专利名称：用于对非导电材料进行电火花烧蚀加工的电极装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于对非导电材料进行电火花烧蚀加工的电极装 置和一种使用这种电极装置对非导电材料进行电火花烧蚀加工的方法。背，技术, — 、 、，'、、^ 、法。该方法此外用于，在设有陶瓷涂层的构件中产生孔。这样比方说在 在金属基体上具有陶瓷隔热层的涡轮机叶片上通过电火花烧蚀产生冷 却空气孔。在DE 41 02 250 Al中 一般说明了 一种用于不导电的材料的电火花 烧蚀加工的方法。在该方法下，所述不导电的材料在它加工前利用导电 物质涂装。该涂层用作辅助电极，它在电火花烧蚀加工时产生与工作电 极的电接触。利用辅助电极涂装的不导电的材料和工作电极的朝向辅助 电极的，在加工时产生电火花放电的终端区域浸入一种由液体，如》某油 或者也可以是汽油构成的介质中。如果在该结构上施加电压，在工作电极和辅助电极之间产生电火花介质的一部分被裂解，由此产生碳或者导电的碳化物，它们l导电:涂 层的形式沉积到不导电的材料露出的表面区域上。这样沉积的导电的涂 层由此代替辅助电极的剥蚀的材料并且在工作电极在不导电的材料中 推进时产生到不导电的材料的表面的导电连接，由此可以获得连续的加 工。被认为不利的是，在已知的方法下，加工速度受限制，因为导电涂 层的沉积过程进行得慢。因此流畅的加工是不可能的。此外，由于新形 成的层具有处于pm范围内的微小厚度，所以当其受损时很容易导致线 路断开，从而令工艺完全中断。发明内容本发明的目的在于，提供一种电极装置，其可以实现在非导电材料上由导电物质快速而可靠地形成附加导电层,并同时使得非导电材料被 流畅地侵蚀。该目的按照发明通过一种电极装置得以解决，该电极装置具有用于 侵蚀非导电材料的第一组成部分和用于将导电物质在非导电材料上沉 积的第二组成部分。基本原理在于，电极装置的组成部分分别为各自的 目的、即为侵蚀或沉积而得到优化。按照发明的电极装置的特别优点在于，由导电物质构成的附加导电 层的形成可以快速且可靠地进行。由此使得可能的加工速度相对于现有 技术中公开的方法而言有所显著提高。由于导电物质的沉积在优化的条 件下进行，所以附加的导电层具有更高的稳定性。从而降低了由于涂层 的损伤而导致电路断开并因此导致方法中断的危险。在本发明的一种实施方式中，第一与第二组成部分是两种化学和/ 或物理上不同的化合物。它们也可以例如是不同的金属或金属合金。此 外，当它们由相同化学材料形成的时候例如也可以例如在其表面特性上 有所不同。就此优选的是，例如用于侵蚀非导电材料的组成部分特别有 阻抗能力且耐热，并从而在电火花烧蚀加工期间最大程度地不受损伤，为导电物质的组成部分。电极装置还可以如下设置，即， 一个组成部分作为涂层设置在另一 个组成部分的局部上。利用这种方式可以在电极装置内获得两个空间上 限定的区域，它们分别对沉积和侵蚀进行优化。实践还证明了 ，这种由用于侵蚀非导电材料的分立的腐蚀电极和用 于沉积导电物质的分立的沉积电极所组成的电极装置，可以实现对非导 电材料进行特别快速且安全的电火花烧蚀加工。在这种情况下存在两个 分立的电极，它们彼此可以导电连接但不是必须这样。通过在空间上将 这两个电极分开可以让各自进行的工艺免受干扰。在这种情况下也可以让腐蚀电极和沉积电才及由两种化学和/或物理 上不同的化合物、例如两种金属或两种合金形成。此外，腐蚀电才及和沉积电极还可以具有不同的几何尺寸，它们可以 这样选取，使得它们支持沉积电极或腐蚀电极的功能。腐蚀电极的几何 尺寸也可以根据期望的电火花烧蚀加工形状进行选取。由于导电物质的沉积尤其应该在电火花烧蚀加工区域的侧壁上进行，所以有利的是让沉积电极将腐蚀电极包围。这样便保证了沉积电极 在空间上被设置在非导电材料的应该沉积出导电物质的部分附近。在本发明的另外一种实施例中，沉积电极和腐蚀电极彼此固定连 接。这可以例如通过将沉积电极局部作为涂层设置在腐蚀电极上或通过将腐蚀电极局部作为涂层设置在沉积电极上实现。涂层可以例如由TiN 形成。利用这种方式可以获得能够简单制造且具有较高固有稳定性的电 极装置。也可以让腐蚀电极和沉积电极彼此无关地运动。由此可以确保让电 极的相应运动能够与它们进行的工艺的速度相配。这意p未着不仅沉积电 极可以以 一种有利于其沉积导电物质功能的方式运动，而且腐蚀电4及可 以这样运动，使得其以优化的方式实现对非导电材料的侵蚀。为此，腐 蚀电极和/或沉积电才及不仅可以进行平移运动也可以进行旋转运动，或者 是进行这两种运动形式的组合。优选让电极装置具有控制单元，控制单元尤其以如下方式对电极的 运动进行控制，即，腐蚀电极和沉积电极以不同的进给量朝着非导电材 料移去。利用这种方式可以对以不同速度进行的腐蚀工艺和沉积工艺加 以照顾。还提供了一种用于对非导电材料进行电火花烧蚀加工的方法，其中 运用了前面所述的电极装置。该方法特别适用于作为涂层设置在构件上的非导电材料。该涂层可 以例如是依然由全稳定或部分稳定的氧化锆形成或含有其的绝热层。相 应的涂层存在于许多涉及通常有必要对涂层进行穿孔的构件上，这借助 于按照发明的方法可以快速而高效地实现。实践证明，按照发明的方法特别益于对属于涡轮的构件进行电火花 烧蚀加工。因为这些构件现如今大多设有陶瓷的绝热层，所以按照发明 的方法是适合制造冷却空气孔的，在这里可以实现让以扩散器为形式的 开口区域直接在电火花烧蚀加工期间形成。这特别会适用于涡轮机的工 作叶片或导向叶片。
下面借助两幅对按照发明的电极装置和按照发明的方法做详细阐 述。其中图1示意性地示出在开始加工之前按照本发明的用于对非导电材料进行电火花烧蚀加工的电极装置；图2示出了在加工期间的图1的结构，图3示出了燃气轮机，图4示出了涡轮机叶片，以及图5示出了燃烧室。
具体实施方式
图1是按照发明的电极装置的示意图，其中该电极装置是在开始加 工非导电材料之前。在所示实施例中应该是对由非导电的陶资形成的构 件1进行加工。其中可能涉及的是涡轮机的零件、例如工作叶片120(图 3、 4)或导向叶片130 (图3、 4)。非导电材料也可以是例如以绝热层 为形式的涂层，涂层可以由全稳定氧化锆或部分稳定氧化锆形成。辅助电极2作为由石墨形成的层平面地安置在构件1的表面上。对 于涂覆而言，在现有技术中已知的各种方法都是适合的，辅助电极2也 可以由不同金属或导电的聚合物形成。辅助电极2像电极装置3 —样与 发电机4导电连接，从而在两个电极2、 3上施加合适的电压。电极装置3在这种情况下由分立的腐蚀电极3a和分立的沉积电极 3b形成，腐蚀电极3a与沉积电极3b彼此导电连接。这两个电极3a、 3b 可以由化学和/或物理上不同的化合物、例如由两种不同的金属形成。在 这里它们还具有不同的几何尺寸，沉积电极3b至少部分地包围腐蚀电 极3a。腐蚀电极3a和沉积电极3b可以彼此固定连接，这例如可以通过 将沉积电极3b以涂层的形式安置在腐蚀电极3a的侧壁上而得以实现。另一方面，这两个电极3a、 3b也可以是独立的元件并且能4皮此无 关地移动，从而它们二者分别可以进行平移运动和/或旋转运动。当电极 装置3中还附带具有未示出的控制单元时，可以对电极3a、 3b的运动 进行控制，尤其是这两个电极3a、 3b以不同的进给量向着构件1运动。电介质5将构件1、辅助电极2和电极装置3的下段包围。电介质 5可以例如是煤油，当然许多其它在现有技术中已知的化合物也是适合 的。为了借助按照发明的方法对构件进行电火花烧蚀加工，首先在其 表面上设置尤其由石墨形成的导电层作为辅助电极。辅助电极2和电极装置3被连接到发电机4上。构件1和至少电极装置3的进行电火花烧 蚀加工的下面部分被电介质5包围。将电极装置3的腐蚀电极3a(如图2所示)带到辅助电极2的附近。 只要在电极装置3和辅助电极2上施加合适的电压，就开始进行以辅助 电极2与腐蚀电极3a之间电火花飞弧为形式的电接触。通过火花的形 成使得辅助电极2的一部分和构件1的陶瓷材料蒸发和侵蚀，从而构成 开口 8。每次火花放电都还会使得部分电介质裂解，从而形成碳和/或碳 化合物，它们在构件1的棵露的非导电材料上被沉积电极3b沉积并从 而构成导电层7，导电层7替代辅助电极2的被侵蚀的材料，从而随着 方法的继续开始在沉积的层7与工作电极3之间的电火花飞弧，然后层 7连同构件1的陶瓷材料进一步受到侵蚀。通过使得层7的侵蚀区再次 被裂解产物添满这一方式，该工艺可以持续进行。由于事实上腐蚀电极3a和沉积电极3b是可4皮此无关地轴向运动且 必要时可转动和偏转的独立构件，所以侵蚀工艺可以通过"相应控制腐 蚀电极3a和通过相应控制沉积电极3b沉积裂解产物"这一方式得到控 制，尤其也可以通过为电极3a、 3b选择合适的材料对该工艺施加影响。图3在纵向部分截面中示例示出了燃气轮机100。燃气轮机100在内部具有一个绕着旋转轴线102旋转支承着的具有 轴101的转子103，它也称为涡轮机转子。沿着转子103相继设有进气 罩104，压缩机105,例如环形的燃烧室10，特别是具有多个同轴布置 的燃烧器107的环形燃烧室，涡轮机108和排气罩109。环形燃烧室110与例如环形的热气通道111相通。在那里例如四个 串联接通的涡轮级112构成涡轮机108。每个涡轮级112例如由两个叶片环构成。在工作介质113的流动方 向看，在热气通道lll中跟随导向叶片排列115的是由工作叶片120构 成的排列125。导向叶片130在这种情况下固定在定子143的内壳138上，而排列 125的工作叶片120例如借助涡轮机盘133安装在转子103上。 连接在转子103上的是发电机或者工作机器(未示出)。 在燃气轮机100工作期间，空气135被压缩机105通过进气罩104 吸入并且压缩。在压缩机105的涡轮才几侧的端部准备好的压缩过的空气 被输送到燃烧器107并在那里与燃料混合。该混合物然后在形成工作介质113的情况下在燃烧室110中燃烧。工作介质113从那里沿着热气通 道lll流过导向叶片130和工作叶片120。工作介质113在工作叶片120 上脉动传递式地释放压力，这样工作叶片120驱动转子103并且该转子 驱动连接在它上面的工作机器。承受热的工作介质113的构件在燃气轮机100工作期间受到热力负 荷。在工作介质113的流动方向看，第一涡轮级112的导向叶片130和 工作叶片120除了遮蔽环形燃烧室110的隔热元件外受热力负荷最多。为了承受住那里出现的温度，它们可以借助冷却剂冷却。构件的基底同样可以具有定向的结构，也就是说，它是单晶的(SX 结构)或者只具有纵向定向的晶粒(DS结构)。例如应用铁基，镍基或者钴基的超级耐高温合金作为构件的材料， 特别是涡轮机叶片120, 130和燃烧室IIO的构件的材料。这些超级耐高温合金例如由EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435或者WO 00/44949公开；这些文献关于合金的化学成份是公开内容的一部分。导向叶片130具有正对流体机械108的内壳138的导向叶片根部(这 里未示出)以及位于导向叶片根部对面的导向叶片头部。导向叶片头部 正对转子103并且固定在定子143的固定环140上。图4在透视图中示出了涡轮机的工作叶片120或者导向叶片130, 它们沿着纵轴线121延伸。轮机或者压缩机。叶片120, 130具有沿着纵轴线121互相跟随的固定区域400、与其 邻接的叶片平台403以及桨叶406和叶片尖415。作为导向叶片130,叶片130可以在它的叶片尖415具有另一个平 台(未示出)。在固定区域400中构造了一个用于将工作叶片120， 130固定到轴 上或者盘(未示出)上的叶片根部183。叶片根部183例如设计成锤头。其它的设计方案如枞树形叶片根部 或者燕尾形叶片根部也是可以的。叶片120, 130对流过桨叶406上的介质具有流入棱409和流出棱412。对于传统的叶片120, 130,在叶片120, 130的所有区域400, 403, 406中例如应用实心的金属材料，特别是超级耐高温合金。这些超级耐高温合金例如由EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454， EP 1 319 729 Al, WO 99/67435或者WO 00/44949公开，这些文献关于合金 的化学成份是公开内容的 一部分。叶片120, 130可以在这种情况下通过铸造方法，也借助定向凝固， 通过锻造方法，通过铣制方法或者这些方法的组合加工。具有单晶的结构的工件被使用作为机器的构件，它们在工作中承受 高的机械，热力学和/或化学的负荷。这种单晶的工件的加工例如通过熔液的定向凝固实现。它在此涉及铸造方法，在该方法下液态的金属合金凝固成单晶的结构，也就是说凝 固成单晶的工件，或者定向凝固。在这种情况下树枝状的晶体沿着热量流定向并且或者形成棒状晶 体的晶粒结构(纵行，也就是说，沿着工件的整个长度延伸的晶粒，按 照一般的语言习惯称为定向凝固)，或者形成单晶的结构，也就是说， 整个工件由一种唯一的晶体构成。在这种方法中人们必须避免过渡到球 状(多晶体)，因为通过不定向的生长必然形成纵向的和橫向的晶界， 它会破坏定向凝固或者单晶的构件的性能。一般谈到定向凝固的组织，那么不仅指不具有晶界或者最多具有小 角度晶界的单晶体，而且指尽管具有纵向延伸的晶界，但是不具有横向 的晶界的棒状晶体结构。对于第二种举出的晶体结构人们也称为定向凝 固的组织(定向凝固结构)。这些方法由US-PS 6, 024, 792和EP 0 892 090 Al 乂>开，这些文 献关于凝固方法是公开内容的一部分。同样叶片120, 130可以具有涂层防止腐蚀或者氧化，例如(MCrAlX; M至少是铁(Fe),钴(Co),镍(Ni)的集合中的一种元素，X是活 性元素并且是钇(Y)和/或硅和/或稀土的至少一种元素，或者铪(Hf))。 这些合金由EP0 486 489 Bl， EP 0 786 017 Bl, EP0 412 397 Bl或者EP 1 306 454 Al公开，这些文献关于合金的化学成份是公开内容的一部分。 密度优选是理论密度的95 % 。在MCrAlX涂层(中间层或者最外层)上构造保护的氧化铝涂层 (TGO-热生长氧化层)。在MCrAlX涂层上还可以存在隔热层，该隔热层优选是最外侧的层， 并且例如由Zr02, Y203-Zr02组成，也就是说，它不是部分或者全部通 过氧化钇和/或氧化钓和/或氧化镁加固。该隔热层覆盖整个MCrAlX涂层。通过合适的涂装方法例如电子射线物理气相沉积(EB - PVD )会在 隔热层中生成棒状晶体。其它的涂装方法也是可以考虑的，例如大气等离子喷涂(APS), LPPS (低压等离子喷涂)，VPS (真空等离子喷涂)或者CVD (化学气 相沉积)。隔热层可以具有多孔的，有微缝或者粗缝的晶体用于更好的 抗热沖击性能。即隔热层优选比MCrAlX涂层更多孔。叶片120, 130可以制成空心的或者实心的。如果叶片120, 130要 被冷却，它们是空心的并且或许还具有利用根据本发明的方法产生的薄 膜冷却孔418 (虚线标明)。图5示出了燃气轮机100的燃烧室110。燃烧室110例如设计成所 谓的环形燃烧室，其中多个在圆周方向围绕旋转轴线102布置的产生火 焰156的燃烧器107通到共同的燃烧室空间154中。为此燃烧室110在 它的总体上设计成环形的结构，它围绕旋转轴线102定位。为了实现相对高的效率，燃烧室110设计成用于工作介质M的从约 IOO(TC到1600。C的相对高的温度。为了在这种对于材料不利的工作参数 下也可以获得相对长的工作寿命，燃烧室壁153在它的正对工作介质M 的一侧设有利用隔热元件155形成的内衬。由于在燃烧室110内部的高的温度，此外可以为隔热元件155和或 者为它的固定元件设置冷却系统。隔热元件155例如是空心的并且或许 还具有通到燃烧室空间154中的优选利用根据本发明的方法产生的冷却 孔(未示出)。每个由合金制成的隔热元件155在工作介质侧都装备有特别耐热的 保护涂层(MCrAlX涂层和/或陶资涂层)或者由耐高温材料(实心的陶 瓷砖)制成。该保护涂层可以类似于涡轮机叶片，即意味着例如MCrAlX: M至 少是铁(Fe),钴(Co),镍(Ni)集合中的一种元素，X是活性元素 并且是钇(Y)和/或硅和/或稀土的至少一种元素，或者铪(Hf)。这些 合金由EP 0 486 489 B1,EP 0 786 017B1，EP0 412 397 Bl或者EP 1 306454 Al公开，这些文献关于合金的化学成份是公开内容的一部分。在MCrAlX涂层上例如还可以存在陶资的隔热层并且例如由Zr02,Y203-Zr02组成，也就是说，它不是部分或者全部通过氧化钇和/或氧化4丐和/或氧化镁加固。通过合适的涂装方法例如电子射线物理气相沉积(EB - PVD )会在隔热层中生成棒状晶体。其它的涂装方法也是可以考虑的，例如大气等离子喷涂(APS),LPPS (低压等离子喷涂)，VPS (真空等离子喷涂)或者CVD (化学气相沉积)。隔热层可以具有多孔的，有微缝或者粗缝的晶体用于更好的抗热冲击性能。再加工(整^f奮)意p未着，涡轮才几叶片120, 130,隔热元件155在它 们使用后必要时必须清除保护涂层(例如通过喷砂)。然后进行腐蚀层 和/或氧化层或者腐蚀/氧化物的清除。也许还要修复涡轮机叶片120, 130 或者隔热元件155中的裂缝。然后进行涡轮机叶片120， 130，隔热元件 155的重新涂装以及涡轮机叶片120, 130或者隔热元件155的重新使用。
权利要求
1.用于对非导电材料(1)进行电火花烧蚀加工的电极装置(3)，其具有用于侵蚀非导电材料(1)的第一组成部分(3a)和用于将导电物质(7)在非导电材料(1)上沉积的第二组成部分(3b)，其中，第二组成部分(3b)被设置在第一组成部分(3a)上。
2. 按权利要求1所述的电极装置(3),其特征在于，第一和第二 组成部分(3a, 3b)是两种化学和/或物理上不同的化合物。
3. 按权利要求1所述的电极装置(3),其特征在于，第一和第二 组成部分(3a, 3b)是两种不同的金属。
4. 按权利要求1至3之一所述的电极装置(3),其特征在于，第 一组成部分(3a)作为涂层局部地设置在第二组成部分(3b)上，或者 第二组成部分(3b)作为涂层局部地设置在第一组成部分(3a)上。
5. 用于对非导电材料(1)进行电火花烧蚀加工的电极装置(3)， 其特征在于，其具有用于侵蚀非导电材料(1)的腐蚀电极(3a)和用 于对导电物质(7)在非导电材料(1)上进行沉积的沉积电极(3b)。
6. 按权利要求5所述的电极装置(3),其特征在于，腐蚀电极(3a) 和沉积电极(3b)由两种化学和/或物理上不同的化合物形成。
7. 按权利要求5所述的电极装置(3),其特征在于，腐蚀电极(3a) 和沉积电极(3b)由两种不同的金属形成。
8. 按权利要求5至7之一所述的电极装置(3),其特征在于，腐 蚀电极(3a)和沉积电极(3b)具有不同的几何尺寸。
9. 按权利要求5至8之一所述的电极装置(3),其特征在于，沉 积电极(3b)包围腐蚀电极(3a)。
10. 按权利要求5至9之一所述的电极装置(3),其特征在于， 腐蚀电极(3a)和沉积电极(3b)彼此固定连接。
11. 按权利要求10所述的电极装置(3),其特征在于，沉积电极 (3b)作为涂层设置在腐蚀电极(3a)上,或者腐蚀电极(3a)作为涂层设置在沉积电极(3b)上。
12. 按权利要求5至9之一所述的电极装置(3)，其特征在于， 腐蚀电极(3a)和沉积电极(3b)能彼此无关地运动。
13. 按权利要求12所述的电极装置(3),其特征在于，腐蚀电极 (3a)和/或沉积电极(3b)能够进行平移和/或旋转运动。
14. 按权利要求12或13所述的电极装置(3),其特征在于，其 具有控制单元，该控制单元对电极(3a, 3b)的运动进行控制并尤其以 如下方式进行控制，即，腐蚀电极(3a)和沉积电极(3b)以不同的进给量运动。
15. 用于对非导电材料(1 )进行电火花烧蚀加工的方法，其特征 在于，使用了按权利要求1至15之一所述的电极装置(3)。
16. 按权利要求15所述的方法，其特征在于，非导电材料(1 )是 构件上的涂层。
17. 按权利要求16所述的方法，其特征在于，所述涂层是绝热层。
18. 按权利要求17所述的方法，其特征在于，所述绝热层含有全 稳定或部分稳定的氧化锆或由其形成。
19. 按权利要求16至18之一所述的方法，其特征在于，所述构件 是涡轮机的零件。
20. 按权利要求19所述的方法，其特征在于，所述构件是工作叶 片或导向叶片。
全文摘要
用于对非导电材料(1)进行电火花烧蚀加工的电极装置(3)，其具有用于侵蚀非导电材料(1)的第一组成部分(3a)和用于将导电物质(7)在非导电材料(1)上沉积的第二组成部分(3b)。
文档编号B23H9/14GK101410213SQ200780010618
公开日2009年4月15日 申请日期2007年2月16日 优先权日2006年3月24日
发明者K·克莱因, R·福斯特, R·苏布拉马尼安, S·塞特加斯特, U·劳迪恩 申请人:西门子公司