一种从燃气涡轮发动机构件的冷却孔中除去涂层材料的方法

摘要

一种方法，其利用计算机数字控制器构件程序控制激光钻孔(3)除去堵塞燃气轮机的构件上的冷却孔(1)的涂层材料，该程序用一个构件的冷却孔的总体位置进行预编程，利用该计算机数字控制器构件程序使机器图像系统(7、6、8)和构件相互彼此移动到以预编程的总体位置为基础的一个涂层构件的一系列冷却孔(1)中的每一个冷却孔(1)的位置，并确定每一个冷却孔的实际位置，将这一系列冷却孔的实际位置存储在计算机数字控制器的存储器或数据存储装置中，然后通过以存储在计算机数字控制器中的冷却孔的实际位置为基础的激光钻孔(3)除去该一系列冷却孔(1)的堵塞冷却孔(1)的涂层材料。

说明书

技术背景

本发明涉及一种利用激光钻孔技术将已被涂层材料部分或全部堵塞的冷却孔打开，从而制造或修复燃气轮机构件的方法。

背景技术

在发动机的热区域中运行的先进的燃气涡轮发动机构件会经历多个温度，这会促使构件运行寿命降低。一般的，这种构件包括涡轮叶片或翼、燃烧室、涡轮壳和在排气系统中的各种构件。为了提高构件寿命，这样的构件已经被设计成在构件的主体包括冷却通道，使一个表面或大约一个构件的表面排气。对于多余的热和/或环境阻力来说，通常在暴露到较高温度中的一面上包括一高温防护涂层，例如金属性或陶瓷类涂层。这种涂层的实例包括铝化物、铝化铂、MCrAlY(其中M是元素Fe、Co和Ni中的至少一种)、各种金属重叠镀覆型涂层和陶瓷热防护涂层，其中一种在本技术领域中称作隔热涂层(TBC)。典型的TBC涂层是以由氧化钇稳定的氧化锆为基础，例如用约8％重量的氧化钇稳定92％重量百分比的氧化锆。应用TBC涂层的方法包括等离子喷射和电子束物理气相沉积。通常，这种涂层与金属粘结涂层共用。

为了起到合适的作用，冷却孔必须构造成特殊的外形和半径，因为必须控制气流的分布以达到在发动机运行期间对构件的合适冷却的目的。因此冷却孔一定不能被堵塞，或者哪怕被部分地堵塞，从而提供充足的、一致的冷却气流分布穿过构件的内部和越过构件的外部。涂层的应用会导致穿过冷却孔的气流量显著下降，并会导致冷却孔的完全封闭。

因此，在应用涂层之后，冷却孔可能不得不开口到它们最初的规定的尺寸以提供对构件合适的冷却和/或恢复合适的气流量，并且孔必须在不会导致破坏元件本材料或区域内的涂层的情况下被打开，除非在此处需要除去涂层。一种打开孔的方法需要提供精确控制以再钻入一个已经存在的冷却孔，以及在关于降低处理时间和避免在钻孔中出错的经济基础上有效进行处理的工艺。

尽管用于一种构件的详细说明(例如设计图)能表明冷却孔的总体位置，但是在冷却孔设置(例如激光钻孔、EDM、ECM或类似的操作)时的制造期间会出现小的变化，当试图重新钻孔时这些微小变化变得严格。进一步的，对于待修复的构件，由于使用或修复操作的原因会导致冷却孔位置的变化。因此需要对激光钻孔以重新打开冷却孔进行精确控制。另外，在激光钻孔期间，产生大量的碎片，这些碎片会阻碍进一步钻孔，尤其当应用机器图像系统时，需要频繁的中止并清洗构件。

用激元(或受激准分子)激光器打开被堵塞的冷却孔的应用在美国专利5216808中有描述；但是需要一种利用ND/YAG型激光器能够有效操作的方法。

发明内容

本发明主要提供一种用激光钻孔从燃气轮机构件的被堵塞的冷却孔中除去涂层材料的方法，该方法利用一种计算机数字控制器构件程序，该程序以构件的冷却孔的总体位置进行预编程，以使机器图像系统和构件相对彼此移动到至该一系列冷却孔中的每一个冷却孔位置，确定每个冷却孔的实际位置，并将用于该一系列冷却孔的冷却孔的实际位置存储在计算机数字控制器的存储器或数据存储装置中，然后通过以存储在计算机数字控制器的存储器或数据存储装置中的冷却孔的实际位置为基础的激光钻孔除去该一系列冷却孔的堵塞冷却孔的涂层材料。这个方法可以方便的实施，从而在涂层的构件或已制备用于涂层的构件上确定冷却孔的实际位置。

附图说明

图1是一种根据本发明的方法打开堵塞了的冷却孔的装置的示意图；

具体实施方式

参考图1，一个示意图示出了用于从燃气涡轮发动机构件2的冷却孔1中除去涂层材料的装置。在燃气涡轮发动机构件的制造或修复过程中，构件可能被全部或部分地涂覆以涂层材料。合适的涂层材料包括铝化物、铝化铂(Pt₃Al)、MCrAlY(其中M是Ni、Co和Fe中的至少一种)和一种陶瓷隔热涂层(TBC)，例如用氧化钇或类似物稳定的氧化锆。可以用等离子喷涂、物理气相沉积(PVD)或其它涂层方法进行涂覆。在涂层材料的涂覆过程中，冷却孔可能被完全或部分地堵塞。

本发明提供一种除去涂层材料的方法，该涂层材料在涂层的沉积过程中可能已经堵塞一部分或全部的冷却孔，本发明还包括一种激光器，该激光器将一脉冲激光光束对准冷却孔所在的位置，从而除去或清除阻塞物以恢复冷却孔的直径和/或建立一合适的气流，而不需要使构件变形或破坏构件或改变冷却孔的设计的几何形状或构形。

一种合适的工业型激光器是ND/YAG激光器，例如会聚极光P-50L。一般，ND/YAG型激光器利用一激光光束，该激光光束用脉冲输送，每脉冲具有大约为.3～10毫秒，优选大约为0.6毫秒的脉冲宽度，和大约1060纳米的波长。激光光束的能量可以是大约5～15焦耳/平方厘米，该能量取决于所要除去的涂层材料的类型。

激光设备3可以垂直或水平地安装，构件2可以安装在一个多轴工作台4上面，该工作台4由一个CNC5(计算机数字控制器)或类似的可编程的构件定位装置，例如一种工业机器人来控制，用于定位和移动构件1和激光设备3彼此的相对关系，从而使激光光束聚焦在任何部分地或全部被堵塞的冷却孔1上，用于除去阻塞物。根据本发明，该CNC5用程序数据或工具路径数据进行预编程，该数据包括用于这种构件的冷却孔位置和角度的详细说明。这可以从最初用于钻孔或形成冷却孔的设计数据得到，或从制造的构件测量得到。冷却孔可以由最初的钻孔或利用ND/YAG型激光器或类似的高能工业型激光器、放电加工(EDM)、电化学加工(ECM)或类似的加工形成。尽管CNC构件程序提供了冷却孔的总体位置，但当冷却孔被装配时在制造过程中会出现变化，或者在构件的使用或修复过程中可出现变化，需要一个比较准确的实际位置，从而在不破坏构件的情况下，将涂层的冷却孔有效地重新钻孔。

激光设备3同机器图像系统一起使用。该图像装置包括一个照相机7(例如一摄影机)、一个图像处理器6(例如一个带图像捕捉功能和一监视器的个人计算机)和一个视频监视器8。照相机7从构件2的一个图像产生一视频信号，并将该信号传送给图像处理器6。如图1所示，图像装置照相机7可以安装到激光器3上，从而通过激光器的透镜系统获得图像，或者它与激光器是分离的。

CNC控制激光器3和多轴工作台4，CNC构件程序根据预编程的总体位置用于移动机械图像照相机7和构件2彼此的相对位置。然后机器图像系统的图像处理器6会分析该图像，从而测定每个冷却孔1的实际位置，并将这个位置存储在CNC的存储器或数据存储设备(例如硬盘、光盘或网络等)中。在一个优选实施例中，存储在CNC的存储器或数据存储设备中的值是冷却孔的实际位置。冷却孔的实际位置的这种测定方法以及将该实际位置存储在CNC的存储器或数据存储设备中的操作继续用于一系列将要用激光器重新钻孔的冷却孔。一般，在激光器钻削这一系列孔之前，一个构件，例如一个叶片或翼，的至少一整排孔直至所有的孔以这种方式测定。一般，在激光钻孔之前测定10～600个冷却孔。在激光器钻削这一系列冷却孔之前，一系列冷却孔的实际位置的这种单独测定提供了一种有效的方法，该方法避免了在激光钻孔中产生碎片，这些碎片妨碍冷却孔的实际位置的测定。

在机器图像系统没有定位以冷却孔的预编程的总体位置为基础的冷却孔的实际位置的地方，例如如果冷却孔被完全堵塞，那么存储在CNC的存储器或数据存储设备中用于激光钻孔的值是通过修正调整的预编程的总体位置。这个修正是以与在先冷却孔的预编程的总体位置相比较的在先冷却孔的实际位置为基础的。

监视器8允许人工操作员实时查看测定和激光钻孔工艺。操作员可以与图像处理器进行对话，并且可以越过控制或修改位置值。因此操作员可以核查由图像装置测定的冷却孔的实际位置是否正确，并越过控制任何错误的位置。

这种系统还允许操作员在激光钻孔之前利用CNC将机器图像系统移动到该系列冷却孔的每一个冷却孔位置，其中这些冷却孔位置以存储在CNC的存储器或数据存储装置中的冷却孔的实际位置为基础，从而核查存储在存储器中的冷却孔的实际位置的精确度。

如图1所示的多轴工作台4有一个三轴(XYZ)定位台和一个旋转倾斜台(AB)，用于线性定位和角度定位，该工作台4还包括一个夹具9，在照相机7/激光器3和工作台4被移动到每一个冷却孔的适当位置，以确定冷却孔的实际位置，并通过响应由计算机数字控制器(CNC)5发出的信号产生的激光光束钻削冷却孔1的时候，该夹具9用于将构件2保持在适当位置。

将构件2安装在固定的夹具中，并利用合适的定位装置(例如工业机器人或类似设备)相对于构件2移动激光设备3和照相机7，或者构件2和激光设备3/照相机7可以彼此相对移动，这些也包括在本发明的范围内。

精确地定位构件2的夹具9的使用，允许构件为涂层作准备，然后测定构件的位置，从而确定并存储冷却孔的实际位置，然后从夹具中除去构件并对其涂覆，然后将构件重新精确定位在夹具中，用于激光器钻削堵塞冷却孔的涂层材料，这些冷却孔以存储在CNC的存储器或数据存储装置中的冷却孔的实际位置为基础。构件可以用包括清洗、喷砂、修补(例如焊接、钎接、混和)等在内的多个步骤中的一步或多步为涂覆作准备。这个准备步骤还可以包括用一种中间涂层材料涂覆构件。然后确定冷却孔的实际位置并将其存储在CNC的存储器或数据存储装置中用于一个具体的构件。涂层之后这些实际位置被从CNC存储器或数据存储装置中取回，以用于将这个具体构件重新钻削冷却孔。在确定冷却孔的实际位置并激光钻孔之前，精确地定位并确定已涂层的构件的方位可以利用夹具和位置传感系统来实施。例如，一种接触探测器(例如一种Renshaw接触探测器)可以在多个位置(一般为6个)接触该构件，并且CNC将调整构件的实际方位。