CN101519763A - 具有增强涂布气体的基料的扩散涂布系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了具有增强涂布气体的基料的扩散涂布系统，即本申请提供了改进的扩散涂料组合物和改进的扩散涂布金属表面的方法。该组合物包括(a)涂料粉末；和(b)基料，其中所述涂料粉末包括至少一种金属，并且其中所述基料将在蒸发或燃烧过程中释放活化剂气体。所述方法包括步骤(a)提供基材；(b)对基材的至少一部分施涂扩散涂料组合物，其中所述组合物包括涂料粉末和基料，所述涂料粉末包括至少一种金属；和(c)蒸发或燃烧至少一部分组合物以使得至少一部分基料蒸发或燃烧而产生活化剂气体，并使至少一部分金属蒸发而在基材上形成金属涂层。

Description

具有增强涂布气体的基料的扩散涂布系统
技术领域
[101]本申请涉及扩散涂布系统(diffusion coating systems)，更具体涉及用于增强内表面涂布的扩散涂布系统。
背景技术
[102]一般说来，对涡轮机部件的内腔的涂布可能是困难和/或昂贵的。这些内腔可能包括一系列错综复杂的表面，在这些表面上很难产生一致的的涂层厚度，而且从这些表面上很难去除在涂布过程中产生的废料废料。遗憾的是，暴露于服役环境的涡轮机部件可能比原始设备制造商(OEM)部件更加难以涂布，因为这些部件可能具有未清洁的、部分氧化的或是被残余涂层覆盖的表面。
[103]目前存在许多涂布OEM和暴露于服役环境的涡轮机部件的方法。例如，一种涂布涡轮机部件的方法是相对便宜的包埋渗(cementation pack)方法。遗憾的是，这种方法不能在复杂部件，如小的内部冷却孔和空腔上得到一致的涂层厚度。而且，在进行了这种涂布过程后，这些复杂部件会变得难以重新打开。包埋渗方法会导致难以去除和处理的废料废料例如残余粉末和灰烬。
[104]另一种涂布涡轮机部件的方法是化学气相沉积(CVD)。虽然这种方法可能能够产生一致涂层厚度，但是CVD方法和设备会过分昂贵。
[105]因此，需要的是一种能够在各种涡轮机部件上提供更加一致的涂层厚度的涂布方法。这种涂布方法可以是便宜的，和/或可以在可能被部分氧化的、未清洁的或是被残余涂层覆盖的大量不同复杂几何面上提供一致的涂层厚度。这种方法还可以提供简单的涂布注射、产生更少的废料、和/或允许简单和一致的对废料，如残余粉末和灰烬的去除。
发明内容
[106]本申请因此提供了扩散涂料组合物和扩散涂布涡轮机部件的方法。所述组合物包括(a)涂料粉末；和(b)基料，其中所述涂料粉末包括至少一种金属，而且所述基料会在蒸发或燃烧时释放活化剂气体。所述方法包括步骤(a)提供基材；(b)对基材的至少一部分施涂扩散涂料组合物，其中所述组合物中包括涂料粉末和基料，所述涂料粉末包括至少一种金属；以及(c)蒸发或燃烧至少一部分组合物以使至少一部分基料蒸发或燃烧而产生活化剂气体，并使至少一部分金属蒸发，以在基材上形成金属涂层。
[107]本申请的上述和其它特征对于当结合所附的权利要求阅读了以下详细描述的本领域技术人员而言是显而易见的。
具体实施方式
[108]本申请提供了改进的扩散涂料组合物以及改进的扩散涂布金属表面的方法。基于特定的实施方案，本申请可提供扩散涂布燃气涡轮机部件的组合物和方法。
[109]在某一实施方案中，所述扩散涂料组合物可以是可流动的，并可以包括(1)包含金属的涂料粉末以及(2)基料。在另一实施方案中，所述组合物可以进一步包括添加剂。
[110]根据某些实施方案，所述方法可以包括步骤(a)提供基材；(b)对基材的至少一部分施涂扩散涂料组合物，其中所述组合物包括涂料粉末和基料，所述涂料粉末包括至少一种金属；以及(c)蒸发或燃烧至少一部分上述组合物，以使至少一部分基料蒸发或燃烧而产生活化剂气体，并使至少一部分金属蒸发，以在基材上形成金属涂层。所述方法还可以包括步骤(d)从涡轮机部件上去除废料。
[111]所述扩散涂料组合物和扩散涂布方法可以改进基材耐受高温的能力。具体地，该方法可以形成改进基材的抗氧化、抗硫化和/或抗腐蚀的化学结合涂层。所述扩散涂层可以通过形成阻挡层防止外界元素扩散到基材中来保护基材。
基材
[112]在此描述的组合物和方法可用于扩散涂布基本上任何基材。所述组合物和方法特别可用于扩散涂布在严酷操作条件下使用的基材。例如，所述基材可以为燃气涡轮机部件、发电机部件或柴油发动机部件。在特定的实施方案中，所述组合物和方法可以用于暴露在极其高的操作温度下的基材上。例如，所述组合物和方法可以用于燃气涡轮机部件上，包括涡轮机叶片、气轮机叶片、导向叶片、外壳、密封件、喷嘴以及遮罩板。适合用此处所描述的组合物以及方法涂布的基材可以包括合金。例如，所述基材可以包括镍(Ni)、钴(Co)、铁(Fe)或钼(Mo)的合金。
[113]所述基材包括表面部分，还可以包括一个或多个内腔。所述内腔可以包括一系列的复杂表面例如小孔。所述基材可以是OEM部件或暴露于服役环境的部件。在所述基材为暴露于服役环境的部件的实施方案中，部分基材可能是未清洁的、部分氧化的或包含残余涂层的。
可流动的涂料组合物
[114]所述组合物可以包括涂料粉末、基料以及任选的添加剂。
[115]所述涂料粉末可以包含能够与基材形成化学结合的金属。所述金属可以结合在基材上以形成保护阻挡层防止外界元素扩散到基材中。所述阻挡层可以防止例如氧的元素的扩散，从而保护基材不被氧化、硫化和/或腐蚀。
[116]根据特定的实施方案，所述涂料粉末可以包括选自铝、铂铝、铬铝、铝硅、MCrAlY或其组合的至少一种金属。MCrAlY包括铁、钴或镍的至少一种(M＝Fe、Co和/或Ni)；铬；铝；以及钇。根据特定的实施方案，所述涂料粉末可以以足够(1)产生约0.00003英寸至约0.007英寸的涂层厚度；以及(2)产生铝的百分比为约12％至约50％Al的涂层的量存在于组合物中。根据特定的实施方案，所述涂料粉末可以以占组合物约5wt％至约60wt％的量存在于组合物中。
[117]所述基料可以包含铜焊凝胶基料。在优选的实施方案中，所述基料的粘度使得所述组合物(1)在施涂到基材时流动；以及(2)在对基材施涂后留在原地。重要的是，所述基料可能在蒸发或燃烧步骤中使组合物释放出活化剂气体(后面描述)。根据特定的实施方案，所述基料以占组合物约20wt％至约50wt％的量存在于组合物中。适合的基料的非限制性的例子包括水基基料、醇基基料、环氧基基料及其组合。
[118]所述基料还可以包括至少一种添加剂。所述添加剂可以在蒸发或燃烧步骤中促进活化剂气体的产生(后面描述)。根据特定实施方案，所述添加剂可以包含聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微珠粒、氧化铝、煅烧氧化铝、氟化铵(NH4F)、氯化铵(NH4Cl)以及聚四氟乙烯碎片的至少一种。所述添加剂可以以占组合物约1wt％至约20wt％的量存在于组合物中。
涂布方法
[119]将所述涂料组合物施涂至基材上的步骤可以包括基本上本领域中已知的任何适宜技术。适合于施涂所述涂料组合物的技术包括注射、浸没、浸渍以及真空处理。在优选的实施方案中，所述步骤包含向基材的至少一个内腔注入所述组合物。重要的是，组合物的粘度可以(1)允许所述组合物流入基材内的任何内腔中；和(2)允许所述组合物在施涂到基材上后留在原地。
[120]所述涂布方法可以包括使组合物的至少一部分进行蒸发或燃烧的步骤，以使得(1)蒸发或燃烧至少一部分基料以产生活化气体，和(2)蒸发至少一部分金属用来在基材上形成金属涂层。在允许的实施方案中，蒸发或燃烧步骤包括热处理。热处理可以在例如吹炉的加热炉中进行，并且可以在温度约1400℉至约2100℉的范围内进行约1小时至约10小时。
[121]蒸发或燃烧步骤可以使基料产生活化剂气体。所述活化剂气体可以通过促进金属扩散到部分基材上而改进涂布过程。根据特定的实施方案，所述活化剂气体可以包括氢、氯、氟、氯化氢、氟化氢或氨中的至少一种。虽然所述活化剂气体促进涂布过程的确切机制尚不清楚，但是相信，所述活化剂气体可以(1)清洁涡轮机部件；(2)促进涂料均匀扩散到涡轮机部件的表面上，包括涡轮机部件的任何可能未清洁的、部分氧化的、或包括残余涂层的部分；(3)减少废料，如残余涂层和灰烬的量；(4)允许更容易地从涡轮机部件上去除废料；(5)抛光涡轮机部件；或上述作用的任意组合。
[122]涂布方法还可以包括步骤(d)从涡轮机部件上去除废料。所述废料可以包括组合物的任何残留部分和/或涂布过程中的任何副产物例如残余粉末和灰烬。实施例
[123]将包括以重量计30％铬铝(100目，44％铬，56％铝)，40％铜焊凝胶基料，5％氯化铵(NH4CI)，5％氟化铵(NH4F)，10％PMMA微珠粒，和10％煅烧氧化铝(Al2O3，100目)的扩散涂料组合物注入镍基高温合金涡轮机叶片的内部通道中。所述涡轮机叶片在加热炉中被加热至2000℉保温4小时，然后关闭加热炉使其冷却至室温。
[124]冷却后，涡轮机叶片的内部通道用标准车间压缩空气进行清洁。然后用水冲过内部通道以确保没有任何残余材料。所述扩散涂布在涡轮机通道内得到了具有23wt％铝化物的1.8毫米的涂层。
[125]应理解的是，上面提到的仅涉及本申请的优选实施方案，大量的改动和调整可以在不背离下面的权利要求以及其等价表述所限定的一般性主旨和范围的基础上进行。

Claims (10)

1、扩散涂布基材的方法，包括以下步骤：
a)提供基材；
b)对所述基材的至少一部分施涂扩散涂料组合物，其中所述组合物包括涂料粉末和基料，所述涂料粉末包括至少一种金属；和
c)蒸发或燃烧至少一部分所述组合物，使得至少一部分基料蒸发或燃烧以产生活化剂气体，以及使得至少一部分金属蒸发以在基材上形成金属涂层。
2、权利要求1的方法，其中提供基材的步骤包括提供涡轮机部件。
3、权利要求2的方法，其中所述涡轮机部件的一部分的至少一个区域是被氧化、未清洁或被残余涂层覆盖的。
4、权利要求1的方法，其中施涂组合物的步骤包括注射组合物。
5、扩散涂料组合物，包括：
a)涂料粉末；和
b)基料，
其中所述涂料粉末包括至少一种金属，并且
其中在蒸发或燃烧过程中所述基料中将释放活化剂气体。
6、权利要求5的组合物，其中所述至少一种金属选自铝、铂铝、铬铝、铝硅、MCrAlY或其组合。
7、权利要求5的组合物，其中所述涂料粉末以占组合物约5wt％至约60wt％的量存在于组合物中。
8、权利要求5的组合物，其中所述基料包括铜焊凝胶基料。
9、权利要求5的组合物，其中所述基料以占组合物约20wt％至约60wt％的量存在于组合物中。
10、权利要求5的组合物，其中所述基料还包括至少一种添加剂，其中所述至少一种添加剂选自PMMA微珠粒、氧化铝、煅烧氧化铝、NH4F、NH4Cl，聚四氟乙烯碎片或其组合。
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