CN101280409A - 形成铬扩散部分的方法和由此制备的制品 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种形成铬扩散部分的方法和由此制备的制品，所述方法包括：形成包括铬和硅的浆料，将浆料涂覆于制品，并加热制品到足够的温度并达足够的时间段以使铬和硅扩散到制品中并且形成包括硅和包括α－铬的微观结构的扩散部分。在一个实施方案中，燃气涡轮部件包括：超级合金和具有小于或等于60μm深度的扩散部分，如从超级合金表面至燃气涡轮部件中所测量的。扩散部分具有扩散表面，该表面具有包括大于或等于40体积％的α－铬的微观结构。

Description

形成铬扩散部分的方法和由此制备的制品

美国政府利益

本发明是根据由美国能源部授予的编号为DE-FC26-05NT42643的合约在政府支持下作出的。在本发明中政府具有一定的权利。

技术领域

本发明涉及一种形成铬扩散部分的方法和由此制备的制品。

背景技术

当暴露于高温(例如，大于或等于约1300℃)和氧化环境时，金属可氧化、腐蚀和变脆。这些环境是由如用于发电系统的涡轮中产生的。当施加于金属涡轮部件时，金属涂层例如通过热喷涂技术能够减小高温以及腐蚀和氧化环境对金属部件的影响。

热喷涂方法体系包括爆炸喷枪沉积(detonation gun deposition)、高速氧-燃料沉积(HVOF，high velocity oxy-fuel deposition)和它的变体如高速空气-燃料，等离子喷涂(high velocity air-fuel，plasma spray)、火焰喷涂(flame spray)、和电线弧喷涂(electric wire arc spray)。在大部分热涂敷方法中，材料被加热到接近或稍微高于它的熔点并且该材料的熔滴(droplet)在气体物流中加速。将所述熔滴引向待涂敷的基体的表面，在此它们粘附并且流入薄层状的被称为薄板(splats)的粒子中。

热喷涂方法已经被用于沉积分层的涂层多年。这些涂层由不同成分和性能的不连续的层组成。例如，涂层可能是一种简单的双涂层，该双涂层由紧邻基体的、如镍-铬的金属合金层和其上的锆层组成。

当MCrAlY涂层被用于整体气化联合循环(IGCC)系统——采用一种使用煤发电的方法的新型系统——时，目前存在着问题。该方法比其他的使用煤来发电的方法更加清洁和经济有效。该方法包括处理煤和将煤重整为气体混合物，该混合物包括氢气(H₂)、一氧化碳(CO)和碳微粒。这种气体混合物和氧气在涡轮中燃烧来发电。然而，碳微粒与被涂敷过的涡轮部件碰撞，并且腐蚀部件和/或涂层，从而缩短部件的有效工作寿命。

另一个涡轮部件问题在于，它们还由于环境的侵袭而经受过早失效，特别是在燃气涡轮发动机的热气通道中更是如此。

因此，存在对于例如涡轮部件的制品的需要，所述制品对于苛刻的环境，如在燃气涡轮中的环境具有提高的抵抗力。

发明内容

本文公开了用于在制品中形成铬(chromide)扩散部分的方法和由此制备的制品。在一个实施方案中，一种用于形成带有扩散部分的制品的方法包括：形成包括铬(chromium)和硅的浆料，将浆料涂敷于制品，并加热制品到足够的温度并达足够的时间段以使铬和硅扩散到制品中并且形成包括硅和包括α-铬的微观结构的扩散部分。

在一个实施方案中，燃气涡轮部件包括：超级合金(superalloy)和扩散部分，所述扩散部分具有从超级合金表面到燃气涡轮部件中所测量的小于或等于60μm的深度。扩散部分具有扩散表面，该表面具有包括大于或等于40体积％的α-铬的微观结构。

在一个实施方案中，一种制品包括：包括扩散部分的超级合金制品。扩散部分具有25％深度的扩散部分，如从深度部分的表面到制品的中心所测量的，包括小于或等于5wt％的硅，基于所述25％深度的总重量，并且具有包括大于或等于50体积％的α-铬的微观结构。

上述及其它的特征由以下具体实施方式和所附权利要求来举例说明。

具体实施方式

制品(例如，涡轮部件，并且尤其是包括超级合金如镍(Ni)和/或钴(Co)基合金(如超级合金)的部件)的增强的高温保护可通过高纯度铬(chromide)扩散部分来获得。例如，可把铬-硅浆料涂敷于制品。浆料可包括铬、硅、活化剂及载体。浆料中的铬和硅是高纯度材料，例如，铬可以是具有纯度大于或等于约95重量百分比(wt％)(或者，更特别地，大于或等于98.5wt％，以及，甚至更特别地，大于或等于约99wt％)的铬的铬粉末。同样，硅可以是具有纯度大于或等于约95wt％(例如，更特别地，大于或等于97.5wt％，以及，甚至更特别地，大于或等于约99wt％)的硅的硅粉。

为了形成扩散部分，铬和硅与活化剂和载体结合。浆料可包括大于或等于约55wt％的铬，小于或等于约10wt％的硅，约10wt％到约30wt％的活化剂，以及约10wt％到约35wt％的载体，或者，更特别地，大于或等于约60wt％的铬，约0.5wt％到约8wt％的硅，约10wt％到约20wt％的活化剂(例如，更特别地，约12wt％到约15wt％的活化剂)，以及约10wt％到约20wt％的载体(例如，更特别地，约12wt％到约17wt％的载体)，基于浆料的总重量。

将浆料涂敷于制品，然后把制品加热到足够的温度蒸发载体，并且使得硅和铬扩散进制品和合金中。所得的制品包括扩散部分，其中扩散部分的第一个25％深度(从制品的表面测量)包括大于或等于约50wt％的铬，或者，更特别地，大于或等于约60wt％，或者，仍然更特别地，大于或等于约75wt％的铬，基于扩散部分的第一个25％深度的总重量。硅可以以小于或等于约3wt％的量存在于这个部分中，或者，更特别地，约0.1wt％到约1.5wt％，基于扩散部分的第一个25％深度的总重量。例如，从表面(向制品中心)至多(up to)约25％的扩散部分深度，或者，更特别地，扩散部分深度的至多约50％深度，包括大于或等于约50wt％的铬，或者，更特别地，大于或等于约70wt％的铬，或者，仍然更特别地，大于或等于约80wt％的铬，和甚至更特别地，大于或等于约90wt％的铬。

扩散部分的微观结构含有α铬。例如，对于扩散部分的第一个25％深度(或者，更特别地，第一个40％深度，和甚至更特别地，第一个50％深度，从表面到扩散部分测量的)，微观结构包括大于或等于约50体积％的α-铬，或者，更特别地，大于或等于约70体积％的α-铬，或者，甚至更特别地，大于或等于约80体积％的α-铬，和仍然更特别地，大于或等于约90体积％的α-铬，和甚至大于或等于约95体积％的α-铬。整个的扩散部分可包括大于或等于约30体积％的α-铬，或者，更特别地，大于或等于约50体积％的α-铬，或者，甚至更特别地，大于或等于约70体积％的α-铬。

方法中使用的铬和硅可以是粉末的形式。特定的粉末尺寸(例如，颗粒和附聚物尺寸)取决于特定的应用。例如，为了在NI基超级合金涡轮部件的表面中形成扩散部分，为了易于加工的目的，铬的尺寸可小于或等于约150μm(例如，小于或等于约100目(mesh))，并且硅的尺寸可以是小于或等于约150μm(μm)。

粉末与活化剂和载体结合。活化剂引起铬和硅在处理温度下(例如，约1080℃到约1120℃)相互反应以及与制品的金属(例如，Ni、Co等)反应。该处理温度获得了理想的扩散深度和α-铬的百分比。典型的活化剂包括卤化铵如氯化铵、氟化铵(例如，氟化氢铵)、溴化铵，以及含有至少一种前述的活化剂的组合。取决于采用的活化剂的类型，水可不利地(adversely)影响活化剂，或者引起反应发生太快，或者抑制反应。因此，在一些实施方案中，载体可以是无水的(例如，不含水)，或者可在载体中添加足够的醇以便它和存在的任何水结合。同样，反应可在惰性气氛中进行(例如，在氢气、氩气或不会在处理条件下与载体发生化学反应的类似气氛中)。为了抑制在活化剂和气氛中的水(例如，在布置于惰性环境中之前)之间的不利反应，活化剂可以是直到加热(例如，加热到大于或等于约200℃的温度)都保持封装(encapsulated)的封装活化剂。

载体把粉末和活化剂形成可涂敷于制品的浆料(例如，凝胶状形式)。载体可以是醇，铜焊凝胶(braze gel)，及含有至少一种前述载体的组合。典型的铜焊凝胶包括在商业上可从Vitta Corporation，Bethal，Connecticut获得的Braz-binder Gel(粘合剂凝胶)。

浆料可以以不同方式涂敷于制品，并且所需的浆料粘度取决于所用的涂敷技术。例如，浆料可通过喷雾(spraying)、涂漆(painting)、浸渍(dipping)等以及包括至少一种前述方式的组合来进行涂敷。任选地，制品在浆料涂敷前可被清洁，例如通过喷砂(grit blasting)等。

一旦浆料已经被涂敷于制品，制品可被加热，例如，在惰性环境中。涂层可被加热到足够的温度来活化活化剂，蒸发铬和硅，并且获得需要的扩散。例如，制品可保持在约1080℃到约1120℃的温度、达足够的时间段以获得需要的扩散部分和扩散深度。时间段可以是约1小时到约7小时，或者，更特别地，约3.5小时到约4.5小时。

所得的扩散部分可包括小于或等于约60μm，或者，更特别地，约10μm到约50μm，或者，还更特别地，约15μm到约38μm的深度(从制品的表面测量)。扩散部分也可在扩散部分的第一个25％深度(如从制品的表面测量)具有大于或等于约60wt％的铬，或者，更特别地，大于或等于65wt％，或者，甚至更特别地，大于或等于75wt％。更特别地，扩散部分的第一个25％深度包括大于或等于40体积％的α-铬，或者，特别地，大于或等于50体积％，还更特别地，大于或等于80体积％，和甚至更特别地，大于或等于90体积％，和甚至大于或等于95体积％。表面的铬的重量是基于表面扩散部分的总重量百分比(从扩散部分的表面往下25％的扩散部分的深度)；例如，如果扩散部分具有40μm的深度，扩散部分的外10μm将具有大于或者等于60wt％的铬和小于5wt％的硅(例如，约0.1wt％到约1.5wt％)。

提供下面的实施例来进一步阐明本方法和增强的涂层，并且并不旨在将范围限制于此。

实施例

扩散部分可通过对用于涡轮发动机的3rd级叶片(bucket)进行喷砂处理来清理它的表面而形成。浆料可通过混合300克(g)99％纯度的具有小于或者等于150μm的尺寸(微粒和附聚物)的铬粉末、和5g99％纯度的具有小于或者等于150μm的尺寸(微粒和附聚物)的硅粉末、和95g氯化铵，和100g的铜焊凝胶。清洁过的叶片然后可通过将叶片浸入浆料(例如，凝胶)中来涂覆浆料。

浸渍过的叶片然后将被装载到常压加热炉(atmosphere fumace)中。然后，加热炉可以以每分钟约10℉(-12℃)的速度上升(ramped up)到1080℃的温度，加热炉中是氢气的惰性气氛。加热炉将被保持在1080℃来进行3小时的渗透(soak)。渗透之后，关闭加热炉并且使其随同加热炉中的叶片冷却到室温。一旦加热炉冷却，叶片然后可被卸载并且进行轻微的喷砂处理来除去表面上的任何残余浆料。

得到的叶片将具有形成于合金的表面中的约0.001英寸(25.4μm)的铬硅扩散部分。得到的叶片将在叶片的外25％-50％中包括带有硅的α-铬和基底(base)合金(即，镍(Ni))，而内部区域主要是Ni以及铬，形成手指状结构的扩散区域，Ni2Cr。因此，扩散部分，在扩散部分深度的外25％中，可包括70wt％的铬和约0.1wt％到约1.5wt％的硅。事实上，外25％的大于或等于90体积％，和甚至100体积％，可是α-铬相。因此，扩散部分能包括大于或等于约70wt％的铬，约0.5wt％到约1.5wt％的硅，和其余是叶片的合金。此外，铬和硅将被掺合(alloy)在一起并且与叶片的合金材料(例如，与镍)掺合(alloy)。

本方法能够形成具有高浓度的α-铬的扩散部分。所述方法在扩散部分的形成中采用高温。所述扩散部分在保护在高温环境中使用的如涡轮的超级合金制品(即，包括作为基底金属的非铁(元素)的制品)中特别有用。

其他的涂覆技术通常采用水并且产生具有低水平铬(例如，基于涂层的总重量，小于或者等于30wt％铬)的涂层(即，在制品表面上的层)。此外，典型地涂漆在涂层上的这些不包括α-铬。

本文中公开的范围是包含性的(inclusive)和可组合的(例如，“至多(up to)约25wt％，或者，更特别地，约5wt％到约20wt％”的范围，是包括“约5wt％到约25wt％”的范围的端点和全部的中间数值，等等)。“组合”包括共混物、混合物、合金、反应产物等等。进一步地，术语“第一个”，“第二个”等，在此处不表示任何顺序，数量，或者重要性，而是用于区分一种元素和另外一种，和术语“一种/个(a)”和“一种/个(an)”在此处不表示数量的限制，而表示至少一种提及的项目的存在。与数量一起使用的修饰语“约”包括状态值和具有通过上下文指示的含义，(如，包括与特定数量的测量相关的误差度(errordegree))。在此使用的后缀“s”意指包括它所修饰的术语的单数和复数，因此包括一个或更多个的那个术语(例如，着色剂(s)包括一种或多种着色剂)。贯穿说明书提及的“一个实施方案”，“另一个实施方案”，“实施方案”，等等，表示与实施方案相关的描述的特定要素(例如，特征、结构和/或特性)包括在本文中描述的至少一种实施方案中，以及可能或者不可能存在于其他实施方案中。此外，应当理解的是，所述的要素可在各种实施方案中以任何合适的方式组合。

所有引用的专利、专利申请和其他的参考资料全部被引入本文以供参考。然而，如果在本申请中的术语与引入的参考资料中的术语相矛盾或者冲突，来自本申请的术语优先于来自引入的参考资料中的相冲突的术语。

虽然已经结合优选的实施方案对本发明进行了描述，但是本领域技术人员应了解，在没有偏离本发明范围的情况下，可以作出各种变化并且可以用相等物来代替其中的要素。此外，在没有偏离其中的实质范围的情况下，可以作很多变型以使特定的情形或材料适应本发明的教导。因此，希望本发明不被限于作为预期的实施本发明的最佳方式所公开的特定实施方案，但是本发明将包括落入所附的权利要求的范围的所有的实施方案。

Claims (10)

1、一种形成具有扩散部分的制品的方法，包括：

形成包括铬和硅的浆料；

将浆料涂敷于制品；和

加热制品到足够的温度并达足够的时间段以使铬和硅扩散到制品中并且形成包括硅和包括α-铬的微观结构的扩散部分。

2、权利要求1的方法，

其中浆料进一步包括活化剂和载体；

其中制品具有初始厚度；和

其中扩散部分具有表面；和

其中如从表面测量的扩散部分的25％深度，包括大于或等于50wt％的铬浓度，基于25％深度的总重量。

3、权利要求2的方法，其中活化剂是封装的活化剂。

4、权利要求2-3中任一项的方法，其中活化剂选自氯化铵、氟化铵、溴化铵、和包括前述的至少一种的组合。

5、权利要求2-4中任一项的方法，其中载体包括铜焊凝胶和/或醇。

6、权利要求2-5中任一项的方法，其中浆料包括

大于或等于约55wt％的铬；

小于或等于约10wt％的硅；

约10wt％到约30wt％的活化剂；

约10wt％到约35wt％的载体；并且

其中重量百分比是基于浆料的总重量。

7、权利要求1-6中任一项的方法，其中足够的温度是约1080℃到约1120℃的温度。

8、权利要求1-7中任一项的方法，其中制品包括超级合金。

9、一种制品，包括：

包括扩散部分的超级合金制品，

其中扩散部分具有如从深度部分的表面测量的25％深度的扩散部分，包括小于或等于5wt％的硅，基于该25％深度的总重量，并且具有包括大于或等于50体积％的α-铬的微观结构。

10、权利要求9的制品，其中微观结构包括大于或等于70体积％的α-铬。