CN110129859B - 掩蔽元件中的孔并对元件进行处理的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种掩蔽元件中的孔并对元件进行处理的方法，所述元件包括开口于其表面的至少一个孔，所述方法包括：将所述元件放入包括掩蔽材料颗粒的电泳液中作为电极，向所述元件和所述元件的对电极施加电压，通过电泳作用使得所述电泳液中的掩蔽材料颗粒沉积到所述至少一个孔内，以掩蔽所述至少一个孔；对所述元件的表面进行处理；及将所述至少一个孔内的掩蔽材料去除。
Description
技术领域
本发明涉及掩蔽元件中的孔的方法，尤其涉及一种使用所述方法掩蔽元件中的孔并对元件进行处理的过程。
背景技术
当燃机用于飞行器上或用于发电时，通常需要在尽可能高的温度下运行，以获得尽可能大的操作效率。由于高温会损坏用于制作燃机元件的金属，因而在实际应用中通常会使用各种方法来保护燃机的金属元件，如转子叶片、定子叶片等，以提高燃机的实际操作温度。其中的一种方法是在元件内设置冷却孔，通过该冷却孔将冷却空气(通常由燃机的压缩机提供)从元件的较冷侧供给到较热侧，并导到元件暴露于燃机的热操作气体的表面，从而冷却该表面。只要冷却孔保持通畅，急流空气便可帮助降低元件的温度，从而防止元件熔化或降解。因此，燃机元件内部通常设有大量的冷却孔。
此外，绝大部分燃机元件通常还具有可被称为基础涂层的抗氧化和/或抗腐蚀涂层，例如MCrAIY涂层，且一些元件还使用热障涂层(TBC)系统进行隔热。燃机中的运行环境常常导致这些元件上的涂层比元件基底更容易发生退化，因此，在元件的使用寿命期间内，通常会对元件进行至少一次涂层修复，即，将退化的原涂层除去，再重新施加新的涂层。
对于内部具有大量冷却孔的元件而言，去除原有涂层和重新施加涂层的过程中会产生很多问题，尤其在这些孔的直径小于1毫米的情况下。在去除原有涂层的过程中所采用的去除工艺可能会对冷却孔造成不利影响，比如，物理去除的方法往往会导致冷却孔的变形和堵塞，而化学去除的方法则可能会腐蚀冷却孔的内表面并导致变形。当施加新的涂层时，被施加的涂层材料会进入到所述冷却孔中，覆盖或至少部分堵塞冷却孔或者改变冷却孔的横截面形状。这些结果都可能会对冷却孔的效率产生较大的负面影响。
在燃机工作期间孔的任何堵塞都可能影响冷却空气的通过，浪费压缩机动力，并且可能导致过热而引起燃机元件的损坏。而冷却孔的形状改变也可能导致冷却空气流动不畅，尤其一些具有特定形状的冷却孔，其对于孔的形状的精确度特别敏感，孔的形状改变将会对冷却空气的流动产生很不利的影响，从而对冷却效率产生较大的影响。
目前，已有多种方法用来在给元件施加涂层时，遮蔽住冷却孔，以防止所施加的涂层材料进入冷却孔中，并尽量减少对冷却孔的形状和尺寸的改变。比如，在给元件施加涂层的时候，利用水溶性的或高温可挥发的孔塞遮蔽冷却孔，等新的涂层施加好之后，将孔塞通过溶解或挥发去除。然而，这些方法通常需要逐个地遮蔽冷却孔，或者是需要等待孔塞在冷却孔中成型，非常耗时耗力，效率较低。
因此，需要新的技术，解决至少一个上述问题。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种用来掩蔽元件中孔的方法，该方法可用于多种元件处理或修复过程中防止元件中的孔受到处理或修复过程的影响。
一种处理元件的方法，其中所述元件包括开口于其表面的至少一个孔，所述方法包括：将所述元件放入包括掩蔽材料颗粒的电泳液中作为电极，向所述元件和所述元件的对电极施加电压，通过电泳作用使得所述电泳液中的掩蔽材料颗粒沉积到所述至少一个孔内，以掩蔽所述至少一个孔；对所述元件的表面进行处理；及将所述至少一个孔内的掩蔽材料去除。
一种修复元件的方法，其中所述元件包括基底、基底上的外层以及贯穿所述外层并延伸入所述基底的至少一个孔，所述方法包括：将所述元件放入包括掩蔽材料颗粒的电泳液中作为电极，向所述元件和所述元件的对电极施加电压，通过电泳作用使得所述电泳液中的掩蔽材料颗粒沉积到所述至少一个孔内，以掩蔽所述至少一个孔；及去除所述外层的至少一部分。
附图说明
参考附图阅读下面的详细描述，可以帮助理解本发明的特征、方面及优点，其中：
图1显示了一种具有冷却孔的涡轮叶片。
图2为根据本发明一个实施例的一种掩蔽元件中的孔并处理元件的方法的流程示意图。
图3为根据本发明一个实施例的一种掩蔽元件中的孔并修复元件的方法的流程示意图。
图4显示了本发明实例中所用的表面有热障涂层的待修复叶片。
图5显示了图4所示的待修复叶片中的冷却孔被掩蔽后的状态。
图6显示了图5所示的待修复叶片表面的热障涂层被部分去除后的状态。
图7显示了图6所示的待修复叶片中冷却孔中的掩蔽材料被部分去除后，冷却孔重新打开的状态。
具体实施方式
除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
本申请中使用的“包括”、“包含”、或“具有”以及类似的词语是指除了列于其后的项目及其等同物外，其他的项目也可在范围以内。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“或”、“或者”并不意味着排他，而是指存在提及项目(例如成分)中的至少一个，并且包括提及项目的组合可以存在的情况。
本申请中所使用的近似性的语言可用于定量表述，表明在不改变基本功能的情况下可允许数量有一定的变动。因此，用“大约”、“左右”等语言所修正的数值不限于该准确数值本身。此外，在“约第一数值到第二数值”的表述中，“约”同时修正第一数值和第二数值两个数值。在某些情况下，近似性语言可能与测量仪器的精度有关。本发明中所提及的数值包括从低到高一个单元一个单元增加的所有数值，此处假设任何较低值与较高值之间间隔至少两个单元。
本申请说明书中提及“一些实施例”等等，表示所述与本发明相关的一种特定要素(例如特征、结构和/或特点)被包含在本说明书所述的至少一个实施例中，其有可能出现或不出现于其他实施例中。另外，需要理解的是，所述发明要素可以通过任何适合的方式结合。
本发明的实施例涉及一种用来掩蔽元件上的至少一个孔的方法。所述元件包括至少一个开口于其表面的孔，通过所述方法所述孔的开口，可避免或减小孔的内部受到后续针对元件表面所进行的处理和操作的影响。
在一些实施例中，所述元件包括基底、外层以及贯穿所述外层并延伸入所述基底的孔。所述方法可用于去除受损的外层和施加新的涂层中的至少一个的过程中，用来掩蔽元件内的孔，以避免或减小所述孔受到所述去除外层或施加外层的操作的影响。所述元件的例子包括但不限于用于燃机/发动机的各种内设冷却孔的元件，其具有金属基底和至少一层外部涂层，如热障涂层(thermal barrier coating,TBC)等。本文所用的“掩蔽”是指用一定材料(掩蔽材料，mask material)将所述孔部分填充或完全填充从而使孔的表面开口关闭，从而能让孔的内部尽量不受到针对元件表面所进行的处理和操作的影响。
在一些实施例中，可通过电泳沉积来掩蔽待处理元件中的孔，具体地，可将所述元件放入包含掩蔽材料的颗粒的电泳液中，作为电极(阴极或阳极)，并放入另一个对电极，向所述元件和所述对电极施加一定电压，使得电泳液中的掩蔽材料的颗粒优先(相对于元件表面)沉积到所述元件的孔中，从而关闭所述孔的开口。在所述电泳沉积的过程中，所述待处理元件是作为阴极还是作为阳极取决于掩蔽材料所带的电荷。
通常该元件的表面覆盖一层导电性能不如元件基底的物质，比如，基本不导电的电绝缘物质，可使得掩蔽材料优先进入元件内的冷却孔中，而不是优先沉积于元件表面，或基本不沉积于元件表面。
在一些实施例中，待处理元件的外层(如陶瓷热障涂层)的导电能力低于其基底(如金属基底)，在这样的情况下，直接将该待处理元件放入电泳液中进行电泳沉积，便可使得所述掩蔽材料能优先沉积到开设于所述基底中的孔的内壁，而不是元件的表面。沉积于所述孔内的掩蔽材料堆积起来堵住所述孔，从而实现了掩蔽孔的作用。举例而言，包括金属基底和陶瓷热障涂层表面的待修复元件，便可直接放入电泳液中进行电泳沉积，使得电泳液中的掩蔽材料优先沉积到待修复元件的孔中。
所述电泳液通常为胶体粒子悬浮于液体介质中形成的悬浮液。具体而言，在本文中，所述电泳液可为掩蔽材料的颗粒悬浮于液体介质中形成的悬浮液。所述掩蔽材料可以是适于以颗粒形式形成悬浮液并且能够携带电荷用于电泳沉积的任何材料，包括但不限于有机化合物、无机非金属和金属。在一些实施例中，所述掩蔽材料包括有机化合物、陶瓷材料、金属材料以及它们的复合物中的至少一种。在一些实施例中，所述掩蔽材料包括聚合物、蜡、陶瓷、金属材料以及它们的复合物中的至少一种。在一些实施例中，所述掩蔽材料包括聚合物等有机高分子化合物，高分子材料的交联作用有利于堵孔，因而特别适合用于本申请实施例中用来掩蔽待处理元件中的孔。在一些实施例中，所述掩蔽材料为树脂，比如，丙烯酸环氧树脂。
图1显示了一种元件10，譬如涡轮发动机的叶片，其具有多个冷却孔14，所述冷却孔14开口于元件的外表面，如叶片的翼型16和平台部18的外表面。
在对所述元件10的表面进行处理时，比如，向所述元件10的表面施加涂层，或将所述元件10的表面的至少一层除去时，通常需要先将冷却孔14在所述表面的开口掩蔽住，比如，将冷却孔14堵住，以免冷却孔14的内部受到后续处理过程的影响，待相应的后续处理结束后，再将掩蔽住的冷却孔14打开。举例而言，当元件10的外表面受损时，比如，当基底表面的热障涂层受损时，要将受损的涂层去除，再施加新的涂层，所述去除受损涂层和施加新涂层的过程中都要掩蔽所述冷却孔14。在一些实施例中，所述去除受损涂层的过程和施加新涂层的过程可共用同一次掩蔽处理，即，可将所述冷却孔14位于元件外表面的开口掩蔽，然后将受损的涂层去除，再施加新的涂层，然后再将掩蔽材料去除以重新打开所述冷去孔14。在一些实施例中，述去除受损涂层的过程和施加新涂层的过程之前分别进行一次独立的掩蔽处理，即，掩蔽所述冷却孔14后将受损的涂层去除，然后将掩蔽材料去除以重新打开所述冷去孔14，然后再次掩蔽所述冷却孔14，再施加新的涂层，最后再将掩蔽材料去除以重新打开所述冷去孔14。
在一些实施例中，所述去除受损涂层的过程包括酸洗，因而要求孔中的掩蔽材料具有较为致密的结构，足以抵抗酸洗过程中可能遭受的腐蚀。在一些实施例中，所述施加新涂层的过程包括热喷涂，因而要求孔中的掩蔽材料具有一定的耐热性能。可见，去除受损涂层的过程和施加新涂层的过程可能对孔的掩蔽处理具有不同的要求，可选择合适的掩蔽材料和/或控制电泳沉积的参数，来获得同时满足二者要求的掩蔽结构，也可针对这两个过程进行两次独立的掩孔处理。
图2显示了一种处理元件的方法20，其包括：在步骤21中，将包括开口于其表面的孔的元件放入包括掩蔽材料颗粒的电泳液中作为电极，向所述元件和所述元件的对电极施加电压，通过电泳作用使得所述电泳液中的掩蔽材料颗粒沉积到所述元件的孔内，以掩蔽所述孔；在步骤23中，对所述元件的表面进行处理；及在步骤25中，将所述孔内的掩蔽材料去除。
在一些实施例中，所述元件包括基底和位于所述基底上且提供了所述表面的外层，所述外层的导电能力低于所述基底，或特别地，所述外层基本不导电，所述孔贯穿所述外层并延伸入所述基底，所述步骤23包括去除所述外层的至少一部分和在所述表面施加涂层中的至少一种。
由于所述外层的导电能力低于所述基底(或基本不导电)，能使得所述步骤21中，在电泳作用下，掩蔽材料优先沉积到所述元件的孔内，而不是优先沉积到元件表面，或者，只沉积到所述元件的孔内，而基本不沉积到元件表面。
图3显示了一种修复元件的方法30，其包括：在步骤31中，将包括基底、基底上的外层以及贯穿所述外层并延伸入所述基底的孔的元件放入包括掩蔽材料的颗粒的电泳液中作为电极，向所述元件和所述元件的对电极施加电压，通过电泳作用使得所述电泳液中的掩蔽材料的颗粒沉积到所述元件的孔内，以掩蔽所述孔；及在步骤33中，去除所述外层的至少一部分。
具体地，在所述步骤31中，掩蔽材料进入到所述孔位于元件基底内的深度，使得在步骤33中，可在基底内的孔仍被所述掩蔽材料掩蔽的情况下去除所述外层的至少一部分。实际操作中，可使得掩蔽材料堵住所述孔位于元件外层内的部分和所述孔位于元件基底中的至少靠近外层的部分。在一些特别的实施例中，也可以使得掩蔽材料堵住整个孔，包括其位于元件外层和元件基底的部分。
在一些实施例中，所述方法30还包括：将所述孔内的掩蔽材料去除，以打开所述孔。
在一些实施例中，所述方法30还包括：在所述元件的表面施加涂层，然后将所述孔内的掩蔽材料去除，以打开所述孔。
在一些实施例中，所述方法30还包括：将所述孔内的掩蔽材料去除，然后重新掩蔽所述孔，然后在所述元件的表面施加涂层，再将所述重新掩蔽的孔打开。所述重新掩蔽孔的步骤中采用的可以是与步骤31中相同或不同的方法和/或掩蔽材料。
在一些实施例中，所述去除外层的至少一部分的步骤包括物理去除和化学去除。其中，物理去除的例子包括但不限于喷砂、高压喷水、激光去除(laser ablation)，化学去除的例子包括但不限于酸洗、电化学去除(electrochemical stripping)。在一些具体的实施例中，所述去除外层的至少一部分的步骤包括喷砂和酸洗中的至少一种。在一些具体的实施例中，所述外层包括热障涂层和位于所述热障涂层和所述基底之间的黏合层，所述去除外层的至少一部分的步骤包括：用包括喷砂的方法去除所述热障涂层和用包括酸洗的方法去除所述黏合层。
在一些实施例中，所述将孔内的掩蔽材料去除的步骤包括高温氧化法去除掩蔽材料。
实例
用丙烯酸环氧树脂作为掩蔽材料，将如图4所示的表面有陶瓷热障涂层的待修复叶片浸入含有丙烯酸环氧树脂颗粒的电泳液中，作为阴极，以另一叶片为阳极，向阴极和阳极施加10～300V的电压，进行1～30分钟的电泳沉积，在这个过程中，丙烯酸环氧树脂的颗粒进入所述待修复叶片的冷却孔中。待所述电泳沉积结束后，将所述冷却孔中填充了丙烯酸环氧树脂的叶片在160℃左右的温度下烘焙约20分钟，使得所述冷却孔中的丙烯酸环氧树脂形成较为致密且牢固的结构，从而能很好地掩蔽所述冷却孔(如图5所示的)。然后对所述冷却孔被掩蔽的叶片进行喷砂处理，以将叶片表面的热障涂层去除。图6显示了所述叶片的热障涂层被部分去除后的状态，此时冷却孔仍被丙烯酸环氧树脂堵住。然后通过高温氧化法将所述叶片的冷却孔中的丙烯酸环氧树脂去除掉，以将叶片的冷却孔打开，所述冷却孔被打开后的叶片如图7所示。通过水枪喷水测试发现，所述冷却孔被打开后可以很畅通地喷出水流。
所述通过电泳沉积来掩蔽待处理元件中的孔的方法可以在很短的时间，比如，在十分钟内，将元件中大量的孔进行掩蔽。此外，所述方法可用多种掩蔽材料获得致密牢靠的掩蔽结构，使得被掩蔽的元件可经受多种类型的后续处理。
虽然结合特定的实施例对本发明进行了描述，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。
Claims (10)
1.一种处理元件的方法，其中所述元件包括开口于其表面的至少一个孔，所述方法包括：
将所述元件放入包括掩蔽材料颗粒的电泳液中作为电极，向所述元件和所述元件的对电极施加电压，通过电泳作用使得所述电泳液中的掩蔽材料颗粒沉积到所述至少一个孔内，以掩蔽所述至少一个孔；
对所述元件的表面进行处理，所述对所述元件的表面进行处理的步骤包括去除外层的至少一部分和在所述表面施加涂层中的至少一种，其中，由所述掩蔽材料在所述孔中形成的掩蔽结构具有致密的结构和耐热性能；及
将所述至少一个孔内的掩蔽材料去除。
2.一种如权利要求1所述的方法，其中，所述元件包括基底和位于所述基底上且提供了所述表面的外层，所述外层的导电能力低于所述基底，所述孔贯穿所述外层并延伸入所述基底。
3.一种如权利要求2所述的方法，其中，所述去除外层的至少一部分的步骤包括喷砂、喷水、激光去除、电化学去除和酸洗中的至少一种。
4.一种如权利要求2所述的方法，其中，所述外层包括热障涂层和位于所述热障涂层和所述基底之间的黏合层，所述去除外层的至少一部分的步骤包括：用包括喷砂的方法去除所述热障涂层和用包括酸洗的方法去除所述黏合层。
5.一种如权利要求2所述的方法，其中，所述外层包括电绝缘层，所述对元件的表面进行处理的步骤包括去除所述电绝缘层。
6.一种如权利要求1所述的方法，其中，所述掩蔽材料包括有机化合物、陶瓷材料、金属材料以及它们的复合物中的至少一种。
7.一种修复元件的方法，其中所述元件包括基底、基底上的外层以及贯穿所述外层并延伸入所述基底的至少一个孔，所述方法包括：
将所述元件放入包括掩蔽材料颗粒的电泳液中作为电极，向所述元件和所述元件的对电极施加电压，通过电泳作用使得所述电泳液中的掩蔽材料颗粒沉积到所述至少一个孔内，以掩蔽所述至少一个孔；
去除所述外层的至少一部分，其中，由所述掩蔽材料在所述孔中形成的掩蔽结构具有致密的结构和耐热性能；及
将所述至少一个孔内的掩蔽材料去除。
8.一种如权利要求7所述的方法，其进一步包括：重新掩蔽所述至少一个孔；然后在所述元件的表面施加涂层；以及，再将所述重新掩蔽的孔打开。
9.一种如权利要求7所述的方法，其进一步包括：在去除所述外层的至少一部分之后，将所述至少一个孔内的掩蔽材料去除之前，在所述元件的表面施加涂层。
10.一种如权利要求7所述的方法，其中，所述外层包括电绝缘层，所述对元件的表面进行处理的步骤包括用包括喷砂的方法去除所述电绝缘层。
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