具有耐腐蚀涂层的复合叶轮以及制造方法
【专利摘要】本发明公开一种用于使用复合材料制造叶轮的方法，所述叶轮具有流路腔，所述流路腔被耐腐蚀涂层覆盖，所述方法是，使用喷镀或热喷涂技术在可去除的模具上涂覆所述耐腐蚀涂层，所述可拆式模具具有与所述流路腔的反面几何形状对应的形状。在围绕覆有所述耐腐蚀涂层的所述模具对复合材料进行成形和固化后，去除所述模具，同时将所述耐腐蚀涂层留在所述复合叶轮上。
【专利说明】具有耐腐蚀涂层的复合叶轮以及制造方法
【技术领域】
[0001]本发明的实施例总体上涉及一种制造方法以及一种叶轮，所述叶轮制造成具有耐腐蚀涂层。
【背景技术】
[0002]压缩机是特定类型的涡轮机，用于通过使用机械能增加可压缩流体(例如，气体)的压力。石油和天然气领域的加工厂中会使用多种类型的压缩机。这些压缩机中包括所谓的离心式压缩机，其中通过离心加速度将能量供应到气体粒子。可以通过使旋转构件旋转来获得所述离心加速度。所述旋转构件包括一个或多个叶轮。
[0003]根据其特定几何形状及其功能性原理，一种叶轮可以包括轮廓分明的流体通道。例如，离心式叶轮I在图1中示出并且具有叶片3，所述叶片连接到轮毂2并覆有防护罩4，所述防护罩由复合材料制成。叶轮I具有围绕旋转轴X3D的大体三维轮廓。流体流从轴向入口 5向大体径向的出口 7流动。入口 5与出口 7之间的通道是流路腔。
[0004]传统情况下，叶轮由金属制成。最近，部分或完全由复合材料制成的叶轮在叶轮市场中的份额正不断增加。部分或完全由复合金属制成的叶轮在某些环境中具有更好的耐腐蚀性，例如，在石油和天然气钻探中。
[0005]复合叶轮的一个问题是复合材料的耐腐蚀性不及金属，也就是说，复合材料会在与流中的固体颗粒或液滴的撞击下发生磨损。这种低耐腐蚀性，尤其是在流路腔周围，会导致叶轮相对较快地损坏，从而导致需要一定的停机时间来更换它。
[0006]已将环氧树脂漆涂覆到复合叶轮上，以尝试增强耐腐蚀性。但是，这些漆的附着力低并且无法提供足够的保护，例如，当叶轮用于主要流体流包括固体颗粒或液滴的石油和天然气领域中时。
[0007]根据，需要提供一种系统和方法来避免上述问题和缺点。
【发明内容】
[0008]根据一个示例性实施例，本发明提供了一种用于制造复合叶轮的方法，所述复合叶轮具有流路腔，所述流路腔具有耐腐蚀涂层。所述方法包括:(i)提供模具，所述模具具有与所述流路腔的反面几何形状对应的形状，(ii)用耐腐蚀涂层覆盖所述模具，(iii)根据预定叶轮几何形状，使复合材料围绕覆有所述耐腐蚀涂层的所述模具成形，(iv)使所述复合材料固化，以及(V)去除所述模具，将所述耐腐蚀涂层留在所述复合叶轮的所述流路腔上。
[0009]根据另一个实施例中，本发明提供了一种叶轮，所述叶轮具有:叶片；防护罩，所述防护罩与所述叶片接触并且流路腔穿过其中；以及耐腐蚀涂层，所述耐腐蚀涂层位于所述流路腔上。所述耐腐蚀涂层通过如下步骤制造:(i)提供水溶性模具，所述模具具有与流路腔的反面几何形状对应的形状，(ii )用密封剂涂覆所述模具，(iii )将导电涂料涂覆到所述密封剂上，(iv)将耐腐蚀层喷镀在所述导电涂料上，(v)根据预定几何形状，使复合材料围绕覆有所述密封剂、所述导电涂料和所述耐腐蚀涂层的所述模具成形，以及(Vii )使所述模具溶解在水基溶液中，同时至少将所述耐腐蚀涂层留在所述叶轮的所述流路腔上。
[0010]根据另一个示例性实施例中，本发明提供了一种叶轮，所述叶轮具有:叶片；防护罩，所述防护罩与所述叶片接触并且流路腔穿过其中；以及耐腐蚀涂层，所述耐腐蚀涂层位于所述流路腔上。所述耐腐蚀涂层通过如下步骤制造:(i)提供金属模具，所述金属模具具有与所述流路腔的反面几何形状对应的形状，(ii)通过热喷涂方法用耐腐蚀层覆盖所述模具，(iii)根据预定几何形状，使复合材料围绕覆有所述耐腐蚀涂层的所述模具成形，(iv)使所述复合材料固化，以及(V)使所述模具溶解在酸性溶液或碱性溶液中，同时至少将所述耐腐蚀涂层留在所述叶轮的所述流路腔上。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]并入说明书中并构成其一部分的附图示出了一个或多个实施例，并与说明书一起解释这些实施例。在附图中:
[0012]图1示出了其中具有轮廓分明的流动通道的叶轮；
[0013]图2示出了可用于多个示例性实施例中的流路腔；
[0014]图3是根据一个示例性实施例的方法的流程图，所述方法用于制造复合叶轮，所述复合叶轮具有流路腔，所述流路腔具有耐腐蚀涂层；
[0015]图4是并入多个示例性实施例中的成形方法的示意图，用于使复合材料围绕覆有耐腐蚀涂层的模具成形；
[0016]图5是在溶解模具材料之前，根据多个实施例的金属层的示意图；
[0017]图6是根据另一个示例性实施例的方法的流程图，所述方法用于制造复合叶轮，所述复合叶轮具有流路腔，所述流路腔具有耐腐蚀涂层；以及
[0018]图7是根据另一个示例性实施例的方法的流程图，所述方法用于制造复合叶轮，所述复合叶轮具有流路腔，所述流路腔具有耐腐蚀涂层。
【具体实施方式】
[0019]以下示例性实施例的描述是在参考附图的情况下进行的。不同附图中的相同参考数字是指相同或类似的元素。以下详细描述并不限制本发明。相反，本发明的范围由随附的权利要求书界定。出于简明性的考虑，以下实施例相对于能够用于石油和天然气领域中的复合叶轮的术语和结构进行描述。但是，以下介绍的实施例并不限于这些系统，而是可适用于在包括固体颗粒或液滴的流体流中使用复合叶轮的其他系统。
[0020]整个说明书中对“一个实施例”或“一项实施例”的参考意指与一个实施例一起描述的特定特征、结构或特征包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书多处出现的短语“在一个实施例中”或“在一项实施例中”并不一定指相同的实施例。此外，一个或多个实施例中可以通过任何合适的方式将特定特征、结构或性质相组合。
[0021]流路腔可溶模具用于制造具有流路腔的复合叶轮。流路腔模具10如图2所示。每个模具10具有复杂的三维形状，其几何形状与制成叶轮中的流路腔几何形状互补。互补是指模具具有与填充叶轮腔的液体的形状，而模具的几何形状可以表示为反面几何形状。
[0022]模具10可以由水溶性材料或金属制成，所述材料或金属能够使用强酸性溶液或碱性溶液溶解。水溶性材料的实例可以是水溶性环氧树脂或其他材料，例如当前以商标AQUAPOUR? (由瑞士公司AeroConsultants制造)销售的材料。可用于制造模具的金属是铜和软钢(即，钢含量小于15%C)以及其他金属合金。
[0023]图3示出了根据一个示例性实施例的用于制造复合叶轮的方法100的流程图，所述复合叶轮具有流路腔，所述流路腔具有耐腐蚀涂层。所述方法100包括在SllO中提供模具(例如，模具10)，所述模具具有与流路腔的反面几何形状对应的形状；以及用耐腐蚀涂层覆盖所述模具(例如，在S120中)。所述方法100进一步包括在S130中根据预定叶轮几何形状，使复合材料围绕覆有耐腐蚀涂层的模具成形，以及在S140中使复合材料固化。图3中示出了如何根据预定叶轮几何形状，使复合材料围绕覆有耐腐蚀涂层的模具成形，其中已被耐腐蚀涂层20覆盖并围绕型芯30布置的模具10被复合材料40围绕。复合材料可以包括树脂。固化温度可以从室温到几百摄氏度，具体取决于其确切组成。
[0024]最后，方法100包括在S150中使模具(例如，10)溶解，将耐腐蚀涂层(例如，20)留在具有预定叶轮几何形状的复合叶轮(例如，40)的流路腔上。模具溶解之前，在模具材料10与复合材料40之间的交界面处存在如图5中所示的耐腐蚀层20。一旦模具10溶解，复合材料40与耐腐蚀层20仍连在一起。
[0025]将耐腐蚀层(例如，20)涂覆在模具(例如，10)上的方式具体取决于模具材料。如果模具由水溶性材料制成，则可以使用喷镀方法。如果模具由金属制成，则可以用喷镀工艺、热喷涂方法、物理蒸汽沉积(PVD)方法、化学蒸汽沉积(CVD)方法或者冷喷涂方法。
[0026]适用于水溶性模具的喷镀方法包括(i)用密封剂涂覆所述模具，(ii)将导电涂料涂覆到所述密封剂上，以及(iii)将耐腐蚀层喷镀到所述导电层上。所述密封剂可以是用刷子涂覆的薄环氧树脂漆层。所述导电层可以是含银(Ag)薄漆层，并且还可以使用刷子涂覆。
[0027]喷镀腐蚀层可以包括喷镀Ni基层，以提供在其上逐渐形成耐腐蚀结构的基础。此Ni基层的喷镀可以使用闪镀镍放电来实现。Ni基层的厚度可以小于I密耳(即，1/1000英寸)。
[0028]随后可以使用无电镀镍方式涂覆大量耐腐蚀层(ENP)。无电喷镀使用含有金属离子的化学溶液而不直接施加电流。无电喷镀的优势在于能够均匀地将均匀层涂覆到具有复杂几何形状的对象上。
[0029]使用ENP喷镀的耐腐蚀层可以包括最大尺寸小于2 μ m、体积比约为35%的钻石。复合材料固化之后，可以轻松地使用水去除水溶性模具。具有此类耐腐蚀层的叶轮的耐腐蚀性约为没有此类层的叶轮的五倍。
[0030]喷镀工艺还可以适用于由金属制成的模具。但是，在由金属制成的模具上，还可以使用热喷涂方法来涂覆耐腐蚀层。通过热喷涂方法涂覆的耐腐蚀层的耐腐蚀性是通过喷镀涂覆的耐腐蚀层的十倍。
[0031]通过热喷涂涂覆的耐腐蚀层可以是金属或金属陶瓷。优选的耐腐蚀热喷涂涂层是金属陶瓷，其包括陶瓷和金属基体。例如，陶瓷是WC，并且金属基体可以是Co和Cr、Ni的组合或者Ni和Cr的组合。具体来说，对于陶瓷WC，已对10Co4Cr的组合进行测试，其中10和4表示金属的体积百分数。在另一个实例中，陶瓷是Cr2Co3并且金属基体是NiCr。使用热喷涂涂覆的耐腐蚀层的厚度可以超过IOmiI。[0032]图6中示出了可以使用方法200制成的根据另一个示例性实施例的复合叶轮，所述复合叶轮具有流路腔，所述流路腔具有耐腐蚀涂层。方法200包括:在S210中提供水溶性模具，所述模具具有与流路腔的反面几何形状对应的形状；在S220中用密封剂涂覆所述丰旲具；在S230中将导电涂料涂覆在所述S封剂上；在S240中将耐腐蚀层嗔涂在所述导电涂料上；在3250中根据预定叶轮几何形状，使复合材料围绕覆有密封剂、导电涂料和耐腐蚀涂层的模具成形；在S260中使复合材料固化；以及在S270中使模具溶解到水基溶液中，同时至少将耐腐蚀涂层留在所述复合叶轮上。
[0033]图6中示出了可以使用方法300制成的根据另一个示例性实施例的复合叶轮，所述复合叶轮具有流路腔，所述流路腔具有耐腐蚀涂层。方法300包括在S310中提供金属模具，所述金属模具具有与流路腔的反面几何形状对应的形状；在S320中通过热喷涂方法用耐腐蚀涂层覆盖所述模具；在S330中根据预定叶轮几何形状，使复合材料围绕覆有耐腐蚀涂层的模具成形；在S340中使所述复合材料固化；以及在S350中将模具溶解在酸性溶液或者碱性溶液中，同时将耐腐蚀涂层留在复合材料上。
[0034]所公开的示例性实施例提供了一种方法，所述方法用于生产由复合材料构成的叶轮，以具有被耐腐蚀涂层覆盖的流路腔，所述耐腐蚀涂层一开始通过喷镀或热喷涂涂覆到模具上。应了解，本说明书中并不限制本发明。示例性实施例意图涵盖所有替代形式、修改形式和等效形式，它们包括在由随附权利要求界定的本发明的精神和范围内。此外，示例性实施例的详细描述中描述了许多具体细节，以提供对本发明的全面了解。但是，所属领域中的技术人员应了解到，可以在不含此类具体细节的情况下实践多个实施例。
[0035]实施例中以特定组合描述了本发明实施例的特征和元素，但是每个特征或元素可独立于实施例中的其他特征和元素单独使用，或者在多个实施例中结合或独立于本说明书中所公开的其他特征使用。
[0036]本说明书使用本发明的多个实例来使所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书界定，并且可以包括所属领域中的技术人员想出的其他实例。此类其他实例在权利要求书的范围内。
【权利要求】
1.一种用于制造复合叶轮的方法(100)，所述复合叶轮具有流路腔，所述流路腔具有耐腐蚀涂层，所述方法包括: 提供(SllO)模具，所述模具具有与所述流路腔的反面几何形状对应的形状； 在所述模具上涂覆(S120)耐腐蚀涂层； 根据预定的叶轮几何形状，围绕覆有所述耐腐蚀涂层的所述模具对复合材料进行成形(S130)； 对所述复合材料(S140)进行固化；以及 去除(S150)所述模具，将所述耐腐蚀涂层留在所述复合叶轮的所述流路腔上。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述模具上涂覆所述耐腐蚀材料的方法取决于模具材料。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述复合材料包括树脂。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述模具由水溶性材料制成，并且所述模具通过溶解在水基溶液中来实现去除。
5.根据权利要求4所述的方法，其中在所述模具上涂覆所述耐腐蚀涂层包括: 使用密封剂涂覆所述模具； 将导电涂料涂覆在所述密封剂上；以及 将所述耐腐蚀层喷镀到所述导电涂料上。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述密封剂是环氧树脂漆。
7.根据权利要求5所述的方法，其中所述导电涂料包括银。
8.根据权利要求5所述的方法，其中所述耐腐蚀层的所述喷镀包括: 将Ni基层喷镀在所述导电涂料上；以及 使用无电镀镍技术(ENP)将所述耐腐蚀层喷镀在所述Ni基层上。
9.根据权利要求8所述的方法，其中将所述Ni基层喷镀在所述导电涂料上通过伍德镍闪锻(Woods nickel strike)来实现。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述导电涂料上的所述Ni基层具有小于Imil的厚度。
11.根据权利要求8所述的方法，其中使用ENP喷镀的所述耐腐蚀层包括大小不足2μ m、体积比约为35%的钻石。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述模具由金属制成，并且所述模具通过溶解在酸性溶液或碱性溶液中来实现去除。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述模具由铜或软钢制成。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述模具通过溶解在硝酸中来实现去除。
15.根据权利要求12所述的方法，其中在所述模具上涂覆所述耐腐蚀涂层通过热喷涂来实现。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述耐腐蚀涂层由陶瓷和金属胶制成。
17.根据权利要求16所述的方法，其中(a)所述陶瓷是WC并且所述金属胶是以下项中的一项:(i) Co和Cr的组合、(ii) Ni或(iii) Ni和Cr的组合,或者(b)所述陶瓷是Cr2C3并且所述金属胶是Ni和Cr的组合。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述耐腐蚀涂层具有至少IOmil的厚度。
19.一种叶轮(1、40)，包括: 叶片(3 )； 防护罩(4)，所述防护罩与所述叶片(3)接触并且流路腔穿过其中；以及耐腐蚀涂层(20)，所述耐腐蚀涂层位于所述流路腔上，所述耐腐蚀涂层通过如下步骤制造: 提供(S210)水溶性模具，所述水溶性模具具有与流路腔的反面几何形状对应的形状； 使用密封剂涂覆(S220)所述模具； 将导电涂料涂覆(S230)在所述密封剂上； 将耐腐蚀层喷镀(S240)到所述导电涂料上； 根据预定几何形状，围绕覆有所述密封剂、所述导电涂料和所述耐腐蚀涂层的所述模具对复合材料进行成形(S250)； 对所述复合材料进行固化(S260);以及 将所述模具溶解(S270 )在水基溶液中， 同时至少将所述耐腐蚀涂层留在所述叶轮的所述流路腔上。
20.一种叶轮(1、40)，包括: 多片叶片(3 )； 防护罩(4)，所述防护罩与所述叶片(3)接触并且流路腔穿过其中；以及耐腐蚀涂层(20)，所述耐腐蚀涂层位于所述流路腔上，所述耐腐蚀涂层通过如下步骤制造: 提供(S310)金属模具，所述金属模具具有与所述流路腔的反面几何形状对应的形状； 使用热喷涂技术在所述模具上涂覆(S320)耐腐蚀涂层； 根据预定叶轮几何形状，在围绕覆有所述耐腐蚀涂层的所述模具对复合材料进行成形(S330)； 对所述复合材料进行固化(S340);以及 将所述模具溶解(S350 )在酸性溶液或碱性溶液中，同时至少将所述耐腐蚀涂层留在所述叶轮的所述流路腔上。
【文档编号】F04D29/02GK103782041SQ201280030690
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2012年6月20日 优先权日:2011年6月21日
【发明者】I.焦文內蒂, A.梅西尼 申请人:诺沃皮尼奥内有限公司