局部清洁方法及设备的制作方法
【专利摘要】方法和设备，经氧化的金属表面可通过所述方法和设备制得，以用于随后的修复操作而不过量去除母金属材料。将至少一种气体供应至部件的金属表面的有限部分，且在所述气体的存在下将所述有限部分局部加热至处理温度，所述处理温度足以使所述气体或由所述气体形成的气体从所述金属表面的有限部分以化学方式去除氧化物。不将所述金属表面的至少第二部分局部加热至所述处理温度。
【专利说明】局部清洁方法及设备
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2011年8月31日提交的美国临时申请N0.61/529,622和2012年8月28日提交的美国申请N0.13/596，204的权益，所述专利的内容以引用方式并入本说明书。
【背景技术】
[0003]本发明通常涉及清洁方法和设备。更特别地，本发明涉及适用于清洁部件的氧化表面，例如涡轮机翼型部件的内表面的清洁方法和设备，以及这种部件的随后修复。
[0004]部件(例如燃气涡轮发动机的燃烧器内衬和涡轮机叶片(动叶)和静叶(喷嘴))的内部冷却常用于降低它们的使用温度，这允许发动机在更高温度下更有效地操作。燃气涡轮发动机的风冷(air-cooled)部件通常要求冷却空气流在被排放通过仔细构造的冷却孔(或槽)之前传送通过部件内的冷却回路，所述冷却孔(或槽)将冷却膜分布于部件表面之上以增加冷却流的效力。冷却孔形成和构造的方法是关键的，因为每个冷却孔开口的尺寸、形状和表面条件决定离开孔的空气流的量，并影响含有孔的冷却回路内的总体流动分布。
[0005]位于燃气涡轮发动机的高温部分中的风冷部件通常由高温合金形成。在发动机操作过程中这些部件所经受的剧烈高温条件可导致各种类型的损坏或劣化。例如，由于外来物冲击(外来物损坏或F0D)，在使用过程中，侵蚀、裂纹和其他表面不连续往往在涡轮机叶片和静叶的尖端(tip)和后缘形成。由于高温合金的材料和加工成本相对较高，因此损坏或磨损的高温合金部件的修复通常比替换更加优选。
[0006]图1示意性地表示高压涡轮机叶片10的叶片尖端区域。深的尖端裂纹12存在于叶片尖端中，并穿透尖端内的冷却孔14。图1中表示的类型的深的尖端裂纹可通过如下方式修复:首先机械传送出(rout out)裂纹以去除经氧化的金属材料,并由此产生可例如通过钨极惰性气体(TIG)焊接修复的清洁的可润湿的表面。然而,机械传送可导致过量的材料去除，这具有将母材中的裂纹增大至熔融焊接材料能够更容易地渗透部件的壁的程度的作用。在诸如叶片10的风冷涡轮机翼型部件的情况中，已渗透壁的熔融焊接材料的表面张力可使得焊接材料在叶片10的冷却通道内形成隆起(有时称为焊穿(drop-through)的现象)。除了不利地增加经修复的叶片的重量之外，焊穿的焊接材料可阻碍通过叶片10内的冷却空气回路的空气流。
[0007]鉴于上述，有利的是可得到一种能够产生可修复表面的修复方法，所述可修复表面保持母金属材料，还提供能够接收焊接修复的清洁的可润湿的表面。还有利的是提供一种经修复的涡轮机叶片，其发生极少的或没有由于进行修复过程而产生的重量影响。
【发明内容】
[0008]本发明提供了一种方法和设备，经氧化的金属表面可通过所述方法和设备制得，以用于随后的修复操作而不过量去除母金属材料。举例而言，可从母金属材料中选择性地清洁表面氧化物，以提供用于随后的焊接修复操作的可润湿表面。所述方法优选不增大金属材料中的裂纹，从而可在整个清洁过程中保持裂纹的尺寸。[0009]根据本发明的第一方面，所述方法包括将至少一种气体供应至部件的金属表面的有限部分，并且在所述至少一种气体的存在下局部加热所述金属表面的有限部分。将部件的有限部分加热至处理温度，所述处理温度足以使所述至少一种气体或由所述至少一种气体形成的气体从所述金属表面的有限部分而不从未局部加热至处理温度的金属表面的至少第二部分以化学方式去除氧化物。
[0010]根据本发明的第二方面，所述设备包括用于将至少一种气体供应至部件的金属表面的有限部分的装置和用于局部加热所述金属表面的有限部分的装置。所述设备适于在所述至少一种气体的存在下将所述有限部分局部加热至处理温度，所述处理温度足以使所述至少一种气体或由所述至少一种气体形成的气体从其金属表面而不从未局部加热至处理温度的金属表面的至少第二部分以化学方式去除氧化物。
[0011]本发明的技术效果是，当试图修复具有内部通道的部件时，能够保持母金属表面材料，这降低或避免了焊穿的发生。
[0012]根据如下详细描述，将更好地理解本发明的其他方面和优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1表示包括需要修复(如由裂纹所证实)的叶片尖端区域的高压涡轮机叶片的一部分的侧视图。
[0014]图2为根据本发明的一个实施例准备在涡轮机叶片的叶片尖端区域上进行清洁过程的设备的透视图。
【具体实施方式】
[0015]图2示意性地表示设备16，其适于进行如下过程:通过所述过程，金属表面可准备用于修复操作而无需不必要地去除母金属材料。特别地，设备16优选适于选择性地制备部件的表面，所述表面在所示实例中包括邻近高压涡轮机叶片18的叶片尖端20的表面区域，所述表面区域用于随后的通过从母金属材料中以化学方式去除表面氧化物以产生用于焊接修复的可润湿表面的焊接修复。设备16表示为包括清洁容器或室22、适于作为用于加热室22内的叶片尖端20的装置的感应线圈24，和引入室22中以及叶片18的内部中的原料源26。
[0016]图2表示修复方案的非限制性的例子，其中需要修复的叶片18的有限部分为从叶片尖端20延伸有限距离(例如，大概二分之一英寸(约1.3cm))的叶片18的叶片尖端区域。叶片18在图2中表示为在所述区域内具有叶片尖端裂纹28，以及紧密邻近裂纹28并在一些情况中与裂纹28相交的冷却孔30。设备16用于清洁裂纹28内和裂纹28周围的表面，之后裂纹28可填充修复材料。叶片18的材料可为等轴的定向固化的或单晶合金，而修复材料通常由基本材料与叶片18的基本材料相同的合金形成。在清洁之后，由于围绕裂纹28的表面不含氧化物，在叶片尖端20处的叶片18的部分优选能够易于接受焊接修复。
[0017]在清洁裂纹28之前，叶片18的外表面优选剥离涂层，例如金属和金属间环境涂层(包括扩散铝化物和铝化钼涂层)。这种涂层可根据已知惯例剥离，例如使用本领域已知的酸清洁方法。一个或多个外涂层优选从待清洁的叶片尖端区域以及从通过叶片尖端区域而与叶片尖端20间隔的叶片翼型32的剩余部分剥离。在外涂层的剥离过程中，存在于叶片18的内部特征(例如冷却回路)上的涂层优选用合适的掩蔽剂(maskant)掩蔽(mask)。在已去除叶片18的外表面上的任何涂层之后，优选例如通过加热叶片18(如果掩蔽剂由有机材料形成的话)而去除内部掩蔽剂。如本领域已知，剥离过程可能需要重复，直至去除所有的外涂层。然而，从叶片18的表面以化学方式剥离金属和金属间涂层的过程不去除可存在于裂纹28内和与裂纹28相邻的叶片18的表面上的氧化物和其他耐火材料。如本领域已知，需要焊接修复的叶片18的表面上的氧化物和耐火材料的存在抑制了表面被焊接填充材料润湿。降低的润湿需要使用相对大量的焊接填充材料来完成修复，这转而增加了焊接焊穿的风险。
[0018]为了从裂纹28中和裂纹28周围的叶片18的表面清洁氧化物和耐火材料，本发明优选使用化学清洁技术。举例而言，氟化氢气体可在氟离子清洁(FIC)技术中使用，以使在叶片18的表面上形成的氧化物化学反应并去除所述氧化物(例如氧化铝和氧化铬)，如由如下反应所示例:
[0019]6HF+A1203 — 2A1F3+3H20
[0020]6HF+Cr203 — 2CrF3+3H20
[0021]这些反应产生挥发性氟化物，所述挥发性氟化物在高温下升华，但在低于约1400° F (约760°C)的温度下为相对惰性。其他氧化物也能够以类似的方式与氟化氢反
应。
[0022]尽管氟化氢气体可用作原料26并直接施用至裂纹28的表面和紧密邻近裂纹28的叶片18的表面，但优选的原料26最初不与氧化物反应，且必须被充分加热以从裂纹28去除氧化物。更优选地，原料26为气体，所述气体不与氧化物反应，但在高温下发生转化而形成能够与来自金属表面的氧化物反应并去除所述氧化物的氟化氢或其他气体。显著的例子为当充分加热时可产生氟化氢气体的含氟原料26。非限制性的例子包括在与氢混合而形成氟化氢气体之后可热分解的碳氟化合物。特定的例子为R_134a (1，1，1，2-四氟乙烷)，其可根据如下反应热分解而形成氟化氢气体:
[0023]C2H2F4+5H2 — 4HF+2CH4
[0024]原位(in situ)产生氟化氢气体的合适的方法的例子更详细地描述于美国专利N0.8，206，488和美国专利申请公开N0.2010/0108107中。
[0025]根据本发明的另一优选方面，设备16构造用于仅在待进行修复的叶片18的那些部分(例如叶片尖端20的裂纹28)内选择性原位产生氟化氢，并因此受益于氧化物和可能的其他耐火化合物的去除。如图2明显看出，设备16可构造为使得其感应线圈24 (或另一合适的加热装置)可与叶片尖端20紧密相邻设置，以实现邻近叶片尖端20的叶片18的有限部分的局部选择性加热。感应线圈24为用于本发明的特定的合适的加热装置的一个显著的例子，原因在于线圈24能够将叶片尖端20选择性加热至可控的高温。另外，线圈24可构造为形状对应于叶片尖端20以及需要类似处理的其他部件的有限部分的复杂几何形状。在前述例子中，线圈24可构造为选择性加热在叶片尖端20的约二分之一英寸(约
1.3cm)内的叶片18的表面，并可用于将所述有限区域加热至足以在氢气的存在下热分解含氟原料26而形成氟化氢的温度。优选地，叶片18的剩余区域不发生氧化物的去除，因为它们未经受局部加热至原料26的热分解温度。
[0026]为了避免对叶片18的任何涂层或金属表面的损坏，叶片尖端20的区域中的材料的温度优选保持为低于可保持于叶片18的内部(例如与叶片18的内部冷却回路内的铝化物涂层相关的扩散区)的任何涂层的熔点。为此目的，进行本发明的清洁方法的特别合适的温度通常为约1150°C或更低，尽管更高的温度可为可能的。通过局部加热和清洁叶片18的过程，叶片18的其他区域(例如燕尾榫和内部叶片特征)将经受最少的热应力，并优选不需要掩蔽来保护远离叶片尖端20的叶片18的表面。实际上，在裂纹28的紧密附近局部加热允许叶片18的其他区域保持在一定温度下，用于从裂纹28剥离氧化物的气体在所述温度以下产生和存在，使得叶片18的其他区域有效的掩蔽而避免清洁操作。
[0027]在清洁叶片尖端20的过程中，整个叶片18和感应线圈24可设置于在室22内建立的受控环境内。举例而言，室22可被抽空并回填氢气，所述氢气随后可在室22的内部内获得以用于与原料26反应而形成氟化氢。原料26可以以任何合适的方式引入室22中，但在优选的实施例中例如通过通向叶片18的内部冷却回路的开口而直接引入叶片18的内部。如图2中示意性表示，通向内部冷却回路的开口通常位于叶片18的底部，所述底部由基座34封闭，叶片18在室22内被支撑在基座34上。以此方式，原料26和用于使原料气体26反应的氢气均存在于叶片18的冷却孔30处，尽管仅有在感应线圈24附近的那些冷却孔30被充分加热以产生从裂纹28的表面去除氧化物的氟化氢气体。
[0028]清洁处理优选进行如下持续时间，所述持续时间足以从叶片尖端20附近的叶片18的表面且特别是位于叶片尖端20处的裂纹28去除氧化物。据信15分钟在许多情况中是足够的，尽管可预期更长和更短的持续时间。之后，可关闭感应线圈24的电源，室22可回填惰性气体或非反应性气体，例如氩气。任选地，室22内的温度可随后增加至例如约2200° F (约1200°C)的温度，同时在室22内抽真空以去除任何残余的氟。可选择地或另外地，可用氢气吹洗室22，以从室22中去除氟气。
[0029]一旦已经从裂纹28中和裂纹28周围的叶片18的表面区域去除氧化物，叶片18则可经受合适的修复 和/或重建过程。作为一个非限制性的例子，可将叶片18置于焊接箱中，并进行钨惰性气体(TIG)焊接以修复裂纹28。由于氧化物从裂纹28去除而无需机械干预(例如传送、研磨等)，因此在清洁操作之前裂纹28优选不大于它们的尺寸，使得裂纹28可更易于填充合适的填料材料。在裂纹28的表面上基本上不存在氧化物的情况下，相比于依赖于机械干预而从裂纹28去除氧化物的常规修复过程，熔融金属填料材料能够芯吸至(wickinto)裂纹28中，并同时显示出更小的填料焊穿趋势。
[0030]除了修复裂纹28之外，叶片18的进一步加工可能需要修复或重建叶片18的其他部分，例如修复或重建叶片尖端20处的声响器(squealer)尖端(未显示)。一旦完成叶片18的修复，叶片18的经修复/经重建的部分可进行进一步的加工，例如沉积合适的金属或金属间涂层以替换或恢复在清洁过程之前去除的涂层。作为非限制性的例子，可使用化学气相沉积(CVD)技术用扩散铝化物或铝化钼涂层再涂布至少叶片18的经修复的部分。在焊接修复之后，叶片18也可进行合适的热处理，以减轻由于修复过程而在叶片18中引起的应力。
[0031]如以上证实，本发明的优选实施例偏离常规焊接制备方法，在常规焊接制备方法中裂纹表面上的氧化物将通过机械方式(如传送或研磨)去除。这样，本发明能够避免与这种常规清洁技术相关的问题，包括另外的母金属的去除，所述另外的母金属的去除将导致裂纹28增大并增加填充物焊穿的发生。[0032]尽管就具体实施例而言描述了本发明，明显的是本领域技术人员可采用其他形式。例如，设备16和叶片18的物理构造可不同于所显示的那些，可使用不同于那些所述的材料和加工参数。因此，本发明的范围仅由如下权利要求书限定。
【权利要求】
1.一种方法，其包括: 将至少一种气体供应至部件的金属表面的有限部分；以及 在所述至少一种气体的存在下将所述金属表面的有限部分局部加热至处理温度，所述处理温度足以使所述至少一种气体或由所述至少一种气体形成的气体从所述金属表面的有限部分而不从未局部加热至所述处理温度的金属表面的至少第二部分以化学方式去除氧化物。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属表面不经受用于从所述金属表面的有限部分机械去除氧化物的装置。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，裂纹存在于所述金属表面的有限部分中，且所述局部加热步骤使氧化物从所述裂纹的表面以化学方式去除。
4.根据权利要求3所述的方法，其还包括在从裂纹表面去除氧化物之后进行焊接修复过程以填充裂纹。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氧化物通过氟离子清洁而从所述金属表面的有限部分以化学方式去除。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述至少一种气体为含氟气体，所述局部加热步骤在氢气的存在下进行，并使所述含氟气体与氢气反应以在所述部件的有限部分处而不在部件的所述第二部分处形成氟化氢，并且在所述局部加热步骤过程中所述氟化氢从所述金属表面的有限部分以化学方式去除氧化物。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述含氟气体为碳氟化合物。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述部件具有内表面和在所述内表面上的金属或金属间涂层，且所述处理温度低于涂层的熔点，以不在所述局部加热步骤过程中损坏所述部件的涂层和金属表面。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述局部加热步骤使用感应线圈进行，所述感应线圈围绕所述部件的有限部分而不围绕所述部件的第二部分。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述部件为涡轮机翼型部件。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述部件的有限部分为其叶片尖端区域。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述部件的第二部分为通过叶片尖端区域而与叶片尖端间隔的翼型部分。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在所述局部加热步骤之前，将位于所述部件外部的金属表面的部分剥离金属和/或金属间涂层。
14.一种设备,其包括: 用于将至少一种气体供应至部件的金属表面的有限部分的装置；以及 用于在所述至少一种气体的存在下将所述金属表面的有限部分局部加热至处理温度的装置，所述处理温度足以使所述至少一种气体或由所述至少一种气体形成的气体从所述金属表面的有限部分而不从未局部加热至所述处理温度的金属表面的至少第二部分以化学方式去除氧化物。
15.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，所述至少一种气体为含氟气体，所述设备还包括用于将氢气供应至所述部件的有限部分的装置，且所述加热装置可操作用以使氢气和含氟气体反应，以在所述部件的有限部分处而不在所述部件的第二部分处形成氟化氢。
16.根据权利要求15所述的设备，其特征在于，所述含氟气体为碳氟化合物。
17.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，所述加热装置将所述处理温度限制至不超过1150°C。
18.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，所述局部加热步骤使用感应线圈进行，所述感应线圈构造为围绕所述部件的有限部分而不围绕所述部件的第二部分。
19.根据权利要求14所述的设备，所述设备还包括室，所述室容纳所述加热装置，且所述供应装置将所述至少一种气体供应至所述室中。
20.根据权利要求19所述的设备，其特征在于，所述供应装置将所述至少一种气体直接供应至所述部件内的内部腔体，所述设备还包括用于将第二气体供应至所述室的内部的装置，且所述加热装置可操作用以使所述至少一种气体和所述第二气体在所述部件的有限部分而不在所述 部件的第二部分处反应。
【文档编号】B23P6/04GK103781942SQ201280041963
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2012年8月30日 优先权日:2011年8月31日
【发明者】T.E.曼特科夫斯基, M.M.奥尔兹, N.N.达斯 申请人:通用电气公司