CN101307442B - 承受高温的物件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种承受高温的物件的制造方法。该方法包括：提供衬底(102)，所述衬底包括选自镍基超合金，钴基超合金和铁基超合金的材料；将第一涂敷层(104)设置到该衬底(102)上，其中该第一涂敷层(104)包括镍(Ni)，锆(Zr)和铝(Al)；以及将第二涂敷层(104)设置到该第一涂敷层(104)上，其中该第二涂敷层(104)包括原子百分比至少约为90％的铝。

Description

承受高温的物件的制造方法
本申请作为分案申请，其母案申请的中国申请号为03148096.9，申请日为2003年6月27日，发明名称为承受高温的物件及其制造方法。
技术领域
本发明涉及一种防氧化涂层，尤其涉及具有在高温氧化环境中防失效的涂层的物件以及在高温氧化环境中保护物件的方法。
背景技术
镍(Ni)基、钴(Co)基、和铁(Fe)基合金通常用于形成设计成在高温氧化环境中使用的物件。这种物件包括用于涡轮机系统中的构件，该涡轮机系统包括但不限于：航空用涡轮机、陆基涡轮机、船基涡轮机等。为了承受这种环境，由这些合金制成的物件需要涂层来保护下层的合金以避免氧化和/或热腐蚀。该涂层通常是镍铝互化物(NiAl)基材料，如果采用了隔热外涂层，则所使用的该涂层附着到隔热外涂层上。
镍铝互化物基涂层的性能受到表面连接涂层的缺陷、裂纹和可透过氧气的再生相发纹的不利影响。因此非常希望减小这种缺陷。喷丸处理和喷丸硬化处理在较低程度上可成功地修复缺陷；但是这种技术引入了额外的涂层破坏的风险。
除了表面缺陷，用于使镍铝互化物基涂层沉积的物理气相沉积过程(也称为“PVD”)通常导致在沉积过程中铝的损耗。试图通过调节PVD源材料的成分或使用后-PVD气相铝互化过程来补偿铝的损耗。这种补救措施的效果受限于PVD源的可铸性和延展性、涂层的附着性、涂层杂质、和化学控制所产生的问题。
在这种镍铝互化物基涂层中，现有的方法在修复表面缺陷或补偿铝损耗方面不成功。因此，镍铝互化物基涂层通常不能提供对下层的合金衬底足够的保护。所以，需要提供一种可向在高温强氧化的环境中的金属物件提供保护的涂层。也需要提供一种具有这种保护涂层的物件。最后，还需要提供一种在物件上设置这种保护涂层的方法。
发明内容
本发明的实施例满足了这些和其它的需要。第一实施例是一物件，该物件包括：金属衬底；和设置在该衬底上的基本上单相的涂层，其中该涂层包括镍(Ni)和原子百分比至少约为30％的铝(Al)，并且该涂层还包括在铝成分中具有的梯度，该梯度从该涂层的外表面处的第一铝浓度水平延伸到在该基本上单相的涂层和该衬底之间的界面处的第二铝浓度水平；其中第一铝浓度水平大于第二铝浓度水平，并且第二铝浓度水平为原子百分比至少约为30％的铝。
第二实施例是用于保护物件的涂层，该涂层包括：设置在衬底上的基本上为单相的涂层，其中该涂层包括镍(Ni)和原子百分比至少约为30％的铝(Al)，并且该涂层还包括在铝成分中具有的梯度，该梯度从该涂层的外表面处的第一铝浓度水平延伸到在该基本上单相的涂层和该衬底之间的界面处的第二铝浓度水平；其中第一铝浓度水平大于第二铝浓度水平，并且第二铝浓度水平为原子百分比至少约为30％的铝。
第三实施例是一种保护物件免受高温氧化环境影响的方法，该方法包括：提供衬底；将第一涂敷层设置到该衬底上，其中该第一涂敷层包括镍(Ni)和铝(Al)；以及将第二涂敷层设置到该第一涂敷层上，其中该第二涂敷层包括原子百分比至少约为90％的铝。
附图说明
通过阅读以下的详细描述并参照附图，将更好地理解本发明的这些和其它的特征、方面、优点，在附图中相同的附图标记表示相同的物件，在附图中：
图1是本发明的物件的截面示意图。
部件清单
物件100  衬底102  涂层104(“反应后的涂敷层”104)
外表面106  界面108
具体实施方式
在以下的描述中，相同的附图标记表示相同的或相应的物件。还应当理解，例如“顶”、“底”“外”“内”等术语是适当的用语并且不能理解具有限定含义。
大致参照附图并特别参照图1，应当理解该附图用于描述本发明的优选实施例，并且该附图不用于限定本发明。图1是本发明的物件100的截面示意图。物件100可以是暴露于高温(即大于500℃)气体环境的部件。物件100的示例包括但不限于：例如燃气涡轮机组件的涡轮机叶片、燃烧室和涡轮盘等的部件。
物件100包括金属衬底102和涂层104(在此也称为“反应后的涂敷层104”)，该涂层设置在金属衬底102的至少一个表面上。金属衬底102通常包括镍基、钴基、和铁基合金中的至少一种。优选的是，金属衬底102包括镍、铁、和钴中的一种的超合金。
涂层104用于保护该衬底102不受在涡轮机组件、反应堆、锅炉等的构件中的强氧化环境的影响。涂层104基本上是单相的，这意味着涂层体积的至少80％包括单相。在一个实施例中，涂层104的单相包括具有B2型晶体结构的镍铝互化物。涂层104包括镍(Ni)和原子百分比至少为30％的铝(Al)。在涂层104中的铝的浓度从在涂层104的外表面106处的第一浓度变化到在涂层104和衬底102之间的界面108处的第二浓度，其中铝的第一浓度大于铝的第二浓度。这样，涂层104的铝的浓度在穿过其厚度的方向上具有浓度梯度。第二浓度为至少30％的原子百分比。在涂层中的铝浓度具有的梯度有利地在该涂层的外表面106表面处提供富含铝的材料，在该处例如氧化作用的降解机理使得材料中的抗氧化成分减少，该成分例如为铝。这样，在铝浓度中的梯度通过在最需要的区域中放置更多的铝从而强化了该涂层的抗氧化作用。
在其它实施例中，涂层104还包括铬(Cr)、锆(Zr)、钴(Co)、和铁(Fe)中的至少一种。如果钴和铁存在于涂层中，钴和铁通常用来代替Ni，并且钴和铁在涂层104中的浓度均达到约20％原子百分比。在一些实施例中，铬存在于涂层104中的浓度达到约15％原子百分比，以便进一步强化涂层104的抗氧化作用。在特殊实施例中，铬存在于涂层104中的浓度在约4％原子百分比到约12％原子百分比的范围内。在一些实施例中，锆存在于涂层104中的浓度达到约2％原子百分比，以便进一步强化涂层的机械特性和抗氧化特性。在一个实施例中，锆存在于涂层104中的浓度在约0.2％原子百分比到约0.8％原子百分比的范围内。
在特殊实施例中，涂层104包括具有B2型晶体结构的基本上单相的镍铝互化物。该实施例的涂层104包括镍、铬、锆、原子百分比达到约20％的钴、原子百分比达到约20％的铁、以及原子百分比至少为30％的铝。如上所述，铝在穿过涂层104的厚度方向上具有浓度梯度。铝的浓度从在涂层104的外表面106处的第一浓度变化到在涂层104和衬底102之间的界面108处的第二浓度。
涂层104除了包含铬、锆、钴、和铁中的至少一种之外还包括从由铪(Hf)、钇(Y)、硅(Si)、钛(Ti)、镧(La)、铈(Ce)、钽(Ta)组成的一组中选择的至少一个元素；在所选择的实施例中，存在于涂层104中的该至少一个元素的浓度达到约3％原子百分比。涂层104还可包括原子百分比大约为0.1％的碳和硼中的至少一种。
涂层104具有大于约10微米的厚度，例如在一些实施例中在大约10-100微米的范围内。在一个实施例中，涂层104的厚度在大约25-75微米的范围内。本领域的普通技术人员应当理解特定涂层厚度的选择取决于特定因素，例如预期暴露温度、所需工作寿命、加工成本等。在特定实施例中，物件100还包括设置在涂层之上以加强热保护的隔热涂层(未示出)。在特定实施例中，该隔热涂层包括陶瓷材料，例如钇稳定的氧化锆。
涂层104可通过在衬底102上第一涂敷层的第一沉积从而形成在衬底102上，该第一涂敷层包括镍和铝。第一涂敷层通过等离子沉积、电子束物理气相沉积、热喷涂沉积、和等离子喷涂沉积以及其组合形式中的一种来进行沉积。
铬、锆、钴、和铁中的至少一种还可通过以上技术从而沉积在第一层中。铬存在于该第一层中的浓度达到大约15％原子百分比。在一个实施例中，铬存在于第一层中的浓度在约4％原子百分比到约12％原子百分比的范围内。锆存在于第一层中的浓度达到约2％原子百分比。在一个实施例中，锆存在于第一层中的浓度在约0.2％原子百分比到约0.8％原子百分比的范围内。钴和铁存在于第一层中的浓度均达到20％原子百分比。除了包含铬、锆、钴、和铁中的至少一种之外，该第一层还包括铪、钇、硅、钛、镧、铈、和钽中的至少一种。
该第一涂敷层具有大于约100微米的厚度。在一个实施例中该第一层的厚度在大约10-100微米的范围内。在另一个实施例中，第一层的厚度在大约25-75微米的范围内。
第二涂敷层随后使用例如但不限于电子束物理气相沉积、等离子沉积的物理气相沉积技术从而沉积第一涂敷层上，该第二涂敷层包括原子百分比至少为90％的铝。在一个实施例中，该第二层包括原子百分比至少为95％的铝。在再一实施例中，该第二层大致由铝构成。第二层具有至少约5微米的厚度。在一个实施例中，第二层具有的厚度在大约5-25微米的范围内。
在本发明的再一实施例中，第二涂敷层与第一涂敷层发生反应，以形成反应后的涂敷层104(也称为涂层104)。在一个实施例中，通过将第一涂敷层、第二涂敷层和衬底102热处理到大约700-1200℃经过大约0.5-4小时的时间段，以便使第一层与第二层发生反应，从而形成反应后的涂敷层104。在进行如上所述的第二层的沉积之后实施该热处理步骤。或者，可通过在沉积第二涂敷层的过程中在现场加热从而使第一层与第二层发生反应，以便形成涂层104。在现场的加热导致主要由铝形成的第二涂敷层扩散到第一涂敷层；主要是铝的材料随后与第一涂敷层反应，以形成涂层104。这种现场加热可由在第二层的物理气相沉积过程中的电子束加热来实现，或由在第二层的等离子沉积过程中对衬底102施加偏置电压来实现。在一些实施例，通过使第一涂敷层与第二涂敷层反应而形成的涂层104基本上是单相，该单相包括具有B2晶体结构的金属间铝互化物。该第二涂敷层在第一涂敷层上提供了富含铝的罩，由于覆盖了在涂层104中的上述微结构的缺陷，例如表面连接的涂层缺陷、裂纹、和可透过氧气的再生相发纹，并且增加了在涂层104中的铝含量，从而改善高温涂层的性能。
在特定实施例中，隔热涂层设置在第二涂敷层和反应后的涂敷层104中的一个上。隔热涂层设置在第二涂敷层或设置在反应后的涂敷层上由第一和第二涂敷层发生反应的处理步骤以及设置该隔热涂层的处理步骤中的顺序来确定。如果反应步骤对于特定实施例是所希望的，则隔热涂层可在第一和第二涂敷层发生反应之前或之后施加。在特殊实施例中，该隔热涂层是陶瓷，例如钇稳定的氧化锆。
本发明的实施例还包括用于保护物件的方法，该物件例如但不限于在高温氧化环境中的燃气涡轮机组件的部件。这种部件包括涡轮机叶片、燃烧室和涡轮盘，并且典型地包括镍基合金、钴基合金、和铁基合金中的至少一种。在一个实施例中，镍基合金、钴基合金、和铁基合金是超合金。该方法包括提供衬底和依据以上描述的用于形成涂层的工艺来设置本发明的涂层，其包括将第一涂敷层设置到该衬底上，其中该第一涂敷层包括镍(Ni)和铝(Al)，并将第二涂敷层设置到该第一涂敷层上，其中该第二涂敷层包括原子百分比至少为90％的铝。以上所描述的对于第一和第二层的厚度和成分的各种替代形式可适用于本发明的方法实施例。
在一个特殊实施例中，用于保护在高温氧化环境中的物件的方法包括以下步骤：首先提供金属衬底；在该金属衬底上设置第一涂敷层，该第一涂敷层包括镍、铝、铬、锆、原子百分比达到约20％的钴、和原子百分比达到约20％的铁。如上所述，铝在穿过涂层104的厚度方向上具有浓度梯度；通过使用包括但不限于等离子沉积、电子束物理气相沉积的物理气相沉积技术，从而将大致由铝构成的第二涂敷层设置到该第一涂敷层上；并且使该第一涂敷层与该第二涂敷层发生反应，以形成基本上单相的反应后的涂敷层，该涂敷层包括具有B2型结构的镍铝互化物，该反应后的涂敷层具有铝浓度梯度，该梯度从在该反应后的涂敷层的外表面处的第一铝浓度水平延伸到在该反应后的涂敷层和该衬底102之间的界面处的铝原子百分比至少为约30％的第二铝浓度水平，其中该第一铝浓度水平大于该第二铝浓度水平。
示例
以下描述用于进一步说明本发明的特定示例性实施例，并且不能理解为对本发明的限定。两组超合金衬底均通过使用等离子沉积(IPD)涂敷有大约40微米厚的NiCrAlZr合金层。在一个组中，在此称为“组A”，涂层成分以原子百分比为：约33％的Al、约10％的Cr、约0.5％Zr、以及其余的Ni。在另一个组中，在此称为“组B”，涂层成分以原子百分比为：约35％的Al、约5％的Cr、约1.2％Zr、以及其余的Ni。对于每一组涂敷的衬底，亚组进一步通过使用等离子沉积(IPD)涂敷有大约10微米后的大致由铝构成的材料层。在沉积之后，该涂敷的样品经过两小时在1100℃下的真空热处理，以形成单相的B2型结构的镍铝互化物的反应后涂敷层。
所有样品在空气中通过每一循环3分钟的1175℃热循环来处理该样品，直到在衬底在开始出现氧化点，由此表明涂层失效。没有经过附加铝涂敷步骤的组A的样品在162-260次循环的范围内失效，而经过了附加铝涂敷步骤的组A的样品在380-440次循环的范围内失效。没有经过附加铝涂敷步骤的组B的样品在227-237次循环的范围内失效，而经过了附加铝涂敷步骤的组B的样品在400-429次循环的范围内失效。
尽管以说明为目的详细描述了典型的实施例，但上述描述不应理解为对本发明的范围的限定。因此，本领域的普通技术人员可在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行各种变型、改变和替换。

Claims (27)

1.一种用于保护物件免受高温氧化环境影响的方法，该方法包括：
提供衬底，所述衬底包括选自镍基超合金，钴基超合金和铁基超合金的材料；
将第一涂敷层设置到该衬底上，其中，该第一涂敷层包括镍(Ni)、锆(Zr)和铝(Al)；
将第二涂敷层设置到该第一涂敷层上，其中，该第二涂敷层包括原子百分比至少为90％的铝；以及
使该第一涂敷层与该第二涂敷层反应，以形成一反应后的涂敷层，其中，所述反应后的涂敷层包括一单相的涂敷层，该单相的涂敷层包括铝的金属间互化物，其中所述单相的涂敷层的体积的至少80％包括单相。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，设置该第二涂敷层包括，通过使用从一组包括等离子沉积和电子束物理气相沉积中选择的物理气相沉积技术从而设置该第二层。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，设置该第二涂敷层包括设置这样的一层，该层包括原子百分比至少为95％的铝。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该第二涂敷层主要由铝构成。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，设置该第一层包括使用从一组包括等离子沉积、电子束物理气相沉积、热喷涂沉积、和等离子喷涂沉积中选择的技术来设置该第一层。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在所述第二涂敷层上设置热阻挡涂层。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，设置该第二涂敷层包括设置一厚度至少为5微米的层。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述厚度在5-20微米的范围内。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Zr以原子百分比达到2％的浓度存在于该第一层中。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述Zr以原子百分比在0.2-0.8％的范围内的浓度存在。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，提供所述衬底包括提供燃气涡轮机组件的部件。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，提供所述部件包括提供涡轮机叶片、涡轮盘、和燃烧室中的至少一个。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，设置该第一涂敷层包括设置第一涂敷层，该第一涂敷层还包括铬(Cr)、原子百分比达到20％的钴(Co)、和原子百分比达到20％的铁(Fe)中的至少一种。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述Cr以原子百分比达到15％的浓度存在于该第一层中。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述Cr以原子百分比在4-12％的范围内的浓度存在于该第一层中。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，设置该第一层包括设置这样的第一层，该第一层包括从一组包括铪(Hf)、钇(Y)、硅(Si)、钛(Ti)、镧(La)、铈(Ce)、和钽(Ta)中选择的至少一种元素。
17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，设置该第一涂敷层包括设置一具有大于10微米的厚度的层。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述厚度在10-100微米的范围内。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述厚度在25-75微米的范围内。
20.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反应后的涂敷层的所述单相包括具有B2型结构的镍铝互化物(NiAl)相。
21.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反应后的涂敷层还包括在铝成分中具有的梯度，该梯度从在该反应后的涂敷层的外表面处的第一铝浓度水平延伸到在该单相的涂敷层和该衬底之间的界面处的第二铝浓度水平，其中所述第一铝浓度水平大于所述第二铝浓度水平，并且所述第二铝浓度水平为原子百分比至少为30％的铝。
22.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反应包括对所述第一层和所述第二层热处理。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，热处理包括在所述第二涂敷层的沉积过程中在现场加热所述衬底。
24.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在所述已经反应的涂覆层上提供热阻挡涂层。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，提供所述热阻挡涂层包括提供陶瓷材料。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，设置所述陶瓷材料包括设置包括钇稳定的氧化锆的材料。
27.一种用于保护物件免受高温氧化环境的影响的方法，所述方法包括以下步骤：
提供金属衬底；
在该衬底上设置第一涂敷层，其中该第一涂敷层包括镍(Ni)、铝(Al)、铬(Cr)、锆(Zr)、原子百分比达到20％的钴(Co)、和原子百分比达到20％的铁(Fe)；
通过使用从一组包括等离子沉积和电子束物理气相沉积中选择的物理气相沉积技术，而在该第一涂敷层上设置第二涂敷层，其中所述第二涂敷层主要由铝构成；和
使该第一涂敷层与该第二涂敷层发生反应，以形成单相的反应后的涂敷层，该单相的反应后的涂敷层包括具有B2型结构的镍铝互化物，并且还包括在铝成分中具有的梯度，其中所述单相的反应后的涂敷层的体积的至少80％包括单相，并且该梯度从在该反应后的涂敷层的外表面处的第一铝浓度水平延伸到在该单相的反应后的涂敷层和该衬底之间的界面处的第二铝浓度水平，其中所述第一铝浓度水平大于所述第二铝浓度水平，并且所述第二铝浓度水平为原子百分比至少为30％的铝。
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