СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ ТОЛЩИНЫ КЕРАМИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ, СОЗДАЮЩЕГО ТЕРМИЧЕСКИЙ БАРЬЕР
METHOD AND DEVICE FOR ESTIMATION OF THICKNESS OF CERAMIC COATING WHICH CREATES THERMAL BARRIER

Уровень техники
Настоящее изобретение относится к общей области осаждения керамических покрытий, создающих термические барьеры, на детали горячей части газовых турбин, таких, например, как турбореактивные двигатели.
Более конкретно, настоящее изобретение относится к оценке толщины керамического покрытия, создающего термический барьер, которое должно осаждаться с помощью физического осаждения из паровой фазы на деталь горячей части газовой турбины, такую как направляющая лопатка статора или лопатка рабочего колеса турбины высокого давления.
Таким образом, настоящее изобретение имеет предпочтительное, но не ограниченное применение в области авиации.
Обычным образом, в то время как газовая турбина находится в рабочем состоянии, ее лопатки подвергаются воздействию относительно высоких температур.
2
Для предотвращения повреждения лопаток, одно из решений заключается в покрытии стенки лопатки термическим барьером, состоящем из керамического наружного слоя, для понижения температуры лопатки. Керамика, обычно используемая для этой цели, представляет собой диоксид циркония ZrO, возможно, стабилизированный иттрием. Такой керамический термический барьер, как правило, формируют посредством физического осаждения из паровой фазы (PVD), а более конкретно, PVD с помощью электронного пучка (EBPVD).
При технологии EBPVD, стенка лопатки покрывается с помощью паров керамики, конденсирующихся на ней, в окружении вакуума, при парциальном давлении инертного или химически активного газа. Пар керамики генерируется посредством испарения брусков "мишеней" из спеченной керамики, которые бомбардируются электронным пучком.
Только поверхность лопатки, которая обращена к поверхности керамического бруска, покрывается слоем керамики с помощью этого способа. Таким образом, чтобы иметь возможность нанесения покрытия на весь профиль лопатки, лопатку помещают в парах в течение осаждения EBPVD на опорном приспособлении, которое приводится в движение с вращением или колебаниями по отношению к брускам "мишеней".
В настоящее время, толщина керамического покрытия, создающего термический барьер, которое должно осаждаться на стенку лопатки, определяется конструкторским бюро. Это определение принимает во внимание только максимальную температуру стенки, которую может выдержать лопатка до разрушения. Однако они не принимают во внимание технических ограничений, связанных с реальным осаждением покрытия (например, с формой и перемещениями приспособления и брусков мишеней, и тому подобное) так, что толщина покрытия, рекомендованная конструкторским бюро, не всегда может быть получена на практике.
В результате, как правило, осуществляют несколько исследований на реальных деталях, для осуществления действий итерационным образом с целью определения опорного приспособления для лопатки и для определения условий для осаждения EBPVD (например, перемещений приспособления, времени экспонирования детали горячей части для излучения от мишени (мишеней), и тому подобное),    чтобы достичь толщины покрытия, которая является настолько близкой, насколько это возможно, к толщине, определенной конструкторским бюро.
Такие исследования требуют как изготовления, так и использования реальных деталей, таких как лопатки, и разнообразных частей опорных приспособлений для лопатки, а также деталей для маскировки зон лопатки, которые нежелательно подвергать воздействию излучения от керамических брусков во время осаждения EBPVD. Такие исследования также требуют, чтобы осажденные слои, полученные таким путем, анализировались, включая резку лопаток после осаждения, измерение осажденных слоев на различных секциях лопатки, и сравнение толщины полученных осажденных слоев с определениями конструкторского бюро.
Как правило, необходимы, по меньшей мере, три исследования для достижения параметров, определенных конструкторским бюро. Таким образом, можно легко понять, что все это составляет способ, который является относительно дорогостоящим, как с точки зрения материальных ресурсов, так и с точки зрения времени, необходимого для получения покрытия, создающего термический барьер, которое является удовлетворительным, если сравнивать с определениями.
Цель и сущность изобретения
Настоящее изобретение служит, в частности, для исправления этих недостатков, предлагая способ оценки с целью оценки толщины керамического покрытия, создающего термический барьер, которое должно осаждаться с помощью физического осаждения из паровой фазы, по меньшей мере, с одной мишени и на деталь горячей части газовой турбины, установленную на опорном приспособлении, способ включает:
стадию цифрового моделирования геометрической формы детали горячей части и ее перемещений по отношению к указанной, по меньшей мере, одной мишени;
стадию предоставления детали горячей части как она смоделирована в виде поверхностной сетки; и
стадию оценки, по меньшей мере, для одного элемента сетки детали горячей части, экспонируемой для излучения от мишени во время осаждения покрытия, толщины покрытия, которое должно осаждаться на указанном элементе сетки в данный момент времени, с использованием модели излучения, моделирующей излучение от мишени, и с учетом положения указанного элемента сетки в этот момент времени по отношению к мишени.
Соответственно, настоящее изобретение предлагает также устройство для оценки толщины керамического покрытия, создающего термический барьер, которое должно осаждаться с помощью физического осаждения из паровой фазы, по меньшей мере, из одной мишени на деталь горячей части газовой турбины, установленную на опорном приспособлении, при этом устройство содержит:
- средства для цифрового моделирования геометрической формы детали горячей части и ее перемещений по отношению к указанной, по меньшей мере, одной мишени;
- средства для представления детали горячей части как она смоделирована, в виде поверхностной сетки; и
- средства для оценки, по меньшей мере, для одного элемента сетки детали горячей части, экспонируемой для излучения от мишени во время осаждения покрытия, толщины покрытия, которое должно осаждаться на указанном элементе сетки в данный момент времени, причем эти средства пригодны для использования модели излучения, моделирующей излучение от мишени и учитывающей положение указанного элемента сетки в этот момент времени по отношению к мишени.
Предпочтительно, осаждение осуществляют с помощью физического осаждения из паровой фазы с помощью электронного пучка (EBPVD), которое осуществляют обычным образом с помощью керамических мишеней, таких как бруски или заготовки из спеченной керамики.
Перемещения детали горячей части по отношению к мишени относятся к параметрам и/или элементам, которые характеризуют любое перемещение детали горячей части по отношению к мишени во время PVD осаждения. Таким образом, цифровое моделирование перемещения детали горячей части по отношению к мишени может заключаться, в частности, в характеризации одной или нескольких осей вращения детали горячей части по отношению к мишени, вместе с соответствующей скоростью (скоростями) вращения. Необходимо заметить, что источник перемещения детали горячей части по отношению к мишени может представлять собой любой источник, например, оно может происходить от перемещения опорного приспособления, мишени и тому подобного.
Таким образом, настоящее изобретение предлагает цифровой инструмент прогнозирования для быстрого и простого определения размеров и характеризации осаждения термического барьера на детали горячей части, учитывая при этом реальные промышленные ограничения (формы и перемещения детали горячей части по отношению к мишени, замаскированные части детали горячей части, и тому подобное). Разумеется, можно разработать человекомашинный интерфейс (MMI) для этого инструмента, чтобы облегчить использования полученной толщины.
В соответствии с настоящим изобретением, физические явления, участвующие в осаждении термического барьера и связанные, в частности, с бомбардировкой мишени электронным пучком и с генерированием молекул во время испарения мишени, рассматриваются как излучение от мишени. Соответственно, части детали горячей части, экспонируемые для паров (то есть для частиц керамики) от мишени, рассматриваются как части, экспонируемые для излучения от мишени.
Таким образом, инструмент, предлагаемый настоящим изобретением, основывается преимущественно на модели излучения, моделирующей излучение от мишени, при этом луч, испускаемый мишенью, в этой модели соответствует потоку частиц керамики, испускаемому мишенью вдоль этого луча. Посредством анализа оцениваемой толщины и использования цифровых моделей, этот инструмент делает легкой адаптацию приспособления и его перемещений для цели получения осажденного слоя, который является настолько близким, насколько это возможно, к определениям конструкторского бюро. Это ограничивает количество исследований, необходимых для реальных деталей с целью достижения этого результата.
Формирование поверхностной сетки для детали горячей части делает возможным вычисление толщины в различных точках на детали и в различные моменты времени. Это обеспечивает возможность исключения разнообразных операций резки реальных деталей, которые использовали ранее для проверки результатов. Также, посредством настоящего изобретения, можно оценивать толщину осажденного слоя в многочисленных точках на детали горячей части, тем самым делая более легким анализ результатов.
Кроме того, использование цифровой модели детали горячей части делает возможным адаптацию для разнообразных деталей горячей части. В качестве примера, такое цифровое моделирование становится доступным с помощью программного обеспечения CATIA, разработанного поставщиком Dassault Systemes и известного в области автоматизированного проектирования (CAD).
При осуществлении, способ согласно настоящему изобретению дополнительно включает:
стадию цифрового моделирования геометрических форм указанной, по меньшей мере, одной мишени; и
стадию представления указанной, по меньшей мере, одной мишени, как она смоделирована, в виде поверхностной сетки;
где модель излучения определяется для элемента сетки указанной, по меньшей мере, одной мишени как
,
где
I(θ) обозначает интенсивность луча, испускаемого элементом сетки указанной, по меньшей мере, одной мишени в направлении под углом θ по отношению к нормали к указанному элементу сетки (эта интенсивность моделирует скорость, с которой частицы керамики испускаются мишенью в направлении θ); и
0
n и I обозначают заданные константы.
0
Таким образом, настоящее изобретение использует модель, которая является точной и которая также принимает во внимание форму мишени. Необходимо заметить, что константы n и I могут определяться теоретически или экспериментально.
В другом осуществлении, способ согласно настоящему изобретению дополнительно включает:
стадию цифрового моделирования, по меньшей мере, одной маски, пригодной для использования при защите зоны детали горячей части, которая экспонируется для излучения от указанной, по меньшей мере, одной мишени; и
стадию представления указанной, по меньшей мере, одной маски как поверхностной сетки;
причем элементы сетки деталей горячей части, которые рассматриваются во время стадии оценки, включают элементы сетки, которые не маскируются в данный момент времени от указанной, по меньшей мере, одной мишени, с помощью элементов сетки указанной, по меньшей мере, одной маски, во время осаждения покрытия.
Моделирование и представление масок как поверхностных сеток дает более высокую гибкость при учете ограничений осаждения. Эти маски могут быть образованы элементами самого приспособления, используемого для поддержания детали горячей части во время PVD осаждения (например, для лопатки опорное приспособление может маскировать плоскость лопатки и ее основание), или они могут представлять собой зоны, которые нежелательно экспонировать для испарения (то есть для излучения) от мишени во время осаждения (например, задней кромки лопатки).
Посредством настоящего изобретения, таким образом, также легко исследовать разнообразные положения для детали горячей части на опорном приспособлении по отношению к мишени посредством моделирования соответствующих масок.
При осуществлении, способ по настоящему изобретению дополнительно включает:
стадию цифрового моделирования опорного приспособления для поддержания детали горячей части и
стадию представления опорного приспособления, как оно смоделировано, в виде поверхностной сетки.
Моделирование и формирование поверхностной сетки приспособления служат для улучшения точности, с которой оценивается толщина покрытия, и делает легким учет влияния опорного приспособления для детали горячей части.
В дополнение к этому, использование цифрового инструмента как предлагается настоящим изобретением, делает простым хранение данных об опорном приспособлении (вместе с соответствующими перемещениями), которые исследуют и проверяют по отношению к определениям конструкторского бюро (в том смысле, что такое приспособление, как известно, делает возможным достижение технических характеристик конструкторского бюро). Это дает лучшую отслеживаемость предполагаемых проверочных исследований. Легко также создавать каталог приспособлений, пригодный для составления информационной базы для разработки новых приспособлений и новых предложений относительно перемещений этих приспособлений.
Необходимо заметить, что формирование поверхностной сетки опорного приспособления как поверхностной сетки, при условии, что приспособление участвует только в определении масок детали горячей части, не должно быть таким же точным как представление поверхностной сетки детали горячей части и/или, при необходимости, мишени.
В одном из вариантов осуществления, во время стадии оценки, можно также учесть коэффициент потерь, соответствующий лучам, которые испускаются указанной, по меньшей мере, одной мишенью во время осаждения, но которые не достигают детали горячей части (несмотря на то, что отсутствуют препятствия между мишенью и деталью горячей части, некоторые частицы керамики не достигают детали горячей части). Учет этого коэффициента потерь делает возможным получение оценки для толщины покрытия, которая ближе к той, которую определяют экспериментально во время исследований, осуществляемых на реальных деталях.
В одном из осуществлений, различные стадии способа оценки согласно настоящему изобретению определяются с помощью инструкций компьютерных программ.
Как следствие, настоящее изобретение предлагает также компьютерную программу на носителе данных, программа является пригодной для использования при исполнении в оценивающем устройстве или, в более общем смысле, в компьютере, программа включает инструкции, адаптированные для осуществления стадий способа оценки, как описано выше.
Программа может использовать любой язык программирования, и может существовать в форме исходного кода, объектного кода или кода, промежуточного между исходным кодом и объектным кодом, например, в частично компилированной форме, или в любой другой желаемой форме.
Настоящее изобретение также предлагает машиночитаемый носитель для хранения данных, содержащий инструкции компьютерной программы, указанные выше.
Носитель для хранения данных может представлять собой любой объект или устройство, способное хранить программу. Например, носитель может содержать средства для хранения, такие как постоянное запоминающее устройство (ROM), например ROM на компакт диске (CD) или ROM на микроэлектронной схеме или, наконец, средства магнитной записи, например гибкий диск или жесткий диск.
Кроме того, носитель для хранения данных может представлять собой передаваемую среду, такую как электрический или оптический сигнал, который может переноситься с помощью электрического или оптического кабеля, с помощью радио или с помощью других средств. Программа согласно настоящему изобретению может, в частности быть выгружена из сети типа Интернет.
Альтернативно, носитель для хранения данных может представлять собой встроенную схему, в которую включена программа, причем схема адаптирована для осуществления рассматриваемого способа или используется при его осуществлении.
В другом аспекте, настоящее изобретение также предлагает использование способа по настоящему изобретению для оценки толщины керамического покрытия, создающего термический барьер, который должен осаждаться с помощью физического осаждения из паровой фазы, по меньшей мере, из одной мишени на статорную лопатку или роторную лопатку газовой турбины.
Краткое описание чертежей
Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения ясны из следующего далее описания со ссылками на прилагаемые чертежи, которые показывают осуществление, не имеющее ограничивающего характера. На фигурах:
Фигура 1 показывает, в его окружающей среде, опорное приспособление, имеющее множество установленных на нем лопаток газовой турбины, и пригодное для использования во время осаждения EBPVD;
Фигура 2 показывает устройство в соответствии с конкретным вариантом осуществления настоящего изобретения, и оно пригодно для использования для оценки толщины покрытия, создающего термический барьер, изготовленного из керамики, которое должно осаждаться на лопатке, установленной на приспособлении, показанном на Фигуре 1;
Фигура 3 имеет форму блок-схемы и показывает конкретное осуществление главных стадий способа в соответствии с настоящим изобретением для оценки толщины покрытия, создающего термический барьер, изготовленного из керамики, как осуществляется с помощью устройства, показанного на Фигуре 2;
Фигура 4A показывает цифровые модели опорного приспособления и лопатки газовой турбины, показанных на Фигуре 1, представленные с использованием поверхностной сетки из треугольников;
Фигура 4B показывает конкретную сетку для мишени, показанной на Фигуре 1;
Фигура 4C показывает неоднородную сетку для лопатки турбины, показанной на Фигуре 1;
Фигура 5 показывает луч, испускаемый элементом сетки мишени в направлении элемента сетки лопатки турбины; и
Фигура 6 показывает значение толщины для покрытия, создающего термический барьер, изготовленного из керамики, как получено с использованием способа по настоящему изобретению и по сравнению с результатами исследований.
Подробное описание изобретения
Описываемое осуществление относится к оценке толщины покрытия, создающего термический барьер, изготовленного из керамики, которое должно осаждаться с помощью физического осаждения из паровой фазы с помощью электронного пучка (EBPVD) на лопатке газовой турбины.
В качестве примера, эта лопатка представляет собой статорную направляющую лопатку или роторную лопатку турбины высокого давления.
Тем не менее, это предположение не является ограничивающим, и настоящее изобретение может применяться для определения толщины покрытия, создающего термический барьер, на других деталях горячей части газовой турбины.
Как описано выше, для осуществления EBPVD осаждения керамического термического барьера на лопатке газовой турбины, лопатку помещают в вакуумном окружении с парциальным давлением инертного или химически активного газа. Затем лопатку покрывают посредством конденсации паров керамики, генерируемых посредством испарения одного или нескольких керамических источников посредством электронной бомбардировки. В качестве примера, керамические источники могут представлять собой бруски из спеченной керамики. В значении настоящего изобретения, они являются "мишенями" (для электронного пучка).
Для экспонирования всего профиля лопатки для паров керамики, выделяющихся из керамических источников, лопатку помещают на опорном приспособлении, которое заставляет ее перемещаться с вращением или с колебаниями по отношению к источникам, при этом имеет место EBPVD осаждение.
Поскольку принцип EBPVD осаждения известен специалистам в данной области, оно не будет описываться более подробно в настоящем документе.
В качестве примера, Фигура 1 показывает, в его окружающей среде, опорное приспособление 1, пригодное для использования во время EBPVD осаждения керамического термического барьера с помощью одного или нескольких источников 2 мишеней на множество лопаток 3 турбины высокого давления.
Это опорное приспособление 1 имеет консоль 4, которая заканчивается вилкой, имеющей две параллельных ветви 5A и 5B. Эти параллельные ветви 5A и 5B поддерживают поперечные цилиндрические стержни 6, на которых устанавливают лопатки 3.
Поперечные стержни 6 заставляют перемещаться с вращением вокруг их осей вращения, заставляя тем самым лопатки 3 перемещаться по отношению к мишеням 2.
Мишени 2 расположены под опорным приспособлением 1, и облака паров керамики исходят из них под действием электронной бомбардировки (не показано). Использование множества мишеней 2 дает преимущество создания вблизи лопаток поля паров, которое является более однородным.
Каждую лопатку 3 устанавливают на поперечном стержне 6 и укрепляют на нем с помощью задней кромки, ее плоскости и части основания. Таким образом можно непосредственно понять, что эти зоны лопатки маскируются элементами приспособления 1, как показано на Фигуре 1, так что они не экспонируются для выделений с мишеней во время EBPVD осаждения.
Как рассмотрено выше, настоящее изобретение преимущественно предлагает инструмент прогнозирования, который делает возможным, в данный момент времени, оценивать толщину е керамического покрытия, создающего термический барьер, осажденного с помощью EBPVD, на одной из лопаток 3 газовой турбины, установленной на приспособлении 1.
В описательном примере этот инструмент имеет форму компьютерной программы, имеющей инструкции, адаптированные для осуществления стадий способа оценки по настоящему изобретению.
Если ссылаться на Фигуру 2, эта программа хранится в оценивающем устройстве 7 в соответствии с настоящим изобретением, и в этом примере оно имеет архитектуру аппаратного обеспечения компьютера.
В частности, устройство 7 содержит процессор 8, запоминающее устройство с произвольной выборкой (RAM) 9, ROM 10, энергозависимую память 11, средства 12 ввода/вывода (например, мышь, клавиатуру и тому подобное) и монитор 13 для отображения толщины, оцениваемой в соответствии с настоящим изобретением. ROM 10 является средой для хранения данных в соответствии с настоящим изобретением, которая считывается с помощью процессора 8, и на которой хранится рассмотренная выше программа.
Со ссылкой на Фигуру 3 следует описание главных стадий способа оценки по настоящему изобретению, в частности, осуществление, при котором осуществляют стадии для оценки толщины керамического покрытия, которое должно осаждаться с помощью EBPVD, на одной из лопаток 3A из множества лопаток 3, установленных на приспособлении 1 Фигуры 1. Необходимо заметить, что настоящее изобретение делает возможной оценку этой толщины в различных точках лопатки 3A.
В осуществлении, описываемом в настоящее время, цифровые модели M1, M2 и M3 устанавливают сначала для опорного приспособления 1, для мишеней 2 и для лопатки 3A, соответственно (стадия E10).
В этом примере, эти цифровые модели имеют форму отдельных файлов данных, хранимых в энергозависимой памяти 11 устройства 7, и, в частности, они описывают геометрические формы приспособления 1, мишеней 2 и лопатки 3A, вместе с их положениями в заданной системе координат (X, Y, Z). Другими словами, дискретные данные, составляющие цифровые модели M1, M2 и M3, соответствуют координатам различных точек, представляющих приспособление 1, мишени 2 и лопатку 3A в этой заданной системе координат.
Технологии получения таких геометрических моделей являются известными, сами по себе. В качестве примера они могут генерироваться с использованием компьютерных автоматизированных систем проектирования, таких как инструмент CATIA, разработанный поставщиком Dassault Systemes.
В дополнение к определению геометрических форм элементов, которые они моделируют, эти модели также включают, при необходимости, характеристики перемещений, которые осуществляются по отношению к этим элементам.
Таким образом, модель M1 включает характеристики перемещений, осуществляемых с помощью поперечных стержней 6 опорного приспособления 1, а именно координаты оси вращения стержня 6, на котором установлена лопатка 3A, вместе со скоростью его вращения вокруг его оси.
В описываемом примере мишени 2 являются стационарными.
Подобным же образом, лопатка 3A является стационарной по отношению к поперечному стержню 6. Другими словами, лопатка 3A перемещается по отношению к мишеням 2 в результате только лишь перемещения поперечного стержня 6, на котором она установлена. Как следствие, определение перемещений поперечного стержня 6 является также эквивалентным определению перемещений лопатки 3A по отношению к мишеням 2.
Необходимо заметить, что определение этих перемещений делает возможным определение положения точки на лопатке 3A по отношению к мишеням 2 в каждый момент времени.
После установления моделей M1, M2 и M3, поверхности элементов, как смоделировано, представляются как сетки (упоминаемые также как мозаика) (стадия Е20).
В известном способе, поверхностное картирование домена заключается в разделении домена на множество конечных дискретных геометрических элементов (или ячеек), таких, например, как треугольники, четырехугольники или другие многоугольники. Такая сетка преимущественно служит для упрощения цифровых моделей M1, M2 и M3 для облегчения вычисления толщины покрытия, создающего термический барьер, в различных точках на лопатке 3A.
Это можно осуществить, в частности, с помощью известных способов или программного обеспечения для получения сетки, и это не описывается подробно в настоящем документе, эти способы или программное обеспечение могут применяться к установленным ранее цифровым моделям M1, M2 и M3.
Фигура 4A показывает иллюстративную модель S3, получаемую в результате представления поверхности лопатки 3A как сетки с использованием треугольников исходя из цифровой модели M3. Чтобы избежать перегруженности фигуры, показана только часть модели S3.
Каждый треугольник составляет элемент m сетки модели S3. Каждый элемент m сетки модели S3 определяется координатами его вершин A, B и C и его центра 0 в системе координат (X, Y, Z).
Фигура 4B показывает иллюстративную модель S2, получаемую в результате представления поверхности мишени 2 как сетки с использованием треугольников исходя из цифровой модели M2. Каждый треугольник составляет элемент m2 сетки модели S2. Каждый элемент m2 сетки модели S2 определяется координатами его вершин A, B и C и его центром 0 в системе координат (X, Y, Z).
Необходимо заметить, что мелкость разбиения используемой репрезентации поверхностной сетки (то есть размер ячеек, составляющих сетку) может изменяться от одного элемента до другого.
Таким образом, является предпочтительным использование поверхностной сетки, которая является достаточно мелкой, для исследуемой зоны лопатки 3A и для мишеней 2, чтобы сделать возможной точную оценку толщины покрытия в различных точках на лопатке.
В противоположность этому, для приспособления 1, можно использовать более крупную сетку, поскольку целью этой сетки является скорее общая характеризация элементов приспособления, которые в данный момент времени являются маскирующими зонами лопатки 3A, когда она экспонируется для излучения от мишеней 2. Эти элементы составляют "маски" в значении настоящего изобретения.
Также, представление сетки, которая используется, не должна обязательно быть однородной. Таким образом, мелкость разбиения сетки для данного элемента может адаптироваться как функция зон лопатки, которые желательно изучить.
В качестве примера, Фигура 4C показывает неоднородную сетку S1 лопатки 3A для изучения секции 50% зоны секции 17, которая представлена с помощью сетки, которая гораздо мельче, чем для остальной части 16 детали.
В осуществлении, описываемом в настоящее время, настоящее изобретение предлагает также возможность определения одной или нескольких масок (стадия Е30), служащих в качестве экранов между мишенями 2 и лопаткой 3A во время EBPVD осаждения, для предотвращения экспонирования определенных зон лопатки 3A.
Эти маски могут быть определены в две стадии (цифрового моделирования и представления масок как поверхностных сеток), способом, сходным с описанными выше стадиями E10 и Е20.
В примере, показанном на Фигуре 4A, две маски 14 и 15 определены с помощью цилиндров, и они грубо представлены с помощью треугольников. В одном из вариантов, могут быть рассмотрены другие модели, например, с помощью параллелепипедов.
t
t
После представления частей 1, 2 и 3 как поверхностных сеток на основе моделей M1, M2 и M3 (приводящих к трем соответствующим моделям сеток S1, S2 и S3), и при необходимости, после представления масок 14 и 15, определенных на стадии E30 как поверхностные сетки, определяются те элементы сеток лопатки 3A, которые экспонируются в данный момент времени  для выделений мишеней 2. Другими словами, элементы сеток, которые идентифицируются, не маскируются в момент времени  каким-либо элементом опорного приспособления 1 или масками 14 и 15 (стадия Е40).
t
Для этой цели, процессор 8 устройства 7 действует в момент времени , оценивая положение каждого элемента сетки лопатки 3A по отношению к мишени 2 с помощью координат центров элементов сетки лопатки 3A и центров элементов сетки мишени 2, как определено соответствующим образом в моделях S1 и S2.
m
Затем, для каждого элемента m сетки лопатки 3A и для каждого элемента m2 сетки мишеней 2, он осуществляет поиск, чтобы обнаружить лежит ли один или несколько элементов сетки приспособления 1 или масок 14 и 15 на траектории луча, проходящего через центр элемента  сетки и центр элемента m2 сетки. Этот поиск основывается на использовании геометрических методик (для идентификации того, пересекает ли некоторая линия заданную поверхность) которые, сами по себе, известны и которые не описываются в настоящем документе подробно.
t
e
В описании, приведенном ниже, элементы сетки лопатки 3A, которые экспонируются для излучения от мишеней 2 в момент времени , записываются как m.
e
e
В описываемом осуществлении для каждого элемента m сетки, определяемого в течение стадии Е40, затем оценивается толщина e(m) покрытия, создающего термический барьер, осажденного с помощью мишеней 2 на этой сетке в этот момент времени, (стадия Е50).
Чтобы сделать это в соответствии с настоящим изобретением, физические явления, которые имеют место во время осаждения покрытия, создающего термический барьер, рассматриваются как излучение, исходящее от мишеней 2.
e
e
t
Таким образом, модель излучения от мишеней 2 преимущественно используются для оценки толщин e(m). Каждый элемент сетки m2 мишени 2 характеризуется его центром, и он испускает частицы керамики. Модель излучения, используемая в настоящем документе, определяет интенсивность излучения или интенсивность испускания частиц от каждой мишени 2 (то есть скорость потока частиц, испускаемых мишенью) как функцию направления испускания частиц. Преимущественно, эта модель дает возможность учитывать положение элемента m сетки рассматриваемой лопатки 3A по отношению к мишени в момент времени .
Разумеется, если мишени имеют различную природу, отдельная модель излучения (например, имеющая иные параметры) может быть предусмотрена для каждой мишени. В примере, рассматриваемом в настоящее время, используют только одну модель излучения.
Более точно, это модель основывается на том предположении, что каждый элемент m2 сетки мишени 2 испускает частицы с интенсивностью I(θ) вдоль направления под углом 9 по отношению к нормали к элементу m2 сетки (и выраженной как количество частиц на квадратный метр в секунду), как определяется с помощью следующего уравнения (1):
,
0
где n и I обозначают заданные константы.
e
e
t
Другими словами, интенсивность, с которой частицы, испускаемые элементом m2 сетки, достигают элемента m сетки лопатки 3A, зависит от положения элемента m сетки по отношению к элементу m2 сетки в момент времени .
0
0
v
Константа I представляет средний объем керамики, которая испаряется с мишеней 2 на единицу площади поверхности. В осуществлении, описываемом в настоящее время, I определяется теоретически по скорости перемещения вверх  керамики (c') и по плотности ρ керамики, испаряемой с мишеней 2, с использованием следующего уравнения (2):
m
где NAV обозначает число Авогадро и M обозначает молярную массу частиц керамики, испускаемых мишенями.
n
n
Показатель степени n дает форму пучка частиц, испускаемых мишенью 2. В этом примере она определяется экспериментально, на основе исследований, осуществляемых с использованием приспособления 1: исследования состоят в размещении пластин для исследования на различных расстояниях от мишеней 2 для измерения долей, при которых частицы достигают пластин. Результаты исследований сравнивают со значениями, которые дает модель излучения уравнения (1), с тем, чтобы установить значение константы . Усреднение, осуществляемое по всем исследованиям, служит для получения значения константы , используемой для моделирования мишени 2.
Необходимо заметить, что для целей упрощения, модель излучения, описываемая в настоящем документе, предполагает, что испарение с мишени является постоянным как функция времени и однородным по всей мишени (то есть по каждому элементу сетки). Авторы установили, что эти предположения являются верными на практике и при усреднении по циклу осаждения EBPVD, в частности, при условиях перемещений, придаваемых лопатке 3A приспособлением 1.
Разумеется, другие модели, которые являются более проработанными, могут быть рассмотрены в вариантах осуществления, чтобы учесть изменения испарения как функцию времени и/или испарение неоднородное по мишени.
S→S'
e
s
Начиная с модели излучения, определенной уравнением (1), поток Ф частиц, испускаемых элементом m2 сетки мишени 2 с участка поверхности  в направлении элемента m сетки лопатки 3A с площади поверхности s', может быть записан с использованием следующего уравнения (3):
r
e
1
2
e
e
где  определяет расстояние между центром элемента площади поверхности ds' элемента m сетки и центром элемента площади поверхности ds элемента m2 сетки, θ обозначает угол, под котором элемент площади поверхности ds элемента m2 сетки испускает луч по отношению к нормали к элементу площади поверхности ds элемента m2 сетки, и θ обозначает угол, под которым элемент площади поверхности ds' элемента m сетки принимает этот луч, по отношению к нормали к элементу площади поверхности ds' элемента m сетки.
r
1
2
Фигура 5 показывает расстояние  и углы испускания и приема θ и θ.
s
r
Для мелкой сетки, для мишеней 2 и для лопатки 3A,  и s' являются малыми по сравнению с расстоянием , так что уравнение (3) может быть аппроксимировано следующим уравнением (4):
e
1
2
e
e
где r показывает расстояние между центром элемента m сетки от центра элемента m2 сетки, θ обозначает угол, под которым элемент m2 сетки испускает луч по отношению к нормали к элементу m2 сетки, и θ обозначает угол, под которым элемент m сетки принимает этот же луч, по отношению к нормали к элементу m сетки.
S'
e
s
Поскольку общий поток Ф частиц, испускаемых мишенью 2 на площадь поверхности s' сетки m, равен сумме всех вкладов от площадей поверхности  элементов m2 сеток мишени на площадь поверхности s', применимо следующее уравнение (5):
S'
1
2
e
r
s
Таким образом, процессор 8 оценивает общий поток Ф частиц, излучаемых мишенью 2, исходя из уравнений (4) и (5). Для этой цели, углы θ и θ и расстояние  вычисляются процессором 8 известным способом из координат центров элементов m2 и m сеток, как определяется с помощью моделей сеток S2 и S3. Размеры площадей поверхности  и s' заранее определены и известны из шага формирования поверхностной сетки на стадии Е20.
S'
deposit
e
t
t
На основе общего потока Ф, как оценивается таким путем, процессор 8 вычисляет массу M, которая осаждается в момент времени  (то есть после экспонирования с длительностью  для излучения от мишеней) на площади поверхности s' рассматриваемого элемента m сетки, с использованием следующего уравнения (6):
e
e
t
После этого, он оценивает толщину e(m) покрытия, осажденного в момент времени  на элементе m сетки площади поверхности s', с помощью следующего уравнения (7):
e
В осуществлении, описываемом в настоящее время, во время стадии оценки Е50, процессор 8 применяет также мультипликативный коэффициент потерь γ для толщины е(m), представляющий лучи, которые испускаются мишенями 2, но которые не достигают лопатки 3A, включая случаи, когда нет масок, мешающих прохождению этих лучей (эти лучи представляют собой модели частиц керамики, которые испускаются мишенями, но которые не достигают лопатки 3A). Этот коэффициент у изменяется как функция расстояния, проходимого лучом, и, следовательно, как функция положения лопатки 3A по отношению к мишени. Он может определяться экспериментально с осуществлением исследований на реальных деталях, способом, сходным с определением показателя степени n.
e
e
e
t
t
В конце стадии Е50, толщина, оцениваемая процессором 8, для элемента m сетки лопатки 3A в момент времени  определяется как γxe(m). Это толщина представляет собой толщину керамического покрытия, создающего термический барьер, которое должно быть осаждено с помощью мишеней 2 на элемент m сетки лопатки 3A в момент времени .
Для данной секции лопатки (например, секции при 50%), Фигура 6 показывает значение толщины покрытия, создающего термический барьер, как оценивается с помощью способа по настоящему изобретению, для изменяющихся различных значений нелинейных абсцисс. Эти значения представлены кривой С1. В показанном примере, n=3,5 и γ=0,667 (получено из исследований).
В качестве сравнения, эта фигура показывает также кривую C2 значений толщины, полученных с помощью реальных исследований. Необходимо заметить, что кривая C1 является очень близкой к кривой C2. Различия, наблюдаемые между этими двумя кривыми, могут быть объяснены, в частности, тем, что количество учитываемых точек для построения кривой C2 меньше, чем количество точек, которые оценивают с помощью способа по настоящему изобретению для кривой C1. Таким образом, цифровой инструмент, предлагаемый настоящим изобретением, позволяет быстро и просто оценивать толщину покрытия в гораздо большем количестве точек, чем можно измерить во время исследований на реальных деталях.
Таким образом, настоящее изобретение позволяет просто и быстро получить толщину керамического покрытия, создающего термический барьер, которое должно быть осаждено в каждой точке на детали горячей части газовой турбины, такой как лопатка 3A, учитывая заданные технические ограничения. Эти ограничения (например, форма и перемещение приспособления, присутствие масок, и тому подобное) могут легко быть определены, например, посредством человекомашинного интерфейса (MMI), составляющего интерфейс с цифровым инструментом по настоящему изобретению.
Подобным же образом, можно разработать MMI для облегчения отображения и использования результатов (толщины покрытия, создающего термический барьер). Например, такой MMI мог бы показывать изменение толщины покрытия, создающего термический барьер, в различных точках на детали горячей части как функцию времени, с распределением такой толщины на различных секциях детали горячей части, или вместе с распределением толщины по всей детали горячей части, и тому подобное.