CN108344373A - 制作具有一体式应变指示器的部件的方法 - Google Patents

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W.F.兰森
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Abstract

本发明公开了一种用于制作具有一体式应变指示器的部件的方法。所述方法包括形成具有由第一材料形成的内部体积以及外表面的所述部件，并且在所述外表面的一部分上直接沉积多个基准标记。所述基准标记由与所述第一材料兼容的第二材料形成，并且所述外表面的所述部分界定所述部件的所述外表面上的分析区域。所述分析区域界定标距，并且所述多个基准标记中的每个基准标记具有介于所述标距的十分之一与二十分之一之间的最大直径。

Description

制作具有一体式应变指示器的部件的方法
技术领域
本发明大体上涉及用于监测部件应变(component strain)的方法以及用于制作具有一体式应变指示器(integral strain indicator)的部件的方法。
背景技术
贯穿各种工业应用，设备部件会经历多种极端条件(例如，高温、高压、较大应力负荷等)。随时间推移，设备的个别部件可能遭受蠕变和/或变形，这些蠕变和/或变形可能缩减部件的使用寿命。这种问题可能与例如一些涡轮机相关。
涡轮机广泛应用于发电和航天发动机等领域。例如，传统燃气涡轮系统包括压缩机段、燃烧室段和至少一个涡轮段。压缩机段被配置成当工作流体(例如，空气)流过压缩机段时压缩工作流体。压缩机段将高压压缩过的工作流体供应到燃烧室，其中高压工作流体与燃料混合并且在燃烧腔室中燃烧以产生具有高温和高压的燃烧气体。燃烧气体沿着热气路径流入涡轮段。涡轮段通过自燃烧气体提取能量来利用燃烧气体产生功。例如，燃烧气体在涡轮段中的膨胀可以使轴旋转从而为压缩机、发电机和其它各种负荷供能。
在涡轮机操作期间，涡轮机内的各种部件且尤其是沿着热气路径的例如在涡轮机的涡轮段内的涡轮叶片等部件可能由于高温和应力而经历蠕变。对于涡轮叶片，蠕变可能导致叶片的部分或整个叶片伸长，使得叶片尖端接触稳定结构，例如涡轮机壳，并且潜在地导致操作期间的非所需振动和/或性能降低。
发明内容
本发明的各方面和优势将部分地在以下描述中阐述，或可从所述描述显而易见，或可通过本发明的实践而得知。
根据本发明的一个实施例，提供一种制作具有一体式应变指示器的部件的方法。所述方法包括形成所述部件，所述部件包括内部体积和外表面，所述内部体积包括第一材料。所述方法进一步包括在外表面的一部分上直接沉积多个基准标记(fiducialmarkers)。基准标记包括与第一材料兼容的第二材料，并且外表面的一部分包括在部件的该外表面上的分析区域。所述分析区域界定标距/测量长度(gage length)，并且所述多个基准标记中的每个基准标记具有介于所述标距的十分之一与二十分之一之间的最大直径。
其中，所述多个基准标记包括呈非线性图案的至少四个基准标记。
其中，所述多个基准标记中的每个基准标记部分地界定球形表面。
其中，所述分析区域的所述标距介于十分之三英寸与一英寸之间。
其中，所述分析区域的所述标距为至少二十毫米。
其中，每个基准标记具有介于百分之二英寸与百分之十二英寸之间的最大直径、以及千分之一英寸与千分之三十英寸之间的高度。
其中，所述直接沉积所述多个基准标记的步骤包括将所述多个基准标记焊接到所述外表面的所述部分上。
其中，所述形成所述部件的步骤包括通过增材制造形成所述部件，并且所述直接沉积所述多个基准标记的步骤包括在形成所述部件期间直接沉积所述基准标记。
根据本发明的另一实施例，提供一种监测部件的方法。所述部件包括内部体积和外表面，所述内部体积包括第一材料。所述方法包括使用三维数据采集装置初始地直接测量部件的外表面的一部分上的多个基准标记，并且基于所述初始直接测量创建部件的三维模型。所述方法还包括使部件经历至少一个工作循环(one duty cycle)，在至少一个工作循环之后使用三维数据采集装置接着直接测量所述多个基准标记，并且基于所述后续直接测量创建部件的三维模型。所述方法进一步包括将基于初始直接测量的三维模型与基于后续直接测量的三维模型进行比较。所述多个基准标记直接沉积在部件的外表面的该部分上，并且基准标记包括与第一材料兼容的第二材料。
参考以下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解。并入于本说明书中且构成本说明书的一部分的附图示出本发明的实施例，且连同所述描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
本说明书中针对所属领域的一般技术人员来阐述本发明的完整且启发性公开内容，包括其最佳模式，本说明书参考了附图，其中：
图1是根据本发明的实施例包括多个基准标记的示例性部件的透视图；
图2是根据本发明的实施例包括在其上形成的基准标记的图1的部件的局部截面视图；
图3是根据本发明的另外实施例包括在其上形成的基准标记的图1的部件的局部截面视图；
图4是根据本发明的进一步另外实施例包括在其上形成的基准标记的图1的部件的局部截面视图；
图5是根据本发明的实施例用于监测部件应变的系统的透视图；
图6是根据本发明的实施例的多个基准标记的顶视图；
图7是根据本发明的实施例的多个基准标记的顶视图；
图8是根据本发明的实施例在第一时间的示例性基准标记的截面视图；
图9是根据本发明的实施例图6的基准标记在第二时间的截面视图；
图10是示出根据本发明的实施例的制作部件的方法的流程图；以及
图11是示出根据本发明的一个或多个实施例用于监测部件变形的方法的流程图。
具体实施方式
现将详细参考本发明的实施例，在图中说明本发明的实施例的一个或多个实例。每个实例是为了解释本发明而非限制本发明而提供。实际上，所属领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下可在本发明中进行各种修改及变化。举例来说，说明或描述为一个实施例的部分的特征可与另一实施例一起使用以产生又一实施例。因此，希望本发明涵盖此类修改和变化，所述修改和变化属于所附权利要求书和其等效物的范围内。
参考图1，示出示例性部件10，所述部件具有在所述部件的外表面14上形成的多个基准标记12。部件10可以是在各种不同应用中使用的多种类型部件的任何类型部件，例如，用于高温应用的部件(例如，包含镍或钴基超合金的部件)。在一些实施例中，部件10可以是工业燃气涡轮或蒸汽涡轮部件，例如燃烧部件或热气路径部件。在一些实施例中，部件10可以是涡轮叶片、压缩机叶片、轮叶、喷嘴、防护罩、转子、过渡连接件或机壳。在其它实施例中，部件10可以是涡轮的任何其它部件，例如燃气涡轮、蒸汽涡轮等等的任何其它部件。在一些实施例中，部件可以是非涡轮部件，包括但不限于汽车部件(例如，轿车、卡车等)、航空部件(例如，飞机、直升飞机、航天飞机、铝质零件等)、机车或铁路部件(例如，火车、火车轨道等)、结构、基础设施或土木工程部件(例如，桥梁、建筑物、建造设备等)，和/或发电设备或化学处理部件(例如，在高温应用中使用的管道)。
如例如图1所示，示例性部件10具有外表面14，基准标记12位于所述外表面上。图1的示意性实施例中所示的实例部件10是涡轮部件，更确切地说，是涡轮叶片。当然，如上文所描述，部件10可以是各种另外或替代的部件。基准标记12是在外表面14上具有长度L和宽度W(见图6)的一般可识别目标(identifiable targets)。特定基准标记12的实施例可进一步包括相对于外表面14的厚度，由此形成具有高出外表面14的高度H(见图2-4)的升高的标记表面。
如例如图1到4所示，示例性部件10具有由第一材料形成的内部体积15。在内部体积15中可以界定各种冷却设备通道(未示出)。在一些实施例中，例如当部件10是涡轮叶片时，用于内部体积15的适当的材料可以包括高性能镍基超合金，例如GTD-111、GTD-141、GTD-444、R108、INCONELTM 738，或单晶N4和N5。或者，涡轮叶片10可以由其它适当的金属或其它材料形成。基准标记12可以各自有利地由与第一材料兼容(并且在一些情况下，与第一材料相同)的材料形成，例如第二材料。通常，当添加第二材料不会对部件10的材料属性或使用寿命造成所不希望的改变时，第二材料可以与第一材料兼容。例如，当部件10的第一材料是金属时，例如是镍基超合金时，基准标记12可以包括第二材料，所述第二材料的兼容性在于其在部件10的使用环境内的(使用)寿命限制的属性方面相似，例如耐腐蚀性和热膨胀系数。在一些示例性实施例中，部件10可以是燃气涡轮的热气路径部件。在此类实施例中，部件10(在此实例中，燃气涡轮的热气路径)的使用环境包括部件10和其上形成的任何基准标记12可以暴露于的高温，使得用于基准标记12的适当的兼容材料将包括与第一材料具有相似热膨胀系数的材料。在一些实施例中，部件10的外表面14也可以由第一材料形成。在其它实施例中，外表面14还可能包括不同材料，例如，如下文所论述的热障层材料。在各种实例实施例中，第二材料可以是金属、聚合物或陶瓷材料，并且可以通过任何适当的方法涂覆，例如，如下文将描述的增材法。
现在参考图1到7，基准标记12位于部件10的外表面14的部分18上。在示例性实施例中，提供至少两个分散的标记(例如，12a和12b)，使得可以在所述至少两个标记12a与12b之间测量距离D。如所属领域的技术人员应了解的，这些测量可以帮助确定部件10的所述区域处的应变量、应变率、蠕变、疲乏、应力等。取决于具体部件10，只要可以测量其间的距离D，至少两个分散的标记12a和12b就可以设置在各种距离和各种位置处。
基准标记12可以具有任何适当的形状，例如点、线、圆形、矩形或任何其它几何或非几何形状，只要基准标记12可一致地可识别并且可以用于测量其间的距离D。例如通过结合各种形状、大小和定位不同的基准标记12，基准标记12可以形成各种不同的配置和横截面。例如，每个基准标记12可以包括匹配的或唯一的形状。在一些实施例中，每个标记12可以界定与另一基准标记相同的(即，匹配的)或唯一的环形形状、矩形形状或线性形状。
标记12可以通过各种示例性方法直接沉积在外表面14的一部分上。例如，在一些实施例中，标记12可以印刷在部件10的外表面14上。适当的印刷方法包括二维(2D)或三维(3D)打印/印刷，例如，通过丝网印刷、激光印刷、直接陶瓷喷墨印刷、气溶胶喷射印刷、或其它适当的方法。在一些实施例中，标记12可以通过增材法直接沉积在部件10的外表面14上，例如激光熔覆、电火花沉积、点焊、电弧焊、粉末层印刷、焊接、钎焊、或任何其它合适的增材法。在一些实施例中，可以使用涂布或薄膜处理技术将基准标记12沉积在外表面的该部分上。可以使用的此类技术的实例包括但不限于热喷涂、化学沉积、物理气相沉积、原子层沉积以及光刻胶/化学蚀刻技术。一个示例性焊接方法可以包括提供第二材料的焊条(welding rod)，并将第二材料选择性地焊接到部件10的外表面14上以形成基准标记12。在一些示例性实施例中，例如粉末层印刷，还可以通过此类增材制造法形成部件10，并且可以在形成部件10期间直接在部件10的外表面14的一部分上沉积多个基准标记12。作为另外的非限制性实例，可以通过染色、绘画或粘附直接沉积多个基准标记12。
在另外或替代实施例中，基准标记12可以被施加有和/或位于任选的接合层17和/或热障层16中。在一些实例实施例中，例如，如图3所示，基准标记12可以是热障层16的一部分，例如，基准标记12的第二材料可以是热障层材料。在此类实施例中，外表面14至少部分地由热障层16界定并且热障层16包括第二材料。此类实施例中使用的适当的热障层材料可以包括例如氧化钇稳定氧化锆(yttria-stabilized zirconia，“YSZ”)或具有低热导率的适当的陶瓷基成分。值得注意的是，在一些实施例中，在热障层16与部件10的内部体积15之间可以提供额外层，例如接合层17。在一些实例实施例中，例如，如图4所示，基准标记12可以是接合层17的一部分，例如，基准标记12的第二材料可以是接合层材料(bond layermaterial)。用作接合层17的适当的材料可以包括例如镍、铬、铝和氧化钇的合金(“NiCrAlY”)；镍、钴、铬、铝和氧化钇的合金(“NiCoCrAlY”)；GE33；GE55；凝胶铝化合物(GelAluminide)；GT21；GT29或GT33。因此，应理解，在各种实施例中，在其上形成基准标记12的外表面14可以是但并非必须是部件10的最外表面。实际上，外表面14可以是衬底或内部体积15、接合涂层17(如果存在)或热障层16(如果存在)等层中的一层的最外表面。此外，在一些实施例中，在前述层之间，例如，在接合涂层17与热障层16之间，可以包含热生长氧化物。
在示例性实施例中，将基准标记12直接沉积在部件10的外表面14上的适当的方法包括不影响部件10的强度或使用寿命的方法。例如，在实践中可以证实，通过测试件或样本的显微镜分析，例如使用电子扫描显微镜，部件10的颗粒结构并未受影响。另外，将基准标记12直接沉积在外表面14上的方法当并不会在部件10中形成应力集中/梯级(stressrisers)时此类方法根据本发明可以是适当的。适当的方法还可以包括当临时应力集中/梯级能例如通过热处理松弛时可以形成临时应力集中/梯级的方法。
由于例如通过印刷、焊接或其它适当的方法进行的此类直接沉积，基准标记12与部件10的外表面14一体地结合，以便减少或最小化基准标记12独立地或跨越/超过(inexcess of)部件10的移动。因此，根据本发明的基准标记12形成部件10的一体式应变指示器。此外，基准标记12在部件10上的直接应用可以增加耐久性，并降低随时间推移适当的测量装置将无法测量标记12的风险。
在一些实施例中，在其上形成基准标记12的外表面14的部分可以界定部件10的外表面14上的分析区域18。在此类实施例中，分析区域18的主要尺寸界定分析区域18的标距(gage length，或称测量长度)G。在包括具有标距G的分析区域18的一些实施例中，基准标记12可以各自具有最大直径MD(图6)，并且每个基准标记12的最大直径MD可以介于标距G的八分之一与二十五分之一之间，例如十分之一与二十分之一之间。在各种实施例中，分析区域18的标距G可能介于十分之二英寸(0.2")与一又十分之二(one and two-tenths)英寸(1.2")之间，例如十分之三英寸(0.3")与一英寸(1.0")之间。在各种示例性实施例中，标记12的最大直径MD可以介于百分之一英寸(0.01")与百分之十五英寸(0.15")之间，例如百分之二英寸(0.02")与百分之十二英寸(0.12")之间。在一些示例性实施例中，标距G可以是十分之三英寸(0.3")，并且标记12的最大直径MD可以介于千分之十五英寸(0.015")与百分之三英寸(0.03")之间。应理解，一个基准标记12的最大直径MD可以不同于其它基准标记12的最大直径MD，例如最大直径MD可以全部在相同范围内但不一定彼此相等。值得注意的是，通过避免或减少标记12的变形对由部件10上的应力和/或应变引起的所测得的改变的影响，标记12之间相对于标记12的大小/尺寸的相对较大距离可以有利地提供部件10自身上应变的相对准确的表示。
如上所述，在一些实施例中，基准标记12可以具有高出外表面14的高度H(见图2-4)。还如上所述，在某些示例性实施例中，部件10可以是涡轮叶片或其它适当的空气动力部件。有利的是，基准标记12的大小，尤其是高度H，优选地足够小以不会影响部件的空气动力，同时还足够大以如本说明书所论述地进行测量。因此，在此类示例性实施例中，基准标记12的高度H可以介于千分之一英寸(0.001")与千分之三十英寸(0.030")之间，例如千分之三英寸(0.003")与千分之二十五英寸(0.025")之间，例如千分之六英寸(0.006")与千分之二十英寸(0.020")之间，例如千分之八英寸(0.008")与千分之十五英寸(0.015")之间。
如下文更详细地论述，各种实施例包括使用三维数据采集装置直接测量多个基准标记12，例如使用光扫描器24(图5)。在一些实施例中，光扫描器24或其它适当的装置可以具有一个视场(a field ofview)，即所述装置在单幅图像或单次扫描中能捕捉的最大面积延伸。在此类实施例中，分析区域18的标距G可以优选地是视场最长尺寸的至少三分之一(1/3)，例如，当视场是椭圆形时，视场最长尺寸是由视场界定的椭圆的主轴。例如，如将在下文更详细地论述，在一些实例实施例中，光扫描器24可以是结构光扫描器，并且此类扫描器的示例性实施例可以具有六十毫米(60mm)视场。在此类实施例中，分析区域18的标距G可以是至少二十毫米(20mm)。此外，在此类实施例中，扫描器24或其它适当的装置的视场可以提供分析区域18的大小/尺寸的上限，例如，分析区域18可以被设定大小使得所有多个基准标记12可以适合在该视场内。
基准标记12可以位于各种部件上的各种位置中的一个或多个位置中。例如，如上文所论述，基准标记12可以位于涡轮叶片、轮叶、喷嘴、防护罩、转子、过渡连接件或机壳上。在此类实施例中，基准标记12可以被配置在已知在单元操作期间经受各种力的一个或多个位置中，例如在翼型件、平台、尖端或任何其它合适的位置上或接近所述位置。此外，基准标记12可以沉积在已知经受高温的一个或多个位置中。例如，基准标记12可以位于热气路径中和/或燃烧部件10上。在一些实施例中，分析区域可以包括部件的寿命限制区域(life-limiting region)，例如，高应力或高蠕变区域和/或具有紧密容差或狭窄间隙(closetolerances or clearances)的区域。例如，在其中部件10是燃气涡轮发动机的涡轮叶片的实施例中，在涡轮叶片与叶片外部部分处或附近的涡轮机机壳之间可能存在狭窄间隙。因而，叶片的外部部分可能有使用寿命限制(life-limiting)，这在于所述部分的变形可能潜在地导致机壳干扰叶片的旋转。在其它实施例中，分析区域18可以包括基本上部件10的整个外表面14。此类实施例可以允许任选地检测跨选择性可变子部分(例如，两个邻近的标记12之间的区域)的局部应变，和/或检测跨部件10的整体应变。
可以在部件10的外表面14上以任何合适的数目和布置设置多个基准标记12。例如，提供至少四个基准标记12可以有利地允许进行2D应变场测量和分析，并且提供至少七个基准标记12可以有利地允许进行3D应变场测量和分析。在各种示例性实施例中，可以沿着规则网格布置基准标记12，例如，使得标记12界定矩形形状。在至少一个替代实施例中，可以线性样式或其它规则图案布置基准标记12。在其它替代实施例中，可以非线性图案布置基准标记12和/或基准标记12可以界定不规则的形状。可能存在此类实施例的各种组合，例如，可以提供并布置四个标记以形成矩形或直线，或可以非线性的图案提供四个基准标记。此类实例仅是出于说明的目的而非限制。在各种实施例中，可以提供任何合适数目和布置的基准标记12。
在各种实施例中，有可能基于其上的若干点中的任何点测量基准标记之间的距离和/或界定基准标记的位置，例如，可以使用基准标记边缘或外表面上的点，例如最高点。在一些实施例中，基准标记可以是或接近于球体的一部分，例如半球，例如，多个基准标记中的每个基准标记可以部分地界定球形表面。在此类实施例中，出于分析的目的，基准标记12的矩心(centroid)120(图8和9)或质量中心可以用于界定基准标记12的位置。在一些此类实施例中，用于分析目的的基准标记12的图心120可以是由例如半球形基准标记的物理几何结构界定的实际矩心。在其它示例性实施例中，根据由基准标记12界定的不完全球体，例如半球体，处理器26可以计算或导出完整球体13的矩心120。也就是说，在本说明书所阐述的一些示例性监测方法中用于分析目的的基准标记的矩心可以是虚拟矩心(virtualcentroid)，例如球体的矩心，其中基准标记界定球体的一部分。见例如图2，其中基准标记12界定球体13的约一半，外表面14下方由虚线指示的球体13的其余部分在内部体积15内。
根据本发明的矩心(centroid)是一个区域(可能是二维或三维区域)的几何中心，并且因此是所述形状中的所有点的算术平均(arithmetic mean)或平均位置(averageposition)。在示例性实施例中，可以通过使用成像装置24和处理器26定位矩心。在分析例如基准标记的图像时，处理器26可以计算并因此定位基准标记的矩心，如上文所论述，所述矩心可以是物理矩心或虚拟矩心。
将基准标记12的矩心用作用于距离测量的参照点，可以有利地减少或最小化因标记12的变形而导致的误差。例如，图8示出在初始条件下的示例性基准标记12，例如在制造时；图9示出在后续条件下图8的基准标记12，例如在标记12位于其上的部件10已经历至少一个工作循环之后。在此实例中，标记12的边缘上的点与邻近的标记上的另一点之间的距离可能仅仅因为标记12的形状改变而改变，因此，替代或补充部件10的任何变形，沿着标记12的边缘或周界的点由于标记12的变形而移位。相比而言，矩心120的位置相较于沿着标记12的边缘的点的位置保持相对恒定，并且因此，通过基于矩心120界定每个标记12的位置以及标记之间的距离，可以获得部件10的变形的更真实的图片。在图8和9中，在参考彼此正交的轴线50、52的坐标系中界定矩心120的位置，所述彼此正交的轴线可以是X轴、Y轴或Z轴中的任何两个，如在下文描述及在图5中示出。在进一步示例性实施例中，可以在参考所有三个X轴、Y轴和Z轴的三维坐标系中界定矩心120的位置。
现在参考图1到7，示出用于监测部件变形的系统的示例性实施例。根据本发明的此类系统可以通过沿着三条轴线(通常称为X轴、Y轴和Z轴且彼此正交)测量基准标记12来促使改进局部(local)和/或整体应变分析(strain analysis)。可以在系统23测量每个标记的相对位移并由此测量如图6所示部件10的变形时在每个平面中追踪基准标记12的移动M(图7)。如上文所论述，系统23可以包括例如位于一个或多个部件的外表面14上的多个基准标记12。此外，系统23可以包括用于分析基准标记12的三维数据采集装置24，例如在示例性实施例中为光扫描器24(图5)、以及与所述三维数据采集装置进行操作性通信的处理器26。
一般来说，如本说明书所使用，术语“处理器”不仅表示在本领域中被称为包括在计算机中的集成电路，而且表示控制器、微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路和其它可编程电路。处理器26还可以包括用于从处理器26与其进行通信的各种其它部件接收输入并发送控制信号到所述各种其它部件的各种输入/输出通道，所述各种其它部件例如是三维数据采集装置24。处理器26可进一步包括适当的硬件和/或软件，用于存储和分析来自三维数据采集装置24的输入和数据，并且用于总体地执行如本说明书所描述的方法步骤。
值得注意的是，处理器26(或其部件)可以整合在三维数据采集装置24内。在另外或替代的实施例中，处理器26(或其部件)可以与三维数据采集装置24分离。在示例性实施例中，例如，处理器26包括整合在三维数据采集装置24内用于初始地处理三维数据采集装置24所接收到的数据的部件，以及与三维数据采集装置24分离用于测量基准标记12和/或根据数据组合同时存在的三维剖面(assembling contemporary three-dimensionalprofiles)，并比较这些剖面的部件。
一般来说，处理器26能用于沿着X轴、Y轴和Z轴直接测量基准标记12，以获得X轴数据点、Y轴数据点和Z轴数据点，并且创建表面14的拓扑结构(the topology)的准确的3D数字复制(accurate 3D digital replications)。如所论述，所述轴线彼此正交。X轴数据点、Y轴数据点和Z轴数据点是与基准标记12的直接测量相关的维度数据点(dimensional datapoints)。处理器26可以进一步用于定位每个基准标记12的矩心120，例如，确定表示矩心120的位置的三维坐标。通过在各个时间扫描部件10，例如，在蠕变、疲乏和过载等变形事件之前和之后扫描部件10，可以例如监测部件10的应力(stress)和/或应变(strain)。三维数据采集装置24可以用于执行部件10的单次三维扫描，因此不需要或不执行复合扫描(composite scan)。部件10的单次三维扫描产生三维数据，并且允许三维应变分析(strainanalysis)。此类三维数据的示例性实施例可以包括三维点云内的多边形网格数据(polygon mesh data)，包括由彼此正交的X、Y和Z轴界定的三维空间中的矩心坐标。此类三维数据接着可输入到变形分析算法以计算区域表面应变。
一般来说，可以利用能使用表面计量技术以三维形式获得直接测量的任何适当的三维数据采集装置24。在示例性实施例中，装置24是利用非接触式表面计量技术(non-contact surface metrology techniques)的非接触式装置。此外，在示例性实施例中，根据本发明的装置24沿着X轴、Y轴和Z轴具有大致100纳米与大致100微米之间的分辨率(resolution)。因此，并且根据示例性方法，以大致100纳米与大致100微米之间的分辨率获得X轴数据点、Y轴数据点和Z轴数据点。
例如，在一些实施例中，可以利用以三维形式光学地识别基准标记12的适当的光扫描器24。图5示出根据本发明的光扫描器24的示例性实施例，其中所述扫描器是结构光扫描器。结构光扫描器一般从所包括的发射器发射光28，所述发射器例如是发光二极管30或其它适当的光生成设备。在示例性实施例中，结构光扫描器(structured light scanner)所利用的发射光28是蓝光或白光。一般来说，发射光28一般以特定图案投射到基准标记12和部件10上。当光28接触基准标记12和部件10时，部件和基准标记12的表面轮廓会扭曲光28。这种扭曲可以在结构光(structured light)被外表面反射之后通过检测器例如以摄像头32获取的图像的形式捕捉到。通过例如处理器26接收接触基准标记12(和围绕外表面14)的光28的图像。处理器26接着基于接收到的图像通过例如比较光图案的扭曲与预期图案来计算X轴数据点、Y轴数据点和Z轴数据点。值得注意的是，在示例性实施例中处理器26操作此类光扫描器24以执行各个以上公开的步骤。
或者，可以利用其它适当的数据采集装置。例如，在一些实施例中，装置24是激光扫描器。激光扫描器一般包括以朝向对象的激光束的形式发射光的激光器，所述对象例如在这些实施例中一般是基准标记12和涡轮部件10。接着通过装置24的传感器检测光。例如，在一些实施例中，光接着从其接触的表面反射回来，并且通过装置24的传感器接收。利用光到达传感器的往返时间(round-trip time)来确定沿各个轴线的测量值。这些装置通常被称为飞行时间装置(time-of-flight devices)。在其它实施例中，传感器在光所接触的表面上检测光，并且基于光在传感器的视场中的相对位置确定测量值。这些装置通常被称为三角测量装置(triangulation devices)。如所提及，接着基于检测到的光计算X轴、Y轴和Z轴数据点。值得注意的是，在示例性实施例中，处理器26执行并操作此类数据采集装置24以执行各个以上公开的步骤。
在一些实施例中，激光器所发射的光在仅足够宽以从待测量对象的一部分反射回的频带中发射，所述待测量对象例如是多个基准标记12。在这些实施例中，可以按照需要利用步进式电机或用于移动激光器的其它适当的机构来移动激光器和发射的频带，直到光已经从整个待测量对象反射回来。
再者，可以利用其它适当的三维数据采集装置24。然而，或者，本发明不限于使用三维数据采集装置24。例如，其它适当的装置包括电场扫描器(electrical fieldscanners)，所述电场扫描器可以包括例如涡电流线圈(eddy current coil)、霍耳效应探针(Hall Effect probe)、电导探针(conductivity probe)和/或电容探针(conductivityprobe)。
现在参考图10，其示出制作具有一体式应变指示器的部件的示例性方法200。方法200包括步骤210，所述步骤形成具有内部体积和外表面的部件，所述内部体积由第一材料形成。方法200进一步包括步骤220，所述步骤在外表面14的一部分18上直接沉积多个基准标记12。基准标记12各自由与第一材料兼容的第二材料形成，并且外表面的该部分界定部件10的外表面14上的分析区域18。分析区域18界定标距G，并且多个基准标记中的每个基准标记12具有介于标距G的十分之一与二十分之一之间的最大直径MD。
现在参考图11，示出监测部件的示例性方法300，所述部件包括由第一材料形成的内部体积以及外表面。在示例性实施例中，此类方法300可以完全或部分地由如本文所论述的处理器26执行。方法300可以包括步骤310，所述步骤在部件10的外表面14的一部分18上直接沉积多个基准标记12，所述基准标记12由与第一材料兼容的第二材料形成。在一些示例性实施例中，可以在形成部件10期间执行直接沉积多个基准标记12的步骤310。在替代实施例中，可以在形成部件10之后执行步骤310。方法300进一步包括步骤320，所述步骤使用三维数据采集装置24初始地测量多个基准标记12，例如通过使用光扫描器扫描多个基准标记12。方法300进一步包括步骤330，所述步骤例如使用如本文所论述的X轴、Y轴和Z轴数据点基于初始测量创建部件10的三维模型。此类步骤可以在第一时间进行/发生。方法300进一步包括步骤340，所述步骤使部件10经历至少一个工作循环，其可以在第一时间之后进行。例如，对于涡轮部件，可能在涡轮机使用时或其它操作时发生/存在工作循环(dutycycle)。或者，一般可以通过在为部件10设计使用的环境中使用部件10来实现工作循环。方法300进一步包括步骤350，所述步骤在至少一个工作循环之后(以及在第一时间之后的第二时间)接着测量多个基准标记12，例如使用三维数据采集装置24进行直接测量。方法300进一步包括步骤360，所述步骤例如使用如本说明书所论述的X轴、Y轴和Z轴数据点基于后续测量创建部件10的三维模型。方法300进一步包括步骤370，所述步骤将基于初始测量的三维模型与基于后续测量的三维模型进行比较。
在一些实施例中，基于初始测量的部件10的三维模型还可以包括每个基准标记12的初始位置的表示，例如，如上文所描述，表示矩心120在由X、Y和Z轴界定的三维空间中的位置的三维坐标。基于后续测量的部件的三维模型的一些实施例还可以包括每个基准标记的后续位置的表示，其可以是类似于每个基准标记的初始位置的表示的三维矩心坐标。此外，在方法300的此类实施例中，步骤370的比较可以包括将多个基准标记的初始位置与多个基准标记的后续位置进行比较。
本说明书用实例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使本领域技术人员能实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包括在内的方法。本发明的可获专利的范围由权利要求书所限定，且可包括所属领域的技术人员想到的其它实例。如果此类其它实例包括并非不同于权利要求书的字面语言的结构要素，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差异的等效结构要素，那么它们既定在权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种制作具有一体式应变指示器的部件的方法，所述方法包括：
形成所述部件，所述部件包括内部体积和外表面，所述内部体积包括第一材料；以及
在所述外表面的一部分上直接沉积多个基准标记，所述基准标记包括与所述第一材料兼容的第二材料，所述外表面的所述部分包括所述部件的所述外表面上的分析区域，所述分析区域界定标距，并且所述多个基准标记中的每个基准标记具有介于所述标距的十分之一与二十分之一之间的最大直径。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述分析区域包括所述部件的寿命限制区域。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一材料是镍基超合金，且所述第二材料是铝化合物。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述在所述部件的所述外表面上直接沉积基准标记的步骤不影响所述部件的颗粒结构，并且不会在所述部件中形成永久性应力梯级。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述部件的所述外表面包括所述第一材料。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述部件的所述外表面包括热障层，所述热障层包括所述第二材料，并且直接沉积所述多个基准标记包括在所述热障层的外表面上直接沉积所述多个基准标记。
7.一种监测部件的方法，所述部件包括内部体积和外表面，所述内部体积包括第一材料，所述方法包括：
使用三维数据采集装置初始地直接测量所述部件的所述外表面的一部分上的多个基准标记；
基于所述初始直接测量创建所述部件的三维模型；
使所述部件经历至少一个工作循环；
在所述至少一个工作循环之后使用所述三维数据采集装置后续直接测量所述多个基准标记；
基于所述后续直接测量创建所述部件的三维模型；以及
将所述基于所述初始直接测量的三维模型与所述基于所述后续直接测量的三维模型进行比较；
其中所述多个基准标记直接沉积在所述部件的所述外表面的所述部分上，并且所述基准标记包括与所述第一材料兼容的第二材料。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，基于所述初始直接测量的所述部件的所述三维模型包括每个基准标记的初始位置的表示，基于所述后续直接测量的所述部件的所述三维模型包括每个基准标记的后续位置的表示，并且所述比较的步骤包括将所述多个基准标记的所述初始位置与所述多个基准标记的所述后续位置进行比较。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，每个基准标记的所述初始位置的所述表示包括每个基准标记的矩心的三维坐标，并且每个基准标记的所述后续位置的所述表示包括每个基准标记的所述矩心的三维坐标。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述三维数据采集装置包括结构光发射器和检测器；
其中，所述创建初始直接测量的步骤包括将结构光投射到所述部件的所述外表面的所述部分上、并在所述结构光被所述外表面反射之后检测所述结构光，并且所述创建后续直接测量的步骤包括将结构光投射到所述部件的所述外表面的所述部分上、并在所述结构光被所述外表面反射之后检测所述结构光；
其中，所述基于所述初始直接测量创建所述部件的三维模型的步骤包括计算初始扫描期间检测到的所述结构光的至少一个特性的初始值，并且所述基于所述后续直接测量创建所述部件的三维模型的步骤包括计算所述后续直接测量期间检测到的所述结构光的所述至少一个特性的后续值。
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