使用冷喷涂技术连接金属部件的系统和方法 【技术领域】
本文公开的主题大体涉及部件的连接，且更具体地讲涉及金属的连接。
背景技术 在制造、修理和其它过程中，将部件连接在一起，以形成较大的构件和结构。已经开发出多种技术来连接金属部件。焊接是用来将两个或更多个金属部件连接在一起的典型技术。虽然焊接已经发展成许多不同的类型和技术，但是像焊接一样的传统连接技术包含一些缺点。例如，将两个金属部件焊接在一起可能会在材料和接缝的质量、焊接过程的控制以及焊接过程的应用方面引起问题。另外，焊接可能不适于将两种不同的金属连接在一起。此外，一些类型的金属部件，例如锻造的或铸造的部件，可能不适于焊接。
发明内容 在一个实施例中，一种方法包括：对齐第一金属部件和第二金属部件，以产生接缝；以及将材料冷喷涂到第一金属部件和第二金属部件上，以在接缝处形成结合。
在另一个实施例中，一种系统包括控制器，该控制器配置成以便控制冷喷枪，以在第一金属部件和第二金属部件之间形成结合。
当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中，相同字符在所有图中代表相同部件，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的用于连接部件的冷喷涂系统；
图2是根据本发明的一个实施例的图1的系统的冷喷枪的截面；
图3是描绘了根据本发明的一个实施例的、用于通过冷喷涂应用来连接两个部件的过程的图示；
图4是描绘了根据本发明的另一个实施例的、用于通过冷喷涂应用来连接两个部件的过程的图示；
图5是描绘了根据本发明的另一个实施例的、用于选择用来连接两个部件的冷喷涂应用过程的参数的过程的图示；
图6是具有根据本技术的一个实施例而制造的构件的涡轮机系统的简图；
图7是如图6所示的涡轮机系统的一个实施例的剖面侧视图；
下面将对本发明的一个或多个具体实施例进行描述。为了提供这些实施例的简明描述，可能不会在说明书中对实际实现的所有特征进行描述。应当理解，在例如在任何工程或设计项目中开发任何这种实际实现时，必须作出许多对于实现而言特定的决定来实现开发者的具体目标，例如符合与系统有关及商业有关的约束，开发人员的具体目标可根据不同的实现而不同。此外，应当理解，这种开发工作可能是复杂和耗时的，但尽管如此，对具有本公开的益处的普通技术人员来说，这种开发工作将是设计、生产和制造的例行任务。
当介绍本发明的各实施例的元件时，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”意图表示存在一个或多个该元件。用语“包括”、“包含”和“具有”意图为包括性的，且表示除了列出的元件之外还可有另外的元件。
将在下面进一步论述，本发明的实施例提供了一种用于使用冷喷涂沉积将金属部件连接在一起的系统和技术。如本文所用，术语“冷喷涂”(也称为“冷气动力喷涂”)指的是使用运载气体和收扩型喷枪来喷涂高速颗粒(“原料粉末”的颗粒)，而不需要例如焊接或一些其它喷涂过程中的气体的任何燃烧。颗粒用足够的能量冲击金属基底，例如金属部件的表面，以使颗粒和基底变形，且在颗粒和基底之间产生金属—金属结合。在下面所描述的实施例中，可通过定位各个部件的表面以形成期望接缝且对部件和接缝进行冷喷涂来将某金属部件连接到另一个金属部件上。在冷喷涂颗粒沉积之后，可加热连接的金属部件，以在颗粒和金属部件之中进一步形成扩散结合。在另一个实施例中，可在期望接缝处、在金属部件中的一个或两者中形成凹槽，从而使得颗粒可通过冷喷涂而沉积到凹槽上。另外，对冷喷涂过程的参数、颗粒的参数进行控制，以及对金属部件进行加热，可允许对由冷喷涂应用产生的结合进行控制。
图1描绘了根据本发明的一个实施例的用于通过冷喷涂过程将金属连接在一起的系统10。系统可包括联接到机器人臂14上的冷喷枪12、控制器16和工作台18。控制器16可控制机器人臂14，以控制对一个或多个金属部件和表面应用冷喷涂。喷枪12可接收来自气体源15(例如加压气体罐或气体供应系统)的气体。可将任何类型的气体用作过程气体(process gas)，但是，通常使用的气体是氦、氮、空气或这些气体的混合物。喷枪12还可接收来自给料器17的原料粉末。在一些实施例中，来自气体源的气体可在被输入冷喷枪12中之前通过加热装备19。工作台18可包括用于保持待加工的一个或多个金属部件20的固定支架或其它适当的装置。工作台18还可包括用于使待连接到一起的金属部件旋转的马达或其它适当的装置。该装置可为CNC控制的，以实现精密性和准确性。
部件20可包括任何数量、类型、形状或大小的部件。例如，部件20可包括燃气轮机部件，例如转子、叶片、叶盘(blisk)和/或喷嘴。部件20可包括由任何工艺形成的金属部件，例如机械加工、锻造、焊接和/或铸造。另外，部件20可包括由相似的金属制成的两个或更多个部件，或者由不同的金属制成的两个或更多个部件。在其它实施例中，部件可由非金属制成，例如陶瓷和聚合物。在连接非金属的情况下，不能省略以下论述的热处理。
将在下面进一步论述，控制器16还可监视和控制冷喷涂过程的各种参数。例如，参数可包括冷喷涂的持续时间、冷喷涂的应用的次数、原料粉末的源、冷喷涂过程的温度(例如由过程气体的温度所控制)、过程气体的质量流量、粉末原料的供给率，或者可由控制器16监视和控制的任何其它参数。系统10还可包括可由控制器16控制的烤炉22或者其它适当的加热装备，以在应用冷喷涂之前加热部件20。在一些实施例中，可手动地操作冷喷枪12(例如在没有机器人臂14和/或控制器16的情况下)，从而使得操作员可直接操作枪，且对部件20进行喷涂。
图2描绘了根据本发明的一个实施例的冷喷枪12的截面。冷喷枪12包括过程气体入口26、原料粉末入口28、温度和压力端口30，以及隔板31。冷喷枪12的内部包括会聚区32、喉部34、渐扩区36以及出口38。通过枪的冷喷涂的流动大体由箭头40指示。出口38的截面积与喉部34的截面积的比率以及所使用的气体的类型确定了过程气体的离开速率(例如离开马赫值)。例如，较高的比率会输送较高的气体速度。
过程气体入口26为高速气体流提供入口，高速气体流将原料粉末推入枪12中，通过隔板31的端口41进入会聚区32中，通过喉部34和渐扩区36，且从出口38出来。例如从气体罐、压缩机、气体供应系统或者它们的组合，在相对高的压力下提供通过入口26提供的过程气体。在一些实施例中，过程气体可基本包括氦、氮、空气或者任何适当的气体。在一些实施例中，取决于喷涂参数，过程气体可将原料颗粒加速到300米/秒至1200米/秒的速度。另外，还可将过程气体加热到约800℃，下面会进一步进行论述。
粉末入口28接收在待喷涂的金属的基底上提供涂层的原料粉末。如本文所用，术语“原料粉末”可指在冷喷涂过程中使用的任何大小、形状和成分的颗粒。在一些实施例中，颗粒可在约1微米至约250微米的范围内，其中，在以下论述的实施例中使用了约10微米至约25微米的大小(例如，给料器17中的原料粉末可包括处在这些范围中的任何大小的颗粒)。原料粉末的颗粒可为球形的、非球形的，或者任何其它形状，或者它们的任何组合。
原料粉末可为用以在部件20之间形成期望的接缝的任何适当的金属或其它材料。原料粉末可包括钢、镍、铝、铜、钨、钛、任何其它金属，或者它们的组合(例如合金等)。原料粉末可与待连接的部件20的金属相似或不同。另外，将在下面进一步论述，原料粉末或者其成分可在冷喷涂过程期间改变。例如，过程可一个接一个地为喷涂提供一系列不同的材料，同时提供多种不同的材料，或者它们的组合。此外，渐扩区36和出口38可选择成以便影响冷喷涂的宽度。例如，取决于被喷涂的区域的宽度，枪20可设计成以便提供窄的喷束或者宽的喷束。
温度和压力端口30可接收配置成以便将枪12中的过程气体和原料粉末的温度和压力量度提供给控制器26的传感器。控制器16可基于从端口30处的温度和压力传感器中接收到的反馈来调节冷喷涂过程的参数。例如，控制器16可调节加热器输出、阀位置、气体的流率、粉末的流率，或者任何其它参数。
在枪12的内部，原料粉末被加速到非常高的速度，从而使得粉末冲击被喷涂的部件，以形成金属—金属结合。渐扩区36中的加压的过程气体的膨胀帮助使颗粒加速到高的速度。在一个实施例中，颗粒可达到约300米/秒、400米/秒、500米/秒、600米/秒、700米/秒、800米/秒、900米/秒、1000米/秒、1100米/秒和约1200米/秒的速度。会聚区32、喉部34和渐扩区36帮助使与过程气体结合的原料颗粒加速到高的速度，以进行冷喷涂过程。原料粉末的颗粒大体被加速到高到足以降低在传输到被喷涂的部件期间发生任何飞行中的氧化或其它反应的可能性的速度。
被喷涂的部件的表面处的高速冲击会打破颗粒和/或金属部件的表面上的任何氧化物，且使颗粒变形，从而确保颗粒粘附到部件的表面上。由于在冲击之后的迅速的冷处理，在冷喷涂期间以高应变率实现了高应变值。在原料粉末的颗粒和被喷涂的部件的金属表面之间的、冲击下的纯的金属—金属接触和高的局部温度，在颗粒和金属部件之间产生了结合。该结合是由在被喷涂的部件区域上方的颗粒涂层形成的。可通过重复进行冷喷涂过程来建立颗粒的这个涂层。将在下面进一步论述，通过使用适当的粉末成分，可通过由冷喷涂涂层形成的结合来连接相似的或不同的金属部件。
图3是描绘了根据本发明的一个实施例的、用于使用冷喷涂来连接两个金属部件的过程50的图示。首先，在步骤52中，待连接的第一部件54和第二部件56可放置成彼此邻近，且以期望的构造对齐，以产生接缝58。如图3所示，第一部件54包括将连接到第二部件56的表面62上的表面60。因此，当准备进行连接时对齐彼此邻近的部件54和56时，将第一部件54的表面60放置成邻近第二部件56的表面62。应当理解，表面60和62可为任何大小、形状或外形。
在步骤64中，对部件54和56以及接缝58应用冷喷涂，以将颗粒沉积在部件54和56以及接缝58上。冷喷涂沿着第一部件54的表面60和第二部件56的表面62之间的交接处提供冷喷涂沉积涂层65。如上所述，高速冷喷涂颗粒的冲击会在颗粒与部件54和56之间产生金属—金属结合。颗粒与表面60和62之间的金属—金属结合在接缝58处将两个部件54和58连接在一起。有利地，冷喷枪20的灵活性和瞄准允许在表面60、表面62和接缝58的任何大小、形状和/或外形上进行冷喷涂。可通过调节枪12离接缝58的距离、调节来自枪12的喷涂的宽度和/或调节颗粒的速度(例如通过选择过程气体)，来控制涂层5的宽度。另外，部件54和56可按任何定向对齐，例如，水平地、竖直地或者成任何角度对齐。
在冷喷涂颗粒沉积和颗粒涂层65形成之后，可在例如烤炉或其它适当的装置中对部件54和56进行热处理(框66)，以使扩散结合在冷喷涂涂层65与表面60和62之间以及在表面60和62之间扩展。可取决于材料来选择热处理的温度和持续时间，且其可选择成以便形成任何深度的扩散结合。因此，由冷喷涂涂层65产生的扩散结合可延伸到表面60和62下任何距离。在热处理之后，可对部件进行机械加工(框68)，以获得所连接的部件54和56的期望的尺寸、形状和大小。
图4是描绘了根据本发明的另一个实施例的、用于使用冷喷涂来连接两个金属部件的过程70的图示。首先，在步骤72中，待连接的第一部件74和第二部件76可放置成彼此邻近，且沿着交接处77以期望的构造对齐。凹槽78例如可通过机械加工或其它适当技术沿着交接处77形成于部件74和76上，以为沉积提供凹陷区。凹槽在第一部件74上产生凹面80，且在交接处77的相对侧上、在第二部件76上产生凹面82。
与以上在图3所论述的实施例相比，凹槽78的形成使得能够增加在部件74和76之间的连接的深度。另外，可改变凹槽78的深度，以控制连接的深度。第一部件74的凹面80通过凹槽78中的冷喷涂涂层的沉积而连接到第二部件76的凹面82上。在一些实施例中，在沿着交接处77将部件放置在一起以进行连接之前，凹槽78可单独地形成于各个部件74和76中。
在步骤84中，在凹槽78形成之后，冷喷涂颗粒可沉积到凹槽78中，且沉积到表面80和82上，以形成涂层86。再次，如上所述，冷喷涂的高速颗粒会在颗粒与表面80和82之间产生金属—金属结合。凹槽78中的沉积涂层86会结合第一部件74的表面80和第二部件76的表面82，以在部件74和76之间形成接缝88。如上所述，凹槽78的深度控制由涂层86形成的接缝88的深度。再次，冷喷枪20的灵活性和瞄准允许在表面80、表面82和凹槽78的任何大小、形状和/或外形上进行冷喷涂。例如，凹槽78可为平的、有角度的、弯曲的、环形的，以及/或者它们的任何组合。例如，凹槽78可具有V形、U形、长方形或者任何其它适当的形状。另外，部件54和56可按任何定向对齐，例如，水平地、竖直地，或者成任何角度74和76而对齐。
在颗粒的冷喷涂沉积以及涂层86形成于凹槽78中之后，可在例如烤炉或其它适当的装置中对部件74和76进行热处理(框90)。热处理帮助使扩散结合延伸超出冷喷涂涂层86与表面80和82以及在表面80和82之间延伸。如上所述，可取决于材料来选择热处理的温度和持续时间，且其可选择成以便形成任何期望深度的扩散结合(例如通过使扩散结合延伸到超出表面80和82任何距离)。在热处理之后，可对部件进行机械加工(框92)，以获得连接的部件74和76的期望的尺寸、形状和大小。
图5描绘了用于使用如上所述的冷喷涂来控制两个金属部件的连接的过程100的一个实施例。例如，过程100可与图3和4所示的技术一起使用。过程100可包括基于待连接的金属和接缝的期望的微结构和属性来控制和选择参数。应当理解，任何参数和过程100的所述步骤在任何实施例中均可省略或者可包括在其中。例如可由用于执行存储在有形的计算机可读介质上的过程100的一个或多个步骤的代码，在计算机上执行过程100的任何或所有步骤。
在框102中，可选择冷喷涂沉积的参数。这些参数可包括过程气体的成分、过程气体的温度、涂层各次应用的持续时间，以及涂层的数量。如上所述，过程气体可为氦、氮、空气、任何适当的气体，或者它们的任何组合。过程气体的温度可选择成以便确保颗粒获得高的速度，以在冲击到部件的金属基底上之后产生金属—金属结合。在一个实施例中，可将过程气体加热到大于400℃、500℃、600℃、700℃、800℃等。
另外，可选择和控制冷喷涂涂层的各次应用的持续时间和涂层的数量。涂层的应用的持续时间和涂层的数量可影响最终涂层的厚度，且因而影响被连接的部件之间的接缝的厚度。涂层的厚度还可影响用于达到扩散结合的具体深度的加热的持续时间。使用冷喷涂的特别的优点在于，由于对原料材料和靠近涂层的基底进行的非常高的水平的冷处理，所观察到的扩散率大体高于在以传统的方式(例如铸造、锻造等)制备的材料中观察到的那些。因此，可在相对较短的加热时间里产生相对较深的扩散结合。
在框104中，可选择原料粉末(即冷喷涂颗粒)的参数。例如，可选择颗粒的形态、大小和成分。如上所述，颗粒可为任何大小的颗粒，例如纳米大小的颗粒、细粒大小的颗粒，或者任何适当的大小。在一些实施例中，颗粒的范围可为从约1微米至约250微米(例如，原料粉末中的颗粒可在本文所公开的范围的任何大小或子范围内)。颗粒的成分可与被连接的部件相同，或者该成分可与被连接的部件不同。这种成分可包括钢、镍、铝、铜、钨、钛、任何其它金属，或者它们的组合(例如合金等)。另外，颗粒可包括另外的材料，例如碳(例如碳化物)。在一个实施例中，原料粉末的颗粒可为钢—镍。另外，在一些实施例中，颗粒的成分可根据应用的持续时间而改变。例如，当连接两个不同的金属部件时，可改变颗粒的成分，因为冷喷涂沉积是从一个金属部件到另一个金属部件来应用的。
接下来，在框106中，可定位待连接的金属部件，如以上图3和4中所述。例如，可使将组成接缝的各个部件的表面定位成彼此邻近。另外，如果凹槽将形成于部件中，如图4所述，则部件可定位成使得凹槽可以形成于期望的接缝处。
在一些实施例中，可在冷喷涂沉积之前或期间加热待连接的金属部件。在其它实施例中，可从过程100中省略在冷喷涂沉积之前或期间对金属部件的加热。可使用对待连接的部件的加热，来控制由冷喷涂涂层和部件形成的结合(部)的微结构和属性。例如，在连接钢合金部件的一个实施例中，可使用加热来更改钢合金的晶界，以较好地制备钢合金部件的表面，以与冷喷涂涂层的颗粒形成结合。这个微结构可进一步由对部件的加热的持续时间和温度来控制。在一些实施例中，部件可从约200℃加热到被连接的部件的熔点。
在框110中，可通过冷喷涂来应用颗粒，以在被连接的部件的交接处处形成涂层。例如，可将冷喷涂应用于待连接的部件的表面上(如图3所述)，或者应用于形成于部件中的凹槽上(如图4所述)。基于以上选择的冷喷涂参数，可在过程气体的特定温度下、对于各个喷层以选定的持续时间、且针对选定数量的涂层来执行冷喷涂(如框102所述)。另外，所使用颗粒可基于选定的原料参数(如框104所述)。
在沉积冷喷涂涂层之后，可在例如烤炉中或者通过任何其它适当的装置对金属部件和结合(部)进行热处理(框112)。在一些实施例中，可在高于200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、高达待连接的部件的熔点的温度下进行热处理。另外，在一些实施例中，对某些冷喷涂参数的选择可使得能够最大程度地减少热处理或者消除热处理。例如，以足够的过程气体温度以及足够数量的冷喷涂涂层，由冷喷涂沉积产生扩散结合可能就足够了，而不需要另外的热处理。在部件之间形成结合之后，部件可能会经历最终机械加工，以达到期望的尺寸、大小和形状。
现在转到附图，且首先参看图6，示出了燃气轮机系统200的一个实施例的简图。如以上详细地论述，可使用所公开的实施例来连接各种金属部件，以形成涡轮机系统200中的各种构件。简图包括燃料喷嘴202、燃料供应204和燃烧室206。如所描绘的，燃料供应204将液体燃料或气体燃料(例如天然气)传送到涡轮机系统200，通过燃料喷嘴202进入燃烧室206中。将在下面论述，燃料喷嘴202构造成以便喷射燃料，且使燃料与压缩空气混合成改进的燃料-空气混合物。燃烧室206点燃且燃烧燃料-空气混合物，然后将热的加压废气传送进入涡轮208中。废气经过涡轮208中的涡轮叶片，从而驱动涡轮208旋转。而涡轮208中的叶片和轴209之间的联接将使轴209旋转，轴209也联接到涡轮机系统200各处的若干构件上，如图所示。最后，燃烧过程的排气可通过排气出口220离开涡轮机系统200。
在涡轮机系统200的一个实施例中，包括作为压缩机222的构件的压缩机桨叶或叶片。压缩机220内的叶片可联接到轴209上，且将在轴209由涡轮208驱动而旋转时旋转。压缩机220可通过空气进口224将空气吸入涡轮机系统200中。另外，轴209可联接到负载226上，负载226可通过轴209的旋转被供以动力。如所理解的，负载226可为可通过涡轮机系统200的旋转输出产生功率的任何适当的装置，例如发电设备或外部机械负载。例如，负载226可包括发电机、飞机的推进器等。空气进口224通过适当的机构(例如冷空气进口)将空气230吸入涡轮机系统200中，以随后通过燃料喷嘴202使空气230与燃料供应204混合。将在下面详细地论述，可供给由涡轮机系统200引入的空气230，且通过使压缩机220内的叶片旋转将之压缩成加压空气。然后可将加压空气供给到燃料喷嘴202中，如由箭头232所示。然后燃料喷嘴202可使加压空气和燃料混合，如标号234所示，以产生燃烧的最优混合比，例如使燃料更加充分地燃烧的燃烧，以便不浪费燃料，或者不造成过量的排放。涡轮机系统200的一个实施例包括燃料喷嘴202内的某些结构和构件，以改进空气燃料混合，从而提高性能且降低排放。
图7显示了涡轮机系统200的一个实施例的剖面侧视图。如所描绘的，该实施例包括压缩机220，压缩机220联接到环形排列的燃烧室206上。例如，六个燃烧室206位于所示涡轮机系统200中。各个燃烧室206均包括一个或多个燃料喷嘴12，燃料喷嘴12将空气燃料混合物供给到位于各个燃烧室206内的燃烧区。例如，各个燃烧室206可包括成环形或其它合适的布置的一个或多个燃料喷嘴202。空气燃料混合物在燃烧室206内的燃烧将会使涡轮208内的桨叶或叶片随着废气朝排气出口220传送而旋转。将在下面详细地论述，燃料喷嘴202的某些实施例包括多种独特的特征，以改进空气燃料混合物，从而改进燃烧、降低不合需要的排气排放，并且改进燃料消耗。
虽然仅示出和描述了本发明的某些特征，但是本领域技术人员将会想到许多修改和改变。因此要理解的是，所附权利要求书意图覆盖落在本发明的真实精神内的所有这样的修改和改变。