[發明專利]用霧化噴涂沉積金屬涂層的方法

有效

• 申請號: 201010508375.0
• 申請日: 2010-09-30
• 公開（公告）號: CN102031477A
• 公開（公告）日: 2011-04-27
• 發明（設計）人: D·V·布奇;K·O·漢斯;W·M·A·米格利蒂;C·U·哈德維克
• 申請（專利權）人: 通用電氣公司
• 主分類號: C23C4/08
• 分類號: C23C4/08
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 徐晶;林毅斌

技術領域

本發明涉及施加到基材的金屬、陶瓷或復合涂層，更具體地講，涉及用于暴露于侵蝕環境的金屬基材上的抗氧化、抗腐蝕、抗熱和抗磨涂層，例如，施加到在苛刻環境中長期操作的金屬燃氣渦輪發動機部件的保護性涂層。本發明還涉及施加到在較小侵蝕性、較低溫度環境中的金屬基材的保護性涂層，例如在風力渦輪機部件上的抗磨涂層和施加到非金屬基材的涂層。

背景技術

由特種材料(如超合金)制成的部件用于極端操作條件下的多種工業應用。在能量產生領域，總是必須涂覆工作部件，以增加其經延長時間的表面抗退化性質，如抗氧化性、抗腐蝕性、抗侵蝕性和抗磨性。例如，暴露于超過1500°F溫度的燃氣渦輪機部件，如輪蓋和翼片，一般已在其初始制造期間和/或停工修補期間涂覆，以提高在高溫長期暴露于氧化氣氛時對氧化、腐蝕和顆粒侵蝕的保護。

在過去，已用設計用于優化涂層微結構和機械性質的多種技術將普通保護性涂層施加到金屬基材上。然而，這些涂層傾向于花費大，包括復雜過程控制，并且涂覆制品消耗相當多停工時間。這些方法的實例包括低壓等離子噴涂(LPPS)、真空等離子噴涂(VPS)、高速氧燃料(HVOF)、空氣等離子噴涂(APS)和電子束物理氣相沉積(EBPVD)。也已用在蒸氣、包裝或漿料過程中施加的擴散鋁化物修補渦輪機部件。遺憾的是，很多已知的現有技術涂層傾向于隨時間變脆，或者由于在渦輪發動機投入運行和退出運行時發生的熱循環和金屬疲勞變脆。改進涂層以使它們隨時間有較小的脆性通常導致較低的抗氧化性。

對于由超合金形成的金屬結構，例如用于在升高溫度(例如在或高于1000℃)操作的多級發動機的結構，燃氣渦輪機部件的抗磨性和抗氧化性方面的問題特別突出。如果在暴露金屬部件上沒有保護性涂層，則在高溫下氣體工作流體的氧化氣氛就可能快速改變金屬基材的化學組成，并因此改變金屬基材的性質。在一個區域物質性質的顯著缺陷可能極有害于整個系統的機械完整性和可靠性。因此，已開發出延長部件壽命的各種方法，用保護性涂層覆蓋關鍵部件表面。雖然在保護性涂層中存在鋁改善抗氧化性，但過量鋁也可降低涂層延性，導致在持續工作期間破裂，并最終使初始涂層的好處損失。

超合金利用的大多數抗氧化涂層包括具有通式MCrAlY的合金，其中M包括鐵、鎳和/或鈷。為了達到最高壽命和空氣動力效率，涂層優選作為具有光滑、均勻和控制厚度的最終層施加。根據操作環境、部件尺寸和工作流體的性質，已用于施加這些涂層的普通熱噴涂技術具有積極和消極屬性。例如，在最終保護性涂層必須不含金屬氧化物時，VPS應用有用。

另一方面，由于噴涂設備的物理限制，VPS和HVOF技術對涂層施加到難以進入的基材區域不太有效，這些噴涂設備對用于小的區域太大或者笨重，以至于沒有一條槍角視線來獲得合理沉積速率和可接受微結構。大多數熱噴涂方法還包括一個或多個掩蔽步驟，這些步驟在進行局部修補中可能代價高，并且耗時。同樣，其他已知的涂覆系統傾向于花費大，需要復雜的過程控制，并且花相當多停工時間有效和可靠地涂覆目標部件。

發明內容

本發明提供一種涂覆基材(如暴露于苛刻操作環境的燃氣渦輪發動機部件)以提高基材在高溫下的抗氧化性的新方法。本發明的示例性方法包括以下步驟，形成高熔點超合金組分和低熔點釬焊粘合劑組分的粉末狀混合物；將粉末狀混合物用霧化噴涂在室溫施加到基材的表面上，以在基材表面上形成厚度基本均勻的涂層；然后將基材加熱到足以給予涂層強度和抗氧化性/抗腐蝕性的溫度。

在一個實施方案中，所述方法利用高熔點超合金組分或MCrAlY涂料和包含硅、硼、鉿或金的較低熔點組分的粉末狀混合物，其中M包括Fe、Ni和/或Co。加熱步驟在真空條件下在約1900°F至2275°F的溫度進行，從而形成液相，其中較高熔點的粉末變得懸浮，并通過液相燒結形成冶金接合。在用于修補燃氣渦輪發動機部件的金屬基材時，本發明具有特殊優點。

附圖說明

圖1為用于其中可利用本發明的常規釬焊涂覆應用的基本方法步驟的示意流程圖；

圖2為顯示用霧化噴涂技術形成和沉積金屬涂層所用的基本步驟和本發明的隨后處理步驟的簡化工藝流程圖；

圖3描繪基于本文所述低熔點組分和高熔點組分變化使用本發明的釬焊方法的不同水平的硅的不同涂料組合物；

圖4為對于不同的低熔點組分和高熔點組分在恒定真空條件和恒定加熱速率下進行的本發明的示例性釬焊循環的時間-溫度繪圖；

圖5顯示在不同的低熔點組分和高熔點組分中具有不同量硅的本發明的示例性涂層的一系列顯微相片；