CN1237197C - 用于对透平叶片进行等离子喷镀的方法和喷镀装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种同时用至少三个等离子焰炬喷枪对一透平叶片进行等离子喷镀的方法和实现该方法的喷镀装置。由此可得到一个特别高质量的镀层，尤其是在一个由镍基或钴基超级合金制成的基体上镀覆MCrAlX。

Description

用于对透平叶片进行等离子喷镀的方法和喷镀装置
本发明涉及一种借助热等离子喷镀对一沿着叶片轴线定向的透平叶片进行等离子喷镀的方法。本发明还涉及一种实施该方法的喷镀装置。
欧洲专利申请公开说明书EP 1 033 417 A1给出了一种用于对一透平叶片进行等离子喷镀的喷镀方法。可能镀覆在透平叶片上的镀层之一由一种MCrAlX合金构成，其中M为铁、钴或镍中的一种或多种元素，Cr为铬，Al为铝，X为包括钇、铼及稀土元素在内的一组元素的一种或多种。金属层通过热喷镀用VPS(真空等离子体喷涂)或LPPS(低压等离子体喷涂)方法镀覆在透平叶片上。燃气透平叶片尤其由一种镍基或铁基或钴基超级合金制成。MCrAlX合金尤其用来防止腐蚀和防止氧化。但是它也经常用作一陶瓷绝热层和基材之间的粘合层。在镀覆一层后通常紧接着进行一次在后的热处理。对于按VPS方法或LPPS方法镀覆一层MCrAlX层来说，典型的工序持续时间约为30分钟，而燃气透平叶片在后的热处理工序持续时间约为100分钟。等离子喷镀用一等离子体枪或一等离子焰炬喷枪来完成。这样一种等离子焰炬喷枪经常用来在喷镀之前对待喷镀的构件进行加热。待喷镀的透平叶片常规设置在一转台上，而等离子焰炬喷枪设置在一个多轴遥控机械装置上。在喷镀期间透平叶片保持在一个约1100°K至1200°K的喷镀温度。
本发明要解决的技术问题是提供一种用于对一透平叶片进行等离子喷镀的方法，该方法能提高热等离子体喷涂镀层的质量。本发明的另一个要解决的技术问题是提供一种实施该方法的喷镀装置。
按照本发明，上述针对方法所要解决的技术问题是这样解决的：在一种对一沿着叶片轴线定向的透平叶片进行等离子喷镀的方法中同时使用至少三个等离子焰炬喷枪来进行热等离子喷镀。
本发明基于这样的认识：在传统的使用唯一一个等离子焰炬喷枪的应用中，透平叶片的喷镀会出现一些质量问题。尤其在一些如叶片部分和相邻叶片平台之间过渡区的关键表面会出现不希望的镀层过厚，因为一方面作为平台喷镀的边界区、另一方面作为叶片部分喷镀的边界区会导致按常规方法来说不可避免的重叠，从而导致层厚加大。此外，在只用一个焰炬喷枪来喷镀时会由于过小的喷镀角而在镀层上生成气孔。这样生成的气孔会导致对本身由该镀层保护的基材的腐蚀。此外，按照本发明的认识，在仅用一个焰炬喷枪进行喷镀时对待喷涂的构件产生一种不利的温度控制，因为仅用一个焰炬喷枪只可能对构件进行不足够均匀的加热。使用至少三个等离子焰炬喷枪虽然最初给人一种成本相当高的感觉，但它适合于避免上述缺点。此外，使用至少三个焰炬喷枪提供了对特别大的透平叶片(如一固定式燃气透平最后的动叶片组的动叶片，其线性膨胀大于50厘米)进行高质量喷镀的可能性。最后，使用至少三个焰炬喷枪可达到一个特别恒定的层厚分布。
A)优选三个焰炬喷枪之一用于加热透平叶片。通过此尤其能保证透平叶片被加热到一均匀的温度，且在喷镀过程还保持这样一种均匀的温度。
B)优选这些等离子焰炬喷枪中至少有两个彼此独立地被控制。从而，这些等离子焰炬喷枪彼此去耦，且在喷镀过程期间能彼此独立运动，这样一来可以得到一个与喷镀过程所有阶段都适配的入射角、喷镀速率的最佳化。尤其在一侧对叶片部分进行喷镀、在另一侧对平台进行喷镀的分布可以这样实现，使得一个或两个焰炬喷枪用于对叶片进行喷镀，而其他的或另一个焰炬喷枪用于对平台进行喷镀。
C)优选透平叶片沿叶片轴线转动。
D)另一种优选方式是所述焰炬喷枪中的第一焰炬喷枪沿着第一喷镀方向向着透平叶片喷镀，并绕着与该第一喷镀方向垂直的第一转动轴线转动，该第一转动轴线位于一个由第一喷镀方向和叶片轴线形成的平面内。在这种结构简单的实施方式中也仅改变该第一焰炬喷枪向透平叶片喷镀的角度。这种角度变化通过绕第一转动轴线的转动来实现。
E)又一种优选方式是所述焰炬喷枪中的第二焰炬喷枪沿着第二喷镀方向向着透平叶片喷镀，且绕着与该第二喷镀方向垂直的第二转动轴线转动，该第二转动轴线位于一个由第二喷镀方向和叶片轴线形成的平面内，其中第一喷镀方向和第二喷镀方向彼此成一夹角＞90°。从而该第二焰炬喷枪也以一个结构很简单的方式仅绕着转动轴线转动，且由此可改变其喷镀角。在这种情况下，这两个焰炬喷枪彼此形成一个钝角，从而通过这两个焰炬喷枪或者仅对叶片部分实现特别好的喷镀，或者仅对平台实现特别好的喷镀。在用这两个焰炬喷枪对平台喷镀时，每个焰炬喷枪配属于一个平台。在一个动叶片中，这样一种设置在叶片顶部的平台还称作包带。
F)优选第一和第二焰炬喷枪共同沿着叶片轴线移动。这可进一步优选通过一个传动链传动或皮带传动来完成，这种传动位于喷镀腔室之外，且两焰炬喷枪这样固定在其上，使得两焰炬喷枪共同跟随传动链或皮带沿着叶片轴线方向移动。
G)优选第三焰炬喷枪沿着第三喷镀方向向着透平叶片喷镀，且绕着第三转动轴线转动，该第三转动轴线位于一个由此第三喷镀方向和叶片轴线形成的平面中。从而该第三焰炬喷枪也以结构简单的方式仅绕着第三转动轴线转动。
H)第三转动轴线优选平行于叶片轴线或者垂直于叶片轴线。
I)第三焰炬喷枪优选沿着一个垂直于该平面的方向运动。
J)第三焰炬喷枪优选沿着第三喷镀方向运动。
K)第三焰炬喷枪优选平行于叶片轴线运动。
上述第三焰炬喷枪的诸多附加运动方式虽然会导致运动结构更加复杂，但其特别优点在于，在对透平叶片进行等离子喷镀时从叶片一旁喷射漏过的喷涂粉末量必然会少于在焰炬喷枪与透平叶片保持不变距离的情况。
L)该方法优选在真空中完成。这可能是一个在约为10-4至10-6毫巴(mbar)下的真空等离子喷镀(VPS)方法。尤其可考虑一种在约为10-1至10-2毫巴下(mbar)的方法(低压等离子喷镀，LPPS)。
M)该方法优选应用于对一个由镍基或钴基超级合金制成的基材进行等离子喷镀，其中将如本说明书开始部分所描述的一种MCrAlX保护层涂覆在基体上。
按照本发明，上述针对喷镀装置所要解决的技术问题是这样解决的：借助如上述任一种可能的方法对一透平叶片进行喷镀的喷镀装置。
下面以示例方式结合附图对本发明作详细说明。这些图是局部示意图，且未按尺寸比例示出。
图1示出一种用于进行等离子喷镀的喷镀装置。
图2至4示出一种利用三个等离子焰炬喷枪对一透平叶片进行喷镀的方法，其中这三个等离子焰炬喷枪各具有一个彼此不同的运动方式。
相同附图标记在这多幅附图中有相同的代表意义。
图1示出了一台喷镀装置。该喷镀装置1具有一个喷镀腔室3。一个前腔室5与该喷镀腔室3真空密封地相连接。一个沿着叶片轴线9定向的透平叶片11设置在此喷镀腔室3中。该透平叶片11安放在一个送入到该喷镀腔室3中的叶片操作机构13上。通过一个与喷镀腔室3相连通的扩展腔室15，一个焰炬喷枪操作机构17行进到该喷镀腔室3中。第一等离子焰炬喷枪19和第二等离子焰炬喷枪21设置在一焰炬喷枪支架25上。第三等离子焰炬喷枪23设置在焰炬喷枪操作机构17上。三个等离子焰炬喷枪19、21、23彼此脱耦，因而可彼此无关地加以控制和运动。
常规的仅采用一个等离子焰炬喷枪的喷镀方法会对透平叶片11的镀层质量产生不利影响，而借助三个等离子体19、21、23进行喷镀得到了质量特别好的透平叶片镀层。这尤其涉及减少所谓的过量喷涂(Overspray)，即减少了那些由于只采用一个焰炬喷枪而进行多次叠喷而出现过厚镀层厚度的区域。通过使用多个焰炬喷枪，尤其是通过让等离子焰炬喷枪19和21对该透平叶片11的叶片部分进行喷镀、用第三个等离子焰炬喷枪23对透平叶片11的平台(Plattform)部分进行喷镀大大减少了这种过量喷涂。此外，在特别大的透平叶片情况可以将三个等离子焰炬喷枪19、21、23之一用来对透平叶片进行加热，通过此可以精确地在那些需要的地方实现有目的地热输入，这样一来再次使镀层质量得到改善。总而言之，在特别大的透平叶片，大约其长度方向数量级为1米时通过采用至少三个等离子焰炬喷枪19、21、23才可能使镀层有足够好的质量。最后采用三个等离子焰炬喷枪19、21、23还可以使透平叶片11整体上层厚不变。
图2示出了一种从结构上看特别简单的三个等离子焰炬喷枪19、21、23的配置方式。透平叶片11是一个由镍基或钴基超级合金基材30制成的燃气透平叶片。它具有一个叶片部分33，该叶片部分在其顶部被一顶部平台31和在根部侧被一根部平台35限定。在两平台31、35和叶片部分33之间有一倒圆过渡区域37，该区域在仅仅采用一个等离子焰炬喷枪时尤其会导致如上面所述的过量喷涂。透平叶片11这样固定在叶片操作机构13上，使得该叶片借助叶片操作机构13可围绕叶片轴线9沿一转动方向43转动。此外该叶片沿着叶片轴线9在一轴向41上作轴向移动。第一等离子焰炬喷枪19沿第一喷镀方向67向着透平叶片11喷镀，该第一等离子焰炬喷枪19可绕着第一转动轴线66沿着转动方向65转动。第二等离子焰炬喷枪21沿第二喷镀方向63向着透平叶片11喷镀，该第二等离子焰炬喷枪21可绕着第二转动轴线62沿着转动方向61转动。该第一等离子焰炬喷枪19沿着平行于叶片轴线9的方向设置在叶片11的根部区，而第二等离子体喷21沿着此方向设置在透平叶片11顶部的高度。第一喷镀方向67与第二喷镀方向构成一个大于90°的夹角α。在此结构中，第一等离子焰炬喷枪19用于对顶部平台31进行喷镀，而第二等离子焰炬喷枪21用于对根部平台35进行喷镀。
大约在第一喷镀方向67与第二喷镀方向63相交点的高度、且在该透平叶片11的对侧设置一个第三等离子焰炬喷枪23。该第三等离子焰炬喷枪23沿着第三喷镀方向53向着透平叶片11喷镀。该第三等离子焰炬喷枪23可绕着转动轴线56沿着转动方向55转动。
在对透平叶片11镀覆一层由一镀覆材料构成的镀层(优选为一种MCrAlX防氧化腐蚀层)之前，对透平叶片11进行加热。这通过所有三个等离子焰炬喷枪19、21、23同时加热可特别均匀地实现。在达到所希望的温度后涂覆该镀覆材料，其中如所描述的那样，第一等离子焰炬喷枪19和第二等离子焰炬喷枪21用于对平台31、35喷镀，而通过第三等离子焰炬喷枪23对叶片部分33喷镀。
叶片操作机构13可沿着轴向41运动，其中焰炬喷枪操作机构17可随此运动作同步运动，从而该焰炬喷枪23总是以相同的喷镀半径对透平叶片11进行喷镀。焰炬喷枪19、21与此同步运动脱耦。
图3示出了图2所示喷镀装置的一种变化形式，其中该变化涉及到第三等离子焰炬喷枪23。该第三等离子焰炬喷枪23还可沿着一个与由叶片轴线9和第三喷镀方向53确定的平面相垂直的方向运动。此外，该第三等离子焰炬喷枪23设置成可沿第三喷镀方向53运动地与透平叶片11相隔一定距离。第三等离子焰炬喷枪23的转动轴线56按图2的布置平行于叶片轴线9，而现在其沿着喷镀方向53，从而与叶片轴线9相垂直。转动轴线56位于该平面中。如图2中也已给出的那样，第一等离子焰炬喷枪19和第二等离子焰炬喷枪21的转动轴线66和62也位于该平面中，该平面同时也由第一喷镀方向67与叶片轴线9和第二喷镀方向63与叶片轴线9来形成。
作为另一种变化形式，图4示出了第一等离子焰炬喷枪19和第二等离子焰炬喷枪21借助一驱动单元71实现一共同运动的可能，该驱动单元带动一个平行于叶片轴线9、供第一和第二等离子焰炬喷枪19、21用的支架72。为此带动一根平行于叶片轴线9的传动链73。

Claims (7)

1.一种对一沿着叶片轴线(9)方向的透平叶片(11)进行等离子喷镀的方法，其中，同时使用至少三个等离子焰炬喷枪(19，21，23)进行热等离子喷镀，
其中，所述透平叶片(11)绕其叶片轴线(9)转动；
其中，所述焰炬喷枪中的第一焰炬喷枪(19)沿着第一喷镀方向(67)向着所述透平叶片(11)喷镀，并绕着一个与该第一喷镀方向(67)垂直的、且位于一个由该第一喷镀方向(67)和所述叶片轴线(9)形成的平面中的第一转动轴线(66)转动。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述等离子焰炬喷枪(19，21，23)之一用于对所述透平叶片(11)进行加热。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述等离子焰炬喷枪(19，21，23)中至少有两个彼此独立地被控制。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述焰炬喷枪中的第二焰炬喷枪(21)沿着第二喷镀方向(63)向着所述透平叶片(11)喷镀，并绕着一个与该第二喷镀方向(63)垂直的、且位于一个由该第二喷镀方向(63)和所述叶片轴线(9)形成的平面中的第二转动轴线(62)转动，其中第一喷镀方向(67)和第二喷镀方向(63)彼此形成一个大于90°的夹角(α)。
5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于：所述第一焰炬喷枪(19)和所述第二焰炬喷枪(21)共同沿着所述叶片轴线(9)移动。
6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法在真空中完成。
7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：通过所述等离子喷镀在所述透平叶片(11)的一个由镍基或钴基合金制成的基体(30)上涂覆一层由MCrALX构成的防腐蚀和防氧化层(81)。
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