CN102732817B - 用于形成氧化物弥散强化涂层的方法 - Google Patents

用于形成氧化物弥散强化涂层的方法 Download PDF

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Abstract

公开了用于在金属基底(304)上形成氧化物弥散强化涂层的方法(100)。该方法主要包括粉碎MCrAlY合金颗粒以形成富氧粉末，其中富氧粉末中至少约25％(体积)的MCrAlY合金颗粒具有少于约5μm的粒度。另外，该方法包括将富氧粉末施用于金属基底(304)以形成涂层，和加热富氧粉末以沉淀涂层中的氧化物弥散体。

Description

用于形成氧化物弥散强化涂层的方法
发明领域
本发明主要涉及用于金属基底的保护性涂层，更具体地讲，涉及用于在金属基底上形成氧化物弥散强化涂层的方法。
发明背景
在燃气轮机内的操作环境为热和化学两方面不友好的。例如，在燃气轮机内的操作温度依所使用的燃气轮机类型而定可在约1200°F-约2200°F(约650℃-约1200℃)范围内。与燃气轮机氧化环境结合的这样的高温通常使得需要在涡轮机内使用含镍或含钴特殊合金，该合金具有高抗氧化性，并且因此具有可接受的工作寿命。因此，燃气轮机元件通常由镍合金钢、镍基或钴基超合金或者其它特殊合金形成。
在这类特殊合金高温性能方面的显著进展已经通过使用能够保护合金免于氧化、热腐蚀等的抗氧化环境涂层得到实现。例如，热障涂层(TBC)系统通常用于涡轮机元件，以在热循环期间将元件与高温隔绝。TBC系统通常包括配置于粘结涂层上的热障涂层，粘结涂层继而施用于形成元件的金属基底上。热障涂层通常包含陶瓷材料比如氧化锆。另外，粘结涂层通常包含被设计以抑制下面基底氧化的抗氧化金属层。
当前的趋势显示，较少精制的燃料正逐渐普遍地用在燃气轮机内。这些较少精制的燃料包括颗粒物质，这些颗粒物质可进入燃气轮机热气体路径，从而碰撞包含在热气体路径中的涡轮机元件。涡轮机元件连续暴露于这样的颗粒物质可导致TBC系统内的涂层侵蚀损伤，从而增大下面金属基底受到氧化和/或热腐蚀的可能性。为了解决这样的侵蚀问题，抗侵蚀的粘结涂层已经得到开发。然而，这些抗侵蚀的粘结涂层通常通过增大涂层中所使用的硬颗粒(例如碳化钨、碳化钛和金刚石氮化硼)大小和体积百分数形成。结果，必须减小涂层中的氧化物-形成组分的体积百分数，从而减少涂层的整体环境保护性。
因此，用于形成提供抗侵蚀性而不牺牲环境保护性的氧化物弥散强化涂层的方法将在技术上受到欢迎。
发明简述
本发明的各方面和优点将在以下描述中得到部分阐述，或者可自描述显而易见，或者可通过本发明实践获知。
在一个方面，本主题公开了用于在金属基底上形成氧化物弥散强化涂层的方法。该方法主要包括粉碎MCrAlY合金颗粒以形成富氧粉末，其中富氧粉末中的至少约25％(体积)的MCrAlY合金颗粒具有少于约5μm的粒度。另外，该方法包括将富氧粉末施用于金属基底以形成涂层和加热富氧粉末以沉淀涂层中的氧化物弥散体(dispersoid)。
在另一个方面，本主题公开了用于在金属基底上形成氧化物弥散强化涂层的方法。该方法主要包括粉碎MCrAlY合金颗粒以形成富氧粉末，其中富氧粉末中的至少约25％(体积)的MCrAlY合金颗粒具有少于约5μm的粒度。另外，该方法包括将富氧粉末与粗(coarse)MCrAlY合金颗粒混合以形成富氧粉末混合物，将富氧粉末混合物施用于金属基底以形成涂层，和加热富氧粉末混合物以沉淀涂层中的氧化物弥散体。
本发明的这些和其它特征、方面和优点参照以下描述和附加权利要求将变得更好理解。并入并构成本说明书部分的附图图解本发明的实施方案，并与描述一起用于说明本发明的原理。
附图简述
参照附图，本发明对于本领域普通技术人员的充分和可行的公开，包括其最佳模式，在说明书中得到阐述，其中：
图1图解说明按照本主题的方面，用于在金属基底上形成氧化物弥散强化涂层的方法的一个实施方案的流程图；
图2图解说明涡轮机叶片桶(bucket)一个实施方案的透视图；和
图3图解说明热障涂层系统的横断面视图。
元件列表
附图标记 元件
100 方法
102 方法要素
104 方法要素
106 方法要素
200 涡轮机叶片桶
202 翼面
204 压力面
206 吸力面
208 前沿
210 后沿
212 平台
214 根部
300 涂层系统
302 粘结涂层
304 金属基底
306 热障涂层
发明详述
现将对本发明的实施方案详细作出参考，其一个或更多个实例在附图中得到图解说明。每一个实例通过说明本发明而非限制本发明的方式得到提供。事实上，对本领域那些技术人员显而易见的是，可在本发明中作出多种修改和变体而不背离本发明的范围或精神。例如，作为一个实施方案的部分得到举例说明或描述的特征可用于另一个实施方案，得到再一个实施方案。因此，本发明旨在包含处于附加权利要求范围内的这样的修改和变体及其等价物。
一般而言，本主题涉及一种方法，用于在被设计暴露于高温环境的金属基底(比如用于燃气轮机热气体路径的金属元件)上形成氧化物弥散强化涂层的方法。在几个实施方案中，方法包括粉碎稳定的MCrAlY合金颗粒以使颗粒应变并破裂，从而增大颗粒表面积并形成细粉。结果，当新的表面氧化物在新鲜破裂的颗粒表面形成时，氧气可吸收到粉末基质中，使粉末由氧气过饱和。然后该富氧粉末可作为抗氧化的保护性涂层施用于金属基底表面，并加热以允许氧气与粉末成分反应，以沉淀涂层中的氧化物弥散体(例如纳米级氧化物弥散体)。这些氧化物弥散体通常可在涂层的晶体结构中起缺陷作用，并可使结构应变，以在弥散体周围产生应力场。这些应力场继而可抵抗位错和其它材料变形的流动，从而增大保护性涂层的强度和抗侵蚀性。另外，因为强化通过氧化物弥散体实现，而不是通过增大包含在涂层中的硬颗粒的体积百分数实现，保护性涂层也可提供与其它已知的抗氧化涂层相同或类似的抗氧化性。
现参照图1，图解说明用于在金属基底上形成氧化物弥散强化涂层的方法100的一个实施方案。一般而言，方法100包括粉碎MCrAlY合金颗粒以形成富氧粉末102，将富氧粉末施用于金属基底以形成涂层104，和加热富氧粉末以沉淀涂层106中的氧化物弥散体。应该意识到，尽管所公开方法100的各种要素102、104、106在图1中以特别的顺序得到图解说明，这些要素通常可以与本文所提供的公开一致的任何序列和/或顺序实施。
在102中，MCrAlY合金颗粒(其中M为铁、钴和镍中至少一种)被粉碎以形成富氧粉末。用于本文时，术语“粉碎”和“被粉碎”通常指减小颗粒大小的过程。MCrAlY合金颗粒可使用本领域已知的任何合适的碾磨、碾碎、压碎和/或破碎工艺粉碎。例如，在一个实施方案中，MCrAlY合金颗粒可使用球磨法粉碎，其中将颗粒置于具有多个钢或陶瓷球的容器中并旋转以使球体在容器中瀑布似地落下，因此将颗粒磨碎或压碎为粉末。应该意识到，通过粉碎MCrAlY合金颗粒，颗粒可得到连续破裂和再破裂，从而使得能够在新鲜破裂的颗粒表面上形成新的表面氧化物。因此，由于来自周围环境的氧气在粉末基质中吸收，所生成的粉末可为氧气过饱和或者富氧的。
在几个实施方案中，MCrAlY合金颗粒的粒度可在102中得到显著减小，以提高粉末吸收氧气的能力。例如，在一个实施方案中，MCrAlY合金颗粒可被粉碎直到至少约25％(体积)的颗粒具有粒度为少于约5微米(μm)的粒度，比如通过粉碎颗粒，以致于大于约50％(体积)的颗粒具有的粒度为少于约5μm，或大于约75％(体积)的颗粒具有的粒度为少于约5μm，或大于约90％(体积)的颗粒具有的粒度为少于约5μm，以及其间的所有其它子范围。然而，在备选实施方案中，应该意识到，MCrAlY合金颗粒可被粉碎，以致于少于约25％(体积)的颗粒具有的粒度为少于约5μm。
在304中，富氧粉末被施用于金属基底以形成保护性涂层。通常，富氧粉末可使用本领域已知的任何合适的施用和/或喷涂工艺施用于金属基底。例如，在几个实施方案中，富氧粉末可使用热喷涂工艺得到施用。合适的热喷涂工艺可包括但不限于高速氧-燃料(HVOF)喷涂工艺、真空等离子喷涂(VPS)工艺(也称为低压等离子喷涂(LPPS)工艺)、空气等离子喷涂(APS)工艺和冷喷涂工艺。
另外，应该意识到，富氧粉末通常可施用于任何合适的金属基底。例如，在几个实施方案中，富氧粉末可施用于燃气轮机的元件(例如喷嘴、叶片桶、叶片、护罩、翼面等)，如以上所指出的那样，或者可施用于高温环境中使用的任何其它合适的金属基底，比如柴油机和其它类型内燃机的经选择的元件。提供图2用于图解说明其中本主题特别有用的环境的目的，并且描绘了燃气轮机的涡轮机叶片桶200的一个实施方案的透视图。如所显示的那样，涡轮机叶片桶200包括翼面202，翼面202具有在前沿208和后沿210之间延伸的压力面204和吸力面206。翼面202通常自基本上平坦的平台212向外放射状延伸。另外，涡轮机叶片桶200包括自平台212向内放射状延伸的根部214，用于使叶片桶200附着于燃气轮机的环形转子盘(未显示)。如同通常所理解的那样，翼面202通常配置于燃气轮机的热气体路径内，并因此通常使得在燃气轮机内需要抗氧化和/或抗侵蚀涂层以具有可接受的工作寿命。
另外，应该意识到，在几个实施方案中，在104中所形成的保护性涂层可包含热障涂层(TBC)系统的初始粘结涂层。例如，图3提供了TBC涂层系统300的一个实施方案的横断面视图。如所显示的那样，TBC涂层系统300主要包括覆在金属基底304表面上的粘结涂层302和配置于粘结涂层302上的热障涂层306。如同通常所理解的那样，热障涂层306可自多种已知陶瓷材料形成，比如用氧化钇部分或完全稳定的氧化锆、氧化镁或其它贵金属氧化物，并可使用任何合适的施用和/或喷涂工艺比如以上所描述的喷涂工艺施用于粘结涂层302上。
然而，在备选实施方案中，应该意识到，在104中所形成的保护性涂层可用于本领域已知的任何其它合适的涂层系统中，和/或可用作施用于金属基底的独立的保护性覆盖涂层。
仍然参照图1，在106中，富氧粉末得到加热或者另外热加工，以沉淀保护性涂层中的氧化物弥散体。具体地讲，通过加热富氧粉末，吸收于富氧粉末中的氧气可与MCrAlY合金颗粒的成分反应，以形成涂层中的氧化物弥散体。例如，氧气可与包含在颗粒中的铬、铝和/或钇反应，形成氧化铬(例如Cr2O3)弥散体、氧化铝(例如Al2O3)弥散体、氧化钇(例如Y2O3)弥散体和/或含有这类氧化物混合物的弥散体。另外，由于如以上所描述的那样通过粉碎MCrAlY合金颗粒得到的细粉，在加热期间所沉淀出的氧化物弥散体的大小可相对较小。例如，在一个实施方案中，氧化物弥散体的体积可为纳米级，比如具有平均大小为少于约1μm或少于约0.5μm或少于约0.1μm以及其间的所有其它子范围。然而，在其它的实施方案中，氧化物弥散体可具有平均大小为大于约1μm，比如平均大小为大于约1.5μm或大于约2μm以及其间的所有其它子范围。
在几个实施方案中，富氧粉末可在其已经施用于金属基底以形成保护性涂层之后得到加热或者另外热加工。例如，在一个实施方案中，可在施用富氧粉末之后对金属基底热处理，以沉淀出氧化物弥散体。合适的热处理可包括加热金属基底和其上所施用的富氧粉末至约1000°F-约2000°F的温度范围，和保持这样的温度少于约3小时。然而，其它合适的热处理可包括加热金属基底和富氧粉末至任何合适的温度任何合适的时间段，其足以使得氧气能够与MCrAlY合金颗粒成分反应，从而沉淀出所要求的氧化物弥散体。另外，在其中金属基底被设置为用于高温环境中的金属元件的实施方案中，加热富氧粉末可在金属元件安装于高温环境中时实施。例如，相信暴露于燃气轮机中的操作温度将足以沉淀出氧化物弥散体。
在备选的实施方案中，应该意识到，富氧粉末可在其施用于金属基底的同时得到加热或者另外热加工。例如，通过使用某些热喷涂工艺所达到的温度可足以使得吸收于富氧粉末中的氧气能够与MCrAlY合金颗粒成分反应。
另外，在本主题的具体实施方案中，所公开的方法100也可包括将在102所形成的富氧粉末与粗MCrAlY合金颗粒混合以形成富氧粉末混合物。例如，当使用需要相对大粒度的已知喷涂工艺(例如某些APS工艺)时，可以合乎需要的是将富氧粉末与粗MCrAlY合金颗粒混合，以便于将富氧粉末施用于金属基底上。另外，当富氧粉末混合物施用于金属基底时，向富氧粉末加入粗MCrAlY合金颗粒也可提供使保护性涂层获得所要求程度的表面粗糙度的手段。如同通常所理解的那样，一定程度的表面粗糙度可有助于促进其它涂层粘附于保护性涂层的顶部，比如参照图3的以上所描述的热障涂层306。
用于本文时，术语“粗MCrAlY合金颗粒”指具有大于包含在富氧粉末中的粉碎MCrAlY合金颗粒平均粒度的平均粒度的MCrAlY合金颗粒的混合物。因此，在几个实施方案中，至少约90％(体积)的粗MCrAlY合金颗粒可具有大于约5μm的粒度。例如，在具体的实施方案中，至少90％(体积)的粗MCrAlY合金颗粒可具有在约5μm-约110μm，比如约5μm-约25μm或约5μm-约55μm或约55μm-约110μm范围以及其间所有其它子范围内的粒度。
另外，在本主题的另一个实施方案中，所公开的方法100也可包括在MCrAlY合金颗粒被粉碎之前向这样的颗粒加入氧化物-形成添加剂。用于本文时，术语“氧化物-形成添加剂”指任何合适的元素，其当被加热时可与氧气反应，形成能够强化根据本主题的方面形成的保护性涂层的氧化物弥散体。例如，合适的氧化物-形成添加剂可包括(但不限于)钼、钛、钨、锰、铬、钇及其混合物。
通过将这样的氧化物-形成添加剂与MCrAlY合金颗粒混合之后粉碎该混合物，氧化物-形成添加剂的添加剂颗粒可与MCrAlY合金颗粒一起破裂，从而增大添加剂颗粒的表面积，并使得能够在新鲜破裂的颗粒表面形成表面氧化物。像这样，当所生成的粉末混合物施用于金属基底并得到加热时，氧气可与所粉碎的MCrAlY合金颗粒和添加剂颗粒的成分反应，以沉淀出氧化物弥散体。例如，使用一种或更多种以上所描述的氧化物-形成添加剂，在保护性涂层中所形成的氧化物弥散体可包括(但不限于)氧化钼(例如MoO2)弥散体、氧化钛(例如Ti2O3)弥散体、氧化钨(例如W2O3)弥散体、氧化锰(例如Mn3O4)弥散体、氧化铬(例如Cr2O3)弥散体、氧化钇(例如Y2O3)弥散体、氧化铝(例如Al2O3)弥散体和含有这类氧化物混合物的弥散体。
用于高温环境中的金属元件在本公开中通常描述为“金属基底”。然而，应该易于意识到，本主题不限于任何具体类型的金属基底和/或元件。
该书面描述使用实例公开了本发明，包括最佳模式，并且也使得本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统和实施任何结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求限定，并可包括本领域技术人员想到的其它实例。这样的其它实例，如果它们包括不区别于权利要求字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等价结构要素，则旨在处于权利要求的范围内。

Claims (11)

1.用于在金属基底(304)上形成氧化物弥散强化涂层的方法(100)，所述方法包括：
粉碎MCrAlY合金颗粒以形成富氧粉末，其中富氧粉末中至少25％体积的MCrAlY合金颗粒具有少于5μm的粒度；
将富氧粉末与其他MCrAlY合金颗粒混合以形成富氧粉末混合物，其中至少90％体积的所述其他MCrAlY合金颗粒具有大于5μm的粒度；
将富氧粉末混合物施用于金属基底(304)以形成涂层；和
加热富氧粉末混合物以沉淀涂层中的氧化物弥散体。
2.权利要求1的方法(100)，其中加热富氧粉末混合物包括在将富氧粉末混合物施用于金属基底(304)的同时加热富氧粉末混合物。
3.权利要求1的方法(100)，其中加热富氧粉末混合物包括在富氧粉末混合物已经施用于金属基底(304)以形成涂层之后加热富氧粉末混合物。
4.权利要求1的方法(100)，其中氧化物弥散体包含氧化钇、氧化铬、氧化铝及其混合物中的至少一种。
5.权利要求1的方法(100)，其中氧化物弥散体具有少于1μm的平均大小。
6.权利要求1的方法(100)，所述方法进一步包括向MCrAlY合金颗粒加入氧化物-形成添加剂。
7.权利要求1的方法(100)，其中涂层包含粘结涂层(302)，所述方法进一步包括将热障涂层(306)施用于粘结涂层(302)上。
8.用于在金属基底(304)上形成氧化物弥散强化涂层的方法(100)，所述方法包括：
粉碎MCrAlY合金颗粒以形成富氧粉末，其中富氧粉末中至少25％体积的MCrAlY合金颗粒具有少于5μm的粒度；
将富氧粉末与其他MCrAlY合金颗粒混合以形成富氧粉末混合物，其中至少90％体积的其他MCrAlY合金颗粒具有范围为55μm-110μm的粒度；
将富氧粉末混合物施用于金属基底(304)以形成涂层；和
加热富氧粉末混合物以沉淀涂层中的氧化物弥散体。
9.权利要求8的方法(100)，所述方法进一步包括在MCrAlY合金颗粒被粉碎之前向MCrAlY合金颗粒加入氧化物-形成添加剂。
10.权利要求8的方法(100)，其中加热富氧粉末混合物包括以下步骤中的至少一种：在将富氧粉末混合物施用于金属基底(304)的同时加热富氧粉末混合物，和在将富氧粉末混合物已经施用于金属基底(304)以形成涂层之后加热富氧粉末混合物。
11.权利要求8的方法(100)，其中氧化物弥散体具有少于1μm的平均大小。
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