用于通過使能量穿過多芯光纖傳播而在表面上形成三維錨固結(jié)構(gòu)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明的方面涉及用于暴露于高溫、諸如在燃燒渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)境中遇到的高溫 的組成部件的熱障涂層系統(tǒng)。更特別地，本發(fā)明的方面指向于牽涉到來自傳播穿過多芯光 纖的至少兩個(gè)激光束的激光輻照，其在表面上形成三維錨固結(jié)構(gòu)。這些錨固結(jié)構(gòu)提供了用 于被施加在表面上面的熱障涂層系統(tǒng)的增強(qiáng)的附著性。
【背景技術(shù)】
[0002] 已知的是，燃燒渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的效率隨著燃燒氣體燃燒溫度增加而提高。然而，隨著 燃燒溫度增加，渦輪機(jī)組成部件的高溫耐久性必須相應(yīng)地增加。雖然鎳基和鈷基超合金材 料可以被用于熱氣體流動(dòng)路徑中的組成部件、諸如燃燒器過渡零件和渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)葉片及固 定導(dǎo)葉，但即使這些超合金材料也不能挺過在有時(shí)超過1，400°C的溫度下的長(zhǎng)時(shí)期的操作。
[0003] 在很多應(yīng)用中，金屬基板(例如，組成部件的）或涂覆在金屬基板上的粘結(jié)涂層被 用陶瓷絕緣材料、諸如熱障涂層(TBC)涂覆，以降低金屬基板的操作溫度和金屬被暴露所至 的溫度瞬變的幅值。
[0004] TBC在降低渦輪機(jī)組成部件的操作溫度和實(shí)現(xiàn)渦輪機(jī)效率的提高上發(fā)揮著顯著作 用。顯然熱障涂層僅在涂層在基板表面上保持基本完整的時(shí)候保護(hù)基板。
[0005] 在操作期間，TBC和任何下層的粘結(jié)涂層經(jīng)受剝落和劣化。這樣的窘迫的原因可以 包含：因異物的高速?gòu)椀罌_擊引起的高物理應(yīng)力、不同的熱膨脹（即，在下層的超合金基板 與上覆的粘結(jié)涂層之間或者在粘結(jié)涂層與TBC之間）、材料缺陷和歸因于操作環(huán)境的材料性 質(zhì)的改變。這些情況中的任何一個(gè)都可以導(dǎo)致粘結(jié)涂層和/或TBC的損傷并且甚至從基板表 面的全部去除。傳統(tǒng)的修復(fù)工藝牽涉到將受損層（多個(gè))剝離并且重新涂覆基板，是耗時(shí)且 成本高的任務(wù)。
[0006] 已知的是，控制表面(諸如基板表面)的粗糙度參數(shù)以提高上覆的粘結(jié)層或熱障涂 層的附著性。美國(guó)專利號(hào)5,419,971描述了一種激光燒蝕工藝，其中通過直接蒸發(fā)(例如，在 沒有使材料熔化的情況下）進(jìn)行的材料的去除據(jù)稱用于在被輻照表面處形成三維特征。參 見第6欄第3行。這些特征限于形成在被輻照表面內(nèi)的圖案。這些激光燒蝕工藝未形成延伸 超越表面的結(jié)構(gòu)。因此需要可以提供有助于增強(qiáng)的附著性的改進(jìn)的結(jié)構(gòu)形成的工藝。
【附圖說明】
[0007] 鑒于附圖在以下描述中說明發(fā)明，附圖示出：
[0008] 圖1是依照本發(fā)明的方面的正用激光輻照被輻照的固體材料的截面圖。
[0009] 圖2是液化材料的示例性飛濺的等距視圖，該液化材料依照本發(fā)明的方面在材料 飛濺的凝固時(shí)在固體材料的表面上方形成三維錨固結(jié)構(gòu)。
[0010]圖3是在固體材料的表面上方形成的諸如波動(dòng)、波浪、指或鉤等的錨固結(jié)構(gòu)的非限 制性示例的部分截面圖。
[0011] 圖4是包含可以從體現(xiàn)本發(fā)明的方面的方法中獲益的熱障涂層系統(tǒng)的示例燃?xì)鉁u 輪機(jī)組成部件的部分截面圖。
[0012] 圖5是熱障涂層系統(tǒng)的部分截面圖，其中依照本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施例粘結(jié)涂層表 面可以經(jīng)受激光輻照。
【具體實(shí)施方式】
[0013] 依照本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，在這里公開了有助于三維錨固結(jié)構(gòu)(通常稱作 機(jī)械鉤、指或波浪)的在暴露于來自多芯激光光纖的激光輻照的表面上形成的結(jié)構(gòu)布置和/ 或技術(shù)。在一個(gè)應(yīng)用中，機(jī)械鉤提高了粘結(jié)涂層和TBC的在燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片和導(dǎo)葉上的附著 性，并且還可以延長(zhǎng)有效的TBC的持續(xù)時(shí)間。發(fā)明的技術(shù)可以在葉片和導(dǎo)葉的制造期間使用 并且也可以在修復(fù)期間使用。在任一情況中，葉片和導(dǎo)葉的操作壽命都被延長(zhǎng)。
[0014] 本發(fā)明的發(fā)明人提出了用以在基板的或粘結(jié)涂層的表面上形成三維錨固結(jié)構(gòu)的 來自多芯激光光纖的激光輻照的創(chuàng)新性利用。圖1的軸向截面圖中圖示出多芯同軸光纖4， 包括內(nèi)芯6和外環(huán)7。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，相對(duì)較高功率的激光在內(nèi)芯6中傳播并且相對(duì)較低功 率的激光在外環(huán)7中傳播。在離開光纖4時(shí)，兩個(gè)激光束都撞擊固體材料或基板14的表面12。
[0015] 在一個(gè)實(shí)施例中，傳播穿過外環(huán)7的外激光束20(脈沖的或連續(xù)的)包括如圖1中所 圖示的產(chǎn)生熔體16(也稱作液化床)的相對(duì)低功率密度相對(duì)大直徑的光束。當(dāng)光學(xué)組成部件 和基板14如箭頭18所指示彼此相對(duì)移動(dòng)時(shí)，在表面12上形成多個(gè)或者一系列的這樣的熔體 16。
[0016] 由內(nèi)芯6攜帶的內(nèi)部脈沖激光束24呈現(xiàn)相對(duì)高的功率密度和與外激光束20相比較 窄的光束直徑。內(nèi)部激光束24被聚焦到熔體16的至少一個(gè)區(qū)域上以在熔體16中創(chuàng)建擾動(dòng)。 例如，在熔體凝固之前用內(nèi)部激光束24照射熔體16以創(chuàng)建液化熔體材料的飛濺。該飛濺可 以形成在熔體16的外側(cè)和/或上方。當(dāng)飛濺凝固時(shí)，形成錨固表面特征或結(jié)構(gòu)30(例如，鉤 狀、錨狀或指狀結(jié)構(gòu)）。這些結(jié)構(gòu)用作錨固件，其機(jī)械上提高隨后施加的TBC或粘結(jié)涂層層在 基板14的表面12上的附著性。
[0017] -般情況下，熔體可以在直徑或?qū)挾壬显诖蠹s1mm至4mm的數(shù)量級(jí)上，其中飛濺和 錨固結(jié)構(gòu)以熔體直徑的大約1 〇 %至30 %在熔體的上方和外側(cè)延伸。
[0018] 這樣的多芯同軸激光光纖4和用于與本發(fā)明一起使用的相關(guān)聯(lián)的芯開關(guān)器件可從 各種激光器制造商、例如康涅狄格州法明頓的通快有限公司（Trumpf，Inc. of Farmington， CT)得到。這些多芯激光光纖已被用于交替的但不是同時(shí)的處理，諸如用傳播穿過100μπι直 徑的芯的激光來切割材料并接著用傳播穿過400μηι或600μηι直徑的環(huán)的激光來焊接材料。 [0019]圖2圖示出包括了在液化床16外側(cè)的三維鉤狀錨固結(jié)構(gòu)30的凝固的飛濺28。
[0020] 圖3圖示出具有與圖2的凝固的飛濺28不同的特征的凝固的飛濺34。特別地，飛濺 34除指狀錨固結(jié)構(gòu)30之外還包括波浪狀錨固結(jié)構(gòu)36。
[0021] 一般情況下鉤狀和指狀錨固結(jié)構(gòu)具有類似的結(jié)構(gòu)特征。波浪狀錨固結(jié)構(gòu)趨向于呈 現(xiàn)不一定提供與由鉤/指所給予的機(jī)械優(yōu)點(diǎn)相同的機(jī)械優(yōu)點(diǎn)的較平滑的表面特征。雖然波 浪增加了附著表面面積并且可以因此抵抗施加在TBC或粘結(jié)涂層上的一些橫向剪切力。但 歸因于更好的附著性質(zhì)，鉤/指典型地優(yōu)于波浪。
[0022] 波浪或鉤/指錨固結(jié)構(gòu)的形成一般情況下是施加至熔體的激光能量的量和定時(shí)的 函數(shù)。形成鉤/指一般情況下與形成波浪相比要求附加的能量。
[0023]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，外激光束20可以被可控地散焦或被功率控制成引起熔體16延伸 到基板或粘結(jié)涂層層內(nèi)僅到期望的深度、諸如大約〇.3mm的示例性深度。
[0024]內(nèi)部激光束24可以是具有用以在熔體16中形成破壞、諸如圖2的錨固結(jié)構(gòu)30或圖3 的波浪36的充分高功率密度的聚焦脈沖。破壞的形成可以歸因于熔體材料的局部閃蒸。 [0025]在一個(gè)非限制性實(shí)施例中，用于一般的寬面積熔化（即，用以通過外激光束20形成 熔體16)的典型的能量密度可以在從近似3kJ/cm 2至近似lOkJ/cm2的范圍內(nèi)。
[0026]為了破壞熔體16以創(chuàng)建鉤狀錨固結(jié)構(gòu)30,可以采用聚焦能量的脈沖。在一個(gè)非限 制性實(shí)施例中，這樣的脈沖可以包括具有激光燒蝕工藝的