УСТАНОВКА ДЛЯ ХОЛОДНОГО ГАЗОВОГО РАСПЫЛЕНИЯ И СПОСОБ ХОЛОДНОГО ГАЗОВОГО РАСПЫЛЕНИЯ С МОДУЛИРОВАННЫМ ГАЗОВЫМ ПОТОКОМ
COLD GAS SPRAYING PLANT AND METHOD OF COLD GAS SPARYING WITH MODULATED GAS FLOW

Изобретение касается установки для холодного газового распыления и способа холодного газового распыления.
Из уровня техники известны различные способы для изготовления слоев, которые наносятся на конструктивные элементы и используются при высоких температурах. Это - способы испарения, как, например, PVD или CVD, или способы термического распыления (плазменное распыление, HVOF, см. ЕР 0924315 В1).
Другим способом нанесения покрытий является способ холодного газового распыления, который известен из патентов US 5302414, US 2004/0037954 A1, EP 1132497 A1, а также US 6502767.
При холодном газовом распылении применяют порошкообразные материалы, которые имеют размеры зерна более 5 мкм, в идеальном случае между 20 и 40 мкм. Из-за кинетической энергии до настоящего времени было невозможно распыление материалов в виде наночастиц для создания наноструктурированных покрытий.
В US 6124563 и US 6630207 приведены описания импульсных способов термического распыления.
В DE 10319481 А1 и WO 2003/041868 A2 приведены описания специальных конструкций распылительных форсунок для способа холодного газового распыления.
Поэтому задачей изобретения является улучшение способа холодного газового распыления, в частности, так чтобы можно было распылять также нанокристаллический порошок.
Эта задача решается согласно изобретению с помощью установки для холодного газового распыления по пункту 1 формулы изобретения и способа холодного газового распыления по пункту 29 формулы изобретения.
Перечисленные в зависимых пунктах формулы изобретения меры можно предпочтительным образом произвольно комбинировать друг с другом.
Ниже приводится в качестве примера подробное описание изобретения со ссылками на чертежи, на которых изображено:
фиг.1 - установка для холодного газового распыления согласно уровню техники;
фиг.2-8 - установка для холодного газового распыления согласно изобретению;
фиг.9 - газовая турбина;
фиг.10 - турбинная лопатка, в изометрической проекции;
фиг.11 - камера сгорания.
На фиг.1 показана установка 1' для холодного газового распыления согласно уровню техники.
Порошок для покрытия 13 подается через сопло 8 на подложку 10, например, конструктивный элемент (турбинную лопатку 120, 130 на фиг. 9, 10, стенку 155 камеры сгорания на фиг.11 или часть корпуса турбины 100 на фиг.9), так что там образуется покрытие 13. Порошок подается из емкости 16 для порошка, при этом необходимое для холодного газового распыления давление создается с помощью генератора 22 газа высокого давления, причем создается поток 7 холодного газа с частицами, за счет того, что в газ высокого давления в качестве несущего газа в сопле 8 подают порошок. Газ высокого давления можно при необходимости нагревать с помощью нагревателя 19. Нагреватель 19 может быть интегрирован в генератор газа высокого давления.
Холодное распыление означает, что применяют температуры до максимально 80-550°С, в частности от 400°С до 550°С. Температура подложки составляет от 80°С до 100°С. Скорости газа составляют от 300 м/с до 2000 м/с.
На фиг.2 показана установка 1 для холодного газового распыления согласно изобретению. Установка 1 для холодного газового распыления согласно изобретению имеет в отличие от уровня техники (фиг.1) одно или несколько средств 25, 26, 29, 32, 35, 36 воздействия, которые переменно изменяют (модулируют), по меньшей мере, одно свойство потока 7 холодного газа с частицами (например, температуру Т, давление р, плотность ρ частиц, материал М частиц, скорость v и т.д.).
Это воздействие на свойства потока 7 холодного газа с частицами может происходить во время процесса покрытия периодически или апериодически. Во время процесса покрытия могут также за периодами времени покрытия с периодическими изменениями следовать периоды апериодических изменений или наоборот. Предпочтительно происходит лишь периодическое изменение свойства или свойств.
Средство воздействия может быть, например, средством 25 импульсного нагревания, которое нагревает газ высокого давления из генератора газа высокого давления переменно, предпочтительно импульсно и тем самым приводит к модуляции потока 7 холодного газа с частицами. Средство 25 импульсного нагревания может быть также частью нагревателя 19.
В качестве средства воздействия может быть также установлен клапан 32, в частности, диск 32 с отверстиями (прерыватель) перед впускным отверстием 8' сопла. Поскольку этот диск периодически или апериодически прерывает поток 7 холодного газа с частицами, то создается пульсирующий поток 7 холодного газа с частицами в направлении подложки 10, который создает различные местные плотности ρ частиц в направлении излучения. Когда клапан 32 закрыт, то материал скапливается перед соплом, и создается повышенное давление, которое снова падает после открывания клапана. Модулированный поток 7 холодного газа с частицами можно также создавать за счет того, что из емкости 16 для порошка порошок подают в газ высокого давления в переменно изменяющихся в единицу времени количествах, предпочтительно, импульсно. Это можно осуществлять, например, с помощью, в частности, пьезоэлектрических инжекторов 35 в качестве средства воздействия.
Поток 7 холодного газа с частицами можно также модулировать с помощью генераторов 29 давления в качестве средств воздействия, предпочтительно с помощью пьезоэлектрических генераторов 29 давления, которые расположены в начале сопла 8 Лаваля или на сопле 8 и которые переменно изменяют поперечное сечение сопла Лаваля. Таким образом, сопло 8 может иметь пьезоэлектрический материал или внутреннее пьезоэлектрическое покрытие, причем материал или покрытие за счет приложения напряжения расширяются или сужаются, и тем самым изменяется поперечное сечение потока 7 холодного газа с частицами, и за счет этого изменяется плотность ρ частиц, давление р и скорость потока 7 холодного газа с частицами.
На поток 7 холодного газа с частицами можно также оказывать воздействие в зоне сопла 8 посредством ввода акустических волн с помощью средства 26 ввода волн, в частности, с помощью ультразвукового датчика, который лежит на сопле 8. Это предотвращает, прежде всего, прилипание частиц в сопле 8.
Можно также управлять газом высокого давления с помощью клапана 36 высокого давления как средства воздействия. Клапан 36 высокого давления может быть интегрирован в генератор газа высокого давления или же расположен вдоль трубопровода 37, который подводит газ из генератора 22 газа высокого давления в порошок.
Средства 25, 26, 29, 32, 35, 36 воздействия могут присутствовать и применяться по отдельности, парами или в множестве.
Материал М предпочтительно подается через импульсный инжектор 35 или инжекторы импульсно в поток 7 холодного газа с частицами, и модулируется скорость v потока 7 холодного газа с частицами.
Смешивание газа высокого давления, который приходит из генератора 22 газа высокого давления, и порошка, который приходит из емкости 16 для порошка, можно осуществлять перед впускным отверстием 8' сопла в камере 4 (фиг.1 и фиг.2). Поток газа высокого давления и частицы можно также смешивать друг с другом уже в сопле 8 (не изображено).
Средства 25, 32, 35, 36 воздействия могут быть расположены или лишь перед впускным отверстием 8' сопла (фиг.7) или лишь после выпускного отверстия 8' сопла (фиг.8).
В частности, у сопла 8 можно переменно изменять диаметр Ф, температуру Т и/или давление р с целью оказания влияния на поток 7 холодного газа с частицами.
Сопло 8 может нагреваться для создания постоянной температуры T потока 7 холодного газа с частицами, или температура Т потока 7 холодного газа с частицами может попеременно изменяться.
Вся установка 1 для холодного газового распыления может быть расположена в вакуумной камере (не изображена).
Холодное распыление означает, что применяют температуры до максимально 80-550°С, в частности от 400°С до 550°С. Температура подложки составляет от 80°С до 100°С. Скорости газа составляют от 300 м/с до 2000 м/с, в частности до 900 м/с.
На фиг.3 имеется лишь один инжектор 35 порошка.
На фиг.4 имеются инжекторы 35 порошка и импульсные нагревательные средства 25, которые можно применять совместно или независимо друг от друга.
На фиг. 5 имеются по сравнению с фиг.4 еще генераторы 29 давления, которые можно применять по отдельности, попарно или все вместе.
Свойства потока 7 холодного газа с частицами можно в процессе нанесения покрытия изменять по отдельности или вместе, в частности, когда изменение действует в одинаковом направлении, т.е. повышение температуры и увеличение давления.
За счет повышения температуры, модуляции давления или сужения поперечного сечения сопла 8 потока 7 холодного газа с частицами достигаются более высокие скорости частиц и тем самым обеспечивается лучший результат нанесения покрытия.
Для создания пульсирующего потока 7 холодного газа с частицами можно использовать также различные способы:
- клапан 32 перед соплом 8 или вращающийся перфорированный диск в газовом потоке перед соплом 8;
- периодическое сужение поперечного сечения сопла 8, предпочтительно с помощью пьезоэлектрической керамики или, соответственно, псевдоэлектрических материалов;
- импульсное нагревание газа;
- влияние на скорость несущего газа посредством ввода акустических волн.
Импульсную инжекцию частиц порошка можно осуществлять предпочтительно с помощью пьезоэлектрического инжектора 35 порошка.
С помощью модулированных потоков 7 холодного газа с частицами можно распылять, в частности, порошок с величиной зерна менее 1 мкм, предпочтительно менее 500 нм (наночастицы).
Для получения градированных или многослойных покрытий можно использовать также несколько инжекторов 35 порошка с различными порошковыми материалами М.
Относительно выбора материалов нет никаких ограничений, так что можно распылять металлы, металлические сплавы, металлы второго рода, а также их соединения (карбиды, нитриды, оксиды, сульфиды, фосфаты и т.д.), а также полупроводники, высокотемпературные сверхпроводники, магнитные материалы, стекло и/или керамику.
На фиг.6 имеются две емкости 16, 16' для порошка, которые содержат различные материалы для частиц. Материалы из емкостей 16, 16' для порошка можно добавлять одновременно или использовать лишь одну емкость 16, 16' для порошка.
В частности, когда частицы имеют различные размеры зерен, то целесообразно изменять скорость v потока холодного газа с частицами, с целью обеспечения, например, одинакового импульса при меньших, т.е. более легких частицах. В этом случае можно также применять два нагревателя газа или два генератора газа высокого давления.
На фиг.9 показана в качестве примера газовая турбина 100 в продольном разрезе.
Газовая турбина 110 имеет внутри установленный с возможностью вращения вокруг оси 102 ротор 103 с валом 101, который называется также рабочим колесом турбины.
Вдоль ротора 103 расположены друг за другом воздухозаборный корпус 104, компрессор 105, имеющая, например, форму тора камера 110 сгорания, в частности, кольцевая камера сгорания, с множеством коаксиально расположенных горелок 107, турбина 108 и корпус 109 отвода отработавших газов.
Кольцевая камера 110 сгорания соединена, например, с кольцевым каналом 111 горячего газа. Там, например, четыре расположенные друг за другом турбинные ступени 112 образуют турбину 108.
Каждая турбинная ступень 112 образована, например, из двух колец лопаток. В направлении потока рабочей среды 113 в канале 111 горячего газа за рядом 115 направляющих лопаток следует ряд 125, образованный из рабочих лопаток 120.
При этом направляющие лопатки 130 закреплены на внутреннем корпусе 138 статора 143, а рабочие лопатки 120 ряда 125 установлены, например, с помощью турбинного диска 133 на роторе 103.
С ротором 103 соединен генератор или рабочая машина (не изображены).
Во время работы газовой турбины 100 компрессор 103 всасывает воздух 135 через воздухозаборный корпус 104 и сжимает его. Создаваемый на обращенном к турбине конце компрессора 105 сжатый воздух подается в горелки 107 и смешивается в них с топливом. Затем смесь сгорает в камере 110 сгорания с образованием рабочей среды 113. Из камеры сгорания рабочая среда 113 проходит по каналу 111 горячего газа на направляющие лопатки 130 и рабочие лопатки 120. На рабочих лопатках 120 рабочая среда 113 теряет давление с передачей импульса, так что рабочие лопатки 120 вращают ротор 103 и соединенную с ним рабочую машину.
Конструктивные элементы, на которые воздействует горячая рабочая среда 113, подвергаются во время работы газовой турбины 100 тепловым нагрузкам. Наибольшей тепловой нагрузке подвергаются направляющие лопатки 130 и рабочие лопатки 120 первой в направлении потока рабочей среды 113 турбинной ступени 112, наряду с экранирующими тепло элементами, образующими внутреннюю облицовку кольцевой камеры 110 сгорания.
Для выдерживания имеющихся там температур эти конструктивные элементы можно охлаждать с помощью охлаждающего средства.
Кроме того, подложки конструктивных элементов могут иметь направленную структуру, т.е. они являются монокристаллическими (структура SX), или же имеют лишь продольно ориентированные зерна (структура DS).
В качестве материала для конструктивных элементов, в частности, для турбинных лопаток 120, 130 и конструктивных элементов камеры 110 сгорания, применяются жаропрочные сплавы, например, на основе железа, никеля или кобальта.
Такие жаропрочные сплавы известны, например, из ЕР 1 204 776 В1, ЕР 1 306 454, ЕР 1 319 729 А1, WO 99/67435 или WO 00/44949, содержание которых относительно химического состава сплавов включается в данное описание.
Направляющая лопатка 130 имеет обращенную к внутреннему корпусу 138 турбины 108 ножку направляющей лопатки (не изображена) и противоположную ножке направляющей лопатки головку направляющей лопатки. Головка направляющей лопатки обращена к ротору 103 и закреплена на крепежном кольце 140 статора 143.
На фиг.10 показана в изометрической проекции рабочая лопатка 120 или направляющая лопатка 130 лопастной машины, которая проходит вдоль продольной оси 121.
Лопастная машина может быть газовой турбиной самолета или электростанции для генерирования электричества, паровой турбиной или компрессором.
Лопатка 120, 130 имеет вдоль продольной оси 121 последовательно крепежную зону 400, примыкающую к ней платформу 403 лопатки, а также рабочую сторону 406 лопатки и вершину 415 лопатки.
В качестве направляющей лопатки 130 лопатка 130 может иметь на своей вершине 415 дополнительную платформу (не изображена).
В крепежной зоне 400 образована ножка 183 лопатки, которая служит для крепления рабочих лопаток 120, 130 на валу или на диске (не изображены).
Ножка 183 лопатки выполнена, например, Т-образной. Возможны другие выполнения в виде елочной ножки или ножки в виде ласточкина хвоста.
Лопатка 120, 130 имеет для среды, проходящей по рабочей стороне 406 лопатки, переднюю кромку 409 и заднюю кромку 412.
У обычных лопаток 120, 130 во всех зонах 400, 403, 406 лопаток 120, 130 применяются, например, массивные металлические материалы, в частности жаропрочные сплавы.
Такие жаропрочные сплавы известны, например, из ЕР 1204776 В1, ЕР 1306454, ЕР 1319729 А1, WO 99/67435 или WO 00/44949, содержание которых относительно химического состава сплавов включается в данное описание.
При этом лопатки 120, 130 могут быть изготовлены с помощью способов литья, а также с помощью направленной кристаллизации, с помощью способов ковки, с помощью способов фрезерования или их комбинаций.
Детали с монокристаллической структурой или структурами применяются в качестве конструктивных элементов для машин, которые во время работы подвергаются высоким механическим, тепловым и/или химическим нагрузкам.
Изготовление таких монокристаллических деталей осуществляется, например, посредством направленной кристаллизации из расплава. При этом речь идет о способах литья, при которых жидкие металлические сплавы затвердевают с образованием монокристаллической структуры, т.е. в монокристаллическую деталь, или затвердевают направленно.
При этом дендритные кристаллы ориентируются вдоль теплового потока и образуют либо столбчатую кристаллическую структуру зерен (колоннообразную, т.е. зерна, которые проходят по всей длине детали и здесь направленно затвердевают) или монокристаллическую структуру, т.е. вся деталь состоит из одного единственного кристалла. При этих способах необходимо избегать перехода к равноосному (поликристаллическому) затвердеванию, поскольку вследствие ненаправленного роста неизбежно образуются поперечные и продольные границы зерен, которые сводят на нет хорошие свойства направленно кристаллизованного или монокристаллического конструктивного элемента.
Если речь идет в целом о направленно кристаллизованных структурах, то под этим подразумеваются как монокристаллы, которые не имеют границ зерен или имеют максимально границы зерен с небольшими углами, так и столбчатые кристаллические структуры, которые имеют проходящие в продольном направлении границы зерен, но не имеют поперечных границ зерен. Эти столбчатые кристаллические структуры обычно называют направленно кристаллизованными структурами (directionally solidified structures).
Такие способы известны из US-PS 6024792 и ЕР 0892090 А1, содержание которых относительно способов кристаллизации включается в данное описание.
Лопатки 120, 130 могут иметь также покрытия против коррозии или окисления, например MCrAlX, где М является, по меньшей мере, одним элементом из группы, включающей железо (Fe), кобальт (Co), никель (Ni), Х является активным элементом и обозначает иттрий (Y) и/или кремний, и/или, по меньшей мере, один редкоземельный элемент, и, соответственно, гафний (Hf). Такие сплавы известны из ЕР 0486489 В1, ЕР 0786017 В1, ЕР 0412397 В1 или ЕР 1306454 А1, содержание которых относительно химического состава сплавов включается в данное описание. Плотность предпочтительно составляет около 95% теоретической плотности.
На слое MCrAlX (в качестве промежуточного слоя или наружного слоя) образуют защитный слой оксида алюминия (TGO = thermal grown oxide layer).
2
2
3
2
На слое MCrAlX может иметься также теплоизолирующий слой, который предпочтительно является наружным слоем и состоит, например, из ZrO, YO-ZrO, т.е. он не стабилизирован, частично или полностью стабилизирован оксидом иттрия и/или оксидом кальция, и/или оксидом магния.
Теплоизолирующий слой покрывает весь слой MCrAlX.
С помощью подходящего способа нанесения покрытия, как, например, распыление с помощью электронного луча (EB-PVD), создаются столбчатые зерна в теплоизолирующем слое.
Возможны другие способы покрытия, например, атмосферное плазменное распыление (APS), LPPS, VPS или CVD. Теплоизолирующий слой может иметь пористые зерна, зерна с микротрещинами или макротрещинами для улучшения стойкости к тепловому удару. Теплоизолирующий слой предпочтительно является также более пористым, чем слой MCrAlX.
Лопатка 120, 130 может быть выполнена полой или массивной. Если необходимо охлаждать лопатку 120, 130, то она является полой и имеет при необходимости еще отверстия 418 для пленочного охлаждения (показаны пунктирно).
На фиг.11 показана камера 110 сгорания газовой турбины 100. Камера 110 сгорания выполнена, например, в виде так называемой кольцевой камеры сгорания, при которой множество расположенных в окружном направлении вокруг оси 102 вращения горелок 107 выходят в общее пространство 154 камеры сгорания с образованием факелов 156. Для этого камера 110 сгорания выполнена в целом в виде кольцевой структуры, которая позиционирована вокруг оси 102 вращения.
Для достижения сравнительно высокого коэффициента полезного действия, камера 110 сгорания рассчитана на сравнительно высокую температуру рабочей среды М около 1000-1600°С. Для обеспечения также при этих неблагоприятных для материалов рабочих условиях сравнительно длительного срока службы, стенка 153 камеры сгорания на своей обращенной к рабочей среде М стороне снабжена внутренней облицовкой, образованной из экранирующих тепло элементов 155.
Вследствие высоких температур внутри камеры 110 сгорания для экранирующих тепло элементов 155 и, соответственно, для удерживающих их элементов может быть предусмотрена система охлаждения. В этом случае экранирующие тепло элементы 155 являются, например, полыми и имеют, при необходимости, выходящие в пространство 154 камеры сгорания охлаждающие отверстия (не изображены).
Каждый экранирующий тепло элемент 155 из сплава снабжен на стороне рабочей среды особенно теплостойким защитным слоем (слоем MCrAlX и/или керамическим покрытием) или же изготовлен из стойкого к высоким температурам материала (массивных керамических кирпичей).
Эти защитные слои могут быть выполнены аналогично турбинным лопаткам, т.е., например, в виде слоя MCrAlX, где М является, по меньшей мере, одним элементом из группы, включающей железо (Fe), кобальт (Co), никель (Ni), Х является активным элементом и обозначает иттрий (Y) и/или кремний, и/или, по меньшей мере, один редкоземельный элемент, или, соответственно, гафний (Hf). Такие сплавы известны из ЕР 0486489 В1, ЕР 0786017 В1, ЕР 0412397 В1 или ЕР 1306454 А1, содержание которых относительно химического состава сплавов включается в данное описание.
2
2
3
2
На слое MCrAlX может иметься, например, керамический теплоизолирующий слой, который состоит, например, из ZrO, YO-ZrO, т.е. он не стабилизирован, частично или полностью стабилизирован оксидом иттрия и/или оксидом кальция, и/или оксидом магния.
С помощью подходящего способа нанесения покрытия, как, например, распыление с помощью электронного луча (EB-PVD), создаются столбчатые зерна в теплоизолирующем слое.
Возможны другие способы покрытия, например атмосферное плазменное распыление (APS), LPPS, VPS или CVD. Теплоизолирующий слой может иметь пористые зерна, зерна с микротрещинами или макротрещинами для улучшения стойкости к тепловому удару.
Регенерация (refurbishment) означает, что турбинные лопатки 120, 130, экранирующие тепло элементы 155 после их использования при необходимости освобождаются от защитных слоев (например, с помощью пескоструйной обработки). После этого осуществляется также удаление слоев коррозии и/или окисления, соответственно, продуктов коррозии и/или окисления. При необходимости осуществляется также ремонт трещин в турбинной лопатке 120, 130 или в экранирующем тепло элементе 155. После этого осуществляется повторное покрытие турбинных лопаток 120, 130, экранирующих тепло элементов 155 и новое использование турбинных лопаток 120, 130 или экранирующих тепло элементов 155.
Перечень позиций
1 Устройство для холодного газового распыления
4 Смесительная горелка
7 Поток холодного газа с частицами
8 Сопло/сопло Лаваля
10 Подложка
13 Покрытие
16 Емкость для порошка
19 Нагреватель
22 Генератор газа высокого давления
25 Импульсное нагревательное средство/средство воздействия
26 Средство акустической связи/средство воздействия
29 Пьезоэлектрический генератор давления/средство воздействия
32 Клапан/диск/средство воздействия
35 Инжектор порошка/средство воздействия
100 Газовая турбина
101 Вал
102 Ось вращения
103 Ротор
104 Воздухозаборный корпус
105 Компрессор
106 Кольцевая камера сгорания
107 Горелка
108 Турбина
109 Корпус отвода отработавших газов
110 Камера сгорания
111 Канал горячего газа
112 Ступень турбины
113 Рабочая среда
115 Ряд направляющих лопаток
120 Рабочая лопатка
121 Продольная ось
125 Ряд
130 Направляющая лопатка
133 Турбинный диск
135 Воздух
138 Внутренний корпус
140 Крепежное кольцо
143 Статор
153 Стенка камеры сгорания
154 Пространство камеры сгорания
155 Экранирующий тепло элемент
156 Факелы
183 Ножка лопатки
400 Крепежная зона
403 Платформа лопатки
406 Рабочая сторона лопатки
409 Передняя кромка
412 Задняя кромка
415 Вершина лопатки
418 Отверстия для пленочного охлаждения