局部修復受損隔熱層的方法與流程

本發明涉及局部修復受損隔熱層的方法。

航空發動機中的高壓渦輪的葉片組暴露于極具侵蝕性的環境中。通常，此類部件涂覆有氧化保護涂層和隔熱涂層。隔熱涂層用于使底層部件熱隔絕，從而使其維持在其機械性能及其壽命可接受的溫度下。

通過侵蝕、顆粒碰撞、氧化、腐蝕以及鈣鎂鋁硅酸鹽化(CMAS)，系統的特定區域在高溫下使用時可能受損。圖1和2所提供的照片顯示出使用中受損的葉片外觀。此類破壞可導致隔熱層甚至底層的局部消失，從而導致底層氧化。

目前，為了重建隔熱層，已知移除部件的整個隔熱涂層(即使未受損區域)，然后制造一個新的隔熱系統。在特定情形下，甚至可能需要丟棄已受損的具有隔熱層的部件。

存在改善涂覆有隔熱層可使用時間長度的需求。

存在簡化和降低修復受損隔熱層的工藝成本的需求。

還存在提供修復受損隔熱層的新方法的需求。

發明目的和簡介

為此目的，本發明提供了一種局部修復受損隔熱層的方法，所述方法包含下列步驟：

a)使涂覆有受損隔熱層的由導電性材料制成的部件進行電泳處理，所述受損的隔熱層包含陶瓷材料并且存在至少一個待修復的受損區域，所述部件放在電解質中，該電解質是液體介質中的顆粒懸浮液，所述陶瓷涂層在受損區域中通過電泳進行沉積，從而得到能用于大于或等于1000℃溫度的修復隔熱層。

在本發明中，該部件由導電性材料制成，并且受損隔熱層使得在待修復隔熱層內能夠導電，因此能夠在步驟a)過程中在該區域內通過電泳使陶瓷涂層沉積。步驟a)過程中所得陶瓷涂層通過在部件上沉積顆粒而形成。大部分沉積的陶瓷涂層可沉積在受損區域中。換句話說，大于或等于步驟a)過程中沉積的陶瓷涂層總質量的50％的陶瓷涂層質量可能沉積在受損區域。舉例說，該沉積在受損區域內的陶瓷涂層質量可大于或等于步驟a)過程中沉積的陶瓷涂層總質量的75％，或者甚至90％。在實施時，陶瓷涂層可以僅沉積在受損區域內。

有利地，本發明能夠以快速廉價和局部方式修復受損隔熱層，并且因此避免了局部損壞的部件被丟棄或者實際上避免了移除整個受損隔熱層。結果是，本發明能夠延長部件壽命以及削減放回具有已經受損的隔熱層的工作部件的成本。

局部修復的可行性源自電泳沉積的使用，這與通過等離子體濺射(PS)或通過電子束物理氣相沉積(EB-PVD)的沉積方法形成鮮明對比，后者難以或不可能以局部的方式實施修復。

此外，通過電泳沉積的方法提供了能夠在存在復雜形狀的部件上可用的優勢。

修復的隔熱層可以用于隔熱層表面溫度大于或等于1000℃的環境中。

該部件可有利地由金屬材料制成，并且作為舉例，其可以包括鎳。

有利地，在實施步驟a)之前，受損的隔熱層在受損區域內可缺少材料。

在一個實施方式中，可能團聚的顆粒可以以小于或等于10μm的平均粒徑存在。

術語“平均粒徑”用來表示通過半數統計學粒徑分布給出的尺寸，即所知的D50。

例如，非團聚態的顆粒可以具有位于20nm至1μm范圍內的平均粒徑。

此類顆粒粒徑有利地用于獲得穩定的懸浮液。

顆粒可以任選地通過使用溶膠-凝膠技術獲得。因此，在一個實施方式中，在步驟a)之前，該方法可以包括通過實施溶膠-凝膠法獲得顆粒的步驟。隨后，顆粒可以分散于液體介質中，用于形成電解質。

舉例說，電解質顆粒可以是氧化釔穩定的氧化鋯(YSZ)顆粒，其任選地通過溶膠-凝膠技術獲得。還可以使用氧化鋯的顆粒。更具體地，為了通過電泳進行沉積，可以使用能夠在電解質內具有電荷的任何顆粒(由此當施加電場時能夠使它們被移動)。因此，舉例說，可以使用具有下列化學式的顆粒：ZrO₂-ReO_1.5(其中，Re表示稀土元素，例如：Gd，Sm或Er)，Y₂O₃、Al₂O₃、TiO₂或CeO₂。

在一個實施方式中，顆粒可以由存在于受損隔熱層中的相同陶瓷材料制成。

在一個變化方式中，顆粒可以由與存在于受損隔熱層中陶瓷材料不同的材料制成。在此類情形下，構成顆粒的材料和受損隔熱層的陶瓷材料有利地在熱力學和化學上相容。例如，存在于受損隔熱層中的陶瓷材料與構成顆粒的材料的熱膨脹系數之差可以有利地小于或等于2.10^-6K^-1絕對值。

使用不同的材料可以有利地引入其他性質，例如，抗-CMAS性質或溫度敏感材料，由此使隔熱層功能化的同時還修復它。

舉例說，液體介質可以選自：醇類，例如乙醇或異丙醇；酮類，例如乙酰丙酮；水；及其混合物。

在一個實施方式中，在步驟a)開始時，顆粒在液體介質中的濃度可以大于或等于0.1g/L，并且優選大于或等于1克每升(g/L)。

此類濃度數值有利地能夠形成穩定的懸浮液。

在一個實施方式中，沉積的陶瓷涂層的厚度可以大于或等于50納米(nm)，例如大于或等于30微米(μm)。在一個實施方式中，沉積的陶瓷涂層的厚度可以小于或等于200μm。

在一個實施方式中，可以在能夠使隔熱層與部件連接的連接層內涂覆部件，并且陶瓷涂層沉積在連接層上。

連接層有利地用于改善隔熱層與部件的連接。此外，連接層可以有利地保護部件不受氧化和腐蝕。

舉例說，連接層可以由金屬制成。

在一個變化方式中，隔熱層可以直接存在于部件上。因此，在隔熱層和部件之間可以不存在連接層。

在一個實施方式中，步驟a)的持續時間可以大于或等于1分鐘，優選大于或等于5分鐘。

此類數值有利地用于改善所形成陶瓷涂層的遮蓋性能和均一性。

在一個實施方式中，在步驟a)整個過程中或部分過程中，可以在部件和對電極之間施加大于或等于1伏(V)的電壓。在步驟a)整個過程中或部分過程中施加的電壓優選大于或等于50V。

此類數值有利地用于改善所形成陶瓷涂層的遮蓋性質和均一性。

在一個實施方式中，在在步驟a)之前，受損區域可以進行剝離步驟。

剝離有利地用于消除可能存在的隔熱層和氧化層的殘余物，并且還可以改善待修復受損區域的導電性質，從而提高陶瓷涂層的電泳沉積。

剝離還可以以機械方式進行，例如噴砂、砂紙打磨、研磨、高壓水噴射或激光清潔。

在一個變化方式中，剝離可以是化學剝離，例如電解剝離或在酸或堿介質中的剝離。

在剝離之后，在步驟a)開始時，受損隔熱層可以在受損區域內缺少材料。

在一個實施方式中，在步驟a)之后，該方法可以包括步驟b)：通過使所沉積的陶瓷涂層熱處理進行固結。

舉例說，步驟b)可以包括使步驟a)之后所得部件經受大于或等于1000℃例如大于或等于1100℃的溫度。

在一個實施方式中，部件構成渦輪發動機葉片。

附圖簡介

本發明的其它特征和優勢通過所給下列詳述結合附圖是顯而易見的。其中：

·圖1是使用中受損的渦輪發動機葉片照片；

·圖2包括使用中受損的渦輪發動機的照片以及闡釋受損隔熱層結構的截面圖；

·圖3A和3B用示意圖且截面圖表明本發明方法的實施過程；以及

·圖4A和4B是顯示出通過本發明方法處理前后部件各自的照片。

實施方式詳述

圖2顯示出，部件1，例如由鎳基超合金制成，涂有粘附層2，其上面存在隔熱層3。在粘附層2和受損隔熱層3之間存在氧化層2a。氧化層2a可以由α-Al₂O₃制成。受損隔熱層3包含陶瓷材料，并且其存在待修復的受損區域4。

受損區域4可以有至少一個未受損的鄰近區域。在所示實例中，受損區域4位于兩個未受損的鄰近區域5a和5b之間。

圖3A顯示出本發明步驟a)的實施方式。如圖所示，帶有受損隔熱層3的部件1放在電解質10中。該電解質是液體介質中的顆粒11。舉例說，顆粒11可以是氧化釔穩定的氧化鋯(氧化鋯被氧化釔穩定)。

舉例說，在一個實施方式中，下面描述形成顆粒11所用的氧化釔穩定的氧化鋯粉末的溶膠-凝膠合成步驟：

·混合乙酰丙酮的1-丙醇溶液和鋯丙醇氧化物(Zr(OC₃H₇)₄)；

·混合所得混合物與硝酸釔的1-丙醇溶液；

·混合所得混合物與水和1-丙醇(10摩爾每升(mol/L)，從而獲得溶膠；

·在50℃溫度下烤干凝膠；

·蒸發干燥或超臨界干燥；以及

·在700℃溫度下在空氣中煅燒。

以此方式獲得的氧化物粉末(氧化釔穩定的氧化鋯)隨后懸浮于液體介質(如由異丙醇構成)中，形成電解質10。

涂覆有受損隔熱層3的部件1構成電泳系統的一個電極，并且該系統具有與其對置的對電極20。舉例說，對電極20由鉑制成。由于部件1和受損區域4的導電性質，電泳沉積發生在受損區域4內。在所示實施例中，受損區域4由缺材料的區域構成。在一個未示出的變化方式中，受損區域包含缺少材料的第一區域以及存在陶瓷層的第二區域。第二區域中陶瓷層的厚度足夠小，以使第二區域具有導電性。在另一變化方式中，受損區域包含有陶瓷層的區域。陶瓷層的厚度足夠小到使該區域具有導電性。

沉積優先發生在最導電的區域內(陶瓷層的厚度足夠小或根本不存在陶瓷層)，因為電場在此類區域較高。

一個實施方式顯示出，受損隔熱層3具有待修復的單個受損區域4，然而，具有多個待修復的受損區域的受損隔熱層同樣不超出本發明的范圍。在此類情形之下，每個待修復的受損區域均為導電性的。

在步驟a)過程中，發電機G在部件1和對電極20之間施加電勢差。發電機G產生直流(DC)或脈沖。施加偏壓，使部件1具有與顆粒11電荷相反的電荷。在施加在部件1和對電極20之間的電場作用下，顆粒11移動并且開始沉積在部件1上，從而形成陶瓷涂層6。在受損區域4內沉積陶瓷涂層6能夠獲得修復的隔熱層7。隨著時間變化，在受損區域4內沉積陶瓷涂層6進一步降低該區域的導電性。特別是，伴隨著陶瓷涂層6的持續沉積，該區域變得越來越絕緣，由此降低或甚至停止陶瓷涂層6在部件1上的生成。

如圖所示，陶瓷涂層6沉積在受損區域4內，并且覆蓋受損區域4的整個表面。

有利地，當沉積陶瓷涂層6時，受損的隔熱層3未覆蓋在掩膜內。掩膜會在待修復的受損區域4上留下缺口。此外，在步驟a)之前無需移除位于待修復的受損區域4之外的受損隔熱層3的部分。

陶瓷涂層6可以有大于或等于50nm的厚度e，例如大于或等于30μm的厚度。在陶瓷涂層6的厚度e與垂直于涂覆部件1的表面S所測量的最大尺寸一致。

在步驟a)之后，可以使陶瓷涂層6進行干燥，隨后熱處理進行固結。

實施例

所使用的是通過電子束物理氣相沉積(ED-PVD)獲得的氧化釔穩定的氧化鋯(YSZ)隔熱層所涂覆的鎳基超合金部件。隔熱層首先用水力噴射破壞。圖4A顯示出損壞后所得結果。

使用YSZ粉末在異丙醇中的懸浮液(10g/L)，在100V的電壓下進行電泳沉積六分鐘。本發明方法處理之后的部件的照片示于圖4B中。

可以看出，在整個受損區域上得到氧化釔穩定的氧化鋯的覆蓋和均勻沉積。

術語“包含/含有一/一個”應當理解為“包含/含有至少一個”。

術語“位于…至…的范圍之內”應當理解為包括范圍的邊界。