CN1970832A - 选择性铝化物涂覆工艺 - Google Patents

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Abstract

一种对涡轮发动机元件的内表面进行涂覆的方法，包括以下步骤：使含有铝化物的气体流入所述涡轮发动机元件中的通道从而涂覆由所述通道形成的内表面；使所述含有铝化物的气体流动通过所述通道并从所述涡轮发动机元件外表面上的开口流出；以及使一定体积的气体流过外表面，所述气体是从包括氩气、氢气、其它惰性气体及其混合物的物质组中选择出来的，以使所述外表面上的铝化物涂层的累积量减至最小。

Description

选择性铝化物涂覆工艺
技术领域
本发明涉及一种对涡轮发动机元件内的内部通道进行涂覆的方法和系统。
背景技术
在现今的燃气轮机中运转的高压涡轮轮叶、叶片和密封件的寿命受到翼面上的热疲劳开裂以及由于高温运转引起的氧化而导致涂层失效的限制。在翼面上需要有良好的抗氧化能力这一需求就需要施涂合适的抗氧化涂层，例如抗氧化能力增强的MCrAlY金属涂覆层和/或能降低温度的隔热涂层体系。涡轮发动机元件如高压涡轮叶片或轮叶等会出现内部氧化和腐蚀。因此，为了在工作环境下保护这些涡轮发动机元件，有必要在它们的内表面上施涂涂层。如果不同时在涡轮发动机元件的外表面上施涂具有标准厚度的涂层，当前使用的气相铝化工艺不允许在内表面施涂涂层。在顶部以MCrAlY涂覆层或者隔热涂层存在的外部铝化物并不是所需要的，这可能会降低涡轮发动机元件的热疲劳抗力。
当前用于将蒸汽铝化物涂层施涂在涡轮发动机元件内表面上的涂覆工艺要求被引导穿过中空翼面的内部通道的卤化铝气体的流动。对所有内表面的完全涂覆覆盖与气体如何流过并接触涡轮发动机元件内部的所有表面是密切相关的。完全的内部覆盖往往要求所有通向涡轮发动机元件外部的开口，如：后缘狭缝、浇注型芯撑孔、翼面冷却孔、顶端冷却孔等，在涂覆过程中保持打开。绝大多数进行内部涂覆的涡轮发动机元件也需要适合冷却特征的涂层覆盖。当前，由于需要为气体流动而使涡轮发动机元件上的开口保持打开，因此，不存在一种有效的途径在确保所有内表面进行完全覆盖时来遮蔽轮叶的外表面以阻止铝化物沉积在外表面上。
发明内容
因此，所希望的是提供一种方法和系统以对涡轮发动机元件的内表面进行涂覆，同时不会形成影响后续外涂层表面的热疲劳性质的外部铝化物涂层。
本发明提供了一种对涡轮发动机元件进行涂覆的方法。所述方法大致包括以下步骤：使含有铝化物的气体流入涡轮发动机元件中的通道从而涂覆由通道形成的内表面，使含有铝化物的气体流动通过所述通道并从涡轮发动机元件外表面上的开口流出，以及使一定体积的气体流过外表面，所述气体是从包括氩气、氢气、其它惰性气体及其混合物的物质组中选择出来的，以使外表面上的铝化物涂层的累积量减至最小。
进一步而言，根据本发明，提供了一种用于对涡轮发动机元件进行涂覆的系统。所述系统大致包括：用于使含有铝化物的气体流入涡轮发动机元件中的通道从而涂覆由通道形成的内表面的装置，使含有铝化物的气体流动通过所述通道并从涡轮发动机元件外表面上的开口流出的装置，和使一定体积的气体流过外表面以使外表面上的铝化物涂层的累积量减至最小的装置，所述气体是从包括氩气，氢气及其混合物的物质组中选择出来的。
关于本发明所述的选择性铝化物涂覆工艺和系统的其它详细情况，以及其它目标和其它伴随的优点，将通过下面的详细描述和附图中进行阐述。
附图说明
图1示出了根据本发明的一种用于形成铝化物涂层的系统。
具体实施方式
如图1所示，本发明涉及一种方法和系统，所述方法和系统用于在涡轮发动机元件10的内表面上形成内部铝化物涂层，与此同时仅在外表面上形成足够薄以至于不会对涡轮发动机元件后续上覆外表面的热疲劳性能产生任何影响的铝化物涂层。
为使用铝化物涂层对涡轮发动机元件10内由通道18形成的内表面进行涂覆，可采用一种气相沉积工艺。本领域中已公知的任何适合的气相沉积工艺都可以被使用。例如，要进行涂覆的涡轮发动机元件10可被放置在包含涂覆材料14的涂覆容器12内。在一种气相工艺中，将被涂覆的涡轮发动机元件10悬挂起来使得不与涂覆材料14接触。
涂覆材料14可以是包括铝源、活化剂、以及可选的惰性缓冲剂或者稀释剂的粉末混合物。铝源可以是纯金属铝，或者铝合金，或者包括铝的金属间化合物。可以使用的一种铝源是CrAl。可以使用的其它铝源包括Ni3Al，Co2Al3以及Fe2Al3。可以使用的活化剂包括碱金属卤化物或者碱土金属卤化物。一种可以使用的活化剂是ALF3。可以使用的其它活化剂包括NH4F·HF和NH4Cl。可被加入到粉末混合物中用以控制混合物中铝的活性的一种典型的稀释剂是Al2O3。涂覆涡轮发动机元件所使用的原料可以是56％Cr-44％Al。对于包括大约20份的涂覆容器而言，其内部混合物可以是700gm的CrAl和125gm的AlF3。一种气体，例如惰性气体，可以被引入到容器12中用以辅助产生富铝的卤化物蒸汽流。
在涂覆容器12中的涡轮发动机元件10和涂覆材料14放置在加热炉16中。在加热炉16中，涡轮发动机元件10和涂覆材料14可以被加热到1900到2100华氏度的范围内，优选被加热到1950到2000华氏度的范围内。达到涂覆温度的时间应该足以产生能满足各项技术要求的涂层。典型地，达到涂覆温度的时间是2小时或者更长时间。
加热致使活化剂汽化并同铝源相互反应以产生包括铝化物的气体例如富铝的卤化物蒸汽。所述富铝的卤化物蒸汽同涡轮发动机元件相互反应从而在涡轮发动机元件10的内表面24和外表面26上形成一层铝化物涂层。铝化物涂层的厚度和组成取决于涂覆工艺所用的时间和温度、粉末混合物的活性以及被涂覆的涡轮发动机元件10的组成。
当卤化铝气体流入限定出要进行涂覆的内表面24的内部通道18中时，致使大体积的保护气体流过涡轮发动机元件10的外表面26，所述保护气体是从包括氢气、氩气及其混合物的物质组中选择出来的。保护气体流过涡轮发动机元件10的外表面26的优选流速在每小时约30到60立方英尺(cfh)的范围内。通过使保护气体以这个范围内的流速进行流动，有可能除去从涡轮发动机元件10的外表面26上的孔洞中(图中未示出)排出的卤化物气体，这样就不会在涡轮发动机元件10的外表面26上有充分的滞留时间以生长为成熟、相对较厚的涂层。使用这种方法在外表面26上沉积出的铝化物涂层的量可以被减少到最小，优选可小于0.0005英寸。这么薄的外部涂层不会对涡轮发动机元件10任何后续的上覆表面的热疲劳性能产生显著的影响。另外，所述“薄”的铝化外表面的一部分可在随后进行的喷砂处理中被除去从而制备出各种外部涂覆工艺表面。
可使用本领域已公知的任何合适的装置20以便保护气体流过涡轮发动机元件10的外表面。可使用带有狭缝的歧管引导所述气流流过涡轮发动机元件10的翼面部分，从而形成跨过翼面部分的层流流动。在生产环境中，可以利用反应室的顶部和底部的压力差来迫使气体流过翼面部分。
在开始进行铝化物涂覆工艺之前，涡轮发动机元件10的所有表面应被清洁干净，无尘、无油、无脂、无污点以及无其它异物。本领域中已公知的任何合适的技术都可以用来清洁表面。
通过使用惰性材料例如石墨来制备容器12还可以使上述提到的涂覆工艺得到增强，石墨不会在涂覆工艺中变为第二铝源，这是由于涂覆容器壁不会被铝化所致。

Claims (14)

1、一种对涡轮发动机元件进行涂覆的方法，包括以下步骤：
使含有铝化物的气体流入所述涡轮发动机元件中的通道从而涂覆由所述通道形成的内表面；
使所述含有铝化物的气体流动通过所述通道并从所述涡轮发动机元件外表面上的开口流出；以及
使一定体积的气体流过外表面，所述气体是从包括氩气、氢气、其它惰性气体及其混合物的物质组中选择出来的，以使所述外表面上的铝化物涂层的累积量减至最小。
2、根据权利要求1所述的方法，进一步包括当所述内表面正在被涂覆时，使所述一定体积的气体流过所述外表面。
3、根据权利要求1所述的方法，其中所述使气体流动的步骤包括使所述气体以保持沉积在所述外表面上的铝化物涂层的厚度小于0.0005″的充足体积量进行流动。
4、根据权利要求1所述的方法，其中所述使气体流动的步骤包括使所述气体的体积流速在30到60cfh的范围内。
5、根据权利要求1所述的方法，其中所述包含铝化物的气体流动步骤包括：
将所述涡轮发动机元件放置在涂覆容器中；
将包含铝源和活化剂的组合物放置在所述涂覆容器中；以及
加热所述组合物至1900到2100华氏度的涂覆温度以产生所述的卤化铝气体流。
6、根据权利要求5所述的方法，进一步包括保持所述涡轮发动机元件和所述组合物处于所述涂覆温度至少2个小时。
7、根据权利要求5所述的方法，其中所述涡轮发动机元件的放置步骤包括将所述涡轮发动机元件放置在由惰性材料制成的涂覆容器中。
8、根据权利要求5所述的方法，其中所述涡轮发动机元件的放置步骤包括将所述涡轮发动机元件放置在由石墨制成的涂覆容器中。
9、一种用于对涡轮发动机元件进行涂覆的系统，所述系统包括：用于使含有铝化物的气体流入所述涡轮发动机元件中的通道从而涂覆由所述通道形成的内表面的装置；
使所述含有铝化物的气体流动通过所述通道并从所述涡轮发动机元件外表面上的开口流出的装置；和
使一定体积的气体流过外表面以使所述外表面上的铝化物涂层的累积量减至最小的装置，所述气体是从包括氩气、氢气及其混合物的物质组中选择出来的。
10、根据权利要求9所述的系统，进一步包括：其中放置有所述涡轮发动机元件的涂覆容器。
11、根据权利要求10所述的系统，其中所述涂覆容器是由惰性材料制成的。
12、根据权利要求10所述的系统，其中所述涂覆容器是由石墨制成的。
13、根据权利要求9所述的系统，其中所述产生包含铝的气体流的装置中包括一种含有铝源和活化剂的组合物。
14、根据权利要求13所述的系统，其中所述组合物中可选地包括一种稀释剂材料。
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