專利名稱：復(fù)合元件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求1所述的復(fù)合元件的制造方法。本發(fā)明還涉及一種用所述方法制造的復(fù)合元件。本發(fā)明還涉及一種渦輪機(jī)，特別是具有這種復(fù)合元件的燃?xì)廨啓C(jī)。
背景技術(shù)：
放電加工(EDM)和電化學(xué)加工(ECM)為人們所熟知的加工方法。在對(duì)高硬度材料進(jìn)行高精確度加工時(shí)，通常用EDM和ECM對(duì)工件進(jìn)行加工，同時(shí)在加工過(guò)程中可以避免局部熱負(fù)載，例如在加工渦輪部件的情況下。該方法特別用于制造冷卻孔，例如在加工過(guò)程中薄膜冷卻空氣流經(jīng)的孔。
在EDM中，至少將一個(gè)電極靠近工件固定，并由于電位差在工件和電極間產(chǎn)生電火化。該電火花導(dǎo)致工件材料被腐蝕。在ECM中，一個(gè)充當(dāng)電極作用的工件通過(guò)一電解質(zhì)與另一電極電耦合。特別是，用ECM可以加工任意幾何形狀。
很明顯，為使用EDM或ECM，工件表面必須導(dǎo)電。這樣對(duì)于由復(fù)合物形成的工件進(jìn)行加工時(shí)便會(huì)產(chǎn)生困難。此類(lèi)復(fù)合物通常包含非導(dǎo)電材料，例如陶瓷。特別常見(jiàn)的是在金屬基底上或環(huán)繞金屬基底提供一種或者多種非導(dǎo)電材料作為涂層，從而保護(hù)金屬基底在使用中不受熱、侵蝕、化學(xué)腐蝕或者磨損的影響。與此特別相關(guān)的行業(yè)如航天和發(fā)電行業(yè)，其中渦輪翼片需要在很高的速度和溫度下運(yùn)轉(zhuǎn)。
在現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)提出了若干種有利于對(duì)包含非導(dǎo)電材料如涂層的復(fù)合物進(jìn)行電加工的方法。
專利EP 0 366 466公開(kāi)了一種EDM方法，其中首先用超聲鉆對(duì)復(fù)合工件進(jìn)行加工，從而除去一些非導(dǎo)電材料，并提供到達(dá)下層的導(dǎo)電材料的通道。之后，可以用常見(jiàn)方式對(duì)導(dǎo)電材料進(jìn)行EDM。該技術(shù)的缺陷在于超聲鉆不能垂直于加工表面進(jìn)行加工，這就限制了該方法只能對(duì)工件的某些結(jié)構(gòu)適用。
US 5,177,037介紹了幾種類(lèi)型的復(fù)合陶瓷，該復(fù)合陶瓷通過(guò)摻雜金屬和/或碳而具有導(dǎo)電性。還公開(kāi)了在非導(dǎo)電材料上涂抹適當(dāng)?shù)碾娊庖?，從而使材料?dǎo)電。之后，可以對(duì)導(dǎo)電復(fù)合物進(jìn)行EDM。但是，以該方式涂抹材料會(huì)影響涂層的完整性，這是非常不理想的。另外，要求洗滌材料，以除去摻雜劑。這樣便使加工過(guò)程大大復(fù)雜化。摻雜劑在材料中的集中和分散很難控制。這樣，很可能摻雜添加劑不能取得必要的導(dǎo)電性。
DD 274 999和US 4,818,834中公開(kāi)了使用激光鉆加工非導(dǎo)電陶瓷涂層從而暴露出導(dǎo)電基底的方法，之后可以進(jìn)行諸如ECM或EDM的電加工。但是，使用常規(guī)激光鉆的方法可以獲得的幾何形狀僅限于基本圓形截面，包括依據(jù)激光束在表面上的入射角而在元件表面上形成的橢圓開(kāi)口。再者，在已知技術(shù)中，所產(chǎn)生的開(kāi)口直徑基本限于在工作范圍內(nèi)的激光束的直徑。另外，因?yàn)槭褂昧撕芨叩臒崮芤约凹す忏@的工作范圍會(huì)深入金屬基底，因而金屬基底至少部分受到一定程度的激光加工，且至少受到局部熱負(fù)載。結(jié)果，金屬基底的結(jié)構(gòu)便會(huì)發(fā)生很大的不良變形。激光加工涂層與金屬基底之間的粘合便會(huì)局部受到嚴(yán)重削弱，從而產(chǎn)生潛在的后繼損害最終，當(dāng)前的激光鉆方法為熱加工方法，這正是在電加工方法使用初期應(yīng)該避免的。盡管經(jīng)過(guò)電加工可以獲得高精確度，但其幾何精度受限，且當(dāng)前例如在冷卻孔的制造中，因?yàn)槔鋮s孔加工過(guò)程而流經(jīng)孔的冷卻空氣的質(zhì)量流量的公差在平均質(zhì)量流量的±10％的范圍。
總之，盡管以上介紹的組合加工過(guò)程得到廣泛應(yīng)用并在一定程度上令人滿意，但是最近特別是在燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展導(dǎo)致對(duì)精確冷卻空氣控制和最佳機(jī)械元件完整性的需求的增加，并且產(chǎn)生了以避免或至少將與上述現(xiàn)有技術(shù)有關(guān)的缺陷降至最低的強(qiáng)烈需求。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷。
特別是，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種如前面部分所述的方法，該方法可以在復(fù)合工件上高精度地加工任何幾何形狀，例如在燃?xì)鉁u輪翼片上加工薄膜冷卻孔，該燃?xì)鉁u輪翼片在外表面上具有熱障涂層。
通過(guò)如權(quán)利要求1所述的方法可實(shí)現(xiàn)該目的。本發(fā)明的有利實(shí)施例和應(yīng)用在進(jìn)一步的權(quán)利要求中給出。
本發(fā)明的理念在于不是用一聚焦高能激光束簡(jiǎn)單地“燒”穿復(fù)合元件的非導(dǎo)電部，而是利用一聚焦直徑基本小于待加工幾何尺寸的聚焦激光設(shè)備，之后用激光束掃描所需的輪廓，并主要在非導(dǎo)電表面上引導(dǎo)激光束的焦點(diǎn)，從而在復(fù)合元件的非導(dǎo)電部上非常精確地刻下所需的幾何形狀，并去除非導(dǎo)電材料。進(jìn)行該步驟的一種可能的方法是在表面上以多個(gè)基本平行、略微偏移的軌跡引導(dǎo)激光束焦點(diǎn)，直到完全覆蓋所需幾何形狀的區(qū)域?yàn)橹?。可以在一方向上重?fù)此操作，該方向基本垂直于第一組軌跡的方向。在一實(shí)施例中，焦點(diǎn)的移動(dòng)可通過(guò)使用一可移動(dòng)偏轉(zhuǎn)組件例如一鏡子或者鏡子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；假如高能激光束在光纖中的傳輸可以在沒(méi)有過(guò)多能力損失和潛在光纖損壞的情況下實(shí)現(xiàn)，則還可以使用棱鏡或者可移動(dòng)末端光纖?？傊珊苋菀椎爻炭貫樵诠ぜ砻嫔蠈?dǎo)引聚焦激光束以刻出預(yù)定幾何形狀的激光系統(tǒng)是商業(yè)可購(gòu)的，并廣泛用于雕刻文字或標(biāo)記。這種系統(tǒng)因此被認(rèn)為是現(xiàn)有技術(shù)，并為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知，隨后將不作進(jìn)一步詳述。在文中還假定，激光焦點(diǎn)“基本小于”待制造幾何形狀對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)具有明確、清楚的含義，即焦點(diǎn)必須足夠小而不會(huì)影響(或干涉)待制造幾何形狀。這取決于待制造幾何形狀的尺寸和復(fù)雜程度，也就是說(shuō)，所需要的邊緣越尖銳，焦點(diǎn)必須越小。換而言之，所用激光束的“空間頻率”必須大于所需幾何形狀的空間頻譜?？梢哉f(shuō)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則(rule or thumb)，所用激光束的直徑應(yīng)以大約3的因子減小，對(duì)于橢圓形、圓形或具有光滑輪廓的更一般幾何形狀來(lái)說(shuō)，該因子則例如為5或者更高，且至少處于這樣的量級(jí)，例如對(duì)于具有邊緣輪廓的幾何形狀來(lái)說(shuō)，該因子超過(guò)25。作為進(jìn)一步的經(jīng)驗(yàn)法則，激光強(qiáng)度必須高于2·108W/cm2，以能夠立刻蒸發(fā)材料。在制造橫截面尺寸大約從幾十分之一毫米至幾毫米的圓形冷卻氣孔而言，200微米至300微米的焦點(diǎn)直徑是理想的，這樣加工時(shí)間將會(huì)很短。較小的焦點(diǎn)直徑還可以大大提高加工精度，特別是在加工非圓形幾何形狀時(shí)。本發(fā)明可以在復(fù)合元件的非導(dǎo)電部中高精度地激光加工非圓形、非橢圓形和邊緣開(kāi)口，且圓形孔的加工時(shí)間較短。激光束的直徑廣泛理解為空中聚焦模式(focussing Airy pattern)中心部分的直徑。此外比較有利的是，特別是在加工復(fù)合工件的覆蓋導(dǎo)電部的非導(dǎo)電部時(shí)，最好連續(xù)控制激光加工的深度，從而避免對(duì)導(dǎo)電部即金屬基底的不期望的激光加工。在本發(fā)明的一實(shí)施例中，用一個(gè)所謂的錐光偏振探測(cè)器或干涉探測(cè)器(conoscopic probe)連續(xù)監(jiān)控加工深度。這種探測(cè)器例如可由愛(ài)爾蘭光學(xué)儀器公司提供，由于該探測(cè)器已為公知的現(xiàn)有技術(shù)，故不再作進(jìn)一步討論。
該加工過(guò)程可以包括在加工元件表面測(cè)量時(shí)將激光束旋轉(zhuǎn)至不同入射角的步驟。這樣可加工出任意三維幾何形狀。
還希望交替地切換激光器，從而優(yōu)選以超過(guò)500Hz、例如在3kHz與50kHz之間的調(diào)制頻率脈沖調(diào)制該激光器。這例如可以通過(guò)使用一Q轉(zhuǎn)換激光器實(shí)現(xiàn)。使用較短的激光脈沖可以在EDM加工過(guò)程中引起火化。因?yàn)檩^短脈沖具有較高的激光能量，從而可以去除較小塊材料，與激光鉆或激光切削相對(duì)，該過(guò)程可以被稱為激光侵蝕加工。用后一種方法激光能所產(chǎn)生的熱量可長(zhǎng)時(shí)間地施加在框架上，因此該熱量會(huì)在較大范圍上影響工件；例如，為從金屬基底上足夠量地移去陶瓷TBC從而暴露出金屬基底以進(jìn)行電加工，便意味著如果沒(méi)有熔化或者重新凝固發(fā)生的話，基底在其表面上被加熱到至少接近于熔化。這就會(huì)在微觀金屬結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)，并對(duì)基底和涂層之間的強(qiáng)度產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)。因?yàn)楦鶕?jù)本發(fā)明的方法對(duì)能量的使用較少，激光加工步驟的效應(yīng)被限制在局部，并沒(méi)有或者只有很少的不適當(dāng)熱量流入元件。
還令人驚訝地發(fā)現(xiàn)，加工甚至可以以非常平的入射角進(jìn)行。與其中相對(duì)于元件表面測(cè)量入射角被限制在高于21度的較陡角度的現(xiàn)有技術(shù)的激光加工過(guò)程相比，因?yàn)榧す獾姆瓷?，根?jù)本發(fā)明的方法允許入射角在12到15度的較低范圍內(nèi)進(jìn)行加工。
在本發(fā)明一實(shí)施例中，該兩個(gè)加工步驟在不同的加工器械上進(jìn)行。這便大大提高了各工具的利用率，因?yàn)閮蓚€(gè)加工步驟在不同的工件上進(jìn)行且同時(shí)進(jìn)行，從而降低了生產(chǎn)成本。工件在任一器械上的精確定位成為一問(wèn)題，普通技術(shù)人員可以利用技術(shù)常識(shí)和在兩個(gè)加工器械上的細(xì)心校準(zhǔn)解決該問(wèn)題。在這一點(diǎn)上，本發(fā)明的一實(shí)施例包括將元件或者后一復(fù)合元件的一部分從一個(gè)器械移到另一器械的步驟。
在本發(fā)明的另一激光加工方法中，導(dǎo)電部至少部分被非導(dǎo)電部覆蓋，且首先進(jìn)行非導(dǎo)電部的激光加工，直到在非導(dǎo)電部上得到所需的幾何形狀，并暴露出導(dǎo)電部；隨后對(duì)導(dǎo)電部進(jìn)行電加工。
在本發(fā)明的又一方法中，首先對(duì)非導(dǎo)電部進(jìn)行加工，隨后將非導(dǎo)電部連接到導(dǎo)電部上。導(dǎo)電部可以在連接步驟之前進(jìn)行電加工，或者在將電加工的非導(dǎo)電部已經(jīng)連接上后進(jìn)行電加工，這樣電加工便可以穿過(guò)激光加工開(kāi)口進(jìn)行。
激光加工還可以在將非導(dǎo)電部和導(dǎo)電部連接在一起后進(jìn)行。電加工可在連接之前進(jìn)行或者導(dǎo)電部經(jīng)激光加工暴露出來(lái)后進(jìn)行。
在根據(jù)本發(fā)明的又一方法中，在導(dǎo)電基底上制造非導(dǎo)電涂層，例如燃?xì)鉁u輪翼片上的陶瓷熱障涂層。在實(shí)施該方法的一模式中，制造該涂層以覆蓋導(dǎo)電部，之后例如制造冷卻氣孔，利用激光加工步驟將涂層加工成所述幾何形狀，以暴露出基底，隨后對(duì)基底進(jìn)行電加工，從而通過(guò)所述激光加工開(kāi)口提供電加工工具的通道。在該方法的第二種實(shí)施模式中，開(kāi)口如渦輪翼片上的冷卻孔通過(guò)在一未涂覆導(dǎo)電工件上進(jìn)行電加工的步驟制造。隨后，至少在導(dǎo)電工件的一表面上施加涂層，從而至少一些此前制造的開(kāi)口被涂層覆蓋。之后，在與下面的導(dǎo)電基底中的開(kāi)口匹配的位置上進(jìn)行激光加工，從而最終得到一貫穿復(fù)合元件的導(dǎo)電部和非導(dǎo)電部的開(kāi)口，例如冷卻氣孔。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，非導(dǎo)電部自身可以為一復(fù)合層，例如覆蓋金屬基底的熱障涂層，且其自身可以覆蓋抗磨損涂層和/或抗化學(xué)腐蝕涂層和/或抗沖擊保護(hù)涂層。
如前面所提到，本發(fā)明涉及的電加工過(guò)程可以是放電加工過(guò)程或電化學(xué)過(guò)程；具體選擇取決于各種參數(shù)，例如將要加工的材料、將要加工的幾何形狀、工作速度、具有的專門(mén)技術(shù)或技術(shù)訣竅等等。


現(xiàn)在參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，其中圖1為一燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的示意圖；圖2為將要加工的示范性復(fù)合元件的截面圖；圖3為將采用根據(jù)本發(fā)明的方法加工的區(qū)域的橫截面放大視圖以及所用激光加工組件的示意圖；圖4為將要加工的區(qū)域中的元件的俯視圖，其示出了激光束在工件表面上的可能移動(dòng)；圖5為激光加工步驟之后的圖3的截面圖；圖6為電加工步驟之后的圖3和圖5的截面圖；圖7為采用根據(jù)本發(fā)明的激光加工步驟可獲得的另一可能幾何形狀的示例；圖8為采用根據(jù)本發(fā)明的激光加工步驟可獲得的其它可能幾何形狀的示例。
為方便對(duì)本發(fā)明的完全理解，這些附圖被簡(jiǎn)化，以強(qiáng)調(diào)該元件；因此，當(dāng)將所示實(shí)施例轉(zhuǎn)化到實(shí)踐中時(shí)，將包含附圖中未示出的一些細(xì)節(jié)。
具體實(shí)施例方式
圖1為一燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的粗略示意圖。該發(fā)動(dòng)機(jī)主要包括一用以壓縮氣流的壓縮機(jī)A、一在其中將壓縮氣流與燃料混合的燃燒室B，所述燃料與所述壓縮氣流一起燃燒，從而產(chǎn)生高溫?zé)煹罋饬鳎摎饬麟S后在渦輪C中膨脹，從而提供可用動(dòng)力，以驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)A和可選負(fù)載如發(fā)電機(jī)D。壓縮機(jī)A和渦輪C包括布置在多級(jí)靜態(tài)葉柵和動(dòng)態(tài)葉柵中的翼片。特別地，第一渦輪級(jí)的翼片在工作中要承受高熱負(fù)載，并需要冷卻。
由于本領(lǐng)域的技術(shù)人員可很容易地理解本發(fā)明可應(yīng)用于燃燒室的被涂覆元件以及與燃?xì)廨啓C(jī)完全不同領(lǐng)域的不同復(fù)合元件上，下文將以冷卻渦輪翼片的制造為例詳細(xì)討論本發(fā)明，但這并不限制權(quán)利要求書(shū)的范圍。
作為需要組合加工的復(fù)合元件的典型示例，圖2示出了一渦輪翼片1的示例，其中該渦輪翼片1應(yīng)用于圖1所示的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪C中。該翼片通常包括一中空鑄造金屬構(gòu)件，該構(gòu)件具有冷卻空氣通道3和位于后緣處的冷卻空氣狹縫4。冷卻空氣通道3和冷卻空氣狹縫4通常在鑄造過(guò)程中生產(chǎn)，且即使需要，也只需很少的加工。該金屬構(gòu)件可以由尤其是鎳基合金、如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所熟知的因科內(nèi)爾(Inconel)或者M(jìn)arM組成，并可經(jīng)單一結(jié)晶或者定向凝固過(guò)程鑄造而成。因此，該金屬構(gòu)件具有非常復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)和高的機(jī)械抗力。因此，利用切削技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步加工幾乎是不切實(shí)際的。另外，對(duì)此類(lèi)高阻抗材料的切削技術(shù)(甚至更大范圍的激光切削技術(shù))將會(huì)導(dǎo)致局部熱沖擊，并因此對(duì)金屬微觀結(jié)構(gòu)帶來(lái)很不希望的改變。因此，電加工技術(shù)如放電加工EDM和電化學(xué)加工ECM都是對(duì)將受到高溫作用的金屬渦輪翼片進(jìn)一步加工的可選方法。另一方面，經(jīng)受高溫輻射的該類(lèi)金屬渦輪翼片通常涂覆一熱障涂層TBC 5，其通常包括耐高溫陶瓷如氧化鋯ZrO2和氧化鋁Al2O3。在附圖中，該涂層通常具有1毫米的幾十分之一到幾毫米的厚度，為了看得更清楚，該厚度相對(duì)于金屬構(gòu)件被放大。冷卻空氣通道3在實(shí)踐中為實(shí)際上借助工具不可接近的彎曲空腔，且非導(dǎo)電陶瓷涂層5阻止電加工工具接近翼片的導(dǎo)電金屬部2。不用說(shuō)，非導(dǎo)電涂層不能通過(guò)電加工過(guò)程進(jìn)行加工。如圖2所示的渦輪翼片通常需要多個(gè)如虛線6所示的冷卻氣孔，該冷卻氣孔使冷卻空氣從冷卻空氣通道3流至翼片的外表面，從而防止熱的渦輪工作流體直接接觸翼片，并顯著降低翼片在渦輪操作過(guò)程中的熱負(fù)載。多數(shù)冷卻孔不能以合理的成本按照所要求的精度進(jìn)行鑄造，因此就需要采用高精確度的加工過(guò)程。
圖3為圖2所示細(xì)節(jié)III的視圖。將被加工的冷卻氣孔的輪廓以虛線7示出。雖然在該實(shí)施例中，該冷卻氣孔在金屬導(dǎo)電部2中呈圓柱形，但這并非構(gòu)成一種限制。在非導(dǎo)電部5中將加工一扇形輪廓。由孔的中心線6限定的平均入射角以Ψ表示；最小和最大入射角分別以Ψ最小以及Ψ最大表示。可以理解，開(kāi)口角度可以相對(duì)于中心線6不對(duì)稱，還可以在不同的方向上變化。在采用傳統(tǒng)的激光鉆方法時(shí)，必須用一激光束燒穿涂層5。工作區(qū)域中的激光束的直徑將等于將要加工的圓形橫截面孔的直徑。很顯然，被加工孔的幾何尺寸便被局限為圓形橫截面，或者當(dāng)投影在元件表面上時(shí)為橢圓形。另外，可以理解，使用該方法僅可以加工出對(duì)稱的圓錐形開(kāi)口，該開(kāi)口的角度大致等于激光束的會(huì)聚角。還可以理解，使用該方法時(shí)，相當(dāng)多的熱會(huì)流入周?chē)牧?，另外激光鉆將會(huì)不經(jīng)意地發(fā)生在下面的金屬基底的至少一部分上。由于這些影響，便會(huì)在金屬微觀結(jié)構(gòu)中發(fā)生有害的局部結(jié)構(gòu)變化，且大大削弱元件的導(dǎo)電部分和非導(dǎo)電部分之間的結(jié)合，從而產(chǎn)生一激光嚴(yán)重?fù)p壞的部位。實(shí)踐進(jìn)一步表明，在使用傳統(tǒng)激光鉆技術(shù)時(shí)，必須接受相當(dāng)大的誤差。通常所制造的冷卻氣孔的冷卻空氣流量的誤差被確定為高達(dá)平均值的±10％。
現(xiàn)在，根據(jù)本發(fā)明，采用了一發(fā)射激光束9的激光器8。該激光束通過(guò)一個(gè)在此由凸透鏡10代表的準(zhǔn)直系統(tǒng)進(jìn)行聚焦。應(yīng)當(dāng)理解，實(shí)踐中使用的光學(xué)系統(tǒng)將更復(fù)雜，而且優(yōu)選使用反射鏡光學(xué)器件，因?yàn)樗鼈儾粫?huì)產(chǎn)生任何傳輸損失。一偏轉(zhuǎn)組件如鏡子11被用來(lái)限定激光束的方向。該鏡子可以沿箭頭12所示橫向移動(dòng)，并可如箭頭13所示進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。光學(xué)元件和工件的布置被選擇為使激光束焦點(diǎn)14靠近非導(dǎo)電部的表面，并優(yōu)選位于非導(dǎo)電部5的內(nèi)部。關(guān)于偏轉(zhuǎn)組件以及整個(gè)光學(xué)配置，可以理解的是，所示裝置被大大簡(jiǎn)化，以闡明其基本功能。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，包括多個(gè)可移動(dòng)鏡子的裝置對(duì)焦點(diǎn)和/或激光束工作范圍可以進(jìn)行很好的位置控制。再者，也可使用其它偏轉(zhuǎn)裝置如棱鏡或在其端部具有聚焦光學(xué)器件的光纖，其并不改變本發(fā)明的范圍。還需要指出的是，可能移動(dòng)激光束、甚至將激光束沿預(yù)編程的路線移動(dòng)的激光系統(tǒng)可從雕刻激光系統(tǒng)中獲得。一實(shí)施例中使用的激光器為NdYAG(釹釔鋁石榴石，Y5Al5O12)激光器；但是，應(yīng)該理解的是，也可以使用其它可替換類(lèi)型的激光器。激光器的功率取決于所加工的非導(dǎo)電涂層的性能。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，速度和造價(jià)也是有關(guān)的考慮因素。額定功率在35W和400W之間、激光強(qiáng)度超過(guò)2·108W/cm2的激光器非常適合于大多數(shù)應(yīng)用。另外，還需要指出，在一優(yōu)選實(shí)施例，激光操作可通過(guò)控制裝置15被優(yōu)選在3kHz-50kHz的范圍內(nèi)脈沖調(diào)制。如果激光器8為Q轉(zhuǎn)換激光器則是比較有利的。光學(xué)組件被選擇，以獲得一非常窄小的焦點(diǎn)。這樣，如果焦點(diǎn)非常靠近所加工材料的表面，激光束的加工直徑便會(huì)很小。如上所述，本發(fā)明的要點(diǎn)在于加工直徑基本小于所加工的幾何尺寸。因此，在加工量級(jí)為0.5mm直徑的開(kāi)口時(shí)，便可以使用10μm-30μm直徑的加工激光束。在使用(窄角度)深照型聚焦系統(tǒng)、即使用高聚焦長(zhǎng)度的準(zhǔn)直光學(xué)器件時(shí)，激光束的可用部分可相對(duì)較大，例如為10mm。
已經(jīng)確定的是，在激光鉆技術(shù)的應(yīng)用中，由于激光束的反射當(dāng)角度變小時(shí)，最小入射角Ψ最小被限制為大約21度。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在采用本發(fā)明的方法中，激光加工可在低于20度、甚至為12度、在一優(yōu)選實(shí)施例中為15度的角度Ψ下進(jìn)行。
圖4為沿入射激光束的方向看到的圖3所示細(xì)節(jié)的俯視圖。為加工一圓形輪廓，如上所述，具有明顯小于待加工輪廓的的直徑DL的激光束9例如在非導(dǎo)電部5的表面上以一組平行軌跡17導(dǎo)引，如圖4a和4b所示。激光束的軌跡可以完全如圖4a所示處于將被去除的輪廓之內(nèi)，其中，在整個(gè)加工步驟中，激光器連續(xù)或者脈動(dòng)地工作；或者是，掃描區(qū)域大于幾何形狀，激光器以超出加工范圍以外的方式操作，且激光束位于將被去除的輪廓之外，如圖4b虛線所示的激光束軌跡。如圖4c所示，對(duì)于適當(dāng)輪廓，也可運(yùn)用激光束的螺旋形或者類(lèi)螺旋形運(yùn)動(dòng)。另外，如圖4d所示，也可采用圓形臺(tái)階或者橢圓形臺(tái)階掃描模式?？梢圆捎昧硪惶着c第一套軌跡成一定角度的軌跡，例如基本垂直于第一套軌跡。用于雕刻和標(biāo)記的激光組件可商業(yè)購(gòu)得，其中激光束的路徑已經(jīng)被很容易地為多種輪廓編程設(shè)計(jì)，這種組件可以有利地用于所提出的方法中。激光束和/或工件還可以旋轉(zhuǎn)至不同的傾斜角度，從而可以加工任意形式的三維形狀，例如圖3所示的圓錐形幾何形狀，其中在激光加工中，入射角從Ψ最小到Ψ最大變化。加工深度例如可通過(guò)一錐光偏振探測(cè)器(干涉探測(cè)器)連續(xù)監(jiān)控。
圖5示出了激光加工步驟之后的圖3的細(xì)節(jié)。已在非導(dǎo)電涂層上制造出開(kāi)口18，從而暴露出導(dǎo)電部2，以為一電加工工具19提供通路，隨后可以進(jìn)行電加工步驟。
參照?qǐng)D6，加工過(guò)程已完成。非導(dǎo)電部5中的激光加工開(kāi)口18和導(dǎo)電部中的電加工開(kāi)口20形成一冷卻氣孔。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，采用本發(fā)明的方法可以大大提高所加工的冷卻氣孔的精度，且冷卻空氣的質(zhì)量流量的變化可以低至±1％。
圖7示出了冷卻元件表面上的扇形冷卻空氣出口。圖7a示出了該開(kāi)口的俯視圖，圖7b示出了截面圖。在工作中，冷卻空氣通過(guò)在導(dǎo)電部2中電加工出的孔20供給。出口20的輪廓通過(guò)激光加工在非導(dǎo)電部2中形成。開(kāi)口16的輪廓為梯形。這些輪廓在燃?xì)鉁u輪翼片中廣泛應(yīng)用。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解的是，所示的幾何形狀不能通過(guò)如上所述的常規(guī)激光鉆技術(shù)制造，但可采用根據(jù)本發(fā)明的方法很容易地得到，其中，借助于小的激光束，幾乎可以制造任意輪廓，而且，在激光加工中，通過(guò)改變激光束入射角，還可以很容易地改變截面輪廓。
即使如圖8所示的幾何形狀(其中非導(dǎo)電部中的開(kāi)口18向著表面漸縮)也可以通過(guò)從非導(dǎo)電部進(jìn)入的工具很容易地制造。
在實(shí)施本發(fā)明的一可替換模式中，在將非導(dǎo)電部連接到導(dǎo)電部2上之前，通過(guò)激光器對(duì)非導(dǎo)電部5進(jìn)行加工。在此情況下，確保非導(dǎo)電部5和導(dǎo)電部2的相對(duì)正確定位很重要，以確保在電加工過(guò)程中從導(dǎo)電部2上完全去除所希望的材料。這種定位可以通過(guò)該器械中的掃描和定位部件執(zhí)行。類(lèi)似地，可以在將導(dǎo)電部2連接到非導(dǎo)電部5上之前對(duì)導(dǎo)電部2進(jìn)行加工。
在實(shí)施本發(fā)明的另一可替換模式中，非導(dǎo)電部5和導(dǎo)電部2可以獨(dú)立但同時(shí)加工?？梢杂脙煞N不同的器械進(jìn)行該加工。
但是，也可以在一單一器械上同時(shí)進(jìn)行加工，該器械同時(shí)具有一激光器和一電加工裝置。再者，加工時(shí)，層2和層3的相對(duì)正確定位很重要，以確保兩部分上的孔完全對(duì)齊。
雖然已經(jīng)詳細(xì)描述了燃?xì)鉁u輪翼片的加工方法，但很顯然，該方法還可以用于加工其它熱負(fù)載發(fā)動(dòng)機(jī)元件、如燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒室壁構(gòu)件中的冷卻氣孔。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，顯而易見(jiàn)的是，該方法可以方便地用于加工其它復(fù)合元件或者涂覆元件，因而該非導(dǎo)電層并不限于熱障涂層，還可以用于防磨損、減少摩擦、抗化學(xué)腐蝕等，并可以為包含上述涂層的任意適當(dāng)組合的任何復(fù)合層。
附圖標(biāo)記列表1 復(fù)合元件
2 導(dǎo)電部，基底3 空腔，冷卻空氣通道4 冷卻空氣狹縫5 非導(dǎo)電部，保護(hù)層6 冷卻空氣孔的軸線7 冷卻空氣孔的輪廓8 激光器9 激光束10 準(zhǔn)直光學(xué)器件11 偏轉(zhuǎn)組件12 橫向移動(dòng)13 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)14 激光束焦點(diǎn)15 控制裝置16 輪廓17 激光束在工件表面上的軌跡，掃描軌跡18 激光加工開(kāi)口19 電加工工具20 電加工開(kāi)口A 壓縮機(jī)B 燃燒室C 渦輪D 發(fā)電機(jī)Ψ 入射角
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合元件(1)的制造方法，所述元件包括一非導(dǎo)電部(5)和一導(dǎo)電部(2)，并具有至少一個(gè)明確定義的加工幾何形狀(18、20)，其中該非導(dǎo)電部經(jīng)激光器加工，該導(dǎo)電部經(jīng)電加工，所述方法包括以下步驟使用一具有焦點(diǎn)直徑(DL)的聚焦激光器設(shè)備，該焦點(diǎn)直徑(DL)基本上小于所要加工的幾何形狀；將激光器(9)置于該非導(dǎo)電部的表面上，以使該表面上的激光束直徑(DL)基本上小于所要加工的幾何形狀；最好將該焦點(diǎn)主要置于該非導(dǎo)電部的表面上或內(nèi)部；使用該聚焦激光設(shè)備的激光束；沿一限定路徑(17)在該非導(dǎo)電部的表面上導(dǎo)引該激光束，從而在該非導(dǎo)電部(5)上刻出所需的幾何形狀(18)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括使用一可移動(dòng)偏轉(zhuǎn)組件(11)、特別是一鏡子組件以引導(dǎo)該激光束的步驟。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步依次包括以下步驟激光加工該非導(dǎo)電部(5)；以及將該激光加工的非導(dǎo)電部連接在該導(dǎo)電部(2)上。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括在將該導(dǎo)電部(2)連接到該非導(dǎo)電部(5)上之前電加工該導(dǎo)電部(2)的步驟。
5.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步依次包括以下步驟將該非導(dǎo)電部(5)和該導(dǎo)電部(2)連接在一起；以及激光加工該連接到導(dǎo)電部上的非導(dǎo)電部。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括在將該非導(dǎo)電部(5)連接到該導(dǎo)電部(2)上之前電加工該導(dǎo)電部(2)的步驟。
7.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，在該激光加工步驟之前，進(jìn)一步依次包括以下步驟用一導(dǎo)電基底(2)作為該導(dǎo)電部；在該導(dǎo)電基底的至少一部分表面上產(chǎn)生一非導(dǎo)電涂層(5)，以形成該非導(dǎo)電部。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括在該涂覆步驟之前電加工該導(dǎo)電基底(2)的步驟。
9.如權(quán)利要求1、2、3、5或7所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括以下步驟對(duì)該非導(dǎo)電部(5)進(jìn)行激光加工；一旦完成該激光加工，便暴露出該導(dǎo)電部；使一電加工工具(19)穿過(guò)該非導(dǎo)電部上的激光加工開(kāi)口(18)接近該導(dǎo)電部；在該導(dǎo)電部上進(jìn)行激光加工。
10.如上述任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括使用放電加工過(guò)程或者電化學(xué)加工過(guò)程作為該電加工過(guò)程的步驟。
11.如上述任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，包括在該非導(dǎo)電部上制造出非圓形橫截面開(kāi)口的步驟。
12.如上述任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括相對(duì)于該非導(dǎo)電部的表面至少旋轉(zhuǎn)激光束(9)和元件(1)中的至少一個(gè)以形成不同入射角(ψ)的步驟。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，包括在該非導(dǎo)電部上制造任意三維形狀的開(kāi)口的步驟。
14.如上述任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，包括相對(duì)于該非導(dǎo)電部的表面以小于20度的入射角(ψ)進(jìn)行該激光加工的步驟。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，包括相對(duì)于該非導(dǎo)電部表面以20度到12度之間的入射角(ψ)進(jìn)行該激光加工的步驟。
16.如上述任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，包括脈動(dòng)調(diào)制該激光束的步驟。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括以超過(guò)500Hz的頻率脈沖調(diào)制該激光束的步驟。
18.如權(quán)利要求16或17所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括使用一Q轉(zhuǎn)換激光器的步驟。
19.如上述任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，在不同的器械上進(jìn)行該電加工和激光加工。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，包括在該電加工過(guò)程和該激光加工過(guò)程之間將該元件從一第一加工器械移動(dòng)到一第二加工器械的步驟。
21.一種利用上述任一權(quán)利要求所述方法制造的復(fù)合元件。
22.如權(quán)利要求21所述的復(fù)合元件，其特征在于，該復(fù)合元件為渦輪機(jī)、特別是燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)(A、B、C)的元件。
23.如權(quán)利要求21或22所述的復(fù)合元件，其特征在于，該非導(dǎo)電部由熱障材料、耐磨材料或兩者構(gòu)成。
24.如權(quán)利要求21至23之一所述的復(fù)合元件，其特征在于，該非導(dǎo)電部由氧化鋯ZrO2和氧化鋁Al2O3中的一個(gè)構(gòu)成或由包括二者中的至少一個(gè)的復(fù)合層構(gòu)成。
25.如權(quán)利要求21至24之一所述的復(fù)合元件，其特征在于，一冷卻氣孔(18、20)、特別是薄膜冷卻氣孔利用根據(jù)上述權(quán)利要求1-20中任何一項(xiàng)所述的方法制成。
26.一種渦輪機(jī)，特別是燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)(A、B、C)，其包括權(quán)利要求21-25中任何一項(xiàng)所述的復(fù)合元件。
全文摘要
一種復(fù)合元件(1)，如渦輪翼片，其包括一導(dǎo)電部(2)和一非導(dǎo)電部(5)，例如熱障涂層、耐磨涂層或二者均有。在該元件的加工中，對(duì)該導(dǎo)電部采用激光加工步驟，對(duì)該非導(dǎo)電部采用電加工步驟。該激光加工步驟優(yōu)選通過(guò)一高頻脈沖調(diào)制激光器進(jìn)行。聚焦激光束的工作直徑(DL)基本上小于所要加工的輪廓(16)的尺寸。該輪廓由激光束(9)沿一預(yù)定軌跡(17)掃描，從而在該工件上刻出所需輪廓。
文檔編號(hào)B23K26/40GK1658995SQ03813619
公開(kāi)日2005年8月24日 申請(qǐng)日期2003年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月12日
發(fā)明者弗格斯·萊弗斯, 尤里·塞拉 申請(qǐng)人:阿爾斯通技術(shù)有限公司