用于hvof噴涂工藝的裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于高速氧氣燃料(HVOF)熱噴涂工藝的裝置(1)，其用于對(duì)構(gòu)件，尤其燃?xì)鉁u輪構(gòu)件進(jìn)行涂覆。該裝置(1)包括燃燒液體燃料的燃燒室(2)、德拉瓦爾區(qū)段(4)、具有粉末注入器(8)的粉末注入器模塊(9)和噴管(7)，它們?nèi)繃@并沿著軸線(A)而進(jìn)行設(shè)置。粉末注入器模塊(9)包括以相等的周向距離圍繞軸線(A)而設(shè)置的至少四個(gè)粉末注入器(8)，以及位于粉末注入器模塊(9)內(nèi)部的可更換的熱氣區(qū)段插件(10)，該熱氣區(qū)段插件設(shè)計(jì)為圓柱形的襯套，具有至少四個(gè)開(kāi)口(11)，所述開(kāi)口(11)以相等的周向距離圍繞軸線(A)而設(shè)置于圓柱體中，其中襯套(10)通過(guò)穿過(guò)所述開(kāi)口(11)的至少四個(gè)粉末注入器(8)而進(jìn)行固定。
【專利說(shuō)明】
用于HVOF噴涂工藝的裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及對(duì)構(gòu)件，尤其用作燃?xì)鉁u輪中的熱氣部件的金屬構(gòu)件進(jìn)行涂覆的技術(shù)。其涉及根據(jù)權(quán)利要求1的序言所述的一種用于高速氧氣燃料(HVOF)熱噴涂工藝的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]用于發(fā)電的燃?xì)鉁u輪(GT)的使用在其工作模式上可能是非常不同的。GT可能要么用于在長(zhǎng)時(shí)間周期內(nèi)產(chǎn)生恒定數(shù)量的電力，所謂“基本加載器”，或者它們可用于平衡相當(dāng)恒定的能源(核能、GT基本加載器等等)的電力生產(chǎn)之間的差異，其中由于非恒定的可再生能量的增長(zhǎng)量和由于非恒定的電力需求而增加了變化。第二類型的GT是所謂的“循環(huán)/峰化
O
[0003]在GT的壽命內(nèi)，“加載器”變成“峰化器”是可能的。對(duì)于渦輪中的構(gòu)件和尤其遭遇極端溫度條件的構(gòu)件而言，這種在工作條件上的變化導(dǎo)致了誘導(dǎo)和抑制模式的差異(即邊界條件)。在“加載器”的情況下，它們將需要更大的抗蠕變和氧化能力，并且在“峰化器”的情況下，那些構(gòu)件將需要更好的抗循環(huán)能力。
[0004]此外，對(duì)于各個(gè)構(gòu)件，且局部地在構(gòu)件上，邊界條件是不同的。某些區(qū)域更傾斜于疲勞，并且某些其它區(qū)域傾向于蠕變、氧化/腐蝕、侵蝕等等。所有那些屬性極強(qiáng)地依賴于通常用于使構(gòu)件適應(yīng)于實(shí)際的操作邊界條件的涂層。為了響應(yīng)所需屬性的變化，因此能夠產(chǎn)生具有靈活且單獨(dú)定制屬性的涂層受到強(qiáng)烈的關(guān)注。
[0005]本申請(qǐng)的
【申請(qǐng)人】已經(jīng)提交了迄今為止仍未公布的歐洲專利申請(qǐng)(申請(qǐng)?zhí)?13160051)。其描述了一種通過(guò)為每種單獨(dú)粉末使用至少兩個(gè)單獨(dú)的粉末進(jìn)料器而用于將涂覆系統(tǒng)應(yīng)用到渦輪機(jī)構(gòu)件上的方法，粉末可能為均勻的成分或同時(shí)噴涂的柔性的復(fù)合粉末，其中每種粉末的比率可通過(guò)改變進(jìn)料速率而在線變化。
[0006]用于燃?xì)鉁u輪構(gòu)件的保護(hù)性金屬涂層，例如MCrAlY類型(M=Fe、N1、Co或其組合)的保護(hù)性金屬涂層通過(guò)熱噴涂進(jìn)行應(yīng)用，而HVOF噴涂工藝是用于該目的的最經(jīng)常使用的其中一種技術(shù)。
[0007]已知的現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)是，HVOF系統(tǒng)涉及氣體燃料或液體燃料。液體燃料推進(jìn)的HVOF系統(tǒng)具有同其氣體燃料推進(jìn)的配對(duì)物相比，它們會(huì)產(chǎn)生更緊密涂層的優(yōu)點(diǎn)。因此液體燃料推進(jìn)的HVOF系統(tǒng)更具有技術(shù)關(guān)注度。
[0008]在圖1中示意性地示出了典型的HVOF系統(tǒng)。系統(tǒng)I包括燃燒室2，其中燃料3和氧氣4被輸送進(jìn)去并燃燒成復(fù)雜的氣體混合物5。然后這種混合物5被迫穿過(guò)噴嘴6(德拉瓦爾(de-Laval) 區(qū)段 )，噴嘴 6 使氣體混合物 5 在噴管 7 中加速至超聲速。用于涂層的粉末 8 通過(guò)粉末注入器模塊要么由載氣輸送到燃燒室2中，或者在噴嘴6之后向下游輸送到噴管7中。
[0009]已知的燃燒商用液體的HVOF燃燒器只在兩個(gè)粉末噴射器下工作。這意味著沉積速度、對(duì)非對(duì)稱的噴點(diǎn)幾何形狀的靈敏度(僅僅由于C2對(duì)稱類)、應(yīng)用例如雙層涂層的情況下耗時(shí)的更換工具等等方面的限制。
[0010]利用氣體燃料的HVOF燃燒器通常以單個(gè)粉末管線和軸向注入到燃燒室中進(jìn)行工作。事實(shí)上，這些HVOF燃燒器例如具有更穩(wěn)定的噴點(diǎn)幾何形狀，但由于涂層中的強(qiáng)氧化物的形成而不適合于應(yīng)用MCrAlY類型的金屬粉末。
[0011]商用HVOF燃燒器的粉末注入器模塊的當(dāng)前設(shè)計(jì)包括大塊設(shè)計(jì)，并整體制造出來(lái)。在一定水平的不可避免的注入器模塊的熱氣區(qū)段的磨損下(其是在粉末徑向注入到超聲波氣體中期間造成的)，該部件必須進(jìn)行更換或精巧地改造。后者只有一次可能，并且必須由原始粉末注入器模塊的制造商來(lái)完成。這是昂貴的。
[0012]沒(méi)有已知的商業(yè)設(shè)計(jì)容許只更換注入器模塊的退化區(qū)段。另外，沒(méi)有商用的設(shè)計(jì)改良，即使當(dāng)前設(shè)計(jì)顯示了由于氣體流量的沖擊而造成的極大損失，其是由于非優(yōu)化設(shè)計(jì)而造成的，例如在橫截面上的任何突然過(guò)渡處(相位(phase)和邊緣)。
[0013]在EP1816229A1中，公開(kāi)了一種用于HVOF的噴涂裝置，其只包括一個(gè)粉末注入管線、以及可圍繞軸線(A)旋轉(zhuǎn)的工件保持器、在噴涂方向(S)上噴涂的噴嘴、以及用于使旋轉(zhuǎn)軸線(A)回轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)裝置，其中在(A)和(S)之間存在角度。包圍旋轉(zhuǎn)軸線(A)的周向表面的所有區(qū)域面向噴涂方向一次。利用這種裝置可達(dá)到良好的噴涂質(zhì)量，但一方面對(duì)于涂覆工藝仍然需要許多時(shí)間，并且另一方面不可能產(chǎn)生具有靈活且單獨(dú)定制屬性的涂層。
[0014]因此具有改善的HVOF系統(tǒng)/裝置將具有很大的優(yōu)勢(shì)，其同現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)已知的系統(tǒng)相比容許減少噴涂工藝的時(shí)間以及改善的可維護(hù)性、改善的工藝魯棒性和靈活性/能力。額外的優(yōu)勢(shì)是同時(shí)可保留與現(xiàn)存的噴涂設(shè)備的兼容性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種用于對(duì)渦輪機(jī)構(gòu)件進(jìn)行涂覆的HVOF裝置，其同現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)已知的系統(tǒng)相比容許減少噴涂工藝的時(shí)間以及改善的可維護(hù)性、改善的工藝魯棒性和靈活性/能力。同時(shí)應(yīng)保留與現(xiàn)存的噴涂設(shè)備的兼容性。
[0016]這些以及其它目的通過(guò)根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求1的HVOF裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0017]本發(fā)明的核心是根據(jù)權(quán)利要求1的序言所述的HVOF裝置的粉末注入器模塊一方面包括圍繞軸線(A)以相等的周向距離而設(shè)置的至少四個(gè)粉末注入器，另一方面包括位于粉末注入器模塊內(nèi)部的可更換的熱氣區(qū)段插件，其設(shè)計(jì)為圓柱形的襯套，具有至少四個(gè)開(kāi)口，所述開(kāi)口圍繞軸線(A)以相等的周向距離設(shè)置在圓柱體中，其中襯套由穿過(guò)所述開(kāi)口的至少四個(gè)粉末注入器進(jìn)行固定。
[0018]作為一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，熱氣區(qū)段插件可在不可避免的磨損之后快速地進(jìn)行更換，而沒(méi)有許多成本和精巧的改造工作。
[0019]根據(jù)已知的技術(shù)狀態(tài)，對(duì)于燃燒液體燃料的HVOF熱噴涂系統(tǒng)通常使用兩個(gè)粉末注入管線。但確定的是，在涂覆工藝期間的最大沉積速度受到粉末管線的容量的限制。當(dāng)達(dá)到最大粉末流速時(shí)，粉末流動(dòng)，并因此火焰開(kāi)始脈動(dòng)并且涂覆工藝變得不穩(wěn)定。通過(guò)利用額外的粉末注入器(最少四個(gè)粉末注入器)，在穩(wěn)定涂覆的條件下可達(dá)到較高的沉積速度，粉末注入器根據(jù)本申請(qǐng)是以彼此之間相等的距離，以對(duì)稱的方式進(jìn)行設(shè)置的。噴點(diǎn)幾何形狀將變得更加穩(wěn)定。
[0020]本申請(qǐng)的額外的重要優(yōu)點(diǎn)是所申明的硬件改善(可更換的熱氣區(qū)段插件、至少四個(gè)粉末注入器)可在有限的時(shí)間內(nèi)可逆地實(shí)現(xiàn)于已經(jīng)存在的裝置/系統(tǒng)中。只有關(guān)于機(jī)器速度/重復(fù)次數(shù)和粉末管線控制方面的對(duì)準(zhǔn)/修改是必須的。因?yàn)楸３?保留噴點(diǎn)幾何形狀的原因，所有其它額外的工藝參數(shù)，如燃燒室壓力、煤油流量、氧氣流量、噴涂距離、機(jī)器人程序等等不需要變化。
[0021]根據(jù)本發(fā)明裝置的一個(gè)實(shí)施例，圓柱形襯套包括用于所述襯套圍繞軸線A的明確定向的導(dǎo)向槽，其中襯套是從粉末注入器模塊的外面插入的。
[0022]本發(fā)明的另一實(shí)施例的特征在于，除了上述粉末注入器模塊的特征之外，德拉瓦爾區(qū)段具有鈴形設(shè)計(jì)或至少一種具有圓化邊緣的設(shè)計(jì)。沒(méi)有后者所述那些改良的話，當(dāng)前商用設(shè)計(jì)顯示了由于氣體流量的沖擊而引起的極大損失。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置的沖擊和因此熱力學(xué)損失可通過(guò)CFD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))仿真而在橫截面的任何突然過(guò)渡處(相位和邊緣)得以清晰地演示。
[0023]鈴形的德拉瓦爾區(qū)段可與圓柱形的噴管結(jié)合。在這種選擇方案中，氣體在進(jìn)入粉末注入器模塊之前已經(jīng)達(dá)到最終速度。不需要進(jìn)一步的膨脹。
[0024]進(jìn)一步可行的是，德拉瓦爾區(qū)段的鈴形設(shè)計(jì)與粉末注入器模塊/噴管區(qū)段的全圓錐形設(shè)計(jì)結(jié)合。
[0025]作為一個(gè)優(yōu)勢(shì)，所申明的裝置用于燃?xì)鉁u輪構(gòu)件的HVOF涂層，尤其用于應(yīng)用MCrAl Y類型的金屬保護(hù)性涂層。
【附圖說(shuō)明】
[0026]現(xiàn)在將通過(guò)不同的實(shí)施例并參照附圖更完整地解釋本發(fā)明。
[0027]圖1在簡(jiǎn)圖中顯示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的用于HVOF熱噴涂裝置的配置；
圖2顯示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有兩個(gè)粉末注入器的粉末注入器模塊的照片；
圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的具有四個(gè)粉末注入器的粉末注入器模塊的照片；
圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的注入器模塊的切面示意圖；
圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的可更換的熱氣區(qū)段裝置(圓柱形襯套)的照片，
且
圖6，7，8在簡(jiǎn)圖中顯示了該裝置的德拉瓦爾區(qū)段和噴管的三個(gè)實(shí)施例。
【具體實(shí)施方式】
[0028]本發(fā)明使用現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)和商用液體燃料推進(jìn)的HVOF設(shè)備作為基準(zhǔn)，并且實(shí)現(xiàn)了關(guān)于工藝穩(wěn)定性/能力/可維護(hù)性方面的若干改良。同時(shí)保留了與現(xiàn)存的噴涂設(shè)備的兼容性。
[0029]第一特征是將額外的粉末注入器應(yīng)用于注入器模塊上，這可實(shí)現(xiàn)更高粉末進(jìn)給速度的可靠處理，其導(dǎo)致了時(shí)間減少，由于對(duì)稱性增加而穩(wěn)定了噴點(diǎn)幾何形狀，并可在有或沒(méi)有耗時(shí)的更換工具的條件下實(shí)現(xiàn)不同粉末類型的同時(shí)處理。
[0030]這個(gè)特征如圖3與圖2的比較中所示。圖2是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)粉末注入器模塊9的照片。兩個(gè)粉末注入器8是清晰可見(jiàn)的。圖3是根據(jù)本發(fā)明的具有四個(gè)粉末注入器8的粉末注入器模塊9的照片。粉末注入器8對(duì)稱地設(shè)置在周向方向上，這意味著圍繞軸線A(在圖3中未顯示A)處于相等的周向距離。
[0031]根據(jù)本發(fā)明的裝置的第二特征是可更換的插件10設(shè)置于注入器模塊9的流動(dòng)截面中，從而減少了維護(hù)成本，并改善了 HVOF燃燒器的注入器模塊9的可維護(hù)性。圖5顯示了圓柱形襯套10形式的插件的照片，其具有開(kāi)口 11和導(dǎo)向槽12，而圖4顯示了注入器模塊9的切面示意圖。開(kāi)口 11(這里為四個(gè))以相等的周向距離圍繞軸線A(見(jiàn)圖4)而設(shè)置在圓柱體中。四個(gè)粉末注入器8穿過(guò)開(kāi)口 11，并將襯套10固定在粉末注入器模塊9中。導(dǎo)向槽12是用于所述襯套10圍繞軸線A的明確定向的擔(dān)保器。襯套10從粉末注入器模塊9的外面插入，并可在必要時(shí)因?yàn)槟p而以簡(jiǎn)易的方式進(jìn)行更換。
[0032]這種改善的HVOF注入器模塊9的原型在本
【申請(qǐng)人】現(xiàn)存的噴涂工作間進(jìn)行了試驗(yàn)，其具有四個(gè)粉末注入器8和可更換的熱氣區(qū)段插件10。為了對(duì)用于本
【申請(qǐng)人】的GT的燃?xì)鉁u輪葉片進(jìn)行涂覆，沉積速度可在保留涂層質(zhì)量(粘合力、涂層厚度分布、多孔性)的條件下翻倍，其相對(duì)于利用商用HVOF注入器模塊對(duì)葉片進(jìn)行涂覆而言造成了籌備期減少了大約40%。改善的HVOF裝置的噴點(diǎn)被發(fā)現(xiàn)是高度對(duì)稱的(圓形的)，即使沒(méi)有如標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置通常需要的那樣特別調(diào)整載氣流量。
[0033]可達(dá)到以下優(yōu)點(diǎn):
改善的注入器模塊可在幾分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)于現(xiàn)存的設(shè)備中，使用標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)設(shè)置以及標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人程序(只需要調(diào)整副本數(shù)量)，并且同標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置相比獲得相同的沉積效率?；鹧?即金剛石沖擊的量/距離)被發(fā)現(xiàn)對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)而言與改善的注入器模塊是相同的。
[0034]對(duì)于在構(gòu)件的關(guān)鍵位置由于增加的沉積速率而在涂層中形成殘留應(yīng)力造成的裂縫只有很低的風(fēng)險(xiǎn)。該實(shí)施方式不是復(fù)雜的。除了可能額外的粉末進(jìn)料器之外，所推薦的硬件變化不需要改變現(xiàn)存的噴涂設(shè)備/設(shè)置，即使用相同的控制器/機(jī)器人程序/燃料/氣體等等
當(dāng)然本發(fā)明并不局限于所述的實(shí)施例，例如可使用不止四個(gè)粉末注入器。
[0035]另外，cro研究具有論證了商用基線設(shè)備關(guān)于熱力學(xué)沖擊的損失方面進(jìn)行設(shè)計(jì)改良的潛在可能性。裝置I的德拉瓦爾區(qū)段4可通過(guò)若干個(gè)選擇方案進(jìn)行改善，其如以下實(shí)施例所述:
1.在當(dāng)前基線設(shè)計(jì)中通過(guò)圓化邊緣除去階梯和相位。這個(gè)選擇方案不需要耗時(shí)的CFD研究，并減少了沖擊引起的熱力學(xué)損失，分別造成輕微增加的粒子速度和較低的涂層多孔性(見(jiàn)圖6)。
[0036]2.德拉瓦爾區(qū)段4的鈴形設(shè)計(jì)與圓柱形噴管7的結(jié)合。在這種選擇方案中，氣體在進(jìn)入粉末注入器模塊9之前已經(jīng)達(dá)到最終速度。不需要進(jìn)一步的膨脹，并且粉末注入器8/噴管區(qū)段7設(shè)計(jì)為圓柱形，沒(méi)有邊緣和相位。改善的設(shè)計(jì)還消除了基線的噴管7出口處顯著的過(guò)度膨脹。較少的沖擊和熱力學(xué)損失分別造成了較高的粒子速度和較低的涂層多孔性(見(jiàn)圖7)。
[0037]3.德拉瓦爾區(qū)段4的鈴形設(shè)計(jì)與粉末注入器模塊9/噴管區(qū)段7的全圓錐形設(shè)計(jì)的結(jié)合。改善的設(shè)計(jì)還消除了基線的噴管7出口處顯著的過(guò)度膨脹。
[0038]根據(jù)本發(fā)明的裝置優(yōu)選用于為燃?xì)鉁u輪構(gòu)件應(yīng)用MCrAlY類型的金屬保護(hù)性涂層。
[0039]部件列表 I HVOF裝置
2燃燒室 3燃料 4氧氣5氣體混合物，燃燒氣體6噴嘴，德拉瓦爾區(qū)段7噴管
8粉末注入器9粉末注入器模塊10熱氣區(qū)段插件，圓柱形襯套11開(kāi)口12導(dǎo)向槽。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于高速氧氣燃料(HVOF)熱噴涂工藝的裝置(I)，其用于對(duì)構(gòu)件進(jìn)行涂覆，所述裝置包括燃燒液體燃料的燃燒室(2)、德拉瓦爾區(qū)段(4)、具有粉末注入器(8)的粉末注入器模塊(9)和噴管(7)，它們?nèi)繃@和沿著軸線(A)而設(shè)置，其特征在于，所述粉末注入器模塊(9)包括以相等的周向距離圍繞所述軸線(A)而設(shè)置的至少四個(gè)粉末注入器(8)以及位于所述粉末注入器模塊(9)內(nèi)部的可更換的熱氣區(qū)段插件(10)，所述可更換的熱氣區(qū)段插件(10)設(shè)計(jì)為圓柱形的襯套，具有至少四個(gè)開(kāi)口(11)，所述開(kāi)口(11)以相等的周向距離圍繞所述軸線(A)設(shè)置于所述圓柱體中，其中所述襯套(10)通過(guò)穿過(guò)所述開(kāi)口(11)的所述至少四個(gè)粉末注入器(8)進(jìn)行固定。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述圓柱形襯套(10)包括導(dǎo)向槽(12)，其用于所述襯套(10)圍繞所述軸線(A)的明確定向，而且所述襯套(10)是從所述粉末注入器模塊(9)的外面插入的。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述德拉瓦爾區(qū)段(4)具有鈴形的設(shè)計(jì)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述鈴形的德拉瓦爾區(qū)段(4)結(jié)合了圓柱形噴管(7)。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述鈴形的德拉瓦爾區(qū)段(4)結(jié)合了圓錐形噴管(7)。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述鈴形的德拉瓦爾區(qū)段(4)結(jié)合了所述粉末注入器模塊(9)的全圓錐形設(shè)計(jì)。7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，其用于對(duì)燃?xì)鉁u輪構(gòu)件進(jìn)行涂覆。8.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，其用于應(yīng)用MCrAlY類型的金屬保護(hù)性涂層。
【文檔編號(hào)】C23C4/129GK105829570SQ201480071691
【公開(kāi)日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2014年10月10日
【發(fā)明人】S.奧里格斯, J.尼沃卡茲, B-T.佐爾勒, U.哈亞納格, W.耿
【申請(qǐng)人】通用電器技術(shù)有限公司