局部修复受损隔热层的方法与流程

本发明涉及局部修复受损隔热层的方法。

航空发动机中的高压涡轮的叶片组暴露于极具侵蚀性的环境中。通常，此类部件涂覆有氧化保护涂层和隔热涂层。隔热涂层用于使底层部件热隔绝，从而使其维持在其机械性能及其寿命可接受的温度下。

通过侵蚀、颗粒碰撞、氧化、腐蚀以及钙镁铝硅酸盐化(CMAS)，系统的特定区域在高温下使用时可能受损。图1和2所提供的照片显示出使用中受损的叶片外观。此类破坏可导致隔热层甚至底层的局部消失，从而导致底层氧化。

目前，为了重建隔热层，已知移除部件的整个隔热涂层(即使未受损区域)，然后制造一个新的隔热系统。在特定情形下，甚至可能需要丢弃已受损的具有隔热层的部件。

存在改善涂覆有隔热层可使用时间长度的需求。

存在简化和降低修复受损隔热层的工艺成本的需求。

还存在提供修复受损隔热层的新方法的需求。

发明目的和简介

为此目的，本发明提供了一种局部修复受损隔热层的方法，所述方法包含下列步骤：

a)使涂覆有受损隔热层的由导电性材料制成的部件进行电泳处理，所述受损的隔热层包含陶瓷材料并且存在至少一个待修复的受损区域，所述部件放在电解质中，该电解质是液体介质中的颗粒悬浮液，所述陶瓷涂层在受损区域中通过电泳进行沉积，从而得到能用于大于或等于1000℃温度的修复隔热层。

在本发明中，该部件由导电性材料制成，并且受损隔热层使得在待修复隔热层内能够导电，因此能够在步骤a)过程中在该区域内通过电泳使陶瓷涂层沉积。步骤a)过程中所得陶瓷涂层通过在部件上沉积颗粒而形成。大部分沉积的陶瓷涂层可沉积在受损区域中。换句话说，大于或等于步骤a)过程中沉积的陶瓷涂层总质量的50％的陶瓷涂层质量可能沉积在受损区域。举例说，该沉积在受损区域内的陶瓷涂层质量可大于或等于步骤a)过程中沉积的陶瓷涂层总质量的75％，或者甚至90％。在实施时，陶瓷涂层可以仅沉积在受损区域内。

有利地，本发明能够以快速廉价和局部方式修复受损隔热层，并且因此避免了局部损坏的部件被丢弃或者实际上避免了移除整个受损隔热层。结果是，本发明能够延长部件寿命以及削减放回具有已经受损的隔热层的工作部件的成本。

局部修复的可行性源自电泳沉积的使用，这与通过等离子体溅射(PS)或通过电子束物理气相沉积(EB-PVD)的沉积方法形成鲜明对比，后者难以或不可能以局部的方式实施修复。

此外，通过电泳沉积的方法提供了能够在存在复杂形状的部件上可用的优势。

修复的隔热层可以用于隔热层表面温度大于或等于1000℃的环境中。

该部件可有利地由金属材料制成，并且作为举例，其可以包括镍。

有利地，在实施步骤a)之前，受损的隔热层在受损区域内可缺少材料。

在一个实施方式中，可能团聚的颗粒可以以小于或等于10μm的平均粒径存在。

术语“平均粒径”用来表示通过半数统计学粒径分布给出的尺寸，即所知的D50。

例如，非团聚态的颗粒可以具有位于20nm至1μm范围内的平均粒径。

此类颗粒粒径有利地用于获得稳定的悬浮液。

颗粒可以任选地通过使用溶胶-凝胶技术获得。因此，在一个实施方式中，在步骤a)之前，该方法可以包括通过实施溶胶-凝胶法获得颗粒的步骤。随后，颗粒可以分散于液体介质中，用于形成电解质。

举例说，电解质颗粒可以是氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)颗粒，其任选地通过溶胶-凝胶技术获得。还可以使用氧化锆的颗粒。更具体地，为了通过电泳进行沉积，可以使用能够在电解质内具有电荷的任何颗粒(由此当施加电场时能够使它们被移动)。因此，举例说，可以使用具有下列化学式的颗粒：ZrO₂-ReO_1.5(其中，Re表示稀土元素，例如：Gd，Sm或Er)，Y₂O₃、Al₂O₃、TiO₂或CeO₂。

在一个实施方式中，颗粒可以由存在于受损隔热层中的相同陶瓷材料制成。

在一个变化方式中，颗粒可以由与存在于受损隔热层中陶瓷材料不同的材料制成。在此类情形下，构成颗粒的材料和受损隔热层的陶瓷材料有利地在热力学和化学上相容。例如，存在于受损隔热层中的陶瓷材料与构成颗粒的材料的热膨胀系数之差可以有利地小于或等于2.10^-6K^-1绝对值。

使用不同的材料可以有利地引入其他性质，例如，抗-CMAS性质或温度敏感材料，由此使隔热层功能化的同时还修复它。

举例说，液体介质可以选自：醇类，例如乙醇或异丙醇；酮类，例如乙酰丙酮；水；及其混合物。

在一个实施方式中，在步骤a)开始时，颗粒在液体介质中的浓度可以大于或等于0.1g/L，并且优选大于或等于1克每升(g/L)。

此类浓度数值有利地能够形成稳定的悬浮液。

在一个实施方式中，沉积的陶瓷涂层的厚度可以大于或等于50纳米(nm)，例如大于或等于30微米(μm)。在一个实施方式中，沉积的陶瓷涂层的厚度可以小于或等于200μm。

在一个实施方式中，可以在能够使隔热层与部件连接的连接层内涂覆部件，并且陶瓷涂层沉积在连接层上。

连接层有利地用于改善隔热层与部件的连接。此外，连接层可以有利地保护部件不受氧化和腐蚀。

举例说，连接层可以由金属制成。

在一个变化方式中，隔热层可以直接存在于部件上。因此，在隔热层和部件之间可以不存在连接层。

在一个实施方式中，步骤a)的持续时间可以大于或等于1分钟，优选大于或等于5分钟。

此类数值有利地用于改善所形成陶瓷涂层的遮盖性能和均一性。

在一个实施方式中，在步骤a)整个过程中或部分过程中，可以在部件和对电极之间施加大于或等于1伏(V)的电压。在步骤a)整个过程中或部分过程中施加的电压优选大于或等于50V。

此类数值有利地用于改善所形成陶瓷涂层的遮盖性质和均一性。

在一个实施方式中，在在步骤a)之前，受损区域可以进行剥离步骤。

剥离有利地用于消除可能存在的隔热层和氧化层的残余物，并且还可以改善待修复受损区域的导电性质，从而提高陶瓷涂层的电泳沉积。

剥离还可以以机械方式进行，例如喷砂、砂纸打磨、研磨、高压水喷射或激光清洁。

在一个变化方式中，剥离可以是化学剥离，例如电解剥离或在酸或碱介质中的剥离。

在剥离之后，在步骤a)开始时，受损隔热层可以在受损区域内缺少材料。

在一个实施方式中，在步骤a)之后，该方法可以包括步骤b)：通过使所沉积的陶瓷涂层热处理进行固结。

举例说，步骤b)可以包括使步骤a)之后所得部件经受大于或等于1000℃例如大于或等于1100℃的温度。

在一个实施方式中，部件构成涡轮发动机叶片。

附图简介

本发明的其它特征和优势通过所给下列详述结合附图是显而易见的。其中：

·图1是使用中受损的涡轮发动机叶片照片；

·图2包括使用中受损的涡轮发动机的照片以及阐释受损隔热层结构的截面图；

·图3A和3B用示意图且截面图表明本发明方法的实施过程；以及

·图4A和4B是显示出通过本发明方法处理前后部件各自的照片。

实施方式详述

图2显示出，部件1，例如由镍基超合金制成，涂有粘附层2，其上面存在隔热层3。在粘附层2和受损隔热层3之间存在氧化层2a。氧化层2a可以由α-Al₂O₃制成。受损隔热层3包含陶瓷材料，并且其存在待修复的受损区域4。

受损区域4可以有至少一个未受损的邻近区域。在所示实例中，受损区域4位于两个未受损的邻近区域5a和5b之间。

图3A显示出本发明步骤a)的实施方式。如图所示，带有受损隔热层3的部件1放在电解质10中。该电解质是液体介质中的颗粒11。举例说，颗粒11可以是氧化钇稳定的氧化锆(氧化锆被氧化钇稳定)。

举例说，在一个实施方式中，下面描述形成颗粒11所用的氧化钇稳定的氧化锆粉末的溶胶-凝胶合成步骤：

·混合乙酰丙酮的1-丙醇溶液和锆丙醇氧化物(Zr(OC₃H₇)₄)；

·混合所得混合物与硝酸钇的1-丙醇溶液；

·混合所得混合物与水和1-丙醇(10摩尔每升(mol/L)，从而获得溶胶；

·在50℃温度下烤干凝胶；

·蒸发干燥或超临界干燥；以及

·在700℃温度下在空气中煅烧。

以此方式获得的氧化物粉末(氧化钇稳定的氧化锆)随后悬浮于液体介质(如由异丙醇构成)中，形成电解质10。

涂覆有受损隔热层3的部件1构成电泳系统的一个电极，并且该系统具有与其对置的对电极20。举例说，对电极20由铂制成。由于部件1和受损区域4的导电性质，电泳沉积发生在受损区域4内。在所示实施例中，受损区域4由缺材料的区域构成。在一个未示出的变化方式中，受损区域包含缺少材料的第一区域以及存在陶瓷层的第二区域。第二区域中陶瓷层的厚度足够小，以使第二区域具有导电性。在另一变化方式中，受损区域包含有陶瓷层的区域。陶瓷层的厚度足够小到使该区域具有导电性。

沉积优先发生在最导电的区域内(陶瓷层的厚度足够小或根本不存在陶瓷层)，因为电场在此类区域较高。

一个实施方式显示出，受损隔热层3具有待修复的单个受损区域4，然而，具有多个待修复的受损区域的受损隔热层同样不超出本发明的范围。在此类情形之下，每个待修复的受损区域均为导电性的。

在步骤a)过程中，发电机G在部件1和对电极20之间施加电势差。发电机G产生直流(DC)或脉冲。施加偏压，使部件1具有与颗粒11电荷相反的电荷。在施加在部件1和对电极20之间的电场作用下，颗粒11移动并且开始沉积在部件1上，从而形成陶瓷涂层6。在受损区域4内沉积陶瓷涂层6能够获得修复的隔热层7。随着时间变化，在受损区域4内沉积陶瓷涂层6进一步降低该区域的导电性。特别是，伴随着陶瓷涂层6的持续沉积，该区域变得越来越绝缘，由此降低或甚至停止陶瓷涂层6在部件1上的生成。

如图所示，陶瓷涂层6沉积在受损区域4内，并且覆盖受损区域4的整个表面。

有利地，当沉积陶瓷涂层6时，受损的隔热层3未覆盖在掩膜内。掩膜会在待修复的受损区域4上留下缺口。此外，在步骤a)之前无需移除位于待修复的受损区域4之外的受损隔热层3的部分。

陶瓷涂层6可以有大于或等于50nm的厚度e，例如大于或等于30μm的厚度。在陶瓷涂层6的厚度e与垂直于涂覆部件1的表面S所测量的最大尺寸一致。

在步骤a)之后，可以使陶瓷涂层6进行干燥，随后热处理进行固结。

实施例

所使用的是通过电子束物理气相沉积(ED-PVD)获得的氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)隔热层所涂覆的镍基超合金部件。隔热层首先用水力喷射破坏。图4A显示出损坏后所得结果。

使用YSZ粉末在异丙醇中的悬浮液(10g/L)，在100V的电压下进行电泳沉积六分钟。本发明方法处理之后的部件的照片示于图4B中。

可以看出，在整个受损区域上得到氧化钇稳定的氧化锆的覆盖和均匀沉积。

术语“包含/含有一/一个”应当理解为“包含/含有至少一个”。

术语“位于…至…的范围之内”应当理解为包括范围的边界。