CN103160769B - 镍基合金的冷喷涂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及镍基合金的冷喷涂。在一个实施例中简要地公开了一种方法。该方法包括将粉末给料导入冷喷涂装置中，并运行冷喷涂装置以沉积给料。给料包括微粒，该微粒包含具有热变微结构的镍基合金。

Description

镍基合金的冷喷涂

技术领域

本发明通常涉及冷喷涂，并且尤其涉及冷喷涂包括镍基合金的给料的方法。

背景技术

结合表面层被期望用于许多应用，这些应用包括表面经历腐蚀、侵蚀或高温的应用。用于在基底上产生已结合的金属涂层的一个方法为冷喷涂技术。在冷喷涂技术(在本文中也被简称为“冷喷涂”)中，微粒与气体混合，且随后气体和微粒被加速成超音速射流，同时气体和微粒被维持在充分低的温度以防止微粒熔化。已经使用冷喷涂来沉积铜涂层，在该冷喷涂中，已实现充分的结合(bonding)来产生类似块体的性质。然而，诸如不锈钢、镍、镍基超合金以及钛基超合金的更高温度的材料可能需要更高的速度而在常规的冷喷涂装置的限制下产生高质量的沉积物。尤其期望实现更高的微粒和沉积物的温度和/或速度。

为了使用熔点比铜更高的金属来获得更好的性质，冷喷涂设备向着更高的气体温度发展。然而，即使高温的氮气也难以加速至足够快的速度来制造诸如镍合金、铁合金或钛合金的高熔点材料的致密的沉积物。所以，为了具有足够高的速度来制造高熔点材料的致密的沉积物，与常规的氮气相比，优选氦气。然而，使用氦气用于冷喷涂在商业上具有挑战性。

所以，需要一种制造高温熔化合金的优质的结合的沉积物的经济的方法。

发明内容

在一个实施例中简要地公开了一种方法。该方法包括将粉末给料导入冷喷涂装置中，并运行冷喷涂装置以沉积给料。给料包括微粒，该微粒包含具有热变微结构的镍基合金。

在一个实施例中公开了一种方法。该方法包括将粉末给料导入冷喷涂装置中，并运行冷喷涂装置以沉积给料。给料基本上由具有热变微结构的镍基合金微粒构成。

附图说明

参照附图，阅读以下的具体描述，将更好地理解本发明的这些和其他的特征、方面以及优点。

图1显示了根据本发明的实施例的带有沉积物的物件。

具体实施方式

本发明的实施例包括用于使用带有镍基合金给料的冷喷涂装置而利用已结合的微粒在基底从固态冲击沉积产生致密的金属沉积物的装置和方法。

在以下的详细描述和所附的权利要求中，除非本文明确地指示，否则单数形式“一”、“一个”以及“该”也包括复指。

在本文中所使用的术语“结合”意味着接触并附着。“结合”可以在已沉积的微粒之间和/或在已沉积的微粒和基底之间。“沉积物”为基底上的块体或层。在具体实施例中，沉积物为涂层。

典型的冷喷涂方法使用接收高压气体和沉积材料的给料的喷枪，该高压气体例如为氦气、氮气或空气，该沉积材料的给料例如为粉末形态的金属、难熔金属、合金或复合材料。粉末颗粒在高压下被导入喷枪中的气流中并从喷嘴发射。微粒在气流中被加速至可能达到超音速的高速。气流可以被加热。典型地，气体被加热至低于微粒的熔点以减小飞行中的氧化和已沉积的材料中的相变。作为相对低的沉积温度和非常高的速度的结果，冷喷涂过程对于沉积良好地附着的、冶金地结合的、致密的、坚硬的以及抗磨损的涂层提供潜在可能性，该涂层的纯度主要取决于所使用的给料粉末的纯度。

粉末以高速冲击基底。粉末的动能使粉末颗粒通过与基底冲击而变形并平坦。该平坦促进了与基底的冶金结合、机械结合或冶金结合和机械结合的组合，并导致位于基底的沉积物。冷喷涂方法的一个优点为可忽略飞行期间的微粒的零相变或氧化和已结合的微粒的高附着强度。

为了具有充分高的速度来制造高熔点材料的致密的沉积物，通常使用昂贵的氦(He)气而代替氮(N₂)气，这是由于当以常规的冷喷涂方法来使用时，氮气通常难以加速至足够快的速度来产生例如镍(Ni)合金、铁(Fe)合金或钛(Ti)的合金的高熔点材料的致密的沉积物。然而利用氦进行喷涂是昂贵的。本发明的实施例利用由给料粉末的预处理赋予的优点来使给料粉末在比用于使高熔点的金属和合金沉积的常规的氦基冷喷涂方法更低的要求条件下服从于冷喷涂。

改变给料的微结构和/或形态的一些特征来实现微粒强度和/或硬度的降低(相对于在典型的粉末制造过程之后接收的微粒的这样的特征和性质)，提供了被供给至喷涂装置的更软的微粒给料，允许更软的材料冲击并在基底变形，因而形成致密的高质量的沉积物。已公开的方法的一些实施例包括给料材料的热处理，该热处理改变材料的结构和性质，使得给料在经济便利的条件下服从于冷喷涂。已公开的方法不同于在喷涂给料的期间或即将喷涂给料之前对给料材料进行原位或喷枪内的热处理。甚至在导入冷喷涂装置中之前，在此所使用的给料材料接收其热处理，并因而改变其微结构、形态及/或强度/硬度。此外，在该申请中被给料材料接收的热处理不同于能够在喷枪装置内应用的热处理。当与本申请的热处理的微粒相比时，给料材料的喷枪内的热处理的现有的公开受限于给料材料的温度和高温处理的持续时间，因而受限于微结构、形态以及强度/硬度。

在本文提出的冷喷涂方法的一个实施例中，给料材料包括金属或金属合金。示例包括诸如镍、钴、钛、铝、镐以及铜的金属。金属合金的示例包括镍基合金、钴基合金、钛基合金、铁基合金、钢、不锈钢以及铝基合金。

镍基合金、铁基合金、钴基合金或钛基合金中的一些用于基于航基气体涡轮发动机构件和陆基气体涡轮发动机构件，并尤其期望被冷喷涂沉积以形成不带有不良的氧化的致密的涂层。诸如可商业性地获得的归属于例如INCONEL®材料、INCOLOY®材料、RENE®材料、WASPALOY®材料、UDIMET®材料、Hastelloy®材料以及Mar-M™材料的商品名称的所谓的“超合金”的合金为尤其有益于用于发动机构件的非限制性示例中的一些。INCONEL®是美国西弗吉尼亚州亨廷顿市的Huntington Alloys Corporation的注册商标。INCOLOY®是美国西弗吉尼亚州亨廷顿市的Inco Alloys International, Inc.的注册商标。RENE®是美国加利福尼亚州洛杉矶市的Teledyne Industries, Inc.的注册商标。WASPALOY®是美国印第安那州科科莫市的Haynes International, Inc.的商标。UDIMET®是SpecialMetals. Corporation的注册商标。Hastelloy®是Haynes International, Inc的注册商标名称。Mar-M™是Martin Marietta的商标。尽管本发明包含不同的给料和沉积材料，但是依照作为给料材料和沉积材料的镍基合金而进一步描述本文的申请。

镍基合金的非限制性示例为合金718，该合金718具有特定的成分，在重量百分比方面，具有约50%至约55%的镍、约17%至约21%的铬、约4.75%至约5.50%的铌、约2.8%至约3.3%的钼、约0.65%至约1.15%的钛、约0.20%至约0.80%的铝、最大1.0%的钴以及余量的铁。也可能存在少量的诸如碳、锰、硅、磷、硫、硼、铜、铅、铋以及硒的其他元素。

根据合金成分和合金的热处理条件，强化的镍基合金大致包括例如γ'、γ''的淀积相和例如碳化物、氧化物、硼化物以及氮化物的相的单个或组合的高温淀积物。在一些实施例中，也可能存在诸如δ、σ、η、μ及/或laves的相。

镍基合金中的诸如γ'和γ''的淀积相典型地在固溶热处理的期间溶解，并在从固溶温度冷却的期间和在随后的老化热处理的期间再次淀积。这导致镍合金基体中的γ'次级相和/或γ''次级相的分布。诸如碳化物、氧化物、硼化物以及氮化物的相的高温淀积物可能不典型地在固溶热处理的期间溶解，并可能因而甚至在合金的固溶热处理之后也作为淀积物而保留。以下详述这些处理所涉及的大致步骤和各个步骤的不同的所预期的淀积。

在典型的淀积硬化的镍合金中，合金最初被给予固溶处理(或者，在本领域的表述中，合金最初被“固溶”或“固溶化”)，其中，合金被加热至高于淀积物的固溶温度。在此所指的淀积物可能是在温度处理的不同阶段的期间形成的“主级”、“次级”或“三级”的淀积物，而不是甚至在高于主级/次级/三级的淀积物的固溶温度也可能存在的高温的碳化物、氧化物、硼化物或氮化物的相。

通常地，合金在形成过饱和固溶体相的固溶处理之后淬火。在一个实施例中，基体包括镍基γ相。γ'是带有面心立方(fcc)晶格和随机分布的不同种类的原子的固溶体。在一些合金中，在存在高温淀积相的地方，过饱和固溶体相可能仍然具有那些高温相的淀积物。在一个实施例中，在例如类似于Rene 88® or Waspaloy®的γ'系统中，甚至在淬火期间，γ'也可能快速地淀积。典型地，如下所述，处于固溶状态的合金甚至在当​​淬火时发生淀积作用的地方，显著地比处于完全处理的状态的合金更软。

在第三步骤中，过饱和固溶体相被加热至低于淀积物的固溶温度以产生良好地分散的淀积物。例如，在γ''系统中，γ''相可以在老化处理的期间大程度地淀积，由此硬化并强化合金。

因此，通过使用已设计的固溶热处理的方法，从而典型地处理强化的镍基合金，该方法溶解γ'和/或γ''的强化相，并随后允许这些相的在从热处理的冷却时或固溶的合金的后续的老化之后的最佳的再次淀积。随着老化的温度和时间而施加于镍基合金构件的冷却速率和冷却路径以及特殊成分的固有性质，通常影响镍基合金中的最佳性质的发展。

在本发明的一个实施例中，公开了用于准备由镍基合金沉积物制成的物件的方法，该镍基合金沉积物由于γ'和/或γ''的相的存在而被强化。该方法包括以高于镍基合金的γ'和/或γ''的固溶温度的固溶化温度对镍基合金粉末进行固溶热处理的步骤。在一个实施例中，该方法还包括将镍基合金粉末淬火至低于γ'和γ''的固溶温度的温度。可以在一个步骤或在多个步骤中施行淬火。通常的空气淬火或水浴淬火、油浴淬火或熔盐浴淬火的方法可以用于淬火。

在本发明的一个实施例中，被固溶热处理且淬火的粉末用作用于冷喷涂沉积的给料的至少一部分。通常以充分高的温度执行固溶处理，从而部分地或完全地溶解强化相，典型地对于镍基合金为900℃至1300℃的量级，典型地持续1小时至10小时。该固溶热处理和淬火改变镍基合金的微结构且所得到的微粒典型地具有热变微结构。

在一个实施例中，镍基合金的已改变的微结构是指来自对雾化粉末进行热处理之前的镍基合金的雾化状态的已改变的微结构。而热变微结构是指具有不同于热处理之前的粉末的特征的、作为已暴露于热处理的结果的微结构特征。这样的特征的非限制性示例包括晶粒尺寸，晶粒形态，淀积物的尺寸、形态、尺寸分布，以及化学偏析的程度。在一个实施例中，使用热处理而热加工材料，该热处理导致材料比处理之前更软。在一个实施例中，雾化的镍基合金被热处理至镍基合金的熔点的至少一半的温度而持续至少5分钟以产生热变微结构。在此限定的熔点意味着合金的初熔点，其中，液相在平衡条件下开始出现。

在一个实施例中，已淬火的粉末，在接收进一步的老化热处理之前，处于不具有γ'或γ''的相的淀积物中的任一者的单一相的过饱和固溶体相中。在一个实施例中，已淬火的粉末包括大致固溶的微结构。如在此所使用的那样，“大致固溶的微结构”意味着粉末微粒处于已固溶处理的状态，该状态具有已经过固溶热处理和快速淬火的材料的微结构特征。在大多数实施例中，诸如碳化物、氧化物、氮化物以及硼化物的高温相，如果在热处理之前存在于粉末中，则在热处理之后存留于基体内。在一个实施例中，固溶处理为进行热处理至热力学倾向于作为单个相而存在的温度，持续足够建立平衡条件的时间。

在一个实施例中，已固溶处理且淬火的状态包括基体相和淀积相，该淀积相在淬火期间形成而没有进行任何老化处理来形成有助于增加强化的精细的淀积物。在一个实施例中，在已固溶处理且淬火的镍基合金中，存在基体相的γ镍和γ'主级淀积。在一个实施例中，在镍基合金从固溶温度受到慢淬火。当将材料留在热处理炉中时冷却材料(在本领域中被称为“炉冷”的作法)是在这些合金系统中慢淬火的典型的方法。与类似成分的常规地老化的合金相比，慢淬火合金材料典型地具有更粗糙的晶粒淀积物和降低的强度。

在一个实施例中，用于冷喷涂的给料微粒包括镍基合金。在一个实施例中，镍基合金包括具有至少约40％的重量的镍的给料微粒。

在一个实施例中，已固溶热处理且淬火的给料粉末的微结构包括粗糙的晶粒。如在此所使用的那样，“晶粒”是单独的晶体且晶粒尺寸是指给定的微粒内的晶体的尺寸。在一个实施例中，由于与固溶热处理相关的晶粒粗糙化和/或淀积物溶解，因而镍基合金的强度相对于受到热处理之前的粉末而被固溶热处理降低。在一个实施例中，给料材料的微粒具有约lμm至约20μm的范围的平均晶粒尺寸。具有不同微粒尺寸的给料材料能够用于本文提出的冷喷涂方法以形成坚固且致密的沉积物。在一个实施例中，用于给料的微粒具有约1微米至约100微米的范围的中等尺寸。在又一实施例中，颗粒具有约5微米至约50微米的范围中的中等尺寸。在一个实施例中，在固溶热处理和淬火之后获得的微粒具有面心立方的晶体结构。

如上所述，在本文提出的冷喷涂方法的一个实施例中，给料材料在喷涂时不熔化。在一个实施例中，给料材料的熔点高于在喷涂期间给料材料所经历的温度。在又一实施例中，给料材料所经历的温度低于给料材料的熔点的约0.9倍。

在本发明的一个实施例中，运载气体用于运载给料材料，该给料材料用于沉积。由于已固溶热处理的镍基合金的微结构的变化和降低的强度/硬度，因而不必使用用于在物件上获得镍基合金的致密的沉积物的氦气或者使用非常高的温度的运载气体或高速的给料材料。所以，在本发明的一个实施例中，具有至少50％的体积的氮的运载气体用于冷喷涂。在一个实施例中，运载气体包括至少75％的体积的氮。在一个实施例中，运载气体基本上由氮组成。在一个实施例中，用于沉积的运载气体基本上不含有氦。在一个实施例中，运载气体的温度处于约20℃至约1200℃的范围中。通常地，在冷喷涂过程中，给料材料的冲击临界速度被如下地定义：微粒至基底的附着对于所意图的应用是无用的。给料材料的临界速度可以取决于给料微粒和基底的本质和性质。在一个实施例中，运行在此所使用的冷喷涂装置，包括将给料加速至约500m/s至约1100m/s的范围中的速度。

在一个实施例中，准备将在其上形成沉积物的物件以接收沉积物。准备用于冷喷涂的物件的表面，可以包括将表面清洁并/或去污。在一个实施例中，通过从物件的表面移除已存在的材料或诸如氧化物层的层，从而形成物件表面的已准备的区域，使得通过利用冷喷涂引导给料材料而形成的沉积物被结合至物件。

在本发明的一个实施例中，提供了物件。物件可以为任何可操作的形状、尺寸以及构造。所关注的物件的示例包括诸如密封件和凸缘的气体涡轮发动机的构件以及其他类型的物件的区域。例如如图1所示，当沉积物形成在物件10的基底12时，形成物件10。基底12具有沉积表面14。沉积物16形成于物件10的表面14上。沉积物16具有多个给料微粒18，该给料微粒18沿着其先前的颗粒边界20结合。已沉积的材料16和基底12的表面14之间的接触的表面为结合线22。

在一个实施例中，物件10和/或沉积物16在冷喷涂之后被热处理。退火或老化的热处理用于将γ'或γ''的相淀积在镍基合金的基体中。在一个实施例中，老化的温度在约300℃至约1000℃的范围中。在一个实施例中，老化的温度在约400℃至约850℃的范围中。在一个实施例中，如此地形成的淀积物少于沉积物的体积的约80％。在一个实施例中，已淀积的强化相在沉积物的体积的约20％至体积的约55％的范围中。

热处理可能引起沉积材料16与物件10的基底12的材料在某种程度上互相扩散。在一个实施例中，沉积物16被固溶热处理、淬火并老化以淀积期望的强化相的分布。在一个实施例中，物件10的沉积物16具有大于沉积材料的理论密度的约95％的密度。在又一实施例中，沉积物16具有大于理论密度的约99％的密度。

尽管在本文中仅说明并描述了本发明的某些特征，但是本领域的技术人员将会想到许多修改和变化。因此，应理解所附的权利要求旨在包括如落入本发明的真正的要旨内那样的修改和变化。

Claims (17)

1.一种方法，包括：

对雾化状态的镍基合金粉末进行固溶热处理；

淬火，以改变镍基合金粉末的微结构而形成热变微结构，所述热变微结构包括γ相、γ'相、γ''相或其组合；

将粉末给料导入冷喷涂装置中，其中，所述粉末给料包括微粒，该微粒包含具有热变微结构的镍基合金；以及

运行所述冷喷涂装置以沉积所述给料。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述热变微结构还包括γ'相、γ''相或两者的组合的淀积物。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述微粒具有1μm至20μm的范围中的平均晶粒尺寸。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述给料由微粒构成，该微粒包含至少40%的重量的镍。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括持续至少5分钟地将所述粉末给料暴露至所述镍基合金的熔点的至少一半的温度，以产生所述热变微结构。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，运行所述冷喷涂装置，还包括将运载气体导入所述装置中，该运载气体包括氮。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，运载气体温度在20℃至1200℃的范围中。

8.根据权利要求1所述的方法，还包括热处理所述已沉积的给料以形成包括分布于基体相内的强化淀积相的沉积物。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述基体相包括镍基γ相，所述强化淀积相包括γ'、γ''或两者的组合。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述基体相具有面心立方的晶体结构。

11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述淀积物少于所述沉积物的体积的80%。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述淀积物在所述沉积物的体积的20%至体积的55%的范围中。

13.根据权利要求8所述的方法，其中，热处理所述已沉积的给料，包括加热至300°C 至1300°C的范围中的温度。

14.根据权利要求1所述的方法，其中，运行所述冷喷涂装置，包括将所述给料加速至500 m/s 至1100 m/s的范围中的速度。

15.一种由根据权利要求1所述的方法形成的物件。

16.一种方法，包括：

对雾化状态的镍基合金粉末进行固溶热处理；

淬火，以改变镍基合金粉末的微结构而形成热变微结构，所述热变微结构包括γ相、γ'相、γ''相或其组合；

将粉末给料导入冷喷涂装置中，其中，所述粉末给料由具有热变微结构的镍基合金微粒构成；以及

运行所述冷喷涂装置以沉积所述给料。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括热处理所述已沉积的给料以形成沉积物，该沉积物包括分布于基体相内的强化淀积相。