CN112323057A - 发动机零件的冷喷涂维修 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于向涡轮发动机零件添加材料的方法。该方法包括朝向零件的区域冷喷涂粉末以在零件的区域上形成沉积物，零件由母材形成，母材是超合金或钛合金并限定母材性能值，并且沉积物限定了沉积物材料性能值等于母材性能的至少百分之五十。

Description

发动机零件的冷喷涂维修
技术领域
本主题大体上涉及一种用于发动机零件的维修工艺，例如一种用于燃气涡轮发动机的结构零件的冷喷涂维修工艺。
背景技术
某些燃气涡轮发动机零件必须能够在运行期间承受相对较高的温度和/或应力。例如，暴露于在压缩机部分的下游端产生的热量、在燃烧器部分内由燃烧过程产生的热量、和涡轮部分内的热量的零件可能需要具有在燃气涡轮发动机的运行期间承受高温和/或应力的能力。在某些发动机的例如压缩机部分、燃烧器部分和涡轮部分内的结构壳在运行期间经受高温和应变，并且因此大体上需要能够承受这种高温和应变。
因此，这种零件中的某些是通过例如具有高温和应变能力的金属合金、例如镍或钛合金的锻造工艺形成的。尽管如此，随着时间的流逝，这些零件可能会由于它们被安装在其内的环境磨损或腐蚀。因此，这些零件必须维修或更换。
更换是昂贵的并且维修可能是困难的。传统上，添加材料到高温金属合金零件是通过例如电弧焊、激光焊接、或热喷涂(例如等离子体热喷涂或高速氧气燃料热喷涂)来完成的。但是，这些方法中的每种改变被添加材料的所期望的冶金微结构。
因此，用于添加材料到高温金属合金零件而不显着改变被添加材料的冶金微结构的改进的系统和方法将是有用的。
发明内容
本发明的方面和优点将在下面的描述中部分地被阐述，或者可以从描述中变得显而易见，或者可以通过实践本发明被学习。
在本公开的一个示例性方面，提供了一种用于向涡轮发动机零件添加材料的方法。方法包括朝向零件的区域冷喷涂粉末以在零件的区域上形成沉积物，零件由母材形成，母材是超合金或钛合金并限定母材性能值，并且沉积物限定沉积物材料性能值等于母材性能的至少百分之五十。
在本公开的另一个示例性方面，提供了一种用于维修涡轮发动机零件的方法。方法包括朝向零件的区域冷喷涂粉末，其中，朝向零件的区域冷喷涂粉末包括：通过冷喷涂系统的冷喷涂喷嘴朝向零件的区域引导包括冷喷涂气体和粉末的冷喷涂混合物，其中，冷喷涂系统限定了大于650摄氏度且小于1500摄氏度的在冷喷涂喷嘴的入口处的气体温度。
在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种用于燃气涡轮发动机的结构零件。结构零件包括由超合金或钛合金形成并限定维修区域的基底，基底限定母材性能值；以及冷喷涂到基底的维修区域上的维修沉积物，维修沉积物限定沉积物材料性能值等于母材性能的至少百分之五十。
参考以下描述和所附权利要求，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解。结合在本说明书中并构成其一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。
技术方案1. 一种用于向涡轮发动机零件添加材料的方法，所述方法包括：
朝向所述零件的区域冷喷涂粉末以在所述零件的区域上形成沉积物，所述零件由母材形成，所述母材是超合金或钛合金并限定母材性能值，并且所述沉积物限定沉积物材料性能值等于所述母材性能值的至少百分之五十。
技术方案2. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述沉积物材料性能值大于所述母材性能值的75％且小于所述母材性能值的200％。
技术方案3. 根据任何前述技术方案所述的方法，其中，所述沉积物材料性能值大于所述母材性能值的90％。
技术方案4. 根据任何前述技术方案所述的方法，其中，所述沉积物材料性能值和所述母材性能值各自描述相同的材料性能，所述材料性能为以下之一：抗张强度、屈服强度、伸长率、疲劳、脆性、体积模量、抗压强度、蠕变、延展性、弹性、疲劳极限、挠性、挠曲强度、断裂韧性、硬度、可锻性、可塑性、回弹性、剪切强度、刚度或韧性。
技术方案5. 根据任何前述技术方案所述的方法，其中，所述沉积物材料性能值和所述母材性能值各自描述相同的材料性能，所述材料性能为以下之一：抗张强度、屈服强度、蠕变、挠曲强度、剪切强度或刚度。
技术方案6. 根据任何前述技术方案所述的方法，其中，朝向所述零件的区域冷喷涂粉末包括：通过冷喷涂系统的冷喷涂喷嘴朝向所述零件的区域引导包括冷喷涂气体和粉末的冷喷涂混合物，其中，所述冷喷涂系统限定了在所述冷喷涂喷嘴的出口处的粉末离开速度，其中，所述粉末离开速度大于700米每秒且小于1300米每秒。
技术方案7. 根据任何前述技术方案所述的方法，其中，朝向所述零件的区域冷喷涂粉末包括：通过冷喷涂系统的冷喷涂喷嘴朝向所述零件的区域引导包括冷喷涂气体和粉末的冷喷涂混合物，其中，所述冷喷涂系统限定了大于650摄氏度且小于1500摄氏度的在所述冷喷涂喷嘴的入口处的气体温度。
技术方案8. 根据任何前述技术方案所述的方法，其中，朝向所述零件的区域冷喷涂粉末包括：通过冷喷涂系统的冷喷涂喷嘴朝向所述零件的区域引导包括冷喷涂气体和粉末的冷喷涂混合物，其中，所述冷喷涂系统限定了大于30巴且小于100巴的在所述冷喷涂喷嘴的入口处的气体压力。
技术方案9. 根据任何前述技术方案所述的方法，其中，所述粉末是金属合金粉末。
技术方案10. 根据技术方案9所述的方法，其中，所述金属合金粉末包括镍合金、钛合金或二者的组合。
技术方案11. 根据任何前述技术方案所述的方法，其中，所述零件由镍合金、钛合金或二者的组合形成。
技术方案12. 根据任何前述技术方案所述的方法，其中，所述喷嘴是会聚和发散喷嘴。
技术方案13. 一种用于燃气涡轮发动机的结构零件，包括：
由超合金或钛合金形成并限定维修区域的基底，所述基底限定母材性能值；和
冷喷涂到所述基底的所述维修区域上的维修沉积物，所述维修沉积物限定沉积物材料性能值等于所述母材性能值的至少百分之五十。
技术方案14. 根据技术方案13所述的结构零件，其中，所述结构零件是用于所述燃气涡轮发动机的压缩机壳、燃烧器壳或涡轮壳。
附图说明
参考附图，在说明书中阐述了针对本领域的普通技术人员的本发明的完整且可行的公开，包括本发明的最佳模式，其中：
图1是根据本公开的一个示例性实施例的燃气涡轮发动机的示意图；
图2是根据本公开的一个示例性实施例的冷喷涂系统的示意图；
图3是图2的冷喷涂系统的冷喷涂喷嘴的近视图；
图4是根据本公开的示例性方面的用于维修燃气涡轮发动机的零件的方法的流程图。
具体实施例
现在将详细参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中示出。详细描述使用数字和字母标记来指代附图中的特征。在附图和描述中相似或类似的标记已经用于指代本发明的相似或类似的部分。
如本文中所使用的，术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用以将一个零件与另一个零件区分开，并且不旨在表示单个零件的位置或重要性。
术语“上游”和“下游”是指相对于流体路径中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体流自的方向，并且“下游”是指流体流至的方向。
除非本文中另有说明，术语“耦接”、“固定”、“附接到”等指直接耦接、固定、或附接、以及通过一个或多个中间零件或特征间接耦接、固定、或附接二者。
除非上下文另外明确指出，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数形式。
如在本文中贯穿说明书和权利要求书所使用的，近似语言用于修饰可以允许变化而不会导致与之相关的基本功能发生变化的任何定量表示。因此，由一个或多个术语，例如“大约”、“近似”和“基本上”修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度，或者对应于用于构造或制造零件和/或系统的方法或机器的精度。例如，近似语言可能表示在10％裕度内。
现在参照附图，在所有附图中，相同的附图标记表示相同的元件，图1提供了根据本公开的一个示例性实施例的发动机的示意性横截面图。发动机可以被结合到交通工具中。例如，发动机可以是安装在飞行器上或被结合到飞行器中的航空发动机。然而，备选地，该发动机可以是用于任何其他合适的交通工具或用于任何其他目的(如例如发电、陆地交通工具推进、流体泵站等)的任何其他合适类型的发动机。
对于所示实施例，发动机被配置为高旁通涡扇发动机100。如图1中所示，涡扇发动机100限定了轴向方向A(平行于提供用于参考的纵向中心线101延伸)。径向方向R和周向方向(围绕轴向方向A延伸；未在图1中示出)。通常，涡轮风扇100包括风扇部分102和布置在风扇部分102下游的涡轮机104。
所示示例性涡轮机104大体上包括基本上管状的外壳体106，该外壳体限定了环形入口108。外壳体106以串联流动关系包围：压缩机部分，其包括增压器或低压(LP)压缩机110和高压(HP)压缩机112；燃烧部分114；涡轮部分，其包括高压(HP)涡轮116和低压(LP)涡轮118；和核心喷射排气喷嘴部分120。压缩机部分、燃烧部分114和涡轮部分一起至少部分地限定了从环形入口108延伸到喷射排气喷嘴部分120的核心空气流动路径121。涡扇发动机还包括一个或多个轴向驱动轴。更具体地，涡扇发动机包括将HP涡轮116驱动地连接至HP压缩机112的高压(HP)轴或转轴122，以及将LP涡轮118驱动地连接至LP压缩机110的低压(LP)轴或转轴124。
对于所示实施例，风扇部分102包括风扇126，其具有以间隔开的方式耦接到盘130的多个风扇叶片128。风扇叶片128和盘130可通过LP轴124一起绕纵向中心线101旋转。盘130由可旋转的前毂旋转器132覆盖，该前毂旋转器132空气动力学上轮廓形成为促使空气流通过多个风扇叶片128。此外，提供环形风扇壳体或外部机舱134，其沿周向围绕风扇126和/或涡轮机104的至少一部分。机舱134由多个周向间隔开的出口导向导叶136相对于涡轮机104支撑。机舱134的下游部分138在涡轮机104的外部上延伸，以便在其之间限定环形风扇旁路空气流通道140。
仍然参照图1，涡扇发动机100还包括一个或多个壳，例如，一个或多个结构壳位于其中。可以提供一个或多个结构壳中的每个，以向涡扇发动机100增加结构刚度。更具体地，对于所示实施例，涡扇发动机100包括压缩机壳体142、燃烧器壳体144、和涡轮壳体146。压缩机壳体142、燃烧器壳体144和涡轮壳体146中的每个可以大体上圆形成形，其围绕涡扇发动机100的轴向方向A和中心线101沿周向方向基本360度地延伸。虽然未示出，涡扇发动机100可另外包括在压缩机部分、燃烧器部分、和/或涡轮部分内的附加的壳体。此外，尽管未示出，示例性涡扇发动机100可另外包括在风扇126、外机舱134等内的一个或多个壳体。
此外，将认识到的是，图1中所示的示例性涡扇发动机100仅借助于示例提供。在其他示例性实施例中，任何其他合适的发动机可以与本公开的各方面被利用。例如，在其他实施例中，发动机可以是任何其他合适的燃气涡轮发动机，例如涡轴发动机、涡桨发动机、涡喷发动机等。以这种方式，将进一步认识到，在其他实施例中，燃气涡轮发动机可以具有任何其他合适的配置，例如任何其他合适数量或布置的轴、压缩机、涡轮、风扇等。此外，尽管图1中所示的示例性燃气涡轮发动机示意性地显示为直接驱动固定螺距涡扇发动机100，在其他实施例中，本公开的燃气涡轮发动机可以是齿轮式燃气涡轮发动机(例如，包括在风扇126和驱动风扇的轴之间的齿轮箱，例如LP轴124)，可以是可变螺距燃气涡轮发动机(例如，包括具有可绕其相应的螺距轴线旋转的多个风扇叶片128的风扇126)等。此外，尽管在本文中未示出，在其他实施例中，燃气涡轮发动机可以是任何其他的合适类型的燃气涡轮发动机，例如结合到发电系统、船舶或其他航改型燃气涡轮发动机中等的工业用燃气涡轮发动机。
现在参考图2，描绘了根据本公开的一个示例性实施例的冷喷涂系统200，用于修改零件的几何形状。
在某些示例性实施例中，图2中所示的冷喷涂系统200可用于修改环形零件的几何形状。
在某些示例性实施例中，图2中所示的冷喷涂系统200可用于维修环形零件。
在某些示例性实施例中，图2中所示的冷喷涂系统200可用于向高温金属超合金零件、例如由镍基合金或钛基合金形成的零件添加材料。
对于图2中所示的特定实施例，冷喷涂系统200用于维修燃气涡轮发动机的零件202，例如燃气涡轮发动机的壳体，例如上文参照图1描述的壳体142,144,146中的一个或多个。如从下面的描述中将进一步认识到的，所示冷喷涂系统200可以用于大体上维修由超合金材料、例如钛基或镍基超合金形成的任何零件，其配置可承受燃气涡轮发动机内的相对高温和/或应变。因此，将认识到是，本公开的冷喷涂系统200可以附加地或备选地用于维修各种各样的其他零件和构件，例如任何其他燃气涡轮发动机零件。
在其他示例性实施例中，可以使用冷喷涂系统200维修除燃气涡轮发动机零件以外的零件。
冷喷涂是一种其中由于粉末在基底上的高速冲击形成致密且粘附良好的沉积物的技术。形成的沉积物在飞行期间不会发生相变，并且大体上不会发生氧化。此外，由于高速冲击，粉末可能以非常高的应变速率经受高应变。
该技术的优点在于，它提供了足够的能量来将颗粒加速到足够高的速度，使得在撞击时，颗粒发生塑性变形并结合到在其上所述颗粒进行沉积的零件的表面，从而形成相对致密涂层或结构沉积物。冷喷涂不会从其固态冶金地转化颗粒。已经发现下文所述的本冷喷涂系统200和冷喷涂工艺可用于有效维修由超合金材料形成的零件。例如，下文所述的本冷喷涂系统200和冷喷涂工艺可有效用于建立构件，其具有损失材料，由于腐蚀，由于热气体的侵蚀，对配合零件的摩擦或以小颗粒物质的冲击，以及一般磨损。
此外，将认识到的是，与本公开使用的冷喷涂工艺是固态工艺，并且因此所使用的粉末没有被加热超过其熔点。更具体地，由本公开的冷喷涂方法所采用的将粉末状维修材料转变成沉积物的结合机制是严格固态的，使得颗粒塑性变形但不会熔化。
特别地参考图2中所示的示例性冷喷涂系统200，系统200大体上包括用于保持待维修的零件202的平台204，对于所示实施例，该平台是壳体。对于所示实施例，平台204包括用于将零件202保持就位的工具206(例如，如支架、夹具等)。此外，对于所示实施例，平台204被配置为绕中心线轴线208旋转(对于所示实施例，该中心线轴线是与零件202和平台204的公共轴线)。以这种方式，冷喷涂系统200可以用于实现零件202的环形区域的维修。值得注意的是，对于所示实施例，平台204包括电动机，其被配置成使平台204绕中心线轴线208以期望的旋转速度旋转。
此外，图2中所示的示例性冷喷涂系统200包括冷喷涂喷嘴210，其被配置成以期望的温度、流动速率、速度等将冷喷涂混合物212喷射到零件202的区域214上以进行维修(同样参见图3的近视图，下面进一步讨论)。
图2的实施例中的冷喷涂喷嘴210与气体输送网络216和粉末输送网络218流动连通。以这种方式，冷喷涂喷嘴210可以接收冷喷涂混合物212的流，包括冷喷涂气体和粉末的流，用于喷射到待维修的零件202的区域214上。
对于所示实施例，气体输送网络216包括气体源220、气体泵222、气体加热器224和流体地耦接这些零件中的每个的气体导管226。
针对所示示例性气体输送网络216的气体源220可以是任何合适的气体源220。例如，气体源220可以是气体罐、配置成从周围空气中提取所期望气体的气体转换单元等。气体泵222可以类似地是任意合适的气体泵222(也称为气体压缩机)。例如，气体泵222可以是电动旋转式气体泵/压缩机、往复式气体泵/压缩机等。
值得注意的是，尽管将气体泵222和气体源220描绘为单独的零件，在其他实施例中，气体源220可以是加压气体源，使得气体输送网络216不包括分离的气体泵222和气体源220。另外，尽管将气体泵222描绘为在气体源220的下游，在其他实施例中，气体泵222可以替代地位于气体源220的上游。
尽管未示出，但是气体输送网络216可还包括压力调节装置。压力调节装置可以被结合到气体泵222中，或者备选地，可以位于气体泵222的下游位置处的气体导管226中，或者以其他方式流体耦接到气体导管226。
如进一步描绘的，气体输送网络216还包括气体加热器224。气体加热器224可以是用于增加通过气体输送网络216的气体流的温度的任何合适类型的加热器。在至少某些示例性实施例中，气体加热器224可以是电阻加热器，该电阻加热器被热耦接到气体输送网络216的气体导管226，或者至少部分地定位在气体输送网络216的气体导管226内。然而，在其他实施例中，可以使用任何其他合适类型的气体加热器224，例如空气对空气热交换器、油对空气热交换器、任何形式的电阻加热器等。此外，尽管气体加热器224位于气体泵222和气体源220的下游，在其他实施例中，气体加热器224可以替代地是在气体泵222和气体源220中的一个或两个的上游，或者可以与气体泵222和气体源220中的一个或两个组合。
以这种方式，气体输送网络216可以被配置为通过气体导管226向冷喷涂喷嘴210提供加压和加热的气体流。气体输送网络216可以被配置为在期望的温度、压力和流动速率下提供这种加热和加压的气体流，如将在下面更详细地描述的。
在至少某些示例性方面，通过气体输送网络216提供的气体可以是氮气、氦气、另一种惰性气体或它们的混合物中的一种或多种。以这种方式，气体输送网络216可以操作以为冷喷涂系统200提供非氧化性输送气体的流。
如上所述，冷喷涂系统200还包括粉末输送网络218。粉末输送网络218大体上包括粉末源228、粉末给料器230和粉末导管232。
粉末源228可以是用于容纳用于冷喷涂系统200的粉末的任何合适的容器。例如，在某些实施例中，粉末源228可以是料斗或其他容器。尽管未示出，粉末源228可以还包括一个或多个加工系统、例如筛分系统，以便提供期望尺寸分布的粉末。
此外，粉末给料器230与粉末源228流动连通，以通过粉末导管232供给粉末流。给料器可以是用于通过粉末导管232提供粉末流的任何合适的机械。例如，在某些示例性实施例中，粉末输送网络218可以被配置为利用重力供给的给料器和粉末源228。然而，在其他示例性实施例中，粉末输送网络218的粉末给料器230可以利用压缩气体驱动粉末通过粉末导管232。例如，在某些示例性实施例中，粉末输送网络218可以与气体输送管道226空气流连通，以接收加压的气体流以促使期望量的粉末通过粉末导管232。
在某些示例性实施例中，由图2的冷喷涂系统200使用并通过粉末输送网络218输送的粉末可以是金属粉末、例如金属合金粉末。金属粉末可以具有与零件202由其制成的成分相同的成分，或者其可以是相容的成分。例如，金属粉末可以是粉末状的镍基超合金、例如特殊金属公司(Special Metals Corporation)的称为INCONEL合金718的镍基超合金，粉末状钛基合金、例如Ti-6Al-4V等。备选地，金属粉末可以是任何其他超合金。
此外，在至少某些示例性方面，由图2的冷喷涂系统200使用并通过粉末输送网络218输送的粉末可以具有在约5微米至100微米的范围内的直径。大体上，较小的颗粒尺寸可以能够实现较高的颗粒速度和本文所述的相关益处。
将进一步认识到的是，可以通过改变粉末源228中的粉末成分来实现零件202上的材料成分转变。另外，或者备选地，然而粉末输送网络218可以还包括多个粉末源228，其与粉末给料器230流动连通，或者备选地，仍然，粉末输送网络218可以包括与相应多个粉末给料器230流动连通的多个粉末源228，每个与粉末导管232流动连通。
仍参考图2，冷喷涂系统200还包括混合器234，该混合器234与气体输送网络216流动连通，并且进一步与粉末输送网络218流动连通。混合器234被配置成接收来自气体输送网络216的加热和加压的气体流，以及来自粉末输送网络218的粉末流，并且将两种流混合并结合以形成冷喷涂混合物212。混合器234进一步与冷喷涂喷嘴210流动连通，以为冷喷涂喷嘴210提供冷喷涂混合物212。混合器234可以简单地是Y形接头，或者可以包括更高级的空气混合特征，例如湍流器等。也可以考虑其他混合器配置。
更具体地，简要地参考图3，其提供了将冷喷涂混合物212喷射到零件202的区域214上的冷喷涂喷嘴210的近视示意图，将认识到的是，冷喷涂系统200被配置成以期望的离开速度从冷喷涂喷嘴210喷射粉末，能够实现至少部分地通过在期望的温度和压力下将加热和加压的气体提供给冷喷涂喷嘴210，以便实现到零件202的区域214上的期望的粉末连结。
例如，图3中所示的冷喷涂喷嘴210配置为会聚/发散喷嘴，并且大体上限定了喷嘴入口209和喷嘴出口211。在至少某些示例性方面，冷喷涂系统200可以被配置为从冷喷涂喷嘴210的出口211喷射冷喷涂混合物212，使得冷喷涂系统200限定在冷喷涂喷嘴210的出口211处大于700米每秒并且小于1300米每秒的粉末离开速度。例如，在冷喷涂喷嘴210的出口211处的粉末离开速度可以大于750米每秒。值得注意的是，粉末离开速度是指冷喷涂混合物212的粉末离开冷喷涂喷嘴210的速度。
另外，在至少某些示例性方面，冷喷涂系统200可以被配置为以来自气体输送网络216的相对高温和高压的气体流来操作。特别地，在至少某些示例性方面，冷喷涂系统200可以在冷喷涂系统200运行期间限定在冷喷涂喷嘴210的入口209处大于650摄氏度且小于1500摄氏度、例如大于700摄氏度的气体温度。此外，在至少某些示例性方面，冷喷涂系统200可以另外限定在冷喷涂喷嘴210的入口209处在冷喷涂系统200的运行期间大于30巴且小于100巴的气体压力。
此外，仍然将认识到的是，对于所示实施例，冷喷涂喷嘴210保持在距零件202的表面相对较短的距离处。该距离已知为喷涂距离213。在冷喷涂系统200的运行期间的喷涂距离大于大约5毫米(mm)并且小于大约90mm，例如小于大约60mm。
本公开的发明人已经发现，根据一个或多个这些操作参数来操作冷喷涂系统200可以允许冷喷涂系统200有效地向由超合金材料(例如，镍基超合金材料)、或钛基合金材料或其组合形成的零件添加材料或进行维修。特别地，本公开的发明人已经发现，根据这些操作参数中的一个或多个操作冷喷涂系统200以便以例如所描述的速度喷射粉末，可以允许冷喷涂系统200有效地添加具有与下层的零件/基底的材料特性类似的材料特性的材料，从而保持零件的结构完整性并满足必要的冶金和机械性能。例如，仍然参考图3，将认识到的是，零件202包括基底250(由超合金或钛合金形成)并限定维修区域214。基底250限定母材性能值。零件202另外包括冷喷涂到基底250的维修区域214上的维修沉积物252。维修沉积物252是冷喷涂到维修区域214上的粉末的堆积。维修沉积物252限定沉积物材料性能值等于母材性能值的至少百分之五十。例如，在某些示例性实施例中，沉积物材料性能值大于母材性能值的75％、例如大于85％、例如大于90％。此外，在某些示例性实施例中，沉积物材料性能值小于母材性能值的200％、例如小于母材性能值的150％、例如小于母材性能值的100％。
在某些示例性实施例中，沉积物材料性能值和母材性能值各自描述相同的材料性能，材料性能为以下之一：抗张强度、屈服强度、伸长率、疲劳、脆性、体积模量、抗压强度、蠕变、延展性、弹性、疲劳极限、挠性、挠曲强度、断裂强度、硬度、可锻性、可塑性、回弹性、剪切强度、刚度或硬度。
在某些示例性实施例中，沉积物材料的性能值和母材性能值各自描述以下中相同的一个：抗张强度、屈服强度、蠕变、挠曲强度、剪切强度、或刚度。
借助于示例，在某些示例性实施例中，零件202和零件202的基底250可以由钛合金、例如Ti-6Al-4V形成。以这样的示例性实施例，母材性能值可以是大约900兆帕斯卡(MPa)，其描述形成零件250的基底的材料的屈服强度。以这样的示例性实施例，沉积物材料性能值可以至少为450MPa，其类似地描述了在零件250的维修区域上形成维修沉积物252的材料的屈服强度。
将认识到的是，上述操作参数是大体上与用于冷喷涂工艺的传统教导相反的，其在较低的温度、压力、速度等下操作，以便例如不会过度加热被维修的零件(潜在损坏的零件未设计成承受燃气涡轮发动机内的一定高温)并节省能源。例如，典型的冷喷涂工艺仅加热载体气体以足够确保其在离开冷喷涂喷嘴的膨胀部分时不会冻结或达到不希望低的工艺温度。相反，本文所述的操作参数超出了该最低温度，以向粉末添加附加的能量，以辅助利用超合金粉末的冷喷涂工艺的有效性，同时确保粉末不改变相，从而保持零件的机械完整性。
因此，通过利用根据本公开的一个或多个示例性方面的这种冷喷涂系统200向该零件添加材料或进行维修，被维修的零件可具有与例如使用锻造工艺形成的零件的原始机械性能类似的机械性能。这样，下面讨论的示例性冷喷涂系统200和相关工艺在向法兰、薄壁等添加材料或维修法兰、薄壁等方面可能特别有益。
此外，仍然参考图2的实施例，将认识到的是，进一步所示的示例性冷喷涂系统200包括控制器240，该控制器240可与冷喷涂系统200的各个方面一起操作以控制冷喷涂系统200的运行。
在一个或多个示例性实施例中，图2中所示的控制器240可以是用于冷喷涂系统200的独立控制器，或者备选地，可以集成到一个或多个其他控制器/控制系统中。特别地参考控制器240的运行，在至少某些实施例中，控制器240可以包括一个或多个计算设备242。计算设备242可以包括一个或多个处理器242A和一个或多个存储设备242B。一个或多个处理器242A可以包括任何合适的处理装置，例如微处理器、微控制器、集成电路、逻辑装置和/或其他合适的处理装置。一个或多个存储设备242B可以包括一个或多个计算机可读介质，包括但不限于非暂时性计算机可读介质、RAM、ROM、硬盘驱动器、闪存驱动器和/或其他存储设备。
一个或多个存储设备242B可以存储可由一个或多个处理器242A访问的信息，包括可以由一个或多个处理器242A执行的计算机可读指令242C。指令242C可以是在由一个或多个处理器242A执行时使一个或多个处理器242A执行运行的任何指令集。在一些实施例中，指令242C可以由一个或多个处理器242A执行以使一个或多个处理器242A执行运行，例如控制器240和/或一个或多个计算设备242针对其配置的任何运行和功能、用于操作如本文所述的冷喷涂系统200(例如方法300)的运行、和/或一个或多个计算设备242的任何其他运行或功能。指令242C可以是以任何合适的编程语言编写的软件，或者可以以硬件实现。另外，和/或备选地，指令242C可以在一个或多个处理器242A上的逻辑和/或虚拟分离线程中执行。一个或多个存储设备242B可以进一步存储可以由处理器242A访问的数据242D。例如，数据242D可以包括指示功率流的数据、指示发动机/飞行器工作状态的数据、和/或本文所述的任何其他数据和/或信息。
计算设备242还可以包括用于例如与冷喷涂系统200的其他零件通信的网络接口242E。例如，在所示实施例中，冷喷涂系统200还包括传感器244，其被配置成感测指示冷喷涂系统200的一个或多个操作参数或条件的数据。尽管示意性地示出了单个传感器244，应将认识到的是，冷喷涂系统200可以包括任何合适数量的传感器以感测任何合适数量的操作参数或条件(例如，环境温度和/或压力、平台204的转速、冷喷涂混合物212的温度/压力/流动速率、通过气体输送网络216的气体流的温度/压力/流动速率、通过粉末输送网络218的粉末流的温度/压力/流动速率、来自冷喷涂喷嘴210的冷喷涂混合物212的离开速度、来自冷喷涂喷嘴210的冷喷涂混合物212的离开温度等)。
控制器240冷喷涂系统200通过例如网络接口242E可操作地耦接到一个或多个传感器，使得控制器240在运行期间可以接收指示由一个或多个传感器感测到的各种操作参数的数据。此外，对于所示实施例，控制器240可操作地耦接到冷喷涂系统200的各个部件以控制冷喷涂系统200的方面。例如，在所示实施例中，控制器240可操作地耦接到气体泵222、气体加热器224、粉末给料器230和平台204的马达。然而，在其他实施例中，控制器可以附加地或备选地可操作地耦接到冷喷涂系统200的任何其他合适的零件202。
网络接口242E可以包括用于与一个或多个网络连接的任何合适的零件，包括例如发射机、接收机、端口、控制器、天线和/或其他合适的零件。
本文中讨论的技术参考了基于计算机的系统以及由基于计算机的系统采取的动作以及发送至和自基于计算机的系统的信息。本领域的普通技术人员将认识到，基于计算机的系统的固有灵活性允许零件之间以及零件中的任务和功能性的各种各样可能的配置、组合和划分。例如，可以使用单个计算设备或组合工作的多个计算设备来实现本文讨论的处理。数据库、内存、指令和应用程序可以在单个系统上实现，或分布横跨多个系统。分布的零件可以顺序或并行运行。
从本文的描述中将认识到，根据本公开的一个或多个示例性实施例的冷喷涂系统可以用于将材料添加到零件。
例如，根据本公开的一个或多个示例性实施例的冷喷涂系统可以用于维修零件。
例如，现在参见图4，提供了一种用于维修燃气涡轮发动机零件的方法300。方法300可与以上参照图1至3描述的示例性冷喷涂系统和零件中的一个或多个一起使用。然而，在本公开的其他示例性方面，方法300可以与任何其他合适的冷喷涂系统、零件等一起使用。
方法300包括在(302)处冷喷涂粉末到零件的区域上。对于所示的示例性方面，在(302)处冷喷涂粉末到零件的区域上包括，在(304)处通过冷喷涂喷嘴朝向零件的区域引导冷喷涂混合物。冷喷涂混合物包括冷喷涂气体和粉末。对于所示方法300的方面，在(304)处通过冷喷涂喷嘴朝向零件的区域引导冷喷涂混合物，包括在(305)处朝向零件的区域冷喷涂粉末以在零件的区域上形成沉积物。如从以上实施例的讨论中将认识到的，零件可以由母材形成，母材为超合金或钛合金并限定母材性能值。类似地，该沉积物可以限定等于母材性能的至少50％、例如母材性能的至少75％、例如母材性能的至少90％的沉积物材料性能值。
此外，对于所示方法300的方面，在(304)处通过冷喷涂喷嘴朝向零件的区域引导冷喷涂混合物包括在(306)处以大于700米每秒小于1300米每秒的粉末离开速度从冷喷涂喷嘴的出口朝向零件的区域引导粉末。进一步对于所示方法300的示例性方面，在(304)处通过冷喷涂喷嘴朝向零件的区域引导冷喷涂混合物包括在(307)处以大于650摄氏度且小于1500摄氏度、例如大于700摄氏度的气体温度提供在冷喷涂混合物中的气体流至冷喷涂喷嘴的入口。进一步仍然对于所示方法300的示例性方面，在(304)处通过冷喷涂喷嘴朝向零件的区域引导冷喷涂混合物，包括在(308)处以大于30巴且小于100巴的气体压力提供冷喷涂混合物中的气体流至冷喷涂喷嘴的入口。
仍然参考图4，方法300还包括在(312)处绕零件的轴线旋转零件，同时在(302)处将粉末冷喷涂到零件的区域上。以这样的示例性方面，零件的区域可以是零件的周向区域。
此外，示例性方法300包括在(314)处在将粉末冷喷涂到零件的区域上之后对零件进行热处理。在将粉末冷喷涂到零件的区域上之后，在(314)处对零件进行热处理可以简单地包括将零件加热到处理温度，以使这种零件在处理温度下保持一段时间。
本发明的其他方面由以下条款的主题提供：
1. 一种用于将材料添加到涡轮发动机零件中的方法，该方法包括朝向零件的区域冷喷涂粉末以在零件的区域上形成沉积物，该零件由母材形成，母材为超合金或钛合金并限定母材性能值，并且沉积物限定沉积物材料性能值等于母材性能值的至少百分之五十。
2. 根据前述条款中任一项所述的方法，其中，沉积物材料性能值大于母材性能值的75％且小于母材性能值的200％。
3. 根据前述条款中任一项所述的方法，其中，沉积物材料性能值大于母材性能值的90％。
4. 根据前述条款中任一项所述的方法，其中，沉积物材料性能值和母材性能值各自描述相同的材料性能，材料性能为以下之一：抗张强度、屈服强度、伸长率、疲劳、脆性、体积模量、抗压强度、蠕变、延展性、弹性、疲劳极限、挠性、挠曲强度、断裂韧性、硬度、可锻性、可塑性、回弹性、剪切强度、刚度或韧性。
5. 根据前述条款中任一项所述的方法，其中，沉积物材料性能值和母材性能值各自描述相同的材料性能，材料性能为以下之一：抗张强度、屈服强度、蠕变、挠曲强度、剪切强度或刚度。
6. 根据前述条款中任一项所述的方法，其中，朝向部件的区域冷喷涂粉末包括通过冷喷涂系统的冷喷涂喷嘴朝向零件的区域引导包括冷喷涂气体和粉末的冷喷涂混合物，其中冷喷涂系统限定在冷喷涂喷嘴的出口处的粉末离开速度，其中粉末离开速度大于700米每秒且小于1300米每秒。
7. 根据前述条款中任一项所述的方法，其中，朝向零件的区域冷喷涂粉末包括：通过冷喷涂系统的冷喷涂喷嘴朝向零件的区域引导包括冷喷涂气体和粉末的冷喷涂混合物，其中，冷喷涂系统限定了大于650摄氏度且小于1500摄氏度的在冷喷涂喷嘴的入口处的气体温度。
8. 根据前述条款中任一项所述的方法，其中，冷喷涂系统限定了大于700摄氏度的在冷喷涂喷嘴的入口处的气体温度。
9. 根据前述条款中任一项所述的方法，其中，朝向零件的区域冷喷涂粉末包括通过冷喷涂系统的冷喷涂喷嘴朝向零件的区域引导包括冷喷涂气体和粉末的冷喷涂混合物，其中，冷喷涂系统限定了大于30巴且小于100巴的在冷喷涂喷嘴的入口处的气体压力。
10. 根据前述条款中任一项所述的方法，其中，粉末是金属合金粉末。
11. 根据前述条款中任一项所述的方法，其中，金属合金粉末包括镍合金、钛合金或二者的组合。
12. 根据前述条款中任一项所述的方法，其中，零件由镍合金、钛合金或二者的组合形成。
13. 根据前述条款中任一项所述的方法，其中，零件是用于涡轮发动机的压缩机壳、燃烧器壳或涡轮壳。
14. 根据前述条款中任一项所述的方法，其中，喷嘴是会聚和发散喷嘴。
15. 一种用于维修涡轮发动机零件的方法，包括朝向零件的区域冷喷涂粉末，其中朝向零件的区域冷喷涂粉末包括通过冷喷涂系统的冷喷涂喷嘴朝向零件的区域引导包括冷喷涂气体和粉末的冷喷涂混合物，其中冷喷涂系统限定了大于700米每秒且小于1300米每秒的在冷喷涂喷嘴的出口处的粉末离开速度。
16. 根据前述条款中任一项所述的方法，其中，冷喷涂系统限定了大于650摄氏度且小于1500摄氏度的在冷喷涂喷嘴的入口处的气体温度。
17. 根据前述条款中任一项所述的方法，其中，冷喷涂系统限定了大于700摄氏度的在冷喷涂喷嘴的入口处的气体温度。
18. 根据前述条款中任一项所述的方法，其中，冷喷涂系统限定了大于30巴且小于100巴的在冷喷涂喷嘴的入口处的气体压力。
19. 一种用于燃气涡轮发动机的结构零件，其包括由超合金或钛合金形成并限定维修区域的基底，基底限定母材性能值；以及冷喷涂到基底的维修区域上的维修沉积物，该维修沉积物限定沉积物材料性能值等于母材性能值的至少百分之五十。
20. 根据前述条款中任一项所述的结构零件，其中，结构零件是用于燃气涡轮发动机的压缩机壳、燃烧器壳或涡轮壳。
该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域的技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例包括与权利要求书的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言没有实质性差异的等效结构元件，则这些其他示例旨在存在于权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种用于向涡轮发动机零件添加材料的方法，所述方法包括：
朝向所述零件的区域冷喷涂粉末以在所述零件的区域上形成沉积物，所述零件由母材形成，所述母材是超合金或钛合金并限定母材性能值，并且所述沉积物限定沉积物材料性能值等于所述母材性能值的至少百分之五十。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述沉积物材料性能值大于所述母材性能值的75％且小于所述母材性能值的200％。
3.根据任何前述权利要求所述的方法，其中，所述沉积物材料性能值大于所述母材性能值的90％。
4.根据任何前述权利要求所述的方法，其中，所述沉积物材料性能值和所述母材性能值各自描述相同的材料性能，所述材料性能为以下之一：抗张强度、屈服强度、伸长率、疲劳、脆性、体积模量、抗压强度、蠕变、延展性、弹性、疲劳极限、挠性、挠曲强度、断裂韧性、硬度、可锻性、可塑性、回弹性、剪切强度、刚度或韧性。
5.根据任何前述权利要求所述的方法，其中，所述沉积物材料性能值和所述母材性能值各自描述相同的材料性能，所述材料性能为以下之一：抗张强度、屈服强度、蠕变、挠曲强度、剪切强度或刚度。
6.根据任何前述权利要求所述的方法，其中，朝向所述零件的区域冷喷涂粉末包括：通过冷喷涂系统的冷喷涂喷嘴朝向所述零件的区域引导包括冷喷涂气体和粉末的冷喷涂混合物，其中，所述冷喷涂系统限定了在所述冷喷涂喷嘴的出口处的粉末离开速度，其中，所述粉末离开速度大于700米每秒且小于1300米每秒。
7.根据任何前述权利要求所述的方法，其中，朝向所述零件的区域冷喷涂粉末包括：通过冷喷涂系统的冷喷涂喷嘴朝向所述零件的区域引导包括冷喷涂气体和粉末的冷喷涂混合物，其中，所述冷喷涂系统限定了大于650摄氏度且小于1500摄氏度的在所述冷喷涂喷嘴的入口处的气体温度。
8.根据任何前述权利要求所述的方法，其中，朝向所述零件的区域冷喷涂粉末包括：通过冷喷涂系统的冷喷涂喷嘴朝向所述零件的区域引导包括冷喷涂气体和粉末的冷喷涂混合物，其中，所述冷喷涂系统限定了大于30巴且小于100巴的在所述冷喷涂喷嘴的入口处的气体压力。
9.根据任何前述权利要求所述的方法，其中，所述粉末是金属合金粉末。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述金属合金粉末包括镍合金、钛合金或二者的组合。
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