CN1292094C - 耐磨性涂层及其涂覆方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种耐磨性涂层，它具有高的抗氧化性和耐久性，并且成本低。根据本发明的耐磨性涂层是在形成燃气轮机叶片的基质材料的顶端形成的。顶端处的耐磨性涂层的厚度为300微米。在顶端上，由CBN组成的硬颗粒H固定在粘合涂层中，该粘合涂层是通过加热、熔融和固化钎料和M-Cr-Al-Y(M表示金属元素例如Co和Ni)的混合物而形成的。硬颗粒H是Ni和Co涂覆的，用于提高相对于钎料的可湿性，并且排列成使一些硬颗粒从粘合涂层的表面部分突出出来来显示摩擦性。

Description

耐磨性涂层及其涂覆方法
技术领域
本发明涉及一种在用于燃气轮机、燃气轮机的发动机、压缩机等的叶片顶端部分的金属基质材料上涂覆的一种耐磨性涂层，以及涂覆该耐磨性涂层的方法。
背景技术
例如燃气轮机的叶片顶端和固定在叶片安装部分的内周表面上的分环之间的缝隙要求尽可能的小，以便于通过限定气体到达下游阶段的捷径来提高燃气轮机的效率。
然而，如果该缝隙太小，在燃气轮机启动的初始阶段，由于叶片的热膨胀、转轴的离心、整个燃气轮机的振动和由于燃气轮机长时间暴露在高温气体中而引起叶片分环的热变形等，叶片的顶端部分与叶片分环接触，这样，两个叶片或其中之一，特别是其顶端部分有时就过分损坏。
作为对该问题所采取的措施，提出了一种技术，即，在叶片的顶端部分涂覆一种由比叶片分环材料更硬的材料组成的耐磨性涂层。该技术的目的是保持叶片顶端和叶片分环之间的缝隙，通过叶片本身涂层来摩擦叶片分环表面，以最小化对叶片的严重损坏。部分该技术已经被应用。
例如，日本专利临时公开4-218698(218698/1992)和日本专利公开8-506872(506872/1996)公开了一种高温下作为粘合涂层、具有高的耐氧化性的M-Cr-Al-Y基质(后文中称作MCrAlY，其中M表示金属元素)。还公开了一种耐磨性涂层，其中基质中分散一种作为摩擦颗粒的高硬度高耐热性的立方氮化硼(后文中称作CBN)，并且还公开了，涂层是通过电沉积镀层涂覆的。尽管据说该技术技术上已经成熟，但是涂覆该涂层的设备和方法复杂，需要长时间来完成涂覆工作，这存在一个费用高的问题。
还有，日本专利临时公开11-222661(222661/1999)和日本专利临时公开11-229810(229810/1999)公开了一种由MCrAlY组成的粘合涂层，它在高温下具有高的耐氧化性。还公开了一种耐磨性涂层，其中主要由氧化锆等组成、且具有高的硬度和高的耐热性的耐磨性涂层直接或通过氧化铝层堆积，并且被涂覆在粘合涂层上，并且部分涂层是通过包括等离子体分散的热喷涂方法涂覆的。
此外，日本专利临时公开10-030403(030403/1998)公开了一种耐磨性涂层，其中氧化铝颗粒由涂覆在基质材料表面的镀镍层和镍基耐热合金层固定。还公开了，该涂层是通过电镀、热喷涂、HIP处理和其它方法涂覆的。
然而，上述涂覆方法除了热喷涂方法之外，还包括其它涂覆方法例如电沉积镀层法和EB-PVD，因此操作麻烦，费用高。此外，举例说明，由于硬颗粒埋在粘合涂层中，因此难以控制具有高耐磨性的硬颗粒的分布，这隐含了摩擦性差、耐热性不足的问题。
此外，INDUSTRIAL DIAMOND REVIEW(4/99)公开了一种耐磨性涂层，其中Ti涂覆的CBN被钎焊。尽管钎焊具有易于操作和费用低的优点，但是在由此形成的粘合涂层的耐氧化性和长时间耐磨性(耐久性)方面存在缺点(例如，CBN由于其老化而分层)。
发明内容
鉴于上述情形完成了本发明，因此为了解决常规实例中的上述问题，本发明的目的是提供一种具有高的抗氧化性和耐久性，且能够以低的成本简单涂覆的耐磨性涂层，以及涂覆该耐磨性涂层的方法。
本发明的耐磨性涂层是通过下述方法，以粘合涂层的形式形成在金属基质材料的表面上，所述方法是熔融含有钎料和MCrAlY和硬颗粒的混合物，将硬颗粒分散并固定在粘合涂层中，结果使一些颗粒从粘合涂层的表面部分突出出来。
本发明中，优选在硬颗粒表面上形成一种用于提高相对于钎料的可湿性的金属涂层。
还有，耐磨性涂层可以由硬颗粒和粘合涂层组成，所述硬颗粒固定于在金属基质材料表面上涂覆的金属镀层中，所述粘合涂层是在金属基质材料表面上形成的，该涂层是通过熔融含有钎料和McrAlY的混合物以使一些硬颗粒从粘合涂层表面部分突出出来的方法制成。此外，能够形成多层，其中多种具有不同硬度和耐氧化性的硬颗粒独立分散在每个涂层中，并且每一层中，能够在层与层之间形成用于固定分散在其中的硬颗粒的金属镀层。还有，根据本发明，涂覆耐磨性涂层的方法包括涂覆含有金属涂覆的硬颗粒、钎料、MCrAlY和液体粘合剂的液体物质的步骤，和高真空度下，将涂覆的液体物质局部加热到钎焊温度来蒸发粘合剂并且熔融钎料和MCrAlY的步骤，其中所述液体粘合剂在加热时蒸发到金属基质材料的表面上。此外，根据本发明，涂覆耐磨性涂层的方法包括粘贴由含有钎料、MCrAlY和粘合剂的塑性混合物组成的片材的步骤，将由硬颗粒H和粘合剂组成的液体混合物涂覆到粘贴的片材上的步骤，和高真空下将粘贴的片材和涂覆的液体混合物局部加热到钎焊温度来蒸发粘合剂并且熔融钎料和MCrAlY的步骤，其中所述粘合剂在加热时蒸发到金属基质材料表面上。
根据本发明，涂覆耐磨性涂层的方法包括在金属基质材料上形成金属镀层并将硬颗粒临时固定到镀层上的步骤，将含有钎料、MCrAlY和液体粘合剂的液体混合物倾倒的步骤，和高真空下将倾倒的液体混合物局部加热到钎焊温度来蒸发粘合剂并且熔融钎料和MCrAlY的步骤，其中粘合剂在加热时蒸发到金属镀层上。
这些发明中，可以相继形成多层，其中多种具有不同硬度和耐氧化性的多种硬颗粒分别分散在每个层中，此外在多个涂层的每一层中，可以形成用于固定分散在其中的硬颗粒的金属镀层。
附图说明
图1是表示根据本发明的耐磨性涂层及其涂覆方法的第一个实施方式的基质材料和涂层的截面图；
图2是表示根据本发明的耐磨性涂层及其涂覆方法的第二个实施方式的基质材料和涂层的截面图；
图3是表示根据本发明的耐磨性涂层及其涂覆方法的第三个实施方式的基质材料和涂层的截面图；
图4是表示根据本发明的耐磨性涂层及其涂覆方法的第四个实施方式的基质材料和涂层的截面图；
图5是表示根据本发明的耐磨性涂层及其涂覆方法的第五个实施方式的基质材料和涂层的截面图。
具体实施方式
下面，将参考附图描述本发明耐磨性涂层的第一个实施方式。
如图1所示，该耐磨性涂层是在燃气轮机叶片的基质材料1的顶端，以及纸表面的上面部分(径向)形成，举例说明，叶片分环朝向耐磨性涂层，在其中间具有非常窄的缝隙。在顶端1a处的耐磨性涂层2的厚度，例如为300微米，是按照下述方法形成的。
在基质材料1的顶端1a上，由CBN组成的硬颗粒H通过加热、熔融和固化一种钎料和MCrAlY(M表示金属元素例如Co和Ni)组成的混合物而固定在粘合涂层2a中。钎料、MCrAlY和CBN的混合比大约为60％∶10％∶30％(vol％)。
硬颗粒H中含有Ni和Co涂覆的NC来提高相对钎料的可湿性，优选的是，一些硬颗粒H排列为，以使之从粘合涂层的表面上部分突出出来，来表现出摩擦性。
下面将更加详细地描述组分。作为硬颗粒H，除了CBN之外，还可以使用Al2O3和SiC。这些组分可以单独使用，或者以其中的两种或三种以适当比例混合的形式使用。某些含有Bi和Co涂覆的NC的硬颗粒H从市场可以买到，并且这些市售硬颗粒可以以买来的形式使用。还有，如上所述，MCrAlY中M表示Co，Ni和类似物。该实施方式中，作为钎料，可以使用BNi-2(JIS)表示的Ni基金属，但是钎焊并不限于镍钎焊。
按照上述方法形成耐磨性涂层2。
首先，将混合有包括Ni涂覆的NC的硬颗粒H、钎料、MCrAlY和加热时蒸发的液体粘合剂的液体物质用刷子或类似工具涂覆在基质材料1的顶端1a上。
然后，将涂覆的液体物质高真空下，通过高频感应加热局部加热到钎焊温度。这样，粘合剂蒸发，钎料和MCrAlY熔融。由于，具有小比重的硬颗粒H浮在金属表面，因此，有必要用板状工具推动硬颗粒H，以使一些硬颗粒H从金属表面部分突出出来。当停止加热，进行冷却时，材料固化，这样，在基质材料1的顶端就形成了涂层2。最后，完成热处理，使钎料、MCrAlY和Ni涂覆的NC中间进行扩散。这样，由于发生了相互扩散而形成了牢固粘合，因此，就形成了具有高的抗氧化性的耐磨性涂层2。
下面，将描述该实施方式的操作。
用于涂覆上述耐磨性涂层2的设备易于操作，所用的涂覆原料有效地形成涂层2。因此，耐磨性涂层2所需要的原料的量少，用于完成除了加热扩散处理之外的工作的时间短，并且形成耐磨性涂层2的工作可以以低的费用进行。
此外，在期望叶片分环具有重摩擦的操作早期阶段，从粘合涂层2a表面突出出来的硬颗粒H的突出部分作为摩擦材料，具有低硬度的叶片分环被摩擦。随后，在长期工作中，暴露于高温气体下的粘合涂层2a由于来自表面的氧化作用而老化，因此分散在接近表面位置处的硬颗粒H将脱落。这种情况下，当耐磨性涂层2由于叶片分环的热老化或其它原因而与叶片分环接触时，暴露在粘合涂层2a中的硬颗粒就作为摩擦材料。因此，叶片长时间不会受到破坏。此外，叶片顶端和叶片分环中间的缝隙要保持为最小，这样可以长时间保证燃气轮机的高效率。
钎焊方法中，已经证实，不同于电镀方法，涂层涂覆后，硬颗粒倾向于埋在金属层中，因此，如果不进行进一步的处理就不能确保充足的切开能力。因此，研究了用于突出包埋的摩擦颗粒的一些方法。结果证实，涂覆涂层后通过微爆(microblasting)实现的摩擦颗粒的突出方法是用于发展切开能力的最有效方法。
具体地说，当摩擦颗粒密度大约为50个/mm2时，根据硬摩擦颗粒的种类，下述条件适合用于突出。当密度高于上述范围时，有必要进一步降低爆炸材料的颗粒大小。
当突出是通过放电切削进行的时，如果在涂层表面上操作弱的放电切削，金属层被选择性地除去。还有，由于放电不能在颗粒上例如CBN上进行，颗粒保持为圆形。
下面，描述了当CBN或Al2O3作为摩擦颗粒使用时的一个具体实施例。
(1)摩擦颗粒是CBN
由于金属层常温下的硬度大约为Hv300，而CBN的硬度常温下大约为Hv5000，因此作为具有中等硬度的爆炸材料，选择Al2O3摩擦颗粒(常温下的硬度为Hv2000)来进行突出。
爆炸材料：Al2O3摩擦颗粒(50μm)
爆炸压力：4-5kg/cm2
爆炸距离：大约20mm
爆炸时间：10-20秒
结果在上述条件下，摩擦颗粒被包埋在涂层中，实现了充足的切开能力。
(2)摩擦颗粒是Al2O3
由于金属层常温下的硬度大约为Hv300，Al2O3常温下的硬度大约为Hv2000，因此作为具有中等硬度的爆炸材料，因此选择ZrO2摩擦颗粒(Hv1000)进行抽芽(sprouting)。
爆炸材料：ZrO2摩擦颗粒(50μm)
爆炸压力：5-6kg/cm2
爆炸距离：大约20mm
爆炸时间：60-100秒
结果在上述条件下，摩擦颗粒被包埋在涂层中，实现了充足的切开能力。
下面将参考图2描述本发明第二个实施方式。
作为钎料，使用向第一个实施方式中使用的代表Ni钎焊的Ni基金属中加入适当比例的Cr，Al，Y，Ta，W等得到的金属。这样，NcrAlY的添加百分含量降低。
下面描述用于制备耐磨性涂层的方法。首先，由塑性混合物制备片材，其中塑性混合物中混合了钎料、MCrAlY和比第一个实施方式中所用粘合剂用量更少的粘合剂。其次，将片材通过点焊粘贴在基质材料1的顶端1a上。第三步，将硬颗粒H和粘合剂的液体混合物用刷子或类似工具涂覆在片材上。
随后的步骤几乎与第一个实施方式的相同。当片材高真空下，通过高频感应加热局部加热到钎焊温度时，粘合剂蒸发，片形钎料和MCrAlY熔融和结合。当停止加热，进行冷却时，材料固化，由此在基质材料1的顶端形成了粘合涂层3a，并且，硬颗粒H以其中一些部分突出出来的方式固定在粘合涂层3a中。最后，同第一个实施方式一样，进行热处理，使钎料、MCrAlY和Ni涂覆的NC之间进行扩散。这样，由于相互扩散就发生了牢固粘合，由此形成了具有高的抗氧化性的耐磨性涂层3。该实施方式的操作和效果与第一个实施方式的几乎相同。
下面，将参考图3描述本发明的第三个实施方式。
与第一个和第二个实施方式的构型不同，硬颗粒H预先通过Ni镀层NG临时固定在基质材料1的顶端1a。然后，作为粘合涂层4a的材料，将混合有钎料和加热MCrAlY时蒸发的粘合剂的液体混合物通过刷子或类似工具涂覆、或倾倒在基质材料1的顶端部分。
随后的步骤与第一个和第二个实施方式的几乎相同，通过这些步骤，在基质材料1上形成了具有高的抗氧化性的耐磨性涂层4。
下面描述了耐磨性涂层4的操作。由于硬颗粒H通过Ni镀层NG牢固地固定在基质材料1中，尽管该方法多少有些复杂并且费用也高，但是能够自由控制硬颗粒H的分散，并且与第一个实施方式相比，脱落颗粒的数量减少，因此进一步提高了摩擦性和耐久性。
下面将参考图4描述本发明的第四个实施方式。
首先，将具有高的抗氧化性的硬颗粒H1(例如，具有高的耐热性的Al2O3，SiC，和烧结金刚石)通过Ni镀层NG预先临时固定在基质材料1的顶端1a上。然后，将混合有钎料、加热MCrAlY时蒸发的液体粘合剂和硬度非常高的第二种硬颗粒H2的液体混合物用刷子或类似工具涂覆，或倾倒在Ni镀层NG上。
随后的步骤与第一个到第三个实施方式中的任何一个几乎相同。Ni镀层NG和粘合涂层5a基本上分散在两层，上层和下层，这样，就形成了具有高的抗氧化性和耐久性、由具有不同硬度和抗氧化性的两种硬颗粒H1和H2组成的耐磨性涂层5。
下面将描述耐磨性涂层5的工作原理。在工作的开始阶段，具有高硬度的第二种硬颗粒H2作为摩擦材料，长期工作后，第二种硬颗粒H2分离并脱落。在随后的操作过程中，具有相当高抗氧化性的第一种硬颗粒H1作为摩擦材料。此外，由于硬颗粒H1被固定在Ni涂层NG中，能够防止具有相对小的比重的硬颗粒的浮动，结果，长期保持了摩擦性，因此明显增加了耐久性。
下面，将参考图5描述本发明的第五个实施方式。
第四个实施方式中，除了Ni镀层NG之外，其中具有不同摩擦性和耐氧化性的硬颗粒H1和H2的层组成的耐磨性涂层混合存在。相反，第五个实施方式中，其中硬颗粒H1和H2分别包埋在粘合涂层6a和7a中的两个耐磨性涂层6和7结合。耐磨性涂层6和7是按照下面方法形成的。
首先，对于第一层耐磨性涂层6，预先通过由Ni，Cr等组成的第一镀层G1将第一种硬颗粒H1临时固定在基质材料1的顶端1a上。然后，作为具有高的抗氧化性且能够承受1000℃或更高的温度的粘合涂层6a的材料，混合有钎料和当加热MCrAlY时蒸发的液体粘合剂的液体混合物用刷子或类似工具涂覆或倾倒在基质材料1的顶端部分。
随后的步骤与上述实施方式的几乎相同，通过这些步骤，形成了具有特别高的抗氧化性的第一耐磨性涂层6。
此外，第二种硬颗粒H2被预先通过由Ni，Cr等组成的第二镀层G2临时固定在第一耐磨性涂层6的上表面。然后，作为具有高的抗氧化性的粘合涂层7a的材料，混合有钎料和当加热MCrAlY时蒸发的液体粘合剂的液体混合物用刷子或类似工具涂覆或倾倒在第二镀层G2上，其中第二种硬颗粒H2被临时固定在上面。该步骤与上述实施方式的几乎相同，通过这些步骤，形成了具有特别高的抗氧化性的第二耐磨性涂层6。
下面将描述耐磨性涂层6和7。同第四个实施方式一样，由于硬颗粒H2通过第二镀层G2牢固地固定在基质材料1上，尽管该方法多少有些复杂，费用也高，但是能够自由控制硬颗粒H1和H2的分散，特别是与第四个实施方式相比，硬颗粒H2剥离的数量降低，这样提高了耐久性。
工业应用性
根据本发明的耐磨性涂层及其涂覆方法是由粘合涂层和硬颗粒组成，其中粘合涂层通过熔融含有钎料和MCrAlY的混合物而形成在金属基质材料的表面，硬颗粒分散并固定在粘合涂层中，结果其中的一些从表面部分突出出来。因此，用于涂覆耐磨性涂层的设备和操作方法简单，涂覆到基质材料上的原料被有效地用于形成涂层，这样，原料的用量可以降低，工作时间能够缩短。
还有，上述发明中，通过形成其中分别分散有具有不同硬度和抗氧化性的多种硬颗粒的多个层，即使包含在多层中的上层中的硬颗粒小时，包含在下层中的硬颗粒也能够切开要切开的物体。

Claims (9)

1、一种耐磨性涂层，其特征在于由粘合涂层和硬颗粒组成，其中粘合涂层通过熔融含有钎料和M-Cr-Al-Y的混合物而形成在金属基质材料的表面，硬颗粒分散并固定在所述粘合涂层中，结果一些硬颗粒从所述涂层的表面部分突出出来，并且用于提高相对于钎料的可湿性的金属涂层是形成在所述硬颗粒的表面上；其中所述硬颗粒包括CBN、Al2O3和SiC中一种或者多种。
2、根椐权利要求1的耐磨性涂层，其特征在于由硬颗粒和涂层组成，其中硬颗粒固定在涂覆于金属基质材料表面上的金属镀层中，所述涂层是通过熔融含有钎料和M-Cr-Al-Y的混合物而形成在所述金属基质材料的表面上，结果一些所述硬颗粒从所述涂层的表面上部分突出出来。
3、根据权利要求1或2的耐磨性涂层，其特征在于形成了多层，其中具有不同硬度和抗氧化性的多种硬颗粒分别分散在其中。
4、根据权利要求3的耐磨性涂层，其特征在于用于固定所述硬颗粒的金属镀层是在所述多个涂层的每一层中形成。
5、一种涂覆耐磨性涂层的方法，包括：
涂覆含有金属涂覆的硬颗粒、钎料、M-Cr-Al-Y和液体粘合剂的液体物质的步骤，其中所述液体粘合剂在加热时蒸发到金属基质材料的表面上；和
高真空下，将所述涂覆的液体物质局部加热到钎焊温度来蒸发粘合剂并且熔融钎料和M-Cr-Al-Y的步骤；
其中所述硬颗粒包括CBN、Al2O3和SiC中一种或者多种。
6、一种涂覆耐磨性涂层的方法，包括：
粘贴由含有钎料、M-Cr-Al-Y和粘合剂的塑性混合物组成的片材的步骤，其中所述粘合剂在加热时蒸发到金属基质材料表面上；
将由硬颗粒和粘合剂组成的液体混合物涂覆到所述的粘贴的片材上的步骤，和
高真空下将所述粘贴的片材和涂覆的液体混合物加热到钎焊温度来蒸发粘合剂并且熔融钎料和M-Cr-Al-Y的步骤；
其中所述硬颗粒包括CBN、Al2O3和SiC中一种或者多种。
7、一种涂覆耐磨性涂层的方法，包括：
在金属基质材料上形成金属镀层并将硬颗粒临时固定到镀层上的步骤；
将含有钎料、M-Cr-Al-Y和液体粘合剂的液体混合物倾倒的步骤，其中粘合剂在加热时蒸发到金属镀层上；和
高真空下将倾倒的液体混合物加热到钎焊温度来蒸发粘合剂并且熔融钎料和M-Cr-Al-Y的步骤；
其中所述硬颗粒包括CBN、Al2O3和SiC中一种或者多种。
8、根据权利要求5-7中任一项的涂覆耐磨性涂层的方法，其特征在于相继形成多个涂层，其中分别分散有具有不同硬度和抗氧化性的多种硬颗粒。
9、根据权利要求8的涂覆耐磨性涂层的方法，其特征在于所述多个涂层的每一层中，形成用于固定分散在该层中的硬颗粒的金属镀层。
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