局部清潔方法及設備的制作方法
【專利摘要】方法和設備，經氧化的金屬表面可通過所述方法和設備制得，以用于隨后的修復操作而不過量去除母金屬材料。將至少一種氣體供應至部件的金屬表面的有限部分，且在所述氣體的存在下將所述有限部分局部加熱至處理溫度，所述處理溫度足以使所述氣體或由所述氣體形成的氣體從所述金屬表面的有限部分以化學方式去除氧化物。不將所述金屬表面的至少第二部分局部加熱至所述處理溫度。
【專利說明】局部清潔方法及設備
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2011年8月31日提交的美國臨時申請N0.61/529,622和2012年8月28日提交的美國申請N0.13/596，204的權益，所述專利的內容以引用方式并入本說明書。
【背景技術】
[0003]本發明通常涉及清潔方法和設備。更特別地，本發明涉及適用于清潔部件的氧化表面，例如渦輪機翼型部件的內表面的清潔方法和設備，以及這種部件的隨后修復。
[0004]部件(例如燃氣渦輪發動機的燃燒器內襯和渦輪機葉片(動葉)和靜葉(噴嘴))的內部冷卻常用于降低它們的使用溫度，這允許發動機在更高溫度下更有效地操作。燃氣渦輪發動機的風冷(air-cooled)部件通常要求冷卻空氣流在被排放通過仔細構造的冷卻孔(或槽)之前傳送通過部件內的冷卻回路，所述冷卻孔(或槽)將冷卻膜分布于部件表面之上以增加冷卻流的效力。冷卻孔形成和構造的方法是關鍵的，因為每個冷卻孔開口的尺寸、形狀和表面條件決定離開孔的空氣流的量，并影響含有孔的冷卻回路內的總體流動分布。
[0005]位于燃氣渦輪發動機的高溫部分中的風冷部件通常由高溫合金形成。在發動機操作過程中這些部件所經受的劇烈高溫條件可導致各種類型的損壞或劣化。例如，由于外來物沖擊(外來物損壞或F0D)，在使用過程中，侵蝕、裂紋和其他表面不連續往往在渦輪機葉片和靜葉的尖端(tip)和后緣形成。由于高溫合金的材料和加工成本相對較高，因此損壞或磨損的高溫合金部件的修復通常比替換更加優選。
[0006]圖1示意性地表示高壓渦輪機葉片10的葉片尖端區域。深的尖端裂紋12存在于葉片尖端中，并穿透尖端內的冷卻孔14。圖1中表示的類型的深的尖端裂紋可通過如下方式修復:首先機械傳送出(rout out)裂紋以去除經氧化的金屬材料,并由此產生可例如通過鎢極惰性氣體(TIG)焊接修復的清潔的可潤濕的表面。然而,機械傳送可導致過量的材料去除，這具有將母材中的裂紋增大至熔融焊接材料能夠更容易地滲透部件的壁的程度的作用。在諸如葉片10的風冷渦輪機翼型部件的情況中，已滲透壁的熔融焊接材料的表面張力可使得焊接材料在葉片10的冷卻通道內形成隆起(有時稱為焊穿(drop-through)的現象)。除了不利地增加經修復的葉片的重量之外，焊穿的焊接材料可阻礙通過葉片10內的冷卻空氣回路的空氣流。
[0007]鑒于上述，有利的是可得到一種能夠產生可修復表面的修復方法，所述可修復表面保持母金屬材料，還提供能夠接收焊接修復的清潔的可潤濕的表面。還有利的是提供一種經修復的渦輪機葉片，其發生極少的或沒有由于進行修復過程而產生的重量影響。
【發明內容】
[0008]本發明提供了一種方法和設備，經氧化的金屬表面可通過所述方法和設備制得，以用于隨后的修復操作而不過量去除母金屬材料。舉例而言，可從母金屬材料中選擇性地清潔表面氧化物，以提供用于隨后的焊接修復操作的可潤濕表面。所述方法優選不增大金屬材料中的裂紋，從而可在整個清潔過程中保持裂紋的尺寸。[0009]根據本發明的第一方面，所述方法包括將至少一種氣體供應至部件的金屬表面的有限部分，并且在所述至少一種氣體的存在下局部加熱所述金屬表面的有限部分。將部件的有限部分加熱至處理溫度，所述處理溫度足以使所述至少一種氣體或由所述至少一種氣體形成的氣體從所述金屬表面的有限部分而不從未局部加熱至處理溫度的金屬表面的至少第二部分以化學方式去除氧化物。
[0010]根據本發明的第二方面，所述設備包括用于將至少一種氣體供應至部件的金屬表面的有限部分的裝置和用于局部加熱所述金屬表面的有限部分的裝置。所述設備適于在所述至少一種氣體的存在下將所述有限部分局部加熱至處理溫度，所述處理溫度足以使所述至少一種氣體或由所述至少一種氣體形成的氣體從其金屬表面而不從未局部加熱至處理溫度的金屬表面的至少第二部分以化學方式去除氧化物。
[0011]本發明的技術效果是，當試圖修復具有內部通道的部件時，能夠保持母金屬表面材料，這降低或避免了焊穿的發生。
[0012]根據如下詳細描述，將更好地理解本發明的其他方面和優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1表示包括需要修復(如由裂紋所證實)的葉片尖端區域的高壓渦輪機葉片的一部分的側視圖。
[0014]圖2為根據本發明的一個實施例準備在渦輪機葉片的葉片尖端區域上進行清潔過程的設備的透視圖。
【具體實施方式】
[0015]圖2示意性地表示設備16，其適于進行如下過程:通過所述過程，金屬表面可準備用于修復操作而無需不必要地去除母金屬材料。特別地，設備16優選適于選擇性地制備部件的表面，所述表面在所示實例中包括鄰近高壓渦輪機葉片18的葉片尖端20的表面區域，所述表面區域用于隨后的通過從母金屬材料中以化學方式去除表面氧化物以產生用于焊接修復的可潤濕表面的焊接修復。設備16表示為包括清潔容器或室22、適于作為用于加熱室22內的葉片尖端20的裝置的感應線圈24，和引入室22中以及葉片18的內部中的原料源26。
[0016]圖2表示修復方案的非限制性的例子，其中需要修復的葉片18的有限部分為從葉片尖端20延伸有限距離(例如，大概二分之一英寸(約1.3cm))的葉片18的葉片尖端區域。葉片18在圖2中表示為在所述區域內具有葉片尖端裂紋28，以及緊密鄰近裂紋28并在一些情況中與裂紋28相交的冷卻孔30。設備16用于清潔裂紋28內和裂紋28周圍的表面，之后裂紋28可填充修復材料。葉片18的材料可為等軸的定向固化的或單晶合金，而修復材料通常由基本材料與葉片18的基本材料相同的合金形成。在清潔之后，由于圍繞裂紋28的表面不含氧化物，在葉片尖端20處的葉片18的部分優選能夠易于接受焊接修復。
[0017]在清潔裂紋28之前，葉片18的外表面優選剝離涂層，例如金屬和金屬間環境涂層(包括擴散鋁化物和鋁化鉬涂層)。這種涂層可根據已知慣例剝離，例如使用本領域已知的酸清潔方法。一個或多個外涂層優選從待清潔的葉片尖端區域以及從通過葉片尖端區域而與葉片尖端20間隔的葉片翼型32的剩余部分剝離。在外涂層的剝離過程中，存在于葉片18的內部特征(例如冷卻回路)上的涂層優選用合適的掩蔽劑(maskant)掩蔽(mask)。在已去除葉片18的外表面上的任何涂層之后，優選例如通過加熱葉片18(如果掩蔽劑由有機材料形成的話)而去除內部掩蔽劑。如本領域已知，剝離過程可能需要重復，直至去除所有的外涂層。然而，從葉片18的表面以化學方式剝離金屬和金屬間涂層的過程不去除可存在于裂紋28內和與裂紋28相鄰的葉片18的表面上的氧化物和其他耐火材料。如本領域已知，需要焊接修復的葉片18的表面上的氧化物和耐火材料的存在抑制了表面被焊接填充材料潤濕。降低的潤濕需要使用相對大量的焊接填充材料來完成修復，這轉而增加了焊接焊穿的風險。
[0018]為了從裂紋28中和裂紋28周圍的葉片18的表面清潔氧化物和耐火材料，本發明優選使用化學清潔技術。舉例而言，氟化氫氣體可在氟離子清潔(FIC)技術中使用，以使在葉片18的表面上形成的氧化物化學反應并去除所述氧化物(例如氧化鋁和氧化鉻)，如由如下反應所示例:
[0019]6HF+A1203 — 2A1F3+3H20
[0020]6HF+Cr203 — 2CrF3+3H20
[0021]這些反應產生揮發性氟化物，所述揮發性氟化物在高溫下升華，但在低于約1400° F (約760°C)的溫度下為相對惰性。其他氧化物也能夠以類似的方式與氟化氫反
應。
[0022]盡管氟化氫氣體可用作原料26并直接施用至裂紋28的表面和緊密鄰近裂紋28的葉片18的表面，但優選的原料26最初不與氧化物反應，且必須被充分加熱以從裂紋28去除氧化物。更優選地，原料26為氣體，所述氣體不與氧化物反應，但在高溫下發生轉化而形成能夠與來自金屬表面的氧化物反應并去除所述氧化物的氟化氫或其他氣體。顯著的例子為當充分加熱時可產生氟化氫氣體的含氟原料26。非限制性的例子包括在與氫混合而形成氟化氫氣體之后可熱分解的碳氟化合物。特定的例子為R_134a (1，1，1，2-四氟乙烷)，其可根據如下反應熱分解而形成氟化氫氣體:
[0023]C2H2F4+5H2 — 4HF+2CH4
[0024]原位(in situ)產生氟化氫氣體的合適的方法的例子更詳細地描述于美國專利N0.8，206，488和美國專利申請公開N0.2010/0108107中。
[0025]根據本發明的另一優選方面，設備16構造用于僅在待進行修復的葉片18的那些部分(例如葉片尖端20的裂紋28)內選擇性原位產生氟化氫，并因此受益于氧化物和可能的其他耐火化合物的去除。如圖2明顯看出，設備16可構造為使得其感應線圈24 (或另一合適的加熱裝置)可與葉片尖端20緊密相鄰設置，以實現鄰近葉片尖端20的葉片18的有限部分的局部選擇性加熱。感應線圈24為用于本發明的特定的合適的加熱裝置的一個顯著的例子，原因在于線圈24能夠將葉片尖端20選擇性加熱至可控的高溫。另外，線圈24可構造為形狀對應于葉片尖端20以及需要類似處理的其他部件的有限部分的復雜幾何形狀。在前述例子中，線圈24可構造為選擇性加熱在葉片尖端20的約二分之一英寸(約
1.3cm)內的葉片18的表面，并可用于將所述有限區域加熱至足以在氫氣的存在下熱分解含氟原料26而形成氟化氫的溫度。優選地，葉片18的剩余區域不發生氧化物的去除，因為它們未經受局部加熱至原料26的熱分解溫度。
[0026]為了避免對葉片18的任何涂層或金屬表面的損壞，葉片尖端20的區域中的材料的溫度優選保持為低于可保持于葉片18的內部(例如與葉片18的內部冷卻回路內的鋁化物涂層相關的擴散區)的任何涂層的熔點。為此目的，進行本發明的清潔方法的特別合適的溫度通常為約1150°C或更低，盡管更高的溫度可為可能的。通過局部加熱和清潔葉片18的過程，葉片18的其他區域(例如燕尾榫和內部葉片特征)將經受最少的熱應力，并優選不需要掩蔽來保護遠離葉片尖端20的葉片18的表面。實際上，在裂紋28的緊密附近局部加熱允許葉片18的其他區域保持在一定溫度下，用于從裂紋28剝離氧化物的氣體在所述溫度以下產生和存在，使得葉片18的其他區域有效的掩蔽而避免清潔操作。
[0027]在清潔葉片尖端20的過程中，整個葉片18和感應線圈24可設置于在室22內建立的受控環境內。舉例而言，室22可被抽空并回填氫氣，所述氫氣隨后可在室22的內部內獲得以用于與原料26反應而形成氟化氫。原料26可以以任何合適的方式引入室22中，但在優選的實施例中例如通過通向葉片18的內部冷卻回路的開口而直接引入葉片18的內部。如圖2中示意性表示，通向內部冷卻回路的開口通常位于葉片18的底部，所述底部由基座34封閉，葉片18在室22內被支撐在基座34上。以此方式，原料26和用于使原料氣體26反應的氫氣均存在于葉片18的冷卻孔30處，盡管僅有在感應線圈24附近的那些冷卻孔30被充分加熱以產生從裂紋28的表面去除氧化物的氟化氫氣體。
[0028]清潔處理優選進行如下持續時間，所述持續時間足以從葉片尖端20附近的葉片18的表面且特別是位于葉片尖端20處的裂紋28去除氧化物。據信15分鐘在許多情況中是足夠的，盡管可預期更長和更短的持續時間。之后，可關閉感應線圈24的電源，室22可回填惰性氣體或非反應性氣體，例如氬氣。任選地，室22內的溫度可隨后增加至例如約2200° F (約1200°C)的溫度，同時在室22內抽真空以去除任何殘余的氟。可選擇地或另外地，可用氫氣吹洗室22，以從室22中去除氟氣。
[0029]一旦已經從裂紋28中和裂紋28周圍的葉片18的表面區域去除氧化物，葉片18則可經受合適的修復 和/或重建過程。作為一個非限制性的例子，可將葉片18置于焊接箱中，并進行鎢惰性氣體(TIG)焊接以修復裂紋28。由于氧化物從裂紋28去除而無需機械干預(例如傳送、研磨等)，因此在清潔操作之前裂紋28優選不大于它們的尺寸，使得裂紋28可更易于填充合適的填料材料。在裂紋28的表面上基本上不存在氧化物的情況下，相比于依賴于機械干預而從裂紋28去除氧化物的常規修復過程，熔融金屬填料材料能夠芯吸至(wickinto)裂紋28中，并同時顯示出更小的填料焊穿趨勢。
[0030]除了修復裂紋28之外，葉片18的進一步加工可能需要修復或重建葉片18的其他部分，例如修復或重建葉片尖端20處的聲響器(squealer)尖端(未顯示)。一旦完成葉片18的修復，葉片18的經修復/經重建的部分可進行進一步的加工，例如沉積合適的金屬或金屬間涂層以替換或恢復在清潔過程之前去除的涂層。作為非限制性的例子，可使用化學氣相沉積(CVD)技術用擴散鋁化物或鋁化鉬涂層再涂布至少葉片18的經修復的部分。在焊接修復之后，葉片18也可進行合適的熱處理，以減輕由于修復過程而在葉片18中引起的應力。
[0031]如以上證實，本發明的優選實施例偏離常規焊接制備方法，在常規焊接制備方法中裂紋表面上的氧化物將通過機械方式(如傳送或研磨)去除。這樣，本發明能夠避免與這種常規清潔技術相關的問題，包括另外的母金屬的去除，所述另外的母金屬的去除將導致裂紋28增大并增加填充物焊穿的發生。[0032]盡管就具體實施例而言描述了本發明，明顯的是本領域技術人員可采用其他形式。例如，設備16和葉片18的物理構造可不同于所顯示的那些，可使用不同于那些所述的材料和加工參數。因此，本發明的范圍僅由如下權利要求書限定。
【權利要求】
1.一種方法，其包括: 將至少一種氣體供應至部件的金屬表面的有限部分；以及 在所述至少一種氣體的存在下將所述金屬表面的有限部分局部加熱至處理溫度，所述處理溫度足以使所述至少一種氣體或由所述至少一種氣體形成的氣體從所述金屬表面的有限部分而不從未局部加熱至所述處理溫度的金屬表面的至少第二部分以化學方式去除氧化物。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述金屬表面不經受用于從所述金屬表面的有限部分機械去除氧化物的裝置。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，裂紋存在于所述金屬表面的有限部分中，且所述局部加熱步驟使氧化物從所述裂紋的表面以化學方式去除。
4.根據權利要求3所述的方法，其還包括在從裂紋表面去除氧化物之后進行焊接修復過程以填充裂紋。
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述氧化物通過氟離子清潔而從所述金屬表面的有限部分以化學方式去除。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述至少一種氣體為含氟氣體，所述局部加熱步驟在氫氣的存在下進行，并使所述含氟氣體與氫氣反應以在所述部件的有限部分處而不在部件的所述第二部分處形成氟化氫，并且在所述局部加熱步驟過程中所述氟化氫從所述金屬表面的有限部分以化學方式去除氧化物。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述含氟氣體為碳氟化合物。
8.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述部件具有內表面和在所述內表面上的金屬或金屬間涂層，且所述處理溫度低于涂層的熔點，以不在所述局部加熱步驟過程中損壞所述部件的涂層和金屬表面。
9.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述局部加熱步驟使用感應線圈進行，所述感應線圈圍繞所述部件的有限部分而不圍繞所述部件的第二部分。
10.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述部件為渦輪機翼型部件。
11.根據權利要求10所述的方法，其特征在于，所述部件的有限部分為其葉片尖端區域。
12.根據權利要求11所述的方法，其特征在于，所述部件的第二部分為通過葉片尖端區域而與葉片尖端間隔的翼型部分。
13.根據權利要求10所述的方法，其特征在于，在所述局部加熱步驟之前，將位于所述部件外部的金屬表面的部分剝離金屬和/或金屬間涂層。
14.一種設備,其包括: 用于將至少一種氣體供應至部件的金屬表面的有限部分的裝置；以及 用于在所述至少一種氣體的存在下將所述金屬表面的有限部分局部加熱至處理溫度的裝置，所述處理溫度足以使所述至少一種氣體或由所述至少一種氣體形成的氣體從所述金屬表面的有限部分而不從未局部加熱至所述處理溫度的金屬表面的至少第二部分以化學方式去除氧化物。
15.根據權利要求14所述的設備，其特征在于，所述至少一種氣體為含氟氣體，所述設備還包括用于將氫氣供應至所述部件的有限部分的裝置，且所述加熱裝置可操作用以使氫氣和含氟氣體反應，以在所述部件的有限部分處而不在所述部件的第二部分處形成氟化氫。
16.根據權利要求15所述的設備，其特征在于，所述含氟氣體為碳氟化合物。
17.根據權利要求14所述的設備，其特征在于，所述加熱裝置將所述處理溫度限制至不超過1150°C。
18.根據權利要求14所述的設備，其特征在于，所述局部加熱步驟使用感應線圈進行，所述感應線圈構造為圍繞所述部件的有限部分而不圍繞所述部件的第二部分。
19.根據權利要求14所述的設備，所述設備還包括室，所述室容納所述加熱裝置，且所述供應裝置將所述至少一種氣體供應至所述室中。
20.根據權利要求19所述的設備，其特征在于，所述供應裝置將所述至少一種氣體直接供應至所述部件內的內部腔體，所述設備還包括用于將第二氣體供應至所述室的內部的裝置，且所述加熱裝置可操作用以使所述至少一種氣體和所述第二氣體在所述部件的有限部分而不在所述 部件的第二部分處反應。
【文檔編號】B23P6/04GK103781942SQ201280041963
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2012年8月30日 優先權日:2011年8月31日
【發明者】T.E.曼特科夫斯基, M.M.奧爾茲, N.N.達斯 申請人:通用電氣公司