用于制造和修复热障的方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明一般而言涉及热障涂层，并且在一个实施例中，涉及燃气涡轮发动机部件 上的热障涂层的制造和修复。
【背景技术】
[0002] 燃气涡轮发动机的涡轮区包括旋转叶片的每一级或每一排周围的静止护环。护环 具有密封表面，密封表面具有到叶片尖部的狭窄间隙，以减小经过所述涡轮叶片尖部的级 间燃气泄漏。护环由称为环形段的弯曲的段或叶片外部气体密封形成。涡轮叶片和环形段 通常由基于镍、钴或镍铁的高温超级合金组成，镍、钴或镍铁在高温时保持机械强度、蠕变 阻力、表面稳定性和抗腐蚀/抗氧化性的。每个环形段的密封表面通常涂覆有抗氧化的金 属粘结涂层和热绝缘陶瓷热障涂层（TBC)。TBC的最外层通常形成多孔的以使其是耐磨的。 当金属祸轮叶片尖部与耐磨的涂层摩擦时，叶片切出穿过涂层的条带（swath)，因此使能叶 片尖部和环形段之间的最小间隙以最小化涡轮级之间的工作燃气泄漏，由此最大化功率输 出和燃料效率。
[0003] 耐磨涂层通常喷射得比其它类型的热障涂层厚很多。需要额外的厚度以允许叶片 尖部切进涂层。随着厚度增加，涂层中来自温度梯度的应力增加，特别是在发动机的启动和 关断期间。这可以增加涂层的剥落，导致失去间隙控制，其减小了发动机的功率和效率。其 还可以减小环形段的热防护，减小其使用寿命。剥落的其它原因是在发动机操作期间通过 逐渐地烧结而增加的耐磨涂层的硬度。
[0004] 当热障涂层劣化时，其必须被更换或修复以维持发动机效率。这通常可以通过移 除环形段至修复设备，移除所有旧的涂层，以及采用已知的热喷射方法应用新的涂层来完 成。这是昂贵的、耗能的以及耗时的。如果基体是通过作为劣化的热障涂层的结果的表面 分裂劣化的，可能需要更换环形段。
【附图说明】
[0005] 结合附图在下面的描述中说明本发明，附图示出了 ：
[0006] 图1是具有如现有技术所经历的热障涂层中的叶片尖端条带的两个相邻的护环 段的部分透视截面图。
[0007] 图2是具有移除磨损的TBC的一部分且安装TBC瓦片的两个相邻的护环段的部分 透视截面图。
[0008] 图3是用于TBC瓦片的制造装置的原理截面图。
[0009] 图4显示了用于TBC瓦片的制造装置的另一个实施例。
[0010] 图5是钎焊到基体上的联锁TBC瓦片的截面图。
[0011] 图6是在基体钎焊修复上方钎焊的TBC瓦片的截面图。
[0012] 图7是具有钎焊至在基体中选择路径的凹陷用于裂缝移除的额外深度的TBC瓦片 的截面图。
[0013] 图8是形成针对耐磨性图案化的磨损表面的不同高度的TBC瓦片的截面图。
[0014] 图9是孔隙率与用于示例性陶瓷粉的放电等离子烧结的烧结温度的图。
[0015] 图10是用于确定用于热障瓦片的目标热导率的图表。
[0016] 图11是用于确定用于热障瓦片的弹性的目标模量的图。
[0017] 图12示出了本发明的一个实施例的方法。
【具体实施方式】
[0018] 发明人了解到环形段热障涂层的损坏通常局部化至颗粒碰撞点以及叶片尖端的 剥落的摩擦条带，并且其局部化的修复可以用最小的成本延长环形段的寿命。本文公开了 用于实现这种新颖的维修的装置和方法。
[0019] 图1显示了两个相邻的护环段22、24。每个段包括基体26和热障涂层（TBC) 28。 涡轮叶片尖端条带30已经磨损至热障涂层。该条带随时间扩大并劣化，导致了由于热气体 在叶片尖端的上方流动而不是穿过其翼面的涡轮效率的损耗。
[0020] 图2示出了两个相邻的护环段22、24,其具有包含从基体26移除了图1的条带30 的磨损的TBC 28的一部分32。本文描述了所安装的隔热瓦片34。可以通过材料移除和诸 如路径选择、砂磨、喷水清理、喷砂清理、蚀刻等清洁方法准备基体的表面用于接收瓦片34。
[0021] 图3显示了根据本发明的一个实施例的用于TBC瓦片的制造装置。其包括具有电 极42、44的铸模盒。在铸模盒中沉积一层钎焊材料46。该材料形式可以为箱、金属粉或金 属粉预制件。在金属钎焊材料上沉积陶瓷粉或预制件的第二层48。+/-电压跨材料施加， 以通过放电等离子烧结共同烧结陶瓷和钎焊材料。可以控制50烧结电压和持续时间，以获 得通过温度计52测量的目标温度。在烧结期间可以压缩38层46、48。通过控制器50可以 控制烧结压力、温度和持续时间，以获得本文所述的目标密度和/或其它材料性质。
[0022] 图3的装置和方法创建了具有内层钎焊材料46的热障瓦片34A，陶瓷材料的外层 48,和它们之间共同烧结的界面54。界面可以采用用于改善的两层粘合的联锁结构图案56 形成。通过模塑钎焊材料至图案化的低温预制件可以形成联锁图案56。例如，钎焊层可以 由具有高分子黏结剂的钎焊粉组成或通过部分烧结制成。预制件可以以铸塑软模具成形， 使得图案56可以具有包括功能为固定覆盖的陶瓷层48的突出的咬边的任何期望的复杂形 状。接着用于层48的陶瓷粉可以沉积在用于最终目标的烧结的图案化的钎焊预制件上。示 例性陶瓷的组成部分是矾土和钇稳定氧化锆。可以使用现有技术已知的其它陶瓷材料。
[0023] 由于硼促进脆度，缺少硼反而包括钛的钎焊材料是有益的。本发明的受让人已经 开发了适用于和超级合金材料一起使用的改进的钎焊材料，例如本文通过参考引入的美国 专利申请号为13/495, 223的共同申请中描述的基于镍-铬-钛的钎焊合金。这些材料在 强度上与以前的钎焊材料媲美，并且它们是足够强地被认为是结构修复（即母体金属的屈 服强度的至少70%)。
[0024] 用于这些应用三元钎焊合金可能具有在下面的范围内的成份（本文所公开的所 有成份的单位为wt. % ):
[0025] 铬 15-25% ;
[0026] 钛 15-25% ;
[0027] 余下的镍。
[0028] 在该组中的特定钎焊合金可能具有下面的成份：铬16. 3% ;钛21. 2% ;余下的镍； 或者铬17. 2% ;钛20. 9% ;余下的镍。
[0029] 采用本发明的其它钎焊合金可能是有用的，其可能具有在下面的范围内的成份：
[0030] 铬 12-18%; 钛 13-16%; 铝 0-2.5%; 钴 2-4%; 钨 3-5%; 钼 0-2%; 钽 0-2%;
[0031] 余下的镍。
[0032] 在该组中的特定钎焊合金可能具有下面的成份：铬14. 1% ;钛14% ;铝2. 1% ;钴 3. 1% ;妈4. 1% ;钼1% ;钽1% ;余下的镍。
[0033] 其它钎焊合金可能具有在下面的范围内的成份：
[0034] 铬 15-18%; 鈦 10-15%; I吕 0-2.5%; 钴 2-4%; 钨 3-5%; 4目 0-2%; 钽 0-2%;
[0035] 余下的镍。
[0036] 在该组中的特定钎焊合金可能具有下面的成份：铬17. 57% ;钛13. 54% ;铝 2. 39% ;钴 3. 24% ;钨 3. 47% ;钼 1. 15% ;钽 0· 83% ;余下的镍。
[0037] 其它钎焊合金可能具有在下面的范围内的成份：
[0038] 铬 15-19%; 钬 8-10%; 铝 0-2.5%; 钴 14-18%; 钼 12-16%;
[0039] 余下的镍。
[0040] 在该组中的特定钎焊合金可能具有下面的成份：铬15. 12% ;钛10% ;铝2. 12% ; 钴15. 8% ;钼12. 97% ;余下的镍。
[0041] 其它钎焊合金可能具有在下面的范围内的成份：
[0042] 0-2.5% 45; 14- 18% 15- 19% 铬； 12-16% 钼； 8-】0%钦；
[0043] 余下的镍。
[0044] 可以通过包含中空的陶瓷球58或易变的材料的颗粒在陶瓷层48中形成孔隙率， 以增加耐磨性和绝缘。可以跨瓦片的厚度对孔隙率分级，例如具有接近其顶面的更大的孔 隙率以及接近具有钎焊层46的界面54的更低的孔隙率的瓦片。朝向瓦片的顶面62的增加 的孔隙率最小化叶片尖端磨损。朝向瓦片的底部的减小的孔隙率最大化冲击和剥落抗力。 通过具有变化的陶瓷粉和内含物的比例的分层的沉积物，可以获得渐变的孔隙率。采用胶 合剂或者通过部分烧结可以巩固每个子层，以在最终烧结期间维持梯度。当使用球58时， 陶瓷层48的材料作为基质60。
[0045] 图4显示了一个实施例，为了增加的耐磨性和减少的钎焊磨损，在该实施例中在 隔热瓦片34B的顶面62上形成图案64。图案的形式可以为脊和凹陷。凹陷可以是非连续 的并且脊可以是连续的，以通过凹陷最小化叶片尖端周围的燃气泄漏。这种图案可以通过 之前所述的内含物代替孔隙率或者除了孔隙率之外来提供。
[0046] 图5显示了安装在基体66上的热障瓦片34C的一个实施例。瓦片的相对边沿70、 72可以是等高的，以减小流进瓦片之间的间隙68的燃气和热量。例如，每个瓦片可以具有 在陶瓷层48的第一侧上的第一非平面侧表面70,和在与第一侧相对的陶瓷层的第二侧上 的第二非平面侧表面72,第一和第二非平面侧表面70、72的形状是互补镜像图像，使得当 一对热障瓦片并排设置时，瓦片沿着垂直于基体66的表面的轴联锁。瓦片边沿通常被定形 并弯折以补偿基体的曲率，使得贯穿陶瓷层48的深度的间隙68是均匀的。
[0047] 钎焊可以在炉中加热76或例如在图5所示的基体66的背面67上局部地完成。这 样熔化了钎焊层46,其粘合瓦片至基体并且合并相邻瓦片的钎焊层。超过整体的一个的平 铺的热障的优点是瓦片之间的间隙68在热循环期间在热障中提供压力释放，延迟热障和 基体的劣化。
[0048] 可以在钎焊层46和陶瓷层48之间增加可选的粘合层74以提高粘合，特别是当陶 瓷层48和基体66具有大致不同的热膨胀系数时。示例性粘合材料是MCrAlY合金，其中Μ 选自镍、钴、铁以及它们的混合物，并且Υ可以包括钇Υ以及镧和铪。粘合层74可以被沉积 和形成于上述放电等离子烧结中的铸模盒40中的瓦片中。
[0049] 可以在金属粉以及在导电和非导电陶瓷粉上执行放电等离子烧结（SPS)。在内产 生热量，因此它不需要从粉盒或铸盒的表面向内迀移。因此，烧结是非常快速、均匀和高效 的。加热速率可能高达大约l〇〇〇K/min。由于其均匀性和速度，SPS可以压实纳米尺