用于产生双厚度内部组合涂层的方法和由此生产出的制品

摘要

一种用于产生具有不同受控厚度的内部组合涂层的方法，所述方法包括以具有不同配方的第一种粉末和第二种粉末部分地填充其中具有空腔(20、22、24)的涡轮叶片(10)的根部开口(28、30)，以使得所述第一种粉末与所述空腔表面的第一预定部分(32)接触且所述第二种粉末与所述空腔表面的第二预定部分(34)接触。所述方法进一步包括使所述制品与其中的所述第一种粉末和所述第二种粉末一起受热，由此产生所述内部空腔的涂层，所述内部空腔的涂层在所述空腔表面的所述第一部分和所述空腔表面的所述第二部分上具有不同涂层厚度。

说明书

技术领域

本发明主要涉及使制品的内部通道选择性地涂覆有具有不同厚度的保护涂层的方法且涉及具有这种选择性涂覆的内部通道的制品。尽管当被涂覆或如此进行涂覆的制品是燃气涡轮叶片时，本发明特别有用，但本发明不限于燃气涡轮叶片。

背景技术

在飞行器燃气轮发动机(喷气式发动机)中，空气被吸入引擎前部内、受到轴装压缩机的压缩且与燃料混合。混合物进行燃烧，且热燃烧气体通过安装在相同轴上的涡轮机。燃烧气体的流动通过撞击涡轮叶片和轮叶的翼面部分而使涡轮机转动，这使轴产生转动并为压缩机提供动力。热排出气体从引擎后部流出，向前驱动所述引擎和飞行器。

燃烧和排出气体越热，喷气式发动机的工作效率越高。因此存在提高燃烧和排出气体温度的刺激因素。燃烧气体的最大温度通常受到用以制造引擎的受热部分部件的材料的限制。这些部件包括燃气轮机的涡轮轮叶和涡轮叶片，热燃烧气体直接撞击到所述涡轮轮叶和涡轮叶片上。在目前的引擎中，涡轮轮叶和叶片由镍基超合金制成，且可在高达约980-1150摄氏度或大约1800-2100华氏度的温度下工作。这些部件易受到氧化剂和腐蚀剂的损害。

已采用了多种方法以使涡轮叶片和轮叶的工作温度极限和使用寿命增加至其目前水平，同时获得可接受的氧化和腐蚀耐受性。基材本身的组成和加工已得以改进。例如通过为部件提供内部冷却通道而采用冷却技术，冷空气流过所述内部冷却通道。然而，当引擎温度增加时，能够获得的冷却空气的温度也增加了。

在燃气涡轮叶片的至少一种已公知的构型中，涡轮叶片外表面的一部分涂覆有保护涂层。一种类型的保护涂层包括沉积在要受保护的基层材料上的含铝保护涂层。含铝保护涂层的暴露表面发生氧化以产生保护下层表面的氧化铝保护层。

燃气涡轮叶片的外表面的不同部分需要不同类型和厚度的保护涂层，且一些部分上面不需要涂层。于2003年11月25日授权给Langley等且转让给General Electric Aviation Service Operation Pte.Ltd的美国专利No.6,652,914B1中披露了一种已公知的用于对燃气涡轮叶片的外表面进行选择性保护的方法。在该方法中，通过清洗燃气涡轮叶片并随后首先在叶片部分上沉积贵金属层而保护以前已使用的燃气涡轮叶片。该方法包括第一沉积步骤，其中贵金属例如铂优选通过电沉积被沉积在叶片表面上。第一层被沉积在翼面的翼面第一层区域上。在通常情况下，所述第一层仅包括翼面表面的部分，而不包括翼面的后缘或燕尾部分的表面。第一铂层的厚度被控制在约0.002毫米至约0.0032毫米，或约0.00008英寸至约0.000125英寸。在第二沉积步骤中，贵金属第二层被沉积至少覆盖在第二层的平台部分的一部分上，而不是覆盖在第一层的翼面部分上。结果是，平台底侧上贵金属的总厚度大于翼面上的总厚度。

随后通过将含铝层沉积覆盖在平台和翼面上并使铂和铝相互扩散而形成铝铂互化物的保护涂层。使用气相铝化工艺，在所述工艺中铬-铝合金球的篮被放置在曲颈甑中要进行气相铝化的燃气涡轮叶片约25毫米(1英寸)的范围内。包含篮和涡轮叶片(或多个叶片一起)的曲颈甑在氩气氛中以约28摄氏度(50华氏度)/分钟的加热速度被加热至约1080+/-14摄氏度(1975+/-25华氏度)，在该温度下保持约3小时+/-15分钟，在所述持续时间内使铝沉积，且随后慢冷至约120摄氏度(250华氏度)，且其后冷却至室温。可改变时间和温度以改变含铝层的厚度。第一、第二和第三层相互扩散以形成翼面第一层区域上的相互扩散的翼面铝铂互化物的保护涂层，和平台第一层区域上的平台相互扩散铝铂互化物的保护层。可施加进一步加热以使所述层进一步相互扩散，且所述层被清洗。所得到的平台相互扩散保护层具有与翼面相互扩散保护层不同的厚度，这主要是由于独立施加的贵金属层厚度不同而造成的。

然而，正如上面所述，现代燃气涡轮叶片通过使冷空气通过内部冷却通道而被冷却。当引擎温度增加时，可得到的冷却空气的温度也增加，且腐蚀可在这些内部通道中以及外部表面上发生。

涡轮叶片的内部涂层厚度要求根据位置发生变化。例如，在高应力区例如叶片轴柄中需要薄涂层，而在其它区域例如翼面空腔中则需要坚固的厚涂层以保护其不受环境影响。如果仅可实现单一厚度，那么需要更厚涂层的区域的环境寿命可降低，或需要更薄涂层的区域的机械寿命可降低。至少一种类型的具有在翼面中的薄铝涂层的涡轮叶片已公知经受过翼面内部氧化。然而，由于存在高轴柄应力以及与叶片尺寸相关的技术挑战，内部涂层的目标是满足轴柄要求(涂层厚度小于0.0254毫米或0.001英寸)且在整个内部空腔范围内是相同的。

存在至少一种已公知的组合涂层工艺以使整个内部通道涂覆具有单一涂层厚度，所述工艺在2003年11月13日公开的美国专利申请No.2003/0211242中进行了描述。然而，不能利用气相涂覆(VPC)对小叶片或其它制品进行封涂(plumbed)，以利用这种工艺实现不同位置的不同涂层厚度的目标。

发明内容

因此，本发明的一些构型提供了一种用于产生具有不同受控厚度的内部组合涂层的方法。所述方法包括以具有第一配方的第一种粉末部分地填充要进行涂覆的制品的空腔，以使得所述第一种粉末沉降到所述空腔内并与所述空腔表面的第一预选部分接触，并在所述空腔内留出剩余空间。所述方法进一步包括以具有不同于所述第一配方的第二配方的第二种粉末填充所述空腔内的所述剩余空间的至少一部分，以使得所述空腔表面的所述第一部分与所述第一种粉末接触且所述空腔表面的第二不同预选部分与所述第二种粉末接触。所述制品随后与其中的所述第一种粉末和所述第二种粉末一起受热，从而由此产生所述内部空腔的涂层，所述内部空腔的涂层在所述空腔表面的所述第一部分和所述空腔表面的所述第二部分上具有不同涂层厚度。

在本发明的一些构型中，提供了一种用于产生具有不同受控厚度的内部组合涂层的方法。所述方法包括以具有不同配方的第一种粉末和第二种粉末部分地填充其中具有空腔的涡轮叶片的根部开口，以使得所述第一种粉末与所述空腔表面的第一预定部分接触且所述第二种粉末与所述空腔表面的第二预定部分接触。所述方法进一步包括使所述制品与其中的所述第一种粉末和所述第二种粉末一起受热，从而由此产生所述内部空腔的涂层，所述内部空腔的涂层在所述空腔表面的所述第一部分和所述空腔表面的所述第二部分上具有不同涂层厚度。

本发明的另外其它构型提供了一种具有内部空腔的涡轮叶片，所述内部空腔具有涂覆具有选定的不同涂层厚度的预定区域。

可以看到，本发明的构型可满足根据内部表面位置而变化的涡轮叶片的内部涂层厚度要求。本发明的构型例如可在高应力区域例如叶片轴柄中产生薄涂层，且可在其它区域例如翼面空腔中产生坚固的厚涂层以保护其不受环境影响作用。

附图说明

图1是从凹入侧观察的燃气轮发动机叶片的透视示意图，所示气体叶片具有在本视图中未示出的内部通道；

图2是图1所示燃气轮发动机叶片的纵向横截面图；

图3是被保持在振动台上的夹具中且在进料斗中准备填充涂层粉末的图1所示燃气轮发动机叶片的透视图；和

图4是示出了本发明的一些构型的流程图。

具体实施方式

在本发明的一些构型中且参见图1，制品例如涡轮叶片10具有包括一个或多个内部通道(图1中未示出)的复杂形状。通常情况下，叶片10包括基部12、燕尾部分14、平台部分16和翼面部分18。在此处，燕尾部分14和平台部分16被视作基部或轴柄部分12。叶片10还包括一个或多个内部空腔，所述内部空腔在图1的视图中未示出但在图2中可更好地看到。参见图2，图中示出了通过叶片10的纵向截面，一个或多个通道20、22和24包括制品或叶片10的根部冷却通道或内部空腔。在所示构型中，通道20、22和24相互连接且通向叶片10的至少一侧，例如通过一个或多个外部开28和30在叶片10的底部打开。在图1所示叶片10的构型的顶部处的凹进区域27中还存在附加的凹进开26，但开口26可暂时涂蜡或要不然封闭，暂时涂蜡或封闭的原因将在下面阐明。

在本发明的一些构型中，内部通道20、22和24的表面涂覆有保护性双厚度涂层。通过非限制性实例，叶片10的目标是在翼面部分18内部的区域32中具有约0.056毫米(0.0022英寸)的坚固涂层且在基部区域12内部的区域34中具有约0.02毫米(0.0008英寸)的薄涂层。可使用其它厚度。例如，在一些构型中，翼面部分18的区域32中的内部涂层约为0.046毫米(0.0018英寸)。在一些构型中，区域32和34之间的内部过渡区域36位于平台16上面的翼面部分32的内部中。通过将受控体积的第一含铝涂层粉末注入叶片10内并以受控方式振动叶片10以确保粉末均匀地填充空腔的目标部分，例如部分34中的内部空腔、通道或多个空腔，从而控制这些不同厚度的涂层。粉末颗粒的尺寸还受到控制以防止产生凝聚。(例如，可通过相对较细的筛子过滤通过相对较粗筛子的微粒，且通过相对较粗筛子但被相对较细筛子保持的微粒被用作受控尺寸的粉末颗粒。通过防止使用太细的微粒，可防止太细铝粉的块在随后的加热步骤中凝聚在一起。筛子的最佳尺寸可根据经验确定)。接下来，具有不同铝强度的含铝涂层粉末被注入叶片内且层铺在浇注的第一含铝涂层粉末的顶部上，且叶片受热以产生对应于不同铝强度的不同受控厚度的铝涂层。在所进行的试验中，其中叶片10是通用电气公司的CF34-3stage 1，本发明的方法的一种构型在区域34中产生了具有0.023毫米或0.0009英寸的平均厚度的内部轴柄或基底涂层。该工艺还在区域32中产生了具有0.04572毫米或0.0018英寸的平均厚度的内部翼面涂层。过渡区域36位于平台16上面的翼面18中且低于20％的跨距。

在本发明的一些构型中，同时施加内部和外部涂层。例如，涂覆工艺通过将铂施加到一些或全部叶片的外表面上而开始，但该外部涂层与内部双厚度涂层分开且不是所述内部双厚度涂层的一部分。在外部施加铂的构型中，在施加外部铂涂层后进行产生内部双厚度内部涂层的工艺。

在本发明的一些构型中且参见图1和图2，翼面中的冷却孔26、38和后缘冷却槽40被涂蜡。更具体而言，小滴蜡被用以单独密封每个开口38、40，仅留下外部开口28和30处于打开状态。通过密封冷却孔和后缘冷却槽，所使用的涂层粉末可被注入外部开口28和30内以填充制品10的一个或多个内部空腔，而不泄漏出密封孔和狭槽。

在一些构型中且参见图1、图2和图3，涂蜡的叶片10被置于振动台44上的夹具42中且附到进料斗46，例如氯丁橡胶进料斗上。叶片10被倒置保持在夹具42中以使得与叶片燕尾部分14紧密配合的进料斗46可用作引导涂层粉末进入叶片10的一个或多个根部开口28和30内的漏斗。当台44振动时，测定量的第一种粉末配方被注入叶片10内。该测定量足以至少填充叶片10的区域32(所述区域在其夹具42中被倒置)且可能填充区域36的部分或全部，但区域34部分没有被第一种粉末配方填充。在一些构型中，第一种粉末配方包括33％0.002英寸(0.0508毫米)的Cr+Al和67％0.0018英寸(0.04572毫米)的Al₂O₃。在一些构型中，该配方被用于第一层内部涂层以及外部涂层。要小心慎重以确保在叶片10的填充过程中，所有第一种粉末都进入叶片10中的区域32中的一个或多个内部空腔或通道20、22和24内且没有粉末损失。加以小心谨慎的原因在于该体积的第一种粉末填充空腔至一定深度且确定了涂覆至第一厚度的目标区域。台44振动以确保第一涂层粉末均匀地沉降在叶片10内至预期深度且加快第一涂层粉末进入叶片内的流速。代替台振动或除此之外，可使用导致涂层粉末均匀地沉降至预期深度的任何其它工艺。

一旦分配量的涂层粉末已沉降在区域32中的一个或多个内部空腔20、22和24内，则添加下一层涂层粉末。在一些构型中，该第二种粉末的配方是7％0.002英寸(0.0508毫米)的Cr+Al和93％0.0018英寸(0.04572毫米)的Al₂O₃。该第二种粉末配方以类似于第一种粉末配方注入叶片10中的方式被注入其中，且被层铺在第一种粉末配方顶部上。如果叶片内部仅需要两种涂层厚度且可得到充分量的第二种粉末配方，那么可在不对第二种粉末配方的量进行预测量的情况下将第二种粉末配方简单地注入叶片内直至叶片被填满。在一些构型中，振动台44在两种强度的涂层粉末的填充工艺过程中连续运行。在一些构型中，第一和第二种粉末的配方在约5％至40％的金属含铝粉末，优选Cr+Al之间，剩余物为陶瓷粉末，例如Al₂O₃。在一些构型中，粉末的最小微粒尺寸为约0.0015英寸(0.0381毫米)，且最大不超过约0.005英寸(0.127毫米)。涂层粉末的适当微粒配方可见于2003年11月13日公开的美国专利申请No.2003/0211242中，具体在段[0011]-[0013]中。

在一些构型中，添加预测定量的第二种粉末配方，且第三种或甚至更多附加粉末配方随后被注入以产生三种或更多种内部涂层厚度(可能具有附加过渡区域)。然而，一旦理解了本实例的构型，所述构型仅用了两种粉末强度，则附加层的产生将易于理解。

在已添加第二种强度(即第二种配方)的涂层粉末且叶片10的一个或多个空腔20、22和24被填满后，振动台44停止(在台44仍振动的构型中)并移去进料斗46。在一些构型中，退火镍带(图中未示出)被用以密封叶片10的一个或多个根部开口28和30，尽管另一种可选实施方式是，可使用任何适当的密封方法。叶片10的根部端部48被保持竖直和/或采取其它步骤以避免两种强度的涂层粉末相混合且避免涂层粉末溢出。在本发明的一些构型中，叶片10的任何必要外部区域被遮掩以防止与外部涂层粉末产生接触。在该遮掩步骤(如果需要)后，在一些构型中，叶片10被插入填充了用以涂覆叶片10的外表面的涂层粉末的托盘(图中未示出)中。在其它构型中，叶片10在外部涂层粉末不与其外表面接触的情况下受热。无论施加外部涂层与否，叶片10与接触一个或多个内部空腔20、22和24的内表面的分离区域32、34的不同强度的内部粉末一起受热。由于粉末强度不同，因此该加热导致在这些区域中产生了具有不同厚度的内部涂层。在一些构型中，所述加热在约1750°F至约2000°F(约955℃和约1095℃)之间持续约2小时至约12小时之间的时间。

参见图4中的流程图100以及图1、图2和图3，本发明的一些构型以具有第一配方的第一种粉末部分地填充108要进行涂覆的制品10的空腔20、22和24，以使得第一种粉末沉降在空腔内并接触空腔表面的第一预选定部分32且留出空腔内的剩余空间(以区域34表示)。

随后空腔内的剩余空间的至少一部分34被填充110以第二种粉末，所述第二种粉末具有不同于第一配方的第二配方，以使得空腔表面的第一部分32与第一种粉末接触且空腔的第二不同预选定部分34与第二种粉末接触。

制品10随后受热116，从而由此产生内部空腔的涂层，所述内部空腔的涂层在空腔表面的第一部分32和空腔表面的第二部分34上具有不同涂层厚度。在加热后从涂覆空腔中除去粉末。

在本发明的一些构型中，第一种粉末和第二种粉末包括不同强度的铝。例如，在一些构型中，第一种粉末或第二种粉末具有33％200目的Cr+Al和67％180目的Al₂O₃的成分，且另一种粉末具有7％200目的Cr+Al和93％180目的Al₂O₃的成分。在一些构型中，制品10是涡轮叶片且涡轮叶片中的空腔包括根部冷却通道20、22和24和一个或多个外部开口，所述外部开口可包括冷却孔38、后缘冷却槽40及其组合。在这些构型中，本方法可进一步包括使用蜡密封102一个或多个外部开口，以使得第一种粉末和第二种粉末在填充过程中不泄漏出来。(至少使一个开口是打开的以允许进行填充，例如，基部12的根部端部48中的开口28和30是打开的。)

在一些构型中，制品10被放置104在振动台44上的夹具42内以便当制品被第一种粉末和第二种粉末填充时使制品振动。此外，在一些构型中，进料斗46(例如氯丁橡胶进料斗)被附106到制品上，且填充步骤108和110包括或包含利用进料斗作为漏斗将第一种粉末和第二种粉末分别注入制品空腔内。在制品10为涡轮叶片的构型中，进料斗46与叶片的燕尾部分14紧密配合。在使用夹具和/或进料斗的构型中，在116中加热之前，从所述夹具和/或进料斗中移去112制品。

本发明的一些构型包括在116中加热之前通过带例如退火镍带密封114根部开口28、30。

本发明的一些构型限定出制品10的两个以上的内部区域。例如，一种构型至少以第三种粉末填充制品10，所述第三种粉末具有不同于第一种粉末和第二种粉末中至少一种的配方。(具体而言，粉末的成分在相邻浇注层中不同)。以这种方式，空腔表面的第三部分与第三种粉末接触。使制品与第一种粉末和第二种粉末一起加热包括使制品与其中的第一种粉末、第二种粉末和第三种粉末一起加热，从而由此产生内部空腔的涂层，所述内部空腔的涂层在空腔表面的第一部分、空腔表面的第二部分和空腔表面的第三部分上具有三种涂层厚度。所述三种涂层厚度中的至少两种彼此不同，即相邻层具有不同厚度。

本发明的一些构型提供了具有内部空腔20、22和24的涡轮叶片10，所述内部空腔具有涂覆有选定不同金属厚度的预定表面区域34、36。在一些构型中，金属涂层包括铝。在一些构型中，涡轮叶片10包括轴柄或基部区域12和翼面区域18，且翼面区域中的空腔涂覆有不同于轴柄或基部区域中的空腔厚度的选定金属厚度。一些构型为所述区域之间的过渡区域36提供了不同涂层厚度。在各种构型中，该过渡区域位于平台16上面且低于20％的跨距。

因此应该意识到，本发明的构型可满足根据内表面位置变化的涡轮叶片的内部涂层厚度要求。本发明的构型例如可在高应力区域例如叶片轴柄中产生薄涂层，且在其它区域例如翼面空腔中产生坚固的厚涂层以保护其不受环境的影响作用。

尽管已根据多个具体实施例对本发明进行了描述，但本领域的技术人员将意识到可通过技术方案的精神和范围内的变型实践本发明。此外，详述元件、步骤、结构、空隙等的单个实例或具体数量实例的技术方案旨在将其中存在或使用超过所述元件、步骤、结构、空隙等的实例数量的构型包括在所述技术方案的范围内，除非这些构型被明确排除在外。

零件目录表

叶片                          10

基部                          12

燕尾部分                      14

平台部分                      16

翼面部分                      18

内部通道                      20

内部通道                      22

内部通道                      24

凹进开口                      26

凹进区域                      27

根部开口                      28

根部开口                      30

第一区域                      32

第二区域                      34

过渡区域                      36

冷却孔                        38

后缘冷却槽                    40

夹具                          42

振动台                        44

进料斗                        46

根部端部                      48

流程图                        100

密封外部开口以避免产生泄漏    102

将制品置于振动台上            104

将进料斗附到制品上            106

以第一种粉末部分地填充空腔    108

以第二种粉末填充剩余空间的至少一部分110

移去进料斗并从台上移去制品112

用带密封根部开口          114

加热制品以产生内部涂层    116