用于抛光燃气轮机叶片表面 的方法和设备 【技术领域】
本发明属于燃气轮机叶片的领域，涉及在燃气轮机叶片上涂镀或修复保护层或保护层系统。
背景技术
例如US 4321310、US 4676994或US 5238752公开了一些在燃气轮机叶片上的保护层系统。燃气轮机叶片遭受很高的温度。为了具有必要的高温强度，它们用耐高温的材料制成。尤其考虑采用镍基或钴基的超级高温合金。通常，在这种燃气轮机叶片的基体上还要涂镀一保护层或保护层系统，以用于防止氧化、腐蚀和/或用于隔热。在这里特别适用的是MCrAlY类型的金属合金，其中M是族(Fe、Co、Ni)中的一种元素，Cr是铬，Al是铝，以及Y是钇或一种稀土元素。在这样一个防腐层上往往覆有一陶瓷隔热层。它耐高温以及用于防止金属基体与热燃气直接接触。用于陶瓷隔热层的典型材料是用钇来稳定化的二氧化锆，它例如通过大气等离子喷镀(APS)施加。
这种防腐层往往通过等离子喷镀法施加。因此它有比较高的粗糙度，这是不希望的。因此有必要抛光此金属保护层。这或者需要费时的滑磨过程，此时，燃气轮机叶片在有磨料的槽内长时间地运动，直至达到所要求的粗糙度。或者采用喷砂方法，其中，喷射的固体颗粒，尤其金刚砂粒被引向表面并在此过程中抛光表面。滑磨不仅费时，而且还存在一种使一些突伸的棱边不可控制地被超前去除的危险。而已知的喷砂方法则含有下述突出地缺点，即，所述射流中的固体颗粒可能被铸入保护层内，从而导致表面质量令人不可接受地降低。
US 5645893涉及一种带有镀层的构件，它包括一由超级高温合金制成的基体和一个增附剂层及一隔热层。该增附剂层有一层铂铝化物和一个与之相连接的薄氧化物层。此薄的氧化物层含有氧化铝。在此氧化物层上邻接所述隔热层，该隔热层借助电子束-物理蒸发沉积(PVD)-方法施加。其中，用钇予以稳定化的二氧化锆被涂镀在所述增附剂层上。而在涂镀所述增附剂层前，基体的表面需借助喷粗砂法来清洁处理。在这里，为基体的材料整平加工使用氧化铝砂。
使燃气轮机叶片适合应用在特别高的温度下的另一种措施是借助冷却空气来冷却。在此，将冷却空气引入燃气轮机叶片的内部空腔中，使之在那里吸收热量。通常，这种冷却空气至少部分从开设在燃气轮机叶片表面的冷却空气孔中流出，并在那里形成保护气膜。所述冷却空气孔在叶片表面附近的区域内通过电化学腐蚀方法或借助激光束打钻(参见US 5609779)形成。借助激光束打孔有时间和成本方面的优点，但往往由于热的作用导致会形成毛边和由熔焊或重熔微粒构成的沾染杂质。为了保持气膜冷却孔准确的几何结构必须去除这些毛边，迄今这需要麻烦的手工导引的作业。
US 3676963说明了一种借助冰射流尤其在内部难以接近的区域内去除不希望的热塑性或弹性材料区的方法。US 3702519公开了一种相应的借助干冰、亦即固体CO2射流来实施的应用方法。去除不希望的区域通过过冷并因而通过低温CO2颗粒使塑料区脆化实现，然后借助另外的颗粒将它们去除。
DE-A-2058766公开了一种借助冰射流清洁放射性污染的金属表面的方法。对于表面上容易溶化的淀积物还建议采用干冰。
US 4038786和相应的DE-A-2543019公开了一种设备，借助它可产生有恰当的颗粒尺寸和形状的干冰射流，不会造成颗粒的块结。
DE-C-19636305公开了一种方法用于从敏感的底层消除涂敷层。这里涉及的底层如木材、泡沫塑料或砂石，涂敷层如炭黑、藓苔、侵蚀物质沉积和高度粘滞、不耐冲击或无冲击韧性的涂层。借助干冰射流可以从这些敏感的底层小心地去除这些涂敷层。
干冰射流类似的应用，例如从塑料模制件或其他形状重要的基体上去除硅酮密封层或漆层，在下列论文中作了介绍：“干冰射流清洁(Trockeneis-Strahlreinigen)”(由作者A.Buinger发表在杂志Kunststoffe86(1996)1，第58页上)；“二氧化碳射流清洁(CO2 blast cleaning)”(由作者Ken Lay发表在杂志Rubber Technology International ′96，第268-270页上)；“在替换发动机作业时用干冰射流来清洁(Reinigen mit Trockeneisstrahlen inder Austauschmotorenfertigung)”(由作者Eckart Uhlmann，Bernhard Axmann和Felix Elbing发表在杂志VDI-Z140(1998)9，第70-72页上)；“用于清洁的干冰射流：工艺，最优化和应用(Dry-ice blasting for cleaning：process，optimization and application)”(由作者G.Spur，E.Uhlmann和F.Elbing发表在杂志Wear 233-235(1999)第402-411页上)；“对干冰颗粒射流的冲击力测量(Stoβkraftmessung beim Strahlen mit CO2-Pellets)”(由作者Eckart Uhlmann，Bernhard Axmann和Felix Elbing发表在ZWF93(1998)6第240-243页上)。
【发明内容】
本发明提供一种如权利要求1所述的用于从燃气轮机叶片表面去除陶瓷材料的方法，其中，该燃气轮机叶片具有一金属的高温防腐层，在此高温防腐层上镀覆有一陶瓷的隔热层。在此方法中，将一由干冰颗粒构成的干冰射流导引到所述表面上，由此通过撞击到所述表面上的干冰颗粒的作用去除陶瓷隔热层的材料。
本发明以如下令人惊奇的认识为基础，即，所述干冰射流适合于去除陶瓷隔热层。
迄今对于所述干冰射流的应用基本上是基于该干冰射流对于一优选软的涂镀层可形成一种热机械作用。这种涂层或镀膜通过低温脆化和接着的动力学作用，成块地被剥落去除。与之相对，陶瓷隔热层由一种硬的坚固材料构成。此外，陶瓷隔热层正好针对于应能经受住温度变化和热应力来设计。为此通常设计为一种茎状结构，它允许补偿横向热应力。因此，所述陶瓷隔热层其实恰恰应该对所述热机械的去除作用不敏感。
通过借助干冰整平叶片表面，避免了它被杂质污染。此外不损伤燃气轮机叶片的金属基体，对于高温防腐层绝不进行去除。
因此燃气轮机叶片的表面可以简单和高质量地不仅抛光或去毛边，而且完全去除陶瓷隔热层。
通过借助干冰射流抛光，一方面具有喷砂法例如与滑磨法相比在时间和成本上的优点。另一方面避免了传统喷砂法的严重缺点，亦即砂射流的颗粒会污染叶片表面。干冰颗粒在撞击到叶片表面上后会立即升华和不留残渣，所以绝不发生渗入或化学反应。此外不遗留任何要废物处理的射流残余。
A)所述陶瓷隔热层优选具有二氧化锆，此外，它优选完全由钇稳定化的二氧化锆构成。
B)按本发明的方法尤其也可以在燃气轮机叶片涂层系统重新镀覆时使用。为此去除全部旧的陶瓷隔热层。
C)优选地通过抛光使叶片表面达到预定的最大粗糙度值。中等粗糙度的最大粗糙度值优选小于30μm，更优选地小于15μm。
D)如上面已说明的那样，往往在叶片表面上开设有冷却空气孔出口。并往往在出口区内留有制造工艺所造成的毛边，更确切地说是当孔借助激光束打钻时尤其由重溶的材料构成的毛边。这些毛边优选借助所述干冰射流去除。
E)所述抛光处理优选全自动化地完成。通过燃气轮机叶片的多轴支架或通过对所述干冰射流的多轴导引，可以到达任何要抛光的表面区域。
F)所述干冰射流优选地在压力为10bar至30bar的情况下离开喷嘴。
上面A)至F)项所述措施也可以互相组合起来实施。
本发明还提供一种设备，用于去除燃气轮机叶片表面上的陶瓷隔热层的陶瓷材料，此设备包括一用于燃气轮机叶片的支架和一用于发射一干冰射流的喷嘴以及一多轴操作装置，该多轴操作装置用于使所述干冰射流以这样的方式相对于燃气轮机叶片运动，即，由此能完全自动化地去除燃气轮机叶片表面上的陶瓷材料。
优选还用所述干冰射流来清洁所述燃气轮机叶片。这种清洁尤其应在燃气轮机叶片涂层前实施。任何污垢均可能影响有待涂镀的涂层的粘附。在传统的清洁方法中存在这样的危险，即，所使用的清洁剂、例如喷砂处理中所采用的砂会将杂质夹带到有待清洁的表面内。而采用干冰射流避免了这种危险，因为干冰无残渣地升华。
【附图说明】
下面借助附图所示实施方式详细说明本发明。附图中：
图1示出一个用于去除燃气轮机叶片表面上的陶瓷材料的设备；
图2是具有一保护层系统的一燃气轮机叶片表面区的纵剖面示图；
图3示出一种从燃气轮机叶片表面上去除陶瓷材料的方法。
在所有附图中的相同附图标记有相同的代表含义。
【具体实施方式】
图1表示从一燃气轮机叶片20表面去除陶瓷材料用的一设备15。为了产生压缩气流，前后串联地连接有一螺杆式压缩机1、一平衡罐2、一吸附式干燥器3、一冷却器4和一测量系统5。在螺杆式压缩机1内空气高度压缩，尤其压缩到压力3至12bar。平衡罐2用于稳定一个恒定的质量流量。空气在吸附式干燥器3内干燥以及在冷却器4内冷却。测量系统5用于检测压缩空气参数。
然后将压缩气流输入一球粒供应装置12。在该球粒供应装置2中储存有干冰丸6。这些干冰丸6借助一螺旋输送机7经过一叶轮闸门8供入所述压缩空气流中，并与压缩空气流一起供给一个借助机器人9运动的拉法尔喷嘴10。在那里它们作为干冰射流14以几乎音速排出并撞击到一燃气轮机叶片20上。该燃气轮机叶片20安装在一多轴支架22上，因此所述干冰射流14可以导向燃气轮机叶片20表面上的任何一点。
图2表示一燃气轮机叶片20表面区的纵剖面。在镍基或钴基超级高温合金构成的基体30上镀有一MCrAlY防腐层32。在该防腐层上构成一薄的增附剂层34。该增附剂层34可改善涂镀在防腐层32上由钇稳定化的二氧化锆组成的陶瓷隔热层36的附着。
一冷却通道38从所述燃气轮机叶片20的一图中未表示的内部空腔导引到该燃气轮机叶片20的表面24。在该表面附近构成一个梯形的出口区40。该出口区40借助激光束来钻孔。这会导致材料熔化。由此形成毛边42，它们必须除去。这借助所述干冰射流14实现。
在重新整修一个已经长期使用的燃气轮机叶片20时，更新陶瓷隔热层36。为此，借助所述干冰射流14完全去除所述陶瓷隔热层36或其残留物。
但取决于经调节所形成的干冰射流硬度，也可以进行部分去除，所述表面24可通过所述干冰射流14抛光到一预定的粗糙度。