[发明专利]用于通过使能量穿过多芯光纤传播而在表面上形成三维锚固结构的方法

说明书

技术领域

本发明的方面涉及用于暴露于高温、诸如在燃烧涡轮发动机的环 境中遇到的高温的组成部件的热障涂层系统。更特别地，本发明的方 面指向于牵涉到来自传播穿过多芯光纤的至少两个激光束的激光辐 照，其在表面上形成三维锚固结构。这些锚固结构提供了用于被施加 在表面上面的热障涂层系统的增强的附着性。

背景技术

已知的是，燃烧涡轮发动机的效率随着燃烧气体燃烧温度增加而 提高。然而，随着燃烧温度增加，涡轮机组成部件的高温耐久性必须 相应地增加。虽然镍基和钴基超合金材料可以被用于热气体流动路径 中的组成部件、诸如燃烧器过渡零件和涡轮机转动叶片及固定导叶， 但即使这些超合金材料也不能挺过在有时超过1,400℃的温度下的长 时期的操作。

在很多应用中，金属基板(例如，组成部件的)或涂覆在金属基 板上的粘结涂层被用陶瓷绝缘材料、诸如热障涂层(TBC)涂覆，以 降低金属基板的操作温度和金属被暴露所至的温度瞬变的幅值。

TBC在降低涡轮机组成部件的操作温度和实现涡轮机效率的提 高上发挥着显著作用。显然热障涂层仅在涂层在基板表面上保持基本 完整的时候保护基板。

在操作期间，TBC和任何下层的粘结涂层经受剥落和劣化。这样 的窘迫的原因可以包含：因异物的高速弹道冲击引起的高物理应力、 不同的热膨胀(即，在下层的超合金基板与上覆的粘结涂层之间或者 在粘结涂层与TBC之间)、材料缺陷和归因于操作环境的材料性质 的改变。这些情况中的任何一个都可以导致粘结涂层和/或TBC的损 伤并且甚至从基板表面的全部去除。传统的修复工艺牵涉到将受损层 (多个)剥离并且重新涂覆基板，是耗时且成本高的任务。

已知的是，控制表面(诸如基板表面)的粗糙度参数以提高上覆 的粘结层或热障涂层的附着性。美国专利号5,419,971描述了一种激 光烧蚀工艺，其中通过直接蒸发(例如，在没有使材料熔化的情况下) 进行的材料的去除据称用于在被辐照表面处形成三维特征。参见第6 栏第3行。这些特征限于形成在被辐照表面内的图案。这些激光烧蚀 工艺未形成延伸超越表面的结构。因此需要可以提供有助于增强的附 着性的改进的结构形成的工艺。

附图说明

鉴于附图在以下描述中说明发明，附图示出：

图1是依照本发明的方面的正用激光辐照被辐照的固体材料的截 面图。

图2是液化材料的示例性飞溅的等距视图，该液化材料依照本发 明的方面在材料飞溅的凝固时在固体材料的表面上方形成三维锚固 结构。

图3是在固体材料的表面上方形成的诸如波动、波浪、指或钩等 的锚固结构的非限制性示例的部分截面图。

图4是包含可以从体现本发明的方面的方法中获益的热障涂层系 统的示例燃气涡轮机组成部件的部分截面图。

图5是热障涂层系统的部分截面图，其中依照本发明的进一步实 施例粘结涂层表面可以经受激光辐照。

具体实施方式

依照本发明的一个或多个实施例，在这里公开了有助于三维锚固 结构(通常称作机械钩、指或波浪)的在暴露于来自多芯激光光纤的 激光辐照的表面上形成的结构布置和/或技术。在一个应用中，机械钩 提高了粘结涂层和TBC的在燃气涡轮机叶片和导叶上的附着性，并 且还可以延长有效的TBC的持续时间。发明的技术可以在叶片和导 叶的制造期间使用并且也可以在修复期间使用。在任一情况中，叶片 和导叶的操作寿命都被延长。

本发明的发明人提出了用以在基板的或粘结涂层的表面上形成 三维锚固结构的来自多芯激光光纤的激光辐照的创新性利用。图1的 轴向截面图中图示出多芯同轴光纤4，包括内芯6和外环7。根据一 个实施例，相对较高功率的激光在内芯6中传播并且相对较低功率的 激光在外环7中传播。在离开光纤4时，两个激光束都撞击固体材料 或基板14的表面12。

在一个实施例中，传播穿过外环7的外激光束20(脉冲的或连续 的)包括如图1中所图示的产生熔体16(也称作液化床)的相对低功 率密度相对大直径的光束。当光学组成部件和基板14如箭头18所指 示彼此相对移动时，在表面12上形成多个或者一系列的这样的熔体 16。