监测部件磨损的设备和方法

专利名称：监测部件磨损的设备和方法
技术领域：
本发明大体上涉及监测机器例如发动机的部件的磨损，特别是涉及用于监测在运 行环境中(例如在燃气涡轮发动机中)部件的磨损的改进设备和方法。
背景技术：
当两个或更多的发动机部件在该发动机的运行过程中彼此接触时，这些部件的摩 擦和磨损将发生。而且，振动导致的邻接部件之间的相对运动将会促进部件上的研磨作用。 另外，发动机内极高的运行温度可能使磨损问题更严重。发动机部件的磨损能够不利地影 响发动机的正常工作。在大多数应用中部件磨损能够通过已知的方法，例如润滑剂、材料的 选择、限制运动的设计特点、部件的几何形状等来被控制。然而，部件之间的相对运动不能 够完全地被消除，磨损对发动机设计者来说仍然是一个现实问题。在磨损导致的结构性或功能性失效发生之前，用于连续服务的部件的适配性通常 由视觉或尺寸检查来确定。然而，因为包括时间、人力和/或由于停机导致的破坏等因素， 常规的检查对许多应用不可行。因此，存在当部件在运行过程中或不需要将部件从其运行 位置移除时来监测部件磨损的需要。


在接下来的描述中参照附图来解释本发明，附图示出
图1是嵌入涡轮机部件的磨损涂层的现有磨损传感器的透视图。图2是用于将磨损传感器嵌入的现有挖槽技术的横截面图。图3是根据本发明的一个方面布置在被监测的涡轮机部件上的磨损传感器导体 布局的平面图。图4是部件的横截面图，其图示出另一种在部件顶部构造磨损传感器而不需要使 用挖槽的要求平整化加工步骤的现有技术。图5是取自图3中所示出的部件的横截面图，图示出根据本发明的一个方面的不 需要挖槽并且不需要平整化加工步骤的构造磨损传感器的技术。
具体实施例方式本发明的发明者认识到在燃气涡轮发动机的部分中使用功能性材料作为传感器 用于磨损监测和将这种传感器嵌入发动机的各个部件的磨损涂层是有利的。能够从这种嵌入的传感器中受益的部件包括压缩机隔膜、翼型、叶片、壳体和叶片环，在这些部件中振动 和动态力导致磨损。在这些燃气涡轮机的关键部件中使用嵌入式磨损传感器将通过在磨损 变得严重之前和导致部件损坏之前促进部件磨损的监测而减少维护费用，从而防止非定期 的停机。磨损传感器能够在涡轮发动机运行过程中提供对部件状态的实时监测。知道涡轮 机中的部件的状态有很多好处，包括基于状态的维护。对涡轮机部件的退化状态的预先获 知能够使运行费用显著减少。本发明的发明者认识到薄膜传感器技术能够被用来将其电路 和元件直接地布置在涡轮机部件的表面上，由此使得磨损传感器能够安置在以前没被利用 的位置；并且/或用来在嵌入式传感器上实现以前不可获得或仅仅通过更贵的加工获得的 表面几何形状。如将在本文中公开的，薄膜传感器技术允许将电路布置进入适形表面的涂层内， 例如压缩机隔膜或翼型。用本文公开的技术制造的部件将具有平滑的顶部表面并且包括嵌 入其中的磨损传感器。因此，挖槽和平整化的现有技术加工步骤能够被省略，这也避免了由 平整化步骤导致的损坏磨损涂层的可能性。公开的技术包括使用薄膜沉积技术来将电路直接地布置在部件上并且进一步使 用无线技术来传输与被监测部件的状态相关的数据，由此提供实时使用数据。嵌入的传感 器功能部件和互连线能够通过例如等离子喷涂、电子束物理气相沉积(EB PVD)、化学气相 沉积(CVD)、脉冲激光沉积、小型等离子、冷喷涂、直写、小型高速富氧燃烧或溶液等离子喷 涂而被沉积在部件上。选择带有功能特性(电阻和介电或绝缘特性)的材料以便实现优化的 传感器系统功能性和完整性，而不会阻碍仪表部件的功能性。传感器系统能够在磨损涂层 沉积之前被直接地沉积到基体表面上，或其能够以一个或多个期望的深度被嵌入耐磨涂层 以便监测部件涂层的磨损率。金属部件的导电性质和耐磨涂层要求绝缘层来将传感器电路与部件基体和磨损 涂层材料电隔离开。初始步骤是将绝缘层沉积在表面上。该材料能够是具有高介电/绝缘 特性的氧化物陶瓷材料。从绝缘和传感器厚度两者来说，该陶瓷层的厚度是重要的。较厚的 层将导致不期望的接触表面上的不平整度。陶瓷厚度期望在25到100微米范围内，25微米 的最小厚度是理想的以具有足够的电绝缘。由于大多数部件由铁或镍基合金制造，热膨胀 不匹配在较高运行温度下也变得严重，因此需要尽可能接近地匹配各层的不同材料的热膨 胀系数。然而，因为所述层被控制成期望的薄的程度，不同热膨胀的应力效应减轻了一些， 由此允许热膨胀系数之间的一些不匹配。取决于运行温度，用于绝缘层的材料可以是在0°C 到700°C范围内时热膨胀系数(CTE)大约为7微米/米的镁铝氧化物(尖晶石);或在500°C 到800°C范围内时CTE大约为10微米/米的氧化钇稳定氧化锆(YSZ)。在绝缘层沉积之后，薄金属导电传感器层例如镍铬于是被沉积在绝缘层上。再一 次，该导电层的厚度对于同时实现功能性和期望的覆盖顶部表面的连续性和平滑性是重要 的。具有5到25微米范围内的厚度的传感器可以是理想的，在实现期望的功能性时厚度被 保持得尽量低，例如5到20微米或大约5微米的厚度。在薄膜金属传感器的沉积之后，第 二绝缘层被沉积在传感器上。第二绝缘层的材料和厚度要求与初始绝缘层相同(即，至少或 大约25微米)。上面提到的材料和指定厚度已被证明提供平滑顶部表面并且在运行过程中 也提供期望的系统完整性。
现在参照附图特别是图1，示出用于在涡轮机部件上的磨损涂层中嵌入磨损传感 器的现有挖槽技术的部分透视图。部件10由基体材料12形成，其具有布置在一个表面16 上的屏障涂层，例如隔热涂层14。部件10可以是燃气涡轮发动机或任何其他类型的发动机 的部分，其中基底材料必须由阻隔材料层保护而免受恶劣环境。在实施例中，部件10能够 是翼型构件，例如布置在发动机的热气路径上的涡轮机叶片，所述部件通常能够由带有基 于氧化物或非氧化物陶瓷的覆盖热障涂层14的超合金材料12制成。部件10能够替代地由涂覆有环境屏障涂层(EBC)或热障涂层(TBC)的陶瓷基复合 材料(CMC)基体制成。因为涂层14的完整性对部件10的整体完整性是关键的，因此获得直 接影响涂层14性能的运行参数信息是有用的。这种信息通过在涂层14的暴露表面18的 下面嵌入传感器来获得。该传感器能够包括在总体上由数字22指示的检测位置的位于表 面18下面的电导体20。该传感器能够是一种提供指示导体20的电阻随部件10的磨损而变化的信号的传 感器。例如，涂层14在运行过程中通过摩擦而磨损，辙槽或沟槽向下切至导体20。导体电 阻随着其磨损而变化，该变化能够通过现有技术已知的适当电路被检测到。当导体被进一 步磨损到被切断点时，此时其已不再是导体，通过传感器产生指示问题的信号。额外电导体 (未示出)也能够被置于表面18下面用于从检测位置22将由传感器产生的信号路由到总体 上由数字M指示的终止位置，在终止位置所述电导体能够方便地离开部件10。这些额外的 电导体能够用于将信号从传感器路由到用于通过无线遥测系统来传输的发射机。传感器和 导体能够通过绝缘材料层沈从周围环境中被绝缘。传感器其自身能够是多层的并且能够包含电极的组合，如图2中所示，该图是另 一种用于在涡轮机部件上并且也在涡轮机部件中的磨损涂层中嵌入磨损传感器的现有挖 槽技术的部分横截面图。部件30具有被屏障涂层例如在非常高温度环境中使用的热障涂 层材料层34覆盖的基体材料32。如在TBC涂层领域中已知的，粘合层36例如MCrAlY材料 能够在应用TBC材料34之前被沉积在基体32上来改进涂层34到基体32的粘合性。部件 30能够装备有嵌入在TBC材料34的表面38以下的多个深度处的多个传感器，该TBC材料 34暴露于外部环境。第一传感器40被沉积在相对浅的槽43中。槽43能够装衬有电绝缘 涂层45例如氧化铝来防止传感器40接地至TBC材料34。根据公开的实施例，传感器40能 够采用本领域中已知的任何形式，例如测量嵌入导体40、42、44和46的电阻变化的欧姆表。现在参考图3，示出一对横穿被监测磨损的涡轮机部件M来布置的磨损传感器 导体50、52的平面图。导体50、52的每一个都嵌入在绝缘层56和57之间，如图5中图 示出的，并且该结构布置在沉积于部件M上的耐磨涂层58和59之间。根据图示出的实 施例，导体50的端部50A、50B与测量仪器例如仪表60联接；并且，仪表60的输出与无线 发射机(没有示出)联接，该无线发射机更完全的公开在题为SMART COMPONENT FOR USE IN AN OPERATING ENVIRONMENT (在运行环境中使用的智能部件)的美国专利申请号US 2005/019867 Al中，在本文中纳为参考。以类似的方式，端部52A和52B与类似的测量仪 器62联接；并且，仪表62的输出也与类似的无线发射机(也没有示出)联接。根据一个实 施例，仪表60和62能够是布置来用于测量各个导体的电阻和探测当导体被磨损时的电阻 变化的欧姆表。现在参考图4，将导体嵌入涂层的另一个现有技术以横截面图的形式示出。第一热障涂层58沉积在部件M的表面上。涂层58能够是标识为T-800、通常由镍铬碳化物制 成的材料。接下来，电绝缘层56沉积在层58上。导体50’和52’接下来以横穿部件M的 模式沉积。在现有技术中，这些导体在横截面中很大，具有尖的竖直边缘，所述导体类似于 图4中所示出的，例如能够通过蒙版加工制成。在接下来的涂层57、59被沉积在导体50’ 和52’上之后，凸起65、66、67、68会平移到顶部表面。然后必须通过机械打磨加工将顶部 平面平整。这个额外的步骤很耗时并且经常在下层材料中导致裂纹。而且，弯曲表面的平 整是有问题的。所以，在一些场合没有应用现有技术磨损传感器，或它们的应用带有在下层 涂层上导致的不利影响，或它们的应用带有昂贵的挖槽步骤。再参考图5，示出横穿图3中示出的部件所取的横截面图，图示出根据本发明的一 个方面构造磨损传感器的技术。重要的是，本发明的技术不要求挖槽或平整加工步骤。涂 层材料例如T800材料的层58首先被沉积在部件M的表面上。接下来，电绝缘层56，例如 镁铝氧化物(尖晶石)被沉积在层58上，并且厚度被限制在25到100微米之间，优选地是25 微米。导体50和52接着被沉积在层56上。根据本发明的指导，这些导体的厚度被限制在 5到25微米之间，优选地是5微米。这之后，另一个绝缘层57被沉积在导体50和52的上 面，并且层57的厚度也被限制在25到100微米之间，优选地是25微米。层56和57能够 由相同的材料形成或能够是被选择来提供特别的互补优势的不同材料，例如具有稍微不同 热膨胀系数以便提供渐变应力样式。根据本发明的一个实施例，层58是大约89微米厚，而层56是大约36微米厚，导 体50、52在其最厚的点是大约18微米厚并且大体上是通常的如上所述的已知沉积技术形 成的圆顶型，层57是大约25微米厚，顶层59是大约56微米厚。本发明提供成型为具有整 体厚度的包括传感器导体和关联的绝缘层的嵌入式磨损传感器，该传感器厚度被限制成不 超过如下厚度，即涂层材料的覆盖厚度能够被沉积来具有期望的顶部表面平面度而不需要 单独的平整步骤。需要认识到的是在本文中使用“平面的”、“平面度”等等来包括确实平面 的、平坦的表面，也包括平滑弯曲的表面，其中所述术语是为了包括表面中期望的平滑曲率 度而没有不期望的凸起。虽然本发明的不同实施例已在本文中示出和描述，但是显而易见的是这些实施例 仅仅是通过例子的方式提供的。大量的变型、变化和替换能够被实施而不脱离本文中的本 发明。相应的，原则上本发明仅仅限制于所附权利要求的精神和范围。
权利要求
1.一种部件，包括 基体材料；布置在基体材料的表面上并限定暴露于机械磨损的表面的涂层材料层； 布置在耐磨材料层中并且当连接到电路时作为传感器操作的导电材料层，导电材料层 包括少于25微米的厚度；以及在涂层材料中包围导电材料层的电绝缘材料层，电绝缘材料层在导电材料层上方包括 少于100微米的厚度并且在导电材料层下方包括少于100微米的厚度，其中导电材料层和电绝缘材料层的总厚度和表面下方深度使得暴露于机械磨损的表 面保持期望的平滑度而不需要平整表面。
2.如权利要求1所述的部件，其中导电材料层包括5到20微米的厚度。
3.如权利要求1所述的部件，其中导电材料层包括大约5微米的厚度。
4.如权利要求1所述的部件，其中电绝缘材料层包括大约25微米的厚度。
5.如权利要求1所述的部件，其中涂层材料层包括T800材料并且电绝缘材料层包括镁 铝氧化物或氧化钇稳定氧化锆。
6.如权利要求1所述的部件，其中导电材料层包括镍铬。
7.如权利要求1所述的部件，其中导电材料层上方的电绝缘材料层包括不同于导电材 料层下方的电绝缘材料层的材料。
8.如权利要求1所述的部件，其中电绝缘材料层包括在0°C到700°C温度范围内时具有 7微米每米的热膨胀系数的材料。
9.如权利要求1所述的部件，其中电绝缘材料层包括在500°C到800°C温度范围内具有 10微米每米的热膨胀系数的材料。
10.一种制造用于监测覆层部件的机械磨损的结构的方法，该方法包括 将第一耐磨涂覆层沉积在需要被保护以防磨损和被监测磨损的基体上； 将第一电绝缘材料层沉积在第一耐磨涂覆层上；将导电层沉积在第一电绝缘层上； 将第二电绝缘材料层沉积在导电层上；以及 将第二磨损涂覆层沉积在第二电绝缘材料薄层上；进一步包括控制各个层的厚度，使得结构的顶部磨损表面保持期望的平滑度而不需 要在沉积第二磨损涂层步骤之后的平整步骤。
11.如权利要求10所述的方法，其中耐磨涂覆层包括T800，并且电绝缘层分别以小于 100微米的厚度被沉积。
12.如权利要求10所述的方法，其中电绝缘层包括镁铝氧化物或氧化钇稳定氧化锆， 并且分别以小于100微米的厚度被沉积。
13.如权利要求10所述的方法，其中导电层被沉积为具有5到25微米的厚度。
14.如权利要求10所述的方法，其中电绝缘层分别以小于100微米的厚度被沉积，并且 导电层被沉积为具有小于25微米的厚度。
15.如权利要求10所述的方法，其中沉积导电层的步骤包括以下各项组成的组中的至 少一种导电材料的等离子喷涂、电子束物理气相沉积(EB PVD)、化学气相沉积(CVD)、脉 冲激光沉积、小型等离子、冷喷涂、直写、小型高速富氧燃烧和溶液等离子喷涂。
全文摘要
一种用于装备部件来监测涂层中磨损的结构和方法。该方法包括沉积第一电绝缘材料薄层，在第一电绝缘层上沉积薄导电层，在导电层上沉积第二电绝缘材料薄层。覆盖厚度的涂层材料被沉积在第二电绝缘材料薄层上。该绝缘和导电层的厚度被控制成足够小使得暴露给机械磨损的覆盖涂层表面保持期望的平滑度而不需要单独的平整步骤。
文档编号C23C4/18GK102150031SQ200980135715
公开日2011年8月10日 申请日期2009年2月17日 优先权日2008年9月15日
发明者A·A·库尔卡尼, D·J·米切尔, S·R·欣德 申请人:西门子能源公司