具有涂层的法兰螺栓孔及其形成方法与流程

本发明的实施例大体涉及修复腐蚀的法兰，特别是修复航空燃气涡轮发动机的法兰螺栓孔。

背景技术：

燃气涡轮发动机通常包括用于压缩空气的压缩机。压缩机包括围绕轴旋转的一系列叶片。压缩空气与燃料混合并导通至燃烧器，在燃烧室内将混合物点燃以产生热燃烧气体。燃烧气体被导通至涡轮。燃气涡轮发动机的涡轮区段包括转子轴和一个或多个涡轮级，每个涡轮级通过轴安装或以其他方式承载的涡轮盘(或转子)和安装到盘的周边并从盘的周边径向延伸的涡轮叶片。涡轮组件通常通过膨胀由燃料燃烧产生的热压缩气体来生成旋转轴动力。燃气涡轮斗或叶片通常设计成翼型形状，以使流动气体的热能和动能转换成转子的机械旋转。

压缩机和燃烧室通常采用由螺栓连接的两个相邻法兰连接。高压压缩机(hpc)壳体中的法兰通常由马氏体不锈钢制成，其在有氯离子存在的冷凝条件下易于腐蚀。如果部件处于温度稍高的腐蚀性环境中，则问题更严重，这在飞机起飞或降落期间的压缩机区段中很常见。点腐蚀特别常见。腐蚀坑一旦形成，就会促使部件产生应力集中，因此需要修复过程来修复受损区域。目前的修复方法采用铰孔(reaming)工艺来冲刷这些坑，不超过允许的孔的极限尺寸，以及使用基于铝浆料的涂层的方法。然而，基于铝浆料的涂层是牺牲性的涂层，并且可能一段时间后会失去其功效。此外，牺牲层腐蚀过程中发生的还原反应可能导致氢的产生，在不利的操作条件下这可能导致氢脆化。

如果坑很深，并且如果需要冲刷超出允许设计极限的更多材料，那么目前，通过利用马氏体不锈钢插塞进行焊接并重新钻孔到原始尺寸来处理这种情况。尽管这种方法在修复方面效果良好，但修复并不能消除下一次操作循环中部件形成坑的倾向，因此坑再次出现时必须要重复修复。

因此，在本领域中需要一种修复受损法兰螺栓孔的改进方法。

技术实现要素：

本发明的方面和优势将在以下描述中部分地阐述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过实践本发明来得知。

本发明大体提供了一种修复的法兰螺栓孔，修复的法兰螺栓孔包括：法兰，该法兰限定法兰螺栓孔，该法兰螺栓孔具有表面，该法兰包括基底材料；布置在法兰螺栓孔表面上的涂层系统，其中涂层系统包括耐腐蚀层，该层是与基底材料不同的材料。在某些实施例中，耐腐蚀层包括镍基超合金，超奥氏体不锈钢或其组合，并且在一些实施例中，耐腐蚀层包括陶瓷材料。例如，在一些实施例中，耐腐蚀层包括二氧化钛，氧化铬，氧化铝或其组合。在某些实施例中，涂层系统进一步包括布置在耐腐蚀层下面的铝层。

在一些实施例中，涂层系统具有约100至约400微米的厚度，在一些实施例中，涂层系统具有约10至约100微米的厚度。在某些实施例中，基底材料包括不锈钢，例如马氏体不锈钢。在一些实施例中，涂层系统具有小于约5％的孔隙率。在一些实施例中，法兰螺栓孔包括具有深度和直径的圆形开口，并且沿着燃气涡轮发动机中的高压压缩机布置。

本发明的各方面还涉及一种修复法兰螺栓孔的方法，该法兰螺栓孔具有表面并包括基底材料，该方法包括对法兰螺栓孔进行铰孔以去除法兰螺栓孔中的腐蚀材料，以及对法兰螺栓孔的表面施加涂层系统，其中涂层系统包括耐腐蚀层，并且该层是与基底材料不同的材料。在一些实施例中，耐腐蚀层包括镍基超合金，超级奥氏体不锈钢或其组合，在一些实施例中，耐腐蚀层包括陶瓷材料，例如二氧化钛，氧化铬，氧化铝或其组合。在某些实施例中，对法兰螺栓孔的表面施加涂层系统的步骤包括对法兰螺栓孔的表面施加铝浆料。

在某些实施例中，涂层系统的施加厚度为约100至约400微米，并且在一些实施例中，涂层系统的施加厚度为约10至约100微米。在某些实施例中，基底材料包括不锈钢，例如马氏体不锈钢。

在一些实施例中，对法兰螺栓孔施加涂层系统的步骤包括电阻焊接具有耐腐蚀材料的插塞以填充法兰螺栓孔并在插塞中钻孔以重新形成表面上布置有形成涂层系统的填充材料的法兰螺栓孔，而在某些实施例中，对法兰螺栓孔施加涂层系统的步骤包括通过热喷涂，冷喷涂或其组合施加作为浆料的涂层系统。

参考以下描述和所附权利要求书，将更好地理解本发明的这些及其他特征、方面和优势。并入并构成该说明书的一部分的附图示出本发明的实施例，并同描述一起用来说明本发明的原理。

附图说明

针对本领域普通技术人员，参考附图，在说明书中阐述本发明的包括其最佳模式的全面且能实现的公开，其中：

图1是根据本公开的一个实施例的示例性法兰的示意性横截面视图；

图2是根据本公开的一个实施例的示例性法兰的示意性横截面视图；

图3a-3c是根据本发明的一个实施例的示例性法兰螺栓孔和涂覆法兰螺栓孔的方法的示意性横截面视图；

图4是根据本公开的一个实施例的燃气涡轮发动机的示意性横截面视图；

图5是根据本公开的一个实施例的用于高压压缩机的法兰的示意性横截面视图；和

图6是根据本公开的一个实施例的涂覆法兰的示例性方法的流程图。

本说明书和附图中重复使用参考字符旨在表示本发明的相同或类同的特征或元件。

具体实施方式

现将详细参考本发明的实施例，其一个以上示例图示在附图中。每个示例通过解释本发明的方式提供，而不应是限制本发明。事实上，对于本领域技术人员来而言，显然，在不偏离本发明的范围或精神的情况下，可以在本发明中进行各种修改和变型。例如，作为一个实施例的部分图示或描述的特征可以与另一个实施例一起使用，以产生又一个实施例。因此，本发明旨在覆盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的这些修改和变型。

在本公开中，当层被描述为在另一层或基板“上”或“上方”时，应理解为这些层可以彼此直接接触或者在层之间具有另一层或特征，除非另有明确规定。因此，这些术语仅仅描述了层彼此的相对位置，并不一定意味着“在顶部”，因为上或下的相对位置取决于设备相对于观察者的方向。

在本公开中使用常见化学缩写来讨论化学元素，例如通常在元素周期表中找到的化学元素。例如，氢由其常见的化学缩写h表示；氦以其常用的化学缩写he表示；等等。

本文通常提供一种涂层系统，特别是用于修复腐蚀的壳体法兰的涂层系统，以及形成这种涂层系统的方法。该涂层系统防止或减少底层金属部件的腐蚀的发生。与现有修复方法相反，该涂层系统提供了腐蚀屏障作用，因此减少了部件腐蚀的发生。涂层系统是一种经济有效的修复和保护金属部件的方法。涂层系统可以减少后续热处理的需要(在现有的工艺中可能需要并且往往是强劳动的)。

涂层系统提供了一种减轻法兰螺栓孔的电腐蚀和/或坑腐蚀的方法。如本文所用，法兰螺栓孔通常定义为具有深度和直径的大致圆形的开口或空隙，其布置在法兰中并构造成与螺栓配合以将法兰固定到相邻法兰上。法兰螺栓孔由法兰的表面定义。法兰可沿部件布置，以将部件固定到相邻部件上。例如，在一些实施例中，涂层系统尤其适用于航空发动机中高压压缩机(hpc)壳体的法兰。涂层系统可为局部腐蚀问题提供永久和一次性修复。涂层系统可通过各种工艺施加，例如焊接，浆料/溶胶-凝胶工艺，热/冷喷涂工艺或它们的组合，并且这些工艺可在对损坏的螺栓孔进行初始清理之后进行，以去除腐蚀的或损坏的材料。

高压压缩机(hpc)壳体中的法兰螺栓孔通常由航空发动机(例如，cf34，cfm56，cf6)中的马氏体不锈钢(例如，m152)制成。马氏体不锈钢的坑腐蚀往往发生在有氯离子存在冷凝条件的环境中。如果部件处于温度稍高(例如，50-90℃)且湿热或微湿的腐蚀性环境中，则问题更为严重，这在飞机起飞或降落期间的压缩机区段中很常见。由此产生的坑会促使部件产生应力集中。因此，需要修复。

目前的修复方法采用铰孔工艺来冲刷这些坑，不超过孔的允许极限尺寸，可添加铝浆料作为牺牲涂层以提供电保护。如果坑很深和/或需要冲刷超出允许极限的更多材料，则可通过焊接m152插塞并重新钻孔至原始尺寸来处理这种情况。虽然这种修复可能会修复部件，但无法避免进一步坑腐蚀的倾向，并且可能需要进一步地修复。

相反，涂层系统可为腐蚀的金属部件提供永久修复。可以清洗损坏的部件以去除任何腐蚀或损坏的材料。然后可将涂层系统施加到部件上以防止或减少进一步的腐蚀。如果铰孔后的孔尺寸在允许的设计极限内，则涂层系统可直接施加到金属部件上。涂层系统可包括耐腐蚀层，并且还可包括在该层下的牺牲层，以进一步保护部件。耐腐蚀层具有高度耐腐蚀性，因此可以保护底层金属部件免受腐蚀。涂层系统还可改善部件的机械完整性。耐腐蚀层可以是非导电材料，例如陶瓷材料(例如，钛酸盐，氧化铬，氧化铝等，或其组合)。耐腐蚀层可以是超合金，例如镍基超合金，钴基超合金，铁基超合金，或其组合。耐腐蚀层可以是超级奥氏体不锈钢。一种或多种上述耐腐蚀层可用于涂层系统中。耐腐蚀层通常是与底层金属部件不同的材料。如本文所用，“不同材料”是指具有不同化学性质的材料(例如，材料中元素的数量不同)或可以指不同类型或类别的材料(例如，不锈钢与超级合金)。

如果铰孔后的孔尺寸超过允许的设计极限，则施加涂层系统的方法是将包括一种或多种耐腐蚀材料的插塞焊接到铰孔的部件上并随后重新钻出所需的孔，在孔的表面留下具有耐腐蚀层的涂层系统。包括耐腐蚀层的涂层系统提供了具有减少腐蚀的改进部件。

本涂层系统可用于修复各种金属部件。涂层系统也可用作部件使用之前的涂层。也就是说，在部件的初始生产过程中，可将涂层系统施加于部件，作为避免部件腐蚀的准备步骤。虽然本公开重点可能是修复hpc的壳体，尤其是压缩机壳体的法兰，但是涂层系统可为燃气涡轮发动机的各个区段提供腐蚀保护。例如，涂层系统可用于制备燃气涡轮发动机的部件，例如空中和陆地的燃气涡轮发动机中的高压压缩机(hpc)，风扇，增压器，高压涡轮(hpt)以及低压涡轮(lpt)。涂层系统通常可用于涡轮风扇发动机或涡轮机械的部件，包括涡轮喷气发动机，涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴燃气涡轮发动机，包括工业和船用燃气涡轮发动机和辅助动力单元。

图1示出根据本公开的一个实施例的示例性法兰螺栓孔的示意性横截面视图。在图1所示的实施例中，法兰10包括基底材料12并限定表面14。法兰10的表面14涂覆有涂层系统20，涂层系统20包括耐腐蚀层16。涂层系统20具有表面18。涂层系统20的表面18暴露于并限定法兰螺栓孔30。涂层系统20可沿法兰10的表面14均匀布置。涂层系统20可以布置在某些位置，而不应用在其他位置。

法兰10的基底材料12可以是适合于相应应用的任何合适的材料。例如，法兰10可具有包括钢或钢合金(例如不锈钢，例如马氏体不锈钢)或其组合的基底材料12。法兰10可包括具有各种层或结构的各种材料。耐腐蚀层16通常是与基底材料12不同的材料。

耐腐蚀层16可包括各种材料，从而减少或减轻基底材料12的腐蚀。耐腐蚀层可由耐腐蚀材料形成，例如非导电或绝缘材料，例如陶瓷材料(例如，钛酸盐，氧化铬，氧化铝等，或它们的组合)。耐腐蚀材料可以是超合金，例如镍基超合金(例如，in625)，钴基超合金，铁基超合金，或其组合。耐腐蚀材料可以是超级奥氏体不锈钢(sass，sm0254，aisi904l等)。耐腐蚀层可包括一种或多种上述材料。耐腐蚀层可以在一层或多层中，或者可以布置在基体或分散体中。

涂层系统20(包括耐腐蚀层16)可以以多种方法施加，例如通过浆料，溶胶-凝胶工艺，热或冷喷涂工艺。例如，涂层系统20，例如耐腐蚀层16，可通过等离子喷涂，爆炸喷涂，电弧喷涂，火焰喷涂，高速氧燃料喷涂(hvof)，高速空气燃料喷涂(hvaf)，热喷涂，冷喷涂，或其组合施加到法兰10上。在一些实施例中，hvaf特别适用于施加耐腐蚀层16。在一些实施方案中，涂层系统20的厚度形成为约5微米至约500微米，例如约10微米至约100微米，约10微米至约50微米，或例如约100微米至约400微米。

在一些实施例中，施加耐腐蚀层16使得涂层系统20具有低水平的孔隙率。例如，可通过控制涂覆工艺，使得耐腐蚀层16和/或涂层系统20的孔隙率小于约5％，例如小于约2％，或小于约1％。低水平的孔隙率有助于确保没有相互连接的孔隙，这些孔隙可能使底层基底材料12暴露于外部环境中。

涂层系统20通常包括耐腐蚀层16，并且可以包括附加部件，例如粘结涂层，牺牲层，或其组合。例如，图2示出了涂层系统20包括形成在涂层系统20的耐腐蚀层16下方的牺牲层22的实施例。图2是根据本公开的一个实施例的示例性法兰的示意性横截面视图。法兰10包括基底材料12并限定表面14。涂层系统20沿着基底材料12的表面14布置，并且包括限定表面24的牺牲涂层22。涂层系统20还包括耐腐蚀层16。涂层系统20限定表面18。涂层系统20的表面18暴露于并限定法兰螺栓孔30。

牺牲层22可以是任何合适的涂层，其为法兰10的底层基底材料12提供额外的腐蚀屏障。例如，牺牲涂层22可包括铝，并且可作为浆料或使用溶胶-凝胶工艺沿着基底材料12的表面14布置。在耐腐蚀层意外破坏的情况下，牺牲层22为底层基底材料12提供额外的屏障并且进一步减少基底材料12的腐蚀发生。牺牲涂层22可防止底层材料腐蚀，但通常不具有耐腐蚀性。牺牲涂层22可以是约10微米至约100微米厚，例如约50微米至约75微米厚。沿着法兰10可布置一个或多个牺牲层22，并且牺牲层22可沿法兰10均匀或不均匀地布置。

图3a-3c是根据本公开的一个实施例的示例性法兰螺栓孔和涂覆法兰螺栓孔的方法的示意性横截面视图。在图3a-3c所示的实施例中，法兰10包括限定内表面28和外表面26的基底材料12。内表面28是限定法兰10中的法兰螺栓孔30的表面，而外表面26是法兰10的表面，其暴露于外部环境或暴露于第二相邻法兰，以将该部件连接到相邻部件。图3a示出了在形成涂层系统20之前的法兰10。基底材料12沿内表面28具有腐蚀的材料34。可通过清洁法兰10来去除腐蚀的材料34。

图3b示出了插塞焊接后的法兰螺栓孔30。将包括耐腐蚀材料的插塞32插入法兰10的法兰螺栓孔30中并焊接到法兰螺栓孔30。例如，插塞32可通过电阻插塞焊接，摩擦插塞焊接或其组合来焊接。焊接过程是用插塞32填充孔，从而提供与法兰10的基底材料12固态冶金结合。

插塞32可包括任何合适的耐腐蚀材料，例如之前列出的那些。例如，在某些实施例中，插塞32可包括镍基超合金(例如，in625)，钴基超合金，铁基超合金，超级奥氏体不锈钢(sass，sm0254，aisi904l等)，或其组合。可通过机械加工或研磨的方法去除插塞32的任何多余材料。

图3c示出了重新钻孔到设计规格之后的法兰螺栓孔30。法兰螺栓孔30的重新钻孔留下一层包括耐腐蚀层16(图3c中未标记)的插塞32作为涂层系统20。涂层系统20具有覆盖法兰螺栓孔30的内表面28的表面18。在一些实施例中，涂层系统20可单独形成在外表面26上或者除了内表面28之外的表面上。涂层系统20的厚度可以为约5微米至约500微米，例如约10微米至约100微米，约10微米至约50微米，或例如约100微米至约400微米。

因此，即使在高温和湿热环境中，涂层系统20也改善了法兰的抗水腐蚀性。涂层系统20还减少或甚至消除了当前修复方法中经常需要的强劳动的多次热处理和烘烤处理循环。

图4是根据本公开的一个实施例的燃气涡轮发动机的示意性横截面视图。尽管下文通常参考涡轮风扇发动机100进行进一步描述，但本公开一般也适用于涡轮机械，包括涡轮喷气发动机，涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴燃气涡轮发动机，包括工业和船用燃气涡轮发动机和辅助动力单元。

如图4所示，涡轮风扇100具有用于参考目的的纵向延伸或轴向延伸的中心轴线102。通常，涡轮风扇100可包括布置在风扇区段106下游的核心涡轮发动机或燃气涡轮发动机104。

燃气涡轮发动机104通常可包括大致管状的外壳体108，其限定环形入口120。外壳体108可由多个壳体形成。外壳体108以串行流动关系包围具有增压器或低压(lp)压缩机122、高压(hp)压缩机124的压缩机区段，燃烧区段126，包括高压(hp)涡轮128、低压(lp)涡轮130的涡轮区段和喷射排气喷嘴区段132。高压(hp)轴或线轴134将hp涡轮128驱动地连接到hp压缩机124。低压(lp)轴或线轴136将lp涡轮130驱动地连接到lp压缩机122。lp线轴136还可连接到风扇区段106的风扇线轴或轴138。在特定实施例中，lp线轴136可直接连接到风扇线轴138，例如在直接驱动装置中。在替代配置中，lp线轴136可经由减速装置137(例如间接驱动或齿轮传动配置的减速齿轮变速箱)连接到风扇线轴138。根据需要或要求，这种减速装置可包括在发动机100内的任何合适的轴/线轴之间。

如图4所示，风扇区段106包括多个风扇叶片140，风扇叶片140连接到风扇线轴138并从风扇线轴138径向向外延伸。环形风扇壳体或机舱142周向地围绕风扇区段106和/或燃气涡轮发动机104的至少一部分。本领域普通技术人员应该理解，可通过多个周向间隔开的出口导向叶片144将机舱142配置成相对于燃气涡轮发动机104被支撑。此外，机舱142的下游区段146(导向叶片144的下游)可延伸到燃气涡轮发动机104的外部，以便在其间限定旁路气流通道148。

hp涡轮128以串行流动关系包括与涡轮转子叶片158(仅示出一个)(也称为“涡轮叶片”)轴向间隔开的第一级定子轮叶154(仅示出一个)和与涡轮转子叶片168(仅示出一个)(也称为“涡轮叶片”)轴向间隔开的第二级定子轮叶164(仅示出一个)。

图5是用于高压压缩机的法兰的示意性横截面视图。在图5所示的实施例中，示出了用于高压压缩机124的第一法兰10a以及燃烧区段126的第二法兰10b。螺栓42插入法兰螺栓孔30中，以分别连接第一和第二法兰10a和10b。虽然未在图5中示出，法兰螺栓孔30以及螺栓42和法兰10a，10b的任何表面可涂覆有涂层系统20。也就是说，这些组件的各个表面可用涂层系统20处理和/或用如本文所述的涂层系统20修复。例如，一个或多个法兰螺栓孔30可通过热喷涂或冷喷涂涂覆有耐腐蚀层，而一个或多个法兰螺栓孔30可通过电阻焊接包括耐腐蚀材料的插塞而涂覆有耐腐蚀层。在不偏离本公开的意图的情况下可以使用各种替代方案。

虽然本公开注重于法兰和法兰上的螺栓孔，但是涂层系统可用于保护任何金属部件免受腐蚀。例如，涂层系统对于需要具有能够承受高温环境和腐蚀诱导环境部件的航空工业中的燃气涡轮发动机可能是特别有利的。例如，涂层系统可用于高压压缩机的壳体以及用于高压涡轮，低压压缩机和低压涡轮的壳体。本方法使这些部件具有防腐蚀性以减少后续修复，从而减少维护成本和时间。

图6是根据本公开的一个实施例的涂覆法兰的示例性方法的流程图。特别地，图6示出了修复法兰螺栓孔的方法，该法兰螺栓孔具有表面并且包括基底材料600。方法600包括对法兰螺栓孔进行铰孔以移除法兰螺栓孔上的腐蚀材料610并对法兰螺栓孔620施加涂层系统。在一些实施例中，方法600还可包括将包括耐腐蚀材料的插塞电阻焊接到法兰螺栓孔的表面并在插塞中钻孔以形成表面上布置有涂层系统的法兰螺栓孔630。在某些实施例中，方法600可包括热或冷喷涂耐腐蚀材料到法兰螺栓孔的表面640。方法的步骤630和640是可选的，并且这些步骤中的一个或两个可在本方法中执行或不执行。

虽然已经根据一个或多个特定实施例描述了本发明，但是显然本领域技术人员可以采用其他形式。应理解，与本文所述的涂料组合物结合使用的“包括”具体地公开并包括这样的实施方案，其中涂覆成分“基本上”由指定组分组成(即，含有指定组分而不含有显著不利地影响所公开的基本和新颖特征的其他组分)，以及其中涂覆成分由指定组分“组成”(即，仅包含指定组分，除了在每种指定组分中天然且不可避免地存在的污染物之外)。

本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，还使本领域的普通技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统，并施行任何并入的方法。本发明的专利权范围由权利要求书来限定，并且包括本领域技术人员容易想到的其他示例。这些其他示例意在包括于权利要求书的范围内，如果该示例具有与权利要求书的字面语言并无不同的结构元件，或者如果该示例包括与权利要求书的字面语言无实质差别的等效结构元件。