用于hvof噴涂工藝的裝置的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于高速氧氣燃料(HVOF)熱噴涂工藝的裝置(1)，其用于對構件，尤其燃氣渦輪構件進行涂覆。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)，它們全部圍繞并沿著軸線(A)而進行設置。粉末注入器模塊(9)包括以相等的周向距離圍繞軸線(A)而設置的至少四個粉末注入器(8)，以及位于粉末注入器模塊(9)內部的可更換的熱氣區段插件(10)，該熱氣區段插件設計為圓柱形的襯套，具有至少四個開口(11)，所述開口(11)以相等的周向距離圍繞軸線(A)而設置于圓柱體中，其中襯套(10)通過穿過所述開口(11)的至少四個粉末注入器(8)而進行固定。
【專利說明】
用于HVOF噴涂工藝的裝置
技術領域
[0001]本發明涉及對構件，尤其用作燃氣渦輪中的熱氣部件的金屬構件進行涂覆的技術。其涉及根據權利要求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】
[0002]用于發電的燃氣渦輪(GT)的使用在其工作模式上可能是非常不同的。GT可能要么用于在長時間周期內產生恒定數量的電力，所謂“基本加載器”，或者它們可用于平衡相當恒定的能源(核能、GT基本加載器等等)的電力生產之間的差異，其中由于非恒定的可再生能量的增長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/峰化
O
[0003]在GT的壽命內，“加載器”變成“峰化器”是可能的。對于渦輪中的構件和尤其遭遇極端溫度條件的構件而言，這種在工作條件上的變化導致了誘導和抑制模式的差異(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，那些構件將需要更好的抗循環能力。
[0004]此外，對于各個構件，且局部地在構件上，邊界條件是不同的。某些區域更傾斜于疲勞，并且某些其它區域傾向于蠕變、氧化/腐蝕、侵蝕等等。所有那些屬性極強地依賴于通常用于使構件適應于實際的操作邊界條件的涂層。為了響應所需屬性的變化，因此能夠產生具有靈活且單獨定制屬性的涂層受到強烈的關注。
[0005]本申請的
【申請人】已經提交了迄今為止仍未公布的歐洲專利申請(申請號:13160051)。其描述了一種通過為每種單獨粉末使用至少兩個單獨的粉末進料器而用于將涂覆系統應用到渦輪機構件上的方法，粉末可能為均勻的成分或同時噴涂的柔性的復合粉末，其中每種粉末的比率可通過改變進料速率而在線變化。
[0006]用于燃氣渦輪構件的保護性金屬涂層，例如MCrAlY類型(M=Fe、N1、Co或其組合)的保護性金屬涂層通過熱噴涂進行應用，而HVOF噴涂工藝是用于該目的的最經常使用的其中一種技術。
[0007]已知的現有技術狀態是，HVOF系統涉及氣體燃料或液體燃料。液體燃料推進的HVOF系統具有同其氣體燃料推進的配對物相比，它們會產生更緊密涂層的優點。因此液體燃料推進的HVOF系統更具有技術關注度。
[0008]在圖1中示意性地示出了典型的HVOF系統。系統I包括燃燒室2，其中燃料3和氧氣4被輸送進去并燃燒成復雜的氣體混合物5。然后這種混合物5被迫穿過噴嘴6(德拉瓦爾(de-Laval) 區段 )，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燃燒器只在兩個粉末噴射器下工作。這意味著沉積速度、對非對稱的噴點幾何形狀的靈敏度(僅僅由于C2對稱類)、應用例如雙層涂層的情況下耗時的更換工具等等方面的限制。
[0010]利用氣體燃料的HVOF燃燒器通常以單個粉末管線和軸向注入到燃燒室中進行工作。事實上，這些HVOF燃燒器例如具有更穩定的噴點幾何形狀，但由于涂層中的強氧化物的形成而不適合于應用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前設計包括大塊設計，并整體制造出來。在一定水平的不可避免的注入器模塊的熱氣區段的磨損下(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完成。這是昂貴的。
[0012]沒有已知的商業設計容許只更換注入器模塊的退化區段。另外，沒有商用的設計改良，即使當前設計顯示了由于氣體流量的沖擊而造成的極大損失，其是由于非優化設計而造成的，例如在橫截面上的任何突然過渡處(相位(phase)和邊緣)。
[0013]在EP1816229A1中，公開了一種用于HVOF的噴涂裝置，其只包括一個粉末注入管線、以及可圍繞軸線(A)旋轉的工件保持器、在噴涂方向(S)上噴涂的噴嘴、以及用于使旋轉軸線(A)回轉的回轉裝置，其中在(A)和(S)之間存在角度。包圍旋轉軸線(A)的周向表面的所有區域面向噴涂方向一次。利用這種裝置可達到良好的噴涂質量，但一方面對于涂覆工藝仍然需要許多時間，并且另一方面不可能產生具有靈活且單獨定制屬性的涂層。
[0014]因此具有改善的HVOF系統/裝置將具有很大的優勢，其同現有技術狀態已知的系統相比容許減少噴涂工藝的時間以及改善的可維護性、改善的工藝魯棒性和靈活性/能力。額外的優勢是同時可保留與現存的噴涂設備的兼容性。
【發明內容】
[0015]本發明的一個目的是提供一種用于對渦輪機構件進行涂覆的HVOF裝置，其同現有技術狀態已知的系統相比容許減少噴涂工藝的時間以及改善的可維護性、改善的工藝魯棒性和靈活性/能力。同時應保留與現存的噴涂設備的兼容性。
[0016]這些以及其它目的通過根據獨立權利要求1的HVOF裝置來實現。
[0017]本發明的核心是根據權利要求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置的至少四個粉末注入器，另一方面包括位于粉末注入器模塊內部的可更換的熱氣區段插件，其設計為圓柱形的襯套，具有至少四個開口，所述開口圍繞軸線(A)以相等的周向距離設置在圓柱體中，其中襯套由穿過所述開口的至少四個粉末注入器進行固定。
[0018]作為一個優點，熱氣區段插件可在不可避免的磨損之后快速地進行更換，而沒有許多成本和精巧的改造工作。
[0019]根據已知的技術狀態，對于燃燒液體燃料的HVOF熱噴涂系統通常使用兩個粉末注入管線。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。當達到最大粉末流速時，粉末流動，并因此火焰開始脈動并且涂覆工藝變得不穩定。通過利用額外的粉末注入器(最少四個粉末注入器)，在穩定涂覆的條件下可達到較高的沉積速度，粉末注入器根據本申請是以彼此之間相等的距離，以對稱的方式進行設置的。噴點幾何形狀將變得更加穩定。
[0020]本申請的額外的重要優點是所申明的硬件改善(可更換的熱氣區段插件、至少四個粉末注入器)可在有限的時間內可逆地實現于已經存在的裝置/系統中。只有關于機器速度/重復次數和粉末管線控制方面的對準/修改是必須的。因為保持/保留噴點幾何形狀的原因，所有其它額外的工藝參數，如燃燒室壓力、煤油流量、氧氣流量、噴涂距離、機器人程序等等不需要變化。
[0021]根據本發明裝置的一個實施例，圓柱形襯套包括用于所述襯套圍繞軸線A的明確定向的導向槽，其中襯套是從粉末注入器模塊的外面插入的。
[0022]本發明的另一實施例的特征在于，除了上述粉末注入器模塊的特征之外，德拉瓦爾區段具有鈴形設計或至少一種具有圓化邊緣的設計。沒有后者所述那些改良的話，當前商用設計顯示了由于氣體流量的沖擊而引起的極大損失。對于標準設置的沖擊和因此熱力學損失可通過CFD(計算流體動力學)仿真而在橫截面的任何突然過渡處(相位和邊緣)得以清晰地演示。
[0023]鈴形的德拉瓦爾區段可與圓柱形的噴管結合。在這種選擇方案中，氣體在進入粉末注入器模塊之前已經達到最終速度。不需要進一步的膨脹。
[0024]進一步可行的是，德拉瓦爾區段的鈴形設計與粉末注入器模塊/噴管區段的全圓錐形設計結合。
[0025]作為一個優勢，所申明的裝置用于燃氣渦輪構件的HVOF涂層，尤其用于應用MCrAl Y類型的金屬保護性涂層。
【附圖說明】
[0026]現在將通過不同的實施例并參照附圖更完整地解釋本發明。
[0027]圖1在簡圖中顯示了根據現有技術的用于HVOF熱噴涂裝置的配置；
圖2顯示了根據現有技術的具有兩個粉末注入器的粉末注入器模塊的照片；
圖3顯示了根據本發明的具有四個粉末注入器的粉末注入器模塊的照片；
圖4顯示了根據本發明的第一實施例的注入器模塊的切面示意圖；
圖5顯示了根據本發明的一個實施例的可更換的熱氣區段裝置(圓柱形襯套)的照片，
且
圖6，7，8在簡圖中顯示了該裝置的德拉瓦爾區段和噴管的三個實施例。
【具體實施方式】
[0028]本發明使用現有技術狀態和商用液體燃料推進的HVOF設備作為基準，并且實現了關于工藝穩定性/能力/可維護性方面的若干改良。同時保留了與現存的噴涂設備的兼容性。
[0029]第一特征是將額外的粉末注入器應用于注入器模塊上，這可實現更高粉末進給速度的可靠處理，其導致了時間減少，由于對稱性增加而穩定了噴點幾何形狀，并可在有或沒有耗時的更換工具的條件下實現不同粉末類型的同時處理。
[0030]這個特征如圖3與圖2的比較中所示。圖2是根據現有技術的標準粉末注入器模塊9的照片。兩個粉末注入器8是清晰可見的。圖3是根據本發明的具有四個粉末注入器8的粉末注入器模塊9的照片。粉末注入器8對稱地設置在周向方向上，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]根據本發明的裝置的第二特征是可更換的插件10設置于注入器模塊9的流動截面中，從而減少了維護成本，并改善了 HVOF燃燒器的注入器模塊9的可維護性。圖5顯示了圓柱形襯套10形式的插件的照片，其具有開口 11和導向槽12，而圖4顯示了注入器模塊9的切面示意圖。開口 11(這里為四個)以相等的周向距離圍繞軸線A(見圖4)而設置在圓柱體中。四個粉末注入器8穿過開口 11，并將襯套10固定在粉末注入器模塊9中。導向槽12是用于所述襯套10圍繞軸線A的明確定向的擔保器。襯套10從粉末注入器模塊9的外面插入，并可在必要時因為磨損而以簡易的方式進行更換。
[0032]這種改善的HVOF注入器模塊9的原型在本
【申請人】現存的噴涂工作間進行了試驗，其具有四個粉末注入器8和可更換的熱氣區段插件10。為了對用于本
【申請人】的GT的燃氣渦輪葉片進行涂覆，沉積速度可在保留涂層質量(粘合力、涂層厚度分布、多孔性)的條件下翻倍，其相對于利用商用HVOF注入器模塊對葉片進行涂覆而言造成了籌備期減少了大約40%。改善的HVOF裝置的噴點被發現是高度對稱的(圓形的)，即使沒有如標準設置通常需要的那樣特別調整載氣流量。
[0033]可達到以下優點:
改善的注入器模塊可在幾分鐘內實現于現存的設備中，使用標準參數設置以及標準機器人程序(只需要調整副本數量)，并且同標準設置相比獲得相同的沉積效率。火焰(即金剛石沖擊的量/距離)被發現對于標準而言與改善的注入器模塊是相同的。
[0034]對于在構件的關鍵位置由于增加的沉積速率而在涂層中形成殘留應力造成的裂縫只有很低的風險。該實施方式不是復雜的。除了可能額外的粉末進料器之外，所推薦的硬件變化不需要改變現存的噴涂設備/設置，即使用相同的控制器/機器人程序/燃料/氣體等等
當然本發明并不局限于所述的實施例，例如可使用不止四個粉末注入器。
[0035]另外，cro研究具有論證了商用基線設備關于熱力學沖擊的損失方面進行設計改良的潛在可能性。裝置I的德拉瓦爾區段4可通過若干個選擇方案進行改善，其如以下實施例所述:
1.在當前基線設計中通過圓化邊緣除去階梯和相位。這個選擇方案不需要耗時的CFD研究，并減少了沖擊引起的熱力學損失，分別造成輕微增加的粒子速度和較低的涂層多孔性(見圖6)。
[0036]2.德拉瓦爾區段4的鈴形設計與圓柱形噴管7的結合。在這種選擇方案中，氣體在進入粉末注入器模塊9之前已經達到最終速度。不需要進一步的膨脹，并且粉末注入器8/噴管區段7設計為圓柱形，沒有邊緣和相位。改善的設計還消除了基線的噴管7出口處顯著的過度膨脹。較少的沖擊和熱力學損失分別造成了較高的粒子速度和較低的涂層多孔性(見圖7)。
[0037]3.德拉瓦爾區段4的鈴形設計與粉末注入器模塊9/噴管區段7的全圓錐形設計的結合。改善的設計還消除了基線的噴管7出口處顯著的過度膨脹。
[0038]根據本發明的裝置優選用于為燃氣渦輪構件應用MCrAlY類型的金屬保護性涂層。
[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，德拉瓦爾區段7噴管
8粉末注入器9粉末注入器模塊10熱氣區段插件，圓柱形襯套11開口12導向槽。
【主權項】
1.一種用于高速氧氣燃料(HVOF)熱噴涂工藝的裝置(I)，其用于對構件進行涂覆，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)，它們全部圍繞和沿著軸線(A)而設置，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)而設置的至少四個粉末注入器(8)以及位于所述粉末注入器模塊(9)內部的可更換的熱氣區段插件(10)，所述可更換的熱氣區段插件(10)設計為圓柱形的襯套，具有至少四個開口(11)，所述開口(11)以相等的周向距離圍繞所述軸線(A)設置于所述圓柱體中，其中所述襯套(10)通過穿過所述開口(11)的所述至少四個粉末注入器(8)進行固定。2.根據權利要求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.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述德拉瓦爾區段(4)具有鈴形的設計。4.根據權利要求3所述的裝置，其特征在于，所述鈴形的德拉瓦爾區段(4)結合了圓柱形噴管(7)。5.根據權利要求3所述的裝置，其特征在于，所述鈴形的德拉瓦爾區段(4)結合了圓錐形噴管(7)。6.根據權利要求5所述的裝置，其特征在于，所述鈴形的德拉瓦爾區段(4)結合了所述粉末注入器模塊(9)的全圓錐形設計。7.根據權利要求1至6中的任一權利要求所述的裝置，其特征在于，其用于對燃氣渦輪構件進行涂覆。8.根據權利要求1至6中的任一權利要求所述的裝置，其特征在于，其用于應用MCrAlY類型的金屬保護性涂層。
【文檔編號】C23C4/129GK105829570SQ201480071691
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2014年10月10日
【發明人】S.奧里格斯, J.尼沃卡茲, B-T.佐爾勒, U.哈亞納格, W.耿
【申請人】通用電器技術有限公司