CN115161578B - 一种带气膜孔涡轮叶片的热障涂层喷涂方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于涡轮叶片热障涂层技术领域，涉及一种带气膜孔涡轮叶片的热障涂层喷涂方法。本发明提出的涡轮叶片热障涂层的新喷涂工艺流程与原有的工艺流程相比，在喷涂热障涂层前在气膜孔里塞上塞子，能够有效避免热障涂层沉积在气膜孔内导致气膜孔被封堵的问题，气膜孔的孔径得到保证，进而减弱冷气出流的流动阻力，保证冷气出流的流量符合设计预期。相比较常规制造工艺中先打孔后涂层的方式，采用本发明的方案，避免气膜孔孔径减小约20％，避免通流面积减小约36％。通过塞子头部的遮挡以形成气膜孔下游无涂层区域，相比较完全涂层的工艺方法，采用本发明的方案，预计可使冷却效果提高1.6％。
Description
技术领域
本发明属于涡轮叶片热障涂层技术领域，涉及一种带气膜孔涡轮叶片的热障涂层喷涂方法。
背景技术
随着航空涡轮发动机的快速发展，其推重比进一步提高，使得其涡轮进口燃气温度已经逼近2000K大关，这远远超过了用于制造涡轮叶片的高温合金的耐温极限。为提高涡轮叶片的耐温能力，可以将热障涂层涂敷在金属基体表面，能起到隔绝燃气加热的防护作用，使其承受更高的服役温度。而当前航空发动机的涡轮叶片上多开有气膜孔以形成气膜冷却，使其与热障涂层的热防护作用相互配合，以及使两种结构的制造工艺相互协同，是一项富有挑战性的技术。
涡轮叶片热障涂层的已有喷涂工艺流程如图1所示，由于热障涂层为绝缘体，而气膜孔主要依赖电加工，故常规制造工艺中通常采用“先打孔后涂层”的方式。在叶片表面加工气膜孔后，吹砂并清洁叶片的金属表面，将叶片装入炉中进行渗铝以形成致密的氧化铝保护膜，进行吹砂清洁后安装在专用涂敷夹具，在叶片外表面底层用超声速火焰喷涂或电子束气相沉积MCrAlY底层，然后在底层之上用等离子火焰喷涂或电子束气相沉积YSZ陶瓷面层。这种工艺流程会产生气膜孔被部分遮挡甚至被完全覆盖的问题，导致冷气的流动阻力增大，削弱冷却效果。另外，热障涂层也会影响气膜冷却——由于热障涂层材料的低导热特性，当热障涂层覆满叶片时，虽然阻隔了主流燃气的加热，但同时也削弱了气膜出流对其下游金属基体的冷却。所以气膜孔与热障涂层在流动、传热和制造工艺上均存在一定矛盾，而本发明则通过一种全新的热障涂层喷涂方法对此加以解决。
发明内容
针对气膜冷却和热障涂层防护技术之间的矛盾，本发明提供一种带气膜孔涡轮叶片的热障涂层喷涂方法，其主要工艺流程如图2所示，与涡轮叶片热障涂层的传统喷涂工艺流程不同的是，在喷涂陶瓷面层前将相应的塞子塞入气膜孔，通过气膜孔塞子头部的喷涂前遮挡和喷涂后移除，使气膜孔下游形成特定形状的无涂层区域。该方法既能解决气膜孔被堵塞的问题，又能避免气膜冷却和热障涂层隔热之间的矛盾，降低冷气的流动阻力，提高气膜冷却效率，降低叶片的温度，提高其使用寿命和可靠性。
本发明的技术方案如下：
一种带气膜孔涡轮叶片的热障涂层喷涂方法，步骤如下：
步骤1，在涡轮叶片上加工气膜冷却孔，可以为典型的圆形孔，也可以为方形或椭圆形等异形孔。同时叶片尾缘开有尾缘劈缝。
步骤2，根据叶片上气膜孔的位置对气膜孔分类。如图3所示，叶片内腔被前缘隔墙、尾缘隔墙分为叶片前腔、叶片中腔、叶片后腔。叶片前腔含前缘气膜孔、盆侧倾斜气膜孔和背侧倾斜气膜孔；叶片中腔含盆侧水平气膜孔和背侧水平气膜孔；叶片后腔含尾缘劈缝窗口。如图3所示，以气膜孔和劈缝所在的位置将叶片表面分为七个区，包括前缘、盆侧鳃区、叶片盆侧、盆侧尾缘、背侧尾缘、叶片背侧、背侧鳃区。前缘最先受到燃气的冲击，气膜孔感受的背压较高，因此需要使前缘气膜孔朝上方倾斜，使冷却气更容易出流，同时使冷气有较大的气膜覆盖面积，冷却效果好；盆侧鳃区和背侧鳃区开有带流向夹角的倾斜气膜孔，即盆侧倾斜气膜孔和背侧倾斜气膜孔的轴线在叶片表面上的投影与水平面呈近似60°的夹角，以避免打孔时受到狭窄结构的限制，同时使冷气在展向的覆盖面积增加，冷却效率高；叶片盆侧和叶片背侧相较于其他区域有更大的面积，多开有水平气膜孔，利用气膜出流与燃气来流方向的接近，减少二者的掺混，并使气膜沿主流方向充分对叶片进行覆盖；叶片尾缘区域比较窄，且狭小的通道不易布置其他冷却结构，所以该区域热负荷较高，因此在盆侧尾缘开有尾缘劈缝窗口，使冷气覆盖叶片尾缘区域的壁面，形成的气膜有良好的“贴壁性”，使气膜冷却更高效。上述六种类型可以代表一般涡轮叶片上气膜孔和尾缘劈缝的主要结构形式。
步骤3，根据不同气膜孔的气膜覆盖区域和尾缘劈缝尺寸设计塞子。以气膜孔下游金属基体壁面热流密度为零的等值线为参照，确定气膜绝对覆盖区，并在此基础上确定塞子形状。各类气膜孔的气膜绝对覆盖区形状不同：从前缘气膜孔射出的冷气，其覆盖区域从气膜孔出口处至下游逐渐变宽，形似凤尾，故称其为凤尾形；从盆侧水平气膜孔和背侧水平气膜孔射出的冷气，其覆盖区域从气膜孔出口处至气膜下游先快速变宽后逐渐变窄，形似蜡烛火焰，故称其为烛焰形；从盆侧倾斜气膜孔和背侧倾斜气膜孔射出的冷气与主流方向有流向夹角，相较于烛焰形覆盖形状有一定弯曲，形似被横向气流扰动的蜡烛火焰，故称其为弯曲烛焰形。据此以及叶片的形状和气膜出流的设计工况确定塞子的形状。尾缘劈缝为水平劈缝，依据尾缘劈缝窗口和尾缘劈缝的尺寸确定尾缘劈缝塞子的形状。
步骤4，根据塞子的设计图以及叶片气膜孔和尾缘劈缝的数量制造所需的塞子。如图4所示，包括前缘气膜孔塞子、盆侧气膜孔倾斜塞子、盆侧水平气膜孔塞子、尾缘劈缝塞子，背侧水平气膜孔塞子、背侧倾斜气膜孔塞子。
步骤5，在进行步骤3和4的同时对叶片内腔渗铝，采用气相渗铝工艺，形成致密牢固的氧化铝膜。
步骤6，在进行步骤3和4的同时，并在步骤5之后喷涂叶片底层，叶片外表面底层用超声速喷涂或电子束气相沉积涂层。YSZ陶瓷面层材料与金属基体的热膨胀系数存在差异，直接将其涂敷在金属表面会导致涂层的脱落。因此，在喷涂陶瓷面层前，要在叶片表面喷涂0.1±0.02mm的MCrAlY作为底层，以缓冲热膨胀系数差异带来的热应力，使陶瓷面层与金属基体黏结更牢固。
步骤7，根据气膜孔的分类和尾缘劈缝窗口选择相应的塞子。前缘气膜孔选择与前缘表面贴合的前缘气膜孔塞子，盆侧倾斜气膜孔选择与盆侧鳃区表面贴合的盆侧倾斜气膜孔塞子，盆侧水平气膜孔选择与叶片盆侧表面贴合的盆侧水平气膜孔塞子，尾缘劈缝窗口选择尾缘劈缝塞子，背侧水平气膜孔选择与叶片背侧表面贴合的背侧水平气膜孔塞子，背侧倾斜气膜孔选择与背侧鳃区表面贴合的背侧倾斜气膜孔塞子。
步骤8，如图4所示，在气膜孔处塞入对应的塞子。气膜孔塞子借助塞子插销采用过盈配合插入气膜孔安装在叶片上，并保证牢固以及头部底面与叶片表面贴合。
步骤9，叶片外表面的面层用等离子火焰喷涂YSZ陶瓷涂层或电子束气相沉积YSZ陶瓷涂层。如图5所示，热障涂层覆盖在叶片和塞子头部的表面。
步骤10，移除塞在气膜孔上的塞子，以形成气膜孔和尾缘劈缝下游无涂层区域，如图6所示，包括凤尾形的前缘气膜孔下游无涂层区域、弯曲烛焰形的盆侧倾斜气膜孔下游无涂层区域，烛焰形的盆侧水平气膜孔下游无涂层区域，尾缘劈缝无涂层区域，烛焰形的背侧水平气膜孔下游无涂层区域，弯曲烛焰形的背侧倾斜气膜孔下游无涂层区域。
步骤11，叶片表面剖光，打磨气膜孔。
以图7所示的背侧水平气膜孔塞子为例，本发明的气膜孔塞子由两部分构成：塞子插销和塞子头部，塞子头部靠近叶片外壁面处为塞子头部的底面与侧面过渡区。塞子插销与气膜孔过盈配合，便于将塞子插入并固定在气膜孔上，塞子头部有一定厚度的设计首先可以实现对涂层的遮挡，其次便于在喷涂热障涂层后移除塞子。塞子头部的底面与侧面过渡区可以让涂层渗入，并使得移除塞子后无涂层区域和有涂层区域的边界在厚度方向上平滑过渡，有助于气膜均匀的扩展，提高气膜冷却效率。在各类塞子的设计中，首先定义塞子插销轴线与塞子头部底面的交点为原点O，沿截面叶型线俯视逆时针的切向为X轴正向，叶片径向为Y轴正向，叶片壁面法线为Z轴，且指向壁面外侧为正方向，三轴相互垂直，并符合右手定则。沿着Z轴向叶片内侧投影为主视图，沿着X轴正方向投影为侧视图，沿着Y轴向叶根处投影为俯视图。塞子插销与塞子头部空间上存在一定夹角，可视为由三个线面角组成，即塞子插销轴线与YOZ平面夹角α、塞子插销轴线与XOZ平面夹角β、塞子插销轴线与XOY平面夹角γ。塞子插销的尺寸由塞子插销直径d和塞子插销长度L确定；塞子的长度由塞子头部X方向长度x确定，取值范围为5d至12d，典型值为10d；塞子的宽度由塞子头部Y方向宽度y确定，取值范围为2d至5d，典型值为3d；塞子的厚度由塞子头部Z方向厚度z确定，取值范围为2d至5d，典型值为3d。
本发明在上述气膜孔塞子公用参数的基础上，进一步描述并定义各个塞子之间的差异和特殊参数：
背侧水平气膜孔塞子的三视图，即图7：如主视图所示，背侧水平气膜孔塞子头部主视型线为关于中心线对称的烛焰式型线，该型线由椭圆弧段和线段以及过渡圆弧段光滑连接而成，其形状特征近似水平气膜孔的气膜覆盖形状，宽度沿中心线逐渐由宽变窄；如俯视图所示，背侧水平气膜孔塞子头部俯视型线为靠近插销一端厚且远离插销端薄的鲸背式型线，塞子头部的厚度从靠近塞子插销端逐渐增高到鲸背式型线的最高处，然后开始逐渐下降到远离塞子插销端处，其形状特征可以遮挡热障涂层并使其喷涂的厚度均匀；背侧水平气膜孔塞子头部底面俯视型线为凹状型线，使背侧水平气膜孔塞子与叶片背侧贴合；如侧视图所示，背侧水平气膜孔塞子头部侧视型线为中心高两侧低的圆弧式型线。
盆侧水平气膜孔塞子的三视图，即图8：如主视图所示，盆侧水平气膜孔塞子头部主视型线为关于中心线对称的烛焰式型线，该型线由椭圆弧段和线段以及过渡圆弧段光滑连接而成，其形状特征近似水平气膜孔的气膜覆盖形状，宽度沿中心线逐渐由宽变窄；如俯视图所示，盆侧水平气膜孔塞子头部俯视型线为靠近插销一端厚且远离插销端薄的鲸背式型线，塞子头部的厚度从靠近塞子插销端逐渐增高到鲸背式型线的最高处，然后开始逐渐下降到远离塞子插销端处，其形状特征可以遮挡热障涂层并使其喷涂的厚度均匀；盆侧水平气膜孔塞子头部底面俯视型线为凸状型线，使盆侧水平气膜孔塞子与叶片盆侧贴合；如侧视图所示，盆侧水平气膜孔塞子头部侧视型线为中心高两侧低的圆弧式型线。
背侧倾斜气膜孔塞子的三视图，即图9：如主视图所示，背侧倾斜气膜孔塞子头部中心线从原点O到远离插销端逐渐弯曲至平行X轴；背侧倾斜气膜孔塞子头部主视型线为弯曲烛焰式型线，该型线由椭圆弧段和线段以及过渡圆弧段光滑连接而成，其形状特征近似倾斜气膜孔的气膜覆盖形状，沿背侧倾斜气膜孔塞子头部中心线弯曲，且宽度逐渐缩小；如俯视图所示，背侧倾斜气膜孔塞子头部俯视型线为靠近插销一端厚且远离插销端薄的鲸背式型线，塞子头部的厚度从靠近塞子插销端逐渐增高到鲸背式型线的最高处，然后开始逐渐下降到远离塞子插销端处，其形状特征可以遮挡热障涂层并使其喷涂的厚度均匀，背侧倾斜气膜孔塞子头部底面俯视型线为凹状型线，使背侧倾斜气膜孔塞子与背侧鳃区贴合；如侧视图所示，因为塞子头部随其中心线的弯曲，背侧倾斜气膜孔塞子头部侧视型线在原有圆弧状的基础上呈现为上缓下陡的非对称式结构。
盆侧倾斜气膜孔塞子的三视图，即图10：如主视图所示，盆侧倾斜气膜孔塞子头部中心线从原点O到远离插销端逐渐弯曲至平行X轴；盆侧倾斜气膜孔塞子头部主视型线为弯曲烛焰式型线，该型线由椭圆弧段和线段以及过渡圆弧段光滑连接而成，其形状特征近似倾斜气膜孔的气膜覆盖形状，沿盆侧倾斜气膜孔塞子头部中心线弯曲，且宽度逐渐缩小；如俯视图所示，盆侧倾斜气膜孔塞子头部俯视型线为靠近插销一端厚且远离插销端薄的鲸背式型线，塞子头部的厚度从靠近塞子插销端逐渐增高到鲸背式型线的最高处，然后开始逐渐下降到远离塞子插销端处，其形状特征可以遮挡热障涂层并使其喷涂的厚度均匀；盆侧倾斜气膜孔塞子头部底面俯视型线为凹状型线，使盆侧倾斜气膜孔塞子与盆侧鳃区贴合；如侧视图所示，因为塞子头部随其中心线的弯曲，盆侧倾斜气膜孔塞子头部侧视型线在原有圆弧状的基础上呈现为上缓下陡的非对称式结构。
前缘气膜孔塞子的三视图，即图11：如主视图所示，前缘气膜孔塞子头部主视型线为关于中心线对称的凤尾式型线，该型线由椭圆弧段和圆弧段光滑连接而成，其形状特征近似前缘气膜孔的气膜覆盖形状，沿中心呈现放射状渐宽；如俯视图所示，前缘气膜孔塞子头部俯视型线为中心低两边高的圆弧式型线；前缘气膜孔塞子头部底面俯视型线为凹状型线，使前缘气膜孔塞子与前缘贴合；如侧视图所示，前缘气膜孔塞子头部侧视型线为圆弧式型线，其形状特征可以遮挡热障涂层并使其喷涂的厚度均匀。
尾缘劈缝塞子的三视图，即图12：如主视图所示，尾缘劈缝塞子插入段与尾缘劈缝过盈配合，便于尾缘劈缝塞子插入并固定在尾缘劈缝上；尾缘劈缝塞子外露段用于阻挡热障涂层在尾缘劈缝内沉积；尾缘劈缝塞子的宽度由尾缘劈缝塞子Y方向宽度yT确定；如俯视图所示，尾缘劈缝塞子的长度由尾缘劈缝塞子X方向长度xT确定；尾缘劈缝塞子的厚度由尾缘劈缝塞子Z方向厚度zT确定。
本发明的有益效果：
1.减弱冷气出流的流动阻力：
本发明提出的涡轮叶片热障涂层的新喷涂工艺流程与原有的工艺流程相比，在喷涂热障涂层前在气膜孔里塞上塞子，能够有效避免热障涂层沉积在气膜孔内导致气膜孔被封堵的问题，气膜孔的孔径得到保证，进而减弱冷气出流的流动阻力，保证冷气出流的流量符合设计预期。相比较常规制造工艺中先打孔后涂层的方式，采用本发明的方案，避免气膜孔孔径减小约20％，避免通流面积减小约36％。
2.提高气膜冷却的效率：
通过塞子头部的遮挡以形成气膜孔下游无涂层区域，使得从气膜孔射出的冷气可以完全覆盖在金属表面上，对其进行直接的冷却，而不是被涂层所隔绝，使得叶片整体的冷却效果得到提高。相比较完全涂层的工艺方法，采用本发明的方案，预计可使冷却效果提高1.6％。
3.塞子对涂层的遮挡效果好且制造成本低：
目前常用的涂层喷涂技术——APS和EB-PVD工艺都为视线沉积技术，具有直线效应，利用这一特点并针对不同气膜孔设计遮挡涂层的关键部件，即塞子头部，塞子头部插在气膜孔上形成凸起，在各个角度都对涂层有良好的遮挡效果，能够保证气膜孔及其下游周围涂层厚度的均匀性，同时便于拔出塞子；塞子头部的底面与侧面过渡区可以让涂层渗入，并使得移除塞子后有涂层区域和无涂层区域间形成曲面过渡，使叶片表面更加光滑。由于这类塞子适用于一般涡轮叶片上的气膜孔，适用范围广，塞子制造一套后可重复使用，制造和使用的成本低。
附图说明
图1为涡轮叶片热障涂层的传统喷涂工艺流程图；
图2为本发明提出的涡轮叶片热障涂层的新喷涂工艺流程图；
图3(a)为叶片盆侧的外观示意图；
图3(b)为叶片A-A剖视图；
图3(c)为叶片背侧的外观示意图；
图4(a)为塞上塞子状态下叶片盆侧的外观示意图；
图4(b)为塞上塞子状态下叶片B-B剖视图；
图4(c)为塞上塞子状态下叶片背侧的外观示意图；
图5(a)为喷涂涂层后叶片盆侧的外观示意图；
图5(b)为喷涂涂层后叶片C-C剖视图；
图5(c)为喷涂涂层后叶片背侧的外观示意图；
图6(a)为移除塞子后叶片盆侧的外观示意图；
图6(b)为移除塞子后叶片D-D剖视图；
图6(c)为移除塞子后叶片背侧的外观示意图；
图7为背侧水平气膜孔塞子的主视图、侧视图和俯视图；
图8为盆侧水平气膜孔塞子的主视图、侧视图和俯视图；
图9为背侧倾斜气膜孔塞子的主视图、侧视图和俯视图；
图10为盆侧倾斜气膜孔塞子的主视图、侧视图和俯视图；
图11为前缘气膜孔塞子的主视图、侧视图和俯视图；
图12为尾缘劈缝塞子的主视图、侧视图和俯视图；
图中：1-前缘气膜孔；2-前缘；3-盆侧倾斜气膜孔；4-盆侧鳃区；5-盆侧水平气膜孔；6-叶片盆侧；7-盆侧尾缘；8-尾缘劈缝窗口；9-背侧尾缘；10-叶片背侧；11-背侧水平气膜孔；12-背侧鳃区；13-背侧倾斜气膜孔；14-叶片前腔；15-前缘隔墙；16-叶片中腔；17-尾缘隔墙；18-叶片后腔；19-前缘气膜孔塞子；20-盆侧倾斜气膜孔塞子；21-盆侧水平气膜孔塞子；22-尾缘劈缝塞子；23-背侧水平气膜孔塞子；24-背侧倾斜气膜孔塞子；25-热障涂层；26-前缘气膜孔下游无涂层区域；27-盆侧倾斜气膜孔下游无涂层区域；28-盆侧水平气膜孔下游无涂层区域；29-尾缘劈缝无涂层区域；30-背侧水平气膜孔下游无涂层区域；31-背侧倾斜气膜孔下游无涂层区域；32-塞子插销；33-塞子头部的底面与侧面过渡区；34-塞子头部；35-背侧水平气膜孔塞子头部侧视型线；36-背侧水平气膜孔塞子头部俯视型线；37-塞子插销轴线与YOZ平面夹角α；38-塞子头部X方向长度x；39-塞子头部Z方向厚度z；40-背侧水平气膜孔塞子头部底面俯视型线；41-塞子插销长度L；42-塞子插销直径d；43-塞子头部Y方向宽度y；44-背侧水平气膜孔塞子头部主视型线；45-盆侧水平气膜孔塞子头部主视型线；46-盆侧水平气膜孔塞子头部侧视型线；47-盆侧水平气膜孔塞子头部俯视型线；48-盆侧水平气膜孔塞子头部底面俯视型线；49-背侧倾斜气膜孔塞子头部主视型线；50-背侧倾斜气膜孔塞子头部中心线；51-塞子插销轴线与XOZ平面夹角β；52-塞子插销轴线与XOY平面夹角γ；53-背侧倾斜气膜孔塞子头部侧视型线；54-背侧倾斜气膜孔塞子头部底面俯视型线；55-背侧倾斜气膜孔塞子头部俯视型线；56-盆侧倾斜气膜孔塞子头部中心线；57-盆侧倾斜气膜孔塞子头部主视型线；58-盆侧倾斜气膜孔塞子头部侧视型线；59-盆侧倾斜气膜孔塞子头部底面俯视型线；60-盆侧倾斜气膜孔塞子头部俯视型线；61-前缘气膜孔塞子头部主视型线；62-前缘气膜孔塞子头部侧视型线；63-前缘气膜孔塞子头部底面俯视型线；64-前缘气膜孔塞子头部俯视型线；65-尾缘劈缝塞子插入段；66-尾缘劈缝塞子外露段；67-尾缘劈缝塞子Y方向宽度yT；68-尾缘劈缝塞子X方向长度xT；69-尾缘劈缝塞子Z方向厚度zT。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
请参见图4(c)所示，塞上塞子状态下叶片背侧的外观示意图，含背侧水平气膜孔塞子23。
背侧水平气膜孔塞子23的具体特征请参见图7所示，本实施例为塞在叶片背侧水平气膜孔11的塞子，背侧水平气膜孔塞子头部主视型线44为关于中心线对称的烛焰式型线，背侧水平气膜孔塞子头部俯视型线36为鲸背式型线，背侧水平气膜孔塞子头部底面俯视型线40为贴合叶片背侧10的凹状型线，背侧水平气膜孔塞子头部侧视型线35为圆弧式型线。气膜孔塞子插销直径d＝0.4mm；塞子插销长度L＝2.7mm；塞子头部X方向长度x＝9.5d；塞子头部Y方向宽度y＝2.5d；塞子头部Z方向厚度z＝4.5d；塞子插销轴线与YOZ平面夹角α＝53°。
实施例2：
请参见图4(a)所示，塞上塞子状态下叶片盆侧的外观示意图，含盆侧水平气膜孔塞子21。
盆侧水平气膜孔塞子21的具体特征请参见图8所示，本实施例为塞在叶片盆侧水平气膜孔5的塞子，盆侧水平气膜孔塞子头部主视型线45为关于中心线对称的烛焰式型线，盆侧水平气膜孔塞子头部俯视型线47为鲸背式型线，盆侧水平气膜孔塞子头部底面俯视型线48为贴合叶片盆侧6的凸状型线，盆侧水平气膜孔塞子头部侧视型线46为圆弧式型线。气膜孔塞子插销直径d＝0.4mm；塞子插销长度L＝2.7mm；塞子头部X方向长度x＝9.5d；塞子头部Y方向宽度y＝2.5d；塞子头部Z方向厚度z＝3d；塞子插销轴线与YOZ平面夹角α＝53°。
实施例3：
请参见图4(c)所示，塞上塞子状态下叶片背侧的外观示意图，含背侧倾斜气膜孔塞子24。
背侧倾斜气膜孔塞子24的具体特征请参见图9所示，本实施例为塞在叶片背侧倾斜气膜孔13的塞子，背侧倾斜气膜孔塞子头部主视型线49为弯曲烛焰式型线，背侧倾斜气膜孔塞子头部中心线50穿过该型线的中心，背侧倾斜气膜孔塞子头部俯视型线55为鲸背式型线，背侧倾斜气膜孔塞子头部底面俯视型线54为贴合背侧鳃区12的凹状型线，背侧倾斜气膜孔塞子头部侧视型线53为上缓下陡的非对称式结构。气膜孔塞子插销直径d＝0.4mm；塞子插销长度L＝3.4mm；塞子头部X方向长度x＝6.5d；塞子头部Y方向宽度y＝3d；塞子头部Z方向厚度z＝3.5d；塞子插销轴线与YOZ平面夹角α＝53°；塞子插销轴线与XOZ平面夹角β＝60°。
实施例4：
请参见图4(a)所示，塞上塞子状态下叶片盆侧的外观示意图，含盆侧倾斜气膜孔塞子20。
盆侧倾斜气膜孔塞子20的具体特征请参见图10所示，本实施例为塞在叶片盆侧倾斜气膜孔3的塞子，背侧倾斜气膜孔塞子头部主视型线57为弯曲烛焰式型线，盆侧倾斜气膜孔塞子头部中心线56穿过该型线的中心，盆侧倾斜气膜孔塞子头部俯视型线60为鲸背式型线，盆侧倾斜气膜孔塞子头部底面俯视型线59为贴合盆侧鳃区4的凹状型线，盆侧倾斜气膜孔塞子头部侧视型线58为上缓下陡的非对称式结构。气膜孔塞子插销直径d＝0.4mm；塞子插销长度L＝3.4mm；塞子头部X方向长度x＝6.5d；塞子头部Y方向宽度y＝3d；塞子头部Z方向厚度z＝3.5d；塞子插销轴线与YOZ平面夹角α＝53°；塞子插销轴线与XOZ平面夹角β＝60°
实施例5：
请参见图4(a)所示，塞上塞子状态下叶片盆侧的外观示意图，含前缘气膜孔塞子19。
前缘气膜孔塞子19的具体特征请参见图11所示，本实施例为塞在叶片前缘气膜孔1的塞子，前缘气膜孔塞子头部主视型线61为关于中心线对称的凤尾式型线，前缘气膜孔塞子头部俯视型线64为圆弧式型线，前缘气膜孔塞子头部底面俯视型线63为贴合叶片前缘2的凹状型线，前缘气膜孔塞子头部侧视型线62为圆弧式型线。气膜孔塞子插销直径d＝0.4mm；塞子插销长度L＝2.9mm；塞子头部X方向长度x＝5.5d；塞子头部Y方向宽度y＝4.5d；塞子头部Z方向厚度z＝4d；塞子插销轴线与XOY平面夹角γ＝37°。
实施例6：
请参见图4(a)所示，塞上塞子状态下叶片盆侧的外观示意图，含尾缘劈缝塞子22。
尾缘劈缝塞子22的具体特征请参见图12所示，本实施例为塞在尾缘劈缝窗口8的塞子，尾缘劈缝塞子插入段65便于将尾缘劈缝塞子22插入尾缘劈缝窗口8中，尾缘劈缝塞子外露段66用于阻挡热障涂层25在尾缘劈缝窗口8内的沉积。尾缘劈缝塞子Y方向宽度yT＝2mm；尾缘劈缝塞子X方向长度xT＝3.1mm；尾缘劈缝塞子Z方向厚度zT＝0.5mm。
Claims (8)
1.带气膜孔涡轮叶片的热障涂层喷涂方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1，在涡轮叶片上加工气膜孔，采用圆形孔、方形或椭圆形异形孔；同时叶片尾缘开有尾缘劈缝；
步骤2，根据叶片上气膜孔的位置对气膜孔分类；
叶片内腔被前缘隔墙(15)、尾缘隔墙(17)分为叶片前腔(14)、叶片中腔(16)、叶片后腔(18)；叶片前腔(14)含前缘气膜孔(1)、盆侧倾斜气膜孔(3)和背侧倾斜气膜孔(13)；叶片中腔(16)含盆侧水平气膜孔(5)和背侧水平气膜孔(11)；叶片后腔(18)含尾缘劈缝窗口(8)；
以气膜孔和劈缝所在的位置将叶片表面分为七个区，包括前缘(2)、盆侧鳃区(4)、叶片盆侧(6)、盆侧尾缘(7)、背侧尾缘(9)、叶片背侧(10)、背侧鳃区(12)；
使前缘气膜孔(1)朝上方倾斜；盆侧鳃区(4)和背侧鳃区(12)开有带流向夹角(复合角)的倾斜气膜孔，即盆侧倾斜气膜孔(3)和背侧倾斜气膜孔(13)的轴线在叶片表面上的投影与水平面呈近似60°的夹角；
叶片盆侧(6)和叶片背侧(10)开有水平气膜孔；在盆侧尾缘(7)开有尾缘劈缝窗口(8)；
步骤3，根据不同气膜孔的气膜覆盖区域和尾缘劈缝尺寸设计塞子；
以气膜孔下游金属基体壁面热流密度为零的等值线为参照，确定气膜绝对覆盖区，并在此基础上确定塞子形状；据此以及叶片的形状和气膜出流的设计工况确定塞子的形状；尾缘劈缝为水平劈缝，依据尾缘劈缝窗口(8)和尾缘劈缝的尺寸确定尾缘劈缝塞子(22)的形状；
所述塞子的设计方式如下：
首先定义塞子插销轴线与塞子头部底面的交点为原点O，沿截面叶型线俯视逆时针的切向为X轴正向，叶片径向为Y轴正向，叶片壁面法线为Z轴，且指向壁面外侧为正方向，三轴相互垂直，并符合右手定则；沿着Z轴向叶片内侧投影为主视图，沿着X轴正方向投影为侧视图，沿着Y轴向叶根处投影为俯视图；塞子插销(32)与塞子头部(34)空间上存在一定夹角，可视为由三个线面角组成，即塞子插销轴线与YOZ平面夹角α、塞子插销轴线与XOZ平面夹角β、塞子插销轴线与XOY平面夹角γ；塞子插销(32)的尺寸由塞子插销直径d和塞子插销长度L确定；塞子的长度由塞子头部X方向长度x确定，取值范围为5d至12d；塞子的宽度由塞子头部Y方向宽度y确定，取值范围为2d至5d；塞子的厚度由塞子头部Z方向厚度z确定，取值范围为2d至5d；
步骤4，塞子包括前缘气膜孔塞子(19)、盆侧气膜孔倾斜塞子(20)、盆侧水平气膜孔塞子(21)、尾缘劈缝塞子(22)，背侧水平气膜孔塞子(23)、背侧倾斜气膜孔塞子(24)；
步骤5，在进行步骤3和4的同时对叶片内腔渗铝，采用气相渗铝工艺，形成致密牢固的氧化铝膜；
步骤6，在进行步骤3和4的同时，并在步骤5之后喷涂叶片底层，叶片外表面底层用超声速喷涂或电子束气相沉积涂层；在喷涂陶瓷面层前，要在叶片表面喷涂0.1±0.02mm的MCrAlY作为底层，以缓冲热膨胀系数差异带来的热应力，使陶瓷面层与金属基体黏结更牢固；
步骤7，根据气膜孔的分类和尾缘劈缝窗口(8)选择相应的塞子；前缘气膜孔(1)选择与前缘(2)表面贴合的前缘气膜孔塞子(19)，盆侧倾斜气膜孔(3)选择与盆侧鳃区(4)表面贴合的盆侧倾斜气膜孔塞子(20)，盆侧水平气膜孔(5)选择与叶片盆侧(6)表面贴合的盆侧水平气膜孔塞子(21)，尾缘劈缝窗口(8)选择尾缘劈缝塞子(22)，背侧水平气膜孔(11)选择与叶片背侧(10)表面贴合的背侧水平气膜孔塞子(23)，背侧倾斜气膜孔(13)选择与背侧鳃区(12)表面贴合的背侧倾斜气膜孔塞子(24)；
步骤8，在气膜孔处塞入对应的塞子；气膜孔塞子借助塞子插销(32)采用过盈配合插入气膜孔安装在叶片上，并保证牢固以及头部底面与叶片表面贴合；
步骤9，叶片外表面的面层用等离子火焰喷涂YSZ陶瓷涂层或电子束气相沉积YSZ陶瓷涂层；热障涂层(25)覆盖在叶片和塞子头部的表面；
步骤10，移除塞在气膜孔上的塞子，以形成气膜孔和尾缘劈缝下游无涂层区域，包括凤尾形的前缘气膜孔下游无涂层区域(26)、弯曲烛焰形的盆侧倾斜气膜孔下游无涂层区域(27)，烛焰形的盆侧水平气膜孔下游无涂层区域(28)，尾缘劈缝无涂层区域(29)，烛焰形的背侧水平气膜孔下游无涂层区域(30)，弯曲烛焰形的背侧倾斜气膜孔下游无涂层区域(31)；
步骤11，叶片表面剖光，打磨气膜孔。
2.如权利要求1所述的带气膜孔涡轮叶片的热障涂层喷涂方法，其特征在于，
塞子的长度由塞子头部X方向长度x确定，典型值为10d；塞子的宽度由塞子头部Y方向宽度y确定，典型值为3d；塞子的厚度由塞子头部Z方向厚度z确定，典型值为3d。
3.如权利要求1所述的带气膜孔涡轮叶片的热障涂层喷涂方法，其特征在于，所述的背侧水平气膜孔塞子(23)的头部主视型线为关于中心线对称的烛焰式型线，该型线由椭圆弧段和线段以及过渡圆弧段光滑连接而成，其形状特征近似水平气膜孔的气膜覆盖形状，宽度沿中心线逐渐由宽变窄；背侧水平气膜孔塞子头部俯视型线为靠近插销一端厚且远离插销端薄的鲸背式型线，塞子头部的厚度从靠近塞子插销端逐渐增高到鲸背式型线的最高处，然后开始逐渐下降到远离塞子插销端处；背侧水平气膜孔塞子头部底面俯视型线为凹状型线，使背侧水平气膜孔塞子(23)与叶片背侧(10)贴合，背侧水平气膜孔塞子头部侧视型线为中心高两侧低的圆弧式型线。
4.如权利要求1所述的带气膜孔涡轮叶片的热障涂层喷涂方法，其特征在于，所述的盆侧水平气膜孔塞子(21)的头部主视型线为关于中心线对称的烛焰式型线，该型线由椭圆弧段和线段以及过渡圆弧段光滑连接而成，其形状特征近似水平气膜孔的气膜覆盖形状，宽度沿中心线逐渐由宽变窄；盆侧水平气膜孔塞子头部俯视型线为靠近插销一端厚且远离插销端薄的鲸背式型线，塞子头部的厚度从靠近塞子插销端逐渐增高到鲸背式型线的最高处，然后开始逐渐下降到远离塞子插销端处；盆侧水平气膜孔塞子头部底面俯视型线为凸状型线，使盆侧水平气膜孔塞子(21)与叶片盆侧(6)贴合；盆侧水平气膜孔塞子头部侧视型线为中心高两侧低的圆弧式型线。
5.如权利要求1所述的带气膜孔涡轮叶片的热障涂层喷涂方法，其特征在于，所述的背侧倾斜气膜孔塞子(24)头部中心线从原点O到远离插销端逐渐弯曲至平行X轴；背侧倾斜气膜孔塞子头部主视型线为弯曲烛焰式型线，该型线由椭圆弧段和线段以及过渡圆弧段光滑连接而成，其形状特征近似倾斜气膜孔的气膜覆盖形状，沿背侧倾斜气膜孔塞子头部中心线弯曲，且宽度逐渐缩小；背侧倾斜气膜孔塞子头部俯视型线为靠近插销一端厚且远离插销端薄的鲸背式型线，塞子头部的厚度从靠近塞子插销端逐渐增高到鲸背式型线的最高处，然后开始逐渐下降到远离塞子插销端处，背侧倾斜气膜孔塞子头部底面俯视型线为凹状型线，使背侧倾斜气膜孔塞子(24)与背侧鳃区(12)贴合；因为塞子头部随其中心线的弯曲，背侧倾斜气膜孔塞子头部侧视型线在原有圆弧状的基础上呈现为上缓下陡的非对称式结构。
6.如权利要求1所述的带气膜孔涡轮叶片的热障涂层喷涂方法，其特征在于，所述的盆侧倾斜气膜孔塞子(20)头部中心线从原点O到远离插销端逐渐弯曲至平行X轴；盆侧倾斜气膜孔塞子头部主视型线为弯曲烛焰式型线，该型线由椭圆弧段和线段以及过渡圆弧段光滑连接而成，其形状特征近似倾斜气膜孔的气膜覆盖形状，沿盆侧倾斜气膜孔塞子头部中心线弯曲，且宽度逐渐缩小；盆侧倾斜气膜孔塞子头部俯视型线为靠近插销一端厚且远离插销端薄的鲸背式型线，塞子头部的厚度从靠近塞子插销端逐渐增高到鲸背式型线的最高处，然后开始逐渐下降到远离塞子插销端处；盆侧倾斜气膜孔塞子头部底面俯视型线为凹状型线，使盆侧倾斜气膜孔塞子与盆侧鳃区(4)贴合；盆侧倾斜气膜孔塞子头部侧视型线在原有圆弧状的基础上呈现为上缓下陡的非对称式结构。
7.如权利要求1所述的带气膜孔涡轮叶片的热障涂层喷涂方法，其特征在于，所述的前缘气膜孔塞子(19)头部主视型线为关于中心线对称的凤尾式型线，该型线由椭圆弧段和圆弧段光滑连接而成，其形状特征近似前缘气膜孔(1)的气膜覆盖形状，沿中心呈现放射状渐宽；前缘气膜孔塞子头部俯视型线为中心低两边高的圆弧式型线；前缘气膜孔塞子头部底面俯视型线为凹状型线，使前缘气膜孔塞子(19)与前缘(2)贴合；前缘气膜孔塞子头部侧视型线(62)为圆弧式型线，其形状特征可以遮挡热障涂层(25)并使其喷涂的厚度均匀。
8.如权利要求1所述的带气膜孔涡轮叶片的热障涂层喷涂方法，其特征在于，所述的尾缘劈缝塞子(22)插入段与尾缘劈缝过盈配合，便于尾缘劈缝塞子(22)插入并固定在尾缘劈缝上；尾缘劈缝塞子外露段用于阻挡热障涂层(25)在尾缘劈缝内沉积；尾缘劈缝塞子(22)的宽度由尾缘劈缝塞子Y方向宽度yT确定；尾缘劈缝塞子(22)的长度由尾缘劈缝塞子X方向长度xT确定；尾缘劈缝塞子(22)的厚度由尾缘劈缝塞子Z方向厚度zT确定。
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