CN104722752B - 浆料和涂敷方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种浆料和涂敷方法。所述浆料包括，按重量计，10%到40%之间的金属粉末；10%到15%之间的活化剂；10%到20%之间的胶黏剂；10%到20%之间的增稠剂；不超过30%的陶瓷；以及不超过25%的粘合剂。所述涂敷方法包括：提供浆料，所述浆料按重量计包括10%到40%之间的金属粉末，10%到15%之间的活化剂，10%到20%之间的胶黏剂，10%到20%之间的增稠剂，不超过30%的陶瓷，以及不超过25%的有机聚合物粘合剂；提供基底；将所述浆料施涂在所述基底的表面上，以形成浆料涂层；干燥所述基底上的所述浆料涂层；烘烤所述基底以及所述浆料涂层；以及固化所述基底上的所述浆料涂层。所述固化所述基底上的所述浆料涂层可将所述浆料中的所述金属粉末的金属元素转移至所述基底，以形成所述基底上的涂层。
Description
技术领域
本发明涉及浆料组合物和涂敷方法。具体来说，本发明涉及一种用于扩散涂层的浆料组合物以及用于施涂所述浆料组合物的涂敷方法。
背景技术
通常，具有接近受限和/或平滑表面的部件需要具有涂层。在这些部件上形成完全涂层和/或均匀分布的涂层可能十分困难和低效。通常，具有接近受限表面的部件，例如，蜂巢形状部件，需要扩散涂层。
扩散涂敷期间，涂层材料沿接近受限的部分行进，以形成涂层。例如，涂层材料穿过蜂巢形状部件的每个六角形，以在每个六角形内的表面上形成涂层。但是，当要涂敷的部件表面包括平滑表面时，涂层材料可能在该表面的各个部分上滑动而不粘附，导致涂层不完整或者表面上有多个部分未被涂敷。
一种改进涂层的方法包括多重涂敷涂层材料。这通常可能导致涂层的厚度不均匀，同时提高涂敷工艺的成本。另一种改进涂层的方案包括添加额外的金属粉末，以增加涂层材料的厚度。较厚的凝胶将会增加涂层材料的成本，因此增加涂敷工艺的成本。
所属领域中需要不存在一个或多个以上缺点的涂层材料。
发明内容
在一个示例性实施例中，一种在部件表面上形成扩散涂层的浆料包括：按重量计，10%到40%之间的金属粉末；10%到15%之间的活化剂；10%到20%之间的胶黏剂；10%到20%之间的增稠剂；不超过30%的陶瓷；以及不超过25%的粘合剂。
在另一个示例性实施例中，一种用于在部件表面形成扩散涂层的浆料包括：按重量计，10%到40%之间的Cr-Al粉末；10%到15%之间的活化剂；10%到20%之间的聚环氧乙烷；10%到20%之间的增稠剂；不超过30%的陶瓷；以及不超过25%的有机聚合物粘合剂。
在另一个示例性实施例中，一种涂敷方法包括：提供浆料，所述浆料包括，按重量计，10%到40%之间的金属粉末；10%到15%之间的活化剂；10%到20%之间的胶黏剂；10%到20%之间的增稠剂；不超过30%的陶瓷；以及不超过25%的粘合剂；提供基底；将所述浆料施涂在所述基底的表面上，以形成浆料涂层；干燥所述基底上的所述浆料涂层；烘烤所述基底以及所述浆料涂层；以及固化所述基底上的所述浆料涂层。固化所述基底上的所述浆料涂层会将所述浆料中的所述金属粉末的金属元素转移至所述基底，以形成所述基底上的涂层。
本发明提供下述技术方案：
1.一种用于在部件表面形成扩散涂层的浆料，所述浆料包括，按重量计：
10%到40%之间的金属粉末；
10%到15%之间的活化剂；
10%到20%之间的胶黏剂；
10%到20%之间的增稠剂；
不超过30%的陶瓷；以及
不超过25%的粘合剂。
2.根据项目1所述的浆料，其中所述部件包括超合金。
3.根据项目1所述的浆料，其中所述金属粉末包括金属铝合金。
4.根据项目1所述的浆料，其中所述活化剂包括卤化物活化剂。
5.根据项目4所述的浆料，其中所述卤化物活化剂选自由以下项构成的群组：氯代甲烷、氯化铵、氟化铵和溴化铵。
6.根据项目1所述的浆料，其中所述胶黏剂选自由以下项构成的群组：湿胶黏剂和聚醚。
7.根据项目6所述的浆料，其中所述聚醚进一步包括聚环氧乙烷。
8.根据项目1所述的浆料，其中所述增稠剂包括氧化铝。
9.根据项目1所述的浆料，其中增大所述增稠剂的量会增大所述浆料的粘度。
10.根据项目1所述的浆料，其中增大所述胶黏剂的量会增大所述浆料的粘度。
11.根据项目1所述的浆料，其中所述陶瓷包括选自由以下项构成的群组的陶瓷粉末：氧化锆、氮化硼、二氧化钛和氮化铝。
12.根据项目1所述的浆料，其中所述粘合剂包括有机聚合物。
13.根据项目1所述的浆料，其中增大所述粘合剂的量会减小所述浆料的粘度。
14.一种用于在部件表面形成扩散涂层的浆料，所述浆料包括，按重量计：
10%到40%之间的Cr-Al粉末；
10%到15%之间的活化剂；
10%到20%之间的聚环氧乙烷；
10%到20%之间的增稠剂；
不超过30%的陶瓷；以及
不超过25%的有机聚合物粘合剂。
15.一种涂敷方法，所述涂敷方法包括：
提供包括项目1中所述组分的浆料；
提供基底；
将所述浆料施涂在所述基底的表面上，以形成浆料涂层；
干燥所述基底上的所述浆料涂层；
烘烤所述基底和所述浆料涂层；以及
固化所述基底上的所述浆料涂层；
其中固化所述基底上的所述浆料涂层会将所述浆料中的所述金属粉末的金属元素转移至所述基底，以形成所述基底上的涂层。
16.根据项目15所述的涂敷方法，其进一步包括增大所述浆料中的所述胶黏剂的量，以增大所述浆料的粘度以及所述浆料在所述基底的所述表面上的移动速率。
17.根据项目15所述的涂敷方法，其中烘烤所述基底和所述浆料涂层进一步包括烧掉所述粘合剂和所述胶黏剂。
18.根据项目17所述的涂敷方法，其进一步包括在烘烤所述基底和所述浆料涂层之后从所述浆料去除所述陶瓷。
19.根据项目18所述的涂敷方法，其中从所述浆料去除所述陶瓷进一步包括使用液体冲洗所述基底和所述浆料涂层。
20.根据项目15所述的涂敷方法，其进一步包括形成涂敷了的基底而不对基底进行后加热处理。
结合附图阅读以下优选实施例的更详细说明之后，可以显而易见地了解到本发明的其他特征和优点，其中附图以示例方式示出本发明的原理。
附图说明
图1示出了根据本发明一个实施例的基底的透视图。
图2是在形成涂层期间和在形成涂层期之后，形成扩散涂层的基底上的浆料涂层的截面图。
图3是根据本发明一个实施例移除了涂敷残留物的基底上的扩散涂层的截面图。
图4示出了根据本发明一个实施例的形成于扩散涂层上的氧化层的截面图。
图5是根据本发明一个实施例的涂敷方法的流程图。
在任何可能的情况下，整个附图中将使用相同的参考数字来表示相同的部件。
具体实施方式
本发明提供了一种浆料组合物和涂敷方法。与不使用本说明书中所述的一个或多个特征的浆料组合物和涂敷方法相比，本发明的实施例会降低成本、提高涂敷平滑表面的效率、增大平滑表面的涂层覆盖度、提高涂敷蜂巢形状产品的效率；在基底平滑表面上提供更均匀的涂层厚度；提供涂敷了的基底而不进行后加热处理；或者它们的组合。
参见图1和图2，在一个实施例中，提供了浆料100，用于在基底101的基底表面103上形成扩散涂层102。基底101包括用于施涂扩散涂层102的任何适当基底，例如，但不限于，具有平滑表面和/或难以到达表面的基底、受益于扩散涂层的部件；或者它们的组合。例如，适当基底包括但不限于蜂巢形状密封件110、管路、管道或者具有冷却孔的涡轮机部件。本说明书中所用的平滑表面包括具有平均粗糙度不超过约0.40微米的表面光洁度的任何表面。
在一个实施例中，基底101由任何适当的材料构成，包括但不限于诸如铁、镍或钴基超合金等超合金。浆料100在基底表面103上形成扩散涂层102，以减小或消除基底表面103在有害环境中的暴露程度。基底表面103包括但不限于基底101的外表面以及难以到达的表面，例如蜂巢形状密封件110的每个蜂巢形状部分的壁，或者管路、管道或冷却孔的内表面。在另一个实施例中，扩散涂层102是铝化物涂层，当在氧化气氛中经历足够高的温度时，扩散涂层102上将形成氧化铝（Al2O3）保护层或氧化皮（参见图4）。氧化铝层或氧化皮会抑制扩散涂层102及下方基底101的氧化。
浆料100包括金属粉末、活化剂、胶黏剂、增稠剂、陶瓷和粘合剂。在另一个实施例中，浆料100包括但不限于按重量计，10%到40%之间的金属粉末；10%到15%之间的活化剂；10%到20%之间的胶黏剂；10%到20%之间的增稠剂；不超过30%的陶瓷；以及不超过25%的粘合剂。增加增稠剂的量会增加浆料100的粘度，而增加粘合剂的量会减小浆料的粘度。胶黏剂和增稠剂会一起增加浆料100与基底表面103之间的粘附度。在另一个实施例中，粘度增大会增加浆料100对具有平滑表面的基底101的粘附度。
浆料100中的金属粉末包括用于在基底表面103上形成扩散涂层102的任何合适金属粉末。适当含铝金属粉末包括但不限于诸如金属铝合金等铝化物化合物。例如，金属铝合金包括金属铝与铬、钴、铁和/或另一种铝合金剂的合金，其具有足够更高的熔点，使得合金剂不会在扩散铝化合工艺过程中淀积，而是用作施主材料的铝惰性载体。在基底表面103上施涂浆料100之后，根据如下详述的涂敷方法200的固化浆料100会蒸发活化剂并且将金属粉末中的金属元素转移至基底表面103以形成扩散涂层102。例如，在一个实施例中，固化浆料100会将铬-铝金属粉末的铬和铝元素转移至基底表面103，以在基底101上形成铝化合物涂层。
所述活化剂包括用于与金属粉末反应以形成挥发卤化物的任何合适活化剂，所述挥发卤化物在基底表面103反应并且随后扩散至基底表面103以形成扩散涂层102。适当的活化剂包括但不限于卤化物活化剂，例如，氯化铵（NH4Cl）、氟化铵（NH4F）、溴化铵（NH4Br）和氯代甲烷（CH4Cl）。例如，在一个实施例中，氯代甲烷与金属粉末中的铝反应，以形成挥发卤化铝（例如，AlCl3），所述挥发卤化铝在基底表面103反应以沉积铝，其随后扩散至基底101以形成扩散铝化物涂层。铝化物涂层的类型取决于活化剂的选择。例如，氯化物活化剂促进较慢反应以产生较薄涂层，而氟化物活化剂可促进能够产生较厚涂层的较快反应。
所述胶黏剂包括用于增大浆料100与基底101之间的粘附度和/或增大浆料100的粘度的任何适当胶黏剂。在一个实施例中，适当胶黏剂包括但不限于湿胶黏剂。例如，在另一个实施例中，所述胶黏剂包括聚醚，例如聚环氧乙烷，其是可溶于水的。所述增稠剂包括用于增大浆料100的粘度的任何适当化合物。例如，在一个实施例中，增稠剂包括氧化铝。增大增稠剂的量以增大浆料100的粘度会允许在不改变金属粉末的量的情况下增大浆料100的粘度。
所述粘合剂包括任何适当的铜焊粘合剂，例如，但不限于有机聚合物。在一个实施例中，所述铜焊粘合剂减小浆料的粘度，以减小或消除金属粉末的凝结并且增大浆料100的均质性。在另一个实施例中，粘合剂在扩散处理温度以下的温度在活化剂未与金属粉末反应的情况下完全烧掉。
所述陶瓷包括用于减小或消除金属粉末的烧结的任何适当的陶瓷粉末。适当的陶瓷粉末包括但不限于氧化锆、氧化铝、氮化硼、二氧化钛、氮化铝或者它们的组合。通过减少或消除金属粉末的烧结，所述陶瓷有助于通过金属粉末形成均匀的涂层和/或便于去除在涂敷方法200期间形成的涂敷残留物111。例如，将陶瓷混入浆料100会减少或消除金属粉末中的颗粒粘结在一起，其会增大扩散涂层102的均匀度和/或便于去除涂敷残留物111。
在一个实施例中，金属粉末、增稠剂、活化剂和陶瓷包括约+200目（74微米）到约-100目（149微米）之间的颗粒大小。每个组分包括与其他组分基本相似的颗粒大小。
参见图1到图5，在一个实施例中，涂敷方法200包括提供浆料100（步骤210）；提供基底101（步骤220）；将浆料100施涂在基底表面103上以形成浆料涂层106（步骤230）；干燥基底101上的浆料涂层106（步骤240）；烘烤基底101和浆料涂层106（步骤250）；以及固化基底101上的浆料涂层106（步骤260），以形成包括扩散涂层102的涂敷了的基底。
浆料100的粘度和/或浆料100中的胶黏剂提供了粘附到平滑表面以在具有平滑表面的基底表面103上提供完整或者基本完整的浆料涂层的稠度。浆料100的稠度允许通过各种方法将浆料100施涂在基底表面103上，包括但不限于喷涂、浸涂、刷涂、喷射或者其组合。例如，在一个实施例中，基底101浸入浆料100中以将浆料100施涂（步骤230）到基底表面103上。在另一个实施例中，增大浆料100中增稠剂的量会增大浆料100的粘度，这会减小浆料100在基底表面103上移动的速率。减小浆料100在基底表面103上流动的速率会增大浆料涂层106在基底表面103上的覆盖度。
干燥基底101上的浆料涂层106（步骤240）任意适当的时间量，之后的烘烤基底101和浆料涂层106（步骤250）会烧掉粘合剂和胶黏剂。用于干燥基底101上的浆料涂层106（步骤240）的适当时间量包括但不限于10小时、5小时、5小时到10小时之间、4小时、2小时、2小时到5小时之间、1小时或者其任何组合、子组合、范围或子范围。烘烤（步骤250）包括将基底101和浆料涂层106加热到用于烧掉有机粘合剂和有机胶黏剂的任何适当温度，例如但不限于300℉到800℉（150℃到425℃）之间的温度。
一旦粘合剂和胶黏剂已经烧掉，则将基底101和浆料涂层106加热到任何适当的扩散处理温度以形成涂敷了的基底。适当的扩散处理温度包括但不限于1200℉到2100℉（650℃到1150℃）之间。将基底101和浆料涂层106加热到扩散温度会通过使活化剂挥发并且将浆料100中的金属粉末的金属元素转移至基底101，从而固化（步骤260）基底101上的浆料涂层106。在一个实施例中，金属元素扩散至基底101，以形成扩散涂层102的至少一部分。例如，在一个实施例中，固化（步骤260）期间，活化剂挥发、形成卤化铝并且铝在基底表面103沉积以形成铝化物涂层。金属元素扩散以形成扩散涂层102来用扩散涂层102的表面处的涂敷了的基底表面104替代基底表面103。在一个实施例中，固化（步骤260）会形成涂敷了的基底而不对基底101进行后加热处理。
在一个实施例中，基底101可保持在扩散处理温度任何适当的持续时间，以形成扩散涂层102。适当的持续时间包括但不限于不超过10小时、不超过8小时、1小时到8小时之间、4小时或者其任何组合、子组合、范围或子范围。在另一个实施例中，扩散处理温度经过选择以形成扩散涂层102，所述扩散涂层包括向内部分107和向外部分108。向内部分107从基底表面103延伸至基底101，作为接近基底表面103的基底101的局部区域中的组分梯度和元素溶解度的改变的结果，在涂敷反应期间形成各种金属间相和亚稳相。向外部分108形成于向内部分107之上并且包括耐环境金属间相，例如MAl，其中M是铁、镍或钴，具体取决于基底101的材料。向外部分108的化学性质可通过向浆料中加入诸如铬、硅、铂、铑、铪、钇和锆等元素来改变，以用于改变扩散涂层102的环境和物理性质。
向内部分107包括向内涂层厚度117并且向外部分108包括向外涂层厚度118。向内涂层厚度117和向外涂层厚度118共同形成扩散涂层102的预定厚度112。预定厚度112包括但不限于20微米到135微米之间、35微米到105微米之间、45微米到90微米之间、50微米到80微米之间或者其任何组合、子组合、范围或子范围。在一个实施例中，向内涂层厚度117包括但不限于扩散涂层102的预定厚度112的75%到98%之间。在另一个实施例中，向外涂层厚度118包括但不限于扩散涂层102的预定厚度112的2%到25%之间。
在一个实施例中，将浆料100施涂（步骤230）到基底101上会形成厚度不均匀的浆料涂层106。在另一个实施例中，厚度不均匀的浆料涂层106可形成厚度均匀或基本均匀的扩散涂层102，例如预定厚度112。例如，关于施涂（步骤230）到基底101上以形成厚度在250微米到25000微米及以上之间的浆料涂层106的浆料100，其能够产生具有变化低至10微米或以下的厚度的扩散涂层102。由厚度不均匀地施涂（步骤230）的浆料100来形成厚度均匀或基本均匀的涂层，这会允许通过本说明书中所述的任何涂敷方法（例如，浸涂、刷涂、喷射）形成具有均匀或基本均匀的厚度的扩散涂层102。
改变扩散处理温度会改变向内涂层厚度117和向外涂层厚度118，以改变基底101的性质。例如，在升高的扩散处理温度下，向内涂层厚度117可以形成扩散涂层102的预定厚度112的90%。与向外部分108相比较，对应于向内涂层厚度117的向内部分107可以提供减小的延展性、提高的金属间相的稳定性和/或提高的氧化和LCF性质。在一个实施例中，蜂巢形状密封件110上的向内部分107的减小的延展性会增大耐磨性，从而延长转子寿命。在另一个实施例中，金属粉末和活化剂的特定类型和量会影响在上述扩散处理温度范围内产生的向内涂层或向外涂层的量。
在一个实例中，浆料100包括，按重量计，40%的金属粉末、10%作为活化剂的NH4Cl、30%的补砂（stop-off，即，胶黏剂和增稠剂的混合物）、10%的陶瓷和10%的粘合剂，其在2000℉的温度下固化4小时，以形成具有1.1密耳（约28微米）到1.6密耳（约41微米）之间的预定厚度112的扩散涂层102。向内涂层厚度为预定厚度112的75%到95%之间，而向外涂层厚度118为预定厚度112的5%到25%之间。
参见图2和图3，在一个实施例中，形成扩散涂层102期间，向外部分108上形成涂敷残留物111。涂敷残留物111包括浆料涂层106的剩余物，例如但不限于由燃烧粘合剂和胶黏剂而形成的灰烬、陶瓷粉末剩余部分和/或金属粉末剩余部分。由于金属粉末在涂敷工艺期间会经历化学组分改变，因此金属粉末剩余部分包括与金属粉末相比的不同组分。在另一个实施例中，涂敷残留物111通过任何适当方法从基底表面103去除，例如但不限于用流体（例如，水、压缩空气）喷洒基底101、用液体（例如，水）冲洗基底101、摇动基底101或者其组合。来自粘合剂和胶黏剂的灰烬、以及陶瓷粉末剩余部分可减少或消除金属粉末的烧结，其有助于去除涂敷残留物111。
参见图4，在另一个实施例中，扩散涂层102包括形成于对外层108上的氧化层109。氧化层109通常非常薄并且包括在5微米到10微米之间、6微米到9微米之间、7微米到8微米之间或者其任何组合、子组合、范围或子范围内的氧化层厚度119。
尽管已参考优选实施例来描述本发明，但是所属领域中的技术人员将了解，可以在不脱离本发明范围的情况下做出多种变动，并且可以使用等效物来替代其元件。另外，在不背离本发明基本范围的情况下，可以做出许多修改以使具体情况或材料适应本发明的教示。因此，本发明并不限于作为实施本发明的最佳模式公开的特定实施例，本发明将包括落在随附权利要求书范围内的所有实施例。
Claims (19)
1.一种用于在部件表面形成扩散涂层的浆料，所述浆料包括，按重量计：
10％到40％之间的金属粉末；
10％到15％之间的活化剂；
10％到20％之间的胶黏剂；
10％到20％之间的增稠剂；
不超过30％的陶瓷；以及
不超过25％的粘合剂；
其中增大所述粘合剂的量会减小所述浆料的粘度。
2.根据权利要求1所述的浆料，其中所述部件包括超合金。
3.根据权利要求1所述的浆料，其中所述金属粉末包括金属铝合金。
4.根据权利要求1所述的浆料，其中所述活化剂包括卤化物活化剂。
5.根据权利要求4所述的浆料，其中所述卤化物活化剂选自由以下项构成的群组：氯代甲烷、氯化铵、氟化铵和溴化铵。
6.根据权利要求1所述的浆料，其中所述胶黏剂选自由以下项构成的群组：湿胶黏剂和聚醚。
7.根据权利要求6所述的浆料，其中所述聚醚进一步包括聚环氧乙烷。
8.根据权利要求1所述的浆料，其中所述增稠剂包括氧化铝。
9.根据权利要求1所述的浆料，其中增大所述增稠剂的量会增大所述浆料的粘度。
10.根据权利要求1所述的浆料，其中增大所述胶黏剂的量会增大所述浆料的粘度。
11.根据权利要求1所述的浆料，其中所述陶瓷包括选自由以下项构成的群组的陶瓷粉末：氧化锆、氮化硼、二氧化钛和氮化铝。
12.根据权利要求1所述的浆料，其中所述粘合剂包括有机聚合物。
13.一种用于在部件表面形成扩散涂层的浆料，所述浆料包括，按重量计：
10％到40％之间的Cr-Al粉末；
10％到15％之间的活化剂；
10％到20％之间的聚环氧乙烷；
10％到20％之间的增稠剂；
不超过30％的陶瓷；以及
不超过25％的有机聚合物粘合剂；
其中增大所述有机聚合物粘合剂的量会减小所述浆料的粘度。
14.一种涂敷方法，所述涂敷方法包括：
提供包括权利要求1中所述的浆料；
提供基底；
将所述浆料施涂在所述基底的表面上，以形成浆料涂层；
干燥所述基底上的所述浆料涂层；
烘烤所述基底和所述浆料涂层；以及
固化所述基底上的所述浆料涂层；
其中固化所述基底上的所述浆料涂层会将所述浆料中的所述金属粉末的金属元素转移至所述基底，以形成所述基底上的涂层。
15.根据权利要求14所述的涂敷方法，其进一步包括增大所述浆料中的所述胶黏剂的量，以增大所述浆料的粘度以及所述浆料在所述基底的所述表面上的移动速率。
16.根据权利要求14所述的涂敷方法，其中烘烤所述基底和所述浆料涂层进一步包括烧掉所述粘合剂和所述胶黏剂。
17.根据权利要求16所述的涂敷方法，其进一步包括在烘烤所述基底和所述浆料涂层之后从所述浆料去除所述陶瓷。
18.根据权利要求17所述的涂敷方法，其中从所述浆料去除所述陶瓷进一步包括使用液体冲洗所述基底和所述浆料涂层。
19.根据权利要求14所述的涂敷方法，其进一步包括形成涂敷了的基底而不对基底进行后加热处理。
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