專利名稱：去除熱阻涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來(lái)講涉及一種用來(lái)從金屬部件上去除熱阻涂層的方法，其特別涉及一種從燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件如燃燒室內(nèi)襯的冷卻孔去除熱阻陶瓷涂層的方法。
背景技術(shù)：
燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)(宇航發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī))在設(shè)計(jì)上應(yīng)使其鎳鈷超耐熱合金部件能夠在其熔點(diǎn)附近的溫度下操作。熱阻涂層(TBC)的重要功能就是對(duì)那些在高溫下工作的部件進(jìn)行熱絕緣。典型的渦輪部件有燃燒室(參見圖1中的燃燒室10)、導(dǎo)管、排氣嘴、渦輪葉片以及噴嘴導(dǎo)流片。TBC的特征是它們的導(dǎo)熱系數(shù)很低，在曝露于熱流中時(shí)，涂層的溫度梯度很大。
最通常的TBC材料是經(jīng)氧化釔穩(wěn)定處理的氧化鋯(YSZ)，其能阻抗高達(dá)1150℃熱沖擊和熱疲勞。通?？赏ㄟ^空氣等離子噴涂(APS)、低壓等離子噴涂(LPPS)或者是物理蒸氣沉積(PVD)工藝如電子束物理蒸氣沉積(EBPVD)沉積上一層陶瓷層。通常會(huì)在基材上預(yù)先涂上一層粘性層。該粘性涂層用來(lái)吸收金屬基材和陶瓷TBC因熱膨脹系數(shù)的不同而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，從而避免其在涂覆系統(tǒng)中繼續(xù)發(fā)展，同時(shí)還能防止氧化和侵蝕。典型的粘性涂層包括，但不限于，MCrAlY，其中M是Ni、Co、Fe或其混合物，或者是擴(kuò)散的氧化鋁或鉑鋁涂層。
人們一直希望能提高燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，由此就導(dǎo)致燃燒室以及渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部分的溫度不斷提高。為了補(bǔ)償所增加的這部分溫度，通常會(huì)在熱負(fù)荷很大時(shí)使用散流孔來(lái)冷卻。發(fā)動(dòng)機(jī)部件如附圖1所示的燃燒室10的冷卻用散流孔是由激光打孔而成的直徑很小(0.010到0.060英寸)的散流孔11，其角度和形式應(yīng)能將所需的冷卻空氣輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)部件。散熱孔冷卻系統(tǒng)通常與發(fā)動(dòng)機(jī)部件上的TBC涂層一起使用，其最大的好處就是能夠經(jīng)受很高的溫度梯度。降低金屬基材的溫度從而能夠延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)部件的壽命。此外，這些冷卻孔和TBC系統(tǒng)能夠減少金屬基材的溫度梯度從而減少熱疲勞的驅(qū)動(dòng)力。這些系統(tǒng)的好處是，部件的耐用性更好，燃?xì)鉁囟雀?，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和效率更高。
激光打孔技術(shù)(如Nd:YAG激光器)可用來(lái)在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫部分中沖擊加工出冷卻孔。這些部分優(yōu)選由熱阻涂層(TBC)保護(hù)。因此激光打孔技術(shù)需在部件的金屬基材和TBC中同時(shí)打出通孔才能加工出冷卻孔，然而在該加工過程中會(huì)出現(xiàn)由激光所形成的損害。在TBC與金屬粘性涂層和金屬基材的交界處會(huì)產(chǎn)生微結(jié)構(gòu)損害，從而導(dǎo)致TBC脫膠以及陶瓷絕熱涂層的損壞(散裂)，這一點(diǎn)對(duì)于金屬基材來(lái)說(shuō)是有害的，因?yàn)檫@么高的熱負(fù)荷會(huì)對(duì)部件的耐用性和使用壽命產(chǎn)生不利影響。
現(xiàn)在已開發(fā)出各種技術(shù)來(lái)在加工和維修的過程中將熱阻涂層從部件去除下來(lái)。專利文獻(xiàn)US6004620、EP1340587A2以及US6620457B2均公開了一種帶或不帶(研磨或非研磨)微粒介質(zhì)的噴水系統(tǒng)，其中用到一個(gè)包含液體的射流，該射流在5000磅/平方英寸到50000磅/平方英寸的高流體壓力下工作從而將沉積的熱阻涂層去掉。該噴水方法在5000磅/平方英寸下工作一個(gè)循環(huán)只會(huì)給涂層下面的基材產(chǎn)生“最小限度的”磨損和侵蝕。增加循環(huán)和/或提高壓力則會(huì)增加磨損和侵蝕。

發(fā)明內(nèi)容
簡(jiǎn)單地講，本發(fā)明提供了一種方法，其采用一種包含有非研磨微粒介質(zhì)的空氣射流，該噴嘴在低壓下工作能夠有選擇地將熱阻涂層從部件上去掉，而不會(huì)損壞到金屬基材。本方法有選擇地將熱阻涂層從部件的冷卻孔上去掉。


圖1所示為用來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的裝置的側(cè)示圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供一種方法，其采用一種包含有非研磨微粒介質(zhì)的低壓的僅有空氣的射流，其能有效地去掉沉積的熱阻涂層，而不會(huì)磨損侵蝕到下面的金屬基材，這是因?yàn)榭諝獾膲毫艿筒⑶覜]有研磨介質(zhì)。本方法可用來(lái)對(duì)部件進(jìn)行無(wú)數(shù)次操作，而不會(huì)產(chǎn)生明顯的磨損和侵蝕。
本方法采用非研磨微粒介質(zhì)，其優(yōu)選為干燥的球形介質(zhì)，其在控制的低壓空氣流下能夠有效地磨削去除熱阻涂層，而不會(huì)影響到部件的金屬基體。本方法能夠有效地去除某些部件上TBC涂層，這些部件包括但不限于，散流空氣冷卻孔以及空氣冷卻孔，同時(shí)也能去除那些其上不需要或者是不想有TBC的部件上的TBC涂層。
本方法能用激光打孔工藝(如果需要的話)來(lái)加工或修理部件，從而在應(yīng)用或恢復(fù)熱阻涂層之前形成或恢復(fù)空氣冷卻孔。本方法的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)在于其能在進(jìn)行所需的激光打孔之后加上熱阻涂層，從而消除激光對(duì)TBC的損壞(散裂)以及激光對(duì)部件金屬基體的熱損壞或損傷，這些損壞會(huì)影響到部件的耐用性和使用壽命。
本方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是通過對(duì)粗糙邊緣或銳利邊緣的平滑和圓角處理能夠提高空氣冷卻孔內(nèi)壁和邊緣的表面性能，從而明顯地提高空氣冷卻孔的氣流特性。燃燒室室壁的氣流測(cè)試表明這種處理之后，空氣的質(zhì)量流量增加了14.6％。在激光打孔并清理毛刺之后燃燒室內(nèi)襯壁的氣流測(cè)試結(jié)果表明其質(zhì)量流量為0.333093LBM/S(磅/每秒質(zhì)量流量)，而同一內(nèi)壁在加上TBC并使用本處理之后的氣流測(cè)試結(jié)果表明其質(zhì)量流量為0.382348LBM/S。
該方法可用附圖1所示的干空氣噴射系統(tǒng)1，其包括但不限于一殼體(圖中未示出)、輪盤2、多個(gè)空氣噴嘴3、一個(gè)干空氣供應(yīng)壓力容器和介質(zhì)處理單元4、一個(gè)用來(lái)使空氣噴嘴移動(dòng)的機(jī)構(gòu)5、一個(gè)介質(zhì)處理/回收單元以便進(jìn)行過濾和球形顆粒分離(圖中未示出)以及一個(gè)可編程控制器(圖中未示出)。該干空氣噴射系統(tǒng)裝置采用一個(gè)介質(zhì)回收單元，從而在處理過程中提供連續(xù)地介質(zhì)過濾和球形顆粒分離，由此保持該方法的效率并在空氣冷卻孔的孔中以及孔的附近產(chǎn)生最佳的表面性能，這一點(diǎn)是我們希望的，由此能提高空氣冷卻孔的排氣系數(shù)。
本方法采用一種只有空氣的輸送系統(tǒng)，其在低壓下工作，該壓力優(yōu)選在約20磅/平方英寸(PSIG)到約100PSIG之間，從而使中間的非研磨性微粒介質(zhì)流流到工作區(qū)域從而切掉并去掉沉積的熱阻涂層，而不會(huì)影響到部件的金屬基體表面。優(yōu)選的非研磨性介質(zhì)是其中直徑在約0.002到0.010英寸(約0.05到0.25毫米)的顆粒至少占70％，優(yōu)選為至少占95％的球形介質(zhì)。直徑大約為0.003英寸的球形玻璃介質(zhì)可用作非研磨介質(zhì)。
由于部件不斷變化的幾何結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)，干空氣噴射系統(tǒng)的噴嘴可以以任易的一種方式來(lái)進(jìn)行連接從而達(dá)到所需的位置將中間流的球形介質(zhì)輸送到工作區(qū)域，從而以不斷變化的沖角從部件上切下并去掉沉積的熱阻涂層，其中的部件包括但不限于空氣冷卻孔的內(nèi)壁、邊緣和表面。也可根據(jù)需要采用人工干空氣噴射噴嘴來(lái)完成該處理。在將TBC從冷卻孔去掉的過程中，空氣射流可指向冷卻孔并對(duì)著帶有熱阻涂層表面的相反面，如在圖1所示的燃燒室10的外表面12具有TBC涂層時(shí)，空氣射流應(yīng)從內(nèi)表面對(duì)著冷卻孔。除了將TBC從冷卻孔去除之外，空氣射流還要與冷卻孔同軸對(duì)齊(即，基本上與冷卻孔處于同一角度)。
本發(fā)明可用于加工或維修過程中涂有熱阻層的部件。為了加工新的部件，可在其它所有操作都進(jìn)行完之后再涂上TBC，這包括在激光打孔和加工之后。由于涂上TBC的操作可作為本發(fā)明的最后加工操作之一，因此加到部件上的TBC的質(zhì)量和整體性就能得到保證，并且其與TBC涂覆中與部件一起正常加工出來(lái)的測(cè)試樣件具有相同的質(zhì)量水平和特性。在部件的加工過程中，該方法可根據(jù)需要去除TBC從而實(shí)現(xiàn)部件加工所需的調(diào)整和/或維修。為了對(duì)部件進(jìn)行維修，本方法可用來(lái)仔細(xì)地去除TBC從而準(zhǔn)備出該部件以便檢測(cè)和維修。在維修操作完成之后，這包括但不限于焊接、碾磨、熱處理以及激光打孔和加工之后，可重新涂上TBC，并且本方法可根據(jù)需要去除不想要的任何TBC。
這種只有空氣的低壓介質(zhì)球沖孔方法可以是一種可控的系統(tǒng)，其在大多數(shù)去除TBC的應(yīng)用中均采用大約20PSIG到100PSIG低空氣壓力下工作的直徑非常小(在0.003英寸的直徑范圍內(nèi))的球形介質(zhì)。某些去除TBC的應(yīng)用可能要求處理參數(shù)和/或介質(zhì)能在本發(fā)明的保護(hù)范圍進(jìn)行變化。本方法沒有什么攻擊性，其不會(huì)對(duì)金屬基體產(chǎn)生磨損或侵蝕，并且其非常經(jīng)濟(jì)并且處理的結(jié)果具有一致性。在采用本發(fā)明之后，冷卻孔的氣流測(cè)試也表明部件的氣流特性有明顯地改進(jìn)。
實(shí)例噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部分燃燒室(其由鎳或鈷基的超耐熱合金材料制造)在制造時(shí)由激光沖孔制有空氣冷卻孔。該部分的燃?xì)馔?高溫側(cè))的表面首先是涂上一層金屬粘接層，其主要是鎳并包含有鉻、鋁以及氧化釔(或者是另一種反應(yīng)元素)。該金屬粘接層通過等離子噴涂工藝噴涂成一定的厚度，該厚度通常約為0.005到0.008英寸(大約為0.13到0.020mm)。在噴涂上粘接層后，空氣冷卻孔采用激光打孔工藝制造并生成所需的入射角從而實(shí)現(xiàn)部件所需的空氣冷卻特性。在激光打孔后，對(duì)部件進(jìn)行清洗從而去掉激光熔渣或者是激光打孔過程中產(chǎn)生的廢料。在激光打孔和清洗之后，可通過等離子噴涂工藝噴涂形成大約0.001到0.003英寸厚的粘接涂層，該粘接涂層可選擇同種材料。然后是通過等離子噴涂工藝噴涂形成陶瓷頂層，該陶瓷頂層主要是由6％到8％氧化釔穩(wěn)定處理的氧化鋯，其厚度大約為0.005到0.020英寸(大約為0.13到0.50mm)。在噴涂陶瓷頂層的過程中，該部件的空氣冷卻孔會(huì)被熱阻涂層(陶瓷頂層)部分堵塞從而限制了冷卻空氣流。
圖1中所示的一種型號(hào)為Model RSSA-8的Guyson干空氣噴射系統(tǒng)用來(lái)提供一種干空氣射流，其工作壓力為40到60PSIG，所采用的是直徑為0.003英寸的球形玻璃介質(zhì)(至少70％的球形顆粒的直徑為0.003英寸)。該干空氣射流基本上以空氣冷卻孔相同的入射角朝向部件(與涂有熱阻層的表面相反)的金屬表面?zhèn)?非涂覆側(cè))從而將經(jīng)沉積限制了空氣流的熱阻涂層去掉。
沉積的熱阻涂層從空氣冷卻孔被完全去除從而給部件提供所需的冷卻空氣流。此外，該空氣冷卻孔的表面和邊緣經(jīng)修整(光滑及圓整處理)能使空氣冷卻孔的排氣系數(shù)提高從而使空氣流的質(zhì)量流量大約提高15％。
權(quán)利要求
1.一種用來(lái)從一部件的金屬基體表面去除熱阻陶瓷涂層的方法，其包含使一空氣射流對(duì)著該部件基體表面的熱阻涂層，該射流內(nèi)含非研磨顆粒介質(zhì)并以低壓從一噴嘴噴出，其中的低壓應(yīng)不足以損壞基體的表面，但應(yīng)足以去除熱阻陶瓷涂層。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中空氣射流的壓力大約為20PSIG到100PSIG。
3.如權(quán)利要求2的方法，其中的介質(zhì)基本為球形。
4.如權(quán)利要求3的方法，其中的球形介質(zhì)顆粒的直徑大約為0.002到0.010英寸。
5.如權(quán)利要求4的方法，其中的介質(zhì)為玻璃珠。
6.如權(quán)利要求1的方法，其中的部件為一渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件。
7.如權(quán)利要求6的方法，其中的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件為一燃燒室。
8.一種用來(lái)從金屬渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件的冷卻孔去除熱阻陶瓷涂層的方法，其包含使一空氣射流對(duì)著該部件的冷卻孔，該射流內(nèi)含非研磨顆粒介質(zhì)并以低壓從一噴嘴噴出，其中的低壓應(yīng)不足以損壞冷卻孔的金屬表面，但足以去除熱阻陶瓷涂層。
9.如權(quán)利要求8的方法，其中空氣射流的壓力大約為20PSIG到100PSIG。
10.如權(quán)利要求9的方法，其中的介質(zhì)基本為球形。
11.如權(quán)利要求10的方法，其中的球形介質(zhì)顆粒的直徑大約為0.002到0.010英寸。
12.如權(quán)利要求11的方法，其中的介質(zhì)為玻璃珠。
13.如權(quán)利要求12的方法，其中的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件為一燃燒室。
14.如權(quán)利要求8的方法，其中的空氣射流指向冷卻孔并對(duì)著帶有熱阻涂層表面的相反面。
15.如權(quán)利要求9的方法，其中的空氣射流基本上以冷卻孔的角度指向冷卻孔。
16.如權(quán)利要求8的方法，其中的空氣射流包繞冷卻孔的金屬邊緣。
17.如權(quán)利要求8的方法，其中的冷卻孔采用一種激光打孔工藝在渦輪部件上打出。
18.一種用來(lái)在其上涂覆有熱阻涂層的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件上形成冷卻孔的方法，其包含在該部件上打出冷卻孔；給這個(gè)包含有冷卻孔的部件表面涂上一層熱阻陶瓷涂層；以及使一空氣射流對(duì)著該部件的冷卻孔，該射流內(nèi)含非研磨顆粒介質(zhì)并以低壓從一噴嘴噴出，其中的低壓應(yīng)不足以損壞冷卻孔的金屬表面，但足以去除熱阻涂層。
19.如權(quán)利要求18的方法，其中空氣射流的壓力大約為20PSIG到100PSIG。
20.如權(quán)利要求19的方法，其中的介質(zhì)基本為球形。
21.如權(quán)利要求20的方法，其中的球形介質(zhì)顆粒的直徑大約為0.002到0.010英寸。
22.如權(quán)利要求21的方法，其中的介質(zhì)為玻璃珠。
23.如權(quán)利要求22的方法，其中的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件為一燃燒室。
24.如權(quán)利要求16的方法，其中的空氣射流指向冷卻孔并對(duì)著帶有熱阻涂層表面的相反面。
25.如權(quán)利要求18的方法，其中的空氣射流基本上以冷卻孔的角度指向冷卻孔。
26.如權(quán)利要求18的方法，其中的空氣射流包繞冷卻孔的金屬邊緣。
27.如權(quán)利要求18的方法，其中的冷卻孔采用一種激光打孔工藝在渦輪部件上打出。
全文摘要
簡(jiǎn)單地講，本發(fā)明提供了一種方法，其采用一種包含有非研磨微粒介質(zhì)的空氣射流，該射流在低壓下工作能夠有選擇地將熱阻涂層從部件上去掉，而不會(huì)損壞到金屬基材。本方法有選擇地將熱阻涂層從部件的冷卻孔上去掉。
文檔編號(hào)B23P6/00GK1894071SQ200480037430
公開日2007年1月10日 申請(qǐng)日期2004年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月15日
發(fā)明者蓋伊·林·漢利 申請(qǐng)人:渦輪燃燒科技有限公司