专利名称：用于将涂层粘附到衬底结构上的方法
技术领域：
本文公开的主题涉及用于将涂层粘附到衬底结构上的系统和方法，并且更具体而言，涉及用于减小施用于旋转构件的涂层的非弹性变形的方法。
背景技术：
在旋转机器中，诸如涡轮发动机，构件常常包括用以实现构件的合乎需要的性能、耐用性和/或寿命品质的涂层。例如，涂层可构造成阻止氧化、腐蚀、热传递、污染和/或其它过程。这样的构件典型地包括构造成满足第一组设计目标的衬底结构和结合到衬底结构的外表面上的涂层，其中，涂层构造成满足第二组设计目标。关于衬底结构的设计目标可处理质量限制、结构要求和空气动力学形状考量，而关于涂层的设计目标可处理不同的考量，诸如粘附到衬底结构上和保护衬底结构。因而，衬底结构典型地(但不是排它性地)包括与涂层的材料不同的材料。因此，衬底结构的热膨胀速率可与涂层的热膨胀速率不同，从而在衬底结构和涂层之间的结合部处引起应力。在旋转机器中，诸如涡轮发动机，旋转机械可经受大的径向加速，从而在它们的主题构件内引起持续的高的力。另外，诸如涡轮叶片的一些构件也可经受高温。因此，在衬底结构和涂层之间的结合部可受到挑战。在一些情况下，施用于经涂覆的构件的应力可导致涂层中相对于衬底结构有粘性变形或非弹性的变形(即蠕变)，其中，这样的变形典型地发生在载荷的方向上。在旋转构件中，载荷的方向典型地是径向方向。因此，本领域技术人员寻求一种用于减小旋转构件上的涂层的非弹性变形的新系统和方法。
发明内容
根据本发明的一方面，一种用于将涂层粘附到衬底结构上的方法包括选择具有定向成基本大致平行于径向应力方向的外表面的衬底结构；修改外表面，以提供具有台阶的纹理区，以将涂层粘附到其上；以及施用涂层，以使涂层在纹理区的至少一部分的上面延伸，并且使涂层粘附到外表面上，其中，台阶定向成基本垂直于径向应力方向，以便阻止涂层相对于衬底结构的变形。根据本发明的另一方面，一种旋转构件包括具有定向成基本大致平行于径向应力方向的外表面的衬底结构。外表面限定具有台阶的纹理区，以将涂层粘附到其上，并且涂层在纹理区的至少一部分的上面延伸，并且粘附到外表面上。台阶定向成基本垂直于径向应力方向，以便阻止涂层相对于衬底结构的变形。根据本发明的另一方面，一种用于将涂层粘附到衬底结构上的方法，所述方法包括选择具有定向成基本平行于径向应力方向的外表面的衬底结构；修改所述外表面，以提供具有台阶的纹理区，以将涂层粘附到其上；以及施用涂层，以使所述涂层在所述纹理区的至少一部分的上面延伸，以及使所述涂层粘附到所述外表面上；其中，所述台阶定向成大致垂直于所述径向应力方向，以便阻止所述涂层相对于所述衬底结构的变形。所述方法进一步包括使所述台阶沿着所述衬底结构的周向方向而定向。所述方法进一步包括使所述台阶中的各个形成为以便限定尖鼻部。所述方法进一步包括使所述台阶中的各个形成为以便限定尖膝部。所述方法进一步包括使所述台阶中的各个形成为以便限定承载表面，涂层能够靠在所述承载表面上，以便通过所述涂层的压缩来阻止蠕变。所述方法进一步包括使所述承载表面定向成大致垂直于所述径向应力方向。所述方法进一步包括使所述承载表面定向成以便相对于所述径向应力方向而形成小于大约90度的角度。所述方法进一步包括使所述承载表面定向成以便相对于所述径向应力方向而形成介于大约90度和大约45度之间的角度。所述方法进一步包括使所述承载表面定向成相对于所述径向应力方向大致为大约45度。所述方法进一步包括使所述台阶形成为以便限定连续的膝部。所述方法进一步包括使所述台阶定向成大致平行于彼此。所述方法进一步包括以选自下者的工艺的厚度特性来淀积所述涂层喷涂、烧结、火焰喷涂、气相淀积、溅射和无电涂覆。所述衬底结构是涡轮翼型件。所述衬底结构是涡轮盘。根据本发明的另一方面，一种旋转构件包括具有定向成大致平行于径向应力方向的外表面的衬底结构；所述外表面，其限定具有台阶的纹理区，以将涂层粘附到其上；以及涂层，其在所述纹理区的至少一部分的上面延伸，并且粘附到所述外表面上；其中，所述台阶定向成大致垂直于所述径向应力方向，以便阻止所述涂层相对于所述衬底结构的变形。所述台阶大致沿着所述衬底结构的周向方向而定向。所述台阶中的各个形成为以便限定尖鼻部。所述台阶中的各个形成为以便限定尖膝部。所述台阶中的各个形成为以便限定承载表面，涂层能够靠在所述承载表面上，以便通过所述涂层的压缩来阻止蠕变。所述承载表面定向成以便相对于所述径向应力方向形成小于大约90度的角度。根据结合附图得到的以下描述，这些和其它优点与特征将变得更加显而易见。
在说明书的结论部分处的权利要求中特别指出和明确声明了被视为本发明的主题。根据结合附图得到的以下详细描述，本发明的前述和其它特征与优点是显而易见的，其中
图1是根据本发明的、准备好被修改以便包括台阶的示例性衬底结构的 图2是根据本发明的、已经过修改以便包括台阶的示例性衬底结构的 图3是根据本发明的、已经过修改以便包括台阶的示例性衬底结构的 图4是如图3中显示的那样的台阶的放大 图5是根据本发明的、已经过修改以便包括台阶的示例性衬底结构的 图6是如图5中显示的那样的台阶的放大 图7是根据本发明的、已经过修改以便包括台阶的示例性衬底结构的 图8是如图7中显示的那样的台阶的放大 图9是根据本发明的、已经过修改以便包括台阶的示例性衬底结构的图； 图10是如图9中显示的那样的台阶的放大 图11是根据本发明的、已经过修改以便包括台阶的示例性衬底结构的 图12是根据本发明的、已经过修改以便包括台阶和涂层的示例性的经涂履的衬底结构的 图13是根据本发明的、已经过修改以便包括台阶和涂层的示例性的经涂履的衬底结构的图；以及
图14是根据本发明的、已经过修改以便包括台阶和涂层的示例性的经涂履的衬底结构的图。详细描述参照附图以示例的方式来阐明本发明的实施例，以及优点与特征。部件列表 100衬底结构 110翼型区段 112增厚前缘 114薄的后缘 116外表面
117凹入的压力侧 118凸起的吸力侧 120径向轴线 130内部护罩 135叶片根部 200衬底结构 210翼型区段 212前缘 214后缘 216外表面 218凸起的吸力侧 220径向轴线 230护罩 235叶片根部 240台阶 242纹理区 300衬底结构 316外表面 320径向轴线 340台阶 342膝部角度 343剪切表面 344承载表面 345鼻部 346膝部 348剪切表面 400衬底结构 416外表面 420径向轴线 440台阶 442膝部角度 443剪切表面 444承载表面 445鼻部 446膝部 448剪切表面 500衬底结构 516外表面 520径向轴线 540台阶 543剪切表面 544承载表面 545鼻部 546膝部 548剪切表面 600衬底结构 616外表面 620径向轴线 640台阶 643剪切表面 644承载表面 645鼻部 646膝部 648剪切表面 700涡轮组件 710涡轮叶片 740台阶 742纹理区 780衬底结构。
具体实施例方式图1显示了构造成用作燃气涡轮发动机中的涡轮叶片的示例性衬底结构100。因
此，衬底结构100包括翼型区段110，翼型区段110沿着径向轴线120而定向，并且联接到叶片根部135上，叶片根部135构造有供涡轮盘固持的鸠尾形状。根据空气动力学考量，翼型区段110包括增厚的前缘112和较薄的后缘114。在前缘112和后缘114之间，翼型区段110包括具有凹入的压力侧117和凸起的吸力侧118的外表面116。衬底结构100还包括定位在翼型区段110和叶片根部135之间的内部护罩130。护罩130定向成大致垂直于径向轴线120(8卩，呈周向定向)。在示例性实施例中，衬底结构100可包括适于衬底结构将在其中运行的环境和工作循环的任何材料。例如，衬底结构100可包括钢、镍、钛、招、铬、钥和复合材料，包括具有碳和/或碳化硅纤维的那些复合材料。如图2中显示的那样，类似于图1中描绘的衬底结构100，示例性衬底结构200包括翼型区段210，翼型区段210沿着径向轴线220而定向，并且联接到叶片根部235上，叶片根部235构造有供涡轮盘固持的鸠尾形状。衬底结构200还包括定位在翼型区段210和叶片根部235之间的内部护罩230，并且护罩230定向成大致垂直于径向轴线220 (即，呈周向定向)。值得注意的是，翼型区段210的外表面216限定一系列台阶240，在这个实施例中，台阶240在外表面216的凹入的压力侧217和凸起的吸力侧218两者上形成覆盖翼型区段210的全部的纹理区242。台阶240定向成基本大致平行于彼此且基本垂直于衬底结构的径向轴线220。在这个实施例中，台阶240以也基本大致平行于衬底结构200将在其中运行的燃气涡轮发动机的工作流体流的方向的定向从前缘212延伸到后缘214。因此，在其中施用涂层的外表面显露纹理区的台阶的实施例中，外形将沿着流的流线定向，从而比在外形相对于流线以斜角的情况弓I起更少中断。应当注意，如本文所用，径向轴线220的定向由在运行中施加在安装在涡轮发动机中以及由旋转的涡轮盘所固持的衬底结构200上的最大应力的定向限定。因此，随着衬底结构200旋转，施加在衬底结构200上的径向应力(根据定义)沿着径向轴线220而定向。当从整体上观察时，由于衬底结 构200的外表面216定向成基本大致平行于径向应力方向，所以外表面216和施用在外表面的上面的涂层之间的结合部大体上且主要会经受剪切应力。因而，在没有台阶240的情况下，结合部阻止蠕变的能力主要取决于结合部在剪切方面的强度。但是，在本发明的示例性实施例中，由于台阶240定向成基本垂直于径向轴线220，并且从而定向成基本垂直于径向应力方向(即，最大载荷的方向)，所以台阶240提供用于协助涂层阻止相对于台阶240和它们在衬底结构200的外表面216上限定的纹理区242的蠕变的机构。为了实现这一点，台阶240(包括它们的形状、构造、深度、定向和间隔)构造成提供涂层可靠在其上的一系列支持物(即，承载表面)。因此，涂层可通过其压缩强度来阻止至少局部地邻近承载表面的蠕变，从而使得涂层能够较好地阻止蠕变。在示例性实施例中，台阶240可为浅的、有方形边缘的，以及/或者递归的，而且由于台阶240的基本大致平行的定向的原因，纹理区可呈现有规则的外观。台阶240的尺寸典型地在幅度上足够大，以至于纹理区提供台阶式表面纹理，而非仅台阶式晶粒结构，并且台阶240从而提供用于阻止可施用在纹理区242的上面或以别的方式粘附到纹理区242上的任何涂层(诸如保护涂层)的粘性或非弹性的变形(即，蠕变)的手段。因此，纹理区242的台阶式表面用作涂层可粘附到其上的自结合式衬底。为了形成台阶240，在将涂层施用到衬底结构200的纹理区242的上面之前，可对外表面216进行机械加工。备选地，可使用本领域已知的其它方法，包括机械研磨、激光切害I]、化学蚀刻、磨光、压印、冲压、冷成型、铸造、模制或锻造。在示例性实施例中，用以形成台阶240的工具(诸如用于铸造的模子或用于化学蚀刻的掩模或用于机械加工或压印或冲压的工具)成形成与台阶240的外形互补。在另一个示例性实施例中，通过一系列机械加工和/或激光蚀刻行程(pass)来形成台阶240。因此，另一个示例性工具成形成与单个台阶互补。在涂层施用在纹理区242的上面之后，涂层可构造成形成较均匀和平滑的、基本没有台阶或其它间断的外表面。备选地，施用涂层的外表面可构造成以便显露纹理区的台阶，并且外形可定向成基本对准经过构件的工作流体流的流线。示例性涂层可为陶瓷或金属(例如，含有镍)，并且可选择和/或构造成以便阻止可能会以别的方式影响衬底结构的性能和/或寿命的氧化、腐蚀、热传递以及/或者污染，同时有效地结合到衬底结构200上。如图3中显示的那样，衬底结构300沿着径向轴线320而设置，使得衬底结构300的外表面316定向成基本大致平行于径向轴线320，并且包括定向成基本大致平行于彼此且基本垂直于径向轴线320的一系列台阶340。涂层350在台阶340的上面延伸，台阶340形成外表面316的纹理区，并且涂层350结合或粘附到外表面316上。在这个实施例中，涂层构造成形成较均匀和平滑的、基本没有台阶或其它间断的外表面。但是，应当理解，备选实施例是可行的，其中，施用的涂层构造成显露纹理区的台阶。在一些实施例中，外形也可沿着流的流线而定向，从而比在外形相对于流线以斜角定向的情况引起更少中断。这些流线可定向成或可不定向成平行于台阶340。如描绘了图3的衬底结构300的放大截面的图4中显示的那样，各个台阶340包括台阶鼻部345和台阶膝部346。台阶鼻部345是由剪切表面343和承载表面344的相交部限定的尖角。在这个实施例中，承载表面344大致(例如，在15度内)垂直于径向轴线320，并且剪切表面343大致(例如，在15度内)平行于径向轴线320。因此，剪切表面343和承载表面344在台阶鼻部345处相遇，在该处，它们相对于彼此形成大约(例如，介于大约70度和110度之间)90度的角度。在为尖的内部角的台阶膝部346处，承载表面344遇到另一个剪切表面348而形成台阶膝部346，台阶膝部346具有大致为大约90度的膝部角度 342。在其中涂层施用到台阶340的上面以及其中径向载荷施加到涂层上的运行中，涂层可靠在承载表面344上，以便阻止蠕变。因此，涂层可在压靠在承载表面344上的同时依赖于其内部压缩强度(而非仅其与诸如剪切表面343、348的表面的结合部的剪切强度)，以阻止相对于衬底结构300的蠕变。在示例性实施例中，选择承载壁的尺寸，以便在设计考量之中实现合乎需要的平衡，设计考量包括通过涂层的热传递速率、涂层的外表面的均匀性、衬底结构和涂层的机械完整性、抗氧化性、抗腐蚀性、抗污染性，以及/或者涂层与衬底结构的粘附性，它们全部都是在运行水平处。涂层可以选自下者的工艺的厚度特性而淀积喷涂、烧结、火焰喷涂、气相淀积、溅射和无电涂覆。如图5中显示的那样，衬底结构400沿着径向轴线420而设置，使得外表面416定向成基本大致平行于径向轴线420，并且包括定向成基本大致平行于彼此且基本垂直于径向轴线420的一系列的台阶440。如描绘了图5的衬底结构400的放大截面的图6中显示的那样，各个台阶440包括台阶鼻部445和台阶膝部446。台阶鼻部445是由剪切表面443和承载表面444的相交部限定的尖角。在这个实施例中，承载表面444相对于径向轴线420以较陡的角度(例如，相对于垂直线大约45度)而定向。剪切表面443大致(例如，在15度内)平行于径向轴线420。因此，剪切表面443和承载表面444在台阶鼻部445处相遇，在该处，它们相对于彼此形成大约45度的角度。在为尖的内部角的台阶膝部446处，承载表面444遇到另一个剪切表面448而形成台阶膝部446，台阶膝部446具有大致为大约45度的膝部角度442。在其中涂层施用到台阶440的上面以及其中径向载荷施加到涂层上的运行中，涂层可靠在承载表面444上，以便被挤压到台阶膝部446中，以及阻止蠕变。因此，涂层可在压靠在承载表面444上的同时依赖于其内部压缩强度(而非仅其与诸如剪切表面443、448的表面的结合部的剪切强度)，以阻止相对于衬底结构400的蠕变。如图7中显示的那样，衬底结构500沿着径向轴线520而设置，使得外表面516定向成基本大致平行于径向轴线520，并且包括定向成基本大致平行于彼此且基本垂直于径向轴线520的一系列的台阶540。如描绘了图7的衬底结构500的放大截面的图8中显示的那样，各个台阶540包括台阶鼻部545和台阶膝部546。台阶鼻部545是由剪切表面543和承载表面544的相交部限定的尖角。在这个实施例中，承载表面544大致(例如，在15度内)垂直于径向轴线520，并且剪切表面543大致(例如，在15度内)平行于径向轴线520。因此，剪切表面543和承载表面544在台阶鼻部545处相遇，在该处，它们相对于彼此形成大约90度的角度。在为连续的内部角的台阶膝部546处，承载表面544逐渐成形成遇到类似地逐渐成形的剪切表面548而形成连续的台阶膝部546，台阶膝部546具有大致为大约90度的膝部角度542。在其中涂层施用到台阶540的上面以及其中径向载荷施加到涂层上的运行中，涂层可靠在承载表面544上，以便阻止蠕变，同时减小与被较尖锐地限定的内部角相关联的应力集中和间断。因此，涂层可在压靠在承载表面544上的同时依赖于其内部压缩强度(而非仅其与诸如剪切表面543、548的表面的结合部的剪切强度)，以阻止相对于衬底结构500的蠕变。如图9中显示的那样，衬底结构600沿着径向轴线620而设置，使得外表面616定向成基本大致平行于径向轴线620，并且衬底结构600包括定向成基本大致平行于彼此且基本垂直于径向轴线620的一系列台阶640。如描绘了图9的衬底结构600的放大截面的图10中显示的那样，各个台阶640包括台阶鼻部645和台阶膝部646。台阶鼻部645是由剪切表面643和承载表面644的相交部限定的尖角。在这个实施例中，承载表面644大致(例如，在15度内)垂直于径向轴线620，并且剪切表面643大致(例如，在15度内)平行于径向轴线620。因此，剪切表面643和承载表面644在台阶鼻部645处相遇，在该处，它们相对于彼此形成大约90度的角度。在台阶膝部646处(如图10中显示的那样，台阶膝部646是连续的内部角)，承载表面644遇到另一个剪切表面648而形成台阶膝部646，台阶膝部646具有大致为大约90度的膝部角度642。但是，应当理解，台阶640的轮廓也可构造成使得承载表面644基本垂直于剪切表面643，而台阶膝部646则限定不连续的大致为大约90度的尖的内部角，并且剪切表面648的轮廓是基本笔直的，基本平行于剪切表面643而定向。在其中涂层施用到台阶640的上面以及其中径向载荷施加到涂层上的运行中，涂层可靠在承载表面644上，以便阻止蠕变。因此，涂层可在压靠在承载表面644上的同时依赖于其内部压缩强度(而非仅其与诸如剪切表面643、648的表面的结合部的剪切强度)，以阻止相对于衬底结构600的蠕变。如图11中显示的那样，涡轮组件700包括呈构造成以便固持多个涡轮叶片710的涡轮盘的形式的衬底结构780。衬底结构780的外表面限定一系列台阶740，在这个实施例中，台阶740形成覆盖衬底结构780的大部分的纹理区742。台阶740定向成基本大致平行于彼此且基本垂直于衬底结构780的径向轴线720。换句话说，台阶740基本沿着衬底结构780的周向方向而定向，以便阻止相对于衬底结构780的、由于沿径向方向而定向的应力而引起的螺变。图12显示了示例性衬底结构1280的剖面图，示例性衬底结构1280已经过修改，以便包括台阶1240，并且已经施用了涂层1290，以便覆盖台阶1240，以及产生合乎需要的外表面轮廓和光洁度。如本领域技术人员将理解的那样，涂层1290和衬底结构1280选择和构造成以便满足它们的特定应用的特定的设计标准和任务要求。例如，在衬底结构1280待安装在燃气涡轮发动机中的情况下，衬底结构1280选择和构造成以便满足与那个设备相关联的结构和/或其它要求，而涂层1290则选择和构造成以便对经涂覆的衬底提供诸如保护的品质的品质。这些品质可为诸如(但不限于)耐热性或导热性、抗氧化性、抗腐蚀性、抗摩擦性或摩擦加强性、表面张力、材料强度、硬度和抗渗透性(即，气密密封)的品质。类似地，图13显示了另一个示例 性衬底结构1380的剖面图，衬底结构1380已经过修改，以便包括台阶1340，并且已经施用了涂层1390，以便覆盖台阶1340，以及产生合乎需要的外表面轮廓和光洁度。图14显示了另一个示例性衬底结构1480的另一个剖面图，衬底结构1480已经过修改，以便包括台阶1440，并且已经施用了涂层1490，以便覆盖台阶1440。因此，本发明提供这样的系统和方法，S卩，该系统和方法用于减小旋转构件上的涂层的非弹性变形，旋转构件以足够高的旋转和温度运行，使得蠕变令人担忧。这样的构件包括(无限制)涡轮翼型件和盘。因而，本发明提供这样的系统和方法，即，该系统和方法用于减小涂层上的蠕变，诸如施用到其中气体路径温度常常超过2000 °F的航空和能源应用中的涡轮叶片/轮叶上的隔热涂层以及/或者抗氧化涂层。因此，本发明可使得在旋转的涡轮机构件的耐用性和使用寿命方面能够有相当大的改进。本发明也可使得旋转构件能够以减小的冷却流水平运行，从而致使循环效率和功率生产得到改进。虽然结合了仅有限数量的实施例来详细描述本发明，但是应当容易地理解，本发明不限于这样的公开的实施例。相反，可修改本发明，以结合此前未描述但与本发明的精神和范围相当的任何数量的变型、更改、替代或等效布置。另外，虽然已经描述了本发明的多种实施例，但是要理解，本发明的各方面可包括所描述的实施例中的仅一些。因此，本发明不应视为由前述描述限制，而是仅由所附权利要求的范围限制。
权利要求
1.一种用于将涂层粘附到衬底结构(100)上的方法，所述方法包括 选择具有定向成基本平行于径向应力方向的外表面(116)的衬底结构(100)； 修改所述外表面(116)，以提供具有台阶(240)的纹理区(242)，以将涂层粘附到其上；以及 施用涂层，以使所述涂层在所述纹理区(242)的至少一部分的上面延伸，以及使所述涂层粘附到所述外表面(116)上； 其中，所述台阶(240)定向成基本垂直于所述径向应力方向，以便阻止所述涂层相对于所述衬底结构(100)的变形。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述台阶(240)沿着所述衬底结构(100)的周向方向而定向。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述台阶(240)中的各个形成为以便限定尖鼻部(345)。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述台阶(240)中的各个形成为以便限定尖膝部(346)。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述台阶(240)中的各个形成为以便限定承载表面(344)，涂层能够靠在所述承载表面(344)上，以便通过所述涂层的压缩来阻止蠕变。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述承载表面(344)定向成基本垂直于所述径向应力方向。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述承载表面(344)定向成以便相对于所述径向应力方向而形成小于90度的角度。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述承载表面(344)定向成以便相对于所述径向应力方向而形成介于90度和45度之间的角度。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述承载表面(344)定向成相对于所述径向应力方向为大约45度。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述台阶(240)定向成基本平行于彼此。
全文摘要
本发明涉及用于将涂层粘附到衬底结构上的方法。一种用于将涂层粘附到衬底结构上的方法包括选择具有定向成基本平行于径向应力方向的外表面的衬底结构；修改外表面，以提供具有台阶的纹理区，以将涂层粘附到其上；以及施用涂层，以使涂层在纹理区的至少一部分的上面延伸，其中，台阶定向成基本垂直于径向应力方向，以阻止涂层相对于衬底结构的变形。一种旋转构件包括具有定向成基本平行于径向应力方向的外表面的衬底结构。外表面限定具有台阶的纹理区，以将涂层粘附到其上，并且涂层在纹理区的至少一部分的上面延伸。台阶定向成基本垂直于径向应力方向，以阻止蠕变。
文档编号B05D7/00GK103056083SQ201210293708
公开日2013年4月24日 申请日期2012年8月17日 优先权日2011年10月19日
发明者G.C.塔克萨赫尔, A.G.克雷斯波, H.C.罗伯茨三世 申请人:通用电气公司