CN112739498B - 清洁具有热障涂层的部件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种清洁部件的方法，该方法包括：提供在部件于高温环境中操作之后的部件，该部件包括热障涂层(TBC)；使用海绵射流喷砂过程清洁部件的TBC；以及测量TBC的清洁过的厚度，以验证清洁过的厚度是否超过将允许部件返回至高温环境的预定最小值。

Description

清洁具有热障涂层的部件的方法
技术领域
本公开总体上涉及翻新高温部件的方法，并且更具体地涉及翻新包括热障涂层(TBC)的高温部件。
背景技术
为了提高燃气涡轮发动机的效率，已经使用了越来越高的操作温度。更高的温度要求在包括更常用的TBC的材料方面的进步。暴露于热燃烧气体的部件可以包括TBC以保护部件免受高温以及燃烧气体内的腐蚀性元素的影响。通常，TBC包括在操作期间会容易损坏的陶瓷材料。另外，通常定期更换TBC，以确保在操作期间保持足够的TBC厚度。
发明内容
一种清洁部件的方法，该方法包括：提供在部件于高温环境中操作之后的部件，该部件包括热障涂层(TBC)；使用海绵射流喷砂过程清洁部件的TBC；以及测量TBC的清洁过的厚度，以验证清洁过的厚度是否超过将允许部件返回至高温环境的预定最小值。
在另一个构型中，一种清洁部件的方法包括：提供已经在高温环境中操作过的部件，该部件包括热障涂层(TBC)；测量TBC的第一厚度，以验证第一厚度大于预定阈值；以及选择海绵射流喷砂过程的操作参数。该方法还包括使用海绵射流喷砂过程清洁部件的TBC，以及测量TBC的第二厚度，以确定在清洁期间要去除的TBC的量，并且以验证该厚度是否超过将允许部件返回至高温环境的预定最小值。
前面已经相当广泛地概述了本公开的技术特征，使得本领域的技术人员可以更好地理解下面的详细说明。在下文中将描述形成权利要求主题的本公开的附加特征和优点。本领域技术人员将理解的是，他们可以容易地使用所公开的概念和具体实施方式作为用于修改或设计用于实现本公开的相同目的的其他结构的基础。本领域技术人员还将意识到的是，这些等同构型并不背离本公开的呈最广泛形式的精神和范围。
另外，在进行以下详细描述之前，应当理解的是，贯穿本说明书提供了对于某些词语和短语的各种限定，并且本领域的普通技术人员将理解的是，在许多情况——如果不是大多数情况——下，这些定义应用于如此定义的用语或短语的现有以及将来的使用。尽管一些术语可以包括各种各样的实施方式，但是附加的权利要求可以将这些术语明确地的限制至具体实施方式。
附图说明
图1是图示了对包括热障涂层(TBC)的部件进行维修或翻新的过程的流程图。
图2是适用于清洁部件上的TBC的海绵射流系统的示意图。
图3是图示了已清洁的涡轮叶片以及TBC厚度变化的示例的图表。
图4是涡轮叶片的一部分在清洁过程之前的图像。
图5是涡轮叶片的一部分在清洁过程之后的图像。
图6是包括TBC的部件的表面的示意性横截面图。
图7是燃气涡轮机的横截面图，该燃气涡轮机包括叶片、轮叶、筐部、过渡部以及包括TBC的其他部件。
在对本发明的任何实施方式进行详细说明之前，应当理解的是，本发明在其应用上不限于在以下的描述中所阐述的或在以下附图中所图示的部件的构造细节和布置结构。本发明能够具有其他实施方式，并且能够以各种方式执行或实施。另外，应当理解的是，本文中使用的措辞和术语是出于说明的目的而不应被视为限制性的。
具体实施方式
现在将参照附图描述关于系统和方法的各种技术，其中，贯穿本文，相同的附图标记表示相同的元件。以下讨论的附图以及用于描述该专利文件中的本公开的原理的各种实施方式仅是说明的方式而不应当以任何方式解释为限制本公开的范围。本领域技术人员将理解的是，本公开的原理可以在任何合适地设置的设备中实施。应当理解的是，被描述为由某些系统元件执行的功能可以由多个元件执行。类似地，例如，元件可以构造成执行被描述为由多个元件执行的功能。将参照示例性的非限制性实施方式来描述本申请的许多创新的教导。
另外，应理解的是，除非在一些示例中明确限制的，在本文中使用的词语或短语应作广义的解释。例如，术语“包含”、“具有”和“包括”及其派生词是指包含但不限于。除非上下文另有明确说明，否则单数形式“一”、“一个”和“该”也意在包括复数形式。此外，在本文中使用的术语“和/或”是指并且包含相关联的所列项目中的一个或更多个项目的任何及所有可能的组合。除非上下文另有明确说明，否则术语“或”是包含性的，是指和/或。短语“与……相关联的”和“与此相关联的”及其派生词可以指包括、被包括在内、与……互连、包含、被包含在内、连接至或与……连接、联接至或与……联接、能够与……相连、与……配合、交错、并置、邻近于、结合至或与……结合、具有、具有……的特性等。
另外，尽管本文中可以使用术语“第一”、“第二”、“第三”等指代各种元件、信息、功能或动作，这些元件、信息、功能或动作不应由这些术语限制。相反，这些数词形容词用于彼此区分不同的元件、信息、功能或动作。例如，在不背离本公开的范围的情况下，第一元件、第一信息、第一功能或第一动作可以被称为第二元件、第二信息、第二功能或第二动作，并且类似地，第二元件、第二信息、第二功能或第二动作也可以被称为第一元件、第一信息、第一功能或第一动作。
另外，除非上下文另有明确说明，否则术语“邻近于”可以意指：元件与另一个元件相对靠近但不接触；或者该元件与另一部分接触。此外，除非另有明确说明，否则短语“基于”意在指“至少部分基于”。术语“约”或“基本上”或类似术语意在涵盖在该尺寸的正常工业制造公差内的值的变化。如果没有可用的行业标准，除非另有说明，否则20％的变化将落入这些术语的含义内。
燃气涡轮机10以及特别是用于在发电中使用的大型燃气涡轮机(图7)包括在极高的温度处操作的燃烧部分和涡轮部分。为了防止部件免受高温和由于接触燃烧气体中的元素引起的腐蚀，许多部件包括热障涂层15(在本文中称为“TBC”)。如在图6中示意性图示而不是按比例的，TBC 15是施加至部件的暴露表面的薄层材料。通常，TBC 15施加至粘合涂层20，粘合涂层20直接施加至基板25或由TBC 15保护的部件的表面。对粘合涂层20进行选择以提供与基板25的期望的粘合，但也提供TBC 15的充分粘合。在一些构型中，如在图6中图示的，在粘合涂层20与TBC 15之间形成热生长氧化层30以改善TBC 15的粘合。用于粘合涂层20和氧化层30的材料的选择——如果采用的话——对本发明不是关键的，并且用于粘合涂层20和氧化层30的材料的选择是基于设计考虑，比如用于基板25的材料、基板25与TBC15之间的热膨胀系数的差异以及对本发明不关键的其他考虑因素而选择的。
在大多数构型中，TBC 15是陶瓷材料、比如氧化钇稳定的氧化锆。在一些构型中，TBC 15包括烧绿石基陶瓷或具有非常适合本申请的氧化钇稳定的氧化锆(例如，8YSZ)的氧化锆基TBC。TBC 15的通常应用利用了大气等离子喷涂过程(APS)，该过程在TBC 15与施加有TBC 15的材料层(粘合涂层20)之间产生接合线35。当然，也可以根据需要采用其他TBC15。
在燃气涡轮发动机10的预定操作时段之后，许多部件需要定期维护和检查。这种部件的一个示例是位于发动机10的涡轮部分内的各种涡轮叶片40(旋转)。其他部件可以包括轮叶45(静止)、筐部50、过渡部55或包括TBC 15的任何其他部件(如图7中所示)。作为一个普通技术人员将理解的是，本文中所描述的过程可以应用于包括TBC 15的这些部件中的任何部件。其余的描述集中于叶片40的维修/翻新，但明显的是，本发明不应仅限于作为部件的叶片40。
图1是概述在升高的操作温度处操作预定时间段之后用于维修/翻新涡轮叶片40的基本过程的流程图。参照图1，过程中的初始步骤是将叶片从服务移除60。对每个叶片40进行独立地维修或翻新，并且因此必须将叶片从涡轮转子移除，以允许在必要时施加独立的过程。
接下来，使用各种非破坏性检查(NDE)技术对每个叶片40进行检查。一个检查是对TBC 15在每个叶片40上的各个位置处的厚度67进行的检查65。尽管可以使用几种不同的技术来执行这种检查65，但是优选的是涡流检查法。涡流检查法可以容易地检测到TBC 15与TBC 15所附接的粘合涂层20之间的接合线35，以测量TBC 15的厚度67。图3包括用于在12个不同位置处检查的三个叶片40的表格70。数据包括由于在不同位置处的维修或翻新而导致的TBC层15在厚度67(以微米为单位)上的损失。
一旦测量了TBC 15的厚度67，则进行分析75以确保在维修/翻新过程之后将保留足够的TBC 15，以用于继续操作接下来计划的检查和维修。例如，在可以执行过程之前，一个部件可能需要12微米或更大的最小TBC厚度67。如果测得的厚度67中的任何厚度低于最小厚度67，则必须在叶片40或其他部件可以重新投入服务之前剥离并重新施加TBC 15(步骤140)。对于图3的表格中记录的叶片40，所有测量位置均超过最小TBC厚度67，从而使得叶片40适合于维修/翻新过程。
维修/翻新过程中的下一步骤是对叶片40、并且特别是对包括TBC 15的区域进行海绵喷砂80。在先前的维修中，喷砂用于完全去除TBC 15，以允许重新施加TBC 15。然而，通过重要的测试和实验已经发现的是，如果采用适当的参数，则海绵喷砂过程可以用于在不需要去除过多的TBC 15的情况下清洁叶片40或其他部件。
图2图示了海绵喷砂装置85，该装置85包括主进给单元90，主进给单元90以所需速率向气流100提供所需介质95。空气可以由单独的空气压缩机或其他来源提供，并且对空气压缩机或其他来源进行调节以在所需的操作压力下提供空气。用户105操作喷嘴或枪110，该喷嘴或枪110将空气和介质导引至待清洁的表面处。喷嘴或枪110还对空气进行调节以保持所需的进给压力。可以设置回收器115以收集使用过的介质95并将使用过的介质95重新导引至进给单元90以供再次使用。回收器115将仍然可以使用的介质95与损坏或退化到不能再使用的程度的介质95分开。可以根据需要采用另外部件来增强海绵喷砂系统85。
在海绵喷砂过程中，随着空气100和介质95两者在进给压力下导引于部件处，处于操作压力的空气100将与喷砂介质95混合。操作压力、介质95以及进给压力的选择各自影响清洁过程的质量和TBC 15的去除量。在一个装置中，操作压力在35psi与55psi之间，其中，更优选地约45psi加上或减去5psi，并且进给压力在20psi与40psi之间，其中，优选地约30psi加上或减去5psi。
尽管许多介质95可以用于海绵喷砂过程，但发现特别合适的一种介质95是浸渍有氧化铝的海绵基材，该氧化铝具有在200与400之间、并且更优选地在300与350之间的粒度。也可以使用研磨性或腐蚀性更强的介质或者腐蚀性较弱的介质。应当指出的是，前述200到400粒度的氧化铝介质在上述限定压力下工作较好。如果选择了不同的介质，则可能也需要对前述压力进行调整。
图4图示了在海绵喷砂步骤80(图1)之前的涡轮叶片40，并且图5图示了在海绵喷砂步骤80之后的涡轮叶片40。在海绵喷砂步骤80之后，120将再次测量TBC的厚度67。在图3中的表格70包括该第二次测量120的结果，并且示出了在该过程期间TBC 15的去除量。另外，在该过程的阶段处可以设定第二预定最小厚度，使得具有低于最小厚度的厚度67的任何叶片40通过剥离TBC层15并且如过去已经所做的那样重新施加TBC层15来进行进一步的修复(参见图1中的分析步骤125)。在本示例中，叶片40均不具有低于该第二预定最小厚度的厚度67，使得所有的叶片40可以继续进行过程中的下一步骤。
如公知的，许多涡轮叶片40以及轮叶45或其他部件包括形成在涡轮叶片40以及轮叶45或其他部件的表面的内部通道和孔，该内部通道和孔用以允许冷却空气流动通过叶片40或轮叶45。在海绵喷砂步骤80期间，很可能的是，一些介质95将卡在表面孔中和/或卡在内部通道内。为了去除这些不需要的残余物，将叶片40加热至预定温度一段时间(步骤130)。如所讨论的，优选的海绵喷砂介质95包括嵌入海绵基中的氧化铝。选择预定的温度以确保海绵材料完全燃烧，使得剩下的全是氧化铝材料。氧化铝的粒径足够小使得可以通过使用高压空气、水或其他可能需要的流体冲洗通道去除氧化铝。在一个构型中，将叶片40和轮叶45加热至约1000华氏度至1200华氏度(538摄氏度至649摄氏度)加上或减去20％，保持约一个小时。其他应用需要更高或更低的温度以及更长或更短的保持时间。另外，在大多数应用中需要的是缓慢地加热部件，因为快速加热可能会产生热应力并且可能导致部件的损坏或扭曲。
在下一步骤中，叶片40或其他部件将经受大气等离子喷涂(APS)涂覆过程135以改善TBC 15表面的均匀性。一旦完成了该涂覆步骤135，可以对叶片40或其他部件进行清洁以去除任何碎屑或过度喷涂物，可以对任何内部通道进行清洁，并且叶片40或其他部件可以经受另外的分析、检查或测试，然后恢复运行。
尽管已经详细地描述了本公开的示例性实施方式，但是本领域的技术人员将理解的是，在不背离本公开呈最广泛形式的精神和范围的情况下，可以做出本文中所公开的各种改型、等同物、变型和改进。
本申请中的描述均不应被理解为暗示任何特定的元件、步骤、动作或功能是必须包括在权利要求范围内的必要元素：专利主题的范围仅由允许的权利要求所限定。此外，这些权利要求均不意在援引装置加功能权利要求结构，除非确切的词“……的方法”后面是分词。

Claims (9)

1.一种清洁部件的方法，所述方法包括：
提供在部件于高温环境中操作之后的所述部件，所述部件包括热障涂层；
测量所述热障涂层的起始厚度，并确保所述起始厚度大于预定阈值；
使用海绵射流喷砂过程清洁所述部件的所述热障涂层；以及
测量所述热障涂层的清洁过的厚度，以验证所述清洁过的厚度是否超过将允许所述部件返回至所述高温环境的预定最小值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述部件包括来自燃气涡轮机的叶片。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括，选择用于所述海绵射流喷砂过程的进给压力。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括，将所述起始厚度与所述清洁过的厚度进行比较，以确定所述热障涂层的去除厚度。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述去除厚度小于0.001英寸。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括，施加一次且仅一次的大气等离子喷涂/涂覆。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述部件包括过渡部、筐部以及支承壳体中的一者。
8.一种清洁部件的方法，所述方法包括：
提供已经在高温环境中操作过的部件，所述部件包括热障涂层；
测量所述热障涂层的第一厚度，并确保所述第一厚度大于预定阈值；
选择海绵射流喷砂过程的操作参数；
使用所述海绵射流喷砂过程清洁所述部件的所述热障涂层；以及
测量所述热障涂层的第二厚度，以确定在清洁期间所述热障涂层的去除量，并且验证所述第二厚度是否超过将允许所述部件返回至所述高温环境的预定最小值。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述部件包括过渡部、筐部以及支承壳体中的一者。
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