TWI228151B - Oxidation and fatigue resistant metallic coating - Google Patents

Description

1228151 玖、發明說明： 【技術領域】 本發明係關於用於保護高溫氣渦輪引擎組件之具氧化及 疲勞耐受性的金屬塗層。 【先前技術】 過去已發展出各種金屬塗層$於抗氧化保護高溫氣满輪 引擎組件。此等塗層時常基於具有鎳或鈷基金屬材料之不 同鋁化物組合物。或者，彼等係基於具有乂心入丨丫基礎（其 中Μ疋鎳、鈷、鐵或此等元素之組合）之塗覆層沉積物。此 等塗層系統具有缺點因而妨礙其使用在較新發展之渦輪組 件上。擴散心鋁化物，雖然具有良好之抗疲勞性，但是通 常缺之極南溫下之抗氧化性（高於2〇〇〇τ)。塗覆層MCrAlY 塗層趨向於具有嚴重疲勞之r債務」而限制其應用。添加 活性兀素至MCrAlY塗層不僅提供優良抗氧化性，而且使彼 等成為熱障壁陶瓷塗層之黏合體一塗層之良好候選者。雖 然鋁化物塗層和MCrAlY塗層兩者具有廣泛應用，但是可將 可能聯合兩者之最佳性質之新穎塗層立即施加至先進的渦 輪組件上，於此情況必須將疲勞拉伸重量和氧化均減至最 小。 【發明内容】 因此，本發明的一個目的在提供具有優良氧化及疲勞耐 受性質之金屬塗層組合物。 本發明的另外目的在提供一種塗佈組合物其能減少塗層 與一般滿輪合金間之熱膨脹失配。 85078 1228151 前述目的通過本發明之塗層而達成。 依照本發明’提供金屬塗層立且古 臂，、具有 < 組成包括至高18重 量0/〇鈷、3.0至18重量％鉻、5 〇至15舌b 芏重鋁、0.1至1.0重量 %姜乙、至南0.6重量％給、至高〇3舌田。/ 一 芏重ι%矽、3 〇至1〇重量％ 叙、至高9.〇重量％鎢、UW.O重量％鍊、至高1〇重量油 及餘额是鎳。本發明的塗佈組合物亦具有3輕时量純 圍内之鈕和鎢的總量。 本*明的具乳化及疲勞耐受性的金屬塗層之其他細節以 及其他目的和伴隨它之優點特舉出於下列詳述中。 【實施方式】 渦輪引擎組件係自以鎳為基質之合金，以鈷為基質之合 :和以鐵為基質《合金所形成。由於此等組件加工時之極 高溫度環境，必須使此等組件具有保護塗層。塗層必須具 有種、、且B物其月匕將對於施加塗層至其上之渴輪引擎組件 之疲勞衝擊減至最低且同時提供最大之抗氧化性性質。該 塗層5F必須是將塗層㈣成滿輪？丨擎組件所使用之合金間 〈熱膨脹失配減至最小的塗層。此種失配是MCrAiY塗層的 不良疲勞性能的原因之一。 依照本發明’已發展出能減少熱失配且提供極良好之具 虱化及疲勞耐受性之金屬塗層。此等金屬塗層具有之組合 廣泛基本上包含自至高18重量％姑、3.0至18重量％路、 〇至15重量％銘、〇」至j 〇重量％紀、至高〇 6重量％給、至 咼〇·3重量％矽、3 〇至1〇重量％姮、至高9 〇重量％鎢、工〇至 重l/θ錁、至向1Q重量％鈿及餘額是鎳。此等塗層中， 85078 1228151 鎢和备之總量在3.0至16重量％範圍内。 前述之廣泛塗佈組合物以内，用於渦輪引擎組件之第一 族的特別有用塗層具有一種組合物其基本上包含至高15重 量％(較佳2.0重量％或更少）鈷、5〇至18重量％(較佳1〇至15 重1%)鉻、5.0至12重量％(較佳6.0至1〇重量％)鋁、〇 1至1 〇 重里％(較佳〇·2至〇.7重量釔、至高〇 6重量％(較佳〇 2至 〇.6重量。/〇)鈴、至高〇 3重量％(較佳〇丨重量％或更少）矽、3 〇 至10重量％(較佳5·〇至7·〇重量％)妲、至高5 〇重量％(較佳工〇 至4.0重量％)鎢、} 〇至6 〇(較佳！ 〇至3 5重量％)鍊、至高 重ΐ %(較佳4.0重量％或更少）鉬，而餘額是鎳。此等金屬塗 層中姮和鎢的總量在3·〇至12重量％範圍内而較佳在5〇至 9.0重量％範圍内。 此第一族的塗層中，特別有用之塗佈組合物包含125重 量％鉻、8.0重量％鋁、〇 4至〇 7重量％釔、〇 4重量％給、6 〇 重量。/。妲、2.0重量％鎢、2.0重量％鍊而餘額是鎳。 第二族的特別有用之金屬塗層組合物包括2 〇至18重量 (較佳8.0至12重量％)姑、3.0至10重量％(較佳4.0至6.5重量 %)鉻、5.5至15重量％(較佳7.5至12.5重量。/。）鋁、01至1 〇重 量％(較佳0.2至〇.7重量％)釔、至高〇.6重量％(較佳自〇二至 0.6重量％)鈴、至高〇 3重量％矽、3 〇至1〇重量％(較佳5 〇至 7.0重量。/〇)妲、；[〇至9 〇重量較佳4 2至5 8重量％)鎢、i 〇 至5·0(較佳2.3至3.7重量％)鍊、〇·2至4.0重量％(較佳！ 4至2 〇 重量％)鉬而餘額是鎳。此等塗層中鎢和妲的總量是自3 〇至 12重量％(較佳自5.〇至9.〇重量％)。 85078 1228151 此第二族的塗層中，特別有用之塗佈組合物包含l〇.5重 量％鈷、5.0重量％鉻、9.〇重量％鋁、〇 4至〇.7重量％釔、〇.4 重量％給、0.1重量％矽、6.〇重量％姮、5 〇重量〇/。鐫、3.0重 量％鍊、1.7重量％4目而餘额是鎳。 不良塗層疲勞性能的驅動力是過度塗層厚度。沉積塗覆 層塗層的一般方法包括熱噴技術例如低壓電漿噴射（Lpss) 其創造0.004至0.012英寸的範圍内之塗層厚度。使用陰極 電弧電漿蒸汽沉積技術，可能施加具有〇 〇〇2英寸厚度之含 有則述組成之塗層。通過陰極電弧電漿蒸汽沉積施加本發 明的塗層之技術討論於美國專利案第5,972，185 ; 5’932’07 8 ’ 6,036,828 ; 5,792,267 和 6,224,726 等中，將所有 I專利案以引用的方式併入本文中。可使用沉積之替代方 法，包括其他電漿蒸汽沉積技術例如磁控管噴濺和電子束 電漿蒸汽沉積。當不考慮厚度時，可利用各種熱噴技術例 如低壓電漿噴射和HVOF(高速度氧基-燃料）技術。 具有依照本發明之組成的塗層顯示之熱疲勞耐受性係等 於最佳疲勞耐受性擴散之鋁化物塗層。下表舉例說明2100 F燃燒器設備循環氧化試驗比較根據本發明之組合物與其 他塗層組合物的結果。 85078 1228151 2100°F燃燒器設備循環氧化試驗 材料# 塗層使用壽命 (小時） CL" 系列失效 (小時） —---- SF** 701 2.95 2320 1573 2713 1839 702 3.1 4105 2648 6285 4055 703 2.7 1591 1179 1932 1431 699 3.3 3060 1855 3622 2195 700 2.15 1170 1088 1399 1301 697 2.4 982 818 1045 871 695 2.8 826 590 1315 939 696 2.45 676 552 805 657 PWA 275 2 115 115 366 366 **正規化至2密耳塗層厚度 自材料701所形成之樣品具有包含下列之組成：丨2.5重量 %之鉻、8.0重量％鋁、〇 4至〇.7重量％釔、0.4重量％銓、6.0 重量％备、2.0重量％鎢、2 0重量％鍊而餘额是鎳。自材料 702所形成之樣品具有包含下列之組成：1〇 5重量〇/。鈷、5〇 重量％路、9.〇重量％鋁、0.4至〇.7重量％釔、0.4重量％鈐、 0.1重量°/。矽、6.〇重量％妲、5.〇重量％鎢、3.0重量％鍊、1.7 重量％鈿而餘額是鎳。 703所指定之樣品具有包含下列之組成：7.0重量％鉻、6.0 重量铭、5.5重量％鎢、4 〇重量％鈕、2.0重量％鍊、4.0重量 85078 -10- 1228151 了、〇.5重量％鉬、〇.4重量％鈴、〇.25重量％釔而餘额是鎳。 699所指定之樣品是具有錁和妲之NiCoCrAlY組合物。 700、697、695和696所指定之樣品是具有2至4重量％鉻、 〇·2至〇.6重量％釔和〇.4重量％鈴之NiAi組合物。由PWA 275 所指定之樣品是習見之低活性NiAl雜化物。 試驗條件是每小時在21 00卞下57分鐘及3分鐘之強制空 氣冷卻。燃燒器設備使用供應的與Jp8噴射機燃油混合之預 熱壓縮空氣來加熱動態環境中之樣品。 顯然可見·依照本發明已提供一種具氧化及疲勞耐受性籲 之金屬塗層其完全符合上文中所特舉出之目的、方法和優 點。雖然本發明已在其特定具體實施例的範圍中（予以）敛 述’但是熟諳此藝者在閱讀前述敘述後’其他替代、修正 和變更係顯然可見。因此，音欲☆匕抓仏# " μ欲包括那些替代、修正和變 更屬於所附隨之申請專利範圍的廣泛範圍以内。

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Claims (1)

1228151 拾、申請專利範圍： 種^供具氧化及疲勞耐受性的金屬塗層，其具有一種 、’且合物包括至高18重量。/。鈷、3·〇至18重量％鉻、5.0至15 重T%鋁、（^丨至^重量。〆。釔、至高〇.6重量％銓、至高〇.3 重量％矽、3.0至1〇重量％鈕、至高9〇重量％鎢、1〇至6〇 重1 %鍊、至高1〇重量0/。鉬及餘額是鎳。 2 .如申凊專利範圍第丨項之金屬塗層，其中妲和鎢之總量是 在自3.0至16.0重量％範圍内。 3·如申請專利範圍第丨項之金屬塗層，其中鈷之數量少於15 重1%、鉻之數量自5.0至18重量％、鋁之數量自5 0至12 重量％而鎢之數量少於5_〇重量〇/0。 4·如申請專利範圍第丨項之金屬塗層，其中姑之數量自 至18重量。/()、鉻之數量自3.0至10重量。/〇、鋁之數量自5.5 至15重量％、鍊之數量自1〇至5 〇重量％而鉬之數量自 至4.0重量％。 5 ·如申請專利範圍第丨項之金屬塗層，其中鈕和鎢之總量是 在自4.0至16重量％範圍内。 6· 一種具有一種組合物之金屬塗層，此組合物基本上包含 至高15重量％鈷、5.0至18重量％鉻、5.0至12重量％銘、〇 i 至1.0重量％釔、至高0.6重量❶/〇銓、至高〇.3重量％石夕、3〇 至10重量。/〇妲、至高5.0重量％鎢、ι·〇至6.〇重量％鍊、至 高10重量％鉬及餘額是鎳。 7 ·如申請專利範圍第6項之金屬塗層，其中备和鶴的總量是 在自3.0至12重量％的範圍内。 85078 1228151 .如申請專利範圍第6項之金屬塗層，其中麵和嫣的總量是 在自5.0至9·〇重量％的範圍内。 9.如申請專利範圍第6項之金屬塗層，其中鈷之數量少於2 〇 重1%、鉻之數量自10至15重量％、鋁之數量自6 〇至 重量％、釔之數量自0.2至0 7重量％、銓之數量自〇 2至〇 6 重1%、矽之數量不大於〇·丨重量％而钽之數量自5 〇至7 〇 重量％。 〇·如申請專利範圍第6項之金屬塗層，其中鉻之數量是12 5 重量％及其中鋁之數量8.0重量％。 鲁 如申印專利範圍第9項之金屬塗層，其中乾之數量自〇 4 至0·7重量°/❶而給之數量是0.4重量％。 . 2·如申請專利範圍第6項之金屬塗層，其中鍊之數量自 至3.5重量％，較佳之數量是2 〇重量％。 13. 如申請專利範圍第6項之金屬塗層，其中鉬之數量不大於 4. 〇重量％。 14. 一種金屬塗層，基本上包含至高2 〇重量％鈷、1〇至15重 量％路、6.0至1〇重量。/。鋁、〇 2至0.7重量％釔、〇 2至〇·6 重量％給、0.001至〇1重量％矽、5.〇至7.〇重量％叙、1 〇 至4.0重量％鎢、10至3 5重量❻/q鍊、至高4 〇重量％鉬及餘 額是鎳。 15. 如申請專利範圍第14項之金屬塗層，其中鎢和鈕之總數 量在5.0至9.0重量％的範圍内。 16. —種金屬塗層，其包含125重量％鉻、8.0重量。/。鋁、〇 4 至〇.7重量％釔、〇.4重量％铪、6.0重量％姮、2.0重量％鎢、 85078 1228151 2.0重量％銖及餘額是鎳。 17. —種金屬塗層，其基本上包含2 〇至18重量％鈷、3 〇呈1〇 重量％鉻、5.5至15重量。/。鋁、〇·1至1.〇重量％釔、至高〇.6 重量％銓、至高0.3重量％矽、3.0至10重量％妲、1〇至9·〇 重量％鎢、1.0至5.0重量％鍊、0.2至4.0重量％鉬及餘额是 鎳。 18. 如申請專利範圍第17項之金屬塗層，其中妲和鎢之總數 量在4.0至16重量％的範圍内。 19. 如申請專利範圍第17項之金屬塗層，其中姮和鎢之總數 量在7 · 0至12重量％的範圍内。 20. 如申請專利範圍第17項之金屬塗層，其中妲和鎢之總數 量是11重量％。 21·如申請專利範圍第17項之金屬塗層，其中鈷之數量自8 〇 至12重量、鉻之數量自4 〇至6.5重量％、鋁之數量自7 5 至12.5重量％、釔之數量自〇 2至〇 7重量％、銓之數量自〇 2 至0.6重量％、矽之數量不大於〇.1重量％而鈕之數量自5.0 至7.0重量％。 22. 如申請專利範圍第17項之金屬塗層，其中鈷之數量是10.5 重量％、絡之數量是5.0重量％、鋁之數量是9 〇重量％、乾 之數量自0·4至〇.7重量％、铪之數量是〇·4重量％而鈕之數 量是6.0重量％。 23. 如申請專利範圍第17項之金屬塗層，其中鎢之數量自* 2 至5.8重量°/〇、錁之數量自23至3.7重量％而鉬之數量自i 4 至2.0重量％。 85078 1228151 24·如申請專利範圍第17項之金屬塗層，其中鎢之數量是5 〇 重量％、銖之數量是3. 〇重量％而鉬之數量自丨7重量0/〇。 25· —種具有一種組合物之金屬塗層，其基本上包含8 〇至12 重量❶/〇鈷、4.0至6.5重量％鉻、7 5至12 5重量％鋁、〇 2至 0.7重量％乾、〇·2至〇.6重量％給、至高〇 3重量％麥、5.0 至7.0重量％鉦、4.2至5.8重量。/〇鎢、2.3至37重量％鍊、14 至2·0重量％鉬及餘额是鎳。 26·如申請專利範圍第25項之金屬塗層，其中鈕和鎢之總數 量在自7.0至12重量％的範圍内。 27. —種金屬塗層，其包含10.5重量％鈷、5 〇重量％鉻、9 〇 重量％銘、0.4至0.7重量％釔、〇·4重量％銓、〇丨重量％碎、 6.0重量％叙、5.0重量。/〇鎢、3.0重量％錁、1 7重量％鉬及 餘額是鎳。 28· —種甩於沉積一個塗覆層塗層在基板上之方法，包括： 提供自以鎳為基質之合金、以鈷為基質之合金及以鐵 為基質之金屬材料的至少一種所形成之基板材料；及 沉積具有一種組合物之塗層至該基板上，其基本上包 含至咼18重量％鈷、3.0至18重量％鉻、5.0至15重量％銘、 0.1至1.0重量％釔、至高〇.6重量％銓、至高〇 3重量％矽、 3.0至1〇重量％鈕、至高9.〇重量％鎢、1〇至6〇重量％銖、 至高10重量％鉬及餘额是鎳。 29.如申請專利範圍第28項之用於沉積一個塗覆層塗層之方 法’其中該沉積步驟係使用陰極電弧方法或低壓電漿喷 賤技術來進行。 85078 1228151 30.如中請專利範圍第28項之方法，其φ兮 > 接土 乃忒具肀该外積步.驟包括沉 積具有-種組合物之塗層，其基本上包含至高Μ重量％ 鈷、5.0至18重量％路、5 〇至12重量％銘、〇」至】〇重量％ 釔、至高0.6重量％給、至高〇 3重量％碎、3 〇至1〇重量％ 叙、至高5.0重量％嫣、Umo重量％銖、至高ι〇重量％ 鉬及餘額是鎳。 .如申請專利範圍第28項之方法，其中該沉積步驟包括沉 積具有一種組合物之塗層，其基本上包含至高2〇重量％ 鈷、10至15重量％路、6.0至10重量％鋁、〇 2至〇 7重量％ 釔、0.2至〇.6重量％給、至高〇]重量％梦、5 〇至7 〇重量％ 鋰、1.0至4.0重量％鎢、u至3 5重量％鍊、至高4 〇重量％ 鉬及餘額是鎳。 32.如申請專利範圍第28項之方法，其中該沉積步騾包括沉 積具有一種組合物之塗層，其基本上包含2 〇至18重量％ 姑、3.0至10重量％鉻、5 5至15重量％鋁、〇 1至1 〇重量％ 釔、至高0.6重量％姶、至高〇 3重量％矽、3 〇至1〇重量％ 艇、1 ·0至9.0重量％鎢、1 〇至5 〇重量％銖、〇 2至4 〇重量 %鉬及餘额是鎳。 33·如申請專利範圍第28項之方法，其中該沉積步騾包括沉 積具有一種組合物之塗層，其基本上包含8〇至12重量〇/0 鈷、4.0至6.5重量％鉻、7.5至12.5重量°/〇鋁、0.2至0.7重量 0/〇妃、0.2至0.6重量❶/〇給、至高〇 3重量。/。矽、5.〇至7.〇重量 %鋁、4.2至5.8重量°/。鎢、2.3至3.7重量。銖、1.4至2.0重 量％鉬及餘额是鎳。 85078