用雾化喷涂沉积金属涂层的方法技术

一种涂覆金属基材（１７）如燃气涡轮发动机二级和三级中的部件以提高金属基材（１７）在高温操作条件下的抗氧化性和抗腐蚀性的方法，所述方法包括以下步骤，形成高熔点超合金或ＭＣｒＡｌＹ组分（１４）和包含约２－５％重量硅、硼或铪的低熔点组分（１５）的粉末状混合物，其中Ｍ包括Ｆｅ、Ｎｉ和／或Ｃｏ；将该粉末状混合物用雾化喷涂在室温施加到金属基材（１７）的表面上，以形成均匀表面涂层；然后将经涂覆的基材表面在真空条件下加热到约１９００°Ｆ至２２７５°Ｆ的温度，以得到均匀涂层组合物（１９），从而对下面的基材提供抗氧化性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及施加到基材的金属、陶瓷或复合涂层，更具体地讲，涉及用于暴露于侵 蚀环境的金属基材上的抗氧化、抗腐蚀、抗热和抗磨涂层，例如，施加到在苛刻环境中长期 操作的金属燃气涡轮发动机部件的保护性涂层。本专利技术还涉及施加到在较小侵蚀性、较低 温度环境中的金属基材的保护性涂层，例如在风力涡轮机部件上的抗磨涂层和施加到非金属基材的涂层。
技术介绍
由特种材料(如超合金)制成的部件用于极端操作条件下的多种工业应用。在 能量产生领域，总是必须涂覆工作部件，以增加其经延长时间的表面抗退化性质，如抗氧化 性、抗腐蚀性、抗侵蚀性和抗磨性。例如，暴露于超过1500° F温度的燃气涡轮机部件，如轮 盖和翼片，一般已在其初始制造期间和/或停工修补期间涂覆，以提高在高温长期暴露于 氧化气氛时对氧化、腐蚀和颗粒侵蚀的保护。在过去，已用设计用于优化涂层微结构和机械性质的多种技术将普通保护性涂层 施加到金属基材上。然而，这些涂层倾向于花费大，包括复杂过程控制，并且涂覆制品消耗 相当多停工时间。这些方法的实例包括低压等离子喷涂(LPPS)、真空等离子喷涂(VPS)、高 速氧燃料(HVOF)、空气等离子喷涂(APQ和电子束物理气相沉积(EBPVD)。也已用在蒸气、 包装或浆料过程中施加的扩散铝化物修补涡轮机部件。遗憾的是，很多已知的现有技术涂 层倾向于随时间变脆，或者由于在涡轮发动机投入运行和退出运行时发生的热循环和金属 疲劳变脆。改进涂层以使它们随时间有较小的脆性通常导致较低的抗氧化性。对于由超合金形成的金属结构，例如用于在升高温度(例如在或高于1000°C )操 作的多级发动机的结构，燃气涡轮机部件的抗磨性和抗氧化性方面的问题特别突出。如果 在暴露金属部件上没有保护性涂层，则在高温下气体工作流体的氧化气氛就可能快速改变 金属基材的化学组成，并因此改变金属基材的性质。在一个区域物质性质的显著缺陷可能 极有害于整个系统的机械完整性和可靠性。因此，已开发出延长部件寿命的各种方法，用保 护性涂层覆盖关键部件表面。虽然在保护性涂层中存在铝改善抗氧化性，但过量铝也可降 低涂层延性，导致在持续工作期间破裂，并最终使初始涂层的好处损失。超合金利用的大多数抗氧化涂层包括具有通式MCrAlY的合金，其中M包括铁、镍 和/或钴。为了达到最高寿命和空气动力效率，涂层优选作为具有光滑、均勻和控制厚度的 最终层施加。根据操作环境、部件尺寸和工作流体的性质，已用于施加这些涂层的普通热喷 涂技术具有积极和消极属性。例如，在最终保护性涂层必须不含金属氧化物时，VPS应用有 用。另一方面，由于喷涂设备的物理限制，VPS和HVOF技术对涂层施加到难以进入的 基材区域不太有效，这些喷涂设备对用于小的区域太大或者笨重，以至于没有一条枪角视 线来获得合理沉积速率和可接受微结构。大多数热喷涂方法还包括一个或多个掩蔽步骤， 这些步骤在进行局部修补中可能代价高，并且耗时。同样，其他已知的涂覆系统倾向于花费大，需要复杂的过程控制，并且花相当多停工时间有效和可靠地涂覆目标部件。
技术实现思路
本专利技术提供一种涂覆基材(如暴露于苛刻操作环境的燃气涡轮发动机部件)以提 高基材在高温下的抗氧化性的新方法。本专利技术的示例性方法包括以下步骤，形成高熔点超 合金组分和低熔点钎焊粘合剂组分的粉末状混合物；将粉末状混合物用雾化喷涂在室温施 加到基材的表面上，以在基材表面上形成厚度基本均勻的涂层；然后将基材加热到足以给 予涂层强度和抗氧化性/抗腐蚀性的温度。在一个实施方案中，所述方法利用高熔点超合金组分或MCrAlY涂料和包含硅、 硼、铪或金的较低熔点组分的粉末状混合物，其中M包括Fe、Ni和/或Co。加热步骤在真 空条件下在约1900° F至2275° F的温度进行，从而形成液相，其中较高熔点的粉末变得 悬浮，并通过液相烧结形成冶金接合。在用于修补燃气涡轮发动机部件的金属基材时，本发 明具有特殊优点。附图说明图1为用于其中可利用本专利技术的常规钎焊涂覆应用的基本方法步骤的示意流程 图2为显示用雾化喷涂技术形成和沉积金属涂层所用的基本步骤和本专利技术的随 后处理步骤的简化工艺流程图3描绘基于本文所述低熔点组分和高熔点组分变化使用本专利技术的钎焊方法的 不同水平的硅的不同涂料组合物；图4为对于不同的低熔点组分和高熔点组分在恒定真空条件和恒定加热速率下 进行的本专利技术的示例性钎焊循环的时间-温度绘图5显示在不同的低熔点组分和高熔点组分中具有不同量硅的本专利技术的示例性 涂层的一系列显微相片；图6显示一系列显微相片，这些相片反映在本专利技术的涂覆方法的供选实施方案中 出现的观察到的物理变化。图6还包括类似于图6中所示相应于相同系列显微相片的时间/温度绘图7为用于本专利技术的方法的四种不同供选涂料组合物的应变/容限(strain/ tolerance)绘图，绘图显示延性(表示为应变的百分数)的相应水平，其中应变值在室温 (“RT”)测定，并与现有技术基线涂料组合物比较；图8为对于本专利技术的不同涂料组合物在1700° F进行的FCT试验的结果的图解表 示，该图绘制与代表现有技术涂层的基线值比较的涂层在增加的循环数下的重量变化；并 且图9为一系列显微相片，这些相片显示根据本专利技术施加并且如图8所示试验的示 例性涂料组合物的横截面。具体实施方式本专利技术提供一种在暴露于极端条件(例如，在燃气涡轮发动机中遇到的条件)的基材上沉积涂层的新、成本有效的快速方法。本专利技术的示例性方法使用雾化喷涂技术通过 使控制量的含规定量较低熔点化合物的耐性涂料施加到金属基材(如涡轮喷嘴、叶片或其 他部件)在室温(利用或不利用特种气体)施加金属涂层。然后使经涂覆的制品在下述控 制过程条件下经过真空加热处理。有意义的是，本专利技术的方法不涉及使用现有技术涂覆技术通常所用的火焰或金属 粉末悬浮体，而是在小心控制的时间/温度条件下利用在真空炉中热处理，以便能够在金 属基材表面上形成均勻冶金接合。因此，此方法特别用于以成本有效且适时的方式涂覆涡 轮机部件的所有气体通道表面。相同技术也可用于涂覆整个制品，或在以前涂覆的部件上 提供补充涂层(“积累”)。根据本专利技术涂覆金属基材的一种示例性方法包括以下基本步骤。首先形成 含高熔点超合金组分或MCrAlY粉末和包含硅、硼或铪的较低熔点组分的粉末状混 合物，其中M包括狗、Ni或Co。示例性MCrAlY组合物包括但不限于共同拥有的美 国专利 6，730，413 (Schaeffer 等人Thermal Barrier Coating”(绝热涂层))和 6,610,420 (Thompson 等 A“Thermal Barrier Coating system of a turbineEngine Component”(涡轮发动机部件的绝热涂层系统))所述的那些组合物。将所得粉末混合物 用雾化喷涂在室温施加到金属基材的表面上，以在基材表面上形成精确厚度的光滑、均勻 涂层。涂层也可用“椒盐”技术或作为糊组合物施加。利用椒盐技术，将粉末干加到具有 施加到表面以固定粉末的粘合剂的部件表面上。然后在炉循环期间将粉末烧完。经涂覆 的基材表面一般在真空条件(约5X 10_4托)下加热到高于较低熔点化合物液态约25至 150° F的维持温度，通常为约1900本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种涂覆基材（１７）的方法，所述方法包括以下步骤：形成高熔点超合金组分（１４）和低熔点钎焊粘合剂组分（１５）的粉末状混合物；将所述粉末状混合物用雾化喷涂在室温施加到所述基材（１７）的表面上，以在所述基材表面上形成厚度基本均匀的涂层（１９）；和将所述基材（１７）加热到足以给予所述涂层（１９）强度和抗氧化性／抗腐蚀性的温度。

【技术特征摘要】
US 2009-10-7 12/5748091.一种涂覆基材(17)的方法，所述方法包括以下步骤形成高熔点超合金组分(14)和低熔点钎焊粘合剂组分(1 的粉末状混合物；将所述粉末状混合物用雾化喷涂在室温施加到所述基材(17)的表面上，以在所述基 材表面上形成厚度基本均勻的涂层(19)；和将所述基材(17)加热到足以给予所述涂层(19)强度和抗氧化性/抗腐蚀性的温度。2.权利要求1的方法，其中所述基材包括金属。3.一种涂覆金属基材(17)以提高所述基材(17)在高温的抗氧化性的方法，所述方法 包括以下步骤形成高熔点超合金组分(14)或MCrAlY和包含硅、硼、铪或金的较低熔点组分(15)的 粉末状混合物，其中M包括Fe、Ni和/或Co ；将所述粉末状混合物用雾化喷涂在室温施加到所述金属基材(17)的表面上，以在所 述基材表面上形成厚度基本均勻的涂层(19)；和将所述经涂覆的基材表面在真空条件下加热到约1900° F至2275° F的温度，以形成 液相，其中较高熔点的粉末变得悬浮，并通过液相烧结形成冶金接合。4.权利要求3的方法，其中加热所述经涂覆基材表面的所述步骤在多个阶段进行，以 使表面温度从约840° F升高到约2225° F，再降回到约1975° F。5.权利要求3的方法，其中所述较低熔点组分(1 包含约2至12%重量的硅。6.权利要求4的方法，其中在多个阶段中加...

【专利技术属性】
技术研发人员：DV布奇，KO汉斯，WMA米格利蒂，CU哈德维克，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]