专利名称：一种将抗磨材料涂敷到转子上的方法
技术领域：
本发明总体上涉及抗磨材料的领域，具体地，涉及将抗磨材料涂敷到基体上的方法
背景技术：
在本领域内众所周知，转子用于有效地推进飞行中的各种类型的航空器。例如，图 1示出了由两个转子103和105推进的传统的倾转旋翼飞机101，图2示出了由转子203推进的传统直升机201。转子具有各种形状、尺寸，并且具有不同的空气动力学造型以提供最大的推进力。如图所示，相比于转子203，转子103和105具有较短的纵向长度和更大的轴向曲率。像大多数转子一样，转子103、105和203由足够柔韧的材料制成，从而可以在飞行中经受得住对转子施加的力。典型的转子材料包括金属、塑料、复合材料、木材以及其他合适的材料。在运行中，转子高速旋转并经受由于颗粒物(如水和沙子)击打转子表面而产生的大量损耗。例如，水圈对转子施加大冲击力，这可导致弹性体在转子的聚合物涂层内脱层。此外，水圈可在金属上形成细微裂痕，这些裂痕可聚集在一起形成巨大的裂痕，由此导致转子出现故障。抗磨材料被涂敷在转子上，以用来克服不期望的磨损。抗磨材料通过抵抗诸如摩擦、刮、或侵蚀的机械动作而有助于维持转子的原始设计，这些机械动作会逐渐的从表面移除材料。现有各种方法将抗磨材料涂敷到基体上。例如，Rutz等人的美国专利 No. 4，802，828中提供了若干种将抗磨材料提供给基体的技术，包括粉末冶金技术、等离子喷涂技术和电镀技术。此外，可选的技术包括机械护壳和电铸。机械护壳包括胶带、木材、金属或其他类似的配置为与转子的轮廓表面配合的合适材料。护壳通过螺纹牢固地连接或用粘胶连接到暴露的表面上。护壳提供了一种不那么昂贵的方案以增加额外的抗磨性和抗侵蚀性，但发现这种方案在降低损耗方面不那么有效。电镀是使用化学电镀槽给转子的表面区域镀上抗磨材料的方法。该方法包括将转子置于足够大小的电镀槽中，并将电流施加到电镀槽中以将抗磨材料沉积在转子的表面区域上。抗磨材料的电镀厚度并不均勻，这导致相当多的后处理升级工作，例如磨光以使得转子在空气动力学方面令人满意。同时还需要将转子运送至电镀设施中，这是由于电镀设施不能够移动到飞行器所在的位置。因此，产生了拆解、装卸和运输的成本。电铸是在基材或芯模上使用电镀槽中的电积物，基材和芯模随后可被移去。技术上来讲，这是一个通过控制电积物通过电解溶液变为金属或金属化形式的合成金属的方法。更简单地，在金属表面或任何通过应用包含有金属粒子的涂层而呈现导电性的表面上形成金属皮。实质上，金属部分由镀层本身形成。该方法与电镀不同，这是因为皮更厚，而且如果原始基体或芯模被移除，皮能够作为自支撑结构存在。就像电镀方法一样，电铸要求大的电镀槽，其尺寸足够容纳转子并且使得可以进行相当多的后处理升级工作。此外，转子必须被运送到设施中，导致产生拆解、装卸和运输的成本。在两种情况下，为了实现最终产
4品，有许多的精力和时间被花费在了成型、打磨、抛光和粘接上。电镀和电铸方法速度慢，难于控制，性质复杂，并且限制了服务和原始材料的提供商。等离子喷涂设备和技术在本领域内也是已知的用于在底层基体上沉积保护镀层的方法。在授予Siebein等人、题为“等离子火焰发生器以及喷涂枪”的美国专利 No. 3，145，287中展示了一种已知的设备。根据Siebein等人的教导，等离子体形成气体在电弧周围形成护套。气体护套沿着喷嘴向下压缩并延伸弧部分。气体转换成等离子状态并使得弧和喷嘴成为热离子流。粉末被注入热离子流中并被推入到待镀的基体的表面。尽管上述发展展示了在将抗磨材料涂敷到转子表面领域内的极大进步，但仍存在许多缺点。
被认为是本申请的特点的新颖性特征在随附的权利要求书中列出。但是，本申请自身、优选实施方式及其其他目的和优点将通过结合附图参考下述详细说明而更好地得以理解，附图中图1是传统倾转旋翼飞机的斜视图；图2是传统直升机的侧视图；图3是转子的斜视图；图4是图3中的转子的斜视图，其具有根据本申请的优选方法涂敷的抗磨材料；图5是从图4的V-V线截取的转子的纵向截面放大视图；图6是从图5的VI-VI线截取的转子的部分截面放大视图；图7是示出了根据本申请的优选实施例的将抗磨材料涂敷到转子上的方法的流程图；图8是示出了根据本申请的优选实施例的将抗磨材料涂敷到磨损条带上的方法的流程图。
具体实施例方式本申请的方法容易受到不同修改和替代形式的影响其具体实施方式
已经以示例的方式在附图中示出，并且在本文中被详细描述。然而，应该理解的是，本文的具体实施方式
的说明不在于将本发明限制在公开的具体方法以内，正好相反，这些说明涵盖所有落入由随附权利要求限定的本申请的方法的精神和范围内的修改、等同物和替代方式。本申请的将抗磨材料涂敷到转子上的方法克服了传统的将抗磨材料涂敷到转子上的方法的缺点。下文描述了示例性实施方式。当然，应该明白的是，在任何实际实施方式的发展中，将做出很多具体实施的决定以达到开发者的具体目标，例如与系统相关或商业相关的限制兼容，这可在各个实施方式中不同。此外，应该明白的是，这些的开发努力可能是复杂且耗时的，但对于那些受益于本公开文本的本领域内普通技术人员来说，这仍然是惯常工作。本申请涉及将抗磨材料涂敷到转子上的方法。通过手动或自动的方法将抗磨材料热喷涂到转子上。本方法可在现场进行，或者可在设施内进行。抗磨材料由混合物组成，包括第一和第二材料。在优选实施方式中，第一材料是弹性材料，而第二材料是金属材料。多个抗磨涂层被涂敷到转子的表面上。随着额外的涂层被涂敷，涂层逐渐地从弹性富余材料转变成金属富余材料。现在参考附图的图3，示出了转子301的斜视图。转子301具有尖端303、根部305 和位于尖端303和根部305之间的翼面307。翼面307具有前缘309和后缘311。吸力面 313和压力面315从前缘309延伸到后缘311。转子301具有两个弦长A和B，其从前缘309线性地延伸到后缘311。弦A位于根部305上，而弦B位于尖端303上。在所示实施方式中，弦A的长度比弦B的长度长，并且弦A的长度从根部305到尖端303逐渐减小。转子被设计成具有各种形状、尺寸和几何轮廓。例如，在替代实施方式中，弦长可从根部到尖端先增加再减小。通过传统的涂敷抗磨材料的方法，在成型、打磨、抛光和粘接转子表面上花费了大量的时间和精力。在转子的径向长度增加和轮廓变得更复杂时，消耗了额外的时间和精力。现在参考附图中的图4，示出了转子301的斜视图，其具有根据本申请的优选方法涂敷的抗磨材料401。抗磨材料401涂敷到前缘309、吸力面313的一部分和压力面315的一部分上。两个力Fl和F2示出了在飞行时作用到转子301上的力。力Fl表示飞行器在飞行中被推进时施加到转子表面上的力。转子由足够韧性的材料制成，例如复合物、金属、塑料、木材和其他用于抵抗力Fl的合适材料。为了维持这种柔韧性，已经证实抗磨材料的第一涂层应该主要由弹性或类似的合适材料制成，以使得转子保持柔韧性。在优选实施方式中，第一涂层由每体积大约70%的弹性材料和每体积大约 30%的金属材料组成。应该理解的是，这些百分比可在不同的实施方式中有所变化。例如， 第一组合物可由大约90%的弹性材料和10%的金属材料组成。在优选实施方式中，抗磨材料由弹性材料和金属材料组成。弹性材料包括聚四氟乙烯、聚酰亚胺、环氧树脂或其他合适的材料。金属材料可包括镍、钴或其他合适的材料。在替代实施方式中，抗磨材料可由除所述的弹性和金属材料之外的一种或多种材料组成。例如，替代实施方式可包括由复合物、塑料、和金属材料组成的抗磨材料。不论使用什么材料， 第一涂层应该由适于允许转子保持柔韧性的材料组成。力F2表示由于飞行中的颗粒物质的轰击而施加到前缘309上的力。颗粒物质逐渐地磨损前缘的轮廓形状。同样地，涂敷抗磨材料以克服不期望的磨损。在优选实施方式中，抗磨材料401被涂敷到前缘309、吸力面313的一部分和压力面315的一部分上，涂敷的长度长至弦长的30%，弦长从前缘309到后缘311测得。在替代实施方式中，抗磨材料401 可被涂敷到转子的不同部分上，包括整个表面区域，或者单独地涂敷到吸力面或压力面。在优选实施方式中，抗磨材料由金属材料和弹性材料组成。弹性材料提供了允许转子保持柔韧性的手段，而金属材料抵挡了由于颗粒物质的磨损。因此，在优选实施方式中，第二涂层由具有金属富余组分的抗磨材料组成。第二涂层由每体积大约5 %的弹性材料和每体积大约95%的金属材料组成。然而，应该理解的是，这些百分比可在不同的实施方式中有所变化。例如，第二组合物可由具有每体积大约30%的弹性材料和每体积70%的金属材料的抗磨材料组成。不论所使用的弹性材料_金属材料的比例是多少，第二涂层应该由有效地抵挡因颗粒物质引起的磨损的材料组成。在优选实施方式中，多个抗磨材料的涂层被涂敷到转子上。应该理解的是，为了这个涂敷目的，涂层被定义为具有不同于其他抗磨材料涂层的组分的抗磨材料涂层。例如，第一涂层为具有第一组分的抗磨材料涂层，第二涂层为具有第二组分的抗磨材料涂层，第二涂层的组分与第一涂层的组分不同。从第一组分逐渐变为第二组分的多层抗磨材料的连续涂敷被认为是由抗磨材料的多个涂层所组成。应该意识到，替代实施方式方法能够单独地包括第一和第二涂层。在优选实施方式中，多个薄的中间涂层位于第一和第二涂层之间。正如第一和第二涂层，中间涂层由金属和弹性材料组成。中间涂层逐渐地从弹性富余组合物转变为金属富余组合物。现在参考附图中的图5，示出了从图4的V-V线截取的转子301的部分的纵向截面501的放大视图。图5示出了根据本申请的优选方法涂敷有抗磨材料401的横截面501。 利用喷涂系统503将抗磨材料401涂敷到前缘309、吸力面313的一部分和压力面315的一部分上。系统503包括具有喷嘴507的喷涂枪505，喷嘴用于将喷雾509引导到转子的表面上。喷涂枪505可以相对于转子301在不同的方向上移动。如图所示，喷涂枪505可绕弧C和D旋转以将抗磨材料分别喷涂到表面313和315上。喷涂枪505也可沿转子301 的纵轴向下移动以喷涂前缘309的整个长度。在优选方法中，更大尺寸的喷嘴507被用于产生喷雾509的更大直径的颗粒，从而完成粗磨光。较小尺寸的喷嘴507被用于产生喷雾 509的较优颗粒，从而平滑磨光。喷涂枪505能够配置为与自动化设备511 (例如自动化轨道系统或机械臂)连接。喷雾509由载气和抗磨材料401组成。在优选实施方式中，载气包括主要气体 (氩)和次要气体(氦或氢)。载气被加热到足以融化抗磨材料401的温度，但并未达到在涂敷过程中改变转子的微观结构和性质的温度。如所述，转子301由足够柔韧以承受力Fl 和F2的材料组成。转子在抗磨材料涂敷过程中容易变形。在优选实施方式中，喷雾被涂敷的温度小于华氏250度，且马赫速度范围在1马赫到3马赫之间。根据喷嘴大小、涂敷温度和推送速度的不同，抗磨材料的喷涂面积和密度有所不同。低温度和高速度提供了足够的热量和动能以有效地将抗磨材料粘接到转子表面上。现在参考附图中的图6，示出了从图5的VI-VI线截取的截面501的部分截面放大视图。图6示出了根据本申请的优选方法涂敷到压力面315上的抗磨材料401。如所示，抗磨材料401的厚度为T，包括三个涂层601、603和605。在优选实施方式中，抗磨材料401厚度T在0. 001-0. 08英寸之间。应该意识到， 喷涂系统可被配置为涂敷不同厚度的涂层，由此改变抗磨材料的整个厚度T。例如，在一些应用中，在转子的尖端上期望具有更大厚度的抗磨材料。系统503可被配置为降低尖端附近的纵向速度，同时保持推送喷雾509相同的供给率，由此增加涂敷的每个涂层的厚度。如所述，第一涂层601主要由弹性材料组成，而第二涂层605主要由金属材料组成。在优选实施方式中，中间涂层603包括多个置于第一涂层601和第二涂层605之间的层。中间涂层603内的每个层由抗磨材料组分组成，所述抗磨材料组分逐渐由弹性富余材料转变为金属富余材料。在一些实施方式中，涂层601、603和605以及涂层603中的层或其他层可被期望的其他材料的其他层和涂层插入。同样地，在一些实施方式中，材料401可逐渐的从一个组分转变成另一个组成，而不是由离散的涂层和层组成。现在参考附图中的图7，示出了根据本申请的优选方法的涂敷抗磨材料的方法的流程图。图7包括用于将抗磨材料涂敷到转子上的多个相互关联的步骤。
步骤701涉及准备转子，以用于接收抗磨材料。在该步骤中，转子表面被清洁并变粗糙以增加后续涂敷的抗磨材料的粘合度。清洁技术包括机械磨损，例如通过使用冲击转子表面的干燥或液态磨损材料的蒸汽或空气喷净法。该步骤也包括准备转子以将抗磨材料通过手动方法或自动方法涂敷的步骤。在优选实施方式中，通过手动或自动方法在现场涂敷抗磨材料，而转子仍然附着到飞行器上。为了进行现场操作，用于涂敷抗磨材料的设备(即送粉器、压缩机、空气供给机等)通过卡车或其他合适的交通工具被运输到飞行器处。优选的方法使得工作人员可以手动地将抗磨材料涂敷到转子上，或者使得自动化设备实施这些特征。在优选实施方式中，自动化设备被预先编程有转子的几何尺寸、涂敷抗磨材料的供给速率、弹性_金属比率和每个涂层的厚度。应该意识到，该步骤的替代实施方式可包括将转子从飞行器上分离和将转子连接到支撑结构上的步骤。在转子连接到支撑结构上之后，手动地或通过自动方法涂敷抗磨材料，如上所述。在该方法中，支撑结构可被运输到飞行器处以进行现场操作。步骤703和705涉及准备抗磨材料的第一涂层并将第一涂层喷涂到转子表面。通过提供用于存储和混合弹性材料和金属材料的储料器或类似设备来完成准备第一涂层的步骤。混合步骤可通过手动地将材料混合在一起或通过自动化方法混合材料来实现。在优选实施方式中，送粉器与储料器可操作地关联以提供期望的弹性_金属材料比率。在准备好第一涂层之后，第一涂层通过喷涂系统503被直接喷涂到转子的表面。步骤707和709涉及准备抗磨材料的中间涂层的方法和将中间涂层喷涂到第一涂层上的方法。如所述，中间涂层由金属和弹性材料组成，并逐渐地从弹性富余组分转变为金属富余组分。通过自动地或手动的方法来调整弹性-金属比率。步骤711和713涉及准备抗磨材料的第二涂层并将第二涂层涂敷到中间涂层上的方法。第二涂层是最后涂敷的涂层。如所述，该涂层由具有每体积大比例的金属材料的抗磨材料组成。现在参考附图中的图8，是示出了根据本申请的优选方法的将抗磨材料涂敷到磨损条带上的方法的流程图。图8包括多个相互关联的步骤以将抗磨材料涂敷到磨损条带上。应该理解的是，该方法大体上类似于将抗磨材料涂敷到转子上的优选方法，并且该优选方法可被应用到任何合适的基体上。例如，飞行器的翼在飞行中经受了颗粒物质的持续轰击，导致大量磨损。为了克服磨损，根据本申请的优选方法将抗磨材料涂敷到翼上。在图8中，步骤801涉及将磨损条带准备用于接收抗磨材料。在该步骤中，磨损条带的表面被清洁和变粗糙以增加后续涂敷的抗磨材料的粘合度。清洁技术包括机械磨损， 例如通过使用冲击磨损条带表面的干燥或液态磨损材料的蒸汽或空气喷净法。步骤803和805涉及准备第一涂层并将第一涂层喷涂到磨损条带表面。第一涂层包括由至少第一和第二材料组成的组合物。第一涂层由每体积较高百分比(相比于第二材料的每体积百分比)的第一材料组成。在优选实施方式中，第一材料是弹性材料，第二材料是金属材料。在优选实施方式中，通过手动或自动方法在现场涂敷抗磨材料，而磨损条带仍然附加到飞行器上。为了进行现场操作，用于涂敷抗磨材料的设备(即送粉器、压缩机、空气供给机等)通过卡车或其他合适的交通工具被运输到飞行器处。优选的方法使得工作人
8员可以手动地将抗磨材料涂敷到磨损条带上，或者使得自动化设备实施这些特征。在优选实施方式中，自动化设备被预先编程有磨损条带的几何尺寸、涂敷抗磨材料的供给速率、弹性_金属比率和每个涂层的厚度。应该意识到，该步骤的替代实施方式可包括将磨损条带从飞行器上分离和将磨损条带连接到支撑结构上的步骤。在磨损条带连接到支撑结构上之后，手动地或通过自动方法涂敷抗磨材料，如上所述。在该方法中，支撑结构可被运输到飞行器处以进行现场操作。步骤807和809涉及准备中间涂层并将中间涂层喷涂到第一涂层上的方法。如所述，中间涂层由金属和弹性材料组成，并逐渐地从弹性富余组分转变为金属富余组分。通过自动地或手动的方法来调整弹性_金属比率。步骤811和813涉及准备第二涂层并将第二涂层涂敷到中间涂层上的方法。第二涂层是最后涂敷的涂层。如所述，该涂层由具有每体积大比例的金属材料的抗磨材料组成。本发明的方法提供了显著的优点，包括(1)降低了装卸和运输成本；(2)不再通过升级程序消耗大量的时间和精力；(3)涂敷了不同的涂层，而不需要改变任何成形或切削工具；以及(4)工作人员可在现场实施涂敷方法。显而易见，已经描述和展示了具有这些显著优点的用于将抗磨材料涂敷到表面的方法。上文中公开的具体方法仅仅是示例性的，该方法可被修改并以不同但实质上等同的方式被实施，这对受益于本文教导的本领域内技术人员来说是显而易见的。因此，显然上文中公开的具体方法可被改变或修改，并且所有的这些变化被认为落入本发明的范围和精神内。因此，本文的保护范围如说明书所列出的那样。尽管本方法以有限步骤的方式示出，但并不限于这些步骤，可进行各种改变和修改，而不脱离其精神。
权利要求
1.一种将抗磨材料涂敷到飞行器的转子上的方法，该转子具有尖端、根部、前缘、后缘、 位于尖端和根部之间的表面、以及从前缘线性延伸至后缘的弦长，该方法包括准备转子的表面，以用于接收抗磨材料；准备抗磨材料的第一涂层，第一涂层由第一材料和第二材料组成； 将第一涂层喷涂到转子的表面；准备抗磨材料的第二涂层，第二涂层由第一材料和第二材料组成；及将第二涂层喷涂到转子上，使得第一涂层位于该表面的至少一部分和第二涂层的至少一部分之间；其中，相比于第一涂层，第二涂层的第一材料具有较小的每体积百分比，而第二材料具有较大的每体积百分比。
2.如权利要求1的方法，其中，第一材料是弹性材料，第二材料是金属材料。
3.如权利要求2的方法，其中，第一涂层由具有每体积70%的弹性材料和每体积30% 的金属材料的抗磨材料组成。
4.如权利要求2的方法，其中，第二涂层由具有每体积5%的弹性材料和每体积95%的金属材料的抗磨材料组成。
5.如权利要求1的方法，还包括在转子与飞行器保持连接的情况下，将抗磨材料涂敷到转子上。
6.如权利要求1的方法，还包括 将转子从飞行器移除；及将转子连接到支撑结构上。
7.如权利要求1的方法，其中，通过提供具有等离子喷涂枪的喷涂系统来实现将第一涂层喷涂到转子的表面。
8.如权利要求7的方法，其中，喷涂系统可操作地与自动设备关联，以将抗磨材料推送到转子的表面。
9.如权利要求7的方法，其中，喷涂系统被配置为手动地将抗磨材料涂敷到转子的表面。
10.如权利要求1的方法，其中，第一涂层被喷涂到转子的表面区域的距离最高为弦长的30%，弦长从转子的前缘到后缘测得。
11.如权利要求1的方法，还包括准备具有多个抗磨层的中间涂层，该中间涂层由第一材料和第二材料组成；及将中间涂层直接喷涂到第一涂层上；其中，中间涂层位于第一涂层和第二涂层之间。
12.如权利要求11的方法，其中，随着额外的层的增加，多个抗磨层从每体积较小百分比的第二材料转变为每体积较大百分比的第二材料，并且从每体积较大百分比的第一材料转变为每体积较小百分比的第一材料。
13.一种将抗磨材料涂敷到飞行器的磨损条带上的方法，该方法包括 准备磨损条带，以用于接收抗磨材料；准备抗磨材料的第一涂层，第一涂层由第一材料和第二材料组成； 将第一涂层喷涂到磨损条带上；准备抗磨材料的第二涂层，第二涂层由第一材料和第二材料组成；及将第二涂层喷涂到磨损条带上，使得第一涂层位于磨损条带的至少一部分和第二涂层的至少一部分之间；其中，相比于第一涂层，第二涂层的第一材料具有较小的每体积百分比，而第二材料具有较大的每体积百分比。
14.如权利要求13的方法，其中，第一材料是弹性材料，第二材料是金属材料。
15.如权利要求13的方法，还包括在磨损条带与飞行器保持连接的情况下，将抗磨材料涂敷到磨损条带上。
16.如权利要求13的方法，还包括 将磨损条带从飞行器移除；及将磨损条带连接到支撑结构上。
17.如权利要求13的方法，还包括准备具有多个抗磨层的中间涂层，该中间涂层由第一材料和第二材料组成；及将中间涂层直接喷涂到第一涂层上；其中，中间涂层位于第一涂层和第二涂层之间。
18.如权利要求17的方法，其中，随着额外的层的增加，多个抗磨层从每体积较小百分比的第二材料转变为每体积较大百分比的第二材料，并且从每体积较大百分比的第一材料转变为每体积较小百分比的第一材料。
19.一种将抗磨材料涂敷到基体上的方法，该方法包括 准备基体，以用于接收抗磨材料；准备抗磨材料的第一涂层，第一涂层由第一材料和第二材料组成； 将第一涂层喷涂到基体上；准备具有多个抗磨层的中间涂层，该中间涂层由第一材料和第二材料组成；及将中间涂层直接喷涂到第一涂层上；准备抗磨材料的第二涂层，第二涂层由第一材料和第二材料组成；及将第二涂层喷涂在第一涂层上；其中，相比于第一涂层，第二涂层的第一材料具有较小的每体积百分比，而第二材料具有较大的每体积百分比，其中，随着额外的层的增加，多个抗磨层从每体积较小百分比的第二材料转变为每体积较大百分比的第二材料，并且从每体积较大百分比的第一材料转变为每体积较小百分比的第一材料。
20.如权利要求19的方法，其中，第一材料是弹性材料，第二材料是金属材料。
全文摘要
本发明公开了一种将多个抗磨材料的涂层涂敷到诸如用于飞行器的转子的基体上的方法。抗磨材料由第一和第二材料组成。随着额外涂层的增加，涂层逐渐的从具有每体积较大百分比的第一材料转变为具有每体积较大百分比的第二材料的抗磨组合物。
文档编号F03B3/12GK102472242SQ200980160474
公开日2012年5月23日 申请日期2009年7月16日 优先权日2009年7月16日
发明者G·皮奇, S·K·比舍普 申请人:贝尔直升机泰克斯特龙公司