用于沉积涂层系统的过程及系统以及以其涂覆的构件的制作方法
【专利说明】用于沉积涂层系统的过程及系统以及以其涂覆的构件
[0001]相关申请的交叉引用
本申请请求享有2012年7月11日提交的美国临时申请第61/ 670，171号的权益，其内容通过引用并入本文中。
[0002]关于联邦赞助研宄的声明
本发明利用美国政府(国防部、空军)授予的合同号N00019 - 04 - C - 0093下的政府资助作出。政府对本发明有一定权利。
技术领域
[0003]本发明大体上涉及涂层系统及用于它们的沉积的过程。更具体而言，本发明涉及用于通过在喷雾沉积过程期间重新定向涂层颗粒来在构件上形成涂层的过程及系统。
【背景技术】
[0004]开发出了各种涂覆过程来沉积能够在化学和热方面恶劣的环境如燃气涡轮的那些中留存并且保持粘附的金属和陶瓷涂层材料。实例包括热喷涂、物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)。热喷涂过程为视线过程。在热喷涂过程中，包含金属或陶瓷颗粒的等离子流在高速和高温下沿颗粒沉积在其表面上的制品的方向离开喷嘴("喷枪")。涂层的意图在于以显示在表面上面完全覆盖并且具有一致的微观结构的涂层保护制品。典型地，颗粒流视线行进来沉积在制品的表面上。
[0005]制品的视线可接近性在燃气涡轮发动机构件的设计中可为主要限制。为了示出，图1描绘了沉积在燃气涡轮构件10的密封齿12上的陶瓷或金属涂层颗粒16。涂层颗粒16示意性地描绘为由热喷涂装置的喷嘴14沉积在密封齿12上。由于喷嘴14到构件10的受限的视线，故涂层颗粒16可不能够均匀地涂覆密封齿12。由类似于图1中描绘的过程涂覆的密封齿12在图2中示出。所得的涂层是不均匀的，并且示出了几乎没有涂层的密封齿12的表面上的区域。大体上，利用热喷涂过程，通向待涂覆的表面的视线必须关于表面成至少30度角，以获得具有符合的微观结构的涂层，连同表面上面的完全覆盖。小于30度的接近角的任何事物将可能导致不符合规定并且具有如图2中所示的间断涂层覆盖的涂层结构。
[0006]甚至以大约30度的接近角喷涂的涂层都可具有需要显著量的再加工的稍微可接受的涂层。此外，在受限的视线可接近性的情况下，涂层质量的稳健性降低，并且可不为可重复的。这两个问题将显著量的变化引入到热喷涂过程中。
[0007]目前，在直接视线接近限于小于30度的情况中，工程师必须寻求用以沉积涂层的其它过程，或必须设计回避具有间断覆盖的不符合涂层。其它可能的过程包括电镀构件10的表面。在一些情况中，取决于风险，构件10的表面可为不涂覆的。历史上，构件还设计成解决涂层沉积过程的视线限制，以实现增大的喷涂接近角，但可能以重量或性能为代价。
[0008]因此，存在对一种能够在其中与待涂覆的表面的视线接近角小于30度的情形中将陶瓷或金属涂层沉积在构件上的喷涂过程的需要。
【发明内容】
[0009]本发明提供了用于在与待涂覆的构件的表面的视线接近角小于30度时在构件上形成涂层的过程及系统。
[0010]根据本发明的第一方面，一种在构件上形成涂层系统的过程包括将设备置于促进飞行中的涂层颗粒朝构件上的表面重新定向的位置。表面由限制从涂层颗粒源到表面的视线的构件的部分阻挡。涂层颗粒接着沉积到构件的表面上。涂层颗粒首先沿初始颗粒行进的方向行进，并且以关于表面的最终颗粒行进方向由设备朝构件上的表面重新定向。初始颗粒行进的方向形成关于构件上的表面的角，其不同于由最终颗粒行进方向关于表面形成的角。
[0011]根据本发明的第二方面，一种系统包括用于将涂层颗粒沉积到构件的表面上的器件。表面由限制从涂层颗粒源到表面的视线的构件的部分阻挡。沉积器件引起涂层颗粒沿关于构件的表面的初始颗粒行进的方向行进。系统包括用于引起涂层颗粒在飞行中朝构件上的表面从初始颗粒行进方向重新定向至关于表面的最终颗粒行进方向的器件。初始颗粒行进的方向形成关于构件上的表面的角，其不同于由最终颗粒行进方向关于表面形成的角。
[0012]本发明的技术效果在于在与表面的视线接近角小于30度的情况下喷涂表面的能力。具体而言，相信，通过使用用以朝待涂覆的构件上的表面重新定向涂层颗粒的设备，均匀的涂层可沉积在表面上，而不管低视线接近角。
[0013]本发明的其它方面和优点将从以下详细描述更好地认识到。
【附图说明】
[0014]图1描绘了常规热喷涂过程，其中涂层颗粒沉积到构件的密封齿上。
[0015]图2示出了由类似于图1中所示的常规热喷涂过程涂覆的构件上形成的密封齿的显微图。
[0016]图3和4描绘了根据本发明的实施例的热喷涂过程，其中涂层颗粒在沉积到构件的密封齿上之前以斜面重新定向。
[0017]图5示出了根据本发明的实施例的构件的密封齿的显微图，涂层通过热喷涂过程沉积在该密封齿上。
[0018]图6描绘了根据本发明的实施例的热喷涂过程，其中涂层颗粒在沉积到构件的密封齿上之前以装固于热喷涂装置的斜面重新定向。
【具体实施方式】
[0019]本发明大体上适用于可由涂覆过程涂覆的构件，其中构件的设计提供了小于30度的与待涂覆的表面的视线接近角。此类构件的显著的实例包括燃气涡轮发动机构件，如，包括密封齿12的图1的燃气涡轮构件10。尽管将在下文参照燃气涡轮构件10描述本发明，但将认识到的是，这是示例性的，并且本发明应用于其它构件。由本发明形成的涂层可由任何适合的材料组成，如但不限于陶瓷、金属、金属陶瓷和碳化物。
[0020]图3和4描绘了根据本发明的实施例的经历热喷涂过程的图1中所示类型的构件10。就此而言，图3和4描绘了热喷涂有涂层颗粒16 (例如，沉积在齿12的表面13上的陶瓷或金属颗粒)的构件10的密封齿12。图3和4进一步描绘了定位成在涂层颗粒16从一个或更多个喷嘴14推进以撞击斜面18并且接着朝密封齿12的表面13横跨斜面18的表面行进之后重新定向涂层颗粒16的一个或更多个斜面18。从图4中应当认识到的是，一个或更多个斜面18可与一个或更多个喷嘴14组合使用，以优化涂层颗粒16的轨迹或多个轨迹，并且/或者实现同时涂覆物品的一个或更多个表面，包括制品的相对设置的表面。
[0021]在以关于齿12的目标表面的颗粒行进的初始方向离开喷嘴14中的一个之后，涂层颗粒16冲击斜面18中的对应一个的表面19并且接着沿其滑动，使得涂层颗粒16能够以更有利的接近角30( S卩，至少30度)重新引导，用于视线沉积到齿12的目标表面13上。斜面18可直接安装于构件10，如图3和4中描绘的，或者安装于喷涂装置或喷嘴14自身。图6描绘了由连接器36装固于喷涂装置的斜面18。斜面18优选适于通过将斜面18对准和附接在构件10的良好限定的特征(例如，螺栓孔、槽口、安装凸缘或叶片下平台(underblade platform))上来定位和装固于构件10，允许沉积涂层的微观结构的均勾性和一致性，并且容易安装。斜面18还可提供其中涂层为不合乎需要的构件10的其它特征的遮盖。当涂层颗粒16到达密封齿12的表面13时，涂层颗粒16直接撞击表面13，同时以关于表面13成至少30度的接近角30沿颗粒行进的最终方向行进，但喷嘴14与涂覆的表面13之间的实际视线角28可小于30度。为了有效地重新引导涂层颗粒16，离开喷嘴14行进的颗粒的初始方向应当与斜面18的表面19成不小于10度的冲击角32。作为优选，冲击角32在大约10度与大约20度之间，并且最优选的是在大约10度到大约15度之间。将认识到的是，由于涂层颗粒16的轨迹的喷涂型式，用语〃方向〃和〃角〃是指颗粒行进的〃标称〃方向，例如，流型的中心轴线。作为优选，接近角30尽可能接近90度，以便在表面13上提供适合的涂层。
[0022]各个斜面18限定表面19，其形状或轮廓用于使涂层颗粒16朝待涂覆的齿12的表面重新定向。图3和4将各个斜面18描绘为包括基底20，并且进一步将各个基底20描绘为优选具有限定其相应的斜表面19的表面材料或涂层22。涂层22优选适于在涂层颗粒16横跨斜面18的表面19行进并且在等离子喷涂过程的温度下留存时促进涂层颗粒16的滑动。出于该目的，例如，涂层22可为施加于基底20的弹性体(涂胶的)或陶瓷材料