CN117226282A - 开槽涂层及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种涂层零件，例如陶瓷涂层零件，具有在涂层中形成的槽，该涂层形成在该零件的曲线部分上，以及形成该槽的方法。该方法包括执行多个激光烧蚀过程。每个激光烧蚀过程包括将激光束聚焦到焦深，用聚焦在焦深的激光束照射曲线部分的涂层以通过激光烧蚀去除涂层的涂层材料，以及在用激光束照射曲线部分的涂层的同时在扫描方向上扫描激光束。扫描方向是横向于涂层的厚度方向的方向。多个激光烧蚀过程中的每个后续过程的焦深在涂层的厚度方向上比后续过程之前的过程更深。
Description
技术领域
本公开涉及开槽涂层，特别是用于飞行器燃气涡轮发动机的部件上的陶瓷涂层。本公开还涉及形成开槽涂层的方法。
背景技术
热障涂层(TBC)在燃气涡轮发动机中用作部件的涂层。在许多应用中，金属基材都涂有TBC。TBC可以是陶瓷绝缘材料，其可降低部件下方金属段的工作温度。
附图说明
本公开的特征和优点将从以下如附图中所示的各种示例性实施例的描述中显而易见，其中相同的附图标记通常表示相同的、功能相似的和/或结构相似的元件。
图1示出了根据本公开的实施例的可以涂有陶瓷涂层的部件。
图2是示出了图1中的细节2的图1所示部件的法兰的详细视图。
图3是朝向法兰的边缘(曲线部分)看的图1所示的部件的法兰的视图。
图4是从图3中所示的视图升高以更多地朝向法兰的平面部分看的图1所示的部件的法兰的另一视图。
图5示出了根据本公开的另一实施例的涂有陶瓷涂层的部件的法兰。
图6是沿图2中的线6-6截取的图1中所示的部件和陶瓷涂层的横截面视图。
图7示出了可用于在图1所示的部件的陶瓷涂层中形成槽的激光系统。
图8是沿图2中的线8-8截取的图1中所示的部件和陶瓷涂层的横截面视图，阐明在形成槽之前的步骤中形成槽的方法。
图9A至9D是在槽形成时的不同时间截取的类似于图6的横截面视图。图9A是在第一激光烧蚀过程之后截取的部件和陶瓷涂层的一部分。图9B是在第二激光烧蚀过程之后截取的图9A中所示的部件和陶瓷涂层的一部分。图9C是在第三激光烧蚀过程之后截取的图9A中所示的部件和陶瓷涂层的一部分。图9D是在第四激光烧蚀过程之后截取的图9A中所示的部件和陶瓷涂层的一部分。
图10示出了可以与根据本公开的实施例的校准方法一起使用的校准组件。
图11是示出了图10中的细节11的图10中所示的校准组件的法兰的详细视图。
图12示出了在校准方法的步骤期间图7所示的激光系统中的第一照相机的视场。
图13示出了在图12所示的校准方法的步骤之后的步骤期间第一照相机的视场。
图14示出了在图13所示的校准方法的步骤之后的步骤期间图7所示的激光系统中的第二照相机的视场。
具体实施方式
本公开的特征、优点和实施例通过考虑以下详细描述、附图和权利要求而被阐明或显而易见。此外，以下详细描述是示例性的并且旨在提供进一步的解释而不限制所要求保护的本公开的范围。
下面详细讨论各种实施例。虽然讨论了具体实施例，但这只是为了说明的目的。相关领域的技术人员将认识到在不脱离本公开的精神和范围的情况下可以使用其他部件和配置。
如本文所用，术语“第一”、“第二”、“第三”等可互换使用以将一个部件与另一个部件区分开来，并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。
除非本文另有规定，否则术语“联接”、“固定”、“附接”、“连接”等既指直接联接、固定、附接或连接，也指通过一个或多个中间部件或特征间接联接、固定、附接或连接。
单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代，除非上下文另有明确规定。
如本文在整个说明书和权利要求书中所使用的近似语言被用于修饰可以被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，由诸如“大约”，“近似”和“基本上”的一个或多个术语修饰的值不限于所指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量该值的仪器的精度，或用于构造或制造部件和/或系统的方法或机器的精度。例如，近似语言可以指的是在1％、2％、4％、10％、15％或20％的余量内。
此处以及整个说明书和权利要求书中，范围限制被组合和互换。除非上下文或语言另有说明，否则此类范围被确定并且包括其中包含的所有子范围。例如，本文公开的所有范围包括端点，并且端点可彼此独立地组合。
在本公开中，除非有相反的明确说明，否则当一层被描述为在另一层或基板“之上”或“上方”时，这些层可以彼此直接接触或者在层之间具有另一层或特征。因此，这些术语只是简单地描述了层彼此的相对位置，并不一定意味着“在其之上”，因为上方或下方的相对位置取决于装置相对于观察者的方向。
如上所述，陶瓷热障涂层(TBCs)可用于隔离下方的基板，例如由金属合金制成的部件。这些陶瓷TBCs优选地可用于燃气涡轮发动机中暴露于发动机的热燃烧气体的部件上。陶瓷涂层和下方的金属基板的不同热膨胀可能导致TBC中在正常操作期间由于燃气涡轮发动机的热循环而形成裂纹。这种开裂可能导致TBC散裂。为了缓解这种散裂问题，可以在TBC中形成槽以提供应变消除或应变容差。
环境粉尘，例如含有钙-镁-铝-硅酸盐(CMAS)的一些组合的粉尘，经常被吸入燃气涡轮发动机的热区段中。粉尘会沉积在发动机的部件上，并且由于周围温度高，可能会熔化。如果TBC包括用于应变容差的工程孔和/或柱，则由此产生的低粘度液体(熔融/液体CMAS)可能会渗透到部件上TBC的工程孔和/或柱中。一旦液体CMAS冷却凝固，TBC的顺应性和涂层的应变耐受能力就会急剧下降。例如，通过等离子喷涂(APS)方法和使用通过电子束物理气相沉积(EBPVD)方法生产的柱状TBC等工艺形成的工程槽可能特别容易受到此类问题的影响。
可以使用激光烧蚀处理在TBC中形成槽。通过激光烧蚀处理形成的槽可以做得足够宽，以防止污染物填充槽并消除由槽提供的应变公差，因此，以这种方式形成的槽不太容易受到上述CMAS问题的影响。然而，传统的激光烧蚀处理可用于部件的平坦(平面)部分，留下部件的非平面(例如，弯曲)部分未开槽并且容易受到上述热应变问题的影响。因此，此类非平面表面可能容易受到TBC散裂的影响。涂有TBC的燃气涡轮发动机的部件，例如燃烧器和/或涡轮的部件，通常具有非平面(弯曲)部分。本公开讨论了激光烧蚀处理，该处理可用于在部件的非平面和曲线部分上的涂层中形成工程槽。由于该激光烧蚀过程是在三维(3D)空间中执行的，因此本文还讨论了校准过程以促进在部件的曲线部分上形成工程槽。所得的部件具有陶瓷涂层，可提供良好的涂层耐久性并平衡热应变耐受性、耐环境性(特别是对CMAS)和部件的曲线部分的传热性能。
如上所述，本文讨论的陶瓷涂层和处理特别适用于燃气涡轮发动机(例如飞行器的燃气涡轮发动机、结合到发电系统中的工业燃气涡轮发动机、航海燃气涡轮发动机等)中使用的部件的涂层。这种燃气涡轮发动机可包括具有包围发动机核心的外壳体(也称为外壳或机舱)的涡轮机。发动机核心以串联流动关系包括包含增压器或低压(LP)压缩机和高压(HP)压缩机的压缩机区段、燃烧区段、包括高压(HP)涡轮和低压(LP)涡轮的涡轮区段，以及喷射排气喷嘴区段。外壳体还可以限定入口。压缩机区段、燃烧区段和涡轮区段一起至少部分地限定从入口延伸到喷射排气喷嘴区段的核心空气流动通道。燃烧区段可包括燃烧器，例如环形燃烧器，其包括多个燃料喷嘴，这些燃料喷嘴将燃料喷射到限定在内燃烧衬套和外燃烧衬套之间的燃烧室中。流过核心空气流动通道的空气与燃烧室中的燃料混合并燃烧形成燃烧产物(燃烧气体)。
燃烧气体从燃烧室排出并流入涡轮区段。涡轮区段可包括多个涡轮转子，其包括例如盘和从盘延伸的多个涡轮叶片。涡轮区段还可以包括多个喷嘴，这些喷嘴将燃烧气体引导到涡轮叶片中以使涡轮转子旋转。
陶瓷TBC可应用于暴露于高温燃烧气体的这些部件的表面，包括例如燃烧区段和涡轮区段的部分。TBC可应用于燃烧器衬套、燃料喷嘴的部分，例如后隔热罩、涡轮喷嘴和涡轮转子的涡轮叶片。以下讨论使用后隔热罩作为可以应用本文讨论的陶瓷涂层(例如，TBC涂层)和方法的此类部件的示例。然而，本文讨论的陶瓷涂层和方法也适用于其他部件(例如其他燃气涡轮发动机部件)上的其他陶瓷涂层，特别是TBC涂层。
图1示出了可以使用下文讨论的方法在其中形成多个工程槽130的涂有陶瓷涂层120(图6)的燃料喷嘴后隔热罩(部件)100。本实施例的后隔热罩100为具有轴向方向A、径向方向R和周向方向C的圆柱体。后隔热罩100包括纵向(或轴向)中心线101，并且在本实施例中轴向方向A为平行于纵向中心线101的方向。后隔热罩100也是环形的，具有中心孔102。该实施例的后隔热罩100包括主体104和法兰110。法兰110包括平面部分112和曲线部分114。在本实施例中，曲线部分114是法兰110的外边缘。这种几何结构也可以在图7中看到。
图2是后隔热罩100的详细视图，示出了图1中的细节2。法兰110涂有陶瓷涂层120(图6)，并且在其中形成多个工程槽130(也称为槽130)。槽130包括形成在平面部分112上的多个径向槽132和多个周向槽134。径向槽132和周向槽134形成为网格图案以在径向槽132和周向槽134之间限定多个涂层段122。径向槽132和周向槽134彼此横向布置。尽管被描述为具有径向槽和周向槽的网格图案，但是可以使用其它合适的槽布置。多个槽130也使用下面讨论的方法形成在法兰110的曲线部分114上。与平面部分112一样，曲线部分114上的陶瓷涂层120中形成的槽130包括多个径向槽132和至少一个周向槽134。曲线部分114在本实施例中包括两个周向槽134。
图3和图4是法兰110的表面的附加视图，示出了在陶瓷涂层120(图6)中形成的槽130。图3是朝向法兰110的边缘(曲线部分114)看的法兰110的视图，而图4是从图3所示的视图升高以更多地朝向法兰110的平面部分112看的法兰110的视图。在一些实施例中，法兰110上的陶瓷涂层120(图6)可包括其中没有形成槽130的区段(本文称为过渡区段124)。该过渡区段124位于法兰110的平面部分112与曲线部分114之间的区域，并且在本实施例中，过渡区段124在法兰110的周向方向上延伸。过渡区段124还可以见于图2。在一些实施例中，形成在平面部分112中的槽130可以用与本文讨论的方法不同的技术形成。过渡区段124允许使用一种方法在曲线部分114上形成槽130，例如后隔热罩100的纵向中心线101相对于激光束212成角度的地方(参见图7)，如下文进一步讨论的，以及用于在平面部分112上形成槽130的另一种方法，例如在后隔热罩100的纵向中心线101平行于激光束212的地方。
图5示出了根据另一实施例的后隔热罩的法兰111。该实施例的法兰111与上述讨论的法兰110相同，但是该实施例的法兰111不包括过渡区段124。因此，相同的附图标记用于该实施例中与上述讨论的特征相同或相似的特征。上述对这些特征的详细描述同样适用于本实施例，在此不再赘述。在该实施例中，形成在曲线部分114中的径向槽132定位成使得它们与形成在平面部分112中的径向槽132连接(是连续的)。以下讨论将参考图1至图4中所示的后隔热罩100和法兰110，但同样适用于图5所示的实施例。
图6是部件(后隔热罩)100的横截面视图，更具体地，是沿图2中的线6-6截取的法兰110的横截面视图。剖面线6-6也显示在图3和图4中。该实施例的法兰110是具有表面142的基板140。图6中描绘的法兰110的部分是曲线部分114，并且因此图6中描绘的表面142也是表面142的曲线部分。陶瓷涂层120形成在基板140上，并且更具体地，形成在基板140的表面142上。在该实施例中，陶瓷涂层120直接形成在基板140的表面142上。但是，在其他实施例中，中间层可以形成在它们之间。
如上所述，该实施例中描述的部件100是后隔热罩并且陶瓷涂层120是TBC。任何合适的陶瓷都可以用作陶瓷涂层120的陶瓷。当陶瓷涂层120是TBC时，陶瓷涂层120的陶瓷可以是稳定的陶瓷，其可以承受相当高的温度梯度，使得涂覆的金属部件可以在高于金属熔点的气体温度下操作。例如，TBC材料可以是氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)和其他稀土稳定的氧化锆组合物、莫来石(3Al2O3-2SiO2)、氧化铝(Al2O3)、二氧化铈(CeO2)、稀土锆酸盐(例如La2Zr2O7)、稀土氧化物(例如La2O3，Nb2O5，Pr2O3，CeO2)，以及金属-玻璃复合材料，包括其组合(例如氧化铝和YSZ或二氧化铈和YSZ)。一种特别合适的TBC材料是例如氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)。除了高温稳定性外，YSZ还兼具高韧性和化学惰性的良好结合，并且YSZ的热膨胀系数与被涂层的涡轮叶片的金属部件的热膨胀系数是比较合适的匹配。在其他实施例中，例如，陶瓷涂层120可以是环境屏障涂层(EBC)，例如用在陶瓷基复合材料(CMC)部件上，并且合适的EBC材料包括例如硅酸盐和铝硅酸盐。
如上所述，基板140可以是由适合在高温环境中使用的金属形成的金属基板，例如钢或超级合金(例如，镍基超级合金、钴基超级合金或铁基超级合金，例如Rene N5、N500、N4、N2、IN718、Hastelloy X或Haynes 188)或其他适合耐高温的材料。陶瓷涂层120可沿着基板140的一个或多个部分布置或基本上布置在基板140的整个外部上。陶瓷涂层120和基板140不限于本文讨论的实施例的特定部件和材料。
陶瓷涂层120可以通过任何合适的处理形成。例如，陶瓷涂层120可以通过以下处理(空气等离子喷涂(APS)、电子束物理气相沉积(EBPVD)、高速氧燃料(HVOF)、静电喷涂辅助气相沉积(ESAVD)和直接气相沉积)中的一种或多种形成。陶瓷涂层120被应用到基板140的表面142以具有厚度t。合适的厚度包括例如从六百一十微米(千分之二十四英寸)到六百六十微米(千分之二十六英寸)的厚度。因此，陶瓷涂层120可以为基板140提供热和其他保护益处，槽130优选地不一直延伸通过陶瓷涂层120的厚度t。槽130的深度d小于陶瓷涂层120的厚度t。在一些实施例中，例如，陶瓷涂层120的深度d为陶瓷涂层120的总厚度t的百分之九十或更小，例如百分之八十五或更小，以及陶瓷涂层120的总厚度t的百分之八十或更小。槽130的深度d还优选地具有陶瓷涂层120的总厚度t的百分之四十或更多，例如陶瓷涂层120的总厚度t的百分之五十或更多。
槽130包括第一侧壁136和第二侧壁138。使用下面讨论的方法在法兰110(基板140)的曲线部分114、第一侧壁136和第二侧壁138上形成的槽130可相对于彼此成角度以在第一侧壁136和第二侧壁138之间形成夹角α。因此，在曲线部分114上的陶瓷涂层120中形成的槽130(特别是径向槽132)具有V形。尽管槽130在图6中所示汇聚到一个点，但V形不限于此，并且第一侧壁136和第二侧壁138可以彼此间隔开，底面139位于其间，如图9D所示。
槽130优选地在陶瓷涂层120的外表面126处具有宽度w。为了提供环境耐久性和避免上述讨论的CMAS问题，槽130的宽度可以被设计成足够大以保持理想的低毛细管力并降低槽与熔融材料桥接的风险，但小到足以基本上不影响陶瓷涂层120的性能。例如，槽130可以从十微米到两百微米宽，例如从十微米到一百微米宽，从十五微米到九十微米宽，或者从二十微米到八十微米宽。因为移除陶瓷涂层120以形成槽130会降低陶瓷涂层120的保护益处，所以V形可用于最小化移除的陶瓷涂层120的量并提供仍然改进涂层的环境和热耐久性的槽130。优选地，夹角α小于三十度并且更优选地小于十五度。
如上所述，为了形成此处讨论的槽130，特别是在法兰110的曲线部分114上的陶瓷涂层120中形成的槽130，可以使用激光烧蚀处理。使用激光去除陶瓷涂层120的陶瓷允许以上述图案、深度和宽度形成槽130。因为槽130没有延伸穿过陶瓷涂层120的厚度t，所以仔细控制激光烧蚀处理以避免去除过多的陶瓷涂层120。在曲线部分114上形成槽130可能特别具有挑战性，需要在3D空间中仔细控制，因为随着激光在扫描方向上扫描，与激光的距离会发生变化。
图7示出了可用于在法兰110的曲线部分114上形成槽130的激光系统200。该实施例的激光系统200包括激光扫描仪210，该激光扫描仪210朝向部件(后隔热罩)100发射(辐射)激光束212。可以使用任何合适的激光扫描仪210，包括例如使用检流计反射镜的激光束扫描装置。激光扫描仪210可以是3D激光扫描仪210，其中激光束212可以在X-Y平面中的扫描方向上移动，并且激光束212可以在Z方向上升高以改变激光束212的焦深。
其中形成有槽的零件可称为工件，并且在该实施例中是后隔热罩100。激光系统200包括工作台220以保持和定位后隔热罩100(工件)并且后隔热罩100安装在工作台220上。该实施例的工作台220包括可枢转底座222，其可相对于激光系统200的X-Y平面倾斜。可枢转底座222在本实施例中被示为板，并且可以相对于X-Y平面设置固定倾斜角度。在该实施例中，后隔热罩100安装到工作台220，使得当可枢转底座222不倾斜时，后隔热罩100的轴向方向A在激光系统200的Z方向上，并且当倾斜时，后隔热罩100的轴向方向A相对于Z方向成角度。在本实施例中，激光扫描仪210在Z方向上向下发射激光束212，并且当枢转底座222倾斜时，后隔热罩100的轴向方向A也相对于激光束212倾斜。
工作台220进一步包括可旋转底座224，并且后隔热罩100安装到可旋转底座224以绕纵向中心线101旋转，并且因此，后隔热罩100可以在周向方向C上旋转。在本实施例中，电动机226用于使可旋转底座224旋转以及使可枢转底座222倾斜。
激光系统200进一步包括多个图像捕获装置。在该实施例中，图像捕获装置是感测可见光以创建静止图像或视频图像的照相机。多个图像捕捉装置包括第一照相机232和第二照相机234。第一照相机232和第二照相机234定位成捕捉后隔热罩100的不同视场。第一照相机232和第二照相机234可以基本上彼此正交定位，使得第一照相机232具有大致X-Z平面的视场并且第二照相机234具有大致Y-Z平面的视场。如本文所用，“基本上正交”可以指在正交的正负两个半度以内，并且更优选地，在正交的正负一度以内。第一照相机232可以具有第一照相机232的视场的中心线236，并且第二照相机234可以具有第二照相机234的视场的中心线238。第一照相机232的中心线236和第二照相机234的中心线238可用于确定上述第一照相机232和第二照相机234的定位。第一照相机232和第二照相机234用于定位和控制如下所述的激光束212，并且因此当被定位以形成槽130时，第一照相机232和第二照相机234的视场优选地包括激光束212和后隔热罩100。
激光系统200还可以包括控制器240。控制器240被配置为操作激光系统200的各个方面，在一些实施例中，包括在此讨论的激光扫描仪210、工作台220、第一照相机232和第二照相机234。在图7中示出的控制器240被通信地和可操作地联接到激光扫描仪210，使得控制器240可以以下面讨论的方式控制激光束212。控制器240还通信地和可操作地联接到工作台220，并且更具体地，联接到电动机226以移动后隔热罩100。控制器240进一步通信地和可操作地联接到第一照相机232和第二照相机234，以控制第一照相机232和第二照相机234并且从第一照相机232和第二照相机234接收图像(输入)。
在该实施例中，控制器240是具有一个或多个处理器242和一个或多个存储器244的计算装置。处理器242可以是任何合适的处理装置，包括但不限于微处理器、微控制器、集成电路、逻辑装置、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路(ASIC)和/或现场可编程门阵列(FPGA)。存储器244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、计算机可读非易失性介质(例如，闪存)、RAM、ROM、硬盘驱动器、闪存驱动器和/或其他存储装置。
存储器244可以储存处理器242可访问的信息，包括可以由处理器242执行的计算机可读指令。指令可以是当由处理器242执行时的任何指令集或指令序列，使处理器242和控制器240执行操作。在一些实施例中，指令可以由处理器242执行以使处理器242完成控制器240被配置用于的任何操作和功能，如下文将进一步描述的。指令可以是用任何合适的编程语言编写的软件，或者可以用硬件实现。另外和/或备选地，指令可以在处理器242上在逻辑上和/或虚拟上分开的线程中执行。存储器244可以进一步储存可以由处理器242访问的数据。
本文讨论的技术参考了基于计算机的系统和由基于计算机的系统采取的动作以及发送到和来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部件之间和部件之中的任务和功能的多种可能配置、组合和划分。例如，本文讨论的处理可以使用单个计算装置或组合工作的多个计算装置来实现。数据库、存储器、指令和应用程序可以在单个系统上实现，也可以分布在多个系统上。分布式部件可以顺序或并行操作。
在下面的讨论中，控制器240将被描述为执行形成槽130的方法中的各个步骤。然而，可以使用任何合适的装置来执行该过程，并且该装置不限于控制器240以及上面讨论的激光系统200。当控制器240执行下面的步骤时，控制器240可以在有或没有用户输入的情况下这样做。控制器240可通信地联接到一个或多个用户接口246。通过用户接口246，控制器240从操作员或用户获得输入并将输出传输到操作员或用户。因此，操作员或用户也可以通过用户接口246控制激光系统200，更具体地说，控制控制器240。可以使用任何合适的用户接口246，包括显示器。控制器240可通信地联接到显示器以向用户呈现信息，例如来自第一照相机232和第二照相机234的图像。其他合适的用户接口246包括键盘、鼠标、静态按钮或显示在显示屏上的虚拟按钮。
图8是部件(后隔热罩)100的横截面视图，并且更具体地说，是沿图2中的线8-8截取的在形成槽130之前的步骤中的法兰110的横截面视图。图9A至9D是在形成径向槽132的不同时间截取的类似于图6的横截面视图。图8和图9A至9D将用于说明在法兰110的曲线部分114中形成槽130的过程。图8是在第一激光烧蚀过程之前截取的法兰110的一部分。图9A是在第一激光烧蚀过程之后截取的法兰110的一部分。图9B是在第二激光烧蚀过程后截取的图9A中所示的法兰110的一部分。图9C是在第三激光烧蚀过程后截取的图9A中所示的法兰110的一部分。图9D是在第四激光烧蚀过程后截取的图9A中所示的法兰110的一部分。
在基板140的曲线部分114上的陶瓷涂层120中形成槽130的方法将使用径向槽132中的一个来描述。然而，该方法适用于在曲线部分114上陶瓷涂层120中形成的任何槽130(包括周向槽134)。该方法包括执行多个激光烧蚀过程。此处将描述四个过程，但是可以使用任何合适数量的过程。
图8说明了第一激光烧蚀过程之前的状况。在图8中，后隔热罩100已如上文参考图7所述定位，其中后隔热罩100的纵向中心线101相对于激光束212和Z方向成角度。径向槽132(图9A至9D)通过用激光束212进行多个激光烧蚀过程以在每个过程中从陶瓷涂层120去除陶瓷材料而形成。控制器240将激光束212聚焦到焦深，在图8中，显示为d1。如图8所示，后隔热罩100定位成使得曲线部分114在扫描方向S以及陶瓷涂层120的厚度方向t上弯曲。本实施例中的扫描方向S横向于陶瓷涂层120的厚度方向t。在形成径向槽132时，扫描方向S也是后隔热罩100的径向方向R。
然后，控制器240在扫描方向S上扫描激光束212，同时照射在基板140(后隔热罩100)的曲线部分114上形成的陶瓷涂层120。焦深被设置为使得焦深在沿扫描距离的任何位置处不超过陶瓷涂层120中的径向槽132的最大期望深度。扫描距离是激光束212在照射陶瓷涂层120时平移的距离。焦深在扫描距离上是恒定的(不改变)。
图9A示出了在第一激光烧蚀过程之后截取的法兰110的一部分。径向槽132形成深度d1。如上所述，径向槽132优选地形成为具有相对于彼此成角度的第一侧壁136和第二侧壁138的V形。因此，控制器240控制激光束212的宽度以产生用于第一过程的径向槽132的宽度w1。
然后，控制器240对每个后续过程重复上述步骤。每个后续过程的焦深在陶瓷涂层120的厚度方向t上比后续过程之前的过程更深。控制器240还控制激光束212的光束宽度以针对每个后续过程产生小于后续过程之前的过程的径向槽132的宽度的径向槽132的宽度。例如，图9B是在第二激光烧蚀过程后截取的图9A中所示的法兰110的一部分。如图9B所示，第二过程之后径向槽132的深度d2在厚度方向上比第一过程之后径向槽132的深度d1更深，并且第二过程之后径向槽132的宽度w2小于第一过程之后径向槽132的宽度w1。如图9C所示，第三过程之后的径向槽132的深度d3在厚度方向上比第二过程之后的径向槽132的深度d2更深，并且第三过程之后的径向槽132的宽度w3小于第二过程之后径向槽132的宽度w2。如图9D所示，第四过程之后径向槽132的深度d4在厚度方向上比第三过程之后径向槽132的深度d3更深，并且在第四过程之后径向槽132的宽度w4小于在第三过程之后径向槽132的宽度w3。如上所述，图9D中所示的径向槽132包括底表面139，并且第一侧壁136在底表面139处与第二侧壁138间隔开宽度w4。
如上所述，为每个过程设置焦深，使得焦深在沿扫描距离的任何位置处不超过陶瓷涂层120中的径向槽132的最大期望深度。控制器240可以控制激光烧蚀过程的开始和结束位置，并因此控制扫描距离，以以此方式控制径向槽132的深度。因此，控制器240可以设置每个激光烧蚀过程的开始位置和/或结束位置。在一些实施例中，至少一个后续过程的开始位置和/或结束位置不同于该后续过程之前的过程。
图2至4所示的曲线部分114中的每个径向槽132可以使用上述讨论的处理形成。在形成第一径向槽132之后，控制器240使用例如可旋转底座224和电动机226使后隔热罩100围绕纵向中心线101旋转。然后，控制器240重复上述处理以形成第二径向槽132。
如上所述，通过使用多个过程可以控制每个径向槽132的深度d4以具有小于陶瓷涂层120的厚度t的深度。这种方法能够在曲线部分114上形成槽，而其他激光烧蚀技术仅限于平面部分112。为此，在3D空间中控制激光束212的焦点(在上面讨论的3D坐标系中定位激光束212的焦点)很重要，并且可以使用以下校准处理来定位激光束212的焦点。
在校准过程中，激光系统200的设置如上文参考图7所述，包括如上所述定位第一照相机232和第二照相机234，使得第二照相机234的视场横向于第一照相机232的视场。第一照相机232和第二照相机234是定位成彼此基本上正交，并且如上所述，第二照相机234的视场可以在第一照相机234的视场的五度正交范围内，并且更优选地，在第一照相机234的视场的二度正交范围内。尽管如果第一照相机232和第二照相机234各自连接到适当的移动机构，则这些步骤可以由控制器240执行，这些动作可以由激光系统200的用户执行。
图10示出了可以与本文讨论的校准方法一起使用的校准组件300。校准组件300以上述用于工件(后隔热罩100)的方式放置在工作台220(参见图7)上。校准组件300优选地具有与工件相似的几何形状，并且因此在该实施例中具有与后隔热罩100相似的几何形状。校准组件300包括具有法兰310的支撑零件302，法兰310的尺寸和形状类似于后隔热罩100的法兰110。法兰110包括位于法兰110的曲线部分114所在位置的外边缘312。
校准组件300还包括多个校准块，包括第一校准块322和第二校准块324。第一校准块322和第二校准块324定位在支撑零件302上，并且更具体地，定位在支撑零件302的法兰310上。第一校准块322和第二校准块324可以放置在例如支撑零件302的法兰310的外边缘312上。第一校准块322和第二校准块324在支撑零件302上彼此相邻定位，并且更具体地，在法兰310的外边缘312上的周向方向上彼此相邻。
图11是校准组件300的法兰310的详细视图，显示了图10中的细节11。第一校准块322包括校准表面326，并且第二校准块324包括校准表面328。在该实施例中，第一校准块322是平面校准块330并且平面校准块330(第一校准块322)的校准表面326是平面表面332。另外，在本实施例中，第二校准块324为球形校准块340，并且球形校准块340的校准表面32(第二校准块324)是球形表面342。在该实施例中，球形表面342具有至少部分球形，并且在一些实施例中，可以是半球或更多。
图12示出了在校准方法的步骤期间第一照相机232的视场。包括平面校准块330和球形校准块340的支撑零件302的法兰310位于第一照相机232(图7)的视场内。校准方法包括在平面校准块330中(并且更具体地，在平坦表面332中)形成第一校准槽334。控制器240用激光束212(图7)照射平面校准块330，同时在第一扫描方向上扫描激光束212。在该实施例中，第一扫描方向横向于第一照相机232的视场(在图12所示的视图中进出页面)并且大致平行于第一照相机232的视场的中心线236(图7)。第一校准槽334可用于将激光束212的焦点定位为第一照相机232的视场中的位置，并且校准方法包括基于第一校准槽334的深度定位激光束212的焦点位置(图7)。
图13示出了在图12所示的校准方法的步骤之后的步骤期间第一照相机232(图7)的视场。经过上述步骤后，控制器240(图7)移动激光束212(图7)与球形校准块340中的至少一者，使球形校准块340处于被激光束212照射位置。校准方法还包括在球形校准块340中形成第二校准槽344，并且更具体地，在球形表面342中第二照相机234可观察到的位置处。然后控制器240在第二扫描方向上扫描激光束212的同时，用激光束212照射球形校准块340。在该实施例中，第二扫描方向与第一扫描方向相同——横向于第一照相机232的视场(在图13所示的视图中进出页面)并且大体上平行于第一照相机232的视场的中心线236(图7)。
如上所述，控制器240(图7)在球形表面342上在第二照相机234(图7)可观察到的位置形成第二校准槽344。在本实施例中，球形校准块340包括中心线346，并且控制器240(图7)在中心线346的一侧形成第二校准槽344。优选地，控制器240在中心线346的最靠近第二照相机234并且远离平面校准块330的一侧形成第二校准槽344。第二照相机234的位置示意性地描绘在图14中以说明上述关系，但第二照相机234通常不在第一照相机232的视场中。
图14示出了在图13所示的校准方法的步骤之后的步骤期间第二照相机234的视场。平面校准块330位于球形校准块340的一侧，并且在本实施例中，平面校准块330比球形校准块340离第二照相机234更远，使得平面校准块330和球形校准块340都在第二照相机234的视场中。通过以上述方式在球形表面342上形成第二校准槽344，第二校准槽344在第二照相机234的视场中是可见的。第二校准槽344可用于将激光束212(图7)的焦点定位在第二照相机234(图7)的视场中的位置，并且校准方法包括基于第二校准槽344的深度在第二照相机234的视场中定位激光束212的焦点的位置。
第二校准槽344也可以用于将激光束212(图7)的焦点定位为第一照相机232(图7)的视场中的位置，并且校准方法可以包括基于第二校准槽344的深度将激光束212的焦点位置定位在第一照相机232的视场中。例如，平面校准块330可用于定位激光束212的初始位置，并且因此有助于定位激光束212以在第一照相机232以及第二照相机234(图7)都可观察到的位置形成第二校准槽344，但在一些实施例中，可省略形成第一校准槽334以及基于第一校准槽334定位激光束212的焦点的步骤。当省略第一校准槽334时，形成在球形校准块340中的校准槽(本文讨论的第二校准槽344)可用于基于在球形校准块340中形成的校准槽(第二校准槽344)的深度定位激光束212的焦点在第一照相机232的视场中的位置。
在没有应变消除的情况下，陶瓷涂层120可能易于应变失效和散裂，特别是当陶瓷涂层120在高温环境中(例如燃气涡轮发动机)使用时。这里讨论的部件100包括非平面表面，并且除了平面表面之外，陶瓷涂层120中形成的多个槽130可以形成在非平面表面上。除了平面表面之外，本文讨论的方法使得这些槽130能够通过激光烧蚀在部件100的非平面表面上形成，因此提供耐久性和抗散裂和其它环境条件的能力。本文讨论的校准方法通过确保激光束212的焦点在3D空间中的准确定位来实现上述激光烧蚀过程。
本公开的进一步方面由以下条项的主题提供。
一种在零件的曲线部分上形成的涂层中形成槽的方法，所述方法包括执行多个激光烧蚀过程。所述多个激光烧蚀过程中的每个激光烧蚀过程包括将激光束聚焦到焦深，用聚焦在所述焦深的所述激光束照射所述曲线部分的所述涂层以通过激光烧蚀去除所述涂层的涂层材料，以及在用所述激光束照射所述曲线部分的所述涂层的同时在扫描方向上扫描所述激光束。所述扫描方向是横向于所述涂层的厚度方向的方向，其中，所述多个激光烧蚀过程中的每个后续过程的所述焦深在所述涂层的厚度方向上比所述后续过程之前的过程更深。
根据前述条项所述的方法，其中，所述零件的所述曲线部分在所述扫描方向上弯曲。
根据前述条项中任一项所述的方法，其中，照射所述涂层为每个过程产生所述槽的宽度，并且照射所述涂层包括控制所述激光束，以为每个后续过程产生小于所述后续过程之前的所述过程的所述槽的所述宽度的所述槽的所述宽度。
根据前述条项中任一项所述的方法，其中，控制所述多个激光烧蚀过程的数量，以产生具有小于所述涂层的所述厚度的深度的槽。
一种在零件的曲线部分上形成的涂层中形成槽的方法，所述零件的所述曲线部分在横向于所述零件的纵向轴线的方向和平行于所述零件的所述纵向轴线的方向上弯曲，所述方法包括使用根据权利要求1所述的方法形成第一槽，所述扫描方向具有平行于所述纵向轴线的分量方向，围绕所述纵向轴线旋转所述零件，以及使用根据权利要求1所述的方法形成第二槽，所述扫描方向具有平行于所述纵向轴线的分量方向。
根据前述条项中任一项所述的方法，其中，形成所述第一槽和形成所述第二槽各自包括在所述扫描方向上扫描所述激光束，其中所述扫描方向的分量方向在所述零件的径向方向上。
根据前述条项中任一项所述的方法，其中，所述激光束在所述扫描方向上扫描，同时用所述激光束照射所述曲线部分的所述涂层一段扫描距离，所述焦深在所述扫描距离上是恒定的。
根据前述条项中任一项所述的方法，其中，所述扫描距离包括开始位置和结束位置，后续过程的所述开始位置和所述结束位置中的至少一个不同于在所述后续过程之前的所述过程。
根据前述条项中任一项所述的方法，其中，所述涂层是陶瓷涂层。
根据前述条项中任一项所述的方法，其中，陶瓷涂层形成在所述零件的基板上，所述基板是金属。
根据前述条项中任一项所述的方法，其中，所述零件是燃气涡轮发动机的部件，并且所述陶瓷涂层是热障涂层。
根据前述条项中任一项所述的方法，其中，所述零件是用于燃料喷嘴的隔热罩。
根据前述条项中任一项所述的方法，其中，所述隔热罩包括具有所述曲线部分的法兰。
根据前述条项中任一项所述的方法，进一步包括在执行所述多个激光烧蚀过程之前校准激光束，其中，校准所述激光束包括用第一照相机对校准块成像，所述第一照相机具有视场并且所述校准块具有校准表面，在扫描方向上扫描所述激光束的同时通过用所述激光束照射所述校准块而在所述校准块的所述校准表面中形成校准槽，所述扫描方向横向于所述第一照相机的所述视场，基于所述校准槽的所述深度，在所述第一照相机的所述视场中定位所述激光束的所述焦点的位置，以及基于所述校准槽的所述深度，在第二照相机的视场中定位所述激光束的所述焦点的所述位置，所述第二照相机的所述视场横向于所述第一照相机的所述视场。
根据前述条项中任一项所述的方法，其中，所述第二照相机的所述视场在所述第一照相机的所述视场的正交两度以内。
根据前述条项中任一项所述的方法，其中，所述校准块是球形校准块，并且所述球形校准块的所述校准表面是球形表面。
根据前述条项中任一项所述的方法，其中，所述球形校准块包括中心线，所述校准槽形成在所述中心线最靠近所述第二照相机的一侧。
根据前述条项中任一项所述的方法，其中，所述校准块是第二校准块，所述校准表面是第二校准表面，所述校准槽是第二校准槽，并且所述扫描方向是第二扫描方向，并且其中，在形成所述第二校准槽之前，校准所述激光束进一步包括用所述第一照相机对第一校准块成像，所述第一校准块具有校准表面，在第一扫描方向上扫描所述激光的同时通过用所述激光照射所述第一校准块的所述校准表面而在所述第一校准块的所述校准表面中形成第一校准槽，所述第一扫描方向横向于所述第一照相机的所述视场，以及基于所述第一校准槽的所述深度，在所述第一照相机的所述视场中定位所述激光束的所述焦点的所述位置。
根据前述条项中任一项所述的方法，其中，所述第一校准块和所述第二校准块定位在支撑零件上。
根据前述条项中任一项所述的方法，其中，所述第一校准块和所述第二校准块彼此相邻地定位在所述支撑零件上。
根据前述条项中任一项所述的方法，其中，所述第二校准块是球形校准块并且所述球形校准块的所述第二校准表面是球形表面。
根据前述条项中任一项所述的方法，其中，所述第一校准块是平面校准块并且所述平面校准块的所述校准表面是平面表面。
根据前述条项中任一项所述的方法，其中，所述球形校准块包括中心线，所述校准槽形成在所述中心线最靠近所述第二照相机并远离所述第一校准块的一侧。
一种校准激光束的方法，包括用第一照相机对校准块成像，所述第一照相机具有视场并且所述校准块具有校准表面，在扫描方向上扫描所述激光束的同时通过用所述激光束照射所述校准块而在所述校准块的所述校准表面中形成校准槽，所述扫描方向横向于所述第一照相机的所述视场，基于所述校准槽的所述深度，在所述第一照相机的所述视场中定位所述激光束的所述焦点的位置，以及基于所述校准槽的所述深度，在第二照相机的视场中定位所述激光束的所述焦点的所述位置，所述第二照相机的所述视场横向于所述第一照相机的所述视场。
根据前述条项中任一项所述的方法，其中，所述第二照相机的所述视场在所述第一照相机的所述视场的正交两度以内。
根据前述条项中任一项所述的方法，其中，所述校准块是第二校准块，所述校准表面是第二校准表面，所述校准槽是第二校准槽，并且所述扫描方向是第二扫描方向，并且其中，在形成所述第二校准槽之前，所述方法进一步包括用所述第一照相机对第一校准块成像，所述第一校准块具有校准表面，在第一扫描方向上扫描所述激光的同时通过用所述激光照射所述第一校准块的所述校准表面而在所述第一校准块的所述校准表面中形成第一校准槽，所述第一扫描方向横向于所述第一照相机的所述视场，以及基于所述第一校准槽的所述深度，在所述第一照相机的所述视场中定位所述激光束的所述焦点的所述位置。
根据前述条项中任一项所述的方法，其中，所述第一校准块和所述第二校准块定位在支撑零件上。
根据前述条项中任一项所述的方法，其中，所述第一校准块和所述第二校准块彼此相邻地定位在所述支撑零件上。
根据前述条项中任一项所述的方法，其中，校准块是球形校准块并且所述球形校准块的所述校准表面是球形表面。
根据前述条项中任一项所述的方法，其中，所述球形校准块包括中心线，所述校准槽形成在所述中心线最靠近所述第二照相机的一侧。
根据前述条项中任一项所述的方法，其中，所述第二校准块是球形校准块并且所述球形校准块的所述第二校准表面是球形表面
根据前述条项中任一项所述的方法，其中，所述第一校准块是平面校准块，并且所述平面校准块的所述校准表面是平面表面。
根据前述条项中任一项所述的方法，其中，所述球形校准块包括中心线，所述校准槽形成在所述中心线的最靠近所述第二照相机并远离所述第一校准块的一侧。
一种用于燃气涡轮发动机的陶瓷涂层零件，包括具有表面的基板、沉积在所述表面上的陶瓷涂层以及在所述表面的所述曲线部分上的所述陶瓷涂层的所述部分中形成的多个槽。所述表面的至少一部分是所述表面的曲线部分。所述表面的所述曲线部分具有曲率方向。沉积在所述表面上的所述陶瓷涂层包括所述表面的所述曲线部分。所述陶瓷涂层具有外表面和厚度。所述多个槽中的每个槽在所述陶瓷涂层的外表面处具有从十微米到两百微米宽的宽度。所述多个槽中的每个槽的深度都小于所述陶瓷涂层的所述厚度。
根据前述条项中任一项所述的陶瓷涂层零件，其中，所述零件包括纵向轴线和围绕所述纵向轴线的周向方向，所述多个槽中的每个槽是在所述零件的所述周向方向上形成的周向槽。
根据前述条项中任一项所述的陶瓷涂层零件，其中，所述多个槽中的每个槽具有V形。
根据前述条项中任一项所述的陶瓷涂层零件，其中，所述多个槽中的每个槽包括第一侧壁、第二侧壁和底表面，所述第一侧壁和所述第二侧壁彼此间隔开，其间具有底表面。
根据前述条项中任一项所述的陶瓷涂层零件，其中，所述零件包括纵向轴线和从所述纵向轴线开始的径向方向，所述多个槽中的每个槽都是在所述零件的所述径向方向上形成的径向槽。
根据前述条项中任一项所述的陶瓷涂层零件，其中，所述零件是用于燃料喷嘴的隔热罩。
根据前述条项中任一项所述的陶瓷涂层零件，其中，所述隔热罩包括法兰，所述法兰是所述基板。
尽管前面的描述是针对优选实施例的，但是对于本领域的技术人员来说，其他变化和修改将是显而易见的，并且可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下进行其他变化和修改。此外，结合一个实施例描述的特征可以结合其他实施例使用，即使上面没有明确说明。
Claims (10)
1.一种在零件的曲线部分上形成的涂层中形成槽的方法，其特征在于，所述方法包括执行多个激光烧蚀过程，所述多个激光烧蚀过程中的每个激光烧蚀过程包括：
将激光束聚焦到焦深；
用聚焦在所述焦深的所述激光束照射所述曲线部分的所述涂层，以通过激光烧蚀去除所述涂层的涂层材料；以及
在用所述激光束照射所述曲线部分的所述涂层的同时在扫描方向上扫描所述激光束，所述扫描方向是横向于所述涂层的厚度方向的方向，
其中，所述多个激光烧蚀过程中的每个后续过程的所述焦深在所述涂层的厚度方向上比所述后续过程之前的过程更深。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，所述零件的所述曲线部分在所述扫描方向上弯曲。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，照射所述涂层为每个过程产生所述槽的宽度，并且照射所述涂层包括控制所述激光束，以为每个后续过程产生小于所述后续过程之前的所述过程的所述槽的所述宽度的所述槽的宽度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，控制所述多个激光烧蚀过程的数量，以产生具有小于所述涂层的所述厚度的深度的槽。
5.一种在零件的曲线部分上形成的涂层中形成槽的方法，所述零件的所述曲线部分在横向于所述零件的纵向轴线的方向和平行于所述零件的所述纵向轴线的方向上弯曲，其特征在于，所述方法包括：
使用根据权利要求1所述的方法形成第一槽，所述扫描方向具有平行于所述纵向轴线的分量方向；
围绕所述纵向轴线旋转所述零件；以及
使用根据权利要求1所述的方法形成第二槽，所述扫描方向具有平行于所述纵向轴线的分量方向。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，其中，形成所述第一槽和形成所述第二槽各自包括在所述扫描方向上扫描所述激光束，其中所述扫描方向的分量方向在所述零件的径向方向上。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，所述激光束在所述扫描方向上扫描，同时用所述激光束照射所述曲线部分的所述涂层一段扫描距离，所述焦深在所述扫描距离上是恒定的。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，其中，所述扫描距离包括开始位置和结束位置，后续过程的所述开始位置和所述结束位置中的至少一个不同于在所述后续过程之前的所述过程。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，所述涂层是陶瓷涂层，并且所述陶瓷涂层形成在所述零件的基板上，所述基板是金属。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，其中，所述零件是燃气涡轮发动机的部件，并且所述陶瓷涂层是热障涂层。
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