CN105899707B - 在部件的选择的区域上施加铬扩散涂层的方法 - Google Patents

Abstract

公开独特和改善的渗铬方法。所述方法涉及在基底的选择区域上形成局部化渗铬涂层。与常规的渗铬方法相比，铬扩散涂层以控制方式并且另外以产生更少材料浪费和不需要掩蔽的方式局部施加至基底的选择区域。第二涂层可以选择性施加在所述基底的其他区域上。

Description

在部件的选择的区域上施加铬扩散涂层的方法

发明领域

本发明一般涉及用于在部件的选择区域上施加铬扩散涂层的新颖和改善的方法。

发明背景

燃气涡轮发动机由若干部件组成。在操作期间，燃气涡轮发动机的部件通常暴露于可能损害涡轮部件的恶劣环境。环境损害可以以各种模式发生，包括由于加热、氧化、腐蚀、热腐蚀、侵蚀、磨损、疲劳或若干降解模式的组合的损害。

现在的涡轮发动机以这种方式设计和操作以使得在涡轮的各种部件的不同区域的环境条件和因此环境损害的类型彼此显著不同。因此，个别涡轮发动机部件经常需要若干涂层系统以保护部件的在下面的基础材料。

例如，图1显示典型涡轮机叶片的各种截面。涡轮机叶片具有若干截面，包括平台、从平台向上延伸的翼面、从平台向下延伸的柄、从柄向下延伸的根部、和定位在根部、柄和翼面内的内部冷却通路。平台具有邻近于翼面的顶侧和邻近于柄的底侧。

在服务期间，翼面和平台在涡轮机叶片的最热区域操作，并且因此经受氧化降解。因此，翼面区域和顶部平台表面的基础材料的保护一般需要抗氧化涂层，诸如扩散铝化物涂层和/或MCrAlY包覆涂层。这些抗氧化涂层能够形成缓慢生长和粘附的氧化铝皮。氧化皮在金属基底与环境之间提供屏障。热屏障涂层可以任选地用作抗氧化涂层上的顶涂层以进一步降低金属温度并且增加部件的使用寿命。

与翼面和平台相反，涡轮机叶片的其他区域（包括平台、柄、根部和内部冷却通道下的区域）在服务期间暴露于相对较低温度和腐蚀性颗粒的累积。因为这些区域先前已经暴露于无发生环境损害的倾向的温度和条件，一般不需要保护涂层。然而，因为现在的涡轮机叶片继续暴露于日益更高的操作温度，累积在表面上的颗粒已经开始熔化并且引起类型II热腐蚀侵袭，其可以导致涡轮机叶片的过早损坏。类型II热腐蚀条件一般需要铬扩散涂层代替扩散铝化物涂层用于保护。

翼片经受类似于叶片的侵袭，因为翼片一般由类似叶片的材料制成，并且也可具有冷却通道。

可以看到，涡轮机叶片的不同区域易受不同类型的损害的影响。充分保护因此需要选择性施加不同保护涂层系统至涡轮机叶片的各种部件。特别地，需要局部施加渗铬涂层在仅那些易受热腐蚀侵袭的涡轮机叶片的区域上。

然而，常规涂覆工艺对于成功施加渗铬涂层在仅部件的选择区域上具有它们的限制。例如，常规渗铬方法（诸如固体渗铬和蒸气相渗铬）不使用定制掩蔽设备或后涂覆处理时不能够在涡轮机部件的选择区域上形成铬扩散涂层。

固体渗铬方法需要粉末混合物，包括(a)铬的金属来源、(b)可蒸发卤化物活化剂、和(c)惰性填料材料，诸如氧化铝。待涂覆部分首先整个包裹在包装材料中，并且然后封闭在密封室或干馏釜中。干馏釜然后在保护气氛中加热至在约1400-2100℉之间的温度约2-10小时以允许Cr扩散到表面中。然而，需要复杂和定制掩蔽设备以预防在所需位置铬化物涂层沉积。此外，固体渗铬方法需要在铬来源和金属基底之间的接触关系。固体渗铬一般对涂覆难接近或难以到达的区域（诸如涡轮机叶片的内部冷却通路的表面）无效。此外，可以形成不希望的残余涂层。这些残余涂层难以从冷却空气孔和内部通路除去，并且气流的限制可能发生。因此，固体渗铬对选择性涂覆内部冷却通路的表面无效。

蒸气相渗铬方法也是有问题的。蒸气相渗铬方法涉及将待涂覆部分放置在与铬来源和卤化物活化剂不接触关系的干馏釜中。虽然汽相过程可以有效地涂覆内部冷却通路的表面，整个表面不希望地涂覆。因此，涡轮机叶片需要沿着不需要渗铬涂覆的那些区域掩蔽。然而，掩蔽是挑战性的，并且经常未整个隐藏意欲掩蔽的叶片的区域。因此，需要特别的涂覆后处理（诸如机械加工、喷砂处理、或化学处理）以在不需要渗铬涂层的地方除去过量的渗铬涂层。这种涂覆后处理一般是非选择性的，并且导致不希望的基底材料损失。材料损失可以导致涡轮机部件的关键尺寸变化并导致过早的结构尺寸变化。另外，在涂覆后处理期间通常需要特别护理以预防对基底或任何未除去的渗铬涂层的损伤。

使用固体或蒸气相渗铬方法的问题随着涡轮机部件的某些部件的几何形状变得更复杂（诸如平台、柄、根部和内部冷却通路下的区域）而加重。

考虑到现有渗铬方法的缺点，需要新一代渗铬方法，所述新一代渗铬方法可以以控制和精确的方式在部件的选择区域上产生渗铬涂层，从而最小化不需要涂层的区域的掩蔽要求，减少材料浪费和原料消耗，并且最小化在工作场所暴露于有害材料。本发明的其他优点和应用对于本领域技术人员而言将变得显而易见。

发明内容

在本发明的第一方面，提供一种用于在基底的选择区域上产生铬扩散涂层的方法。提供一种含铬浆料。浆料施加在基底的局部化表面上。固化所述浆料。在保护气氛中加热浆料至预定温度一段预定的持续时间。生成含铬蒸气。铬扩散到所述局部化表面以形成涂层。涂层具有特征为与常规渗铬方法相比显著降低的氮化物和氧化物夹杂物和降低水平的α-Cr相的微观结构。

在本发明的第二方面，提供一种用于在基底的选择区域上产生局部化铬扩散涂层和局部化铝化物扩散涂层的一步方法。提供一种含铬浆料。将含铬浆料施加在基底的第一区域上，特征为没有掩蔽。提供一种含铝化物材料。在保护气氛中加热含铬浆料和含铝化物材料至预定温度一段预定持续时间。铬扩散到第一区域中。铝扩散到没有掩蔽的第二区域中。局部化铬扩散涂层沿着第一区域形成。铬扩散涂层具有特征为与常规渗铬方法相比特征为显著降低的氮化物和氧化物夹杂物和降低水平的α-Cr相的微观结构。沿着第二区域形成局部化铝化物扩散涂层。

在第三方面，提供用于在叶片的选择区域上产生局部化铬扩散涂层和局部化铝化物扩散涂层的一步方法。提供一种含铬浆料。施加含铬浆料在叶片的柄上，特征为没有掩蔽。在干馏釜内提供一种含铝化物材料。装载部分涂覆叶片到干馏釜中。加热部分涂覆叶片。生成含铝蒸气和含铬蒸气。铬从含铬蒸气铬扩散到叶片的柄的外表面中。铝从含铝蒸气扩散到叶片的翼面中。局部化铬扩散涂层沿着柄形成。铬扩散涂层具有特征为与常规渗铬方法相比显著降低的氮化物和氧化物夹杂物和降低水平的α-Cr相的微观结构。沿着翼面形成局部化铝化物扩散涂层。

本发明可以包括以下方面各种组合中的任何一个，并且还可以包括以下在说明书中描述的本发明的其他方面。

附图简述

本发明的目的和优点将由优选实施方案的以下详细说明结合附图更好地理解，其中贯穿全文，相同数字表示相同特征，并且其中：

图1显示常规涡轮机叶片；

图2显示选择性施加局部铝化物涂层和局部渗铬涂层在基底的选择区域上的示意图；

图3显示根据本发明的原理在涡轮机叶片的其他区域的表面上形成铝化物涂层的同时在涡轮机叶片的选择区域的表面上形成铬扩散涂层的办法的方块流程图；

图4显示根据本发明的原理在涡轮机部件的选择区域的表面上初始形成铬扩散涂层并且其后在部件的其他区域的表面上形成铝化物涂层的2步办法的方块流程图；

图5显示用于在涡轮机部件的选择区域的表面上施加铬扩散涂层并且然后在部件的其他选择区域的表面上施加MCrAlY包覆涂层的2步办法的方块流程图；和

图6a显示局部地施加在翼面上的铝化物涂层的截面微观结构，并且图6b显示局部施加在柄上的铬扩散涂层的截面微观结构，藉此两个涂层由在实施例1中描述的方法使用图3中显示的发明办法产生。

发明详述

本发明的目的和优点将由连接的其优选实施方案的以下详细说明更好地理解。本公开涉及用于在部件的选择区域上施加铬扩散涂层的新颖和改善的方法。本公开在本文各种实施方案中提出，并且参照本发明的各方面和特征。

本发明的各种元件的关系与功能由以下详细说明更好地理解。详细说明考虑了公开的范围内的各种排列与组合的特征、方面和实施例。本公开可因此指定为包含这些指定的特征、方面和实施方案的这种组合和变更中的任何一种或选择的其中一种或多种、由以上构成或主要由以上构成。

在本发明的所有实施方案中，术语“渗铬浆料”和“渗铬涂层”将指如在2014年1月14日同时提交并且据此全文以引用方式并入的美国临时专利申请13603-US-P1，序列号61/927,180中完全描述的那些含铬组成物。如在其中更完全地描述，由这种渗铬浆料组合物产生的渗铬涂层是独特的，并且特征为与由常规渗铬方法产生的那些渗铬涂层相比显著降低水平的氮化物和氧化物夹杂物，以及更低的α-铬相。因此，涂层与由常规固体、蒸气或浆料方法产生的渗铬涂层相比具有优良的抗腐蚀、侵蚀和疲劳的能力。

改善的制剂至少部分地基于浆料制剂内的特定卤化物活化剂和缓冲材料的选择组合。浆料组合物包含铬来源、特定种类的卤化物活化剂、特定缓冲材料、粘合材料和溶剂。浆料组合物包含浆料的约10%至约90%范围内的铬源；在铬来源的约0.5%至约50%范围内的卤化物活化剂、在铬来源的约0.5%至约100%范围内的缓冲材料；在浆料的约5%至约50%的范围内的粘合剂溶液，其中所述粘合剂溶液包括粘合剂和溶剂。可以提供任选的惰性填料材料，其在浆料重量的约0%至约50%范围内浆料。在优选实施方案中，铬来源在约30%至约70%范围内；卤化物活化剂在铬来源的约2%至约30%的范围内，缓冲材料在铬来源的约3%至约50%的范围内；粘合剂溶液在浆料重量的约15%至约40%范围内；并且任选的惰性填料材料在浆料的约5%至约30%的范围内。

一般而言，铬浆料包含铬来源、特定卤化物活化剂和粘合剂溶液。铬浆料还包含特定金属粉末或粉末混合物，其在涂覆过程期间可以降低浆料中的铬的化学活性并且去除残余氮和氧。渗铬浆料和渗铬涂料组合物的更多细节在2014年1月14日同时提交的美国临时专利申请13603-US-P1,序列号61/927,180中描述。

根据本发明的原理，本发明的铬扩散涂层与常规渗铬方法相比以控制方式并且另外以产生更少材料浪费和不需要掩蔽的方式局部施加至金属基底的选择区域。除非另外指明，应理解所有的组合物表示为重量百分数(重量%)。

浆料渗铬方法被认为是化学气相沉积方法。在加热至升高的温度时，在浆料混合物中的铬来源与卤化物活化剂反应形成易挥发的铬卤化物蒸气。铬卤化物蒸气从浆料运输到待涂覆的合金的表面主要在浆料与合金表面之间的化学势梯度影响下通过气体扩散发生。在达到合金表面时，这些铬卤化物蒸气在表面反应并且沉积铬，其扩散到合金中以形成涂覆。

本发明的一个实施方案使用局部施加铬浆料组合物在燃气涡轮叶片上（如图1所示）。合适的方法包括刷、喷涂、浸渍、浸渍-旋涂或注入。特定应用方法至少部分地取决于浆料组合物的粘度以及部件的几何形状。渗铬浆料组合物施加在易受类型II腐蚀侵袭的叶片的任何一个或多个区域上，诸如柄、根部、平台下和内部冷却通路的表面。不需要许多固体方法典型的和已知用于许多固体方法的复杂和定制工具和掩蔽，从而简化总渗铬方法。一般，施加大约0.02-0.1英寸的渗铬浆料确保足够覆盖率而不使用过量浆料组合物，从而最小化原材料的使用。已经施加渗铬浆料，浆料在保护气氛经受加热周期预定温度和持续时间以允许铬扩散到部件的局部化区域中。在扩散处理之后，沿着局部化区域的任何剩余浆料残余物可以通过各种方法除去，包括线刷(wire blush)、氧化物砂磨光、玻璃珠、高压喷水器或其他常规方法。浆料残余物通常包含未反应浆料组成材料。任何浆料残余物的除去以这种方式进行以预防对在下面的渗铬表面层的损害。所得渗铬涂层与常规固体渗铬方法相比含有非实质量的氧化物和氮化物夹杂物以及更低水平的α-铬相。在铬扩散涂层中的平均铬含量是约15-50重量%，并且更优选地25-40重量%。

与固体渗铬相比，本发明的浆料方法允许浆料仅局部施加在需要渗铬涂层的那些区域上。此外，不同于固体渗铬，复杂和定制工具和掩蔽不是必需的。

提供本发明的另一实施方案用于施加不同涂层在部件的选择区域上。特别地，铝化物涂层可以连同渗铬涂层局部施加。图2显示通过本发明的方法产生的所得涂层系统。渗铬涂层位于需要耐腐蚀性的基底的底部区域上，并且铝化物涂层位于需要抗氧化性的顶部区域上。可以使用任何常规的铝化物涂覆方法（诸如蒸气相、浆料或化学气相沉积渗铝方法）以产生铝化物扩散涂层。例如，铝化物浆料涂覆方法可以用常规铝化物浆料（诸如SermAlcote^TM 2525，其由Praxair Surface Technologies,Inc.(Indianapolis, Indiana)商业制造和出售）使用。铝化物浆料可以以本领域已知的方式并且如美国专利号6110262（其全文据此以引用方式并入）描述地施加。

在本发明的优选实施方案中，图3显示在涡轮机叶片的其他区域的表面上形成局部化铝化物涂层的同时在涡轮机叶片的选择区域的表面上一步形成局部化铬扩散涂层的方块流程图。一个或更多个铬浆料层施加在易受类型II腐蚀侵袭的影响的叶片的选择区域上，诸如柄、根部、平台下和内部冷却通路的表面。刷、喷涂、浸渍、浸渍-旋涂或注入可用于以足够确保表面的充分覆盖的厚度施加渗铬浆料。借助于选择性施加渗铬浆料在仅需要的叶片表面上的能力，不需要掩蔽。

在施加渗铬浆料之后，常规蒸气相、浆料或化学蒸气沉积渗铝方法可以用本领域已知的合适的铝化物源材料来使用。扩散处理可以在约1000-1150℃范围内的升高的温度下在保护气氛中发生至多24小时，并且更优选地约2-16小时。在加热至升高的温度时，卤化铝蒸气由铝化物来源材料生成，运输到合金的表面，并且在没有施加渗铬浆料的地方形成铝化物涂层。这些卤化铝蒸气还可以达到渗铬浆料的外表面的区域。然而，这些卤化铝蒸气与浆料混合物中的铬来源反应以形成卤化铬蒸气，从而导致通过浆料厚度向合金表面的卤化铝蒸气的分压显著下降。同时，在渗铬浆料内，卤化铬蒸气经由浆料混合物中的铬来源与卤化物活化剂的化学反应部分生成。因此，卤化铬蒸气与卤化铝蒸气相反倾向于流行，并且优先地填满已经施加渗铬浆料的局部化区域。卤化铬蒸气在此区域中的存在允许在铝化物涂层上形成热力学支持的铬化物涂层。因此，局部化铝化物扩散涂层以控制方式沿着尚未施加渗铬浆料的那些表面局部产生，局部化铬扩散涂层沿着其他区域同时产生。

在优选实施方案中，提供铬浆料并且施加在易受类型II腐蚀影响的涡轮机叶片的区域（即柄）上。不需要用于掩蔽的专用工具。部分浆料涂覆的叶片然后装载到蒸气相渗铝干馏釜中，并且在保护气氛中加热以进行蒸气相渗铝方法。铬和渗铝涂层在加热周期期间同时形成。渗铝涂层沿着易受氧化影响的区域（即翼面）形成，同时渗铬涂层沿着易受腐蚀影响的相对较冷区域（即柄）形成而不使用掩蔽。任何过量残余物可以从涂覆区域除去。

考虑其他变型。例如，铝化物涂层可以在形成渗铬涂层之后单独施加。在渗铝方法前，渗铝掩蔽施加至先前通过本发明的局部化浆料渗铬方法产生的渗铬区域。此掩蔽预防在渗铝方法期间在渗铬涂层上的铝化物涂层的沉积，因为渗铬涂层上的铝化物涂层的不注意的沉积可以弱化渗铬涂层的耐腐蚀性。在这方面，图4显示根据本发明的原理的方块流程图的2步办法。或者，铝化物涂层可以在形成渗铬涂层在之前施加。

更进一步，其他类型的涂层可以用于本发明中。例如，在易受腐蚀侵袭影响的涡轮机叶片的那些选择区域上的铬浆料涂覆部分的扩散处理和任何残余涂层的除去之后，第二MCrAlY包覆涂层可以通过任何常规方法（诸如空气等离子喷涂、LPPS或HVOF）施加至翼面。在施加MCrAlY涂层前，掩蔽施加至先前通过本发明的局部化浆料渗铬方法产生的渗铬区域。图5显示用于涂覆方法的此2步办法的方块流程图。

实施例1

如图1所示的涡轮机叶片使用在图3中显示的一步办法选择性涂覆渗铬浆料组合物和铝化物涂层。制备渗铬浆料组成物，其包含氟化铝活化剂、铬粉、镍粉、和有机粘合剂溶液。浆料通过混合以下来制备：75g铬粉、-325目；20g氟化铝；4g klucel^TM羟丙基纤维素；51g去离子水；25g镍粉和25g氧化铝粉。

渗铬浆料组合物通过将叶片浸渍到浆料中施加至如图1所示的柄的选择表面。涡轮机叶片由单晶镍基超级合金制成，其具有约7.5重量%Co、7.0重量%Cr、6.5重量%Ta、6.2重量%Al、5.0重量%W、3.0重量%Re、1.5重量%Mo、0015重量%Hf、0.05重量%C、0.004重量%B、0.01重量%Y并且剩余为镍的标定成分。浆料涂层然后允许在80℃在烘箱干燥30分钟，随后在135℃固化30分钟。

浆料涂覆的部分装载到含有Cr-Al块和氟化铝粉末的典型蒸气相渗铝干馏釜中。Cr-Al块和氟化铝粉末位于涂覆釜的底部。浆料涂覆的部分放置不与Cr-Al块和氟化铝接触。在用流动氩气吹扫干馏釜1小时之后，在氩气气氛中将干馏釜加热至2010℉并且保持4小时以允许铬和铝分别选择性扩散到试样的翼面。在完全扩散处理后，试样在氩气气氛下冷却至环境温度，并且浆料残余物通过光喷砂操作从试样表面除去。

涂覆的结果显示在图6a和6b中。试样上半部或翼面区域如图6a所示涂覆有铝化物涂层以阻止高温氧化，并且其下半部或柄区域如图6b所示涂覆有铬富集层以阻止低温热腐蚀。铬扩散涂层与常规固体或蒸气相渗铬方法相比具有非显著量的氧化物和氮化物夹杂物。涂层被观察到基本不含α-Cr相，并且在铬扩散涂层中的平均铬浓度大于25重量%。

本发明的渗铬方法表示相比由固体、蒸气或浆料方法产生的常规Cr扩散涂层的显著改善。如已经显示，本发明提供用任选的第二涂层沿着其他选择区域局部施加渗铬浆料制剂的独特方法。本发明的浆料是有利的，因为它们可以有控制和精确性的通过简单施加方法（包括刷、喷涂、浸渍或注入）选择性施加在基底的局部化区域上。此外，施加渗铬及其他涂层的控制和精确性可以一步中发生而不掩蔽。相反地，常规固体和蒸气相方法不能沿着基底的选择区域局部生成铬涂层。因此，这些常规涂层需要困难的掩蔽技术，其通常在掩盖沿着不需要涂覆的金属基底的那些区域上无效。

本发明局部施加浆料制剂以形成涂层的能力具有显著更低材料浪费的额外的益处。因而，本发明可以节省总浆料材料并且降低废物处置，从而产生浆料组分的更高利用。涂覆需要的原材料的减少最小化在工作场所的有害材料暴露。

更进一步，不同于固体和蒸气相方法，本发明的改性浆料制剂可用于在具有复杂几何形状和错综的内部的各种部分上形成改善的铬涂层。固体方法具有限制的变化性，因为它们只施加至具有某个尺寸和简化几何形状的部分。

应理解除燃气叶片外，本发明的原理可以用于涂覆需要控制施加渗铬涂层的任何合适的基底。在这方面，本发明的方法可以保护用于其他应用的各种不同基底。例如，如本文使用的渗铬涂层可以根据本发明的原理局部施加在不含有足够铬用于抗氧化的不锈钢基底上。渗铬涂层沿着不锈钢基底形成保护性氧化物皮。另外，本发明不同于常规方法，在局部涂覆具有复杂几何形状的内部截面的基底的选择区域中有效。

虽然已经示出和描述被认为是本发明的某些实施方案，当然将理解可以在不背离本发明的精神和范围的前提下，容易地进行形式或细节的各种修改和变化。因此，无意将本发明限于本文示出和描述的准确形式和细节，以及小于本文公开和以下要求保护的整个发明的任何范围。

Claims (6)

1.一种用于在基底的选择区域上产生铬扩散涂层的方法，包括以下步骤：

将含铬浆料施加在所述基底的局部化表面上，特征为没有掩蔽，其中所述含铬浆料包含：铬粉；氟化铝活化剂；缓冲材料，其为镍粉；和有机粘合剂溶液；

固化所述浆料；

在保护气氛中加热所述浆料至预定温度一段预定的持续时间；

生成含铬蒸气；

将所述铬扩散到所述局部化表面中以形成涂层，所述涂层具有25-40 wt%的平均铬含量。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述方法包括在所述基底上局部施加第二涂层。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述第二涂层包括铝化物涂层。

4.如权利要求2所述的方法，其中所述第二涂层包括MCrAlY涂层。

5.如权利要求1所述的方法，其中施加所述浆料的步骤包括刷涂、喷涂、浸渍、浸渍-旋涂、注射、或者它们的任何组合。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述局部化表面经受腐蚀侵袭。

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