构件。在其它实施例中，构件10可包括涡轮的任何其它构件，诸如用于燃气涡轮，蒸汽涡轮等的任何其它构件。在一些实施例中，构件可包括非涡轮构件，包括但不限于，汽车构件(例如轿车、卡车等)，航空航天构件(例如，飞机、直升机、航天飞机、铝部件等)，机车或轨道构件(例如，火车、火车轨等)，结构，基础设施或民用工程构件(例如，桥梁、大厦、建筑设施等)，和/或发电厂或化学处理构件(例如用于高温应用中的管道)。
还参照图2，显示了用于修改构件10的方法100。方法100大体可包括：在步骤110中在构件的外表面11上设置陶瓷材料20，其中，该构件10包括镍基或钴基超级合金。方法100可进一步包括在步骤120中(例如，经由加热设备50)将局部热应用施加至陶瓷材料的至少一部分，以将其结合到构件10，其中，该局部热应用并不会均匀地加热整个构件10。在一些实施例中，设置在构件10的外表面11上的陶瓷材料20形成包括至少两个参考点41和42的应变传感器40。在一些实施例中，局部热应用可包括局部激光应用(例如，经由激光55)。在进一步的一些实施例中，设置在构件10的外表面11上的陶瓷材料20可至少部分地邻近预先存在的覆层80设置。方法100、其变体及其相应的元素将在本文中进一步公开和描述。
在方法100的步骤110中设置在构件的外表面11上的陶瓷材料20可包括任何合适的材料，其用于沉积和随后经由施加热量(例如，经由激光)而结合到构件10。与其它材料相比，陶瓷材料20可提供增大的温度耐受性，以保护下面的构件10和/或提供耐用的基准特征来监测构件10。例如，在一些实施例中，陶瓷材料20可包括钇稳定氧化锆(yttriastabilized zirconia)(也称为“YSZ”)或任何其它热阻覆层材料。在这样的实施例中，钇稳定氧化锆可包括例如YSZ-D111。
在一些实施例中，在步骤110中设置的陶瓷材料20可包括可喷涂陶瓷材料25(诸如在图3和5中所示)。在这些和其它实施例中，在步骤110中在构件10的外表面11上设置可喷涂陶瓷材料25包括将可喷涂陶瓷材料25喷涂在构件10的外表面11上。
可喷涂陶瓷材料25可包括任何成分组合，以诸如经由喷枪类型的沉积设备15帮助有利于陶瓷材料20的可喷涂性。例如，如本领域普通技术人员应当理解的，可喷涂陶瓷材料25可包括一种或多种粘合剂、增塑剂和/或溶剂来有助于可喷涂性。可喷涂陶瓷材料25甚至可为在室温下可喷涂的，以有助于施加过程中的灵活性。
在进一步的一些实施例中，在步骤110中设置在构件10的外表面11上的陶瓷材料20可包括光反应材料。光反应材料可包括任何材料，其与在步骤120中的热应用期间所施加的光反应，以帮助将陶瓷材料20结合到构件10。例如，在一些实施例中，光反应材料可与在步骤120中所施加的局部激光应用的波长反应。这样的实施例可通过提供一个或多个额外的结合机制(诸如提供相变、反应和/或由激光55和光反应材料触发的任何其它交互结果)来帮助有利于陶瓷材料20整体结合到构件10。
另外参照图1，3和5，在方法100的步骤110中设置在构件10的外表面11上的陶瓷材料20可通过多种方法以及以多种构造来设置。例如，如上文所述，陶瓷材料20可经由任何合适的沉积设备15(诸如喷枪、刷、滴管、罐、打印机等)来设置。
在一些实施例中，设置在外表面11上的陶瓷材料20可设置成薄层。薄层可包括离开外表面10的导致构件10的可忽略性能变动的任何高度。
在一些实施例中，陶瓷材料20可仅仅设置到构件10的外表面11的一部分上(即，使得陶瓷材料20并不会覆盖构件10的整个外表面11)。当仅仅需要陶瓷材料20来在某些区域中修改构件的性能和/或当仅仅针对追踪特征(例如，部件标识或应变传感器应用，如本文将讨论的)使用陶瓷材料20时，可使用这样的实施例。
例如，另外参照图1和7，在一些实施例中，沉积在构件10上的陶瓷材料20可包括应变传感器40。应变传感器40可大体包括至少两个参考点41和42，它们可用于以多个时间间隔测量所述至少两个参考点41和42之间的距离D。本领域技术人员应当理解，这些测量结果可帮助确定构件10的区域处的应变量、应变率、蠕变、疲劳、应力等。至少两个参考点41和42可以取决于特定的构件10以多种距离设置以及设置在多种部位，只要它们之间的距离D可测量。至少两个参考点41和42可包括点、线、圆、格或任何其它几何或非几何形状，只要它们一致地可识别并且可用于测量它们之间的距离D。此外，应变传感器40可包括外边缘，且取决于应变传感器40的构造，可能包括一个或多个内边缘。
应变传感器40可诸如通过结合多种不同形状、大小和定位的参考点41和42而包括多种不同的构造和横截面。例如，如图7所示，应变传感器40可包括多种不同的参考点，其包括多种形状和大小。这样的实施例可提供更多种距离测量结果D，诸如在最外的参考点(如图所示)之间、在两个内部参考点之间、或者它们之间的任何组合。该更多种类可通过在更多种部位上提供应变测量结果来进一步提供构件10的特定部分上的更强健的应变分析。
此外，应变传感器40的尺寸可取决于例如构件10、应变传感器40的位置、测量的目标精度、沉积技术、以及光学测量技术。例如，在一些实施例中，应变传感器40可包括从小于1毫米至大于300毫米的范围中的长度和宽度。此外，应变传感器40可包括任何厚度，其适用于沉积和随后的标识而不会显著地影响下面的构件10的性能。例如，在一些实施例中，应变传感器40可包括小于从大约0.1毫米到大于1毫米的厚度。在一些实施例中，应变传感器40可具有基本均匀的厚度。这样的实施例可帮助便于更准确的测量，以用于第一和第二参考点41和42之间的随后的应变计算。
在一些实施例中，应变传感器40可包括确定地沉积的正方形或矩形，其中，第一和第二参考点41和42包括所述正方形或矩形的两个对边。在其它实施例中，应变传感器40可包括由无用的空间45(即，其中陶瓷材料20未沉积的区域)分开的至少两个沉积的参考点41和42。无用的空间45可包括，例如，构件10的外表面的暴露部分12。备选地或另外地，无用的空间45可包括有助于保护构件10和/或应变传感器40的至少一部分的覆层。
如图7所示，在进一步的一些实施例中，应变传感器40可沉积来形成唯一标识符47(下文中成为“UID”)。UID47可包括任何类型的条形码、标签、标记、序列号、图案或有助于标识特定的应变传感器40的其它标识系统。在一些实施例中，UID47可另外或备选地包括关于构件10(例如，涡轮构件)或构件10结合于其中的系统或机器(例如，燃气涡轮或蒸汽涡轮)的信息。UID47由此可有助于标识和追踪特定的应变传感器40、构件10或甚至整体的系统或机器，以有助于针对过去的、当前的和未来的运行追踪来关联测量结果。
另外参照图1和5，在其中陶瓷材料20可仅仅设置到构件10的外表面11的一部分上的一些实施例中，陶瓷材料20可至少部分地邻近预先存在的覆层80设置在构件10的外表面11上。当尝试修改已经具有设置在其上的覆层的构件10时，可实现这样的实施例。例如，预先存在的覆层80可具有由腐蚀、侵蚀或在使用构件10期间的任何其它机制所引起的空隙85(例如，缺少材料)。在步骤110设置的陶瓷材料20则可邻近预先存在的覆层80沉积，以修改(例如修复)空隙85或需要新覆层或更换覆层的其它区域。
特别参照图1，在一些实施例中，陶瓷材料20可作为小块30施加在构件10的外表面11的一个或多个部分上。例如，小块30可施加到构件的在该构件使用期间可经历相对较高的温度的区域上，从而得益于额外的陶瓷材料20。在实施例中，当构件10包括涡轮叶片时，陶瓷材料20可作为小块30朝向涡轮叶片的翼型件的前缘来施加，如图1所示。
示例性地参照图1-2、4和6，局部热应用(例如，局部激光应用)可在方法100的步骤120中施加到陶瓷材料20的至少一部分，以将其结合到构件10。局部热应用可在步骤120中经由任何合适的加热设备50并且在有助于在不用均匀地加热整个构件10(例如，不用将整个构件10放置在炉中)的情况下将陶瓷材料20的至少该部分结合到构件10的任何合适的温度和时间下来施加。这样的实施例可有助于限定量的陶瓷材料20结合到构件10，同时减少均匀地加热整个构件10可能需要的时间和成本。
例如，在一些实施例中，在步骤120中施加局部热应用的加热设备50可包括感应线圈。在一些实施例中，加热设备50可包括热枪、焰炬、火焰等。在进一步的一些实施例中，在步骤120中施加的局部热应用可包括发热的化学反应。例如，陶瓷材料20、构件10、和/或一个或多个其它材料可在陶瓷材料20附近经历放热的化学反应，以提供适于将陶瓷材料20结合到构件10的温度的升高。
如图4和6中最佳地显示的，在一些实施例中，方法100的步骤120可包括将局部激光应用施加在陶瓷材料20的至少该部分上，以将其结合到构件10上。在这样的应用中，激光55可包括适于将陶瓷材料20结合到构件10上的任何合适的功率和构造。例如，在一些实施例中，激光55可包括至少40瓦特、80瓦特或更大的功率。在进一步的一些实施例中，激光55可包括小于40瓦特的功率，诸如，例如，8瓦特YVO4晶体YAG激光。在一些实施例中，激光55可包括脉冲激光。在进一步的一些实施例中，激光55可经由多次来回将陶瓷材料20结合到构件10。
另外参照图2，在进一步的一些实施例中，构件10可包括涡轮构件，方法100可进一步包括在涡轮(例如，燃气涡轮或蒸汽涡轮)运行中使用涡轮构件，在步骤120中施加局部热应用可经由涡轮的运行而发生。涡轮的运行可导致足以将陶瓷材料20结合到构件10上的升高的温度。例如，陶瓷材料20最初可经由粘结剂等而在构件10上保持就位，涡轮的运行可产生足以将陶瓷材料20结合到构件10上(以及潜在地烧掉粘结剂材料)的升高的温度。这样的实施例可通过在使用构件10之前限制处理步骤的数量而使总体方法100简化。
仍然参看图2，在一些实施例中，方法100可包括一个或多个另外的步骤。例如，在一些实施例中，方法100可进一步包括在步骤130中移除陶瓷材料20的未结合的部分(例如，陶瓷材料20的并未接受局部热应用的部分)。在其中方法100包括在步骤120中施加局部激光应用的实施例中，方法100可进一步包括从构件10去除陶瓷材料20的未施加激光的部分。在包括移除陶瓷材料20的未结合的部分(例如，陶瓷材料20的未施加激光的部分)的实施例中，移除可包括任何合适的工艺。例如，从构件10移除陶瓷材料20的未结合的(例如，未施加激光的)部分可经由冲洗构件10来发生。备选地或另外地，从构件10移除陶瓷材料20的未结合的(例如，未施加激光的)部分可经由吹风、刷、刮擦或任何其它合适的机制来发生。
如上所述，在进一步的一些实施例中，方法100可进一步包括在步骤140中使用构件10。例如，陶瓷材料20结合到构件10的外表面的一部分上可容许构件10被再次使用。在这样的实施例中，修改的(例如，修复的)构件10因此可适用于在更大的系统(例如，涡轮机)中使用。
现在应当理解，本文所公开的修改构件的方法可有助于将陶瓷材料结合到构件而不需要对整个构件的大量热应用。局部热应用(例如，激光应用)可施加合适的能量以用于在需要的地方将陶瓷材料结合到构件上，而不用使整个构件经受相同的升高的温度。
虽然已经结合仅有限数量的实施例详细地描述了本发明，但是应当容易地理解，本发明不限于这样的所公开的实施例。相反，可修改本发明来结合任何数量的之前未描述的但是与本发明的精神和范围相称的变型、备选方案、替换物或等效布置。另外，虽然已经描述了本发明的多个实施例，但将理解，本发明的方面可包括所描述的实施例中的仅一些。因此，本发明不应被视为由前述描述所限制，而是仅仅受所附的权利要求的范围限制。

Claims (10)

1. 一种修改构件的方法，所述方法包括：
在所述构件的外表面上设置陶瓷材料，其中，所述构件包括镍基或钴基超级合金；和
将局部激光应用施加至所述陶瓷材料的至少一部分，以将其结合到所述构件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述陶瓷材料包括钇稳定氧化锆。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述陶瓷材料包括可喷涂陶瓷材料，且其中，将可喷涂陶瓷材料设置在所述构件的外表面上包括将所述可喷涂陶瓷材料喷涂到所述构件的外表面上。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述陶瓷材料包括光反应材料。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述光反应材料与所述局部激光应用的波长反应。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括从所述构件移除所述陶瓷材料的未施加激光的部分。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，从所述构件移除所述陶瓷材料的未施加激光的部分通过冲洗所述构件而发生。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构件包括涡轮构件。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在涡轮运行时使用所述涡轮构件。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述涡轮构件包括涡轮叶片。
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