专利名称：用于处理构件表面的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于处理构件表面的方法以及一种实施该表面处理方法的设备。
背景技术：
承受工作负荷的构件，例如燃气轮机的透平叶片，被实施电解质处理，因此构件在处理后可以重新加工。在燃气轮机叶片的情况下，在构件上承受工作负荷的MCrAlX层，通过浸入约50°-80℃热的20％盐酸内被清除。在经过一个根据经验导出的持续时间后，将叶片从酸槽中取出，用水冲洗，以及接着喷磨。这种过程顺序即电解质浴和喷磨在这里多次重复，直至整个MCrAlX层去除或溶解。各工序的这种重复通常是必要的，因为通过电解质只溶解MCrAlX层在表面附近含铝的相。因此MCrAlX层位置更深的区域不能在一个步骤中溶解掉。在表面留下多孔的层体，它接着借助喷砂例如机械地去除。
叶片在电解质内停留的持续时间在这里并不反映对于各个叶片实际需要的直至停止溶解过程的时间，而是按标准确定一个规定的时间。在这里，在电解质内的停留时间基于一般的经验值确定。
然而每个构件分别受到严重程度不同的负荷，所以一个固定的时间规定值将导致构件负荷表面不同的或不完全的溶解。往往构件在除层已没有进一步进展的情况下还停留在酸槽内，直至走完预定的时间程序。
EP 1094134 A1和US 2003/0062271 A1公开了一些电化学去层的方法。
US 4539087公开了一种方法，其中测量电解过程的电流，由此可以借助电流变化过程作出判断，何时应停止该电解过程。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种方法和设备，它允许个别化地确定每个构件(类型，层厚、工作负荷状态等)最少需要的处理持续时间。
上述目的首先通过一种用于处理至少一个构件表面的方法来实现，按照该方法，将该至少一个构件置入一种处理剂内，在该至少一个构件和至少另一个极上施加用于表面处理的一处理电压，其中，在所述至少一个构件和至少另一个极上施加一测量电压，由此形成一个与时间有关的流动电流，该电流随时间的变化过程表示表面处理的状态并被用来判定是否终止或中断所述表面处理。
上述目的另外通过一种用于处理至少一个构件表面的设备来实现，该设备至少具有一个有待处理的构件作为一电极、另一电极、一种处理剂以及一些电连接装置，其中，所述至少一个构件和另一极被置入所述处理剂中，所述电连接装置则将所述至少一个构件及另一极与一电源连接起来，按照本发明，存在另一些电引线，它们将所述至少一个构件及另一极与另一电源连接起来。
按照本发明方法的一有利的扩展设计，可采用一直流电压作为所述处理电压。作为其替代手段，所述处理电压也可以是脉冲式电压。
按照另一有利设计，可采用一直流电压作为所述测量电压。同样作为其替代手段，所述测量电压可以是脉冲式的。该脉冲式测量电压优选至少有时与所述脉冲式处理电压共同施加，或者在所述脉冲式处理电压的一脉冲间歇内施加。在此，所述测量电压的一脉冲持续时间要么比所述处理电压的脉冲持续时间短，要么与所述处理电压的脉冲持续时间相同。
按照本发明的又一设计，所述测量电压与所述处理电压的比例至少为1∶10，尤其是1∶10，优选为1∶20或者为1∶30或者为1∶40或更小。
当所述构件具有一有待去除的层时，所述表面处理用于除去该层。但按照本发明的所述表面处理方法也可用于给所述至少一个构件上镀层。
按照本发明的一设计方案，可采用在所述处理剂内的一个电极尤其是另一个构件作为另一极。可使用一种酸作为所述处理剂。
比较有利的是，所述电流开始时随时间增大，然后保持相对恒定。当所述电流随时间进程尤其下降到一个预定的参考值时，标志着所述除层的终点。
按照本发明的所述表面处理方法优选分步骤实施，其中，在一个中间步骤进行磨蚀除层，然后在处理剂内重新对所述至少一个构件进行处理。优选在在至少一个中间步骤中冲洗所述至少一个构件。
按照本发明的方法既可用于处理唯一的一个构件，也可用于至少处理两个构件，但此时要为它们分别确定一个自己的随时间的变化过程。
按照本发明方法的一有利设计，为所述处理电压和测量电压采用一个公共的电路。作为替代方案，也可为所述处理电压采用一第一电路以及为所述测量电压采用一第二电路。
按照本发明设备的一扩展设计，可采用另一电极来构成所述第二电路。
上述各项扩展设计可以按有利的方式互相任意组合。
下面借助附图所示实施方式对本发明予以详细说明，附图中图1表示一种实施本发明方法的设备；图2、3、4表示随时间的电压变化曲线；图5、6表示在实施本发明的方法时得到的电压和电流随时间的变化曲线；图7表示一个透平叶片；图8表示一个燃烧室；以及图9表示一台燃气轮机。
具体实施例方式
图1举例表示按本发明的设备1，借助它可以实施按照本发明的方法。
所述设备1包括一个例如金属、陶瓷或塑料(聚四氟乙烯、聚合物等)制的容器3，其中盛放一种处理剂6，例如一种酸6或一种电解质6(含镀层材料)，用于至少一个构件9的表面处理，如除层或镀层。在除层的情况下，容器3内优选地存在一种酸或酸混合物。反之，在镀层时，电解质6有用于镀层的相应的化学元素。在这里，在处理剂6内例如置入单个构件9，它的表面区应溶解掉。这例如通过对构件9例如承受工作负荷的表面的酸蚀实现。
若应为两个或多个构件9除层，则例如两个构件9分别构成一个电极(亦即阳极和阴极)，其中作为处理剂6应当使用一种含氮的处理剂6。
按本发明存在至少一个电压/电流源18，它通过电连接装置15与构件9或另一个电极12电连接。第一电路可以这样闭合，即，令连接装置15与处于处理剂6内的另一个电极亦即电极12连接，或与容器3连接，从而可使电流I在构件9与极3、12之间流动，还可以测量此电流。电流经构件9通过构件9承受负荷的表面和通过处理剂6流向电极12(或流向容器3)。在容器3内也可以放置多个要除层的构件9，在这种情况下可以针对每个构件9逐个确定电流曲线I(t)，所以各构件9必要时在处理剂6中停留不同的时间长度。
按本发明还可以存在另一个包括导线15′和电流/电压源18′的第二电路，所以在那里同样流动一个也可以测量的电流。导线15′因而同样与构件9和电极12连接。
图2举例表示按本发明的电压变化曲线。
为了给一个大尺寸的构件9除层，施加一种脉冲式的具有脉冲持续时间t30的处理电压30，它例如在构件9比较大时(38cm长)，如燃气轮机叶片120、130(图7、9)，产生电流达100A。脉冲持续时间t30可以始终是同样的大小，或可以随时间t改变。同样，处理电压的大小可以随时间t改变。
但这些电流过大，以至于根据电流变化过程的过渡特性不能得到关于表面处理进程的准确信息(例如冷却时间过长)。
因此，按本发明在电路(8、15、9、6、12)中将一个较小的例如脉冲式测量电压33(1mv至50mv)叠加在较大的(用于除层的)处理电压30上，或将处理电压30短暂地(亦即至少有时)提高一个与测量电压33值相应的值。
测量电压33的脉冲持续时间t33可以小于、等于或大于处理电压30的脉冲持续时间t30。
当测量电压33的脉冲持续时间t33小于处理电压30的脉冲持续时间t30时，测量电压33可以在脉冲式处理电压33的开始、中间或结束时施加。
较小的测量电压33产生非常小的能更好测量的电流。
处理电压30与测量电压33信号的分离例如通过借助数学的信号分离法，例如傅里叶分析法分析电流曲线而实现。
相应于除层用的处理电压30和测量电压33，可以使用例如三个电极(按本发明还可以存在另一个用于第二电路(图1)的电极12′，第二电路包括导线15′和用于测量电压33的电流/电压源18′；因此，导线15′同样与构件9和例如与电极12′(用虚线表示的)连接，而不与电极12连接)，在这里，这些电压在大的表面上叠加。电流信号在测量技术上的分离例如通过两个部分脱耦的电路(15+18+9+6+12；15′+18′+9+6+12或12′)实现。
用于电解除层的较小的测量电压33的量值很小或可以忽略不计。
同样，在采用脉冲式处理电压30的同时可以使用直流的测量电压33″(虚线所示)。
图3举例表示按本发明方法的另一种按照本发明的电压变化曲线。
在这里同样使用一高的脉冲式除层处理电压30，它产生很大的电流。
在这里，测量电压例如同样为脉冲式的并在处理电压脉冲30的脉冲间歇36期间(t36)施加(t36＞t33)。这通过电压脉冲30、33的同步化实现。
图4举例表示另一种电压变化曲线。
在这里，一个恒定的大处理电压30(直流电压)施加在要电解除层的构件9上，其中测量电压33仍是脉冲式的以及叠加在处理电压30上。
处理电压30可以短时(相应地脉冲式增大)提高一个相应于测量电压33大小的值，在这里只需要一个电路，或测量电压33′(虚线表示)例如通过第二电路叠加在处理电压上。
尤其在第二电路18′、15′、9、6、12或12′中同样可以使用较小的直流测量电压33″。脉冲持续时间t33、t30可以相同或不同(t30＝t33，t33＜t30，t33＞t30，t30＝t33和t36＞t30，等等)。
在用于除层的电解期间通过测量电压引起的电流I(t)随时间的变化曲线表示在图5中。电流I(t)在一开始随时间t增大，在某一时刻后首先基本上保持不变。除层此时尚未完成，也就是说，除层速率仍较高。在某个时间t后，电流I下降。电流I(在曲线I(t)内的区域或点27)的这种下降表示，还只剩小量镀层材料要溶解。因此，当例如达到预定的电流强度参考值、或当电流强度降低了某个值(见测量点27、22的差别)、或当一条趋势线得出电流强度已下降的变化过程时，溶解过程可以停止。
类似地这也可适用于镀层过程，此时，消耗电解质6，或由曲线I(t)下方的面积确定镀层厚度。
本方法也可以分步骤实施。其中总是在方法的一个中间步骤实施磨蚀除层，去除酸产物的残余和/或导致加速除层，因为构件9在处理剂6内停留一段时间后形成了一个脆性层，它可以通过磨蚀更好地去除。
同样，可以在方法的一个中间步骤实施构件9的水洗(冲洗)。之后，构件9重新置入处理剂6内。这些工艺步骤，即构件9在处理剂6内处理、喷砂磨蚀，可以任意重复。一个或多个构件9的除层也可以在不存在处理电压的情况下进行，也就是说不产生电解除层过程。
图6表示测量或处理电流和电压实验确定的变化曲线。
在透平叶片(长度≈18cm，表面积≈150cm2)上施加一个恒定的处理电压30为1.2V，其中作为电解质例如使用含2％三乙醇胺的5％HCl(盐酸)。处理电压30用菱形表示，以及产生一10至11A的电流I(图中未表示)。
用于确定终点的脉冲式测量电压33在这里例如是50mV以及通过脉冲长度为例如0.5s的脉冲施加。测量电压33与处理电压30之比因而为1∶24，以及可选择与之不同，例如是1∶10(或1∶20、1∶30或更大为1∶50、1∶100)。
测量电压33在图6中用正方形表示。基于测量电压33测得的电流I在图6中用三角形表示。一条分离线(虚线表示)表示光滑连接而成的和预期的时间变化曲线。这条曲线与图2中的曲线对应。
电流I(t)随时间的变化曲线24也可以由一个个测量点21得出，它们按规则或不规则的间隔确定。
在后面的附图中表示的如此除层的构件，可如在下面的附图中说明的那样重新镀层。
图7表示叶片120、130透视图，它沿一纵轴线121延伸。
叶片作为构件9的例子可以是流体机械的工作叶片120或导向叶片130。流体机械可以是飞机的或用于发电的发电站的一燃气轮机、一蒸汽轮机或一空气压缩机。
叶片120、130沿纵轴线121彼此相继地有固定区400、与之毗邻的叶片平台403以及叶身406。作为导向叶片130，叶片可在其叶尖415处有另一个平台(图中未表示)。
在固定区400内形成叶片根部183，它用于将工作叶片120、130固定在轴上或叶轮上(未表示)。叶根183例如设计为锤头。也可以不同地设计为枞树形叶片根部或燕尾形叶片根部。叶片120、130对于一种流过叶身406的介质具有一个前缘409和一个后缘412。
传统的叶片120、130在叶片120、130的所有区域400、403、406使用例如实心的金属材料。在这里，叶片120、130可以用铸造法制造，也可以借助定向凝固、通过锻造工艺、通过铣削工艺或它们的组合制造。
具有单晶结构的工件被用作那些在运行时遭受高的机械、热和/或化学负荷的机器构件。此类单晶体工件的制造例如通过熔体的定向凝固实现。在这里涉及铸造工艺，其中液态的金属合金定向凝固为单晶体结构，亦即单晶体工件。在这里，树枝状晶体沿热流定向，并要么形成棒杆状晶体结构(柱状的，亦即晶粒，它们沿工件全长延伸，以及在这里按通常的习惯用语称为定向凝固)，要么形成单晶结构，也就是说整个工件由唯一的一个晶体组成。在这些方法中，人们必须避免向球状(多晶的)凝固转变，因为通过不定向生长必然构成横向和纵向的晶界，它们使定向凝固或单晶的构件优良的特性消失。
若通常谈到定向凝固的结构，则既认为是那些没有晶界或最多有小角度晶界的单晶体，也认为是棒杆状晶体结构，它们虽然有沿纵向延伸的晶界，但没有横向的晶界。对所述的这两种晶体结构人们也称为定向凝固结构(directionally solidified structures)。
由US-PS 6024792和EP 0892090A1已知这些方法。
再磨光意味着构件120、130在其使用后必要时必须通过按本发明的方法除去保护层(例如通过喷砂处理)。然后去除腐蚀层和/或氧化层和/或氧化产物。必要时还要修复构件120、130内的裂纹。之后，例如通过按本发明的方法实施构件120、130的再镀层并重新使用构件120、130。
叶片120、130可以设计为空心或实心的。当叶片120、130应冷却时，它是空心的和必要时还有一些气膜冷却孔(未表示)。为防止腐蚀，叶片120、130例如有相应的大多为金属的镀层，以及为隔热大多还有一个陶瓷的涂层。
图8表示燃气轮机的燃烧室110。燃烧室110例如设计为所谓的环形燃烧室，其中许多沿周向围绕透平轴103布置的燃烧器102通入一个公共的燃烧室内腔。为此，燃烧室110在其总体上设计为绕透平轴103定位的环形结构。
为达到比较高的效率，燃烧室110设计用于工质M比较高的温度为约1000℃至1600℃。为了即使在这些对于材料不利的运行参数情况下仍能有比较长的工作寿命，燃烧室壁153在其面朝工质M的那一侧加上由热屏元件155(构件9的另一个例子)构成的内部砌衬。每个热屏元件155在工质侧设计有一个特别耐热的保护层或用耐高温材料制成。此外，基于在燃烧室110内部的高温，为热屏元件155或为其固定元件设有一冷却系统。
燃烧室壁及其镀层的材料可类似于透平叶片。
图9示例性地表示一个燃气轮机100的局部纵剖面。
燃气轮机100在内部有一个绕旋转轴线102旋转地支承的转子103，它也称为透平转子。沿转子103依次是进气机壳104、压缩机105、带有多个同轴布置的燃烧器107的一例如花托状的燃烧室110，尤其是环形燃烧室106、一透平机108以及排气机壳109。环形燃烧室106与一个例如环形的热燃气通道111连通。在那里例如四个串联的透平级112构成透平机108。每个透平级112例如由两个叶片环构成。沿工质113的流动方向看，在热燃气通道111内随导流叶排115之后是一个由工作叶片120构成的叶排125。
导向叶片130固定在一定子143的内壳体138上，而叶排125的工作叶片120例如借助透平叶轮133装在转子103上。一发电机或工作机械(未表示)与转子103连接。
在燃气轮机100运行时，压缩机105通过进气机壳104吸入并压缩空气135。在压缩机105的朝向透平一侧的端部提供的压缩空气导向燃烧器107，在那里与燃料混合。混合物然后在燃烧室110内燃烧形成工质113。工质113从那里出发沿热燃气通道111流过工作叶片130和导向叶片120。工质113在工作叶片120上传输动量地膨胀，所以工作叶片120驱动转子103以及转子103带动与之连接的工作机械。
遭遇热工质113的构件在燃气轮机100运行期间承受热负荷。沿工质113流动方向看的第一透平级112的导向叶片130和工作叶片120，除作为环形燃烧室106的砌衬的热屏元件外，受到最大的热负荷。为了能承受住在那里存在的温度，它们可以借助冷却剂冷却。同样，构件的基质可以有一定向结构，也就是说，它们是单晶体(SX结构)或只有纵向晶粒(DS结构)。作为用于构件，尤其用于透平叶片120、130以及燃烧室110构件的材料，使用例如铁基、镍基或钴基的超级高温合金。这些超级高温合金例如由EP1204776、EP 1306454、EP 1319729、WO 99/67435或WO 00/44949已知，这些文件是本申请公开内容的一部分。
同样，叶片120、130可以有防腐蚀的镀层(MCrAlX，M是铁(Fe)，钴(Co)，镍(Ni)族中的至少一种元素，X是一种活性元素以及包括钇(Y)和/或硅和/或至少一种稀土元素)和通过隔热层隔热的涂层。隔热层例如由ZrO2、Y2O4-ZrO2组成，也就是说，该隔热层可通过添加氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁而部分稳定或完全稳定，或者不稳定。通过适当的镀层工艺，例如电子束喷雾(EB-PVD)，在隔热层内造成棒杆状的晶粒。
导向叶片130有一个面朝透平机108内壳体138的导向叶片根部(这里没有表示)和一个与该根部对置的导向叶片顶部。该导向叶片顶部面朝转子103并固定在定子143的一固定环140上。
权利要求
1.一种用于处理至少一个构件(9)表面的方法，其中，将该至少一个构件(9)置入一种处理剂(6)内，在该至少一个构件(9)和至少另一个极(3、12)上施加用于表面处理的一处理电压(30)，其特征为在所述至少一个构件(9)和至少另一个极(12、12′)上施加一测量电压(33)，由此流动一个与时间有关的电流(I(t))，该电流随时间的变化过程表示表面处理的状态并被用来判定是否终止或中断所述表面处理。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征为采用一直流电压作为所述处理电压(30)。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征为所述处理电压(30)是脉冲式的。
4.按照权利要求1、2或3所述的方法，其特征为采用一直流电压作为所述测量电压(33)。
5.按照权利要求1、2或3所述的方法，其特征为所述测量电压(33)是脉冲式的。
6.按照权利要求5所述的方法，其特征为所述脉冲式测量电压(33)至少有时与所述脉冲式处理电压(30)共同施加。
7.按照权利要求5所述的方法，其特征为所述脉冲式测量电压(33)在所述脉冲式处理电压(30)的一脉冲间歇(36)内施加。
8.按照权利要求5、6或7所述的方法，其特征为所述测量电压(33)的一脉冲持续时间(t33)比所述处理电压(30)的脉冲持续时间(t30)短。
9.按照权利要求5、6或7所述的方法，其特征为所述测量电压(33)的脉冲持续时间(t33)与所述处理电压(30)的脉冲持续时间(t30)相同。
10.按照权利要求1所述的方法，其特征为所述测量电压(33)与所述处理电压(30)相比的比例至少为1∶10。
11.按照权利要求1所述的方法，其特征为所述测量电压(33)与所述处理电压(30)相比的比例为1∶10。
12.按照权利要求1所述的方法，其特征为所述测量电压(33)与所述处理电压(30)相比的比例为1∶20。
13.按照权利要求1所述的方法，其特征为所述测量电压(33)与所述处理电压(30)相比的比例为1∶30。
14.按照权利要求1所述的方法，其特征为所述测量电压(33)与所述处理电压(30)相比的比例为1∶40或更小。
15.按照权利要求1所述的方法，其特征为所述构件(9)具有一有待去除的层；以及，所述表面处理用于除去所述至少一个构件(9)的该层。
16.按照权利要求1所述的方法，其特征为所述表面处理用于给所述至少一个构件(9)上镀层。
17.按照权利要求1所述的方法，其特征为采用在所述处理剂(6)内的一个电极(12、12′)尤其是另一个构件(9)作为另一极。
18.按照权利要求1或15所述的方法，其特征为使用一种酸作为处理剂(6)。
19.按照权利要求1、15或18所述的方法，其特征为所述电流(I(t))开始时随时间(t)增大，然后保持相对恒定。
20.按照权利要求1、15、18或19所述的方法，其特征为当所述电流(I(t))随时间进程尤其下降到一个预定的参考值时，标志着所述除层的终点。
21.按照权利要求1所述的方法，其特征为所述表面处理分步骤实施，其中，在一个中间步骤进行磨蚀除层，然后在处理剂(6)内重新对所述至少一个构件(9)进行处理。
22.按照权利要求1或21所述的方法，其特征为在至少一个中间步骤中冲洗所述至少一个构件(9)。
23.按照权利要求1、19、20、21或22所述的方法，其特征为处理唯一的一个构件(9)。
24.按照权利要求1、19、20或21所述的方法，其特征为至少处理两个构件(9)，为它们(9)分别确定一个自己的随时间的变化过程(I(t))。
25.按照权利要求1所述的方法，其特征为为所述处理电压(30)和测量电压(33)采用一个公共的电路(12、18、15、9、6)。
26.按照权利要求1所述的方法，其特征为为所述处理电压(30)采用一第一电路(12、18、15、9、6)以及为所述测量电压(33)采用一第二电路(12、12′、18′、15′、9、6)。
27.一种用于处理至少一个构件(9)表面的设备(1)，它至少具有一个有待处理的构件(9)作为一电极、另一电极(3、12)、一种处理剂(6)以及一些电连接装置(15)，其中，所述至少一个构件(9)和另一极(3、12)被置入所述处理剂中，所述电连接装置(15)则将所述至少一个构件(9)及另一极(3、12)与一电源(18)连接起来，其特征为存在另一些电引线(15′)，它们将所述至少一个构件(9)及另一极(3、12)与另一电源(18′)连接起来。
28.按照权利要求27所述的设备，其特征为采用又一电极(12′)，以便构成所述第二电路。
全文摘要
承受工作负荷的构件往往可以通过酸处理重新投入使用。构件在酸内保持的持续时间迄今凭经验确定，从而没有考虑个性化的要求。按本发明的处理构件表面的方法建议，在构件上至少重复施加一测量电压(33)，由此形成一流动电流I(t)，该电流随时间的变化过程表示表面处理的状态并被用来判定是否终止或中断所述酸处理。
文档编号C25F5/00GK1721580SQ20051008136
公开日2006年1月18日 申请日期2005年6月28日 优先权日2004年6月30日
发明者厄休斯·克鲁格, 丹尼尔·科特维尔耶西, 拉尔夫·赖歇, 简·斯坦巴克, 加布里埃尔·温克勒 申请人:西门子公司