用于包覆基板的工藝的制作方法
【專利摘要】公開了一種用于包覆基板1的工藝。該工藝包括以下步驟：(i)將能量束2引導到所述基板1的表面4的區域3上，以在所述表面4的所述區域3處生成熔融材料池5；(ii)朝向所述熔融材料池5引導顆粒7的物質流6，以便所述顆粒7的至少第一部分進入所述熔融材料池5；(iii)使所述熔融材料池5冷卻并固化，從而將所述顆粒7的第二部分俘獲在固化的材料池8中，以形成被俘獲顆粒71，其中，在所述表面4的所述區域3處被引導的所述能量束2呈能量脈沖的形式，并且顆粒7的物質流6呈顆粒7的脈沖的形式，其中在所述顆粒7進入所述能量束2的路徑前以及在所述顆粒7進入所述熔融材料池5前結束所述能量脈沖或者重新定向所述能量束2或者使所述能量束2在功率上降低，并且其中所述能量脈沖的結束或者所述能量束2的重新定向或者所述能量束2在功率上的降低被實施成使得所述顆粒7通過所述能量束2發生的實質熔化、熔合或者形狀改變得到避免。本發明還涉及用于實施所述工藝的設備16。本發明還還涉及所述工藝或者設備16在包覆渦輪部件中的用途以及能夠通過所述工藝獲得的包覆基板。
【專利說明】用于包覆基板的工藝
【技術領域】
[0001]本發明涉及用于包覆基板的工藝。本發明還涉及用于實施該工藝的設備、能夠通過所述工藝獲得的包覆基板以及所述工藝或者設備在包覆渦輪部件中的用途。
【背景技術】
[0002]在基板表面中嵌入顆粒對于例如在金屬表面上生產有磨蝕作用的涂層而言是有用的，所述金屬表面比如為在航空器發動機或者工業燃氣渦輪機中使用的渦輪的金屬表面。這些有磨蝕作用的涂層通常包含硬質研磨或者切削顆粒，以允許渦輪葉片的尖端在它們前幾小時的操作期間一路切入圍繞殼體的可磨蝕陶瓷密封件中。作為這種磨蝕的結果，渦輪葉片的尖端與殼體之間的間隙被保持得盡可能小。該狹小的間隙具有以下好處:使經過葉片尖端的空氣和其它氣體的旁通流最少化，這于是使因這種高能量氣體的損失而導致的渦輪的能量和效率損失最小化。典型的有磨蝕作用的硬質顆粒由立方氮化硼(cBN)或者碳化硅(SiC)構成。這些硬質顆粒常常被涂覆，以改善它們的氧化穩定性、與特定合金接觸時的熱力學穩定性，或者改善它們與基板的結合。
[0003]用于制備在其中嵌入有顆粒的這種基板表面的工藝是公知的。例如，US5，935，407公開了借助于電鍍技術向金屬基體中嵌入顆粒的方法。然而，所公開的方法是相當復雜和費力的，并且需要數種專用設備和步驟來首先通過低壓等離子噴涂沉積基層，接下來通過粘性電鍍(tack electroplating)將顆粒錨定至基層,接著通過高頻逆向脈沖捕獲電鍍將顆粒嵌入金屬基體中，最后通過高溫熱處理使顆粒成分的一部分擴散到金屬基體中以生成致密基體。此外，US ‘407的方法還需要使用體積相對較大的專用且常常具有毒性的化學試劑，比如表面活性劑和過渡金屬鹽電鍍溶液。另外，還有必要在使用后循環回收和/或處理掉溶液。所希望的是具有用于嵌入顆粒的其它更簡單的方法，其不需要如此多不同類型的技術、設備和化學試劑，特別是溶液。
[0004]嵌入顆粒的另一可供選擇的方法已從美國專利申請US2007/009011A1公知，該美國專利申請公開了:首先通過環氧粘結劑將SiC顆粒固定至載體金屬板，然后在物理氣相沉積(PVD)工藝中用金屬基體涂覆顆粒，接下來將載體板翻轉到基板之上，并將金屬基體硬釬焊至基板，使得顆粒的“腳”被嵌入硬釬焊金屬基體層中。最后，通過彎曲、剝離或者研磨去除載體板。然而，該方法也需要若干不同類型的工藝以及使用不可輕松地回收利用的載體板和環氧粘結劑。此外，基板的表面及其附著顆粒可能在去除載體板的工藝中被損壞。
[0005]應指出的是，將粉末激光包覆或者焊接至基板也是公知的，并且例如在US5，245，155中公開。在這些方法中，基板的表面的一部分被激光束熔化，粉末填料經由激光束的路徑被添加到熔融的表面材料中。粉末通過激光束并且在熔融表面材料中的熔化給予基本由填料形成的焊珠(焊道)，其然后隨著激光的移動離開而固化，以在基板的表面上形成基本上由填料形成的焊縫沉積區。然而，這種方法不適用于形成有磨蝕作用的表面。這是因為磨蝕功能取決于具有帶尖銳小面的切削刃邊的有磨蝕作用的細小顆粒的隨機分布。這些顆粒性能和磨蝕功能在通過US ‘155的方法制備的表面中是缺乏的，因為所有的顆粒都已經熔化并結團，從而已經失去了它們的尖銳特征。應指出的是，DE 41 29 239 Al也公開了具有相似缺點的相似工藝。
[0006]US 5，453，329嘗試在其所公開的用于在基板中嵌入磨蝕顆粒的激光包覆方法中克服該方面。在該方法中，激光被聚集在超級合金基板上，以形成過熱熔融基板材料的小池。細小金屬粉末和涂覆有非反應性封裝熱絕緣層的細小磨蝕微粒的基體共混物借助于粉末供給器被注入受到照射的熔池中。對熔池和分散基體共混物的照射一直繼續，直到金屬粉末和絕緣層的至少表面發生熔化并與池中的超級合金混合從而形成合金混合物為止。然后通過停止照射熔池，來使合金混合物最后固化。
[0007]然而，US ‘329的該激光包覆方法很難控制，并且具有若干缺點。如US ‘329的表I中所公開的，許多磨蝕顆粒具有比由激光生成的過熱熔池溫度(其超過3，000°C )低數百度的熔點。如US ‘329中所公開的，由激光生成的顆粒的過熱經由熔化和結團過程損壞磨蝕顆粒和它們的磨蝕效果。這些過程將分布和形態從小的均勻分布的顆粒(具有帶許多尖銳小面的切削刃邊)改變成大的隨機結團的團塊(具有圓形特征)。這種熔化和結團過程降低所得激光包覆表面的磨蝕性能。激光對顆粒的直接沖擊直接地加熱顆粒，并且可能損壞它們或者改變它們的性能。例如，通過激光燒蝕對比如金屬碳化物和氧化物等磨蝕材料的切鋸是用于使這種材料微結構化的眾所周知的技術。
[0008]US ‘329的方法嘗試通過使顆粒涂覆一薄層的熔點大于大約1，000°C的涂料來限制激光包覆期間的這種損壞。于是有必要在照射熔池的時間長短之間維持一種微秒的平衡，即:照射含有涂覆顆粒的熔池足夠長，以使涂層的一部分熔化，以便它與熔池中的熔融超級合金混合，從而在固化之前形成合金混合物；但又不能照射熔池過長而使涂層下方的顆粒也被熔化和/或損壞。該平衡很難實現，因為供給流和熔池中的各種顆粒對激光損壞的防護程度廣泛不同。例如，最靠近激光與粉末流首先相交的界面的粉末流區域中的顆粒對激光損壞的防護程度相對較低。相比之下，位于粉末流的與該界面相反的一側的顆粒將只暴露于通過介于中間的細小金屬粉末和涂覆微粒得到明顯衰減的激光能量。此外，熔池中的顆粒將被浸沒至各種程度，并且處于各種取向。因此，一些顆粒通過介于中間的熔池對激光的防護程度相對較強，而另一些顆粒的防護程度較低或者完全沒有。該平衡在US ‘329的連續操作中當然更難以實現和維持，因為入射的激光束、粉末供給和熔池以相對較高的速度行進橫跨基板表面，并且粉末也以相對較高的速率被連續地供給至移動的熔池。
[0009]US ‘329的工藝的另一缺點是:公開了表面變得相當不均勻，原因是熔化的涂層在熔池中的充分混合未發生，并且以各種程度富含涂料的局部區域得以形成。這些區域相對于基板的那些區域來說可能具有非常不同的且相對較弱的性能，并且表面的所得不均勻性質可能負面地影響其強度、粘著力和耐熱耐蝕性能。
[0010]US ‘329的工藝的再一缺點是:具有必要的熱絕緣層的磨蝕顆粒的涂層增加了用于原料的額外成本以及額外的處理步驟。此外，對顆粒的涂覆可能負面地改變它們的所需尖銳幾何特征和其它性能。US ‘329的工藝所需的又一附加原料是其基體共混物的細小金屬粉末組分。總之，希望的是具有這樣一種包覆工藝，其比US ‘329的工藝更容易控制，并且不會導致顆粒損壞而且不需要顆粒涂層和細小的金屬粉末。
[0011]US 5，997，248公開了另一種用于在基板中嵌入磨蝕顆粒的激光包覆方法。然而，所公開的方法只適用于覆蓋有至少一層氮化鋁的碳化硅細粒。所公開的唯一示例實際上涉及覆蓋有氮化鋁層以及NiCrAl包覆合金層的碳化硅顆粒。在所公開的方法中，激光束在葉片尖端表面上生成激光光斑以產生熔池，并且包覆SiC顆粒被重力供給至相鄰于激光光斑的區域。沒有提供以這種方法供給顆粒的動機，并且不清楚在該方法中顆粒實際上是否會免受激光損壞。例如，它記載了激光至少部分地將包覆合金熔化到尖端合金中。這于是暗示了 US ‘248的方法與US ‘329的方法的類似之處在于:顆粒需要專用的涂層，并且激光會直接入射到顆粒上以至少部分地熔化它們。
[0012]即使試圖以防止激光直接入射到顆粒上并損壞它們的方式來使用US ‘248的方法，這種工藝也是極難控制的。例如，熔池一般不那么大，例如直徑大約為2_，并且相對于激光光斑來說確實不太大。因此，與激光光斑相鄰的熔池的熔融“彗尾”在面積和體積上是相對比較小的。另外，激光包覆所固有的冷卻速率公知是極高的，例如在106°C /s的程度。熔池的較淺的未被照射的彗尾將冷卻得更快，以致只有大約Ims或更少的時間周期來試圖向快速冷卻的彗尾中注射顆粒。在US ‘248的方法中，進一步使用于供給的極小面積和短時間這些顆粒供給問題復雜化的是以下事實:熔池及其彗尾、激光光斑和顆粒供給正以高速行進橫跨基板的表面。總之，希望的是具有這樣一種包覆工藝，其比US ‘248的工藝更容易控制，并且不會導致顆粒損壞而且不需要專用的顆粒成分和的涂層。
【發明內容】
[0013]從本領域的現有技術狀況出發，本發明的一個目的是提供一種用于包覆基板的工藝，其不遭受在前文中提及的缺點，特別是以下這些缺點:缺乏對顆粒遭受入射激光的損壞的充分保護；缺乏以未涂覆形式或者以各種成分處理顆粒的能力；和缺乏用于熱敏感顆粒的激光包覆的牢靠且可輕松控制的工藝。本發明的其它目的包括提供適合于在所述工藝中使用的設備、能夠通過所述工藝獲得的包覆基板、和所述工藝或者設備在包覆渦輪部件中的用途。
[0014]根據本發明，這些目的通過一種用于包覆基板的工藝得以實現，所述工藝包括以下步驟:將能量束引導到基板的表面的區域上，以在所述表面的所述區域處生成熔融材料池；朝向所述熔融材料池引導顆粒物質流，以便所述顆粒的至少第一部分進入所述熔融材料池；使所述熔融材料池冷卻并固化，從而將所述顆粒的第二部分俘獲在固化的材料池中，以形成被俘獲顆粒，其中，在所述表面的所述區域處被引導的所述能量束呈能量脈沖的形式，并且顆粒物質流呈顆粒的脈沖的形式，并且其中在所述顆粒進入所述能量束的路徑前以及在所述顆粒進入所述熔融材料池前結束所述能量脈沖或者重新定向所述能量束或者使所述能量束在功率上降低，并且其中所述能量脈沖的結束或者所述能量束的重新定向或者所述能量束在功率上的降低被實施成使得所述顆粒通過所述能量束發生的實質熔化、熔合或者形狀改變得到避免。
[0015]根據本發明，這些其它目的首先通過一種設備得以實現，所述設備包括:用于生成能量束的能量束源；用于控制所述能量束的功率的能量束功率控制單元；用于生成能量脈沖的能量脈沖單元；用于向基板的表面的區域上引導所述能量束的能量束引導單元；用于生成顆粒物質流的顆粒物質流源；用于向所述基板的所述表面的所述區域上引導顆粒物質流的顆粒物質流引導單元；用于生成顆粒的脈沖的顆粒物質流脈沖單元，其中，所述設備包括脈沖定時加定序控制單元，所述脈沖定時加定序控制單元被實施成使得所述能量脈沖在所述顆粒到達所述表面的所述區域之前在所述表面的所述區域處產生熔融材料池，并且在所述顆粒進入所述能量束的路徑前以及在所述顆粒進入所述熔融材料池前，使所述能量脈沖結束、轉向或者在功率上降低。所述設備依據本發明被用于包覆基板，優選是渦輪部件。
[0016]本發明借助于以下方案實現這些目的并提供解決該問題的方案:在所述表面的所述區域處被引導的所述能量束呈能量脈沖的形式，并且顆粒物質流呈顆粒脈沖的形式，其中在所述顆粒進入所述能量束的路徑前以及在所述顆粒進入所述熔融材料池前結束所述能量脈沖、重新定向所述能量束或者使所述能量束在功率上降低，并且其中所述能量脈沖的結束、所述能量束的重新定向或者所述能量束在功率上的降低被實施成使得所述顆粒通過所述能量束發生的實質熔化、熔合或者形狀改變得到避免。作為結果，溫度敏感的顆粒在包覆工藝期間不會被能量束損壞，于是它們將以相對完好的狀態被固化的熔池俘獲。因此，希望的顆粒性能，比如磨蝕顆粒的帶許多尖銳小面的切削刃邊，在包覆工藝期間不會受到毀壞，并且顆粒還會作為許多小的被俘獲顆粒均勻地且離散地分布在所得包覆表面之上。通過本發明的方法達成顆粒的這種所需分布和形態于是允許輕松且牢靠地制備具有高度磨蝕作用的表面。
[0017]這些結果于是意外地得以實現，而不必需要在激光包覆工藝中使用的磨蝕顆粒的任何專用涂層。這是相當意外的，原因是US ‘248和US ‘329兩者都公開了它們的磨蝕顆粒的涂層是它們所要求的發明的本質方面。具體說，US ‘329強調了其專用的熱障顆粒涂層在處理期間負責保護磨蝕顆粒免受激光損壞，并且其專用的熱障涂層正是允許其磨蝕顆粒得到滿意激光沉積的關鍵所在。
[0018]此外，這些結果還意外地得以實現，而不必嘗試在包覆工藝中對顆粒進行嚴格受控的部分熔化，其中只有顆粒的薄表面涂層而不是下方的顆粒發生熔化。
[0019]在一優選實施例中，本工藝包括附加的后續步驟，其中將能量束引導到表面的實質不同的區域上，并且在所述實質不同的區域上重復在先步驟。在實質不同的區域上重復步驟允許基板的表面的較大區域在若干重復步驟中得到包覆，并且不會損壞已經包覆了的區域。
[0020]根據另一優選實施例，本工藝包括附加的步驟，其中，在被俘獲顆粒形成后，清潔基板的表面，以去除表面上的第三部分的未被俘獲顆粒。同樣，在本設備的一優選實施例中，本設備附加地包括用于去除作為未被俘獲顆粒的顆粒的表面清潔裝置。去除未被俘獲顆粒確保了表面是清潔的，以便能夠在不受表面上的顆粒污染物阻礙的情況下，實施對表面的其它區域的包覆和其它處理。例如，未被去除的未被俘獲顆粒可能為附近熔池的制備帶來惡影響。此外，這些顆粒自身是有價值的原料，因此在經濟上是值得回收和再次使用它們的。因此，在一個特別優選的實施例中，去除顆粒被用于制備顆粒的其它脈沖。
[0021]根據本工藝的另一優選實施例，顆粒的脈沖被設定為Ims?IOOms的持續時間，優選被設定為5ms?20ms的持續時間，最優選被設定為20ms?30ms的持續時間。同樣,在本設備的另一優選實施例中，本設備附加地包括用于生成持續時間可預設的顆粒脈沖的顆粒脈沖持續時間控制單元。只有在熔池固化前到達的顆粒可能變成被俘獲顆粒。因此，顆粒脈沖的較長持續時間將生成較大量的無效的未被俘獲顆粒，這些未被俘獲顆粒于是將優選有必要被去除并且被可選地再生或者回收。因此，在典型工藝中，只有大約前30ms的顆粒脈沖是有效的，之后到達的顆粒將不會通過固化熔池的俘獲而得以在表面處并入。[0022]在本工藝的又一優選實施例中，顆粒的物質流被設定為5m/s?50m/s的速度,優選為10m/s?30m/s,最優選為大約20m/s。同樣,在本設備的又一優選實施例中，本設備附加地包括用于生成速度可預設的顆粒物質流的顆粒物質流速度控制單元。具有至少大約5m/s的速度有助于使工藝更容易控制且牢靠，原因是顆粒必須在熔池固化前的非常短的時長內到達熔池。因此，較高的速度還能夠使顆粒在熔池中的較高密度得以實現。此外，顆粒的較大速度以及由此得到的較大動能有助于顆粒穿刺到熔池中，并使用于生成、加速和引導顆粒物質流的設備中的堵塞問題最小化。另一方面，過高的速度可能起相反作用。顆粒物質流一般由氣體的噴流推進，而使用較高的氣體速度來生成較高的顆粒速度將趨向于明顯地增大熔池的冷卻速率，從而使得能夠供顆粒進入熔池的時間窗口減小。此外，過高的氣體速度甚至還可能發生作用，以從表面吹走熔池。另外，具有高動能的顆粒可能由于它們回彈或者反彈出熔融材料池，而在工藝中被損失和浪費。
[0023]在本工藝的再一優選實施例中，相對于所述表面的所述區域的平面，以30度?60度、優選為40度?50度的角度來引導顆粒物質流。一般地，將待包覆的基板的表面在其取向上保持大致水平，從而使得生成的熔池不會流走，并且使得顆粒在其到達表面時不會滾走。因此，相對于一般大致上水平的表面的平面具有至少大約30度的角度將使得更容易朝向熔池引導顆粒物質流，原因是對于較大角度來說，垂直于進入顆粒物質流的方向的熔池的截面積將較大。然而，能量束源一般是位于基板上方，并且許多常規能量束源比如電子束源被設計成在大致垂直于被能量束照射的在下表面區域的平面的垂直路徑上向下引導它們的束。因此，以高得多的角度例如靠近90度取向的角度來引導顆粒物質流還將趨于增大能量束路徑與顆粒物質流路徑之間的重疊程度。此外，能量束路徑與顆粒物質流路徑之間的首次重疊將發生在與熔池距離較大處，因為顆粒物質流的入射角接近能量束的入射角。在這種情況下，將有必要在顆粒仍然更遠離基板的熔池時，更早地結束能量脈沖或者轉向能量束或者在功率上降低能量束。這于是使工藝更難以實施和控制，原因是在顆粒較遠時中斷對熔池的照射會進一步縮短能夠供顆粒進入熔池的相對較短的時間周期。
[0024]在本工藝的又一優選實施例中，顆粒是包括碳化硅、立方氮化硼或者金剛石的涂覆或者未涂覆過的顆粒。這些顆粒成分特別有利于制備有磨蝕作用的表面。另外，這些顆粒是相當熱敏感的，并且易于被能量束損壞。因此，這些顆粒極大地受益于本發明的工藝。
[0025]在本工藝的另一優選實施例中，能量束是激光束、電子束、等離子流或者電弧。同樣，在本設備的另一優選實施例中，能量束源是激光束、電子束、等離子流或者電弧源。這種能量束可輕松地獲得在典型基板表面上生成熔融材料池所必需的功率。就生成具有規定持續時間的脈沖而言，以及就偏轉或者結束能量束或者降低它們的功率而言，這些能量束也是可輕松地控制的。此外，這些能量束具有對本工藝來說優選的必要快速反應時間。在一特別優選的工藝中，能量束是激光束。相似地，在一特別優選的設備中，能量束源是激光束源。在本發明的工藝中，激光束特別易于控制和引導。
[0026]在本設備的另一優選實施例中，所述顆粒物質流源具有粉末供給顆粒加速單元，所述粉末供給顆粒加速單元包括:粉末供給單元；氣體供給單元；具有入口和出口的粉末供給管；具有入口和出口和內徑的氣體供給管；和具有入口、出口和內徑的顆粒加速管；和具有入口和出口的擴散噴嘴，其中所述粉末供給管的入口與所述粉末供給單元連通，其中所述氣體供給管的入口與所述氣體供給單元連通，其中所述粉末供給管的出口和氣體供給管的出口連接至所述顆粒加速管的入口，其中所述顆粒加速管的出口連接至所述擴散噴嘴的入口，其中所述氣體供給管優選具有0.3mm?1.2mm、更優選為0.4mm?1.0mm、最優選為0.5mm?0.8mm的內徑，其中所述顆粒加速管優選具有Imm?4mm、更優選為1.5mm?3mm、最優選為1.8mm?2.4mm的內徑,并且其中所述顆粒加速管優選具有2cm?25cm、更優選為IOcm?15cm、最優選為大約12cm的長度。這種粉末供給顆粒加速單元易于使用典型的粉末供給單元來供給，并且它輕松地提供可輕松地控制的脈沖式顆粒物質流，所述可輕松地控制的脈沖式顆粒物質流就脈沖的持續時間、顆粒的速度和顆粒物質流的角度來說具有有用的性能。
[0027]本發明的另一方面涉及能夠通過本發明的用于包覆基板的工藝獲得的相關產物。一個優選實施例是通過本發明的用于包覆基板的工藝獲得的包覆基板。本發明的相關產物的另一優選實施例是能夠通過本發明的工藝獲得的包覆基板，所述包覆基板包括:第一金屬層；和第二金屬層，所述第二金屬層包括金屬基體和分散于其中的被俘獲顆粒，其中被俘獲顆粒是包括碳化硅、立方氮化硼或者金剛石的涂覆或者未涂覆過的顆粒，并且其中金屬基體基本沒有介于金屬基體的成分與被俘獲顆粒的成分之間的混合成分的相(phases)。
[0028]本發明的另一些方面包括本發明的工藝或者設備在用于包覆基板優選是渦輪部件的本工藝中的用途。這種用途于是受益于本發明的工藝和設備的前述優點。在一優選實施例中，本設備和/或工藝的用途在于包覆渦輪部件。在另一優選實施例中，本設備和/或工藝的用途在于用磨蝕涂層包覆金屬表面。在特別優選的實施例中，本設備和/或工藝的用途在于用磨蝕涂層包覆渦輪部件的表面。如先前所論述的，磨蝕涂層的制備特別受益于本工藝，原因是磨蝕顆粒往往是相當熱敏感的，并且磨蝕涂層在生成狹小間隙上為渦輪表面提供優點。
[0029]本領域的技術人員將明白的是，在本發明中有可能沒有限制地組合本發明的各種實施例的主題。例如，可以使上述優選實施例之一的主題無限制地與上述其它優選實施例中的一個或多個的主題組合。通過一個示例來說，根據本工藝的一特別優選的實施例，顆粒是包括碳化硅、立方氮化硼或者金剛石的涂覆或者未涂覆過的顆粒，并且能量束是激光束、電子束、等離子流或者電弧。通過另一示例來說，根據另一特別優選的實施例，本工藝包括附加的步驟，其中能量束被引導到表面的實質不同的區域上，并且在實質不同的區域上重復在先步驟，并且其中在被俘獲顆粒形成后，清潔基板的表面，以去除未被俘獲顆粒的處于表面上的第三部分的顆粒。通過又一示例來說，根據另一特別優選的實施例，包覆渦輪部件是能夠通過本工藝獲得的，并且具有:第一金屬層；第二金屬層，所述第二金屬層包括金屬基體和分散于其中的被俘獲顆粒，其中被俘獲顆粒是包括碳化硅、立方氮化硼或者金剛石的涂覆或者未涂覆過的顆粒，并且其中金屬基體基本沒有介于金屬基體的成分與被俘獲顆粒的成分之間的混合成分的相。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030]下面將參考本發明的多個實施例以及附圖來更詳細地說明本發明。這些示意性附圖示出了:
圖1示出了處于包覆基板的工藝之前的根據本發明的設備的實施例的示意圖。
[0031]圖2示出了處于包覆基板的工藝中的圖1的實施例的示意圖，其中熔融材料池已通過能量束產生，并且顆粒物質流已朝向所述池被弓I導。
[0032]圖3示出了處于包覆基板的工藝中的圖1的實施例的示意圖，其中第一部分的顆粒進入了熔融材料池，并且已在顆粒進入能量束的路徑前以及顆粒進入所述池前結束了能量束的能量脈沖。
[0033]圖4示出了處于包覆基板的工藝中的圖1的實施例的示意圖，其中第二部分的顆粒被俘獲在固化的材料池中，并且顆粒的脈沖已結束。
[0034]圖5示出了根據本發明的粉末供給顆粒加速單元的一種實施例的示意圖。
[0035]圖6示出了使用根據圖1?圖4的工藝包覆的基板的一種實施例的示意圖。
[0036]圖7示出了使用根據圖1?圖4的工藝包覆的一特定基板的顯微照片。
【具體實施方式】
[0037]圖1?4示出了根據本發明的工藝的不同階段。圖1示出了根據本發明的設備的一實施例的示意圖，所述設備作為整體以附圖標記16標出。在圖1中，示出的是在包覆基板(I)的工藝之前的設備。對于形態、形狀或者成分而言，基板(I)不受特別限制。基板
(I)可以由一個或多個層構成，并且可選地可以被涂覆。在一個優選實施例中，基板是渦輪部件，而在另一優選實施例中，它是金屬性的:金屬合金或者金屬超級合金。
[0038]設備(16)包括用于生成能量束(2)的能量束源(17)(圖2)。能量束源(17)和能量束(2)可以是常規的能量束源和能量束，只要它們具有足夠的功率以在基板(I)的表面
(4)的區域(3)處形成熔融材料池(5)即可。在一個實施例中，能量束源(17)是激光束源、電子束源、等離子流源或者電弧源，而能量束(2)是激光束、電子束、等離子流或者電弧。這類能量束源(17)可輕松地獲得必要的功率，并且它們是相對較強烈和集中的，以便能夠在不過度地加熱基板(I)的其余部分的情況下產生熔融材料池(5)。本領域的技術人員將明白的是，也可以使用其它可供選擇的能量束源，只要它們能夠產生熔融材料池(5)并且相對于粉末顆粒向熔融材料池(5)中的后續注射能夠受控并被同步即可。例如，在另一實施例中，能量束源(17)是氧-乙炔燃燒器，而能量束(2)是氧-乙炔火焰。然而，氧-乙炔燃燒器的使用將需要注意以避免過多加熱基板，并且需要響應控制系統來使氧-乙炔火焰與粉末顆粒的注射同步。
[0039]通過能量束⑵對基板⑴的其余部分的過多加熱可能損壞它，或者可能使熔融材料池(5)需要過長的時間來冷卻和固化以形成材料的固化池(8)(圖4)。因此，在根據圖1的實施例中，設備(16)包括:用于控制能量束(2)的功率的能量束功率控制單元(18);用于生成能量脈沖的能量脈沖單元(19);和用于將能量束(2)引導到基板(I)的表面(4)的區域(3)上的能量束引導單元(20)。
[0040]能量束功率控制單元(18)可以是適合于供給前述能量束源(17)的功率要求的任意單元。因此，根據能量束源(17)的要求，可以使用常規的功率供給單元，比如交流、直流和固定或者便攜式電源等。應該明白的是，功率可以在非常大的范圍內變化，以制備具有大范圍的潛在直徑和用于各種潛在基板(I)的熔融材料池(5)。一般而言，使用較高的功率將準許生成較大直徑的池。典型的池直徑實際上將在大約1_?大約4_的程度，因此典型的最小功率將在大約500W的程度。功率的范圍一般將在實際上大約IkW?大約4kW變化，但是也可以使用甚至更高的功率。用于工業焊接激光器的優選功率為大約IkW或者更大，更優選為大約L5kW~大約4kW。更高的功率將允許基板(I)的表面(4)的更大區域(3)得到處理；然而，將需要謹慎，以避免過多地加熱和/或損壞基板(I)。
[0041]能量脈沖單元(19)可以是適合于停止、在功率上降低、移動或者切斷能量以產生能量脈沖形式的能量束(2)的任意可控單元。能量脈沖單元(19)允許能量束(2)的脈沖得到生成，從而使得能量束(2)及其使熔融材料池(5)的生成能夠在本發明的包覆工藝的各步驟中與顆粒(7)的物質流(6) —起被輕松地同步。在一個實施例中，能量脈沖單元(19)是用于接通和斷開能量束(2)的功率的單元。這種開關裝置可輕松地獲得并且可輕松地受控。在另一實施例中，能量脈沖單元(19)包括開閉器或者衰減器機構，用于封閉或者衰減能量束⑵。在一個優選實施例中，能量脈沖單元(19)和能量束功率控制單元(18)可以優選地被一起一體形成到單個單元中，該單個單元具有控制功率和產生能量脈沖(19)的功倉泛。 [0042]能量束引導單元(20)將是適合于將能量束(2)引導向基板(I)的表面(4)的不同區域(3)的任意可控單元。該單元(20)允許能量束(2)在表面(4)的各區域(3)處產生熔融材料池(5)。在一個優選實施例中，能量束引導單元(20)是用于能量束源(17)、噴槍或者束偏轉器的載物臺(stage)。在另一優選實施例中，能量束引導單元(20)包括用于引導激光束的反射鏡。此外，能量束引導單元(20)還可以通過在顆粒(7)進入能量束(2)的路徑或者由能量束(2)產生的熔融材料池(5)之前使能量束(2)重新定向，來保護顆粒(7)不被能量束(2)損壞。能量束引導單元(20)還可以被有利地使用來產生能量脈沖，方法是首先將能量束(2)引導向表面(4)的區域(3)，然后將能量束(2)引導離開表面(4)的區域(3)。在一個優選實施例中，能量束引導單元(20)和能量脈沖單元(19)可以優選地被一起一體形成到單個單元中，該單個單元具有引導能量束(2)和產生能量脈沖(19)的功倉泛。
[0043]能量束⑵相對于表面的區域(3)的平面(15)的寬范圍入射角可以被適當地使用。典型角度將在正交于平面(15)的線的大約45度內變化，就激光束而言一般是在大約20度內變化。
[0044]為了簡明起見為了簡明起見，在以下描述中只提及顆粒(7)的一個物質流(6)和一個顆粒物質流源(21)等，但是應想到的是在本發明中可以使用兩個或更多個的物質流
(6)或者源(21)等。
[0045]如圖1所示實施例所例示的,設備(16)還包括:用于生成顆粒(7)的物質流(6)的顆粒物質流源(21);用于將顆粒(7)的物質流(6)引導到基板⑴的表面⑷的區域(3)上的顆粒物質流引導單元(22);和用于生成顆粒(7)的脈沖的顆粒物質流脈沖單元(23)。顆粒物質流源(21)供給顆粒(7)至工藝，尤其是用于生成顆粒(7)的脈沖，并且它可以包括顆粒(7)的物質流(6)的任意適當的源，比如類似重力控制顆粒料斗的常規粉末供給器或者振動粉末供給器等。另一種可選方式是，可以通過比如機械方式、氣動方式等其它適當的常規手段或者通過基于壓力差的泵送，來輸送顆粒(7)。顆粒物質流源(21)具有生成顆粒(7)的物質流(6)的功能，并且顆粒物質流引導單元(22)和顆粒物質流脈沖單元(23)可以各自可選地作為一體形成零部件被直接并入顆粒物質流源(21)中。應該明白的是，顆粒物質流源(21)需要被實施成使得當顆粒(7)的脈沖被觸發時，具有足夠速度的顆粒(7)的充分致密的物質流(6)被產生得足夠快，從而使得顆粒(7)的至少第一部分進入熔融材料池(5)。如果物質流(6)的密度和/或速度不足，則池(5)會在有用數量的顆粒(7)進入熔融材料池(5)前固化。
[0046]顆粒物質流引導單元(22)可以是適合于引導顆粒(7)的物質流(6)的流動的任意單元。該單元具有以下功能:朝向位于基板(I)的表面(4)的區域(3)處或者可選地位于實質不同的區域處的熔融材料池(5)引導顆粒(7)的物質流(6)。例如，它可以呈噴槍或者噴嘴的形式，或者它可以僅僅呈從顆粒物質流源(21)延伸出的管子的形式。在一替代實施例中，代替引導來自于顆粒物質流源的顆粒(7)的物質流(6)的流動，顆粒物質流引導單元(22)可以呈相對于基板(I)的表面(4)的區域(3)改變和控制顆粒物質流源(21)的取向的載物臺的形式。應該明白的是，顆粒物質流引導單元(22)的內表面將優選是光滑的，以使顆粒在單元中的被俘獲量最少化，從而防止單元的堵塞。
[0047]用于生成顆粒(7)的脈沖的顆粒物質流脈沖單元(23)可以是適合于生成顆粒(7)的脈沖的任意單元。通 過在本發明的工藝中以顆粒(7)的脈沖形式供給顆粒(7)，能夠輕松地實現:相對于能量脈沖的結束或者能量束(2)的重新定向或者能量束(2)在功率上的降低來說，顆粒(7)進入能量束(2)的路徑中和進入熔融材料池(5)中的時機和同步化，從而避免能量束(2)對顆粒(7)造成損壞。如先前論述的，重要的是顆粒(7)的脈沖(I)中的顆粒(7)的物質流(6)的密度和速度是足夠的，以便顆粒(7)的至少第一部分進入熔融材料池(5)。顆粒(7)的脈沖在顆粒(7)的第一部分進入熔融材料池(5)后結束使得能量束
(2)能夠被引導到表面(4)的實質不同的區域上，以制備熔融材料(5)的另一個池。另外，使用盡可能短的顆粒(7)的脈沖使顆粒在工藝中的浪費最少化，該浪費是因顆粒(7)在池(5)已經固化后到達池(5)而引起的。優選地，單元(23)應包括用于生成脈沖的可控上游氣體或者空氣閥，因為這種可控閥能夠輕松地獲得所需的快速反應時間和可控性。此外，這類閥可以是以電子方式可控的，從而與設備(16)的其它單元(比如脈沖定時加定序控制單元(24)等)輕松地交接和同步。
[0048]如圖1中示出的特定實施例所例示的，設備(16)還可以具有顆粒脈沖持續時間控制單元(33)，用于生成持續時間可預設的顆粒(7)的脈沖。生成持續時間可預設的脈沖能夠增強或者簡化對工藝中各步驟的時機的控制，并且將持續時間限制至使得脈沖中的所有顆粒(7)進入熔融材料池(5)所需的最小長度會使工藝中顆粒原料的不必要浪費最少化。
[0049]如在前文中提及的，可以想到的是，在本發明的工藝中可以使用顆粒(7)的兩個或更多個的物質流出)，因此在本發明的設備中可以使用兩個或更多個的顆粒物質流源(21)等。在工藝的一個實施例中，存在兩個或更多個同時操作的顆粒(7)的物質流(6)，優選地這些物質流(6)彼此相對，從而使得熔融材料池(5)在物質流(6)的整個平衡區域中被保持相對較平靜。在設備的一個實施例中，存在兩個或更多個同時操作的顆粒物質流源
(21)和它們的相關聯單元，優選實施成使得所生成的顆粒(7)的物質流(6)彼此相對，以便熔融材料池(5)在物質流(6)的整個平衡區域中被保持相對較平靜。
[0050]如圖1中示出的特定實施例所例示的，設備(16)還可以具有顆粒物質流速度控制單元(34)，用于生成速度可預設的顆粒(7)的物質流出)。如先前所論述的，將速度預設至一定范圍能夠增強或者簡化對工藝中各步驟的時機的控制，以及所得包覆基板0- )的再生性和質量。例如，速度直接影響顆粒(7)在熔融材料池(5)中的可獲得密度。
[0051]如圖1中示出的實施例所例示的，設備(16)還包括脈沖定時加定序控制單元(24)，其實施成使得能量脈沖在顆粒(7)到達表面(4)的區域(3)之前在表面(4)的區域
(3)處產生熔融材料池(5)，并且在顆粒(7)進入能量束(2)的路徑前以及在顆粒(7)進入熔融材料池(5)前，使能量脈沖結束、轉向或者在功率上降低。該單元允許包覆工藝在顆粒
(7)不被損壞的情況下實施，從而避免顆粒(7)通過能量束(2)的充分熔化、熔合或者形狀改變。該單元(24)可以使用提供可控時序的各種器件來起作用。優選地，單元(24)能夠以Ims或者更好的精度來控制時序。在一個優選實施例中，單元(24)以電子方式起作用，并包括可編程邏輯控制器(PLC)和/或個人計算機(PC)。
[0052]如圖2所示，本發明的用于包覆基板的工藝包括以下步驟:將能量束(2)引導到基板⑴的表面⑷的區域⑶上，以在表面⑷的區域⑶處產生熔融材料池(5)。待包覆的基板(I)沒有特別限制，例如，可以是金屬或金屬合金或者超級合金，可選地涂覆有單個或者多個金屬性涂層。基板(I)可以包括比如渦輪或者渦輪部件等各種適當制品的零部件。
[0053]如先前所論述的，熔融材料池(5)的一般實用的直徑應在大約Imm?大約4mm的程度，然而也可以使用更大的直徑，以便更快速地處理表面(4)的更大區域。典型直徑可以便利地在大約0.1mm?大約12mm之間,優選在大約0.5mm?大約4mm之間，更優選在大約1.5mm?大約3mm之間改變。熔融材料池(5)優選應足夠大以便充分數量的顆粒(7)能夠進入它，并且應該足夠深以便顆粒(7)能夠基本浸沒在池中。然而，熔融材料(5)的非常大的池可能需要花費長時間來冷卻和固化。長冷卻時間可能不利地使顆粒(7)在熔融材料池(5)中長期暴露于高溫，從而可能導致顆粒(7)的熔化或者其它熱降解。一般地，熔融材料池(5)應在小于大約Is、優選小于大約0.8s、更優選小于大約0.6s的時長中固化。
[0054]如圖3中示出的實施例所例示的，本發明的工藝包括以下步驟:朝向熔融材料池
(5)引導顆粒(7)的物質流(6)，以便顆粒(7)的至少第一部分進入熔融材料池(5)。如在圖3中示出的實施例所例示的，能量束(2)的能量脈沖已在顆粒(7)進入能量束(2)的路徑前以及在顆粒(7)進入熔融材料(5)的所述池前被結束。在替代實施例中，在顆粒(7)進入能量束(2)的路徑前以及在顆粒(7)進入熔融材料(5)的所述池前，能量束(2)是被重新定向或者在功率上被降低。在這些各種替代實施例中，能量束(2)的能量脈沖的結束或者重新定向或者在功率上的降低被實施成使得顆粒(7)通過能量束(2)發生的充分熔化、熔合或者形狀改變得到避免。
[0055]在包覆工藝期間在接近、等于或高于顆粒(7)的熔點的溫度通過能量束(2)對顆粒(7)的任意充分加熱都可能導致顆粒(7)的充分熔化、熔合或者形狀改變。這種被熱損壞了的顆粒于是在工藝中在很大程度上被浪費，因為它們不會給予基板(I)以未損壞的顆粒(7)的所需性能，比如磨損性(磨蝕性)。
[0056]本領域中公知的各種方法都可以用于確定或者監測顆粒(7)在包覆工藝期間的溫度。例如，紅外線攝影和拍攝可以用于確定顆粒(7)在它們在顆粒(7)的脈沖中向熔融材料池(5)飛行的期間的溫度。替代地，顆粒的加熱從而顆粒的溫度可以基于工藝的各種具體參數基于公知的計算方法計算出，所述各種具體參數包括:能量束(2)的能量密度；顆粒(7)向能量束(2)的暴露時間，其可以進而從它們的速度和軌跡確定；和顆粒能量吸收量，其可以進而例如從它們的尺寸、質量、能量吸收系數和比熱容量確定。
[0057]顆粒(7)的物質流(6)的相對取向沒有特別限制。在一個實施例中，它相對于表面⑷的區域⑶的平面(15)以30度~60度的角度(14)被引導。在一個優選實施例中，它是40度~50度。如先前所論述的，所述角度的使用將使得更容易朝向熔池引導顆粒物質流，原因是對于較大角度來說，垂直于進入顆粒物質流的方向的熔池的截面積將較大，同時仍然使物質流(6)的路徑與能量束(2)的路徑(其一般將與平面(15)大致正交)的重
疊程度最小化。
[0058]顆粒(7)的物質流(6)的速度沒有特別限制。在一個實施例中，它被設定為5m/s~50m/s的速度。在另一實施例中，它優選為10m/s~30m/s,并且在第三實施例中，它最優選為大約20m/s。如先前所論述的，這種速度范圍使工藝變得容易控制且牢靠，同時允許更高密度的顆粒(7)進入熔融材料池(5)，并隨后形成被俘獲顆粒(71)，而不會引起熔融材料池(5)的實質冷卻或者高能量顆粒因它們回彈或者反彈出熔融材料池(5)而發生的損失。
[0059]顆粒(7)可以具有適用于設備(16)和包覆工藝的各種尺寸。典型的顆粒尺寸因此可以在大約0.050mm~大約2mm之間，優選在大約0.08mm~大約0.4mm之間，更優選在大約0.15mm~大約0.40mm之間變化。可以便利地使用典型的在商業上可獲得的顆粒尺寸，比如用于熱噴涂的那些顆粒尺寸。根據其成分和應該給予基板(I)的所需性能，最佳的顆粒尺寸可以變化。較大的顆粒尺寸可以具有以下優點:在熔融材料池(5)中的熔化耐力更強，因為它們起散熱器作用的能力更強。較窄的顆粒尺寸分布能夠有利地改善它們的可加工性和包覆基板的性能。例如，較窄的顆粒尺寸分布能夠增大處理期間顆粒的耐熱性能的均勻性，以及包覆基板0- )的所得表面性質。
[0060]顆粒(7)的形狀也沒有特別限制。大致等軸或者圓形的形狀具有以下優點:它們能夠輕松地被均勻地傳送，并且不易被俘獲或者堵塞在設備(16)中。根據其成分和應該給予基板(I)的所需性能，最佳的顆粒形狀可以變化。
[0061]顆粒(7)的成分也沒有特別限制，可以包括無機和/或有機材料。熱敏感的并且可能受益于向高溫暴露最少的任意顆粒成分都可以被使用，以在本發明的工藝中達到顯著的優點。根據應該給予基板(I)的所需性能，顆粒(7)的最佳成分可以變化。為了生產有磨蝕作用的涂層，顆粒(7)是包括碳化硅、立方氮化硼或者金剛石的優選涂覆或者未涂覆的顆粒。在一特別優選的實施例中，顆粒(7)是碳化硅、立方氮化硼或者金剛石形成的涂覆或者未涂覆的顆粒。這 些成分輕松地為顆粒(7)提供所需的磨蝕和硬度性能。涂覆顆粒的涂層也沒有特別限制，可以優選地包括用于改善磨損性能的鉻。在一個優選實施例中，涂覆顆粒包括碳化硅芯和鉻涂層。另外，與現有技術中一樣，涂覆顆粒可以可選地涂覆有粘合涂層或者隔熱涂層；然而，這類涂層不是必需的。
[0062]如在圖4中示出的實施例所例示的，本發明的工藝包括以下步驟:允許熔融材料池(5)冷卻和固化，從而將顆粒(7)的第二部分俘獲在材料的固化池⑶中，以形成被俘獲顆粒(71)。應該明白的是，優選地，進入熔融材料池(5)的所有顆粒(7)都將變成被俘獲顆粒(71)。然而，如先前所論述的，具有非常高的動能的一些顆粒可以在進入后回彈到池(5)外。這種回彈顆粒于是不會變成被俘獲顆粒(71)，它們相反會變成未被俘獲顆粒(72)。未被俘獲顆粒(72)的其它來源是未恰當地朝向熔融材料池(5)定向的或者在池(5)已固化后到達的顆粒(7)。
[0063]如在圖4中示出的實施例所例示的，顆粒(7)的脈沖已結束。如先前所論述的，在一個實施例中，顆粒的脈沖被設定為Ims?IOOms的持續時間，優選被設定為5ms?20ms的持續時間，最優選被設定為20ms?30ms的持續時間。較短持續時間的顆粒脈沖有利地使顆粒的損耗最少化，否則這些顆粒會在熔融材料池(5)已經冷卻和固化后到達熔融材料池(5)。
[0064]在本工藝的一個實施例中，當前述步驟已經完成后，即被俘獲顆粒(71)已經形成在區域(3)上后，將能量束(2)定向到表面(4)的實質不同的區域上，然后在該實質不同的區域上重復相同的步驟，以在那里形成被俘獲顆粒(71)。在實質不同的區域上重復這些步驟允許基板(I)的更大面積被輕松地包覆。
[0065]在本工藝的另一實施例中，在形成被俘獲顆粒(71)后，清潔基板(5)的表面(4)，以去除表面上的第三部分的未被俘獲顆粒(72)。未被俘獲顆粒(72)的典型來源包括:被錯誤導向的、在熔融材料池(5)已經固化后到達的、或者回彈到熔融材料池(5)外的顆粒(7)。去除未被俘獲顆粒(72)允許基板的其它區域在沒有干擾或者妨礙的情況下得到包覆。因此，用于實施本工藝的設備的一個實施例附加地包括用于去除未被俘獲顆粒(72)的表面清潔裝置(25)。表面清潔裝置(25)可以是適合于去除未被俘獲顆粒(72)的任意裝置。例如，它可以包括空氣流源和用于引導空氣流的器件，比如噴嘴等。一般地，基板(5)的表面
(4)的待清潔的區域將暴露于一股壓縮空氣。
[0066]應該明白的是，與重復本工藝以在實質不同的區域上形成被俘獲顆粒(71)并去除第三部分的未被俘獲顆粒(72)有關的本工藝的這兩個前述實施例可以在沒有限制的情況下組合在再一些實施例中。例如，可以在實質不同的區域上重復包覆工藝之前去除未被俘獲顆粒(72)，以確保該新區域不被顆粒污染，否則所述顆粒將妨礙包覆工藝或者使所得包覆表面的性能退化。
[0067]在本工藝的再一實施例中，將被去除的第三部分的未被俘獲顆粒(72)用于制備顆粒(7)的另一脈沖。循環顆粒原料會改善原料使用的效率，從而降低工藝的總成本。
[0068]在一優選實施例中，設備(16)的顆粒物質流源(21)具有粉末供給顆粒加速單元
(26)。圖5示出了這種粉末供給顆粒加速單元(26)的一種實施例，并且它包括:粉末供給單元(27);氣體供給單元(28);具有入口(291)和出口(292)的粉末供給管(29);具有入口(301)和出口(302)和內徑(dl)的氣體供給管(30);和具有入口(311)、出口(312)、內徑(d2)和長度(314)的顆粒加速管(31);和具有入口(321)和出口(322)的擴散噴嘴(32)。如圖5所示，粉末供給管(29)的入口(291)與粉末供給單元(27)連通，氣體供給管(30)的入口(301)與氣體供給單元(28)連通，粉末供給管(29)的出口(292)和氣體供給管(30)的出口(302)連接至顆粒加速管(31)的入口(311)，而顆粒加速管(31)的出口(312)連接至擴散噴嘴(32)的入口(321)。如先前所論述的，使用典型的粉末供給單元(27)并且使用典型的粉末特別是在熱噴涂工藝中使用的那些，這種粉末供給顆粒加速單元(26)易于供給。此外，所述粉末供給顆粒加速單元(26)輕松地提供易于受控的脈沖顆粒物質流，其就脈沖的持續時間、顆粒的速度和顆粒物質流的角度而言具有有用的性能。
[0069]在一些實施例中，氣體供給管(30)優選具有0.3mm?1.2mm、更優選為0.4mm?
1.0mm、最優選為0.5mm?0.8mm的內徑(dl),并且顆粒加速管(31)優選具有Imm?4mm、更優選為1.5mm?3mm、最優選為1.8mm?2.4mm的內徑(d2),并且顆粒加速管(31)優選具有2cm?25cm、更優選為IOcm?15cm、最優選為大約12cm的長度(314)。應該明白的是，氣體供給管(30)和顆粒加速管(31)的優選尺寸的這些多種不同實施例可以在特定實施例中沒有限制地組合。這些優選尺寸有助于確保能夠以牢靠方式按優選持續時間的脈沖的形式輕松地制得具有優選速度的顆粒(7)的物質流(6)。
[0070]本發明的其它方面是能夠通過本發明的用于包覆基板的工藝獲得的相關產物。一個優選實施例是通過本發明的用于包覆基板的工藝獲得的包覆基板0- )。
[0071]更具體地說，圖6示意性地示出了能夠通過本發明的工藝獲得的這種包覆基板0-)的一種實施例。如本實施例所示，包覆基板0-)包括:第一金屬層(35);和第二金屬層(36)，所述第二金屬層(36)包括金屬基體(361)和分散于其中的被俘獲顆粒(71)，其中被俘獲顆粒(71)是包括碳化硅、立方氮化硼或者金剛石的涂覆或者未涂覆過的顆粒，并且其中金屬基體(361)基本沒有介于金屬基體(361)的成分與被俘獲顆粒(71)的成分之間的混合成分的相(phases)。在一個特定實施例中，第一金屬層(35)、第二金屬層(36)和金屬基體(361)的成分從由金屬、金屬合金和金屬超級合金組成的組中選出。在一個優選實施例中，第一金屬層(35)和第二金屬層(36)的金屬基體(361)的成分基本是相同的,更優選地，金屬基體(361)是第一金屬層(35)的重新固化的成分。在另一特定優選實施例中，第一金屬層(35)和第二金屬層(36)的金屬基體(361)的成分是Ni基超級合金，最優選為IN617。
[0072]為了生產有磨蝕作用的涂層，被俘獲顆粒(71)是包括碳化硅、立方氮化硼或者金剛石的優選涂覆或者未涂覆的顆粒。為了生產有磨蝕作用的涂層，優選的是具有盡可能多的從表面突出的被俘獲顆粒(71)。在圖6中的遠左方或者右方或者在圖7所示顯微照片中的遠左上方可以看見從包覆基板0-)的表面突出的這種被俘獲顆粒(71)。在一特別優選的實施例中，被俘獲顆粒(71)是碳化硅、立方氮化硼或者金剛石形成的涂覆或者未涂覆的顆粒。這些成分輕松地為分 散于包覆基板0-)中的被俘獲顆粒(71)提供所需的磨蝕性能和硬度性能。
[0073]圖7示出了一特定包覆基板0- )的示例性顯微照片。從圖7可以看到:在被俘獲顆粒(71)(本例中為涂覆碳化硅)與它們周圍的金屬基體(361)(本例中為IN617)之間看不見混合成分的反應區域或者相，并且未發生被俘獲顆粒(71)的實質熔化或者熔合。如先前所論述的，能夠通過本發明的工藝獲得的這種包覆基板0- )于是在它們的成分和結構上顯著不同于現有技術的包覆基板，在現有技術的包覆基板中，顆粒要么被完全熔化，要么至少顆粒或者它們的涂層在包覆工藝中被部分地熔化。因此，在現有技術的包覆基板的顯微照片中，由基體材料與顆粒或者它們的涂層的熔化或者熔合所產生的混合相和/或顆粒與它們周圍的基體之間的實質反應區域是可見的。
[0074]本發明的再一方面是本發明的工藝或者設備(16)在包覆基板中的用途。一優選的用途是包覆渦輪部件。
【權利要求】
1.一種用于包覆基板(I)的工藝，包括以下步驟: (i)將能量束(2)引導到所述基板(I)的表面(4)的區域(3)上，以在所述表面(4)的所述區域(3)處生成熔融材料池(5)， (?)朝向所述熔融材料池(5)引導顆粒(7)的物質流(6)，以便所述顆粒(7)的至少第一部分進入所述熔融材料池(5)， (iii)使所述熔融材料池(5)冷卻并固化，從而將所述顆粒(7)的第二部分俘獲在固化的材料池(8)中，以形成被俘獲顆粒(71)，其特征在于， 在所述表面⑷的所述區域⑶處被引導的所述能量束⑵呈能量脈沖的形式，并且顆粒(7)的物質流(6)呈顆粒(7)的脈沖的形式，其中在所述顆粒(7)進入所述能量束(2)的路徑前以及在所述顆粒(7)進入所述熔融材料池(5)前結束所述能量脈沖或者重新定向所述能量束(2)或者使所述能量束(2)在功率上降低，并且其中所述能量脈沖的結束或者所述能量束(2)的重新定向或者所述能量束(2)在功率上的降低被實施成使得所述顆粒(7)通過所述能量束(2)發生的實質熔化、熔合或者形狀改變得到避免。
2.如權利要求1所述的工藝，其中，在所述步驟(i)~(iii)已經在所述區域(3)上完成后，將所述能量束(2)引導到所述表面(4)的實質不同的區域上，并且在所述實質不同的區域上重復步驟(i)~(iii)。
3.如權利要求1或2所述的工藝，其中，在形成所述被俘獲顆粒(71)后，清潔所述基板(5)的所述表面(4)，以去除所述表面上的第三部分的未被俘獲顆粒(72)。
4.如權利要求3所述·的工藝，其中，將被去除的第三部分的未被俘獲顆粒(72)用于制備顆粒(7)的另一脈沖。
5.如權利要求1~4中任一項所述的工藝,其中，將顆粒(7)的脈沖設定為Ims~IOOms的持續時間，優選為5ms~50ms,最優選為20ms~30ms。
6.如權利要求1~5中任一項所述的工藝，其中，將顆粒(7)的物質流(6)設定為5m/s~50m/s的速度,優選為10m/s~30m/s,最優選為大約20m/s。
7.如權利要求1~6中任一項所述的工藝，其中，以30度~60度優選為40度~50度的角度(14)相對于所述表面⑷的所述區域(3)的平面(15)引導顆粒(7)的物質流(6)。
8.如權利要求1~7中任一項所述的工藝，其中，所述顆粒(7)是包含碳化硅、立方氮化硼或者金剛石的涂覆或者未涂覆的顆粒。
9.如權利要求1~8中任一項所述的工藝，其中，所述能量束(2)是激光束、電子束、等離子流或者電弧。
10.一種用于實施如權利要求1~9中任一項所述的工藝的設備，包括: 用于生成能量束(2)的能量束源(17)， 用于控制所述能量束(2)的功率的能量束功率控制單元(18)， 用于生成能量脈沖的能量脈沖單元(19)， 用于向基板⑴的表面⑷的區域⑶上引導所述能量束(2)的能量束引導單元(20)， 用于生成顆粒(7)的物質流(6)的顆粒物質流源(21)， 用于向所述基板(I)的所述表面(4)的所述區域(3)上引導顆粒物質流的顆粒物質流引導單元(22)， 用于生成顆粒(7)的脈沖的顆粒物質流脈沖單元(23)，其特征在于，所述設備(16)包括脈沖定時加定序控制單元(24)，所述脈沖定時加定序控制單元(24)被實施成使得所述能量脈沖在所述顆粒(7)到達所述基板(I)的所述表面(4)的所述區域(3)之前在所述表面(4)的所述區域(3)處產生熔融材料池(5)，并且在所述顆粒(7)進入所述能量束(2)的路徑前以及在所述顆粒(7)進入所述熔融材料池(5)前，使所述能量脈沖結束、轉向或者在功率上降低。
11.如權利要求10所述的設備，還包括用于去除未被俘獲顆粒(72)的表面清潔裝置(25)。
12.如權利要求10或11所述的設備，其中，所述顆粒物質流源(21)具有粉末供給顆粒加速單元(26),所述粉末供給顆粒加速單元(26)包括:粉末供給單元(27);氣體供給單元(28);具有入口(291)和出口(292)的粉末供給管(29);具有入口(301)和出口(302)和內徑(dl)的氣體供給管(30);和具有入口(311)、出口(312)、內徑(d2)和長度(314)的顆粒加速管(31);和具有入口(321)和出口(322)的擴散噴嘴(32)，其中所述粉末供給管(29)的入口(291)與所述粉末供給單元(27)連通，其中所述氣體供給管(30)的入口(301)與所述氣體供給單元(28)連通，其中所述粉末供給管(29)的出口(292)和氣體供給管(30)的出口(302)連接至所述顆粒加速管(31)的入口(311)，其中所述顆粒加速管(31)的出口(312)連接至所述擴散噴嘴(32)的入口(321)，其中所述氣體供給管(30)優選具有0.3mm~1.2mm的內徑(dl)、更優選為0.4mm~1.0mm的內徑(dl)、最優選為0.5mm~0.8mm的內徑(dl),其中所述顆粒加速管(31)優選具有Imm~4mm的內徑(d2)、更優選為1.5mm~3mm的內徑(d2)、最優選為1.8mm~2.4mm的內徑(d2),并且其中所述顆粒加速管(31)優選具有2cm~25cm的 長度(314)、更優選為IOcm~15cm的長度(314)、最優選為大約12cm的長度(314)。
13.如權利要求10~12中任一項所述的設備，具有:用于生成持續時間可預設的顆粒(7)的脈沖的顆粒脈沖持續時間控制單元(33);和用于生成速度可預設的顆粒(7)的物質流(6)的顆粒物質流速度控制單元(34)。
14.如權利要求1~9中任一項所述的工藝或者如權利要求10~13中任一項所述的設備(16)在包覆渦輪部件中的用途。
15.一種能夠根據如權利要求1~9中任一項所述的工藝獲得的包覆基板，包括: 第一金屬層(35), 和第二金屬層(36),所述第二金屬層(36)包括金屬基體(361)和分散于金屬基體中的被俘獲顆粒(71)，其中所述被俘獲顆粒(71)是包含碳化硅、立方氮化硼或者金剛石的涂覆或者未涂覆的顆粒，其特征在于， 所述金屬基體(361)基本沒有處于所述金屬基體(361)的成分與所述被俘獲顆粒(71)的成分之間的混合成分的相。
【文檔編號】B23K26/34GK103717344SQ201280022285
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2012年3月1日 優先權日:2011年5月10日
【發明者】J.H.G.馬特伊 申請人:蘇舍渦輪服務芬洛有限公司