用于物品恢复或再生的方法以及恢复或再生的物品的制作方法

专利名称：用于物品恢复或再生的方法以及恢复或再生的物品的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及一种恢复(restored)或再生(regenerated) 的物品，特别是气体涡轮发动机的部件以及用于恢复或再生物品的方 法。
背景技术：
一直寻求气体涡轮发动机的较高操作温度来增加其效率。但是， 在操作温度增加时，发动机部件的高温耐用性必须相应增加。虽然具 有镍和钴基的超合金的配方已经实现了高温能力的显著优点，这种合 金通常不足以单独形成定位在气体涡轮发动机的某些区段内的涡轮部 件。常见的解决方法是将这些部件(例如涡轮叶片、翼片)热绝缘以 便减小其操作温度。为此，热阻挡层施加在暴露于高表面温度下的涡 轮部件的金属衬底上。热阻挡层通常包括覆盖包括金属或金属合金的金属衬底的陶瓷 层。多种陶瓷材料用作陶瓷层，例如化学(金属氧化物)稳定的氧化 锆，例如氧化钇稳定的氧化锆、氧化钪稳定的氧化锆、氧化钙稳定的 氧化锆、以及氧化镁稳定的氧化锆。热阻挡层的选择通常是氧化钇稳 定的氧化锆陶资涂层，例如大约7%的钇以及大约93%的氧化锆。为了增加陶资层与下面的金属衬底的粘接性能，并且为了防止其 氧化，结合被覆层(bond coat)通常形成在金属衬底上，结合被覆层 来自于例如MCrAlY (其中M可以是铁、钴和/或镍)的耐氧化覆盖合 金涂层，或者来自于例如氧化铝(例如铝化镍和铝化铂)的耐氧化扩 散涂层。根据所使用的结合被覆层，热阻挡涂层可以通过热喷涂技术 或者通过物理气相沉积(PVD)技术施加在结合被覆层上。在某些情况下，涡轮部件简单需要环境保护，不受到气体涡轮发 动机的氧化氛围以及所存在的其它腐蚀性制剂的影响。在这种情况 下，例如铝化铂、铝化镍或简单的氧化铝涂层的扩散涂层可以施加在 金属衬底上。虽然在热阻挡层以及用作环境保护的扩散涂层的耐用性的改进中 已经取得了显著进步，这种涂层将通常需要在某些情况下去除和修复。例如，热阻挡层以及扩散层会受到多种类型的损坏，包括发动机 吸入的物体、腐蚀、氧化以及环境侵害。去除保护涂层会造成某些下面的金属衬底被去除。下面金属衬底 被去除对于扩散层和扩散结合被覆层特别敏感，这是由于这些涂层/层 扩散并延伸到金属衬底表面，形成扩散区域。同样，在气体涡轮发动 机的操作过程中，扩散区域可以增加厚度，消耗更多的下面金属衬底。重复的修复/重新涂覆的过程与随后材料损失相关。另外，部件区 域在发动机操作过程中会由于腐蚀或环境侵害而损耗。由于现场维护 和修复过程造成的材料损失会造成部件在最小壁厚以下，造成部件擦 伤。因此，本领域需要一种修复特别是那些包括翼面的涡轮部件的改 进方法，以便通过减小下面衬底的损失来增加修复机会。 发明内容所述的一种或多种需要通过提供恢复或再生部件的示例性实施例来满足。示例性方法包括提供包括第一材料的残留衬底；沉积覆盖残 留衬底至少一部分的第二材料层；以及沉积周围涂层。第二材料的组 分大致类似于第一材料。该层通过选自气相沉积、电离等离子体沉积、 阴极电弧沉积、溅射及其组合的沉积过程来沉积。周围涂层通过选自 气相沉积、阴极电弧沉积及其组合的过程来沉积。示例性的方法包括提供包括第一材料的残留衬底；与预定最小壁 厚相比，估计残留衬底的壁厚；沉积覆盖残留衬底至少一部分的第二 材料层；通过选自气相沉积、电离等离子体沉积、阴极电弧沉积、溅 射及其组合的沉积过程而将周围涂层沉积在主体上；将部件进行热处 理过程，包括将部件暴露于大约1500°F和2300°F (大约816"C-大约 12601C )之间的温度长达大约2小时到大约24小时；并且通过表面处 理过程处理被涂层主体的表面，使得被涂层主体的表面获得至少一个 所需表面性能。第一材料选自包括金属、金属合金和金属超合金的组。 第二材料的组分大致类似于第一材料。该层通过选自气相沉积、电离 等离子体沉积、阴极电弧沉积、溅射及其组合的沉积过程来沉积。沉 积层的厚度至少部分取决于估计的壁厚。这里披露的示例性实施例提供一种恢复或再生的部件。物品包括 主体，主体具有包括第一材料的残留衬底，以及包括覆盖残留材料的至少一部分的第二材料的层。第二材料的组分大致类似于第一材料。 残留衬底和该层在其之间的界面处大致整体结合。该层包括由选自气 相沉积、电离等离子体沉积、阴极电弧沉积、賊射及其组合的沉积过 程来沉积。物品还包括主体上的周围涂层。周围涂层至少部分扩散到 层内，形成扩散区域。周围涂层包括由选自气相沉积、电离等离子体 沉积、阴极电弧沉积及其组合的沉积过程来沉积。


被认为是本发明的主题在说明书的结论部分中特别指出并明确地 要求保护。但是，本发明可以结合附图通过参考以下说明更好理解，附图中图1是用于恢复具有残留衬底的磨损部件的示例性过程的示意图，其中残留衬底的壁厚大于或等于最小壁厚；图2是用于具有残留衬底的再生磨损部件的示例性系统的示意图；其中残留衬底的壁厚大于或等于最小壁厚；图3提供表示恢复或再生磨损部件的示例性过程的流程图； 图4是表示恢复或再生磨损部件的示例性过程的示意图。
具体实施方式
参考附图，其中相同的参考标号在多个附图中表示相同的元件， 图1表示气体涡轮发动机的部件的示例性修复方法。通常来说，以示例性方法，由于磨损、裂紋、环境侵害和类似情况，通常表示为10的例如高压涡轮叶片的涡轮发动机部件会需要修 复。在示例性方法中，部件10包括底部衬底12和周围涂层14。在操 作之后，部件10具有需要修复的裂紋16或磨损。在示例性方法中， 部件IO被剥去任何现有的热阻挡涂层(如果有的话，未示出)和周围 涂层14 (即铝化物)。为了说明的目的，本领域普通技术人员将理解 到术语"周围涂层"还包括术语"结合被覆层"以便用于热阻挡涂层 (TBC)。热阻挡涂层(如果有的话)可以通过任何适当装置去除。周围涂 层14可以是扩散涂层，其中扩散区域18在涂层和下面材料的界面处 形成。在剥离过程中，包括扩散区域18的周围涂层被去除。在示例性 方法中，虽然可以采用任何足以去除涂层的方法，铝化物涂层/扩散区 域被化学剥离。在剥离之后，部件包括具有基本材料的残留衬底20。在最初修复 过程中，残留衬底20的壁厚(在剥离之后)可以在最小许可厚度之上， 通过虚线22表示。但是，采用公知的恢复/修复技术，通过去除已经 在扩散区域中消耗的基本材料，每次随后的修复减小了部件的壁厚。在所披露的示例性实施例中克服的一个问题是壁随后变薄。总的 来说，在示例性方法中，在重新施加涂层之前， 一定量的附加 (additional)(即恢复)材料30沉积在残留衬底20上。附加材料 30的组分大致类似于基本材料，使得整体界面32可以形成在残留衬底 20和附加材料30之间。如下面更加向下描述那样，附加材料可以在例 如电离等离子体沉积的阴极电弧沉积过程中沉积。作为选择，可以使 用例如'减射的其它技术。如这里披露那样，术语"附加材料，，指的是 添加在下面衬底20上的材料，保持至少最小壁厚。因此，附加材料30 用于非结构的场合(即不承载负荷)。在示例性实施例中，残留衬底20和附加材料30之间的组分兼容 性可以在其之间提供通常表示为32的整体界面。在示例性方法中，整 体界面32在热处理过程中至少部分形成，如下面更加详细描述那样。在示例性方法中，使用适当沉积技术将附加材料30施加在残留衬 底20上。不同于涂层，附加材料30大致类似于残留衬底20的材料。 适当的沉积技术包括由蒸气或电离等离子体而不由液体或固相直接沉 积，使得界面边界在残留衬底和附加材料之间最小。在示例性方法中，附加材料30可以在化学气相沉积、物理气相沉 积(PVD)以及阴极电弧气相沉积的气相沉积过程中施加。化学气相沉 积涉及将反应气态元素引入含有将被涂层的一个或多个物质的沉积腔 室。物理气相沉积涉及在真空沉积腔室内提供源材料和将被涂层的物 质。源材料例如通过电阻、感应、或电子束装置的能量输入装置转换 为蒸气。用于阴极电弧沉积过程的原材料是阴极。阴极放置在真空腔 室内。直流电被造成从阴极流入真空腔室，并且随后进入阳极。局部 加热在电流离开阴极的位置处出现，称为阴极点。阴极点处的高温造 成金属离子和颗粒从阴极表面局部蒸发和喷射，在阴极前部形成雾 团。在衬底通过此雾团时，沖击离子和颗粒将粘接在衬底上，在其上 形成层。另外，在示例性方法中，附加材料30可通过溅射技术施加。适当的溅射技术包括直流电二极管溅射、无线电频率溅射、离子束溅射反 应'减射、磁控管賊射以及类似賊射。附加材料可使用沉积技术的组合 来沉积。附加材料30可通过所选技术施加成足以为恢复部件提供所需壁厚 的厚度。在示例性实施例中，附加材料30的沉积在部件最初剥离之后 出现，使得残留底部衬底20的壁厚在最小壁厚22之上。因此，附加 材料30不用来"承栽"结构，如本领域普通技术人员将理解那样。在示例性方法中，残留衬底20和附加材料30形成恢复部件的主 体36。主体36随后被涂覆"新，，周围涂层38。沉积涂层可以是用作 周围涂层的铝化铂、铝化镍、铝化物和类似物，或者是用于热阻挡涂 层的结合被覆层。周围涂层可以通过适当沉积过程来沉积。在示例性 实施例中，涂层通过气相沉积过程或者阴极电弧沉积过程来沉积。在示例性实施例中，周围涂层38是和下面部件一起形成"新"扩 散区域40的"扩散涂层"。在示例性方法中，扩散区域40显著消耗 附加材料30。因此，在示例性方法中，附加材料称为"牺牲扩散层，，。 在示例性方法中，扩散区域40包括至少大约75%的附加材料。在示例性方法中，被涂覆的部件(即残留衬底、附加材料、周围 涂层)被返回使用中，直到需要随后修复为止。在随后的修复过程中， 周围涂层(包括形成的扩散区域)被去除。在示例性方法中，扩散区 域延伸到附加材料的沉积在残留衬底上的层内。在示例性方法中，随 后剥离过程去除了扩散层，而不去除另外的残留衬底20。因此，已经 通过扩散层40显著消耗的附加材料30预先沉积使得部件重新修复， 而进一步损失残留衬底20。由于部件可进行多重修复循环，部件的总 体寿命显著延长。在示例性方法中，残留衬底20和附加材料30随后经由热处理过 程整体结合。在示例性实施例中，由于残留衬底的组分和附加材料的 组分大致类似，在其之间可以形成大致的整体界面32。在示例性实施 例中，热处理过程在使得沉积的附加材料和残留基本材料足以在界面 处扩散的情况下进行。例如，热处理过程可以在真空、在大约1500°F 和2300°F ( 8161C-1260"C )之间的温度下进行长达大约2小时到大约 24小时之间的时间。在示例性方法中，热处理过程在真空下进行长达 大约2小时到大约6小时之间的时间。在示例性方法中，热处理过程在真空下进行长达大约2小时到大约4小时之间的时间。在示例性方 法中，热处理过程在大约1800。F和2000°F(大约982X:-大约1093*C ) 之间的温度下进行。在示例性方法中，热处理过程在大约1850°F和 1975°F (大约1010TC-大约1079*C)之间的温度下进行。在示例性实 施例中，为了增强沉积的附加材料和残留衬底之间结合的热处理在周 围涂层沉积之前进行。附加的热处理可以在周围涂层沉积之后进行。 在其它示例性实施例中，热处理在周围涂层沉积之后提供。在示例性实施例中，周围涂层是在气相沉积过程中施加的铝化 物。在示例性方法中，将残留衬底和附加材料紧密结合的热处理过程 在铝化物涂层的气相沉积过程中出现。因此，可以避免附加热处理过 程。在示例性方法中，在沉积过程中，铝化物涂层和下面附加材料形 成扩散区域。在某些情况下，热处理过程可导致部件表面上污染，如50总体表 示。表面污染可通过喷砂抛光或其它过程去除，以便提供具有所需表 面性能的表面52。如箭头54所示，在另外使用之后，恢复的部件需要 另外的修复。在示例性方法中，残留衬底的材料适用于高温应用。在示例性方 法中，残留衬底材料是单晶合金，例如Rene N，5超合金材料。附加材 料大致类似于残留衬底的材料(例如Rene N，5超合金材料)。其它高 温材料可用于示例性方法中。例如，残留衬底材料可以是Rene 142超 合金材料。附加材料也可以是Rene 142超合金材料。示例性方法还可 采用其它材料以便形成部件，如本领域普通技术人员将理解那样。在示例性方法中，残留衬底可具有预定最小厚度以下的壁厚。在 通常现有技术情况下，部件会被擦伤。但是，在示例性方法中，部件 可以再生并返回使用。图2表示示例性再生过程。在示例性实施例中， 残留衬底60具有小于预定壁厚的壁厚，如线62所示。在示例性实施 例中，添加(additive)(再生)材料64被提供，以便将壁厚增加到 至少预定最小厚度。如这里披露那样，术语"添加材料"指的是添加 在其壁厚小于所需最小壁厚的下面衬底上的材料。因此，添加材料包 括用于结构(即承载)的至少一部分66。添加材料还包括用来如上所 述形成牺牲扩散层的部分68。在示例性方法中，小于添加材料的大约 75%用来作为牺牲扩散层消耗。在示例性实施例中，添加材料的组分大致类似于残留衬底的材料，因此可以在其界面处形成整体结合。在示例性方法中，足够的添加材料64被提供，以便将壁厚增加到 预定最小厚度以上。在示例性实施例中，添加材料通过例如电离等离 子体沉积的阴极电弧沉积而沉积在残留衬底60上。也可以采用例如賊 射的其它适当沉积技术。为了将部件返回使用，可以提供周围涂层。在示例性方法中，周 围涂层是经由气相沉积过程施加的铝化物类型的扩散涂层。在气相沉 积过程中，再生部件(残留沉积加上添加材料)通过含铝的原料丸粒 包围，并且在氩氛围中加热。扩散铝化物涂层在表面处提供高浓度铝， 使得粘性惰性氧化物薄膜形成在表面上。在另外使用之后，涂层的再生部件可以如上所述修复。例如，包 括延伸到添加材料的牺牲部分内的扩散区域的周围涂层可以被剥离。 新的牺牲材料层被沉积，并且新的周围涂层被沉积。在返回使用之前， 部件进行适当热处理过程以及表面制备。示例性方法在图3中概括。需要修复的磨损部件在步骤80中提 供。热阻挡涂层(TBC)(如果有的话)通过本领域普通技术人员公知 的技术去除。在步骤82中，周围涂层(或者结合被覆层)被剥离，留 下残留衬底。在步骤84中估计衬底的壁厚。沉积其组分大致类似于残 留衬底材料的一定量的材料。如果估计的壁厚满足或超过最小壁厚， 那么在步骤86A中添加"附加"或恢复材料。如果估计壁厚小于预定 最小壁厚，那么在步骤86B中添加"添加"或再生材料。在恢复或再 生材料沉积之后，部件在步骤88进行热处理过程。通过虚线90所示， 步骤88可与其中沉积"新"的周围涂层的步骤92大致同时进行。例 如，例如温度的沉积条件可供应足够的所需热处理，以便在被添加的 材料和残留衬底的界面处增强整体结合。在示例性方法中，被涂层的 部件在步骤94中进行至少一个表面处理。部件在步骤98返回使用。 随后在部件需要重新修复时，可以如箭头IOO所示重复该过程。示例性修复过程可总体包括两个基本步骤。第一步骤是将镍基超 合金阴极电弧沉积在已经被剥去以前周围涂层的部件上。超合金的沉 积可以是作为牺牲层添加的附加(恢复)材料或者可以是添加(再生) 材料，如上所述。第二步骤是沉积例如铝或铝化镍的新周围涂层(或 者结合被覆层)。在示例性方法中，两个顺序步骤以组合操作的形式在阴极电弧涂覆装置内进行。由于两个沉积在真空状态下进行，组合 操作可以在不破坏所需真空的情况下进行。第一阴极电弧沉积将材料 添加在阿拉衬底材料上。被添加的材料可以只用作牺牲材料，或者被 添加的材料的一部分可以用作结构。第二阴极电弧沉积提供适当的铝 化物或者其它周围涂层。如图4所示，在示例性实施例中，阴极电弧沉积腔室102被调整， 使得所得阴极的分组在任一时刻激活。在沉积过程中，激活的阴极从 一组转换到另一组。在示例性实施例中， 一个或多个第一阴极104包 括第一沉积材料。第一沉积材料被选择成其组分大致类似于残留衬底 的材料。第一沉积材料可以例如是镍基超合金。在示例性实施例中， 一个或多个第二阴极106包括第二沉积材料。 第二沉积材料能够在恢复/再生部件上形成周围涂层。例如，第二沉积材料是适当涂层合金。在示例性实施例中，在单个过程循环中实现两个沉积步骤，如图3 和4的虚线108所示。再次参考图4，沉积腔室102在适当真空和温度 条件下操作，以便将第一沉积材料沉积在材料衬底上。而没有破坏真 空或冷却恢复/再生部件，第二沉积材料沉积其上。使用阴极电弧沉积腔室，示例性方法提供减小处理步骤的所需数 量。由于暴露于空气或其它污染物的情况减小，恢复/再生和涂层部件 的质量得以改善。消除了周围涂层沉积之前的附加加热步骤。在示例性方法中，可以采用单个电源110。转换机构112可用来在 为第一和第二阴极供能之间转换。实例提供包括Rene N，5超合金材料的按钮(衬底)。附加Rene N，5 超合金材料层经由阴极电弧沉积过程沉积在衬底上。铝的扩散涂层通 过电离等离子体沉积施加在附加Rene N，5超合金上。在表面处理之 后，涂层后的按钮进行热处理过程(1975°F ( 10791C )长达4小时)。附加R，142超合金层经由电离等离子体沉积施加在测试按钮上。 按钮加上附加材料进行热处理过程。在热处理过程之后，铝化物扩散 涂层在气相沉积过程中沉积。N，5超合金按钮具有通过电离等离子体沉积过程沉积其上的附加 N，5超合金。铝化物扩散涂层经由气相沉积过程沉积。该实例表示在按钮衬底和沉积其上的附加材料之间提供整体结合 的有利结果。另外，该实例在涂层/超合金界面处形成结合扩散区域。 热处理可以在铝化物涂层之前、期间或之后进行。涂层沉积之后的表 面处理增强涂层的表面性能。本发明的说明书使用实例来披露本发明，包括最佳模式，并且使 得本发明的普通技术人员利用和使用本发明。本发明的专利保护范围 通过权利要求限定，并且可包括本领域普通技术人员想到的其它实 例。如果它们具有没有不同于权利要求文字语言的结构元件，或者如 果它们包括与权利要求的文字语言具有微小差别的等同结构元件，这 些其它实例被认为在权利要求的范围内。
权利要求
1.一种方法，其特征在于a)提供包括第一材料的残留衬底(20、60)；b)沉积覆盖残留衬底至少一部分的第二材料层(30、64)，其中第二材料的组分大致类似于第一材料，其中该层通过选自气相沉积、电离等离子体沉积、阴极电弧沉积、溅射及其组合的沉积过程来沉积，其中残留衬底和第二材料层包括部件(36)的主体；以及c)通过选自气相沉积、阴极电弧沉积及其组合的沉积过程而将周围涂层(38)沉积在主体上。
2. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，还包括d) 利用热处理，以便在其之间的界面(32)处增加残留衬底和层 之间的整体结合的形成，其中热处理包括将残留衬底和沉积层暴露于 816匸-1260C之间的温度长达2-24小时。
3. 如权利要求1和2所述的方法，其特征在于，还包括e) 通过表面处理过程对被涂层主体的表面(52)处理，使得被处 理主体的表面获得至少一个所需表面性能。
4. 如权利要求1、 2和3任一项所述的方法，其特征在于，还包括f )在(b)之前，与预定最小壁厚相比，估计残留衬底的壁厚， 其中在(b)中沉积的一定量的第二材料至少部分取决于估计的壁厚， 其中如果估计的壁厚小于预定最小壁厚，第二材料以足以提供至少最 小壁厚的数量沉积。
5. 如权利要求l、 2、 3和4任一项所述的方法，其特征在于，还 包括g) 在(c)之后，利用气体涡轮发动机内的被涂层部件。
6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括h) 在(g)之后，去除沉积的周围涂层以及沉积层的至少一部分。
7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括i) 在(h)之后，重复步骤(b) - (d).
8. —种物品，包括用于气体涡轮发动机的部件(36)，包括残留衬底(20、 60)，包括第一材料，其中第一材料是镍基合金和镍基超合金中的至少 一种；覆盖残留材料的至少一部分的第二材料的层(30、 64)，其中第 二材料的组分大致类似于第一材料，其中残留衬底和该层在其之间的 界面(32)处大致整体结合；以及至少部分扩散到层内并形成扩散区域(40)的周围涂层(38)， 其中周围涂层包括由选自气相沉积、电离等离子体沉积、阴极电弧沉 积、'减射及其组合的沉积过程来沉积。
9. 如权利要求8所述的物品，其特征在于，还包括热阻挡涂层， 并且其中周围涂层是用于热阻挡涂层的适当结合被覆层。
10. 如权利要求8和9任一项所述的物品，其特征在于，还包括 具有由于适当表面处理造成的至少一个所需表面性能的表面(52)。
全文摘要
一种通过如下方法恢复或再生的特别是用于气体涡轮发动机的部件的恢复或再生物品，该方法包括提供包括第一材料的磨损部件(80)；估计残留衬底(84)的壁厚，并且沉积覆盖残留衬底(86A、86B)的至少一部分的第二材料层。第二材料的组分大致类似于第一材料。在涂层步骤(92)中，周围涂层沉积在部件上。该方法可包括在大约816℃到大约1260℃之间的温度下热处理步骤(88)长达大约2到24小时。恢复或再生物品可以返回使用(98)。
文档编号C23C30/00GK101225519SQ20071030814
公开日2008年7月23日 申请日期2007年12月29日 优先权日2006年12月29日
发明者M·D·韦利茨, M·P·马利, T·J·凯利, W·T·小卡特 申请人:通用电气公司