專利名稱：一種從燃氣渦輪發(fā)動機構(gòu)件的冷卻孔中除去涂層材料的方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及一種利用激光鉆孔技術(shù)將已被涂層材料部分或全部堵塞的冷卻孔打開，從而制造或修復燃氣輪機構(gòu)件的方法。
背景技術(shù)：
在發(fā)動機的熱區(qū)域中運行的先進的燃氣渦輪發(fā)動機構(gòu)件會經(jīng)歷多個溫度，這會促使構(gòu)件運行壽命降低。一般的，這種構(gòu)件包括渦輪葉片或翼、燃燒室、渦輪殼和在排氣系統(tǒng)中的各種構(gòu)件。為了提高構(gòu)件壽命，這樣的構(gòu)件已經(jīng)被設(shè)計成在構(gòu)件的主體包括冷卻通道，使一個表面或大約一個構(gòu)件的表面排氣。對于多余的熱和/或環(huán)境阻力來說，通常在暴露到較高溫度中的一面上包括一高溫防護涂層，例如金屬性或陶瓷類涂層。這種涂層的實例包括鋁化物、鋁化鉑、MCrAlY(其中M是元素Fe、Co和Ni中的至少一種)、各種金屬重疊鍍覆型涂層和陶瓷熱防護涂層，其中一種在本技術(shù)領(lǐng)域中稱作隔熱涂層(TBC)。典型的TBC涂層是以由氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯為基礎(chǔ)，例如用約8％重量的氧化釔穩(wěn)定92％重量百分比的氧化鋯。應(yīng)用TBC涂層的方法包括等離子噴射和電子束物理氣相沉積。通常，這種涂層與金屬粘結(jié)涂層共用。
為了起到合適的作用，冷卻孔必須構(gòu)造成特殊的外形和半徑，因為必須控制氣流的分布以達到在發(fā)動機運行期間對構(gòu)件的合適冷卻的目的。因此冷卻孔一定不能被堵塞，或者哪怕被部分地堵塞，從而提供充足的、一致的冷卻氣流分布穿過構(gòu)件的內(nèi)部和越過構(gòu)件的外部。涂層的應(yīng)用會導致穿過冷卻孔的氣流量顯著下降，并會導致冷卻孔的完全封閉。
因此，在應(yīng)用涂層之后，冷卻孔可能不得不開口到它們最初的規(guī)定的尺寸以提供對構(gòu)件合適的冷卻和/或恢復合適的氣流量，并且孔必須在不會導致破壞元件本材料或區(qū)域內(nèi)的涂層的情況下被打開，除非在此處需要除去涂層。一種打開孔的方法需要提供精確控制以再鉆入一個已經(jīng)存在的冷卻孔，以及在關(guān)于降低處理時間和避免在鉆孔中出錯的經(jīng)濟基礎(chǔ)上有效進行處理的工藝。
盡管用于一種構(gòu)件的詳細說明(例如設(shè)計圖)能表明冷卻孔的總體位置，但是在冷卻孔設(shè)置(例如激光鉆孔、EDM、ECM或類似的操作)時的制造期間會出現(xiàn)小的變化，當試圖重新鉆孔時這些微小變化變得嚴格。進一步的，對于待修復的構(gòu)件，由于使用或修復操作的原因會導致冷卻孔位置的變化。因此需要對激光鉆孔以重新打開冷卻孔進行精確控制。另外，在激光鉆孔期間，產(chǎn)生大量的碎片，這些碎片會阻礙進一步鉆孔，尤其當應(yīng)用機器圖像系統(tǒng)時，需要頻繁的中止并清洗構(gòu)件。
用激元(或受激準分子)激光器打開被堵塞的冷卻孔的應(yīng)用在美國專利5216808中有描述；但是需要一種利用ND/YAG型激光器能夠有效操作的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要提供一種用激光鉆孔從燃氣輪機構(gòu)件的被堵塞的冷卻孔中除去涂層材料的方法，該方法利用一種計算機數(shù)字控制器構(gòu)件程序，該程序以構(gòu)件的冷卻孔的總體位置進行預編程，以使機器圖像系統(tǒng)和構(gòu)件相對彼此移動到至該一系列冷卻孔中的每一個冷卻孔位置，確定每個冷卻孔的實際位置，并將用于該一系列冷卻孔的冷卻孔的實際位置存儲在計算機數(shù)字控制器的存儲器或數(shù)據(jù)存儲裝置中，然后通過以存儲在計算機數(shù)字控制器的存儲器或數(shù)據(jù)存儲裝置中的冷卻孔的實際位置為基礎(chǔ)的激光鉆孔除去該一系列冷卻孔的堵塞冷卻孔的涂層材料。這個方法可以方便的實施，從而在涂層的構(gòu)件或已制備用于涂層的構(gòu)件上確定冷卻孔的實際位置。


圖1是一種根據(jù)本發(fā)明的方法打開堵塞了的冷卻孔的裝置的示意圖；具體實施方式
參考圖1，一個示意圖示出了用于從燃氣渦輪發(fā)動機構(gòu)件2的冷卻孔1中除去涂層材料的裝置。在燃氣渦輪發(fā)動機構(gòu)件的制造或修復過程中，構(gòu)件可能被全部或部分地涂覆以涂層材料。合適的涂層材料包括鋁化物、鋁化鉑(Pt3Al)、MCrAlY(其中M是Ni、Co和Fe中的至少一種)和一種陶瓷隔熱涂層(TBC)，例如用氧化釔或類似物穩(wěn)定的氧化鋯?？梢杂玫入x子噴涂、物理氣相沉積(PVD)或其它涂層方法進行涂覆。在涂層材料的涂覆過程中，冷卻孔可能被完全或部分地堵塞。
本發(fā)明提供一種除去涂層材料的方法，該涂層材料在涂層的沉積過程中可能已經(jīng)堵塞一部分或全部的冷卻孔，本發(fā)明還包括一種激光器，該激光器將一脈沖激光光束對準冷卻孔所在的位置，從而除去或清除阻塞物以恢復冷卻孔的直徑和/或建立一合適的氣流，而不需要使構(gòu)件變形或破壞構(gòu)件或改變冷卻孔的設(shè)計的幾何形狀或構(gòu)形。
一種合適的工業(yè)型激光器是ND/YAG激光器，例如會聚極光P-50L。一般，ND/YAG型激光器利用一激光光束，該激光光束用脈沖輸送，每脈沖具有大約為.3～10毫秒，優(yōu)選大約為0.6毫秒的脈沖寬度，和大約1060納米的波長。激光光束的能量可以是大約5～15焦耳/平方厘米，該能量取決于所要除去的涂層材料的類型。
激光設(shè)備3可以垂直或水平地安裝，構(gòu)件2可以安裝在一個多軸工作臺4上面，該工作臺4由一個CNC5(計算機數(shù)字控制器)或類似的可編程的構(gòu)件定位裝置，例如一種工業(yè)機器人來控制，用于定位和移動構(gòu)件1和激光設(shè)備3彼此的相對關(guān)系，從而使激光光束聚焦在任何部分地或全部被堵塞的冷卻孔1上，用于除去阻塞物。根據(jù)本發(fā)明，該CNC5用程序數(shù)據(jù)或工具路徑數(shù)據(jù)進行預編程，該數(shù)據(jù)包括用于這種構(gòu)件的冷卻孔位置和角度的詳細說明。這可以從最初用于鉆孔或形成冷卻孔的設(shè)計數(shù)據(jù)得到，或從制造的構(gòu)件測量得到。冷卻孔可以由最初的鉆孔或利用ND/YAG型激光器或類似的高能工業(yè)型激光器、放電加工(EDM)、電化學加工(ECM)或類似的加工形成。盡管CNC構(gòu)件程序提供了冷卻孔的總體位置，但當冷卻孔被裝配時在制造過程中會出現(xiàn)變化，或者在構(gòu)件的使用或修復過程中可出現(xiàn)變化，需要一個比較準確的實際位置，從而在不破壞構(gòu)件的情況下，將涂層的冷卻孔有效地重新鉆孔。
激光設(shè)備3同機器圖像系統(tǒng)一起使用。該圖像裝置包括一個照相機7(例如一攝影機)、一個圖像處理器6(例如一個帶圖像捕捉功能和一監(jiān)視器的個人計算機)和一個視頻監(jiān)視器8。照相機7從構(gòu)件2的一個圖像產(chǎn)生一視頻信號，并將該信號傳送給圖像處理器6。如圖1所示，圖像裝置照相機7可以安裝到激光器3上，從而通過激光器的透鏡系統(tǒng)獲得圖像，或者它與激光器是分離的。
CNC控制激光器3和多軸工作臺4，CNC構(gòu)件程序根據(jù)預編程的總體位置用于移動機械圖像照相機7和構(gòu)件2彼此的相對位置。然后機器圖像系統(tǒng)的圖像處理器6會分析該圖像，從而測定每個冷卻孔1的實際位置，并將這個位置存儲在CNC的存儲器或數(shù)據(jù)存儲設(shè)備(例如硬盤、光盤或網(wǎng)絡(luò)等)中。在一個優(yōu)選實施例中，存儲在CNC的存儲器或數(shù)據(jù)存儲設(shè)備中的值是冷卻孔的實際位置。冷卻孔的實際位置的這種測定方法以及將該實際位置存儲在CNC的存儲器或數(shù)據(jù)存儲設(shè)備中的操作繼續(xù)用于一系列將要用激光器重新鉆孔的冷卻孔。一般，在激光器鉆削這一系列孔之前，一個構(gòu)件，例如一個葉片或翼，的至少一整排孔直至所有的孔以這種方式測定。一般，在激光鉆孔之前測定10～600個冷卻孔。在激光器鉆削這一系列冷卻孔之前，一系列冷卻孔的實際位置的這種單獨測定提供了一種有效的方法，該方法避免了在激光鉆孔中產(chǎn)生碎片，這些碎片妨礙冷卻孔的實際位置的測定。
在機器圖像系統(tǒng)沒有定位以冷卻孔的預編程的總體位置為基礎(chǔ)的冷卻孔的實際位置的地方，例如如果冷卻孔被完全堵塞，那么存儲在CNC的存儲器或數(shù)據(jù)存儲設(shè)備中用于激光鉆孔的值是通過修正調(diào)整的預編程的總體位置。這個修正是以與在先冷卻孔的預編程的總體位置相比較的在先冷卻孔的實際位置為基礎(chǔ)的。
監(jiān)視器8允許人工操作員實時查看測定和激光鉆孔工藝。操作員可以與圖像處理器進行對話，并且可以越過控制或修改位置值。因此操作員可以核查由圖像裝置測定的冷卻孔的實際位置是否正確，并越過控制任何錯誤的位置。
這種系統(tǒng)還允許操作員在激光鉆孔之前利用CNC將機器圖像系統(tǒng)移動到該系列冷卻孔的每一個冷卻孔位置，其中這些冷卻孔位置以存儲在CNC的存儲器或數(shù)據(jù)存儲裝置中的冷卻孔的實際位置為基礎(chǔ)，從而核查存儲在存儲器中的冷卻孔的實際位置的精確度。
如圖1所示的多軸工作臺4有一個三軸(XYZ)定位臺和一個旋轉(zhuǎn)傾斜臺(AB)，用于線性定位和角度定位，該工作臺4還包括一個夾具9，在照相機7/激光器3和工作臺4被移動到每一個冷卻孔的適當位置，以確定冷卻孔的實際位置，并通過響應(yīng)由計算機數(shù)字控制器(CNC)5發(fā)出的信號產(chǎn)生的激光光束鉆削冷卻孔1的時候，該夾具9用于將構(gòu)件2保持在適當位置。
將構(gòu)件2安裝在固定的夾具中，并利用合適的定位裝置(例如工業(yè)機器人或類似設(shè)備)相對于構(gòu)件2移動激光設(shè)備3和照相機7，或者構(gòu)件2和激光設(shè)備3/照相機7可以彼此相對移動，這些也包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
精確地定位構(gòu)件2的夾具9的使用，允許構(gòu)件為涂層作準備，然后測定構(gòu)件的位置，從而確定并存儲冷卻孔的實際位置，然后從夾具中除去構(gòu)件并對其涂覆，然后將構(gòu)件重新精確定位在夾具中，用于激光器鉆削堵塞冷卻孔的涂層材料，這些冷卻孔以存儲在CNC的存儲器或數(shù)據(jù)存儲裝置中的冷卻孔的實際位置為基礎(chǔ)。構(gòu)件可以用包括清洗、噴砂、修補(例如焊接、釬接、混和)等在內(nèi)的多個步驟中的一步或多步為涂覆作準備。這個準備步驟還可以包括用一種中間涂層材料涂覆構(gòu)件。然后確定冷卻孔的實際位置并將其存儲在CNC的存儲器或數(shù)據(jù)存儲裝置中用于一個具體的構(gòu)件。涂層之后這些實際位置被從CNC存儲器或數(shù)據(jù)存儲裝置中取回，以用于將這個具體構(gòu)件重新鉆削冷卻孔。在確定冷卻孔的實際位置并激光鉆孔之前，精確地定位并確定已涂層的構(gòu)件的方位可以利用夾具和位置傳感系統(tǒng)來實施。例如，一種接觸探測器(例如一種Renshaw接觸探測器)可以在多個位置(一般為6個)接觸該構(gòu)件，并且CNC將調(diào)整構(gòu)件的實際方位。
權(quán)利要求
1.一種用激光鉆孔以從燃氣輪機構(gòu)件被堵塞的冷卻孔中除去涂層材料的方法，該方法包括為計算機數(shù)字控制器提供計算機數(shù)字控制器構(gòu)件程序，該計算機數(shù)字控制器控制激光器和運動系統(tǒng)，其中運動系統(tǒng)調(diào)節(jié)激光器相對于構(gòu)件的相對位置、距離和角度，并且該計算機數(shù)字控制器構(gòu)件程序以所述構(gòu)件的冷卻孔的總體位置進行預編程；利用計算機數(shù)字控制器構(gòu)件程序使機器圖像系統(tǒng)和構(gòu)件相對彼此移動到對于以預編程的總體位置為基礎(chǔ)的涂層的構(gòu)件的一系列冷卻孔中的每一個冷卻孔位置，并測定每個所述冷卻孔的實際位置，且將該一系列冷卻孔的冷卻孔的實際位置存儲在計算機數(shù)字控制器的存儲器或數(shù)據(jù)存儲裝置中；和然后通過以存儲在計算機數(shù)字控制器的存儲器或數(shù)據(jù)存儲裝置中的冷卻孔的實際位置為基礎(chǔ)的激光鉆孔除去該一系列冷卻孔的堵塞冷卻孔的涂層材料。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，如果機器圖像系統(tǒng)沒有定位到以冷卻孔的預編程的總體位置為基礎(chǔ)的冷卻孔的實際位置，那么存儲在計算機數(shù)字控制器的存儲器或數(shù)據(jù)存儲裝置中用于激光鉆孔的值是通過修正調(diào)整的預編程的總體位置，該修正用于與在先的冷卻孔的預編程的總體位置進行比較的在先的冷卻孔的實際位置。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，機器圖像系統(tǒng)也為操作者提供了實時視頻圖像監(jiān)視器，其使得操作者能核查由圖像系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的冷卻孔的實際位置，并越過控制任何錯誤的位置。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，其還包括在激光鉆孔之前利用計算機數(shù)字控制器構(gòu)件程序?qū)C器圖像系統(tǒng)移動到每個冷卻孔位置，該冷卻孔位置以儲存在計算機數(shù)字控制器的存儲器或數(shù)據(jù)存儲裝置中存儲的冷卻孔的實際位置為基礎(chǔ)，從而核對存儲在存儲器中的冷卻孔的實際位置的精確度。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，存儲在計算機數(shù)字控制器的存儲器或數(shù)據(jù)存儲裝置中的值是對于冷卻孔的實際位置。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，涂層材料選自包括鋁化物、鋁化鉑、MCrAlY、陶瓷隔熱涂層以及它們的組合物的組的材料，其中M是Ni、Co和Fe中的至少一種。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述一系列冷卻孔包括10～600個冷卻孔。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述一系列冷卻孔是構(gòu)件的所有被堵塞的冷卻孔，這些冷卻孔需要用激光鉆孔除去涂層材料。
9.一種用于激光鉆孔以從燃氣輪機構(gòu)件的被堵塞的冷卻孔中除去涂層材料的方法，該方法包括為計算機數(shù)字控制器提供計算機數(shù)字控制器構(gòu)件程序，該計算機數(shù)字控制器控制激光器和運動系統(tǒng)，其中運動系統(tǒng)調(diào)節(jié)激光器相對于構(gòu)件的相對位置、距離和角度，并且該計算機數(shù)字控制器構(gòu)件程序以所述構(gòu)件的冷卻孔的總體位置進行預編程；準備將要用涂層材料涂覆的構(gòu)件；利用計算機數(shù)字控制器構(gòu)件程序使機器圖像系統(tǒng)和構(gòu)件相對彼此移動到以預編程的總體位置為基礎(chǔ)的構(gòu)件的一系列冷卻孔中的每一個冷卻孔位置，并確定每個所述冷卻孔的實際位置，將該一系列冷卻孔的冷卻孔的實際位置存儲在計算機數(shù)字控制器的存儲器或數(shù)據(jù)存儲裝置中；以涂層材料涂覆構(gòu)件，涂層材料堵塞了冷卻孔；和然后通過以存儲在計算機數(shù)字控制器的存儲器或存儲裝置中的冷卻孔的實際位置為基礎(chǔ)的激光鉆孔除去該一系列冷卻孔的堵塞冷卻孔的涂層材料。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，如果機器圖像系統(tǒng)沒有定位以冷卻孔的預編程的總體位置為基礎(chǔ)的冷卻孔的實際位置，那么存儲在計算機數(shù)字控制器的存儲器或數(shù)據(jù)存儲裝置中用于激光鉆孔的值是由修正調(diào)整的預編程的總體位置，該修正用于與在先的冷卻孔的預編程的總體位置進行比較的在先冷卻孔的實際位置。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，機器圖像系統(tǒng)也為操作者提供了實時視頻監(jiān)視器，其使得操作者能核對由圖像裝置發(fā)現(xiàn)的冷卻孔的實際位置，并越過控制任何錯誤的位置。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，其還包括在激光鉆孔之前利用計算機數(shù)字控制器構(gòu)件程序?qū)C器圖像系統(tǒng)移動到每個冷卻孔位置，該冷卻孔位置以存儲在計算機數(shù)字控制器的存儲器或數(shù)據(jù)存儲裝置中的冷卻孔的實際位置為基礎(chǔ)，從而核查存儲在存儲器中的冷卻孔的實際位置的精確度。
13.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，存儲在計算機數(shù)字控制器的存儲器或數(shù)據(jù)存儲裝置中的值是冷卻孔的實際位置。
14.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，涂層材料選自包括鋁化物、鋁化鉑、MCrAlY、陶瓷隔熱涂層以及它們的組合物的組的材料，其中M是Ni、Co和Fe中的至少一種。
15.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，其還包括在測定冷卻孔的實際位置和激光鉆孔之前，利用位置探測裝置精確地確定構(gòu)件的位置。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，位置探測裝置是接觸探測器。
17.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，構(gòu)件制備成用中間涂層材料涂覆。
18.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述一系列冷卻孔包括10～600個冷卻孔。
19.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述一系列冷卻孔是構(gòu)件所有被堵塞的冷卻孔，這些冷卻孔需要用激光鉆孔以除去涂層材料。
全文摘要
一種方法，其利用計算機數(shù)字控制器構(gòu)件程序控制激光鉆孔(3)除去堵塞燃氣輪機的構(gòu)件上的冷卻孔(1)的涂層材料，該程序用一個構(gòu)件的冷卻孔的總體位置進行預編程，利用該計算機數(shù)字控制器構(gòu)件程序使機器圖像系統(tǒng)(7、6、8)和構(gòu)件相互彼此移動到以預編程的總體位置為基礎(chǔ)的一個涂層構(gòu)件的一系列冷卻孔(1)中的每一個冷卻孔(1)的位置，并確定每一個冷卻孔的實際位置，將這一系列冷卻孔的實際位置存儲在計算機數(shù)字控制器的存儲器或數(shù)據(jù)存儲裝置中，然后通過以存儲在計算機數(shù)字控制器中的冷卻孔的實際位置為基礎(chǔ)的激光鉆孔(3)除去該一系列冷卻孔(1)的堵塞冷卻孔(1)的涂層材料。
文檔編號B23K26/03GK1602236SQ02824556
公開日2005年3月30日 申請日期2002年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月9日
發(fā)明者G·埃默 申請人:鉻合金氣體渦輪公司