CN103382544B - 用于移除涂层的方法和用于修复涂层超合金构件的方法 - Google Patents
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Abstract
提供了用于从涂层超合金构件(10)受控地移除扩散涂层的一部分(52)的方法(400)以及用于修复涂层超合金构件(10)的方法(500)。方法(400，500)包括：提供(401，501)构件(10)，该构件(10)具有氧化层(40)、在氧化层(40)与扩散区(60)之间的添加剂层(50)，扩散区(60)位于添加剂层(50)与超合金构件(10)的超合金基底(70)之间。方法(400，500)包括通过喷砂而选择地移除(403，503)氧化层(40)以及添加剂层(50)的一部分(52)，其中，移除形成暴露部分(56)。修复(500)包括：施加(505)铝化物涂层至暴露部分(56)，以及在预先选定的高温下进行热处理(507)以在超合金构件(10)上形成修复的防护铝化物涂层(90)。
Description
技术领域
本发明大体上涉及涂覆超合金构件的方法。更具体而言，涉及用于从涂层超合金构件受控地移除扩散涂层的一部分的方法以及用于修复涂层超合金构件的方法。
背景技术
当涡轮被用在飞行器上或用于发电时，它们通常在尽可能高的温度下运行，以用于最大限度地提高操作效率。由于高温可损坏构件所使用的合金，因而已使用多种方法来提高金属构件的操作温度。
镍基超合金被用于燃气涡轮发动机中的许多最高温度材料应用中。例如，镍基超合金被用于制造诸如高压和低压燃气涡轮叶片、静叶或喷嘴、定子和护罩的构件。这些构件经受极端的应力条件和环境条件。镍基超合金的组分被设计成承载强加在构件上的应力。通常施加防护涂层至构件以保护它们免受高温腐蚀性燃烧气体的环境攻击。
一种广泛使用的防护涂层是称为扩散铝化物涂层的含铝涂层。扩散处理通常需要使构件的表面与含铝气体组分反应以形成两个不同区域，其最外部是包含以MAl表示的耐环境金属间化合物的添加剂层，其中M是铁、镍或钴，取决于基底材料。MAl金属间化合物是沉积的铝以及铁、镍和/或钴从基底向外扩散的结果。在高温暴露于空气中期间，MAl金属间化合物形成防护性的三氧化二铝(氧化铝)的鳞状物(scale)或氧化层，其抑制扩散涂层和下方基底的氧化。可通过在含铝组分中额外元素的存在来改变添加剂层的化学成分，额外元素例如铂、铬、硅、铑、铪、钇和锆。包含铂的扩散铝化物涂层(称为铂铝化物涂层)特别广泛地用在燃气涡轮发动机构件上。
扩散铝化物涂层的第二区在添加剂层下方的构件的表面区域中形成。扩散区包括各种金属间相和亚稳相，它们由于扩散梯度和在基底的局部区域中的元素溶解度的变化而在涂覆反应期间形成。扩散区内的金属间化合物是基底和扩散涂层的所有合金元素的产物。
虽然已关于环境涂层材料以及用于形成这种涂料的工艺做出显著的改进，但在某些情况下，存在修理或更换这些涂层的必然需要。移除可为必需的，例如，通过扩散涂层的侵蚀或热降解、涂层形成于其上的构件的整修、或者通过扩散涂层附着至构件的扩散涂层或热障涂层(若存在)的过程中(in-process)修理。目前先进的修理工艺是通过利用能够与添加剂层和扩散层反应并将其移除的酸性溶液处理而完全移除扩散铝化物涂层。
移除整个铝化物涂层(其包括扩散区)导致基底表面的一部分的移除。对于诸如燃气涡轮发动机叶片和静叶翼型件的构件，移除扩散区可导致基底表面的合金损耗，并且对于空气冷却的构件，可导致过薄的壁和大幅改变的气流特性到构件必须报废的程度。
目前用于移除扩散涂层以使超合金构件的表面暴露或者完全移除添加剂层的大多数方法包括使用脱酸、多次喷砂以及后续热染工艺以确保铝化物从超合金构件的表面完全移除。脱酸使用诸如磷酸、硝酸或盐酸的刺激性化学物，其需要特别的设施，以移除添加剂层和扩散层。
因此，在本领域中需要不遭受上述缺点的用于从涂层超合金构件受控地移除添加剂涂层厚度的至少一部分的方法、以及用于修复涂层超合金构件的方法。
发明内容
根据本公开的示例性实施例，提供了一种用于从涂层超合金构件受控地移除扩散涂层的厚度的至少一部分的方法。该方法包括提供涂层超合金构件，该涂层超合金构件包括氧化层、在氧化层与扩散区之间的添加剂层，扩散区位于添加剂层与超合金构件的超合金基底之间。该方法包括通过喷砂而选择地移除氧化层以及添加剂层的一部分。
根据本公开的另一示例性实施例，提供了一种用于修复涂层超合金构件的方法，该涂层超合金构件已经历过高温下的服役。该方法包括提供涂层超合金构件，该涂层超合金构件包括氧化层、在氧化层与扩散区之间的添加剂层，扩散区位于添加剂层与超合金构件的超合金基底之间。该方法包括通过喷砂而选择地移除氧化层以及添加剂层的一部分，其中，移除形成暴露部分。该方法包括施加铝化物涂层至暴露部分。该方法包括在预先选定的高温下进行扩散热处理以在超合金构件上形成修复的防护铝化物涂层。
根据一方面，一种用于从涂层超合金构件受控地移除扩散涂层的厚度的至少一部分的方法包括下列步骤：提供涂层超合金构件，其包括氧化层、在氧化层与扩散区之间的添加剂层，扩散区位于添加剂层与超合金构件的超合金基底之间；和通过喷砂而选择地移除氧化层以及添加剂层的一部分。
优选地，经移除的添加剂层的部分是添加剂层的厚度的约25％至约100％。
优选地，选择性移除的步骤不移除扩散区。
优选地，喷砂使用约30 psi至约50 psi的压力。
优选地，喷砂使用具有约177微米(80目)至约63微米(220目)的砂粒介质。
优选地，喷砂使用包括氧化铝(Al2O3)、碳化硅(SiC)及其组合的砂粒介质。
根据另一方面，提供一种用于修复涂层超合金构件的方法，涂层超合金构件已经历过高温下的服役，该方法包括：提供涂层超合金构件，其包括氧化层、在氧化层与扩散区之间的添加剂层，扩散区位于添加剂层与超合金构件的超合金基底之间；通过喷砂而选择地移除氧化层以及添加剂层的一部分，其中，移除形成暴露部分；施加铝化物涂层至暴露部分；以及在预先选定的高温下进行扩散热处理，以在超合金构件上形成修复的防护铝化物涂层。
优选地，铝化物涂层通过汽相沉积或凝胶工艺而施加。
优选地，经移除的添加剂层的部分是添加剂层的厚度的约25％至约100％。
优选地，喷砂使用约30 psi至约60 psi的压力。
优选地，修复的防护铝化物涂层具有与在涡轮中服役之前的基底的初次涂层基本匹配的涂层微观结构和涂层化学成分。
从下面结合附图对优选实施例的更详细描述，本发明的其它特征和优点将显而易见，附图以示例的方式示出本发明的原理。
附图说明
图1是本公开的经受过高温服役的构件的透视图。
图2是本公开的经受过服役的构件沿图1的方向2-2得到的示意性截面图。
图3是本公开的图2中的构件已被移除氧化层和一部分添加剂层之后的示意图。
图4是本公开的从涂层超合金构件移除添加剂涂层厚度的一部分的示例性方法的流程图。
图5是本公开的修复经受过高温服役的涂层超合金构件的方法的流程图。
图6是将本公开的经修复涂层的化学成分与服役之前的初始涂层构件进行比较的曲线图。
图7是根据本公开的使添加剂层的一部分移除之后的构件的表面上的层的示意图。
图8是带有根据本公开的方法经修复的涂层的构件的表面上的层的示意图。
图9是在任何高温服役之前的新构件的表面上的层的示意图。
图10是根据本公开的包括图7的层以及用于切割的镍镀层(nickel platting)的显微照片。
图11是根据本公开的图8的层以及用于切割的镍镀层的显微照片。
图12是根据本公开的图9的层以及用于切割的镍镀层的显微照片。
在任何可能的情况下，贯穿附图将使用相同的参考标号来表示相同的部件。
附图标记：
10 涂层超合金构件(服役后)
12 翼型件
18 冷却孔
20 扩散涂层(服役后)
22 扩散涂层的厚度(服役后)
40 氧化层
50 添加剂层
52 添加剂层的一部分
54 添加剂层的厚度
56 (添加剂涂层的)暴露部分
60 扩散区
66 镍/铜镀层(显微照片仅用于切取样品以用于保护和在实验室观察层)
70 超合金基底
80 初始涂层基底
82 OEM涂层(在任何服役时间之前)
90 修复的铝化物涂层
400 用于受控移除的方法
401 提供构件
403 选择性地移除氧化层以及添加剂层的一部分
500 用于修复的方法
501 提供构件
503 选择性地移除氧化层以及添加剂层的一部分
505 施加铝化物涂层
507 扩散热处理。
具体实施方式
提供了用于从超合金构件受控地移除添加剂涂层厚度的至少一部分的方法以及用于修复经受过高温服役的涂层超合金构件的方法。本公开通常可适用于通过扩散铝化物涂层来防止热和化学恶劣环境的构件。此类构件的显见示例包括燃气涡轮发动机的高压和低压涡轮喷嘴与叶片、护罩、燃烧器衬套以及增强器硬件。虽然本公开的优点特别适用于燃气涡轮发动机构件，但是本公开的教导普遍适用于可在其上使用扩散铝化物涂层以保护构件免受其环境的任何构件。
本公开的实施例的一个优点包括用于重新涂覆或修复在涡轮中服役后的超合金构件的减少的时间和劳力。本公开的实施例的另一优点是在重新涂覆或修复涡轮中服役后的超合金构件时降低的成本。本公开的实施例的又一优点是，超合金构件上的修复涂层具有与初始制造的超合金构件(其在涡轮中任何服役之前具有防护铝化物涂层)基本相同的化学成分。本公开的实施例的另一优点是，修复涂层的微观结构和化学成分符合工程需求。本公开的实施例的又一优点是，该方法和修复涂层维持尺寸和气流需求并提高修理硬件产量。本公开的实施例的另一优点是，该方法与使用酸的完全剥离修理相比消耗更少的壁厚。
图1绘出在涡轮中服役后的涂层超合金构件10，其可与本公开的方法一起使用且在此图中为翼型件12。如图中所示，冷却孔18出现在翼型件12中，排出空气被迫使通过该冷却孔18以传递来自翼型件12的热量。用于构件10的特别合适的材料包括镍基超合金，但可预见的是，可使用其它材料。虽然描绘为翼型件12，但构件10包括但不限于高压和低压燃气涡轮叶片、静叶或喷嘴、定子和护罩。如图1中所示，在使用寿命后(在超过约800℃(约1500°F)的温度下为约12000小时至约24000小时)，构件10具有可见的氧化层40。
图2是在涡轮中服役约12000小时至约24000小时之后的图1的涂层超合金构件10的截面图。涂层超合金构件10包括超合金基底70上的扩散涂层20。扩散涂层20的典型厚度22为约38.1微米(约1.5毫英寸或密耳)至约101.6微米(约4.0密耳)，或者备选地约45微米至约90微米，或者备选地约50微米至约80微米。扩散涂层20的厚度22包括氧化层40的厚度、添加剂层50的厚度以及扩散区60的厚度。氧化层40一般非常薄且为约5微米至约10微米，或者备选地约6微米至约9微米，或者备选地约7微米至约8微米。添加剂层50位于氧化层40与扩散区60之间。添加剂层50典型地具有约12.7微米(0.5密耳)至约63.5微米(2.5密耳)的厚度54，或者备选地约17.8微米(0.7密耳)至约50.8微米(2.0密耳)，或者备选地约22.9微米(0.9密耳)至约43.1微米(1.7密耳)。添加剂层50包含耐环境的金属间相MAl，其中M是铁、镍或钴，取决于基底材料(如果基底是镍基的，则主要为β(NiAl))。扩散区60在添加剂层50与涂层超合金构件10的超合金基底70之间。扩散区60的厚度变化，且通常为约7.62微米(0.30密尔)至17.78微米(0.70密耳)厚，或者备选地约8.00微米至约16.00微米，或者备选地约9.00微米至约15.00微米。超合金基底70通常包括镍基超合金，但其它超合金是可能的。
如图3中所示，通过喷砂将氧化层40和扩散涂层20的添加剂层50的部分52选择性地从涂层超合金构件10移除。移除添加剂层50的部分52形成添加剂层50的暴露部分56。移除的添加剂层50的部分52是添加剂层50的厚度54的约25％至约100％，或者备选地约25％至约80％，或者备选地约30％至约50％。使用干式喷砂方法来移除添加剂层50的部分52。在喷砂时使用的压力为约30 psi至约60 psi，或者备选地约35 psi至约55 psi，或者备选地约38 psi至约50 psi。用于喷砂的介质是氧化铝(Al2O3)、碳化硅(SiC)及其组合，或者从涂层超合金构件10选择性地移除仅仅添加剂层50的其它介质。砂粒介质的大小为约177微米(80目)至约63微米(220目)，或者备选地约149微米(100目)至约88微米(170目)，或者备选地约149微米(100目)至约105微米(140目)。压力、砂粒介质和砂粒大小的组合允许添加剂层50的部分52的选择性移除。在当前方法中使用的喷砂允许目视检查添加剂层50的部分52的移除。当前方法的喷砂移除很少扩散区60或不移除扩散区60，并且不移除下方超合金基底70的任何部分。
图4是描述方法400的流程图，该方法400用于从涂层超合金构件10(见图3)受控地移除扩散涂层20的厚度22的至少一部分。方法400包括提供在涡轮中服役后的具有扩散涂层20的涂层超合金构件10，步骤401(见图1)。扩散涂层20包括在涂层超合金构件10(见图2)的超合金基底70上的氧化层40、添加剂层50和扩散区60。方法400包括通过喷砂而选择性地移除氧化层40和扩散涂层20的添加剂层50的部分52。干式喷砂在约30 psi至约60 psi下进行，介质为氧化铝(Al2O3)或碳化硅(SiC)，并且介质的大小为约177微米(80目)至约63微米(220目)。通过喷砂移除的添加剂层50的部分52是添加剂层50(见图3)的厚度54的约25％至约100％。当前方法的喷砂移除很少扩散区60或不移除扩散区60，并且不移除下方超合金基底70的任何部分。在选择性地移除的步骤(步骤403)之前，将涂层超合金构件10脱脂或热水洗涤以从涂层超合金构件10的表面移除任何残留的油和脂。在选择性地移除的步骤(步骤403)之后的额外步骤是，通过在构件10的暴露部分56上方使用吹风而从喷砂移除任何剩余的砂粒或碎屑。在选择性地移除的步骤(步骤403)之后的另一额外步骤是，修理涂层超合金构件10。修理涂层超合金构件10包括但不限于点焊、MIG焊接、TIG焊接和钎焊。方法400适用于需要移除铝化物涂层的涂层超合金构件10。例如，涂层超合金构件10包括但不限于叶片、静叶、喷嘴、定子、护罩、动叶及其组合。
图5是描述方法500的流程图，该方法500用于在涂层超合金构件10经历过约800℃或更高温度的服役之后修复涂层超合金构件10。如本文中使用的，修复涂层意味着形成新涂层，其包括现有涂层的剩余部分和新施加的汽相沉积或凝胶铝化物涂层，其中，新修复涂层具有与服役之前的OEM涂层几乎相同的化学成分。该方法包括提供在涡轮中服役后的具有扩散涂层20的涂层超合金构件10，步骤401(见图1)。扩散涂层20包括在涂层超合金构件10(见图2)的超合金基底70上的氧化层40、添加剂层50和扩散区60。方法500包括通过喷砂而选择性地移除氧化层40和添加剂层50的部分52，其中，移除形成暴露部分56，步骤503(见图2)。干式喷砂在约30 psi至约60 psi下进行，介质为氧化铝(Al2O3)或碳化硅(SiC)，并且介质的大小为约177微米(80目)至约63微米(220目)。通过喷砂移除的添加剂层50的部分52是添加剂层50(见图3)的厚度54的约25％至约100％。当前方法的喷砂移除很少扩散区60或不移除扩散区60，并且不移除下方超合金基底70(见图3)的任何部分。可使用目视检查来确定添加剂层50的期望部分52已被移除。扩散区60通常是比添加剂层50(其具有更多无光泽或暗灰色金属磨光)更有光泽的灰色金属，并且可不使用特殊工具而看到。方法500包括施加铝化物涂层66至暴露部分56，步骤505(见图7)。施加铝化物涂层(步骤505)通过任何合适方法进行，例如汽相沉积或凝胶铝化物涂覆工艺。方法500包括在预先选定的高温下进行热处理以在超合金构件10上形成修复的防护铝化物涂层90，步骤507。热处理包括使用炉子来升高超合金构件10的温度而现出基底70的金属，以允许来自扩散区60的材料流到基底70中并与基底材料结合而形成修复的防护铝化物涂层90。方法500的修复防护铝化物涂层90具有与在涡轮中服役之前的新超合金构件80的原始涂层82匹配的涂层微观结构和涂层化学成分(见图6、图8和图9)。
在选择地移除的步骤(步骤503)之前，将涂层超合金构件10脱脂或热水洗涤以从涂层超合金构件10的表面移除任何残留的油和脂。在选择性地移除的步骤(步骤503)之后的额外步骤是，通过在构件10的暴露部分56上方使用吹风而从喷砂移除任何剩余的砂粒或碎屑。在选择性地移除的步骤(步骤503)之后且在施加铝化物涂层的步骤(步骤505)之前的另一额外步骤是，修理涂层超合金构件。方法500适用于需要铝化物涂层移除的涂层超合金构件10，其包括例如但不限于叶片、静叶、喷嘴、定子、护罩、动叶及其组合。
如图6中所示，提供了以下的化学成分比较：重新涂覆的超合金构件10的修复的防护铝化物涂层90(见图8)，在涡轮中任何服役之前的新超合金构件80的原始涂层82(参见图9)，以及涂层超合金构件10的暴露部分56(见图7)。为了制备用于分析的样品，各样品涂覆有镍镀层66，以在切割构件期间保护各涂层免受损害。为了分析不同样品的化学组分，使用配备有能量色散光谱仪(EDS)的扫描电子显微镜(SEM)(见图10至图12)。如由图6中的曲线图显示的，化学组分(即，修复涂层90(见图8)的铝含量)实际上遵循新超合金构件80(见图9和图12的显微照片)的原始涂层82的铝含量。图6中的曲线图提供对于经修复防护铝化物涂层90的支持，该涂层90具有与在涡轮中服役之前的新超合金构件80(见图6、图8和图9)的原始涂层82基本匹配的涂层微观结构和涂层化学成分。
图7是经历过涡轮中服役的涂层超合金构件10的表面上的层的示意图。如图7中所示，已从涂层超合金构件10移除氧化层40和添加剂层的部分。图10是使用SEM得到的显微照片，绘出涂层超合金构件10的层。如通过元素分析(见图6)所证明的，已移除富含铝的层。
图8是带有修复涂层90的构件10的表面上的层的示意图。如图8中所示，修复涂层90包括与基底70相邻的扩散区60。图11是使用SEM得到的显微照片，绘出具有修复涂层90的构件10的层。如通过元素分析(见图6)所证明的，修复涂层90中的铝含量与新超合金构件80的原始涂层82或初次涂层的铝含量大致相同。
图9是具有服役之前的原始涂层82或初次涂层的新超合金构件80的表面上的层的示意图。
虽然已参考优选实施例描述了本发明，但本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可做出各种改变且可对其元件替代等同物。此外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可做出许多修改以使特定情形或材料适应于本发明的教导。因此，本发明并不意图局限于作为用于实施本发明而构思的最佳模式所公开的特定实施例，而是，本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。
Claims (7)
1.一种用于从涂层超合金构件(10)受控地移除扩散涂层(22)的厚度的至少一部分(52)的方法(400)，包括下列步骤：
提供(401)所述涂层超合金构件(10)，其包括氧化层(40)、在所述氧化层(40)与扩散区(60)之间的添加剂层(50)，所述扩散区(60)位于所述添加剂层(50)与所述超合金构件(10)的超合金基底(70)之间；和
通过喷砂而选择地移除(403)所述氧化层(40)以及所述添加剂层(50)的一部分(52)，其中被移除的所述添加剂层的所述部分(52)是所述添加剂层的厚度的25％至80％，并且其中所述移除步骤形成暴露部分(56)；
将铝化物涂层施加到所述暴露部分；并且
以预定的温度进行热处理以在所述超合金构件上形成修复的防护铝化物涂层；
其中，所述铝化物涂层通过凝胶工艺施加到所述暴露部分。
2.根据权利要求1所述的方法(400)，其特征在于，所述选择性移除的步骤(403)不移除所述扩散区(60)。
3.根据权利要求1所述的方法(400)，其特征在于，在所述选择地移除所述氧化层以及所述添加剂层的一部分的步骤之后，还包括使用吹风而从所述喷砂移除任何剩余的砂粒或碎屑。
4.根据权利要求1所述的方法(400)，其特征在于，在所述选择地移除所述氧化层以及所述添加剂层的一部分的步骤之后，还包括修理所述涂层超合金构件。
5.一种用于修复涂层超合金构件(10)的方法(500)，所述涂层超合金构件(10)已经历过高温下的服役，所述方法包括：
提供(501)所述涂层超合金构件(10)，其包括氧化层(40)、在所述氧化层(40)与扩散区(60)之间的添加剂层(50)，所述扩散区(60)位于所述添加剂层(50)与所述超合金构件(10)的超合金基底(70)之间；
通过喷砂而选择地移除(503)所述氧化层(40)以及所述添加剂层(50)的一部分(52)，其中被移除的所述添加剂层的所述部分(52)是所述添加剂层的厚度的25％至80％，其中，移除形成暴露部分(56)；
施加(505)铝化物涂层至所述暴露部分(56)；以及
在预先选定的高温下进行扩散热处理(507)，以在所述超合金构件(10)上形成修复的防护铝化物涂层(90)；
其中，所述铝化物涂层通过凝胶工艺施加到所述暴露部分，所述喷砂使用30psi至50psi的压力和具有177微米(80目)至63微米(220目)的砂粒介质，并且所述喷砂使用包括氧化铝(Al2O3)、碳化硅(SiC)及其组合的砂粒介质。
6.根据权利要求5所述的方法(500)，其特征在于，在所述选择地移除所述氧化层以及所述添加剂层的一部分的步骤之前，还包括将所述涂层超合金构件脱脂或热水洗涤以从所述涂层超合金构件的表面移除任何残留的油和脂。
7.根据权利要求5所述的方法(500)，其特征在于，所述修复的防护铝化物涂层(90)具有与在涡轮中服役之前的基底(70)的初次涂层基本匹配的涂层微观结构和涂层化学成分。
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