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
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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°C的温度下的长时期的操作。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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】
[0007] 鉴于附图在以下描述中说明发明，附图示出：
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010]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。
[0011] 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。
[0012] 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】
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 由内芯6携带的内部脉冲激光束24呈现相对高的功率密度和与外激光束20相比较 窄的光束直径。内部激光束24被聚焦到熔体16的至少一个区域上以在熔体16中创建扰动。 例如，在熔体凝固之前用内部激光束24照射熔体16以创建液化熔体材料的飞溅。该飞溅可 以形成在熔体16的外侧和/或上方。当飞溅凝固时，形成锚固表面特征或结构30(例如，钩 状、锚状或指状结构）。这些结构用作锚固件，其机械上提高随后施加的TBC或粘结涂层层在 基板14的表面12上的附着性。
[0017] -般情况下，熔体可以在直径或宽度上在大约1mm至4mm的数量级上，其中飞溅和 锚固结构以熔体直径的大约1 〇 %至30 %在熔体的上方和外侧延伸。
[0018] 这样的多芯同轴激光光纤4和用于与本发明一起使用的相关联的芯开关器件可从 各种激光器制造商、例如康涅狄格州法明顿的通快有限公司（Trumpf，Inc. of Farmington， CT)得到。这些多芯激光光纤已被用于交替的但不是同时的处理，诸如用传播穿过100μπι直 径的芯的激光来切割材料并接着用传播穿过400μηι或600μηι直径的环的激光来焊接材料。 [0019]图2图示出包括了在液化床16外侧的三维钩状锚固结构30的凝固的飞溅28。
[0020] 图3图示出具有与图2的凝固的飞溅28不同的特征的凝固的飞溅34。特别地，飞溅 34除指状锚固结构30之外还包括波浪状锚固结构36。
[0021] 一般情况下钩状和指状锚固结构具有类似的结构特征。波浪状锚固结构趋向于呈 现不一定提供与由钩/指所给予的机械优点相同的机械优点的较平滑的表面特征。虽然波 浪增加了附着表面面积并且可以因此抵抗施加在TBC或粘结涂层上的一些横向剪切力。但 归因于更好的附着性质，钩/指典型地优于波浪。
[0022] 波浪或钩/指锚固结构的形成一般情况下是施加至熔体的激光能量的量和定时的 函数。形成钩/指一般情况下与形成波浪相比要求附加的能量。
[0023]根据一个实施例，外激光束20可以被可控地散焦或被功率控制成引起熔体16延伸 到基板或粘结涂层层内仅到期望的深度、诸如大约〇.3mm的示例性深度。
[0024]内部激光束24可以是具有用以在熔体16中形成破坏、诸如图2的锚固结构30或图3 的波浪36的充分高功率密度的聚焦脉冲。破坏的形成可以归因于熔体材料的局部闪蒸。 [0025]在一个非限制性实施例中，用于一般的宽面积熔化（即，用以通过外激光束20形成 熔体16)的典型的能量密度可以在从近似3kJ/cm 2至近似lOkJ/cm2的范围内。
[0026]为了破坏熔体16以创建钩状锚固结构30,可以采用聚焦能量的脉冲。在一个非限 制性实施例中，这样的脉冲可以包括具有激光烧蚀工艺的