CN1955330A - 用于制造部件的方法和设备 - Google Patents

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CN1955330A CNA2006101428750A CN200610142875A CN1955330A CN 1955330 A CN1955330 A CN 1955330A CN A2006101428750 A CNA2006101428750 A CN A2006101428750A CN 200610142875 A CN200610142875 A CN 200610142875A CN 1955330 A CN1955330 A CN 1955330A
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Abstract

提供一种制造机器部件的方法。所述方法包括成形出机器部件基底，其中所述基底具有基底表面区域。所述方法进一步包括成形出至少一层包括具有第一孔隙率的第一陶瓷隔热材料的基本隔热层。所述方法还包括成形出至少一层第二隔热层，其中所述至少一层第二隔热层形成在所述多层基本隔热层的至少一部分上面。同时，所述第二隔热层进一步包括具有第二孔隙率的第二陶瓷隔热材料，其中所述第二孔隙率大于所述第一孔隙率。所述方法还包括成形出包括平滑涂覆材料的至少一层第三隔热层，其中所述第三隔热层形成在所述第二隔热层的至少一部分上面。所述第二隔热层有利于减少第三隔热层的层离。

Description

用于制造部件的方法和设备
技术领域
本发明主要涉及陶瓷涂层，且更具体而言，本发明涉及致密且垂直开裂的隔热涂层。
背景技术
在一些已公知的燃气轮机引擎中，一些部件例如叶片翼面在使用中可能会经受超过1000摄氏度(℃)(1832华氏度())的高温。为了保护这些部件，可使用陶瓷隔热涂层(TBC)从而在基底金属、或陶瓷、部件基底和高温环境之间提供有效且可靠的绝缘隔热屏障。如本领域已公知地，涂层的平滑性可影响到表面的空气动力学特性，并且利于减小传热系数。
在一些已公知的部件中，采用等离子体喷涂工艺形成隔热涂层，从而达到所需的结构特征，即机械和热学特征。典型的等离子体喷涂工艺可包括使用产生用于使注入到其中的隔热涂层粉末熔化的热的电离等离子体的等离子体喷涂喷枪或喷嘴。
一种已公知的隔热涂层(TBC)沉积物通常被称作致密且垂直开裂(DVC)的材料。致密且垂直开裂的隔热涂层材料倾向于具有附带有利于增大抗侵蚀能力的低孔隙率的致密的显微结构。致密且垂直开裂的隔热涂层材料还具有有利于增大应变容限的多条垂直的微裂纹。然而，该高密度和低孔隙率可能倾向于增加与对已包括DVC隔热涂层的部件表面进行平整相关的难度。
一些已公知的部件制造工艺包括使用一些已公知的“平滑涂覆”陶瓷隔热涂层材料从而在施涂DVC隔热涂层后在部件上形成一层涂层。至少一些这样的平滑涂覆材料在多孔隔热涂层上产生平滑的表面。然而，这些平滑涂覆材料中的一些可典型地不能可靠地附着到DVC隔热涂层上。结果是，该平滑涂层在固化过程中可能会从部件表面上面“剥落”(即层离或者脱落)下来，由此在结束制造之前对部件造成损伤。
发明内容
一方面，提供一种制造机器部件的方法。所述方法包括成形出机器部件基底，其中所述基底具有基底表面区域。所述方法进一步包括成形出至少一层基本隔热层，其中所述至少一层基本隔热层包括第一基本隔热层。所述第一基本隔热层进一步包括具有第一孔隙率的第一陶瓷隔热材料。所述方法还包括成形出至少一层第二隔热层，其中所述至少一层第二隔热层形成在所述第一基本隔热层的至少一部分上面。同时，所述第二隔热层进一步包括具有第二孔隙率的第二陶瓷隔热材料，其中所述第二孔隙率大于所述第一孔隙率。所述方法还包括成形出包括具有第三孔隙率的平滑涂覆材料的至少一层第三隔热层，其中所述第三隔热层形成在所述第二隔热层的至少一部分上面。所述第二隔热层有利于减少第三隔热层的层离。所述方法进一步包括固化所述第三隔热层。
另一方面，提供一种制造具有隔热涂层的涡轮部件的方法。所述方法包括成形出涡轮部件基底，其中所述基底具有基底表面区域。所述方法进一步包括使用距离所述部件第一距离设置的喷涂喷嘴成形出至少一层基本隔热层。形成基本隔热层的步骤包括在机器部件的基底表面区域的至少一部分上面形成第一基本隔热层。至少一层后续的基本隔热层大体上在每一层在前形成的基本隔热层上面进行延伸。所述多层基本隔热层包括具有第一孔隙率的第一陶瓷隔热材料。所述方法还包括使用距离所述部件第二距离设置的喷涂喷嘴成形出至少一层第二隔热层，其中所述第二距离大于所述第一距离。所述第二隔热层形成在所述基本隔热层的至少一部分上面。此外，所述第二隔热层包括具有第二孔隙率的第二陶瓷隔热材料，其中所述第二孔隙率大于所述第一孔隙率。所述方法还包括成形出包括具有第三孔隙率的平滑涂覆材料的至少一层第三隔热层。所述第三隔热层形成在所述至少一层第二隔热层的至少一部分上面。所述方法进一步包括在预定温度下在空气中对所述第三隔热层进行固化，其中所述第二隔热层有利于减少第三隔热层的层离。
又一方面，提供一种机器部件。所述机器部件包括具有表面区域的基底，其中所述基底进一步包括具有预定尺寸的制品。所述部件还包括具有第一孔隙率的至少一层基本隔热层。所述部件进一步包括具有第二孔隙率的至少一层第二隔热层，其中所述第二孔隙率大于所述第一孔隙率。所述部件还包括具有第三孔隙率的至少一层第三隔热层，其中所述第二孔隙率有利于减少所述至少一层第三隔热层的层离。
附图说明
图1是一个典型的涡轮部件的剖面的局部示意图；和
图2是用于制造如图1所示的涡轮部件的典型方法的流程图。
具体实施方式
图1是一个典型的涡轮部件100的剖面的局部示意图。涡轮部件100包括基底102，所述基底进一步包括基底表面区域104。部件100还包括至少一层致密且垂直开裂(DVC)的基本隔热涂层(TBC)105，所述隔热涂层进一步包括第一DVC隔热涂层106和多层后续的DVC隔热涂层107。层107包括周向最外侧的DVC隔热涂层108和周向最外侧的DVC隔热涂层表面109。部件100进一步包括具有周向最外侧的第二隔热涂层表面112的第二隔热涂层110和具有周向最外侧的第三隔热涂层表面116的第三隔热涂层114。
如在此所使用的，术语层指的是，但是不限于，覆盖表面，或形成制品例如涡轮部件上覆的或在下面的部分或部段的一种材料或多种材料的层状区或区域。一层具有一定的厚度。术语层不表示形成所述层的任何特定的工艺。例如，可采用喷涂、涂覆或层压工艺形成所述层。
基底102包括表面区域104并且可成形具有预定尺寸的一组预定外形轮廓且厚度大致与成品涡轮部件100的尺寸相似。在该典型实施例中，基底102可以是金属的。另一种可选方式是，基底102可以是陶瓷的。
在该典型实施例中，DVC隔热涂层105包括八(8)层，其中第一DVC隔热涂层106在表面区域104上面形成；且在七(7)个后续DVC隔热涂层107中，每一个后续层形成在前一层之上。每一层的厚度和孔隙率基本上相似。所述多个层105中的每一层的厚度为大约0.0508毫米(mm)(0.002英寸)，总厚度为大约0.4064毫米(mm)(0.016英寸)。层108的周向最外侧的表面109可以是平滑的。DVC隔热涂层105可以是金属氧化物材料，例如化学成分为重量百分比为6％-8％的氧化钇和余量为氧化锆的氧化钇稳定的氧化锆。另一种可选方式是，DVC隔热涂层105可包括其它陶瓷材料和相关数量的层，且这些层的厚度可根据适当的标准和公差而变化。在该典型实施例中，一层第二隔热涂层110形成在周向最外侧的DVC隔热涂层表面108上。层110为比DVC隔热涂层105致密度更差即更多孔的层。
在该典型实施例中，一层第三隔热涂层114形成在表面112上。层114为大约0.0254毫米(0.001英寸)至大约0.0508毫米(0.002英寸)。在该典型实施例中，使用一种平滑的涂覆材料，例如但不限于AJ11。在该典型实施例中，一个具有上述厚度的层形成具有大约小于2.54微米(100微英寸)的平均表面粗糙度(RA)。另一种可选方式是，所述层的数量和所述层的厚度可根据部件100的作业应用而变化。
图2是用于制造(如图1所示的)涡轮部件100的典型方法200的流程图。方法200包括成形出202涡轮部件的基底102(如图1所示)，其中该基底102包括基底表面区域104(如图1所示)并且成形具有预定尺寸的一组预定外形轮廓且厚度大致与成品机器部件的尺寸相似。在该典型实施例中，可通过把熔融金属注入具有大致类似于部件基底102的形状的铸模并且进行冷却从而形成金属部件基底102。基于所要形成的特定部件及其随后的作业应用确定被选定用以形成部件基底102的金属材料。后续层的初始表面为金属部件基底102的表面104。
方法200包括进一步包括在涡轮部件102上成形出至少一层基本DVC隔热涂层105(如图1所示)的方法步骤204。通常，通过将多层隔热涂层等离子喷涂在涡轮部件102的表面104上而形成致密且垂直开裂(DVC)层。在等离子喷涂喷枪(在图1或图2中未示出)进行一遍喷涂的过程中，可在给定平面内或单位面积上沉积出一层陶瓷材料。为了基本上完全覆盖基底102的表面104并且使隔热涂层达到必要的厚度，通常所希望的是在沉积隔热涂层时，等离子喷涂喷枪和基底102相对于彼此进行移动。这可采取使喷枪移动，使基底102移动，或使二者均移动的形式，并且其与进行喷漆所采用的工艺相类似。所述运动与给定的等离子喷涂喷枪喷出覆盖有限面积(即具有喷枪覆盖区)的图案这一事实相结合导致分层沉积出隔热涂层。
在该典型实施例中，可使用受到计算机控制的程序反复进行机器人运动通过八(8)遍喷涂沉积出DVC隔热涂层105，其中喷枪或喷嘴距离基底表面104大约11.43厘米(cm)(4.5英寸)远。每一层105的厚度和孔隙率基本上相似。该工艺生产出均匀坚硬的、致密的、陶瓷涂层，经过每遍喷涂，厚度增加大约0.0508毫米(mm)(0.002英寸)，最后达到为大约0.4064毫米(mm)(0.016英寸)的总厚度。在该典型实施例中，未对表面109进行平滑处理。在另一可选实施例中，前述总厚度允许在对层108(如图1所示)进行精整操作的过程中除去大约0.0508毫米(mm)(0.002英寸)，所述精整操作可被用以获得所需的表面109粗糙度和厚度规格。同样，另一种可选方式是，喷涂遍数、喷枪-部件间的距离、每遍喷涂的沉积厚度和总沉积厚度可发生变化，从而有利于部件上的所需的层特征。
被用以形成多个DVC隔热涂层105的陶瓷材料可以是金属氧化物，例如化学成分为重量百分比为6％-8％的氧化钇和余量为氧化锆的氧化钇稳定的氧化锆。另一种可选方式是，也可以使用其它陶瓷材料。
在该典型实施例中，方法200包括进一步包括在涡轮部件100上形成一层第二隔热涂层110(如图1所示)的方法步骤206，其中除了以约33厘米(13英寸)至38.1厘米(15英寸)的距离进行喷涂之外，等离子喷涂喷枪采用与前一遍喷涂基本上相似的参数和运动进行至少一个附加遍数的等离子喷涂。该加大的距离形成隔热涂层中的致密度更差即更多孔的“牺牲”层110，从而使得牺牲层110更软且有利于平滑。可使用常规的表面精整材料、刀具、工艺和技术比去除同样厚度的更致密的DVC层108消耗更少的时间和资源去除相对较软的牺牲层110。使牺牲层110平滑减少了平滑更致密的DVC层108的工作并且向精整操作人员提供“自报警”特征。反应在去除软质层110对硬质层108所需的费力程度中的硬度变化会立即向操作人员报警，即软质层110已被消耗掉且相邻的硬质层108正在起作用。因此，该手段应使在精整过程中除去太多的DVC隔热涂层108即“过混合(overblending)”的可能性降至最低，有可能会导致形成可处于预定的最小厚度公差以下的DVC隔热涂层厚度。另一种可选方式是，涂覆遍数、所述层的层数和这些层的厚度可根据适当的标准和公差而产生变化。同样，在该典型实施例中，可采用多种方法，包括但不限于，调节相关等离子体喷枪喷涂的距离、调节相关TBC材料的化学成分和/或调节等离子体喷涂工艺的温度，从而对第二层的孔隙率进行调节。
典型方法200中的方法步骤210包括对部件100进行高温热处理。相关的热处理温度和时间周期可基于多个参数发生变化，所述参数可包括但不限于，层数和所述层的预定厚度。
典型方法200中的方法步骤212包括通过使用一种流动性较好的平滑涂覆浆料(图1或2中未示出)对部件100进行预定时间的喷涂从而在涡轮部件100上形成厚度为大约0.0254毫米(0.001英寸)-0.0508毫米(0.002英寸)的第三隔热涂层114(如图1所示)。所述第二隔热涂层110的更多孔的表面112在施涂过程中允许所述流动性较好的平滑涂覆浆料互相渗透并且有利于增强第三层114对第二隔热涂层110的附着性能。在该典型实施例中，一个具有上述厚度的层形成以具有一定的表面粗糙度，所述表面粗糙度大致可小于2.54微米(100微英寸)的粗糙度平均值。另一种可选方式是，层数和这些层的厚度可根据适当的标准和公差而产生变化。
典型方法200中的方法步骤214包括在大约900℃(1650)的温度下在空气中使部件100热固化。该步骤是测试检验法，原因在于：如果层114与层110间的附着力不够，那么加热部件会诱发可将第三层114从第二层110上层离下来的应力。该相关的热固化温度和时间周期可基于多个参数发生变化，所述参数可包括但不限于，层数和所述层的预定厚度。
在此所描述的部件制造方法有利于对部件施涂保护性隔热层。更具体而言，在上述涡轮部件上形成多层保护层防止在高温环境中产生损伤。结果是，可减少或消除部件在使用时发生的劣化和增大的制造成本。
尽管在此所描述和/或示出的方法是结合制造一个部件，更具体而言一个涡轮部件而进行描述和/或图示的，但是在此所描述和/或示出的方法的实践通常既不受限于涡轮部件，也不受限于形成隔热层。相反地，在此所描述和/或示出的方法适于制造任何制品并且适于形成任何材料的任何层。
上文中已详细地对涡轮部件制造的典型实施例进行了描述。所述方法、设备和系统既不限于在此所述的具体实施例，又不限于所制造出的具体涡轮部件，而是，可独立于在此所述的其它方法、设备和系统使用所述制造涡轮部件的方法，并且不限于制造在此未进行描述的部件。例如，还可使用在此所述的方法制造其它部件。
尽管已结合多个具体实施例对本发明进行了描述，但是本领域的技术人员将会意识到可使用落入权利要求书的精神和范围内的变型实践本发明。
零件列表
100   涡轮部件
102   基底
104   表面区域
105   层
106   第一DVC隔热涂层
107   后续DVC隔热涂层
108   硬质层
109   表面
110   软质层
114   第三层
116   第三隔热涂层表面
200   方法
202   成形
204   方法步骤
206   方法步骤
210   方法步骤
212   方法步骤
214   方法步骤

Claims (10)

1、一种用于制造机器部件(100)的方法，所述方法包括：
成形出机器部件基底(102)，其中所述基底具有基底表面区域(104)；
成形出至少一层基本隔热层(105)，其中所述至少一层基本隔热层包括形成在所述机器部件的基底表面区域的至少一部分上面的第一基本隔热层(106)，其中所述基本隔热层包括具有第一孔隙率的第一陶瓷隔热材料；
成形出至少一层第二隔热层(107)，其中所述至少一层第二隔热层形成在所述基本隔热层的至少一部分上面，所述第二隔热层进一步包括具有第二孔隙率的第二陶瓷隔热材料，所述第二孔隙率大于所述第一孔隙率；
成形出包括具有第三孔隙率的平滑涂覆材料的至少一层第三隔热层(114)，其中所述至少一层第三隔热层形成在所述第二隔热层的至少一部分上面，所述第二隔热层有利于减少第三隔热层的层离；以及
固化所述第三隔热层。
2、根据权利要求1所述的方法，其中成形出至少一层基本隔热层(105)的步骤包括在所述机器部件(100)的基底(102)表面区域(104)的至少一部分上面喷涂第一陶瓷隔热材料。
3、根据权利要求2所述的方法，其中在所述机器部件的基底表面区域(104)的至少一部分上面喷涂第一陶瓷隔热材料的步骤包括喷涂基本隔热层(105)，从而使得每一层所述基本隔热层的厚度和孔隙率大体上相似。
4、根据权利要求1所述的方法，其中成形出至少一层基本隔热层(105)的步骤进一步包括在距离所述部件第一距离处喷涂基本隔热层。
5、一种机器部件(100)，包括：
具有表面区域(104)的基底(102)，其中所述基底进一步包括具有预定尺寸的制品；
具有第一孔隙率的至少一层基本隔热层(105)；
具有第二孔隙率的至少一层第二隔热层(107)，其中所述第二孔隙率大于所述第一孔隙率；和
至少一层第三隔热层(114)，其中所述第二孔隙率有利于减少所述至少一层第三隔热层的层离。
6、根据权利要求5所述的机器部件(100)，其中所述具有预定尺寸的制品包括预成形为一组具有预定外形轮廓且厚度与精整后的机器部件的尺寸基本相似的制品。
7、根据权利要求5所述的机器部件(100)，其中所述至少一层基本隔热层(105)包括第一基本隔热层(106)和至少一层后续的基本隔热层，所述基本隔热层进一步包括具有第一化学成分、多种预定厚度和多种孔隙率的第一陶瓷隔热材料。
8、根据权利要求5所述的机器部件(100)，其中每一层所述基本隔热层(105)的所述厚度和所述孔隙率包括大体上相似的厚度和大体上相似的孔隙率。
9、根据权利要求5所述的机器部件(100)，其中所述至少一层第二隔热层(107)包括具有第二化学成分和预定厚度的第二陶瓷隔热材料，其中所述第二化学成分与所述第一化学成分基本相似。
10、根据权利要求5所述的机器部件(100)，其中所述至少一层第三隔热层(114)包括具有预定厚度的平滑涂覆材料。
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