CN105705669B - 用于产生扩散铝化物涂层的方法和设备 - Google Patents

用于产生扩散铝化物涂层的方法和设备 Download PDF

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Abstract

公开了用于将扩散铝化物材料施加到各种零件的内部区段上的独特且改善的方法和涂布设备。将源材料涂布到细长构件(诸如丝或棒)上，随后在特定位置将所述细长构件插入待涂布的部件的中空空腔中。涂布方法和所得涂层的改善包括不需要用于氧化物和/或残余素瓷去除的后涂布步骤的涂布复杂几何形状和涂布具有均匀厚度的部件的能力。

Description

用于产生扩散铝化物涂层的方法和设备
发明领域
本发明涉及用于将受控量的扩散涂层材料施加到诸如燃气涡轮部件的内部区段(internal section)的内部空腔的表面上的新颖且改善的方法和涂布设备。
发明背景
铝化物涂层是广泛用于保护诸如镍、钴、铁和铜合金的金属基底表面的扩散涂层。铝化物涂层基于镍和钴与铝在基底表面反应时形成的金属间化合物。金属间化合物是二元金属体系中的中间相，其具有由二元组分之间的特定元素(原子)比实现的特征晶体结构。
铝基金属间化合物(即，铝化物)耐高温降解。因此，它们作为优选的保护性涂层出现。保护性铝化物涂层为各种最终用途应用提供高温氧化和腐蚀保护。这些涂层对于诸如燃气涡轮发动机的航空航天部件的保护特别有效。
燃气涡轮发动机包括各种部件，诸如轮叶(blade)、叶片(vane)和燃烧室壳(combustor case)。所述部件通常由镍和钴合金制成。在运行期间，这些部件通常位于涡轮的热段并暴露于来自涡轮燃烧过程的热气体，在此可发生氧化和腐蚀。具体地讲，在组成零件(component part)表面的氧化和腐蚀反应可引起金属损耗和壁厚损失。金属的损失迅速地增加了各组成零件上的应力并可导致零件故障。因此将铝化物涂层施加到这些组成零件上，以通过提供对于氧化和腐蚀的抵抗力来保护零件的结构完整性。
在铝化物涂布过程期间还必须维持在制造期间施加在零件上的精细的尺寸公差。铝化物涂布过程涉及在含铝源材料的存在下加热金属基底表面。所述含铝源材料包括卤化物活化剂和铝“供体”或源合金。如此处和说明书通篇所用的，应理解术语“供体”和“源”可替换使用。当加热所述材料时，供体合金和活化剂反应产生铝蒸汽。汽化的铝转移到金属基底表面并扩散进入金属表面，产生金属铝合金的保护性外层。铝与基底反应形成金属间化合物。还形成含铝的附加层(additive layer)。
铝化物涂布过程一般涉及涂布部件的外部和内部区段。一类铝化物涂层通常用于涂布外表面而第二类铝化物用于涂布内部区段。对于零件的不均匀的或过厚的扩散涂布层可有效地起到降低壁厚并因此降低零件强度的作用。此外，过厚的铝化物涂层(特别是在涡轮轮叶的前缘和后缘处，高应力主要在此发生)可导致疲劳裂纹。
此外，部件通常构造有用于输送内部冷却空气的空心通道。因此，中空部件的内表面必须以不仅产生均匀厚度的涂层、而且使得沿着所述内表面的冷却空气通道不被堵塞的方式来涂布。航空航天工业中的进步已导致燃气涡轮部件被设计成沿着内部空腔的表面具有越来越复杂的几何形状，从而使得均匀涂布此类表面的能力比以前遇到的更具挑战性。
用于将铝化物涂层施加到中空部件的内表面上的一种技术依赖于利用渗铝粉末包装(pack)将供体和活化剂直接施加到内表面上。该包装技术涉及利用铝粉，其与活化剂诸如氟化铝或氟化铵混合。将待涂布的零件以确保所述零件被铝基粉末完全包围的方式浸入具有活化剂的该粉末中。还迫使铝基粉末进入零件的内部区段，并此后加热以使粉末熔融并扩散进入表面。然而，不合意的残余涂层(其中一些在本工业中可称为“素瓷”)可能难以从冷却空气孔和内部通道中去除。如此处和说明书通篇所用的“素瓷”意欲包括氧化的材料，包括污垢(scale)(例如AlxOy)；供体材料组分(例如卤化物活化剂和供体源材料)；和由供体材料组分的副反应产生的副产物，包括含卤化物的活化剂与大气气体的副产物(例如AlxNy) –所有这些在涂布过程期间形成并变得不合意地结合到所得铝化物涂层中。素瓷可导致空气流的限制。因此，所述零件必须被报废，从而导致材料和生产损耗。
在另一已知技术中，液相浆料渗铝法已被用于铝化物涂层的施加。这涉及将液相浆料直接施加到表面上。通过在非氧化气氛或真空中在介于1600-2000 ºF的温度下加热零件来实现扩散的铝化物的形成。加热使金属在浆料中熔融并允许铝进入基底表面的反应和扩散。然而，液相浆料渗铝法遭受与固体渗铝法(pack aluminization process)相同的缺陷。总地来说，归因于供体和活化剂熔化或烧结至零件表面的风险，直接施加的包装和浆料二者都造成困难。此外，两种技术都产生含在内部空腔内且难以去除的残余涂层或素瓷。
其它技术包括化学气相沉积(CVD)或汽相铝化物涂布法，由此在零件的内部区段的外部产生汽化的铝化物涂层，并此后引导蒸汽流进入零件的内部区段。CVD或汽相涂布是成问题的，因为它们需要至内表面的渗铝气体的恒定补充流，其受到部件几何形状的影响并需要复杂的管道工程和气体控制。此外，还未证明常规CVD和汽相涂布方法在涂布循环期间能够以与正涂布的外部区段相同的速率完全涂布零件的内部区段内的所有需要的表面。这可导致未涂布的表面。随着各种工业技术(诸如航空航天和能源部门内)的进步，部件具有越来越复杂的几何形状，沿着内部区段的不完全的铝化物覆盖的问题已变得甚至更成问题。
鉴于使用常规铝化物涂布方法的缺陷，存在未被满足的对于可以简化的方式有效涂布具有复杂几何形状的内表面的铝化物涂布方法的需求。本发明的其它优势和应用对于本领域普通技术人员将变得显而易见。
发明内容
本发明可包括以各种组合的以下方面中的任何种，并还可包括以书面描述的下述本发明的任何其它方面。
在第一方面中，提供施加铝化物涂层的方法。涂布方法包括提供具有外部区段和内部区段的部件。内部区段的特征是限定内部空腔的一个或更多个内表面。还提供至少部分由对应于所述部件的内部区段的尺寸和形状限定的细长构件。所述细长构件用铝基浆料施加到细长构件上。将细长构件引导通过所述部件的开口并随后安置到所述空腔中与一个或更多个内表面的每一个隔开的位置。向所述部件和构件施加热。在所述内部区段内产生汽化的铝并将其引导向一个或更多个内表面。使汽化的铝扩散进入一个或更多个表面。铝与一个或更多个表面反应以形成铝化物涂层。
在第二方面中，提供施加铝化物涂层的方法。涂布方法包括提供具有外部区段和内部区段的部件，其中所述内部区段的特征是限定第一内部空腔和第二内部空腔的一个或更多个内表面。提供第一细长构件。第一细长构件至少部分由对应于第一内部空腔的尺寸和形状限定。将第一铝基浆料施加到所述第一细长构件上。第二细长构件至少部分由对应于第二内部空腔的尺寸和形状限定。将第二铝基浆料施加到所述第二细长构件上。将第一细长构件引导进入第一内部空腔。将第一细长构件安置在所述第一空腔内与限定第一内部空腔的一个或更多个内表面的每一个隔开的第一位置。将第二细长构件引导进入第二内部空腔并随后安置在第二空腔内与限定第二内部空腔的一个或更多个内表面的每一个隔开的第二位置。向所述部件、第一细长构件和第二细长构件施加热。在第一内部空腔和第二内部空腔的每一个内分别产生第一汽化铝和第二汽化铝。将第一汽化铝和第二汽化铝引导向一个或更多个内表面。第一汽化铝和第二汽化铝扩散进入一个或更多个表面。第一汽化铝与限定第一内部空腔的一个或更多个表面反应以形成第一铝化物涂层。第二汽化铝与限定第二内部空腔的一个或更多个表面反应以形成第二铝化物涂层。
在第三方面中，提供用于将渗铝涂层施加到部件的内部区段上的涂布设备。所述设备包含细长构件，其特征是第一末端、第二末端和在第一末端和第二末端之间延伸的一个或更多个表面。细长构件布置在部件的内部空腔内的以下位置：其中使得一个或更多个表面不接触待涂布的内部区段的任何内表面。细长构件的特征是对应于部件的内部区段的几何形状的尺寸和形状。细长构件的一个或更多个表面涂布有铝基浆料。所述浆料包含活化剂、粘合剂和铝供体浆料。所述一个或更多个表面延伸进入部件的内部空腔。细长构件的第一末端靠近开口，通过该开口插入细长构件。细长构件的第二末端延伸到夹具组件。所述夹具组件机械固定至细长构件的第二末端和所述部件。在施加渗铝涂层期间夹具维持细长构件不动。
附图简述
结合附图从本发明的优选实施方式的以下详述将更好地理解本发明的目的和优势，其中在整个附图中相同的数字代表相同的特征，且其中：
图1显示按照本发明原理的铝化物涂布方法的示意图；
图2a显示与夹具组件机械啮合的细长构件；
夹具(fixture)2b显示图2a与置于细长构件上的燃气涡轮部件组合的设备，其中所述部件将沿着其内部区段被涂布；
图3a、3b和3c显示涂布有通过常规浆料相渗铝法制备的铝化物涂层的中空管的横截面显微照片；
图3d、3e和3f显示涂布有按照本发明原理的铝化物涂层的中空管的横截面显微照片；
图4a显示在涂布管的一个末端获得的所述管的横截面样品的图3c的放大的显微照片；
图4b显示在涂布管的一个末端获得的所述管的横截面样品的图 3f 的放大的显微照片；及
图5显示通过标准汽相渗铝法和本发明的涂布方法涂布的铝化物涂布的燃气涡轮叶片的厚度分布的对比。
发明详述
结合(in connection)从本发明的优选实施方式的以下详述将更好地理解本发明的目的和优势。本公开涉及用于在部件的内部区段上形成铝化物扩散涂层的新颖的技术。本发明的方法特别适合于具有复杂几何形状的部件，其中已证明常规技术不能完全涂布全部需要的内表面。本文以各种实施方式并关于本发明的各种方面和特征陈述了本公开。
通过以下详述更好地理解本发明的各种要素的关系和作用。所述详述考虑了各种排列和组合的特征、方面和实施方式，因为它们在本公开的范围内。因此本公开可指定为包含以下、由以下构成或基本由以下构成：这些特定特征、方面和实施方式的此类组合和排列中的任何种，或其选定的一种或更多种。
现在将结合图1-5来描述本发明。所述图显示了用于施加铝化物涂层的改善的且新颖的方法。如将解释的，所述方法消除了常规渗铝法的缺陷，同时简化了可制备涂层的方式。此外，本发明产生与通过常规渗铝法制备的铝化物涂层相比具有改善的性质的铝化物涂层。
图1显示用于将铝化物涂层施加到部件的选择的内表面上的一般过程。图1中显示的部件，通过举例方式，是具有外表面和内表面的中空管状结构，其优选由金属合金诸如镍和/或钴形成。该中空管可定义为具有外部区段和内部区段。外部区段一般施加有铝化物涂层，诸如通过举例方式，铂铝化物材料。部件的内部区段施加有铝化物涂层，诸如简单铝化物、铬铝化物和含有诸如Hf、Y、Zr和Si元素的改性铝化物。内部区段包括限定内部空腔或容积的一个或更多个内表面。内部区段可具有常规渗铝法可能不能整体上有效涂布的拥有某形状、尺寸和/或表面纹理图案的复杂的几何形状。
仍参考图1，显示细长构件布置在中空管的内部空腔内。细长构件提供用于将铝化物材料涂布到中空管的内表面上的源。细长构件具有对应于中空管的内部区段的几何形状的尺寸和形状。细长构件的特征为第一末端、第二末端和在第一末端和第二末端之间延伸的曲线表面。如图1中所示，细长构件位于中空管内以使得曲线表面不接触待涂布的中空管的内部区段的任何内表面。
细长构件的曲线表面显示延伸通过中空管的内部空腔。曲线表面施加有铝基浆料。该浆料含有待涂布到部件的内表面上的铝源或供体材料。铝基浆料包含铝供体材料，其可包括，通过举例方式，铝和铝合金。合适的铝合金的实例包括铬铝、钴铝和硅铝。优选地，在将细长构件插入并放置在部件(例如，中空管)的内部区段内之前，将细长构件用铝基浆料预涂布、干燥并固化。如本领域中已知的，通过包含在铝基浆料中的卤化物活化剂来促进铝从该浆料中释放并汽化。该浆料还包括可汽化的粘合剂，以将所得涂层粘附性地保持在部件的内表面上。可通过任何已知手段(诸如浸渍)将铝基浆料施加到细长构件上。优选在约室温至约500 ºF的相对低的温度下干燥并固化浆料，以在构件上产生铝基涂层。
图1显示细长构件包括第一末端，其紧邻中空管的开口定位，通过该开口插入细长构件。细长构件具有第二末端，其显示为朝向夹具组件延伸。所述夹具组件可与细长构件的第二末端和中空管啮合。在图1的实施例中，夹具组件可机械固定至细长构件和中空管。在完成涂布循环后，可将夹具组件与细长构件和中空管分离。
细长构件可由任何合适的耐热材料(诸如金属、陶瓷或石墨)制成。该构件具有允许插入到中空管的内部空腔中而不紧靠待涂布的中空管的任何内表面的形状和尺寸。在一个实施例中，且如图1中所示，细长构件是棒状结构。在另一实施例中，细长构件是丝(wire)。该构件的确切的形状、横截面厚度和长度的选择可至少部分取决于待涂布的内表面的几何形状以及所得铝化物涂层的厚度和铝化物涂层的组成(例如，附加涂层和扩散涂层中所需的铝含量和梯度)。
在施加铝基浆料及随后优选干燥并固化以形成相应的铝基涂层(例如，铝供体材料、卤化物活化剂和粘合剂)之后，以如图1中所示的构型将构件插入到中空管的内部空腔中。所述构件位于内部空腔内以使得不邻接或接触待涂布的中空管的内表面的位置。随后借助夹具组件将细长构件固定在适当位置上，所述夹具组件优选由耐热材料制成。夹具组件确保在涂布循环期间构件不移动且不会不经意地接触内表面。夹具组件可机械固定至细长构件的两端和中空管。所述夹具用于在铝化物涂布循环期间维持细长构件的方向并防止细长构件移动。可通过本领域已知的任何常规手段将夹具组件与中空管和细长构件分离。应理解可利用其它用于将细长构件固定到夹具上的手段。
如图1中所示放置并固定细长构件后，向部件和细长构件施加热。可通过任何适合于在真空或保护性气氛(诸如氢气或氩气)下热处理金属的炉子来施加热。施加足够的热以建立促进铝从涂层中释放并汽化的热条件。在一个实施例中，部件和棒的温度可被加热到约1600-2000 ºF。卤化物活化剂和粘合剂汽化。因为铝供体材料的汽化组分、活化剂和粘合剂被释放进入内部空腔，所以优选使用非氧化性气体或惰性气体来吹扫或去除至少一部分占据内表面和细长构件之间的空间的卤化物活化剂和粘合剂。以这种方式，至少一部分活化剂和粘合剂可在它们与内表面接触之前被去除。一些汽化的铝也可被吹扫或一起夹带走，但不到铝不足以涂布到内表面上并扩散进入内表面的程度。导致素瓷和污垢形成的前体在涂布循环期间通过惰性气体去除和/或保留在细长构件上。以这种方式，将显著更干净的涂布蒸汽(coating vapor)引导向零件表面。
将汽化的铝供体材料引导向中空管的内表面。到达内表面后，一部分铝扩散进入内表面，而另一部分可沉积到内表面上，从而产生附加层。铝可与金属合金反应形成铝化物涂层。铝还与基底或零件的金属合金相互分散。在涂布循环完成后，可将夹具与中空管和细长构件分离。
应理解本发明考虑涂布各种类型的部件。例如，如图2a和2b中所示的中空涡轮叶片可利用如图1一般描述的涂布方法和设备来涂布。此外，可使用本发明的方法涂布更复杂的几何形状。申请人已出乎意料地发现本发明的方法可沿着内表面均匀地涂布各种错综复杂的图案、形状和尺寸，这在以前使用常规渗铝技术是不可能的。常规技术在确保所有表面被涂布方面通常是不可靠的。
此外，并且如将在以下工作实施例中所述，与通过常规技术制备的铝化物涂层相比，按照本发明原理产生的所得铝化物涂层展示出更小的厚度变化、更小的铝化物含量变化并消除或显著更少地夹杂表面氧化物(即，原来在零件表面上的污垢和其它外来物质的氧化)和素瓷。如将在实施例中讨论的，已发现本发明可消除后涂布步骤，所述后涂布步骤要求去除素瓷和污垢。表面氧化物和素瓷的减少可表现为具有改善的耐腐蚀性、耐氧化性和耐热冲击性的更高性能铝化物涂层。发生改善的精确机理还未确知。然而，不局限于任何理论，所述改善可归因于在涂布循环期间铝供体材料、活化剂和粘合剂不与待涂布的表面直接接触。以这种方式，随后一些活化剂和粘合剂的去除可似乎抑制表面氧化物在所得涂层内的生长以及供体和活化剂至内表面的任何熔化或烧结，本行业中通常称为“素瓷”。有利地，本发明不去除铝以在涂层中产生低的铝含量。
在本发明的另一实施方式中，所述方法可涉及利用专用的细长构件来涂布单一部件的两个或更多个分开限定的内部区段。通过举例方式，许多涡轮叶片可包括需要具有不同厚度的铝化物涂层的两个或更多个内部区段。本发明可用于使用涂布有其自有的独特铝基浆料的分开的细长构件来涂布各个内部区段。以这种方式，在单个涂布循环期间可利用不同的方法独立地涂布内部区段以形成不同的所得涂层。
本发明包括各种其它实施方式。例如，可改变细长构件的涂层的化学组成以产生不同厚度和化学组成(诸如铝-铬和钴铝)的铝化物涂层。含有锂、铵和铝作为阳离子以及氯和氟作为阴离子的化合物可用作活化剂。
下面的实施例证明了与本行业目前采用的常规技术相比，本发明的方法和所得铝化物涂层两者的出乎意料的改善。
对比实施例1(用于中空管的直接施加的浆料渗铝)
进行试验以将铝化物涂层施加到中空圆柱管的内表面上。该管的代表性示意图显示在图 1中。该管由304级不锈钢形成。该管的长度为48英寸并具有2英寸的直径。施加到中空管上的铝基浆料为SermAlcote™ 2525浆料铝化物，其为商业化制备的并由PraxairSurface Technologies, Inc销售。将浆料直接施加到中空管的内表面上。将浆料和中空管在贝尔干馏炉(bell retort furnace)中在1975 ºF下在氩气气氛中热处理4小时。热处理允许铝进入管的内表面的反应和扩散。
如从管的一个末端开始测定，在6英寸、24英寸和42英寸的不同长度处获得涂布的内表面的横截面样品。作为涂布程序的部分且如本领域中众所周知的，将镀镍顶层加到各样品上以允许评价。结果显示在图 3a、3b和3c中。显微照片显示在24英寸且特别在42英寸处的涂层内的表面氧化物夹杂物(oxide inclusions)。观察到所述夹杂物为起初认为存在于零件表面上的氧化物以及不意欲结合到所得涂层中的其它外来物质。此外，在各样品的外层还检测到素瓷。这些结果显示将需要后清洁步骤来去除氧化物夹杂物和素瓷残余物。图3a、3b和3c的幻灯片(slides)显示沿着管的长度在6英寸、24英寸和42英寸处的涂层厚度显著变化。
图4a显示42英寸处的横截面样品的放大视图，以例示由常规直接施加铝化物基浆料产生的有害的污垢和素瓷。
对比实施例2(用于涡轮的叶片的汽相渗铝)
进行两次试验以将铝化物涂层施加到燃气涡轮叶片的内表面上。燃气涡轮叶片的代表性示意图显示在图 2b中。通过标准汽相渗铝(VPA)程序使用汽化的SermAlcote™2525铝化物施加涂层。
在叶片的内部区段外部产生汽化的铝化物涂层。随后将蒸汽流引导进入叶片的内部区段。要求连续补充渗铝气流到内表面。
以如之前在对比实施例1中所述的方式获得涂布的内表面的横截面样品。此外，评价涂层厚度(mil)。在叶片的三个横截面处取得样品：来自中间的一个样品和来自每一末端的一个样品。由每个样品在其中均匀隔开的特定位置处进行8次测定。通过如图5中所示的命名为标准VPA1和标准VPA2的箱线图汇总两次试验的每一次的涂层厚度测定。使用Minitab™统计软件生成箱线图。箱代表取样的全部厚度测定的中间50%。对于每次试验，相当大部分的涂层厚度测定落在0.5的下限线(LSL)(其代表针对内部涂层厚度的典型行业许可)以下。将需要后清洁步骤用于它们各自的去除。
实施例1 (用于涂布中空管的间接浆料棒方法)
进行试验以将铝化物涂层施加到中空圆柱管的内表面上。该管与在对比实施例1中涂布的管相同。该管的代表性示意图显示在图1中。该管由304级不锈钢形成。该管的长度为48英寸并具有2英寸的直径。
用SermAlcote™ 2525浆料铝化物涂布304级不锈钢的圆柱形细长构件。将该构件浸渍到浆料中以产生大约0.01英寸的膜厚。将该构件在250 ºF下固化1小时。将涂布的构件置于中空管内部并定位以使得不接触管壁。在管的各末端配置耐热金属夹具以保持管在涂布循环期间处于固定位置。
随后将涂布组件引导进入贝尔干馏炉。将涂层和中空管在贝尔干馏炉中在1975 ºF下、氩气气氛中热处理4小时。热处理允许铝进入管的内表面的反应和扩散。冷却后，将涂布组件从干馏炉(retort)中移走并拆卸。
如从管的一个末端开始测定，在6英寸、24英寸和42英寸的不同长度处获得涂布的内表面的横截面样品。作为涂布程序的部分且如本领域中众所周知的，将镀镍顶层加到各样品上以允许评价。结果显示在图3d、3e和3f中。与对比实施例1的图3a-3c相比，显微照片显示较少的表面氧化物夹杂物和较少的素瓷。与对比实施例1不同，图3d-3f的涂层样品将需要后清洁步骤以去除素瓷和污垢。与来自对比实施例1的显微照片相比，图3d、3e和3f的幻灯片显示较小的涂层厚度的变化。
图 4b显示42英寸处的横截面样品的放大视图，以例示有害的污垢和素瓷的显著减少。
实施例2 (用于涂布涡轮叶片的间接浆料棒方法)
进行两次试验以将铝化物涂层施加到燃气涡轮叶片的内表面上，该燃气涡轮叶片具有与对比实施例2的那种相同的几何形状。涂层材料是SermAlcote™ 2525铝化物。
用SermAlcote™ 2525浆料铝化物涂布不锈钢丝。该丝具有0.125英寸的直径。将该丝浸渍到浆料中以产生大约0.01英寸的膜厚。使该丝在250 ºF下固化1小时。接下来，将涡轮叶片放置在棒上。配置耐热石墨夹具以保持管在涂布循环期间处于固定位置。放置涂布丝以使得不接触叶片壁。
随后将涂布组件引导进入贝尔干馏炉。将涂层和中空管在贝尔干馏炉中在 1975ºF下、氩气气氛中热处理6小时。从浆料中汽化的铝涂布丝并随后流向内表面，在此它扩散并反应以形成铝化物涂层。冷却后，将涂布组件从干馏炉中移走并拆卸。
以如之前在实施例1中所述的方式获得涂布的内表面的横截面样品。此外，评价涂层厚度(mil)。在叶片的三个横截面处取得样品：来自中间的一个样品和来自每一末端的一个样品。从每个样品在其中均匀隔开的特定位置处进行8次测定。通过如图5中所示的命名为供体棒试验1和供体棒试验2的箱线图汇总两次试验的每一次的涂层厚度测定。使用Minitab™统计软件来生成箱线图。箱代表取样的全部厚度测定的中间50%。对于每次试验，全部涂层厚度测定均在0.5的下限线(LSL)和3.5的上限(USL)之内，所述下限线和上限两者代表针对内部涂层厚度的典型行业许可。实施例2的样品显示涂层厚度的统计学上显著的阶跃变化(step change)，其为优于如对比实施例2中所示的用于铝化物涂层的常规汽相技术的改善。
观察到样品没有素瓷和污垢，且没有冷却孔被涂层不利地堵塞。将无需后清洁步骤用于它们各自的去除。
如已显示的，本发明提供了用于在各种零件(包括具有复杂几何形状的那些零件)上制备扩散铝化物涂层的独特的涂布方法和设备。有利地，本发明充分减少或消除了烧结或熔化材料的风险，以使得在涂布循环后移走细长丝或棒状结构时，素瓷和污垢不保留在涂布的零件中。形成素瓷和污垢的前体在涂布循环期间通过惰性气体去除和/或保留在细长构件上。以这种方式，显著更干净的涂布蒸汽被引导向零件表面。
除了产生更高纯度涂层的能力，本发明涂布方法归因于实施的容易和工艺灵活性而被简化。不需要物理冲刷和化学中和涂层材料，其通常是常规涂布循环之后所需要的。本发明依靠消除或减少素瓷和污垢形成还能够减少材料使用和浪费。
本发明还可涂布通常还未容易地用汽相或CVD方法涂布的复杂的几何形状。此外，可涂布大零件，因其用常规铝化物技术不总是可行的。
如各种实施方式和实施例中所述的本发明可独立使用或与任何上述的渗铝技术结合使用。例如，可在涂布外表面的相同汽相涂布循环中用涂布铝化物的细长丝或棒在内部涂布中空管。在单个涂布循环期间同时涂布部件或零件的内部区段和外部区段的能力提供了众多其它工艺益处，诸如提高的生产能力和减少的材料消耗和运行成本。
如本文所述的用于实施本发明方法的涂布设备可由工业标准热处理炉和简化工具构造，从而减少用于装配的材料成本。
虽然已显示并描述了被认为是本发明的某些实施方式的内容，但是当然将理解可容易地进行形式或细节上的各种改进和变化，而不违背本发明的精神和范围。因此，意欲本发明不局限于本文显示和描述的确切形式和细节，也绝不局限于本文公开并在下文请求保护的整个发明。

Claims (21)

1.一种用于施加铝化物涂层的方法，其包括：
提供具有外部区段和内部区段的部件，所述内部区段的特征是限定内部空腔的一个或更多个内表面；
提供细长构件，该细长构件至少部分由对应于所述部件的所述内部区段的尺寸和形状限定；
将铝基浆料施加到所述细长构件上；
引导所述细长构件通过所述部件的开口；
将所述细长构件安置在所述内部空腔内与所述一个或更多个内表面的每一个隔开的位置；
向所述部件和所述细长构件施加热；
在所述内部区段内产生汽化的铝；
将所述汽化的铝引导向所述一个或更多个内表面；
使汽化的铝扩散进入所述一个或更多个表面；和
使所述汽化的铝与所述一个或更多个表面反应以形成所述铝化物涂层。
2.权利要求1所述的方法，其进一步包括将所述细长构件维持在静止构型的步骤。
3.权利要求1所述的方法，其进一步包括在所述铝化物涂层形成后移走所述细长构件。
4.权利要求1所述的方法，其中在所述铝化物涂层沿着所述部件的所述内部区段的所述一个或更多个内表面形成期间，涂布所述外部区段。
5.权利要求1所述的方法，其中所述铝基浆料包含卤化物活化剂和粘合剂，其各自在向所述部件和所述细长构件施加热的步骤后处于汽化态。
6.权利要求1所述的方法，其中所述铝基浆料包含铝供体材料，所述铝供体材料选自铝和铝合金。
7.权利要求6所述的方法，其中所述铝合金选自铬铝、钴铝和硅铝。
8.权利要求1所述的方法，其中在将所述细长构件引导进入所述部件之前用所述铝基浆料涂布所述细长构件。
9.权利要求8所述的方法，其中使所述铝基浆料固化以形成铝基涂层。
10.权利要求5所述的方法，其中在所述粘合剂和活化剂接触所述一个或更多个内表面之前从所述内部空腔除去至少一部分所述汽化的粘合剂和汽化的卤化物活化剂。
11.权利要求1所述的方法，其中在所述铝化物涂层形成期间，所述细长构件不与所述一个或更多个内表面中的任一个接触。
12.一种用于施加铝化物涂层的方法，其包括：
提供具有外部区段和内部区段的部件，所述内部区段的特征是限定第一内部空腔和第二内部空腔的一个或更多个内表面；
提供第一细长构件，该第一细长构件至少部分由对应于所述第一内部空腔的尺寸和形状限定；
将第一铝基浆料施加到所述第一细长构件上；
提供第二细长构件，该第二细长构件至少部分由对应于所述第二内部空腔的尺寸和形状限定；
将第二铝基浆料施加到所述第二细长构件上；
将所述第一细长构件引导进入所述第一内部空腔；
将所述第一细长构件安置在所述第一内部空腔内与限定所述第一内部空腔的所述一个或更多个内表面的每一个隔开的第一位置；
将所述第二细长构件引导进入所述第二内部空腔；
将所述第二细长构件安置在所述第二内部空腔内与限定所述第二内部空腔的所述一个或更多个内表面的每一个隔开的第二位置；
向所述部件、所述第一细长构件和所述第二细长构件施加热；
在所述第一内部空腔和第二内部空腔的每一个内分别产生第一汽化铝和第二汽化铝；
将所述第一汽化铝和所述第二汽化铝引导向所述一个或更多个内表面；
使所述第一汽化铝和所述第二汽化铝扩散进入所述一个或更多个表面；和
使所述第一汽化铝与限定所述第一内部空腔的所述一个或更多个表面反应以形成第一铝化物涂层；和
使所述第二汽化铝与限定所述第二内部空腔的所述一个或更多个表面反应以形成第二铝化物涂层。
13.权利要求12所述的方法，其中以第一速率产生具有第一厚度的所述第一铝化物涂层，并以第二速率产生具有第二厚度的所述第二铝化物涂层。
14.权利要求12所述的方法，其进一步包括在所述第一铝化物涂层和所述第二铝化物涂层产生期间将所述第一细长构件和第二细长构件的每一个维持在固定构型的步骤。
15.权利要求12所述的方法，其中在所述第一铝化物涂层和所述第二铝化物涂层产生期间所述第一细长构件和第二细长构件不与任何所述内表面接触。
16.权利要求12所述的方法，其进一步包括在所述第一铝化物涂层和所述第二铝化物涂层形成后撤回所述第一细长构件和所述第二细长构件。
17.权利要求12所述的方法，其中在所述外部区段的涂布期间发生所述第一铝化物涂层在所述第一内部空腔上的所述形成和所述第二铝化物涂层在所述第二内部空腔上的形成。
18.权利要求12所述的方法，其中所述第一铝基浆料包含第一卤化物活化剂和第一粘合剂，且其中所述第二铝基浆料包含第二卤化物活化剂和第二粘合剂。
19.权利要求18所述的方法，其中所述第一粘合剂和第一卤化物活化剂各自汽化，且所述第二粘合剂和第二卤化物活化剂各自汽化。
20.权利要求19所述的方法，其中在接触所述第一内部空腔的所述内表面之前从所述第一内部空腔移走至少一部分的所述第一汽化粘合剂和所述第一汽化卤化物活化剂，且另外其中在接触所述第二内部空腔的所述内表面之前从所述第二内部空腔移走至少一部分的所述第二汽化粘合剂和所述第二汽化卤化物活化剂。
21.一种用于将渗铝涂层施加到部件的内部区段上的涂布设备，其包含：
细长构件，该细长构件的特征是第一末端、第二末端和在所述第一末端和所述第二末端之间延伸的一个或更多个表面，所述细长构件布置在所述部件的内部空腔内的以下位置：其中使得所述一个或更多个表面不接触待涂布的所述内部区段的任何内表面，其中所述细长构件的特征是对应于所述部件的所述内部区段的几何形状的尺寸和形状，
所述细长构件的所述一个或更多个表面用铝基浆料涂布，所述铝基浆料包含活化剂、粘合剂和铝供体材料，其中所述一个或更多个表面延伸进入所述部件的所述内部空腔；
所述细长构件的所述第一末端靠近开口，通过该开口插入所述细长构件；
所述细长构件的所述第二末端朝向夹具组件延伸；和
所述夹具组件机械固定至所述细长构件的所述第二末端和所述部件，所述夹具在施加所述渗铝涂层期间维持所述细长构件不动，其中所述夹具组件与所述细长构件的所述第二末端可分离。
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