CN102971445B - 在金属部件表面上形成防护涂层的方法 - Google Patents

在金属部件表面上形成防护涂层的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种在金属部件表面上形成含铝和锆的防护涂层的方法，在该方法中，所述部件和由铝合金制成的胶合剂在处理箱中以处理温度与气体接触，所述气体包括运载气体和活性剂，所述活性剂与胶合剂产生反应而形成在部件表面上分解的气态卤化铝，在部件上沉积金属铝，所述活性剂含有锆盐，诸如从锆盐颗粒中获得的ZrOCl2，在与部件表面的锆金属沉积形成的分解温度范围内，所述锆盐会出现分解反应，所述包括部件、胶合剂和锆盐颗粒的组件在处理箱内一起从环境温度逐渐加热至处理温度，所述方法的特征在于，处理箱保持超高压，在对应于锆盐分解反应的温度范围内无运载气体流动。

Description

在金属部件表面上形成防护涂层的方法
技术领域
本发明涉及在金属部件上沉积基于铝的防护层。特别涉及到将这种涂层应用于涡轮机部件，尤其是燃气涡轮发动机。
背景技术
燃气涡轮发动机，诸如航空领域用于推进的发动机，包括与一个或多个压气机相通的大气进气口，通常包括围绕同一轴线旋转的风扇。这种空气的主流，在压缩后，提供给围绕该轴线环形布置的燃烧箱，并与燃油混合后，将高温燃气提供给下游的一个或多个涡轮，这些高温燃气经由涡轮而膨胀，涡轮转子驱动压缩转子。发动机工作温度为涡轮进气口处发动机燃气温度，该温度会非常高，因为发动机性能与之相关。为此，材料的选择应能承受这种工作条件，且高温燃气经过的部件，诸如涡轮喷管或旋转的涡轮叶片，都设有冷却装置。此外，由于其金属成分，即采用镍基或钴基的超级合金，还必须保护其防止因为在这种温度下发动机燃气成分导致的腐蚀和锈蚀。
确保防护这些部件的一种已知手段是在燃气可能侵袭的表面上沉积铝基涂层。采用金属互扩散将铝附着在基底上，铝会在表面上构成防护氧化层。该附加层不同于扩散层。该涂层的厚度大约为几十微米。
本发明涉及到在气相中沉积铝的技术，又称之为气相沉积镀铝技术。根据这种方法，将需要处理的部件置于半密封的处理箱内，在该处理箱内，空气中包括了惰性气体或还原气体混合物，例如，氩气或氢气，和由卤化铝组成的活性气体。在900°C 至1150°C之间的反应温度时，卤化物会在部件表面处分解成气态卤和扩散到金属内的铝。
将胶合剂置于装有需要处理部件的处理箱内产生卤化物，在构成活性剂的卤、氯或氟化合物颗粒的环境下，该胶合剂是一种金属铝供体或带有一个或多个金属成分（尤其是铬）的铝金属合金，所述金属成分构成需要保护部件的材料。惰性气体在活化剂上面以可使在供体上面所产生的卤化物升华的温度循环，卤素与供体产生反应而生成金属卤化物，其在这种温度下为蒸汽形式。
由于活性剂在涂层温度时应为气态，且应不会产生污染物，为此，通常选择诸如氯化铵、氟化铵或双氟化铵等产品。在使用氢气的环境中或在中性气体情况下，且为高温时，这些分子会分解为氨和卤。蒸发温度取决于所选择的卤盐的性质。例如，如为氯化铵时，蒸发温度为340°C。活性剂仅用于将卤化酸完全安全地输送到进行沉积的反应器中，即半密封容器内。与这种卤（此处为铵）相联系的阳离子从而失去作用。
而后，卤化物与需要涂覆的金属基底接触而分解，从而得以沉积铝。在沉积铝的镀铝处理期间形成循环方法，这种镀铝处理持续进行到基底表面上的铝的活性与胶合剂施加的活性相等为止。重新生成气态卤素。由此而获得的涂层可用作金属基底和该基底防护隔热层之间的中间层。该涂层可以改善基底上隔热层的附着力，同时提高了在隔热层作用下降的情况下基底长期使用的特性。
此外，人们已知，锆有利于在金属基底上附着氧化物层，不论该层是在高温时暴露于空气还是沉积隔热层而形成。
在发明专利FR 2853329中，介绍了气相镀铝处理方法，该方法得到了改进，从而能够共同沉积铝和锆。传统的APVS方法的卤化铵至少部分地由锆化合物所代替，后者的使用可在沉积物的痕量中看到。
在能够发挥活性剂作用的锆盐中，应提及（并不限于）氯化锆ZrCl4、氧氯化锆ZrOCl2和氟锆酸铵(NH4)2ZrF6。所有这些锆盐都在大于250°C时为气态。优选活性剂为氧氯化锆。
沉积原理与所述APVS方法的原理相同。将颗粒形式的基于铝或铝和铬的合金的胶合剂放入合适的半封闭容器内。布置需要涂覆的部件，从而使其与所形成的气态卤化铝相接触。卤化铝活性剂可以由氯氧化锆全部或部分取代。将置放容器的处理箱加热到APVS处理温度。在大于某个温度时，活性剂挥发并形成富有氯化锆的蒸汽。后者在镍超级合金制成的基底表面上分解，一方面形成了金属状态的锆，而另一方面，则形成了卤化酸，可用来形成给体胶合剂的卤化铝。然后，在基底表面上沉积的锆扩散进入正在形成的beta-NiAl涂层，从而产生金属间化合物，其富含百万分之500到1000的锆。
发明内容
本发明改善了通过这种气相沉积来与锆共同沉积镀铝的方法，目的是控制沉积层内锆的浓度。在以Snecma名义的申请号WO 2009/112581的专利申请中介绍了使用这种技术的方法。
在本发明中所描述的方法包括将部件和铝合金制成的胶合剂在处理温度时与含有活性剂气体的空气相接触，活性剂气体一方面与胶合剂产生反应，形成气态卤化铝，后者与其上沉积的金属铝的部件接触而分解，另一方面，其含有ZrOCl2，后者在与其上沉积锆金属的部件接触时分解，并在环境温度时通过固态ZrOCl2颗粒的蒸发而形成。根据该方法，部件、胶合剂和ZrOCl2颗粒一起在处理箱内从环境温度被加热到处理温度，并保持在400°C ± 200°C温度，特别是500°C ±100°C温度。
对于该循环来讲，加热保持持续时间为5到30分钟，温度上升速率为每分钟4°C 到 20°C。
这样，所沉积的锆含量得以控制，该持续时间一方面可允许锆气氛的良好均匀化，化学反应完全，另一方面，分解后，温度快速上升可使铝和锆得以同时沉积。
所述部件至少含有镍，其和铝的结合而在涂层内形成一种NiAl金属间化合物，其中，铝可以部分地由锆来代替。特别是，该部件采用镍基超级合金制成。
该方法非常适合隔热层镀铝底层的形成情况，诸如根据专利EP1 473378所述技术形成的底层。
该底层上的锆即能通过充当铝扩散调节剂来稳定铝的迁移。特别是，铝总是会从底层迁移至基底，由于由此而产生的底层物种缺少而导致底层发脆。此外，隔热层中的铝构成了氧化铝，这会弱化隔热层在底层上的附着力。
另外，本发明的目的是改善上述方法，锆应该选择置于铝化物底层内，以获得良好使用寿命特性。
上述所描述的方法可以使得锆在整个层内沉积，获得最大浓度，但是，该最大浓度会位于附加层内。此外，如上所述，专利FR2 853 329所述方法并不能提供可应用于工业设施的任何启示。
根据本发明，在金属部件表面上形成含铝和锆的防护层的方法，其中，
所述部件和采用铝合金制成的胶合剂在处理箱内以处理温度与气体接触，
所述气体包括运载气体和活性剂，
活性剂与胶合剂起化学反应而形成气态卤化铝，该卤化铝在沉积金属铝的部件表面上分解，
活性剂含有锆盐，诸如从锆盐颗粒中获得的ZrOCl2，在与部件表面的锆金属沉积形成的分解温度范围内，所述锆盐会出现分解反应，部件、胶合剂和锆盐颗粒会在处理箱内一起从环境温度逐渐加热至处理温度，
其特征在于，处理箱保持超高压，在对应于锆盐分解反应的温度范围内无运载气体循环。
为此，本发明的方法可以通过各个热处理阶段的化学反应而保证在扩散层处进行锆的沉积，即附加层界面。特别是，形成了适合获得预期结果的温度和运载气体。
本发明方法可选择包括如下特性，不论是单独还是联合考虑：
温度上升包括在200°C 至 700°C之间的保持，特别是300°C 至600°C之间。该温度范围对应于活性剂分解反应温度。
加热保持的持续时间为5到30分钟。
构成处理箱的处理容器为半密封的。过压稍高于大气压力，并可使过渡阶段气体不会从反应区被带走。
在处理箱温度超过了所述温度范围之后，运载气体会在处理箱内循环。
以每分钟4°C至20°C的温度上升速率来逐渐进行加热。
所述活性剂还含有至少一种卤化铵。
运载气体为一种还原气体，诸如H2，或中性气体，诸如氩气。
所述部件至少包括镍，其与铝结合在涂层中形成一种NiAl金属化合物，在这种化合物中，铝可由锆部分代替。
所述部件采用基于镍的超级合金制成。
锆胶合剂至少部分地用铪或铱代替。
铝合金包括铬。
处理温度在950°C至 1200°C之间，优选大约1100°C。
通过参照附图给出的如下说明，其它特性和优点会显现出来。
附图说明
图1为反映本发明所述方法温度变化的曲线图；
图2为从表面开始锆含量变化示例曲线图，所示锆含量变化随镀铝层的厚度不同而不同。
具体实施方式
如上所述，本方法可方便地应用于涡轮旋转叶片，或喷管叶片的处理。
铝给体胶合剂，由铬-铝合金组成，可以与需要处理的部件一起置于半密封容器内，而容器本身则置于封闭的处理箱内，从而可以在控制环境下操作。使用了含30%铝的胶合剂。使用其它铝含量可以获得结构不同和厚度不同的涂层。
另外，介绍了以相对于几个百分数的胶合剂的比例来构成活性剂的氯氧化锆，该氯氧化锆在环境温度时为固态。
然后，在引入构成初始的氩或氢的运载气体前，对处理箱进行清洗。
正如附图所示，处理周期包括第一加热步骤。温度升高是逐渐的。温度升高速率在每分钟4°C至 20°C之间。当温度达到300至 600°C时，该温度会保持恒定，持续时间为5到30分钟，从而确保氯氧化锆颗粒的蒸发。分解后，温度上升，确保锆和铝一起沉积。
在该循环阶段期间，处理箱内的压力保持稍高于大气压力值。保持该压力可不允许过渡阶段气体，将Zr203O2 和 ZrCl4从处理容器中被带走，因为浓度相当低。
这些气体来自于如下反应:
2 ZrOCl2 + H2O → Zr2O3Cl2 + 2 HCl (g)
Zr2O3Cl2→ 1/2 ZrCl4 (g) + 3/2 ZrO2
ZrCl4 + 2 H2 (g) → Zr (s) + 4 HCl
一旦活性剂分解且已沉积，就可改变气氛，其余的处理是与流过处理箱的运载气流一起进行的，流量为每分钟5到30升之间；压力保持为大气压力或稍高于大气压力。
当处理箱的温度达到镀铝处理温度，即1080°C 至1180°C时，该温度保持4到16小时，以便沉积铝并可使其扩散到部件内。
图2是根据本发明处理的部件表面的锆Zr浓度的示例，以百万分之几给出，这个浓度取决于厚度，同样以百万分之几给出。含量的变化是诸如气体、保持温度和温度上升速率等参数的函数。此处，在附加层和扩散层之间的界面区，可以很清楚地看到锆的最大浓度值，其特征在于增加了钨。

Claims (9)

1.一种在金属部件表面上形成含铝和锆的防护涂层的方法，其中
所述部件和由铝合金制成的胶合剂在处理箱中以处理温度与气体接触，
所述气体包括运载气体和活性剂，
活性剂与胶合剂产生反应而形成气态卤化铝，该卤化铝在沉积金属铝的部件的表面上分解，
活性剂含有锆盐，在与部件表面的锆金属沉积形成的分解温度范围内，所述锆盐会出现分解反应，
部件、胶合剂和锆盐颗粒会在处理箱内一起从环境温度逐渐加热至处理温度，其特征在于，处理箱保持超高压，在对应于锆盐分解反应的温度范围内无运载气体循环,并且其中运载气体在处理箱温度超过了所述温度范围之后在箱内循环，这样在表面上形成扩散的镀铝层，在扩散的镀铝层上形成附加的镀铝层，以及锆沉积在扩散的镀铝层和附加的镀铝层的界面处。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，温度上升并保持在200℃和700℃之间。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，保持加热的持续时间是5到30分钟。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，加热是在温升速率为每分钟4℃至20℃之间逐渐进行的。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述活性剂还含有至少一种卤化铝。
6.根据权利要求1所述的方法，运载气体为还原气体或中性气体。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述部件采用镍基超级合金制成。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，锆元素至少部分地由铪或铱代替。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述处理温度在950℃至1200℃之间。
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