用于检测封闭的孔的表面分析和用于再打开的方法

专利名称：用于检测封闭的孔的表面分析和用于再打开的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于检测封闭的孔的表面分析方法和一种用于再打开的方法。
背景技术：
在修复涡轮机叶片时必须去除耗损的陶瓷保护层并且在修复之后再次施加陶瓷保护层。在此，在覆层过程期间部分地或者完全地封闭存在的冷却空气孔。冷却空气孔的钻孔轴线的位置和定向不能够或者仅能够部分地测定。迄今为止，通过寻找在陶瓷层中的轻微凹陷和/或更小的开口来识别孔，并且借助于手动过程打开。可靠的、可调节的系统是不存在的
发明内容

因此，本发明的目的是解决上述问题。所述目的通过根据权利要求I的方法和根据权利要求6的用于再打开的方法来实现。在从属权利要求中列举其他有利的措施，所述措施能够彼此相互组合以便实现进一步的优点。


其示出图1-5示意地示出方法的流程，图6示出燃气轮机，图7示出涡轮机叶片，图8示出燃烧室，图9不出超合金列表。
具体实施例方式描述和附图仅为本发明的实施例。在图I中示出具有带有覆层(未示出)的两个孔的已测定的几何数据的覆层模型4。同样示出掩模模型19的一部分，其具有关于至少一个未覆层的孔7’、7”的位置和孔7’、7”的定向13’、13”的信息。三维掩模模型19也能够通过对未覆层的构件120、130进行测量来测定。优选地，能够借助于激光三角测量法以可接受的分辨率并且在极其短的时间内以多个维度测定弯曲面的表面。在此，对例如为构件的叶片120、130在未覆层的状态下在相关部位处进行扫描或者完全地扫描，以便限定孔7’、7”.......的位置和/或孔7’、7”.......的轴线的位置。所述数据稍后在运算单元16中用作为掩模模型19 (图1、2)。同样地，能够将构件120、130的几何数据用作为掩模模型19，所述几何数据例如从制造中预先已知。在任何情况下，孔轴线和孔角度(孔的定向)以数据记录的形式存在(图2中的19)。图2示出，运算单元16获得掩模模型19的数据或者已知的几何数据5。之后，进行对构件120、130的覆层。接下来，尤其借助于激光三角法对覆层的构件120、130再次进行测量，由此得到覆层模型4。 结合孔7 ’、7 ”的之前测定的定向，可精确地说明孔在覆层/封闭状态下的精确的位置和定向。 在此，进行两个模型4、19的迭代的比较17 (拟合)(最小的总偏差)。在此采用至
少部分封闭的孔7’、7”的凹部10’、10”的边界和未覆层的孔7’、7”的边界8’、8”.......来
测定未封闭的孔7’、7”.......的孔中心和轴线位置(定向13)。因此，将凹部10’、10”的边
界11’、11”与孔7’、7”的边界8’、8”进行比较(图3)，以便测定孔7’、7”的位置。在此，根据覆层，凹部10’的边界不论是大是小都必须均具有在边界8’、8”中的确定的定向，在此例如是同心的(图3)。在此，孔7’、7”被均匀地覆层。圆8’、11’的同心性在孔V、7”内的覆层期间构件变形的情况下消失。在多个孔(图4)的情况下，以迭代的方式经由全部孔7’、7”测定最佳的拟合(总偏
差)。在此，将凹部的边界8’、8”.......的数据连同孔7’、7”.......的边界一起地相互进
行比较。仅有如此才能够执行再打开。现在，以计算机辅助的方式估算孔7’、7”的中点并且生成用于再打开的加工程序，所述加工程序实现从孔中去除“向下覆层(coat down)”。除了以计算机辅助的方式测定在覆层下的孔7’、7”的位置数据和角度数据之外，在此主要优点首先在于，对于每个单独的叶片和在每个制造状态下的孔7’、7”的精确位置。当前，叶片120、130在覆层期间的变形仅借助经验确定的方式来预测。在此应用的方法能够检验所述预测并且测定精确的位置(图2中的步骤17)，所述精确位置表明孔7’、V’.......的环周9’、9”(虚线示出)的新的位置。因此，如此测定的环周9’、9”.......可用作为加工程序的基础，所述环周在覆层
前可能会偏差于孔7’、7”的位置8’、8”、8”’或者环周，因为其例如由于变形而移动。图6以局部纵剖面图举例地示出燃气轮机100。燃气轮机100在内部具有带有轴的、可围绕旋转轴线102转动地安装的转子103，该转子也称为涡轮机转子。沿着转子103依次为进气壳体104、压缩机105、带有多个同轴设置的燃烧器107的尤其为环形燃烧室的例如环面状的燃烧室110、涡轮机108和排气壳体109。环形燃烧室110与例如环形的热气体通道111连通。在那里例如四个相继连接的涡轮级112形成涡轮机108。每个涡轮级112例如由两个叶片环形成。沿工质113的流动方向观察，在热气体通道111中，由转子叶片120形成的排125跟随导向叶片排115。在此，导向叶片130固定在定子143的内壳体138上，相对地，排125的转子叶片120例如借助涡轮盘133安装在转子103上。发电机或者做功机械(未示出)耦接于转子103。在燃气轮机100工作期间，压缩机105通过进气壳体104将空气135吸入并且压缩。在压缩机105的涡轮侧端部处提供的压缩空气被引至燃烧器107并且在那里与燃料混合。接着混合物在燃烧室110中燃烧，从而形成工质113。工质113从那里起沿着热气体通道111流过导向叶片130和转子叶片120。工质113在转子叶片120处以传递动量的方式膨胀，使得转子叶片120驱动转子103，并且该转子驱动耦接在其上的做功机械。暴露于热工质113的构件在燃气轮机100工作期间承受热负荷。除了加衬于环形燃烧室Iio的热屏蔽元件之外，沿工质113的流动方向观察的第一涡轮机级112的导向叶片130和转子叶片120承受最高的热负荷。为了经受住那里存在的温度，可借助冷却剂来冷却第一涡轮机级的导向叶片和转子叶片。同样，构件的基质可以具有定向结构，这就是说它们是单晶的(SX结构)或仅具有纵向定向的晶粒(DS结构)。例如，铁基、镇基或钻基超合金用作构件的材料，特别是用作涡轮叶片120、130和燃烧室110的构件的材料。例如由EPI 204 776 BUEP I 306 454,EP I 319 729 AUffO 99/67435 或 WO 00/44949 已知这样的超合金。导向叶片130具有朝向涡轮机108的内壳体138的导向叶片根部(这里未示出)，以及与导向叶片根部相对置的导向叶片顶部。导向叶片顶部朝向转子103并固定在定子143 的固定环140处。图7以立体图示出流体机械的沿着纵轴线121延伸的转子叶片120或导向叶片130。所述流体机械可以是飞机的或用于发电的发电厂的燃气轮机，也可以是蒸汽轮机或压缩机。叶片120、130沿着纵轴线121相继具有固定区域400、邻接于固定区域的叶片平台403以及叶身406和叶片梢部415。作为导向叶片130，叶片130可以在其叶片梢部415
处具有另一平台(未示出)。在固定区域400中形成有用于将转子叶片120、130固定在轴或盘上的叶片根部183 (未示出)。叶片根部183例如构成为锤头形。作为揪树形根部或燕尾形根部的其他构形是可行的。叶片120、130对于流过叶身406的介质具有入流棱边409和出流棱边412。在传统的叶片120、130中，在叶片120、130的所有区域400、403、406中使用例如实心的金属材料、尤其是超合金。例如由EP I 204 776BU EP I 306 454、EP I 319 729AUffO 99/67435或WO 00/44949已知这样的超合金。在这种情况下，叶片120、130可以通过铸造法，也可以借助定向凝固、通过锻造法、通过铣削法或其组合来制造。将带有一个或多个单晶结构的工件用作机器的在运行中承受高的机械的、热的和/或化学的负荷的构件。这种单晶工件的制造例如通过由熔融物定向凝固来进行。在此，这涉及一种浇注法，其中液态金属合金凝固为单晶结构、即单晶工件，或者定向凝固。在这种情况下，枝状晶体沿热流定向，并且形成柱状晶体的晶粒结构(柱状地，这就是说在工件的整个长度上分布的晶粒，并且在此根据一般的语言习惯称为定向凝固)，或者形成单晶结构，这就是说整个工件由唯一的晶体构成。在这些方法中，必须避免过渡成球形(多晶的)凝固，因为通过非定向的生长不可避免地构成横向和纵向晶界，所述横向和纵向晶界使定向凝固的或单晶的构件的良好特性不起作用。如果一般性地提到定向凝固组织，则是指不具有晶界或最多具有小角度晶界的单晶和确实具有沿纵向方向分布的晶界但不具有横向晶界的柱状晶体结构。第二种所提到的晶体结构也称为定向凝固组织(directionally solidified structures)。由US-PS6，024，792和EP O 892090 Al已知这样的方法。叶片120、130同样可以具有抗腐蚀或抗氧化的覆层，例如(MCrAlX ;M是铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)中的至少一种元素，X是活性元素并代表钇(Y)和/或硅和/或至少一种稀土元素，或铪(Hf))。由 EP O 486 489 BK EP O 786 017 BK EP O 412 397 BI 或 EP I306 454A1已知这样的合金。密度优选地是理论密度的95%。在(作为中间层或最外层的)MCrAlX层上形成保护性氧化招层(TG0=thermal grown oxide layer (热生长氧化层))。优选地，层成分具有Co-30Ni-28Cr-8Al-0.6Y-0.7Si 或Co-28Ni-24Cr-10Al-0. 6Y。除这些钴基保护覆层外，也优选地使用镍基保护层，例如 Ni-10Cr-12Al-0. 6Y-3Re 或 Ni-12Co_2ICr-11A1-0. 4Y_2Re 或Ni-25Co-17Cr-10Al-0. 4Y-1. 5Re。
在MCrAlX上还可以有隔热层，隔热层优选是最外层并例如由ZrO2、Y2O3-ZrO2组成，即，隔热层通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁非稳定、部分稳定或完全稳定。隔热层覆盖整个MCrAlX层。通过例如电子束气相淀积(EB-PVD)的适当的覆层方法在隔热层中产生柱状晶粒。其他覆层方法也是可以考虑的，例如气相等离子喷涂(APS)、LPPS (低压等离子喷涂)、VPS (真空等离子喷涂)或CVD (化学气相淀积)。隔热层可以具有多孔的、有微观裂缝或宏观裂缝的晶粒，用于更好地耐热冲击。因此，隔热层优选地比MCrAlX层更为多孔。叶片120、130可以构造成空心的或实心的。如果要冷却叶片120、130，则叶片为空心的并且必要时还具有薄膜冷却孔418 (由虚线表示)。图8示出燃气轮机的燃烧室110。燃烧室110例如构成为所谓环形燃烧室，其中多个在周向上围绕旋转轴线102设置的燃烧器107通到共同的燃烧室腔154中，所述燃烧器产生火焰156。为此，燃烧室110整体构成为环形的结构，所述环形的结构围绕旋转轴线102定位。为了实现相对高的效率，针对为大约1000°C至1600°C的工作介质M的相对高的温度来设计燃烧室110。为了即使在这些对材料不利的工作参数的情况下也实现相对长的工作持续时间，燃烧室壁153在其朝向工作介质M的侧上设有由热屏蔽元件155形成的内衬。此外，由于在燃烧室110的内部中的高温，能够为热屏蔽元件155或者为其保持元件设置冷却系统。因此，热屏蔽元件155例如是空心的并且必要时还具有通向燃烧室腔154中的冷却孔(未示出)。每个由合金构成的热屏蔽元件155在工作介质侧配备有尤其耐热的保护层(MCrAlX层和/或陶瓷覆层)或者由耐高温的材料(实心陶瓷石)制成。保护层能够类似于涡轮叶片，即MCrAlX例如表示M是铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)中的至少一种元素，X是活性元素并代表钇(Y)和/或硅和/或至少一种稀土元素，或铪(Hf)。从EP O 486 489 BUEP
O786 017 BUEP O 412 397 BI 或 EP I 306 454 Al 中已知这种合金。在MCrAlX上还可以有例如陶瓷的隔热层，并且隔热层例如由ZrO2J2O3-ZrO2构成，即，隔热层通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁非稳定、部分稳定或完全稳定。通过例如电子束气相淀积(EB-PVD)的适当的覆层工艺在隔热层中产生柱状晶粒。其他覆层工艺，例如气相等离子喷涂(APS)、LPPS、VPS (真空等离子喷涂)或CVD也是可行的。隔热层可以具有多孔的、有微观裂缝或宏观裂缝的晶粒，用于更好的耐热冲击性。再处理(Refurbishment)意味着在使用润轮叶片120、130和热屏蔽元件155之后，必要时必须将保护层从涡轮叶片120、130和热屏蔽元件155上去除(例如通过喷砂)。接着，进行腐蚀和/或氧化层及腐蚀和/或氧化产物的移除。必要时，还修复在涡轮叶片120、130 或热屏蔽元件155中的裂缝。然后，进行涡轮叶片120、130和热屏蔽元件155的再覆层以及涡轮叶片120、130或热屏蔽元件155的重新使用。
权利要求
1.用于对构件(120、130)的待打开的、至少部分封闭的孔进行表面分析尤其是在覆层之后进行表面分析的方法，其中在未覆层的状态下对具有未封闭的孔(7’，7”，......)的构件(120，130)进行测量，并且尤其借助通过激光三角法进行的测量来生成掩模模型(19)，所述掩模模型(19)至少包含所述孔(7’，7”，......)的位置和所述孔的纵轴线的定向，或者所述掩模模型(19)从数据记录中预先已知，其中由此已知未覆层的所述孔(7 ’，7 ”，......)的环周(8 ’，8 ”，......)，并且 然后尤其借助于激光三角法对覆层的所述构件(120，130)和由此至少部分封闭的所述孔(7’，7”，......)执行测量， 其中如此生成的所述数据记录为覆层模型(4)，并且其中在通过至少部分封闭的所述孔(7’，7”，......)形成的凹部(10’，10”，......)的区域中测定所述凹部的环周(11’，11”，......)，其中对所述孔(7’，7”，......)的所述环周(8’，8”，......)和所测定的环周(11’，11”，......)执行拟合，以便能够定位和定向进而检测封闭的所述孔(7’，7”，7”’，......)。
2.根据权利要求I所述的方法，其中所述掩模模型(19)从所述构件(120，130)的设计中预先已知。
3.根据权利要求I或2所述的方法，其中通过迭代测定掩模模型(19)和覆层模型(4)的尽可能一致。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中检测完全封闭的孔(7’，7”，7”’，......)，尤其检测仅完全封闭的孔(7 ’，7 ”，7 ”’，......)。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的方法，其中检测部分封闭的孔(7’，7”，7”’，......)，尤其检测仅部分封闭的孔(7’，7”，7”’，......)。
6.用于将构件(120，130)的已覆层的孔再打开的方法，其中通过根据权利要求1、2、3、4或5所述的方法检测所述孔(7’，7”，......)的位置和定向，并且 借助通过将掩模模型(19)与覆层模型(4)进行比较而生成的加工程序再打开所述孔(7，，7，，，......)。
全文摘要
通过对具有孔的、未覆层和覆层的构件进行激光三角测量能够在覆层之后检测孔的精确位置以便再打开。
文档编号F01D5/00GK102893122SQ201180023729
公开日2013年1月23日 申请日期2011年5月9日 优先权日2010年5月12日
发明者乔治·博斯坦约格洛, 托尔斯滕·梅尔策-约基施, 安德烈亚斯·奥佩特, 迪米特里奥斯·托迈迪斯 申请人:西门子公司