用于在表面上形成三维锚定结构的方法技术

一种方法，包括：在固体表面(12)上形成熔池(16)；施加能量束(10)以使邻近熔池的固体材料(18)熔化；控制能量束，使得邻近熔池的固体材料的熔化在熔池中形成波前(22)，以在固化时有效地形成材料的突起(20)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术的方面涉及用于暴露于高温的部件的热障涂层系统，诸如在燃烧式涡轮发动机的环境中遇到的高温。更具体地，本专利技术的方面涉及控制激光照射以形成三维结构的技术，该三维结构有效地改善施加到有纹理的表面的层的粘附性。
技术介绍
已知的是，燃烧式涡轮发动机的效率随着燃烧气体的燃烧温度的升高而提高。随着燃烧温度升高，涡轮机的部件的高温耐久性必须相应地增加。尽管镍和钴基超合金(superalloy)材料可被用于热气体流动路径中的部件，诸如燃烧器过渡件和涡轮旋转叶片和固定叶片，但这些超合金材料不能够在有时可能超过1,600℃的温度下经受长期运行。在许多应用中，金属基底涂覆有陶瓷绝热材料，诸如热障涂层(TBC)，以降低底层金属的工作温度，并减小金属所暴露于的温度瞬变的幅度。TBC在实现涡轮效率的改进方面发挥了重要作用。然而，不能被忽视的一个基本物理事实在于，在部件的整个寿命中涂层在给定部件的表面上保持基本完整的情况下，热障涂层将仅保护基底。由于异物的高速弹道冲击和/或不均匀的热膨胀可能产生的高应力可能导致损坏并且甚至是从部件完全去除TBC(崩落)。已知控制表面的粗糙度参数以改善覆盖的热障涂层的粘附性。美国专利5,419,971描述了一种激光烧蚀工艺，其中，通过直接蒸发(例如，不使材料熔化)来去除材料据称是用来在被照射的表面处形成三维结构。因此，这种结构通常局限于在被照射的表面处的浅图案(例如，通常不形成延伸到表面外的结构)，并且因此需要可以提供有助于增强粘附的改进的结构成形的工艺。附图说明在下面的描述中根据附图对本专利技术进行说明，附图示出：图1是描述熔池的示例性实施方式的形成的侧截面示意图。图2是描述熔池的替代的示例性实施方式中的飞溅成形部的侧截面示意图。图3是形成熔池的方法的示例性实施方式的顶部示意图。图4是形成熔池的方法的替代的示例性实施方式的顶部示意图。具体实施方式根据本专利技术的一个或更多个实施方式，本文描述了有助于在暴露于受控能量束的表面上形成三维锚定结构的结构布置和/或技术。在下面的详细描述中，阐述了各种具体细节以便提供对这些实施方式的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本专利技术的实施方式，本专利技术不限于所描述的实施方式，并且本专利技术可以以各种替代性实施方式实践。在其他情况下，对于本领域技术人员将很好理解的方法、过程和部件，没有进行详细描述以避免不必要和繁冗的解释。专利技术人提出了创新地利用能量束以在表面上形成三维锚定结构。在如图1和图2所示的一个非限制性实施方式中，可以将能量束10(例如，激光束，诸如由二氧化碳、钇铝石榴石、二极管、镱光纤、板或盘激光器产生的激光束)施加到固体材料14的表面12以首先在固体材料的表面上形成材料的熔池16。能量束10可以被布置成使固体材料的表面12上的相对浅的层熔化。在熔池16固化之前，能量束10的单脉冲可以施加至邻近熔池16的固体材料18，以引起熔池16的破裂。这种破裂可以形成在固体材料14的表面12的上方延伸的突起20。突起20的示例包括液化材料的飞溅、波浪、柱或波纹等。脉冲能量束10的效果在概念上可以类似于落在水池(熔池16)上的岩石(高能脉冲)。突起20可以形成波前22，并且破裂传播通过熔池16。突起20以及熔池16在返回到未受干扰的液体池水平高度之前固化，以形成在表面12上方延伸的三维锚定结构。因此，三维锚定结构包括固化的突起20以及诸如在固化时形成在熔池16中的波纹、凹陷等的任何其他形状。三维锚定结构除了为随后施加的层提供锚定之外，还可以提供增强的热传导(类似于散热器中的翅片)、改善的润滑性等。用于形成熔池16的能量束10可以是散焦的或具有足够低且受控的功率密度，以引起仅熔化到期望且受控的深度24。在图1的示例性实施方式中，深度24可以基本恒定。在图2的替代的示例性实施方式中，深度可以不是恒定的，而是可以变化。例如，深度24可以根据深度在靠近与熔池16相邻的固体材料18处相对较深而变化，并且随着离邻近熔池16的固体材料18的距离，深度24可以逐渐变浅。这种构型可以以与波浪在撞击到海滩之前卷起类似的方式使波前22在波前向外传播穿过熔池16时卷曲。该卷曲成为三维锚定结构的一部分并且有效地锚定随后施加到固体材料14的表面12上的任何层。用于使邻近熔池16的固体材料18熔化的能量束10脉冲可以是具有足够高的功率密度的聚焦脉冲，以使邻近熔池16的固体材料18熔化，并且还在熔池16中以单个脉冲形成突起20。能量束必须不仅仅使固体材料18熔化；能量束还必须给予足够的能量以形成扰动。这种扰动可能是由于材料的局部等离子体形成和闪蒸等，或者由于热膨胀效应或由能量束激发的其他现象。如能够在图3中观察到的，在一个非限制性实施方式中，能量束10可以通过能量束10在固体材料14的表面上的束扫描技术(例如，二维扫描)而施加至固体材料14的表面12，如在该示例性实施方式中同心的扫描圈30、32、34所示。当能量束遵循扫描圈30、32和34时，所得熔池16呈环形形状，并且具有外径36、内径38，并且围绕邻近熔池16的固体材料18。在示例性实施方式中，扫描圈30的直径为4mm，扫描圈32的直径为3毫米，扫描圈34的直径为2毫米，外径36为5毫米，并且内径38为1mm。束在相邻扫描圈上的重叠可以是大约百分之五十。例如，在横跨表面12扫描以形成扫描圈32的同时，能量束10与在能量束沿着扫描圈30移动时被扫描的表面12重叠。在横跨表面12扫描以形成扫描圈34的同时，能量束10与在能量束沿着扫描圈32移动时被扫描的表面12重叠。熔池16的深度24可以通过控制在扫描期间的重叠量来控制，并且重叠的范围可以从零百分比到接近百分之百。替代性地，可以通过改变其他参数诸如功率、脉冲持续时间和/或行进速度来控制深度。在非限制性的示例性实施方式中，当扫描以形成熔池16时，能量束10可以是发送相对低的400瓦连续功率的激光束，或者是发送通过使相对高、短持续时间的功率与相对低、长持续时间的功率交替而实现的400瓦的低平均功率的激光束。其他参数将包括例如0.02米/秒至0.20米/秒的标记速度(行进速度)、1毫米的束直径以及50％的重叠。以这些参数，产生环形形状的熔池16需要大约1秒。当发送使邻近熔池的固体材料18熔化的脉冲时(在该示例性实施方式中，位于环形形状的内侧)，能量束10可以是静态激光束，该静态激光束发送相对高的1500瓦的功率，具有0.002kHz的频率、5000,000微秒的脉冲长度和1毫米的激光束直径。以这些参数，使邻近熔池16的固体材料14熔化并且形成突起需要大约0.5秒。诸如束直径、功率级、脉冲持续时间、熔池尺寸和形状等的能量束参数可以根据需要在加工期间进行改变，以达到给定应用的最佳结果，诸如对用于待处理部件的表面12的特定区域的三维锚定结构的尺寸和形状进行精制。在另一非限制性的示例性实施方式中，用于通常的大范围熔化的典型能量密度可以在约3kJ/cm2至约10kJ/cm2的范围内。对于破裂，聚焦能量的脉冲可以具有典型的激光烧蚀处理的相应范围。Karl-HeinzLeitz等人在发表于PhysicsProcedia的2011年第12卷第230-238页中的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种方法，包括：在固体表面上形成熔池；施加能量束以使邻近所述熔池的固体材料熔化；控制所述能量束，使得邻近所述熔池的所述固体材料的所述熔化在所述熔池中形成波前，以在固化时有效地形成材料的突起。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.07.28 US 14/341,8891.一种方法，包括：在固体表面上形成熔池；施加能量束以使邻近所述熔池的固体材料熔化；控制所述能量束，使得邻近所述熔池的所述固体材料的所述熔化在所述熔池中形成波前，以在固化时有效地形成材料的突起。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述突起形成在所述熔池的外周缘处。3.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括在形成所述熔池之前将助熔剂施加至所述固体表面。4.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括使用与用于使邻近所述熔池的所述固体材料熔化的能量束相比功率相对更低的能量束来形成所述熔池。5.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括在所述能量束的单脉冲期间使邻近所述熔池的所述固体材料熔化。6.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括围绕所述固体材料形成环形形状的熔池。7.根据权利要求6所述的方法，所述方法还包括将环形形状的能量束施加至邻近所述环形形状的熔池的外周的所述固体材料。8.根据权利要求6所述的方法，所述方法还包括通过使能量束以同心圆的方式移动而形成所述环形形状的熔池。9.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括在形成步骤和施加步骤期间围绕所述固体表面提供惰性气体、活性气体或真空条件中的一者。10.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括调整能量束直径、能量束能级、能量束脉冲持续时间、所述熔池的尺寸、所述熔池的深度、所述熔池的形状、所述熔池的黏度中的至少一者以控制所述突起的尺寸和形状。11.根据权利要求1所述的方法，所述方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：杰拉尔德·J·布鲁克，艾哈迈德·卡迈勒，
申请(专利权)人：西门子能源有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US