在具有隔熱涂層的金屬工件上鉆孔的方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供一種在具有陶瓷外涂層（２）的隔熱涂層（３）的金屬工件（１）上鉆孔的方法，通過激光鉆成一個(gè)沉孔，直到延伸通過陶瓷外涂層但是基本上不進(jìn)入金屬工件的深度，并且隨后激光穿過工件鉆一個(gè)和沉孔對齊的孔，沉孔的直徑比該孔大。（*該技術(shù)在2021年保護(hù)過期，可自由使用*）

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

技術(shù)介紹
用于航空應(yīng)用或者陸基渦輪機(jī)應(yīng)用的燃燒室內(nèi)襯具有一系列的激光鉆孔，它們成某一角度，用來在操作過程中產(chǎn)生冷卻作用。激光鉆成的冷卻孔稱作噴射孔。一個(gè)典型的部件將具有幾千個(gè)噴射孔，以利于合適的冷卻方式。噴射孔一般相對于部件表面以非常陡的角度(例如17°-25°)鉆成(見附圖)。這些噴射孔可以通過三個(gè)不同的方法由激光鉆成環(huán)鉆孔；沖擊鉆孔；或者飛擊式激光(Laser-on-the-Fly)。激光鉆孔的環(huán)鉆方式用聚焦光束穿透材料，然后圍繞孔來回移動(dòng)從而生成孔，它是最費(fèi)時(shí)間的方式。根據(jù)材料厚度和進(jìn)入角度，每個(gè)環(huán)鉆激光鉆孔要花費(fèi)8到12秒。激光鉆孔的沖擊鉆方式使用散焦的激光光束用來生成孔，它采用一系列的脈沖激光射入金屬，直到孔完全生成。根據(jù)材料厚度和進(jìn)入角度，沖擊式激光鉆孔每個(gè)孔要花費(fèi)1到5秒。激光鉆孔的飛擊式激光法使用散焦的激光光束，當(dāng)旋轉(zhuǎn)裝置和激光脈沖的速度同步時(shí)，一次一個(gè)脈沖地在旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)鉆成大量的孔(見美國專利US6130405)。根據(jù)材料厚度和進(jìn)入角度，飛擊式激光法制成的每個(gè)孔花費(fèi)0.3到2秒。用來制成燃燒室內(nèi)襯的典型材料是具有熔點(diǎn)約為2400°F的高溫不銹鋼合金。為了提高這些部件的期望壽命，設(shè)計(jì)工程師給部件增加了一層具有陶瓷外涂層的隔熱涂層(TBC)。如圖所示，TBC一般包括粘合層3，用來將陶瓷外涂層2粘合到金屬底層1。粘合層可以是MCrAlY粘合層，其中M是Ni、Co或者Fe或者Co和Ni的組合；鋁化物粘合層；或者鉑鋁化物粘合層。陶瓷基外涂層可以是，例如由氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯。MCrAlY粘合層可以通過不同的方法涂布，包括等離子噴涂、電子束物理氣相沉積或者濺射，且陶瓷外涂層可以通過不同的方法涂布，包括等離子噴涂、電子束物理氣相沉積、濺射和化學(xué)氣相沉積。陶瓷外涂層具有很高的熔點(diǎn)，例如4500°F。這個(gè)隔熱涂層的增加，雖然提高了部件壽命和發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，但造成了激光鉆孔操作的問題。如圖4所示當(dāng)激光鉆通陶瓷涂層進(jìn)入到基體金屬時(shí)，在底層基體金屬和隔熱涂層相交部位產(chǎn)生大面積的重鑄區(qū)域4。這個(gè)重鑄區(qū)域測量出為0.024英寸厚。一些原始設(shè)備制造商(OEM)的燃燒室內(nèi)襯的設(shè)計(jì)規(guī)格定為最大允許重鑄厚度為0.004英寸。高于容許極限的重鑄層對部件的壽命有害，因?yàn)閼?yīng)力裂紋可能最終從重鑄層生成。重鑄區(qū)域凹窩是在TBC接觸基體金屬處激光作用的直接結(jié)果。由于基體金屬的熔點(diǎn)為2400°F，遠(yuǎn)低于陶瓷外涂層的4500°F，熔化材料具有在結(jié)合點(diǎn)產(chǎn)生小凹窩的趨勢(見圖3)。當(dāng)采用沖擊或者飛擊式激光鉆孔法，在第一和第二脈沖之間產(chǎn)生凹窩。在隨后的完全形成孔所必需的激光脈沖中，熔化的材料被向外排出。當(dāng)材料被向外排出時(shí)，熔化材料的一部分重新沉積在產(chǎn)生的凹窩中。在凹窩中的這些材料的凝固形成了重鑄區(qū)域4的“氣孔”(見圖4)。許多不同的參數(shù)設(shè)定和氣體輔助組合用來減少重鑄“氣泡”。所有組合的結(jié)果都是相近的，檢測到重鑄“氣泡”是明顯存在的。當(dāng)使用環(huán)鉆方式激光鉆孔時(shí)，因?yàn)榧す馐h(huán)繞圓周穿透，重鑄“氣泡”得到消除。然而，由于環(huán)鉆方式生產(chǎn)所述部件需要很長的循環(huán)時(shí)間，所以這不是一個(gè)可以接受的解決方案。 附圖說明本專利技術(shù)將通過參照附圖的實(shí)施例更加具體地講述圖1是鉆有沉孔的工件的示意圖；圖2是具有如本專利技術(shù)所述鉆出的孔的工件的示意圖；圖3是沿圖2中孔6的中心線7向下看到的輔助視圖。圖4是具有依照現(xiàn)有技術(shù)鉆成的孔的工件的示意圖。圖5是沿圖4中孔6的中心線7向下看到的輔助視圖。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)提供一種在具有陶瓷外涂層的隔熱涂層的金屬工件上鉆孔的方法，通過激光鉆成一個(gè)沉孔，直到延伸通過陶瓷外涂層但是基本上不進(jìn)入金屬工件的深度，并且隨后激光穿過工件鉆一個(gè)和沉孔對齊的孔，沉孔的直徑比該孔大。專利技術(shù)詳述目前覆蓋有隔熱涂層(TBC)的航空部件的激光鉆孔(采用沖擊和飛擊式激光(LOF)方法)會(huì)造成激光重鑄凹窩，它可以達(dá)到0.024英寸的厚度。本專利技術(shù)的方法通過使用激光束在鉆噴射冷卻孔之前在隔熱層中形成沉孔，從而明顯減少或者消除激光重鑄凹窩。這種方法可以在具有陶瓷外除層的隔熱涂層的金屬工件上鉆通孔。雖然只提供了具有不銹鋼合金(例如GTD222，Haynesl88或者AMS5878)的燃?xì)鉁u輪機(jī)內(nèi)襯的具體示例，其他的燃?xì)鉁u輪機(jī)部件也可以通過這種方法鉆孔，包括例如渦輪機(jī)葉片以及氣體排放噴嘴。包括其他合金的工件也可以從本方法獲益，包括鎳或者鈷基超合金。如圖所示，工件上的隔熱涂層一般包括粘合層3以便將陶瓷外涂層2粘合到金屬底層1上，以及可包括粘合層和陶瓷外涂層的組合物，它們通過已知技術(shù)方法涂布。一般燃燒室內(nèi)襯的TBC厚度，對于粘合層而言約0.003到0.010英寸，對于陶瓷外涂層而言約0.009到0.020英寸。當(dāng)鉆孔時(shí)，首先用激光鉆出沉孔5(見圖1)。鉆成的沉孔5的直徑大于主孔6，但是同心或者互相對齊。如圖1所示，通過激光鉆孔制成的沉孔5顯示出一個(gè)彎曲的或者圓角式的表面。沉孔5的直徑大于要鉆成的孔6，用來避免在鉆孔6的過程中重鑄“氣泡”的形成。沉孔5延伸或者穿透陶瓷外涂層2，但是基本上不進(jìn)入到金屬底層1。一般沉孔5將延伸進(jìn)入粘合層3，在沉孔的鉆孔過程中粘合層充當(dāng)緩沖層阻止對金屬底層1的破壞。沉孔直徑一般比主孔直徑大50％到150％，最好大75％到125％。一般對于燃燒室內(nèi)襯的冷卻孔6，孔的直徑從大約0.019到0.024英寸，而沉孔直徑從大約0.040到0.050英寸。鉆制完沉孔5后，與沉孔對齊對孔6進(jìn)行激光鉆孔(見圖2)。由于沉孔大于主孔，在TBC和底層結(jié)合部位重鑄氣泡的形成也得到明顯的減少或者避免。實(shí)施例圓柱形高溫不銹鋼合金(AMS 5878)燃燒室內(nèi)襯覆蓋了一層隔熱涂層(TBC)，涂層包括0.003到0.008英寸的NiCrAlY(Mectco Amdry 964)粘合層和通過等離子噴涂施加的0.009到0.014英寸的氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(Mectco 204NS)陶瓷外涂層。需要一系列噴射冷卻孔的燃燒室內(nèi)襯固定到旋轉(zhuǎn)裝置上。旋轉(zhuǎn)裝置是通過CNC控制裝置控制并且和脈沖ND:YAC激光器相結(jié)合的激光加工中心的一部分。根據(jù)孔形設(shè)計(jì)，激光鉆孔的方式既可以是沖擊鉆孔也可以是飛擊式激光鉆孔。部件具有TBC的一側(cè)是噴射孔的入口側(cè)。激光頭設(shè)為噴射孔需要的入口角度(20°)。將激光頭散焦到確定的量，從而生產(chǎn)用于直徑0.020英寸的噴射孔的直徑0.040英寸的沉孔。Lumonics JK-704ND:YAG激光器和200mm集焦透鏡一起使用，并且設(shè)定到LD1操作模式。最初的沉孔操作使用壓縮空氣作為輔助氣體。通過兩個(gè)激光脈沖散焦約0.500英寸形成所需的直徑(0.040英寸)和深度(0.010到0.015英寸)沉孔，該沉孔穿透陶瓷外涂層并且進(jìn)入粘合層，但是不進(jìn)入底層。制成如圖1所示的沉孔5。進(jìn)行激光鉆孔僅僅去除陶瓷外涂層，直到比噴射孔大的直徑。當(dāng)整排沉孔完成后，激光頭然后散射到所確定的位置，形成所需要的直徑為0.020英寸的噴射冷卻孔。噴射冷卻孔鉆孔操作的輔助氣體是氧氣。然后和沉孔時(shí)齊，通過沖擊或者飛擊式激光鉆孔方式鉆噴射孔。制成的噴射冷卻孔具有約0.001到0.002英寸厚的減小的重鑄層。相應(yīng)的沒有制造沉孔的鉆孔操作所制成的噴射冷卻孔產(chǎn)生了大約0.010到0.020英寸厚和大約0.050英寸長的本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種在具有陶瓷外涂層的隔熱涂層的金屬工件上鉆孔的方法，包括：激光鉆成一個(gè)沉孔，直到延伸通過陶瓷外涂層但是基本上不直接進(jìn)入金屬工件的深度；隨后激光穿過工件鉆一個(gè)和沉孔相對齊的孔，沉孔的直徑比該孔大。

【技術(shù)特征摘要】
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【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：G羅林格爾，
申請(專利權(quán))人：渦輪燃燒室科技有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：US[美國]