CN116265130A - 耐腐蚀材料及施加方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供耐腐蚀材料，包含其的涂层以及使用其用于在具有至少一个受损部分的部件上减缓腐蚀的方法。

Description

耐腐蚀材料及施加方法
技术领域
本公开总体上涉及修复部件，更具体地，涉及用于防腐蚀的修复部件。
背景技术
用于修复部件腐蚀部分的常用方法需要多个步骤。这些步骤可以包括：通过完全浸没来完全剥离部件的常规物理防蚀涂层、在未受损区域对部件进行重度掩蔽、在整个部件上重新施加常规物理防蚀涂层，以及对部件进行全炉固化以促进常规物理防蚀涂层对部件的粘附。
发明内容
本发明提供耐腐蚀材料及包含其的涂层。
本发明还提供一种用于在具有至少一个受损部分的部件上减缓腐蚀的方法，所述方法包括以下步骤：(1)在至少一个受损部分的表面上施加涂层，所述涂层包含反应性氧化物；以及(2)引发涂层与在所述表面上的熔融硫酸盐之间的反应，所述反应催化分解在部件的所述至少一个受损部分的表面上的熔融硫酸盐，熔融硫酸盐包括含硫化合物和气溶胶。
另一方面，本发明提供了另一种用于在具有至少一个受损部分的部件上减缓腐蚀的方法，该另一种方法至少包括：(1)在至少一个受损部分的外表面上施加涂层，该涂层包含反应性稀土掺杂氧化物；以及(2)引发涂层与在所述外表面上的熔融硫酸盐之间的反应，所述反应催化分解在部件的所述至少一个受损部分的外表面上的熔融硫酸盐，熔融硫酸盐包括含硫化合物和气溶胶。
附图说明
通过提供以下具体实施方式(特别是当结合附图研究时)描述的耐腐蚀材料及施加方法，至少部分地满足了各种需要。在说明书中(参考附图)阐述了针对本领域普通技术人员的本说明书的方面的完整且可行的公开，包括其最佳实施方式，其中：
图1是具有包含受损部分的防蚀涂层的部件的示意性截面图；
图2是具有常规物理防蚀涂层修补设置(touchup set)的部件的微观截面示意图，其中部件的表面形成腐蚀坑；
图3是用反应性氧化物涂层修复部件的常规物理防蚀涂层屏障的过程的流程图；
图4是用稀土掺杂氧化物涂层修复部件的常规物理防蚀涂层屏障的过程的流程图；
图5是具有施加到其上的反应性氧化物涂层的部件的示意性截面图；和
图6是具有与引起腐蚀的熔融粉尘相互作用的反应性氧化物涂层的部件的示意性截面图。
图中的元件是为了简单和清楚而示出的并且不一定按比例绘制。例如，图中一些元件的尺寸和/或相对位置可能相对于其他元件被放大以帮助提高对本教导的各种实施方案的理解。此外，在商业上可行的实施方案中有用或必需的常见但易于理解的元件通常未被绘出，以便于减少对本教导的这些不同实施方案的视图的阻碍。可以以特定的发生顺序来描述或描绘某些操作和/或步骤，而本领域技术人员将理解实际上不需要这种针对顺序的特定性。
具体实施方式
涂层的剥离和重新施加可能需要大量的时间和金钱。此外，这些剥离过程通常需要多次迭代。经过化学处理的部件需要研磨机械清洁，例如，通过强力喷砂为工艺提供足够清洁的表面。部件的过度化学清洁会过度蚀刻部件的表面。因此，希望能够以不会过度或基本上不去除或改变部件的基底金属的方式清洁和去除部件上的腐蚀。
此外，由于环境健康和安全(EHS，Environmental Health and Safety)对全面防腐蚀涂料解决方案的关注，常规物理防蚀涂层的局部修复仅可用于纯粹的装饰目的。常规的全面防腐蚀涂料解决方案在底漆和面漆中都含有六价铬。因此，它必须在受控环境(例如喷漆室)中施加。当前的局部常规物理防蚀涂层修复方法被设计为用手快速刷上，以防止它们含有六价铬，而六价铬是形成防腐蚀屏障所必需的。此外，装饰方法不会阻止部件上出现点蚀。
图1显示了具有受损区域的部件。具有受损区域的部件包括合金基底106、常规物理防蚀涂层104和受损区域102。合金基底106与熔融硫酸盐相互作用，熔融硫酸盐在约500℃至约982℃的温度下具有腐蚀性。熔融硫酸盐的腐蚀性导致部件的受损区域102需要修复。
图2显示了一个部件，其具有在部件表面上形成的腐蚀坑，该部件具有常规物理防蚀涂层修补设置。该部件包括合金基底106、常规物理防蚀涂层104、腐蚀坑202和腐蚀性硫酸盐204。腐蚀坑202是由于腐蚀性硫酸盐204和装饰性常规物理防蚀涂层修补设置的相互作用而形成的。腐蚀坑导致缺乏全面的防腐蚀。
因此，需要用于对部件上的常规物理防蚀涂层进行局部修复的新方法。
本公开的实施方案涉及一种硫化缓蚀涂层，其可用于发电、航空和其他涉及腐蚀性环境的应用，以保护诸如燃气轮机或发动机部件等制品免受硫腐蚀，从而显著改善制品的使用寿命。本文公开的硫化缓蚀涂层包含能够减缓或延迟硫的任何有害作用的氧化物。当在高温下暴露于含硫酸盐粉尘或雾化硫化合物时，所有缓蚀涂层都会在一段时间内抵抗含硫物质的腐蚀作用。当涂层中的某些宏观或原子缺陷在下面的金属基材中引发腐蚀事件时，将无法减缓。硫腐蚀(例如硫化)是暴露于包含腐蚀性含硫化合物的燃料或材料的制品的典型问题的一个例子。示例的腐蚀事件包括引发含氧化物坑、优先腐蚀或金属合金中相的氧化、保护性氧化物层中的离子缺陷(促进带电腐蚀性物质的离子传输增强，对基材造成机械损伤，导致塑性变形，从而加速腐蚀性物质的扩散)，和/或涂层中出现裂纹或表面连通孔隙。对于某些形式的硫化，例如选择性坑的形成，可以在低至550℃至600℃的温度下开始引发。在高于700℃的温度下，腐蚀过程可以过渡到坑连接并产生均匀的腐蚀前沿，或者继续作为孤立的大腐蚀。在高于约900℃的温度下，硫化可能会破坏金属合金的正常氧化过程，并导致保护性氧化物和附着涂层的散裂以及制品的内部氧化。
除非本文另有规定不同的具体含义，本文使用的术语和表述具有与上述技术领域的技术人员所赋予的这些术语和表述一致的普通技术含义。除非另有明确说明，否则此处使用的词语“或”应被解释为具有分离结构而不是连接结构。除非本文另有规定，术语“连接”、“固定”、“附接”等指直接连接、固定或附接，以及通过一个以上中间部件或特征间接连接、固定或附接。
除非上下文另有明确规定，单数形式“一种”(a或an)和“该”包括复数指代。
在整个说明书和权利要求书中，本文所用的近似语言用于改变任何可能允许变化的定量表示，而不会导致与其相关的基本功能发生变化。因此，由术语例如“约”、“大约”和“基本上”修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可对应于用于测量该值的仪器的精度，或者用于构造或制造组件和/或系统的方法或机器的精度。例如，近似语言可能表示在10％范围内。
在对以下详细描述进行彻底阅读和研究后，上述和其他益处可以变得更加清楚。
在此处以及在整个说明书和权利要求书中，术语“催化氧化物”表示可以在约500℃至约982℃的温度范围内催化分解含硫化合物和气溶胶的氧化物。
在此处以及在整个说明书和权利要求书中，术语“硫化腐蚀”表示在高温(高于500℃)下，天然保护性氧化物和氧化减缓涂层被存在于固体和液体化合物、盐、气溶胶和气体混合物中的硫降解。术语“减缓”是指减缓或延迟硫可能对保护性天然氧化物和氧化减缓涂层产生的任何有害影响。
本公开的涂层可以包括如下、基本上由如下组成或由如下组成：本公开的组分以及本文描述的其他材料。如本文所用，“基本上由…组成”是指该组合物或组分可包括附加材料，但前提是该附加材料不会实质性改变要求保护的组合物或方法的基本和新颖特征。
本文公开的涂层还可包括一种以上粘合剂。不受任何特定理论的束缚，包含的粘合剂可以促进催化氧化物粘附到下面的金属基材，增加涂层的整体抗剥落性。在某些实施方案中，粘合剂是水系磷酸铝或溶剂基磷酸铝。如本文所用，术语“磷酸铝”是指能够与氧化物颗粒(例如对含硫化合物的分解起催化作用的氧化物)结合的含铝和磷的任何溶液。在一些实施方案中，铝磷氧化物具有AlPO4相。
本文公开的涂层还可以包括一种以上载体溶剂来代替粘合剂的使用。不受任何特定理论的束缚，包含的载体溶剂可以促进催化氧化物粘附到下面的金属基材。在某些实施方案中，载体溶剂是溶剂基乙醇或其他已知的载体溶剂。如本文所用，术语“乙醇”是指由能够与氧化物颗粒(例如对含硫化合物的分解起催化作用的氧化物)结合的含乙醇的任何溶液。载体溶剂的使用使得反应性氧化物涂层可以原位施加在例如飞机机翼和完全组装的发动机上。在施加反应性氧化物涂层后，载体溶剂被蒸发掉，在目标区域留下活性成分、反应性氧化物。然后，反应性氧化物将通过使用外部热源或发动机产生的热量进行局部固化。
本文公开的涂层是包括硫化缓蚀材料的硫化缓蚀涂层。硫化缓蚀材料可包括对含硫化合物的分解具有催化作用的任何氧化物。在某些实施方案中，硫化缓蚀材料包括在约400℃至约800℃(例如约500℃)的温度下对含硫化合物的分解具有催化作用的任何氧化物。
硫化缓蚀涂层可以通过各种涂覆工艺施加到目标表面，例如喷涂或沉积工艺。在一些实施方案中，用于制备硫化缓蚀涂层的组合物的浆料可通过雾化喷雾、超声喷雾法或湿化学沉积法或它们的组合施加到目标表面。术语“湿化学沉积法”是指一种基于液体的涂层工艺，涉及将液体前体膜施加到基材上，然后通过后续热处理将其转化为所需的涂层。湿化学沉积法的一些例子包括浸涂法、旋涂法、喷涂法、模涂法和丝网印刷法。
某些实施方案中的沉积方法是通过可用于多种沉积方法的改变硫化缓蚀剂的粘度和/或其他性质来实现的，例如，通过改变反应性氧化物涂层的水溶剂水平或改变涂层的其他溶液水平。
根据本公开的实施方案的制品可以是任何制品，其包括具有涂层的表面，该涂层可暴露于包含硫腐蚀物(例如腐蚀性含硫固体、液体或气溶胶物质)的环境。该制品可包括金属基材或具有金属层的基材，该金属层的表面暴露于腐蚀性含硫物质。金属基材可包含任何合适的金属或合金，包括但不限于镍基合金和钴基合金。在一些实施方案中，制品的表面是镍基超合金基底、钴基超合金基底或它们的任何组合。在一些实施方案中，制品是航空系统或动力系统的部件，例如燃气涡轮机或发动机部件。
本文所指的术语“硫腐蚀物”或熔融粉尘可以是包含在约500℃至982℃的温度下具有腐蚀性的含硫固体化合物、液体或气溶胶的材料。在一些实施方案中，除含硫材料外，硫腐蚀物还包含其他材料，例如灰尘，或液体、气体或气溶胶。根据环境和腐蚀反应，含硫材料可以在例如硫化物、硫酸盐、二氧化硫和三氧化硫之间改变形式。在一些实施方案中，含硫材料包括硫钠(Na2SO4)、硫钾(K2SO4)、硫镁(MgSO4)、硫钙(CaSO4)或它们的任何组合。
在一些实施方案中，环境处于升高的温度。本文使用的术语“升高的温度”通常可以指高于正常温度，例如高于环境温度的温度。在一些实施方案中，“升高的温度”是指发电、航空或其他涉及高温和腐蚀性环境的应用中的操作温度。例如，升高的温度可指燃气涡轮机或发动机(例如喷气发动机)中的操作温度。在一些实施方案中，升高的温度是指高于约500℃的温度。根据本公开的实施方案的硫化缓蚀涂层将在约500℃至约982℃范围内的升高的温度下减缓腐蚀。
示例性的涂层和包含涂层的制品将在本文中参考图3至图6进行讨论。
图3是说明用反应性氧化物涂层修复部件的常规物理防蚀涂层屏障的过程的实施方案的流程图。在第一步302，将包含反应性氧化物的反应性氧化物涂层施加到部件的受损区域的外表面上。在步骤304，反应性氧化物与部件外表面内的熔融硫酸盐相互作用。反应性氧化物催化分解部件的至少一个受损部分的外表面上的含硫化合物和气溶胶。
在某些实施方案中，部件的受损部分的外表面上的反应性氧化物涂层通过外部热源或发动机产生的热量局部固化。
在某些实施方案中，部件的未受损区域被掩蔽以防止过度喷涂。
在某些实施方案中，反应性氧化物涂层的厚度范围小于1密耳。现有技术的物理防蚀涂层的厚度范围为约1.5密耳至约2.5密耳。反应性氧化物涂层厚度的减少允许更高的过度喷涂量。允许更高的过度喷涂量减少了对非目标区域进行大量掩蔽的要求，从而减少了时间和材料成本。反应性氧化物涂层可以单层涂覆，而常规技术使用底涂层和面涂层的双层体系。
在某些实施方案中，反应性氧化物涂层的热膨胀系数与金属的热膨胀系数相似或接近，导致涂层与下面的金属基底一起膨胀和收缩。这增加了反应性氧化物涂层的抗剥落性。与常规物理防蚀涂层相比，反应性涂层具有优异的应变顺应性。
在某些实施方案中，可以形成具有不同粘度的反应性氧化物涂层以便于不同的沉积方法，例如喷涂和刷涂。
在某些实施方案中，反应性氧化物涂层可以作为多于一层施加以增加反应性氧化物涂层的整体耐久性。
在某些实施方案中，与常规物理防蚀涂层相比，反应性氧化物涂层具有优异的涂层耐久性，包括与剥落、分层和开裂相关的耐久性。
图4是说明用稀土掺杂氧化物涂层修复部件的常规物理防蚀涂层的过程的实施方案的流程图。在第一步402中，将包含反应性氧化物的稀土掺杂氧化物涂层施加到部件的受损区域的上表面上。在步骤404，稀土掺杂氧化物催化分解部件的至少一个受损部分的上表面上的含硫化合物和气溶胶。
在某些实施方案中，稀土掺杂氧化物是钆掺杂的二氧化铈或氧化钇稳定的氧化锆。
图5是根据本文所述的方法具有施加到其上的反应性氧化物涂层的部件的示意性截面图。具有反应性氧化物涂层的部件包括合金基底106、常规物理防蚀涂层104和反应性氧化物涂层502。合金基底106完全涂覆常规物理防蚀涂层104。反应性氧化物涂层502被施加到合金基底106的外表面上以向合金基底106的缺少常规物理防蚀涂层104的受损区域提供腐蚀防护。反应性氧化物涂层502催化分解含硫化合物和气溶胶，该含硫化合物和气溶胶与合金基底106上的常规物理防蚀涂层104相互作用从而导致合金基底106被腐蚀。
在某些实施方案中，反应性氧化物涂层通过贴片施加到部件的受损区域上。
在某些实施方案中，反应性氧化物涂层具有更高程度的过度喷涂耐受性以允许在非目标区域中有一定程度的涂层重叠，以确保在部件的腐蚀防护中不存在空隙。
图6是具有与引起腐蚀的熔融粉尘相互作用的反应性氧化物涂层的部件的示意性截面图。具有与引起腐蚀的熔融粉尘相互作用的反应性氧化物涂层的部件包括合金基底106、常规物理防蚀涂层104、反应性氧化物涂层502和熔融粉尘602。合金基底106完全涂覆常规物理防蚀涂层104。反应性氧化物涂层502被施加到合金基底106的外表面上以向合金基底106的缺少常规物理防蚀涂层104的受损区域提供腐蚀防护。熔融粉尘602主要由含硫化合物和气溶胶组成。反应性氧化物涂层502在催化反应中与熔融粉尘602相互作用。催化反应发生在反应性氧化物涂层502和熔融粉尘602之间以催化分解含硫化合物和气溶胶，该含硫化合物和气溶胶与合金基底106上的常规物理防蚀涂层104相互作用从而导致合金基底106被腐蚀。
在某些实施方案中，修复具有腐蚀受损的部件的过程包括多个步骤。这些步骤可包括：去除待修复区域中任何剩余的部分受损的常规物理防蚀涂层；例如通过喷砂或打磨准备受损区域用于进行适当的粘附和条件以使反应性氧化物涂层粘附并修复受损区域，以施加反应性氧化物涂层；掩蔽以将反应性氧化物涂层的施加限制在待修复区域；将反应性氧化物涂层施加到部件的受损区域，以及通过使用外部热源或燃气涡轮发动机产生的热量来局部固化反应性氧化物涂层。
本发明的其他方面由以下条款的主题提供：
提供了一种用于在具有至少一个受损部分的部件上减缓腐蚀的方法。该方法包括：(1)在至少一个受损部分的外表面上施加涂层，该涂层包含反应性氧化物；(2)引发涂层与在该外表面上的熔融硫酸盐之间的反应，该反应催化分解在部件的至少一个受损部分的外表面上的熔融硫酸盐，其中，熔融硫酸盐包括含硫化合物和气溶胶。
该方法还可以包括局部固化受损区域的外表面上的反应性涂层。
该方法还可以包括掩蔽部件，将反应性氧化物涂层的施加限制在受损部分。
该方法还可以包括为受损部分保留反应性氧化物涂层做准备。
该方法还可以包括准备，包括打磨和喷砂中的至少一种。
反应性氧化物的涂层厚度范围可以是小于或等于约1.0密耳厚。
该方法还可以包括根据预定的施加方法改变反应性氧化物涂层的粘度。
该方法可包括喷涂和刷涂中的至少一种的施加方法。
该方法可包括反应性氧化物涂层的操作温度为约500℃至约982℃。
该方法可以包括具有稀土掺杂氧化物的反应性氧化物。
稀土掺杂氧化物可以是钆掺杂的二氧化铈和氧化钇稳定的氧化锆中的至少一种。
提供了另一种用于在具有至少一个受损部分的部件上减缓腐蚀的方法。该另一种方法至少包括：(1)在至少一个受损部分的外表面上施加涂层，该涂层包含反应性稀土掺杂氧化物；(2)引发涂层与在该外表面上的熔融硫酸盐之间的反应，该反应催化分解在部件的至少一个受损部分的外表面上的熔融硫酸盐，其中，熔融硫酸盐包括含硫化合物和气溶胶。
另一种方法可以包括局部固化受损区域的外表面上的反应性涂层。
另一种方法可以包括稀土掺杂氧化物，其具有钆掺杂的二氧化铈和氧化钇稳定的氧化锆中的至少一种。
另一种方法可以包括掩蔽部件以将反应性氧化物涂层的施加限制在受损部分。
另一种方法可以包括为部件的受损部分做准备，以使反应性氧化物涂层适当地粘附到部件上。
另一种方法可以包括使用砂纸处理和喷砂处理中的至少一种来为部件的受损部分做准备用于进行适当的粘附。
另一种方法可以包括反应性氧化物涂层的厚度范围是小于或等于约1.0密耳厚。
另一种方法还可以包括改变反应性氧化物涂层的粘度以与预定的施加方法协调。
另一种方法可以包括施加方法是刷涂和喷涂中的至少一种。
提供了另一种用于在具有至少一个受损部分的部件上减缓腐蚀的方法，所述方法包括以下步骤：在至少一个受损部分的表面上施加涂层，所述涂层包含反应性稀土掺杂氧化物；和引发涂层与在所述表面上的熔融硫酸盐之间的反应，所述反应催化分解在部件的所述至少一个受损部分的表面上的熔融硫酸盐，熔融硫酸盐包括含硫化合物和气溶胶。
另一种方法可以包括局部固化所述至少一个受损部分的表面上的涂层的步骤。
反应性稀土掺杂氧化物包括钆掺杂的二氧化铈和氧化钇稳定的氧化锆中的至少一种。
另一种方法可以包括：部件被掩蔽以将反应性稀土掺杂氧化物涂层的施加限制在所述部件的至少一个受损部分。
另一种方法可以包括：为所述部件的至少一个受损部分做准备以使涂层适当地粘附到部件上。
为所述部件做准备以用于适当粘附的方法包括砂纸处理和喷砂处理中的至少一种。
涂层的厚度小于或等于1.0密耳。
另一种方法可以包括改变涂层的粘度以与预定的施加方法协调的步骤。
所述预定的施加方法包括刷涂和喷涂中的至少一种。
本领域的技术人员将认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对上述实施方案进行各种修改、变更和组合，并且这样的修改、变更和组合应被视为在本发明构思的范围内。

Claims (10)

1.一种用于在具有至少一个受损部分的部件上减缓腐蚀的方法，所述方法包括以下步骤：
在至少一个受损部分的表面上施加涂层，所述涂层包含反应性氧化物；和
引发涂层与在所述表面上的熔融硫酸盐之间的反应，所述反应催化分解在部件的所述至少一个受损部分的表面上的熔融硫酸盐，熔融硫酸盐包括含硫化合物和气溶胶。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括局部固化所述至少一个受损区域的表面上的涂层的步骤。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括掩蔽所述部件以将涂层的施加限制在所述至少一个受损部分的步骤。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括为所述部件的至少一个受损部分保留所述涂层做准备的步骤。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述准备步骤包括砂磨和喷砂中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述涂层的厚度小于或等于1.0密耳。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括根据预定的施加方法改变涂层的粘度的步骤。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述预定的施加方法包括喷涂和刷涂中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述涂层的操作温度为500℃至982℃。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，反应性氧化物包括稀土掺杂氧化物。
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