用於處理構件表面的方法和設備的製作方法
2023-07-06 23:30:16 1
專利名稱：用於處理構件表面的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於處理構件表面的方法以及一種實施該表面處理方法的設備。
背景技術：
承受工作負荷的構件，例如燃氣輪機的透平葉片，被實施電解質處理，因此構件在處理後可以重新加工。在燃氣輪機葉片的情況下，在構件上承受工作負荷的MCrAlX層，通過浸入約50°-80℃熱的20％鹽酸內被清除。在經過一個根據經驗導出的持續時間後，將葉片從酸槽中取出，用水衝洗，以及接著噴磨。這種過程順序即電解質浴和噴磨在這裡多次重複，直至整個MCrAlX層去除或溶解。各工序的這種重複通常是必要的，因為通過電解質只溶解MCrAlX層在表面附近含鋁的相。因此MCrAlX層位置更深的區域不能在一個步驟中溶解掉。在表面留下多孔的層體，它接著藉助噴砂例如機械地去除。
葉片在電解質內停留的持續時間在這裡並不反映對於各個葉片實際需要的直至停止溶解過程的時間，而是按標準確定一個規定的時間。在這裡，在電解質內的停留時間基於一般的經驗值確定。
然而每個構件分別受到嚴重程度不同的負荷，所以一個固定的時間規定值將導致構件負荷表面不同的或不完全的溶解。往往構件在除層已沒有進一步進展的情況下還停留在酸槽內，直至走完預定的時間程序。
EP 1094134 A1和US 2003/0062271 A1公開了一些電化學去層的方法。
US 4539087公開了一種方法，其中測量電解過程的電流，由此可以藉助電流變化過程作出判斷，何時應停止該電解過程。
發明內容
因此本發明的目的是提供一種方法和設備，它允許個別化地確定每個構件(類型，層厚、工作負荷狀態等)最少需要的處理持續時間。
上述目的首先通過一種用於處理至少一個構件表面的方法來實現，按照該方法，將該至少一個構件置入一種處理劑內，在該至少一個構件和至少另一個極上施加用於表面處理的一處理電壓，其中，在所述至少一個構件和至少另一個極上施加一測量電壓，由此形成一個與時間有關的流動電流，該電流隨時間的變化過程表示表面處理的狀態並被用來判定是否終止或中斷所述表面處理。
上述目的另外通過一種用於處理至少一個構件表面的設備來實現，該設備至少具有一個有待處理的構件作為一電極、另一電極、一種處理劑以及一些電連接裝置，其中，所述至少一個構件和另一極被置入所述處理劑中，所述電連接裝置則將所述至少一個構件及另一極與一電源連接起來，按照本發明，存在另一些電引線，它們將所述至少一個構件及另一極與另一電源連接起來。
按照本發明方法的一有利的擴展設計，可採用一直流電壓作為所述處理電壓。作為其替代手段，所述處理電壓也可以是脈衝式電壓。
按照另一有利設計，可採用一直流電壓作為所述測量電壓。同樣作為其替代手段，所述測量電壓可以是脈衝式的。該脈衝式測量電壓優選至少有時與所述脈衝式處理電壓共同施加，或者在所述脈衝式處理電壓的一脈衝間歇內施加。在此，所述測量電壓的一脈衝持續時間要麼比所述處理電壓的脈衝持續時間短，要麼與所述處理電壓的脈衝持續時間相同。
按照本發明的又一設計，所述測量電壓與所述處理電壓的比例至少為1∶10，尤其是1∶10，優選為1∶20或者為1∶30或者為1∶40或更小。
當所述構件具有一有待去除的層時，所述表面處理用於除去該層。但按照本發明的所述表面處理方法也可用於給所述至少一個構件上鍍層。
按照本發明的一設計方案，可採用在所述處理劑內的一個電極尤其是另一個構件作為另一極。可使用一種酸作為所述處理劑。
比較有利的是，所述電流開始時隨時間增大，然後保持相對恆定。當所述電流隨時間進程尤其下降到一個預定的參考值時，標誌著所述除層的終點。
按照本發明的所述表面處理方法優選分步驟實施，其中，在一個中間步驟進行磨蝕除層，然後在處理劑內重新對所述至少一個構件進行處理。優選在在至少一個中間步驟中衝洗所述至少一個構件。
按照本發明的方法既可用於處理唯一的一個構件，也可用於至少處理兩個構件，但此時要為它們分別確定一個自己的隨時間的變化過程。
按照本發明方法的一有利設計，為所述處理電壓和測量電壓採用一個公共的電路。作為替代方案，也可為所述處理電壓採用一第一電路以及為所述測量電壓採用一第二電路。
按照本發明設備的一擴展設計，可採用另一電極來構成所述第二電路。
上述各項擴展設計可以按有利的方式互相任意組合。
下面藉助附圖所示實施方式對本發明予以詳細說明，附圖中圖1表示一種實施本發明方法的設備；圖2、3、4表示隨時間的電壓變化曲線；圖5、6表示在實施本發明的方法時得到的電壓和電流隨時間的變化曲線；圖7表示一個透平葉片；圖8表示一個燃燒室；以及圖9表示一臺燃氣輪機。
具體實施例方式
圖1舉例表示按本發明的設備1，藉助它可以實施按照本發明的方法。
所述設備1包括一個例如金屬、陶瓷或塑料(聚四氟乙烯、聚合物等)制的容器3，其中盛放一種處理劑6，例如一種酸6或一種電解質6(含鍍層材料)，用於至少一個構件9的表面處理，如除層或鍍層。在除層的情況下，容器3內優選地存在一種酸或酸混合物。反之，在鍍層時，電解質6有用於鍍層的相應的化學元素。在這裡，在處理劑6內例如置入單個構件9，它的表面區應溶解掉。這例如通過對構件9例如承受工作負荷的表面的酸蝕實現。
若應為兩個或多個構件9除層，則例如兩個構件9分別構成一個電極(亦即陽極和陰極)，其中作為處理劑6應當使用一種含氮的處理劑6。
按本發明存在至少一個電壓/電流源18，它通過電連接裝置15與構件9或另一個電極12電連接。第一電路可以這樣閉合，即，令連接裝置15與處於處理劑6內的另一個電極亦即電極12連接，或與容器3連接，從而可使電流I在構件9與極3、12之間流動，還可以測量此電流。電流經構件9通過構件9承受負荷的表面和通過處理劑6流向電極12(或流向容器3)。在容器3內也可以放置多個要除層的構件9，在這種情況下可以針對每個構件9逐個確定電流曲線I(t)，所以各構件9必要時在處理劑6中停留不同的時間長度。
按本發明還可以存在另一個包括導線15′和電流/電壓源18′的第二電路，所以在那裡同樣流動一個也可以測量的電流。導線15′因而同樣與構件9和電極12連接。
圖2舉例表示按本發明的電壓變化曲線。
為了給一個大尺寸的構件9除層，施加一種脈衝式的具有脈衝持續時間t30的處理電壓30，它例如在構件9比較大時(38cm長)，如燃氣輪機葉片120、130(圖7、9)，產生電流達100A。脈衝持續時間t30可以始終是同樣的大小，或可以隨時間t改變。同樣，處理電壓的大小可以隨時間t改變。
但這些電流過大，以至於根據電流變化過程的過渡特性不能得到關於表面處理進程的準確信息(例如冷卻時間過長)。
因此，按本發明在電路(8、15、9、6、12)中將一個較小的例如脈衝式測量電壓33(1mv至50mv)疊加在較大的(用於除層的)處理電壓30上，或將處理電壓30短暫地(亦即至少有時)提高一個與測量電壓33值相應的值。
測量電壓33的脈衝持續時間t33可以小於、等於或大於處理電壓30的脈衝持續時間t30。
當測量電壓33的脈衝持續時間t33小於處理電壓30的脈衝持續時間t30時，測量電壓33可以在脈衝式處理電壓33的開始、中間或結束時施加。
較小的測量電壓33產生非常小的能更好測量的電流。
處理電壓30與測量電壓33信號的分離例如通過藉助數學的信號分離法，例如傅立葉分析法分析電流曲線而實現。
相應於除層用的處理電壓30和測量電壓33，可以使用例如三個電極(按本發明還可以存在另一個用於第二電路(圖1)的電極12′，第二電路包括導線15′和用於測量電壓33的電流/電壓源18′；因此，導線15′同樣與構件9和例如與電極12′(用虛線表示的)連接，而不與電極12連接)，在這裡，這些電壓在大的表面上疊加。電流信號在測量技術上的分離例如通過兩個部分脫耦的電路(15+18+9+6+12；15′+18′+9+6+12或12′)實現。
用於電解除層的較小的測量電壓33的量值很小或可以忽略不計。
同樣，在採用脈衝式處理電壓30的同時可以使用直流的測量電壓33″(虛線所示)。
圖3舉例表示按本發明方法的另一種按照本發明的電壓變化曲線。
在這裡同樣使用一高的脈衝式除層處理電壓30，它產生很大的電流。
在這裡，測量電壓例如同樣為脈衝式的並在處理電壓脈衝30的脈衝間歇36期間(t36)施加(t36＞t33)。這通過電壓脈衝30、33的同步化實現。
圖4舉例表示另一種電壓變化曲線。
在這裡，一個恆定的大處理電壓30(直流電壓)施加在要電解除層的構件9上，其中測量電壓33仍是脈衝式的以及疊加在處理電壓30上。
處理電壓30可以短時(相應地脈衝式增大)提高一個相應於測量電壓33大小的值，在這裡只需要一個電路，或測量電壓33′(虛線表示)例如通過第二電路疊加在處理電壓上。
尤其在第二電路18′、15′、9、6、12或12′中同樣可以使用較小的直流測量電壓33″。脈衝持續時間t33、t30可以相同或不同(t30＝t33，t33＜t30，t33＞t30，t30＝t33和t36＞t30，等等)。
在用於除層的電解期間通過測量電壓引起的電流I(t)隨時間的變化曲線表示在圖5中。電流I(t)在一開始隨時間t增大，在某一時刻後首先基本上保持不變。除層此時尚未完成，也就是說，除層速率仍較高。在某個時間t後，電流I下降。電流I(在曲線I(t)內的區域或點27)的這種下降表示，還只剩小量鍍層材料要溶解。因此，當例如達到預定的電流強度參考值、或當電流強度降低了某個值(見測量點27、22的差別)、或當一條趨勢線得出電流強度已下降的變化過程時，溶解過程可以停止。
類似地這也可適用於鍍層過程，此時，消耗電解質6，或由曲線I(t)下方的面積確定鍍層厚度。
本方法也可以分步驟實施。其中總是在方法的一個中間步驟實施磨蝕除層，去除酸產物的殘餘和/或導致加速除層，因為構件9在處理劑6內停留一段時間後形成了一個脆性層，它可以通過磨蝕更好地去除。
同樣，可以在方法的一個中間步驟實施構件9的水洗(衝洗)。之後，構件9重新置入處理劑6內。這些工藝步驟，即構件9在處理劑6內處理、噴砂磨蝕，可以任意重複。一個或多個構件9的除層也可以在不存在處理電壓的情況下進行，也就是說不產生電解除層過程。
圖6表示測量或處理電流和電壓實驗確定的變化曲線。
在透平葉片(長度≈18cm，表面積≈150cm2)上施加一個恆定的處理電壓30為1.2V，其中作為電解質例如使用含2％三乙醇胺的5％HCl(鹽酸)。處理電壓30用菱形表示，以及產生一10至11A的電流I(圖中未表示)。
用於確定終點的脈衝式測量電壓33在這裡例如是50mV以及通過脈衝長度為例如0.5s的脈衝施加。測量電壓33與處理電壓30之比因而為1∶24，以及可選擇與之不同，例如是1∶10(或1∶20、1∶30或更大為1∶50、1∶100)。
測量電壓33在圖6中用正方形表示。基於測量電壓33測得的電流I在圖6中用三角形表示。一條分離線(虛線表示)表示光滑連接而成的和預期的時間變化曲線。這條曲線與圖2中的曲線對應。
電流I(t)隨時間的變化曲線24也可以由一個個測量點21得出，它們按規則或不規則的間隔確定。
在後面的附圖中表示的如此除層的構件，可如在下面的附圖中說明的那樣重新鍍層。
圖7表示葉片120、130透視圖，它沿一縱軸線121延伸。
葉片作為構件9的例子可以是流體機械的工作葉片120或導向葉片130。流體機械可以是飛機的或用於發電的發電站的一燃氣輪機、一蒸汽輪機或一空氣壓縮機。
葉片120、130沿縱軸線121彼此相繼地有固定區400、與之毗鄰的葉片平臺403以及葉身406。作為導向葉片130，葉片可在其葉尖415處有另一個平臺(圖中未表示)。
在固定區400內形成葉片根部183，它用於將工作葉片120、130固定在軸上或葉輪上(未表示)。葉根183例如設計為錘頭。也可以不同地設計為樅樹形葉片根部或燕尾形葉片根部。葉片120、130對於一種流過葉身406的介質具有一個前緣409和一個後緣412。
傳統的葉片120、130在葉片120、130的所有區域400、403、406使用例如實心的金屬材料。在這裡，葉片120、130可以用鑄造法製造，也可以藉助定向凝固、通過鍛造工藝、通過銑削工藝或它們的組合製造。
具有單晶結構的工件被用作那些在運行時遭受高的機械、熱和/或化學負荷的機器構件。此類單晶體工件的製造例如通過熔體的定向凝固實現。在這裡涉及鑄造工藝，其中液態的金屬合金定向凝固為單晶體結構，亦即單晶體工件。在這裡，樹枝狀晶體沿熱流定向，並要麼形成棒杆狀晶體結構(柱狀的，亦即晶粒，它們沿工件全長延伸，以及在這裡按通常的習慣用語稱為定向凝固)，要麼形成單晶結構，也就是說整個工件由唯一的一個晶體組成。在這些方法中，人們必須避免向球狀(多晶的)凝固轉變，因為通過不定向生長必然構成橫向和縱向的晶界，它們使定向凝固或單晶的構件優良的特性消失。
若通常談到定向凝固的結構，則既認為是那些沒有晶界或最多有小角度晶界的單晶體，也認為是棒杆狀晶體結構，它們雖然有沿縱向延伸的晶界，但沒有橫向的晶界。對所述的這兩種晶體結構人們也稱為定向凝固結構(directionally solidified structures)。
由US-PS 6024792和EP 0892090A1已知這些方法。
再磨光意味著構件120、130在其使用後必要時必須通過按本發明的方法除去保護層(例如通過噴砂處理)。然後去除腐蝕層和/或氧化層和/或氧化產物。必要時還要修復構件120、130內的裂紋。之後，例如通過按本發明的方法實施構件120、130的再鍍層並重新使用構件120、130。
葉片120、130可以設計為空心或實心的。當葉片120、130應冷卻時，它是空心的和必要時還有一些氣膜冷卻孔(未表示)。為防止腐蝕，葉片120、130例如有相應的大多為金屬的鍍層，以及為隔熱大多還有一個陶瓷的塗層。
圖8表示燃氣輪機的燃燒室110。燃燒室110例如設計為所謂的環形燃燒室，其中許多沿周向圍繞透平軸103布置的燃燒器102通入一個公共的燃燒室內腔。為此，燃燒室110在其總體上設計為繞透平軸103定位的環形結構。
為達到比較高的效率，燃燒室110設計用於工質M比較高的溫度為約1000℃至1600℃。為了即使在這些對於材料不利的運行參數情況下仍能有比較長的工作壽命，燃燒室壁153在其面朝工質M的那一側加上由熱屏元件155(構件9的另一個例子)構成的內部砌襯。每個熱屏元件155在工質側設計有一個特別耐熱的保護層或用耐高溫材料製成。此外，基於在燃燒室110內部的高溫，為熱屏元件155或為其固定元件設有一冷卻系統。
燃燒室壁及其鍍層的材料可類似於透平葉片。
圖9示例性地表示一個燃氣輪機100的局部縱剖面。
燃氣輪機100在內部有一個繞旋轉軸線102旋轉地支承的轉子103，它也稱為透平轉子。沿轉子103依次是進氣機殼104、壓縮機105、帶有多個同軸布置的燃燒器107的一例如花託狀的燃燒室110，尤其是環形燃燒室106、一透平機108以及排氣機殼109。環形燃燒室106與一個例如環形的熱燃氣通道111連通。在那裡例如四個串聯的透平級112構成透平機108。每個透平級112例如由兩個葉片環構成。沿工質113的流動方向看，在熱燃氣通道111內隨導流葉排115之後是一個由工作葉片120構成的葉排125。
導向葉片130固定在一定子143的內殼體138上，而葉排125的工作葉片120例如藉助透平葉輪133裝在轉子103上。一發電機或工作機械(未表示)與轉子103連接。
在燃氣輪機100運行時，壓縮機105通過進氣機殼104吸入並壓縮空氣135。在壓縮機105的朝向透平一側的端部提供的壓縮空氣導向燃燒器107，在那裡與燃料混合。混合物然後在燃燒室110內燃燒形成工質113。工質113從那裡出發沿熱燃氣通道111流過工作葉片130和導向葉片120。工質113在工作葉片120上傳輸動量地膨脹，所以工作葉片120驅動轉子103以及轉子103帶動與之連接的工作機械。
遭遇熱工質113的構件在燃氣輪機100運行期間承受熱負荷。沿工質113流動方向看的第一透平級112的導向葉片130和工作葉片120，除作為環形燃燒室106的砌襯的熱屏元件外，受到最大的熱負荷。為了能承受住在那裡存在的溫度，它們可以藉助冷卻劑冷卻。同樣，構件的基質可以有一定向結構，也就是說，它們是單晶體(SX結構)或只有縱向晶粒(DS結構)。作為用於構件，尤其用於透平葉片120、130以及燃燒室110構件的材料，使用例如鐵基、鎳基或鈷基的超級高溫合金。這些超級高溫合金例如由EP1204776、EP 1306454、EP 1319729、WO 99/67435或WO 00/44949已知，這些文件是本申請公開內容的一部分。
同樣，葉片120、130可以有防腐蝕的鍍層(MCrAlX，M是鐵(Fe)，鈷(Co)，鎳(Ni)族中的至少一種元素，X是一種活性元素以及包括釔(Y)和/或矽和/或至少一種稀土元素)和通過隔熱層隔熱的塗層。隔熱層例如由ZrO2、Y2O4-ZrO2組成，也就是說，該隔熱層可通過添加氧化釔和/或氧化鈣和/或氧化鎂而部分穩定或完全穩定，或者不穩定。通過適當的鍍層工藝，例如電子束噴霧(EB-PVD)，在隔熱層內造成棒杆狀的晶粒。
導向葉片130有一個面朝透平機108內殼體138的導向葉片根部(這裡沒有表示)和一個與該根部對置的導向葉片頂部。該導向葉片頂部面朝轉子103並固定在定子143的一固定環140上。
權利要求
1.一種用於處理至少一個構件(9)表面的方法，其中，將該至少一個構件(9)置入一種處理劑(6)內，在該至少一個構件(9)和至少另一個極(3、12)上施加用於表面處理的一處理電壓(30)，其特徵為在所述至少一個構件(9)和至少另一個極(12、12′)上施加一測量電壓(33)，由此流動一個與時間有關的電流(I(t))，該電流隨時間的變化過程表示表面處理的狀態並被用來判定是否終止或中斷所述表面處理。
2.按照權利要求1所述的方法，其特徵為採用一直流電壓作為所述處理電壓(30)。
3.按照權利要求1所述的方法，其特徵為所述處理電壓(30)是脈衝式的。
4.按照權利要求1、2或3所述的方法，其特徵為採用一直流電壓作為所述測量電壓(33)。
5.按照權利要求1、2或3所述的方法，其特徵為所述測量電壓(33)是脈衝式的。
6.按照權利要求5所述的方法，其特徵為所述脈衝式測量電壓(33)至少有時與所述脈衝式處理電壓(30)共同施加。
7.按照權利要求5所述的方法，其特徵為所述脈衝式測量電壓(33)在所述脈衝式處理電壓(30)的一脈衝間歇(36)內施加。
8.按照權利要求5、6或7所述的方法，其特徵為所述測量電壓(33)的一脈衝持續時間(t33)比所述處理電壓(30)的脈衝持續時間(t30)短。
9.按照權利要求5、6或7所述的方法，其特徵為所述測量電壓(33)的脈衝持續時間(t33)與所述處理電壓(30)的脈衝持續時間(t30)相同。
10.按照權利要求1所述的方法，其特徵為所述測量電壓(33)與所述處理電壓(30)相比的比例至少為1∶10。
11.按照權利要求1所述的方法，其特徵為所述測量電壓(33)與所述處理電壓(30)相比的比例為1∶10。
12.按照權利要求1所述的方法，其特徵為所述測量電壓(33)與所述處理電壓(30)相比的比例為1∶20。
13.按照權利要求1所述的方法，其特徵為所述測量電壓(33)與所述處理電壓(30)相比的比例為1∶30。
14.按照權利要求1所述的方法，其特徵為所述測量電壓(33)與所述處理電壓(30)相比的比例為1∶40或更小。
15.按照權利要求1所述的方法，其特徵為所述構件(9)具有一有待去除的層；以及，所述表面處理用於除去所述至少一個構件(9)的該層。
16.按照權利要求1所述的方法，其特徵為所述表面處理用於給所述至少一個構件(9)上鍍層。
17.按照權利要求1所述的方法，其特徵為採用在所述處理劑(6)內的一個電極(12、12′)尤其是另一個構件(9)作為另一極。
18.按照權利要求1或15所述的方法，其特徵為使用一種酸作為處理劑(6)。
19.按照權利要求1、15或18所述的方法，其特徵為所述電流(I(t))開始時隨時間(t)增大，然後保持相對恆定。
20.按照權利要求1、15、18或19所述的方法，其特徵為當所述電流(I(t))隨時間進程尤其下降到一個預定的參考值時，標誌著所述除層的終點。
21.按照權利要求1所述的方法，其特徵為所述表面處理分步驟實施，其中，在一個中間步驟進行磨蝕除層，然後在處理劑(6)內重新對所述至少一個構件(9)進行處理。
22.按照權利要求1或21所述的方法，其特徵為在至少一個中間步驟中衝洗所述至少一個構件(9)。
23.按照權利要求1、19、20、21或22所述的方法，其特徵為處理唯一的一個構件(9)。
24.按照權利要求1、19、20或21所述的方法，其特徵為至少處理兩個構件(9)，為它們(9)分別確定一個自己的隨時間的變化過程(I(t))。
25.按照權利要求1所述的方法，其特徵為為所述處理電壓(30)和測量電壓(33)採用一個公共的電路(12、18、15、9、6)。
26.按照權利要求1所述的方法，其特徵為為所述處理電壓(30)採用一第一電路(12、18、15、9、6)以及為所述測量電壓(33)採用一第二電路(12、12′、18′、15′、9、6)。
27.一種用於處理至少一個構件(9)表面的設備(1)，它至少具有一個有待處理的構件(9)作為一電極、另一電極(3、12)、一種處理劑(6)以及一些電連接裝置(15)，其中，所述至少一個構件(9)和另一極(3、12)被置入所述處理劑中，所述電連接裝置(15)則將所述至少一個構件(9)及另一極(3、12)與一電源(18)連接起來，其特徵為存在另一些電引線(15′)，它們將所述至少一個構件(9)及另一極(3、12)與另一電源(18′)連接起來。
28.按照權利要求27所述的設備，其特徵為採用又一電極(12′)，以便構成所述第二電路。
全文摘要
承受工作負荷的構件往往可以通過酸處理重新投入使用。構件在酸內保持的持續時間迄今憑經驗確定，從而沒有考慮個性化的要求。按本發明的處理構件表面的方法建議，在構件上至少重複施加一測量電壓(33)，由此形成一流動電流I(t)，該電流隨時間的變化過程表示表面處理的狀態並被用來判定是否終止或中斷所述酸處理。
文檔編號C25F5/00GK1721580SQ20051008136
公開日2006年1月18日 申請日期2005年6月28日 優先權日2004年6月30日
發明者厄休斯·克魯格, 丹尼爾·科特維爾耶西, 拉爾夫·賴歇, 簡·斯坦巴克, 加布裡埃爾·溫克勒 申請人:西門子公司