CN100392150C - 采用无机浆液混合物施加含铝覆层的方法 - Google Patents

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Abstract

采用含铝的涂料，涂覆燃气涡轮翼型(22)之类制品的内部通道。为了实施这一涂覆过程，制备由载体成分和固体成分的混合物组成的涂料浆液，前者包括水和锂蒙脱石粘土或膨润土粘土，后者包括铝源、卤化物活化剂、和氧化物分散剂。将涂料浆液施加到燃气涡轮机翼型(22)的内部通道上并干燥。加热燃气涡轮机翼型(22)和所施加的涂料浆液，以形成与燃气涡轮机翼型(22)内部通道结合的含铝覆层。除去制品内部通道中的过量涂料。

Description

采用无机浆液混合物施加含铝覆层的方法
发明领域
本发明涉及在表面上施加含铝覆层的方法，尤其涉及由含铝浆液将这种覆层施加到燃气涡轮机翼型内表面上的方法。
发明背景
在飞机的燃气涡轮机(喷气)发动机中，通过安装在轴上的压缩机压缩，从发动机的前方吸入空气并与燃料混合。使混合物燃烧，灼热的废气流过安装在同一轴上的涡轮机。燃烧气体的流动，冲击涡轮机叶片和轮叶的翼型部分，使涡轮机转动，并带动轴旋转，为压缩机和风扇提供动力。在比较复杂类型的燃气涡轮发动机中，压缩机和高压涡轮机安装在一个轴上，风扇和低压涡轮机安装在一个单独的轴上。在任何情况下，灼热的废气都从发动机的后部流出，推动发动机和飞机前进。
燃烧和废气的温度越高，喷气发动机的运行就越有效。因此鼓励提高燃烧和废气的温度。燃烧气体的最高温度通常受制造受灼热燃烧气体冲击的涡轮机轮叶和叶片所用材料的限制。在现代发动机中，涡轮机轮叶和叶片是由镍基超耐热合金制造的，可在温度高达约1900-2150°F下运行。
已经采用多种方法，将涡轮机叶片和轮叶翼型部分的极限操作温度提高到目前的水平。例如，改善基材本身的组成和处理方法，开发各种固化技术，以利用定向晶粒结构和单晶结构的优点。
也可以采用物理冷却技术。在一种技术中，在涡轮机翼型的内部存在内部冷却通道。强制空气通过冷却通道，从涡轮机翼型外表面上的开孔流出，从翼型的内表面上除去热量，在某些情况下，在翼型的表面上提供较冷空气的边界层。
可采用铝化物扩散覆层保护内部冷却通道的表面，铝化物扩散覆层氧化成铝氧化物保护层，阻止内表面的进一步氧化。现在已经知道许多种施加铝化物内扩散覆层的技术，其中包括化学蒸气沉积、蒸气相生成铝化物、和上述技术的组合。这些方法的缺点是，它们也涂覆其它暴露的表面。不要被涂覆的表面，有时可以利用掩模保护，但在许多情况下，掩模保护可能是不现实的。
在另一种技术中，是将包含铝源和其它成分的浆体涂料施加到内表面上。浆体涂料发生化学反应，使铝沉积在内表面上。浆体涂料的优点是，含铝涂料的空间范围可被限制在指定的区域，例如内表面。然而，现有浆体涂覆技术的缺点是，它们可能以分解的副产物的形式，在叶片上留下不希望有的污物。
因此需要有一种在表面的指定区域上，特别是在燃气涡轮机翼型之类制品的内表面上，沉积含铝覆层的改进方法。本发明不仅满足了这种需要，而且还具有一些相关的优点。
发明简述
本发明提供一种采用含铝涂料涂覆制品表面的基于浆液方法。这种方法特别适合涂覆制品的内表面，例如燃气涡轮机叶片空心翼型内部通道的内表面。本方法具有常规浆液涂覆方法的一些优点。此外，采用这种涂覆方法配制的浆液容易从表面上除去剩余的过量涂料。
一种涂覆方法，其中包括提供具有待涂覆表面的制品的步骤，和制备涂料浆液的步骤，涂料浆液包括由包含水和无机胶凝剂的载体成分、铝源、任选的卤化物活化剂、和氧化物分散剂组成的混合物。无机胶凝剂优选能膨涨粘土如蒙脱石粘土，最优选锂蒙脱石粘土或膨润土粘土。将涂料浆液施加到制品的表面上，然后在制品的表面上干燥，从其中除去水分。干燥步骤优选在空气中将制品表面上的涂料浆液加热到温度约180°F至约950°F，最优选加热到约180°F至约250°F，加热时间为约2小时至约48小时。这种方法还包括加热制品表面上有干燥的涂料浆液的表面，以形成与制品表面结合的铝覆层。在惰性或还原性气氛下进行加热，优选加热到温度约1700°F至约2100°F，加热时间约1小时至约16小时。然后任选地但希望除去制品表面上过量的涂料。
制品优选燃气轮机叶片或轮叶的翼型。在一种情况下，翼型是中空的，并有内部通道从其中通过。将涂料浆液注入和充入制品的内部通道来进行涂覆步骤。
铝源优选铝、铬-铝合金、钴-铝合金、钛-铝合金、铁-铝合金、铝-钒合金、铝-锰合金、或它们的混合物。在使用时，卤化物活化剂优选AlF3、NH4F、AlCl3、NH4Cl、CrCl3、CrCl2、NaCl、FeCl2、FeCl3、CrF2、CrF3、或它们的混合物。氧化物分散剂优选氧化铝，但也可以使用其它氧化物如氧化钇、氧化锆、氧化铬、和二氧化铪，以及它们的混合物。
铝源优选为铝源、卤化物活化剂和氧化物分散剂总重量的约1％(重量)至约50％(重量)；卤化物活化剂为铝源、卤化物活化剂和氧化物分散剂总重量的约0.5％(重量)至约10％(重量)；氧化物分散剂为铝源、卤化物活化剂和氧化物分散剂总重量的约50％(重量)至约99％(重量)。最优选铝源为钴-铝合金，其中含约50％(重量)的钴，其余为铝，铝源的量为铝源、卤化物活化剂和氧化物分散剂总重量的约28％(重量)至约35％(重量)。最优选卤化物活化剂为AlF3，其量为铝源、卤化物活化剂和氧化物分散剂总重量的约4％(重量)至约6％(重量)。无机胶凝剂为水和无机胶凝剂总重量的约1％(重量)至约6％(重量)。铝源、卤化物活化剂和氧化物分散剂一起构成载体成分、铝源、卤化物活化剂、和氧化物分散剂混合物重量的约30％(重量)至约70％(重量)。
根据下面结合附图对优选实施方案更详细的说明，可明显地看出本发明的其它特性和优点，本申请采用这个优选的实施方案作为实施例，以说明本发明的基本原理。然而，本发明的范围并不限于这个优选的实施方案。
附图简述
图1是涡轮机叶片的投影图；
图2是通过图1的涡轮机叶片上2-2线的放大的截面示意图；和
图3是一种制备内涂覆的燃气涡轮机翼型的方法的方块流程图。
发明详述
图1示出燃气涡轮发动机的一个部件制品如涡轮机的叶片或轮叶，以及该图中是涡轮机叶片20。涡轮机叶片20是由任一种实用的材料制成，但优选镍基超耐热合金。涡轮机叶片20包括灼热废气流对着的翼型部分22。(涡轮机轮叶相应的叶型部分，具有相似的外形，但一般包括支撑翼型的另一端结构)。涡轮叶片20利用楔形榫24固定在涡轮盘(未示出)上，楔形榫24从翼型22向下延伸，与涡轮盘上的狭槽啮合。平台26在纵向上从叶型22与楔形榫24连接的区域向外延伸。许多内部通道通过翼型22的内部延伸，终止于翼型22表面的开孔28。在运行过程中，冷空气流流过内部通道，使翼型22的温度降低。翼型22也可描述为具有与楔形榫24邻接的根端30，和与其相对配置的远离楔形榫24的尖端32。
图2是贯穿翼型22的纵向截面，图中示出一个通过翼型22内部的内部通道34。内部通道34具有翼型内表面36，和翼型22金属部分的翼型外表面38。
在翼型内表面36上存在铝化物扩散保护区40。扩散的铝化物是将含铝的涂料涂覆到翼型内表面上制成的，所以翼型22的本体用作基质42。铝与基质42的材料进行互相扩散，形成处在翼型内表面36下面的富铝保护区40。铝化物扩散保护区40的组成是在靠近翼型内表面36处铝浓度最高，随着从翼型内表面36进入基质42的距离的增加，铝浓度降低。铝化物扩散保护区40的厚度，一般为约0.0005英寸至约0.005英寸。当暴露于高温氧化环境时，翼型内表面36处的富铝层发生氧化，形成在翼型内表面36处的附着性非常强的铝氧化物(Al2O3)保护层，抑制和减慢氧化的进一步损坏。在铝化物扩散保护区40内，可任选地存在反应性和惰性的铝化物改性元素如铪、锆、钇、硅、钛、钽、钨、钼、铼、钌、钴、铬、铂和钯、以及它们的组合。在翼型的内表面36上，不采用下面所讨论的，施加到翼型外表面38上的表层涂料。
也可以保护翼型外表面38，图2示出一种方法。保护覆层44覆在翼型外表面38上并与其接触。保护覆层44具有覆在翼型外表面38上并与其接触的保护层46。保护层46优选由扩散铝化物或表层组合物组成。当采用时，扩散铝化物可以是上面讨论的单扩散型铝化物，或改性的扩散铝化物如铂的铝化物。就外保护层46而言，这类涂料在本领域是已知的。在采用时，表层保护涂层优选MCrAlX类型。术语“MCrAlX”，是各类表层保护层46的技术术语的简缩形式，用作环境覆层或作为隔热覆层系统的结合覆层。M系指各种形式的镍、钴、铁、和它们的组合。在这些保护层中，有些保护层可以省略铬。X表示铪、锆、钇、钽、铼、钌、钯、铂、硅、钛、硼、和碳之类的元素以及它们的组合。具体的组合物在本领域是已知的。MCrAlX组合物的一些实例包括，例如NiAlCrZr和NiAlZr，但不能将所列举的这些实例作为对本发明的限制。保护层46的厚度为约0.0005英寸至约0.010英寸。这类保护层46在本领域一般是已知的。
任选将陶瓷层48覆在保护层46的表面上并与其接触。陶瓷层48优选钇稳定的氧化锆，钇稳定的氧化锆是包含约2％(重量)至约12％(重量)，优选约3％(重量)至约8％(重量)钇氧化物的氧化锆。陶瓷层48的厚度一般为约0.003英寸至约0.010英寸。也可以采用其它实用的陶瓷材料。在不存在陶瓷层48时，保护层46被称作“环境覆层”。在有陶瓷层48存在时，保护层46被称作“结合覆层”。
图3示出一种实现本方法的优选方法。提供一种制品编号60，在这种情况下是翼型部分22如存在在涡轮机叶片20或涡轮机轮叶上的。
制备涂料浆液，编号62。涂料浆液包括载体成分和粉末的混合物。载体成分包括水和无机胶凝剂。可将少量能高挥发性的和完全挥发性的有机化合物如醇与水混合，以便在以后的步骤中有助于蒸发水分。无机胶凝剂优选能膨涨粘土，更优选蒙脱石粘土，最优选锂蒙脱石粘土，或膨润土粘土。锂蒙脱石粘土是最有效的胶凝剂，因为它能吸收高达其初始重量的约24倍的水，锂蒙脱石粘土优于膨润土粘土，膨润土粘土能吸收高达其初始重量的约16倍的水。锂蒙脱石粘土是NaMgLi-硅酸盐粘土，其颗粒一般是细长的小片形式，尺寸通常为约0.8×约0.08×约0.001μm。本方法最优选使用的粘土是BentoneRAD粘土，它是一种锂蒙脱石粘土，可从新泽西州海茨汤(Hightstown)的Rheox有限责任公司购买，也可以采用BentoneRMA粘土，也可从Rheox有限责任公司购买，但它比BentoneR AD粘土略粗，因此BentoneR AD粘土具有更好的抗沉降性能，是一种较好的胶凝剂。在第二类优选的粘土中，膨润土粘土是NaAlMg-硅酸盐粘土，其颗粒一般是方形的小片形式，尺寸通常为约0.8×约0.8×约0.001μm。
无机胶凝剂优选为水和无机胶凝剂总重量的约1％(重量)至约6％(重量)(最优选4％)。将无机胶凝剂与水混合，制成载体成分。混合是采用高剪切或高速混合器，例如普通的常规混合器进行的。
“固体”成分包括粉末状的铝源、任选的粉末状卤化物活化剂和粉末状的氧化物分散剂。(这些成分被称作“固体”成分，尽管无机胶凝剂也是一种固体，但它包括在载体成分中。)铝源优选铝、铬-铝合金、钴-铝合金、钛-铝合金、铁-铝合金、铝-钒合金、铝-锰合金、或它们的混合物。优选钴-铝合金，其中含约50％(重量)的钴，其余为铝。如果所用铝源的含量足够高(为固体成分的约50-80％(重量))，可在不采用卤化物活化剂的情况下涂覆。然而，优选采用卤化物活化剂，这是由于铝源可以以较小的浓度存在和卤化物活化剂在随后的清洁步骤中有助于除去过量涂料这两个原因。当采用时，卤化物活化剂优选AlF3、NH4F、AlCl3、NH4Cl、CrCl3、CrCl2、NaCl、FeCl2、FeCl3、CrF2、CrF3、或它们的混合物。AlF3是优选的。氧化物分散剂优选氧化铝-Al2O3，但也可以采用其它的氧化物如氧化钇、氧化锆、氧化铬和二氧化铪代替。固体成分的优选粒度为约150至约325网目。铝源优选为铝源、卤化物活化剂和氧化物分散剂总重量的约1％(重量)至约50％(重量)，更优选约28％(重量)至约35％(重量)，最优选约30％(重量)；卤化物活化剂为铝源、卤化物活化剂、和氧化物分散剂总重量的约0.5％(重量)至约10％(重量)，更优选约2％(重量)至约6％(重量)，最优选约5％(重量)；和氧化物分散剂为铝源、卤化物活化剂、和氧化物分散剂总重量的约50％(重量)至约99％(重量)。
将载体成分和固体成分混合在一起，制成涂料浆液。所用的铝源、卤化物活化剂、和氧化物分散剂总共为载体成分、铝源、卤化物活化剂、和氧化物分散剂混合物总重量的约30％(重量)至约70％(重量)，最优选约40％(重量)。首先用混合器将铝源、卤化物活化剂和氧化物分散剂混合在一起，然后用手使用油漆刀将这些固体成分混入载体成分中。
将涂料浆体施加到所研究的制品表面上，编号64，在优选的情况下，采用注射器和泵将浆液注入内通道34中，把浆液施加到内通道34的翼型内表面36上。
将施加到表面上的涂料浆液干燥，编号66。在优选的情况下，干燥步骤66是将制品表面上的涂料浆液，在空气中加热到约180°F至约95°F，干燥约2小时至约48小时。干燥蒸发出涂料浆液中的水分。可将少量的蒸发助剂如醇加入水中，以有助于蒸发。蒸发助剂完全蒸发后，在干燥的涂料中不留任何的有机残留物。
将干燥的涂料浆液加热，把含铝的涂料沉积在制品的表面上，编号68。这一加热步骤优选在温度约1700°F至约2100°F下，在惰性(例如氩)或还原性(例如氢)气氛中进行约1小时至约16小时。在这个步骤中需要保护制品不被残留的氧和水蒸汽所氧化。优选将制品包在镍箔，或其它金属箔如不锈钢、工具钢、钽、或镍基超耐热合金金属箔中，以提供这种保护。在这个加热步骤中，含铝的蒸气是由铝源和卤化物活化剂制成的。含铝的蒸气沉积在表面上，留下含铝的覆层。然后将被涂覆的制品冷却到室温。
加热步骤68获得具有含铝层40的制品表面。在加热步骤68中，含铝层40部分扩散进基质42中。
此外，在表面上具有剩余物，因为仅有约5-10％的原料固体粉末发生反应。剩余物包括未反应的铝源、卤化物活化剂、氧化物分散剂、和剩余的无机胶凝剂。优选除去这些过量的涂料，编号70。采用高压空气或高压流水冲洗，除去剩余物，即使在内部通道中除去剩余物时，也是如此。
施加任何其它的涂料，编号72。在涡轮机翼型的情况下，可在翼型外表面38上施加覆层如覆层44或隔热覆层。可以采用任何实用的方法施加所选择的外覆层，并可在步骤68之后、之前、或与其同时进行步骤72。在图2示出其结果的优选方法中，在翼型外表面38上沉积保护覆层44，并与其接触。保护覆层44包括在翼型外表面38上沉积的保护层46。保护层46优选MCrAlX类型。保护层46是采用任一种实用的方法沉积的，例如物理蒸气沉积(例如贱射、阴极弧、和电子束)或热喷涂。保护层46的厚度优选约0.0005英寸至约0.010英寸，最优选约0.002英寸至约0.007英寸。
表层保护覆层任选包括沉积在保护层46表面上并与其接触的陶瓷层48。陶瓷层48的厚度优选约0.003至约0.010英寸，最优选约0.005英寸。(图2未按比例画出)。陶瓷层48优选钇稳定的氧化锆，钇稳定的氧化锆是包含约2％(重量)至约12％(重量)，优选约3％(重量)至约8％(重量)钇氧化物的氧化锆。也可以采用其它实用的陶瓷材料。可以采用任何实用的方法，例如物理蒸气沉积或热喷涂涂覆陶瓷材料。
为了实用，已经将本方法简化。
在第一个实施例中，制备固体成分混合物，其中包含约20(重量)份的钴占50％(重量)的钴-铝合金、约5份(重量)AlF3、其余为氧化铝。制备载体成分，载体成分是约4％(重量)的BentoneR AD粘土与水的混合物。将约40(重量)份的固体成分与约60％(重量)的载体成分混合在一起。将涂料注入高压涡轮机叶片翼型的内部通道中。按上述的方法处理翼型，在空气中于180°F下干燥24小时，在氢气中于1975°F下加热4小时。覆层的厚度为约0.0011英寸，根据对顶部5μm覆层的测定，铝含量为约16％(重量)。
在第二个实施例中，采用与第一个实施例相同的方法，所不同的是，在固体成分中钴-铝合金的含量提高到占混合物重量的约30％(重量)，覆层厚度为约0.0015英寸。在此情况下，覆层中的铝含量约为22％。由于覆层中铝含量较高，所以第二种方法是优选的。
采用这些方法和它们的变化形式，制备总共约175个高压涡轮机叶片。
虽然尚不能确实了解本方法优点的来源，而且也不需要如此清楚本发明的可操作性，但可以认为，现有浆液涂覆技术出现困难的根源是在浆液中使用的有机胶凝材料。该有机胶凝材料的存在是为了将铝源、卤化物活化剂、和氧化物分散剂保持在载体成分的悬浮液中。在干燥和/或加热过程中，有机成分可能产生能燃烧的副产物蒸气，使反应的剩余物留在制品的表面上，在加热反应步骤以后，阻止或妨碍剩余物的除去。反应产物也可能污染覆层，这是不希望的。
本发明的方法采用无机材料，优选采用锂蒙脱石粘土或膨润土粘土起胶凝形成作用。采用有机胶凝剂或悬浮剂不在本发明的范围内。在本方法中，载体成分中的无机粘土产生凝胶的特性，以致在向制品表面上施加涂料浆液时，其它固体都保持在悬浮液中。胶凝形成成分不产生任何有机蒸气。采用粘土还有另一个优点，粘土在干燥步骤中，比有机材料更容易放出水分，能更充分更快地进行干燥。更完全地除去水分是非常希望的，因为任何残留的水分都能将铝源中的铝氧化成氧化铝，引起烧结并妨碍在反应后最后清除过量的涂料。因此，水的存在，能导致翼型中的冷却孔部分或全部地被氧化铝堵塞，采用本方法则能降低这种不希望的效应发生。
虽然为了举例说明，已经详细地叙述了本发明具体的实施方案，但在不偏离本发明的内容和范围内，仍可进行各种改进和完善。因此，除了所附的权利要求以外，本发明不受任何限制。

Claims (15)

1.一种涂覆方法，其中包括下列步骤：
提供具有待涂覆的表面(36)的制品；
制备涂料浆液，其包括下列成分的混合物：
载体成分，其包括水和无机胶凝剂，其中元机胶凝剂优选为水和无机胶凝剂总重量的约1％-6重量％且选自锂蒙脱石粘土和膨润土粘土，和它们的混合物；
铝源，所述铝源选自铝、铬-铝合金、钴-铝合金、钛-铝合金、铁-铝合金、铝-钒合金、铝-锰合金、和它们的混合物；和
氧化物分散剂，所述氧化物分散剂选自氧化铝、氧化钇、氧化锆、氧化铬、和二氧化铪、以及它们的混合物；
将涂料浆液施加到制品表面(36)上；然后
干燥制品表面(36)上的涂料浆液，除去其中的水分；和然后
加热其上有干燥的涂料浆液的制品表面(36)，以制成与制品表面(36)结合的铝覆层。
2.权利要求1的涂覆方法，其中涂料浆液还包括卤化物活化剂，所述卤化物活化剂选自AlF3、NH4F、AlCl3、NH4Cl、CrCl3、CrCl2、NaCl、FeCl2、FeCl3、CrF2、CrF3、和它们的混合物。
3.权利要求2的涂覆方法，其中铝源为铝源、卤化物活化剂、和氧化物分散剂总重量的1重量％至50重量％；卤化物活化剂为铝源、卤化物活化剂、和氧化物分散剂总重量的0.5重量％至10重量％；和氧化物分散剂为铝源、卤化物活化剂、和氧化物分散剂总重量的50重量％至99重量％。
4.权利要求1的涂覆方法，其中包括在加热步骤后的另一个步骤：
除去制品表面(36)上过量的涂料。
5.权利要求1的涂覆方法，其中施加步骤包括将涂料浆液注入制品内部通道的步骤。
6.权利要求1的涂覆方法，其中干燥步骤包括将制品表面(36)上的涂料浆液在空气中加热到温度180°F至950°F，加热2小时至48小时的步骤。
7.权利要求1的涂覆方法，其中加热步骤包括将其上有干燥的涂料浆液的制品表面(36)在惰性或还原性气氛中加热到温度1700°F至2100°F，加热1小时至16小时的步骤。
8.权利要求1的涂覆方法，其中制品表面(36)是制品的内部通道。
9.权利要求1的涂覆方法，其中无机胶凝剂是粘土。
10.权利要求1的涂覆方法，其中无机胶凝剂是蒙脱石粘土。
11.权利要求1的涂覆方法，其中无机胶凝剂为水和无机胶凝剂总重量的1重量％至6重量％。
12.权利要求1的涂覆方法，其中铝源、卤化物活化剂、和氧化物分散剂总共为载体成分、铝源、卤化物活化剂、和氧化物分散剂混合物重量的30重量％至70重量％。
13.权利要求1的涂覆方法，其中制品是燃气涡轮机的翼型(22)。
14.权利要求1的涂覆方法，其中铝覆层的厚度为0.0005英寸至0.005英寸。
15.一种涂覆方法，其中包括下列步骤：
提供具有待涂覆的内部通道的燃气涡轮机翼型(22)；
制备涂料浆液，涂料浆液包括下列成分的混合物：
载体成分，包含水和无机胶凝剂，该无机胶凝剂优选为水和无机胶凝剂总重量的约1％-6重量％且选自锂蒙脱石粘土和膨润土粘土，以及它们的混合物，
铝源，所述铝源选自铝、铬-铝合金、钴-铝合金、钛-铝合金、铁-铝合金、铝-钒合金、铝-锰合金、和它们的混合物；和
氧化物分散剂，所述氧化物分散剂选自氧化铝、氧化钇、氧化锆、氧化铬、和二氧化铪、以及它们的混合物；和
卤化物活化剂，所述卤化物活化剂选自AlF3、NH4F、AlCl3、NH4Cl、CrCl3、CrCl2、NaCl、FeCl2、FeCl3、CrF2、CrF3和它们的混合物；
将涂料浆液施加到燃气涡轮机翼型(22)的内部通道中；然后
干燥燃气涡轮机翼型(22)内部通道上的涂料浆液；然后
加热其上有涂料浆液的燃气涡轮机翼型(22)，以形成与燃气涡轮机翼型(22)内部通道结合的铝覆层；和然后
除去燃气涡轮机翼型(22)内部通道中的过量涂料。
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