[發明專利]用于產生擴散鋁化物涂層的方法和設備

有效

• 申請號: 201480060587.3
• 申請日: 2014-11-07
• 公開（公告）號: CN105705669B
• 公開（公告）日: 2019-04-09
• 發明（設計）人: K.E.加林;J.J.麥康奈爾;C.H.赫茨勒
• 申請（專利權）人: 普萊克斯S.T.技術有限公司
• 主分類號: C23C10/28
• 分類號: C23C10/28
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 劉辛;李炳愛

公開了用于將擴散鋁化物材料施加到各種零件的內部區段上的獨特且改善的方法和涂布設備。將源材料涂布到細長構件(諸如絲或棒)上，隨后在特定位置將所述細長構件插入待涂布的部件的中空空腔中。涂布方法和所得涂層的改善包括不需要用于氧化物和/或殘余素瓷去除的后涂布步驟的涂布復雜幾何形狀和涂布具有均勻厚度的部件的能力。

發明領域

本發明涉及用于將受控量的擴散涂層材料施加到諸如燃氣渦輪部件的內部區段(internal section)的內部空腔的表面上的新穎且改善的方法和涂布設備。

發明背景

鋁化物涂層是廣泛用于保護諸如鎳、鈷、鐵和銅合金的金屬基底表面的擴散涂層。鋁化物涂層基于鎳和鈷與鋁在基底表面反應時形成的金屬間化合物。金屬間化合物是二元金屬體系中的中間相，其具有由二元組分之間的特定元素(原子)比實現的特征晶體結構。

鋁基金屬間化合物(即，鋁化物)耐高溫降解。因此，它們作為優選的保護性涂層出現。保護性鋁化物涂層為各種最終用途應用提供高溫氧化和腐蝕保護。這些涂層對于諸如燃氣渦輪發動機的航空航天部件的保護特別有效。

燃氣渦輪發動機包括各種部件，諸如輪葉(blade)、葉片(vane)和燃燒室殼(combustor case)。所述部件通常由鎳和鈷合金制成。在運行期間，這些部件通常位于渦輪的熱段并暴露于來自渦輪燃燒過程的熱氣體，在此可發生氧化和腐蝕。具體地講，在組成零件(component part)表面的氧化和腐蝕反應可引起金屬損耗和壁厚損失。金屬的損失迅速地增加了各組成零件上的應力并可導致零件故障。因此將鋁化物涂層施加到這些組成零件上，以通過提供對于氧化和腐蝕的抵抗力來保護零件的結構完整性。

在鋁化物涂布過程期間還必須維持在制造期間施加在零件上的精細的尺寸公差。鋁化物涂布過程涉及在含鋁源材料的存在下加熱金屬基底表面。所述含鋁源材料包括鹵化物活化劑和鋁“供體”或源合金。如此處和說明書通篇所用的，應理解術語“供體”和“源”可替換使用。當加熱所述材料時，供體合金和活化劑反應產生鋁蒸汽。汽化的鋁轉移到金屬基底表面并擴散進入金屬表面，產生金屬鋁合金的保護性外層。鋁與基底反應形成金屬間化合物。還形成含鋁的附加層(additive layer)。

鋁化物涂布過程一般涉及涂布部件的外部和內部區段。一類鋁化物涂層通常用于涂布外表面而第二類鋁化物用于涂布內部區段。對于零件的不均勻的或過厚的擴散涂布層可有效地起到降低壁厚并因此降低零件強度的作用。此外，過厚的鋁化物涂層(特別是在渦輪輪葉的前緣和后緣處，高應力主要在此發生)可導致疲勞裂紋。

此外，部件通常構造有用于輸送內部冷卻空氣的空心通道。因此，中空部件的內表面必須以不僅產生均勻厚度的涂層、而且使得沿著所述內表面的冷卻空氣通道不被堵塞的方式來涂布。航空航天工業中的進步已導致燃氣渦輪部件被設計成沿著內部空腔的表面具有越來越復雜的幾何形狀，從而使得均勻涂布此類表面的能力比以前遇到的更具挑戰性。

用于將鋁化物涂層施加到中空部件的內表面上的一種技術依賴于利用滲鋁粉末包裝(pack)將供體和活化劑直接施加到內表面上。該包裝技術涉及利用鋁粉，其與活化劑諸如氟化鋁或氟化銨混合。將待涂布的零件以確保所述零件被鋁基粉末完全包圍的方式浸入具有活化劑的該粉末中。還迫使鋁基粉末進入零件的內部區段，并此后加熱以使粉末熔融并擴散進入表面。然而，不合意的殘余涂層(其中一些在本工業中可稱為“素瓷”)可能難以從冷卻空氣孔和內部通道中去除。如此處和說明書通篇所用的“素瓷”意欲包括氧化的材料，包括污垢(scale)(例如Al_xO_y)；供體材料組分(例如鹵化物活化劑和供體源材料)；和由供體材料組分的副反應產生的副產物，包括含鹵化物的活化劑與大氣氣體的副產物(例如Al_xN_y) –所有這些在涂布過程期間形成并變得不合意地結合到所得鋁化物涂層中。素瓷可導致空氣流的限制。因此，所述零件必須被報廢，從而導致材料和生產損耗。