用于金屬基底的涂層的制作方法
【專利說明】
[0001] 巧關(guān)申請的香叉引用 本申請請求享有2013年3月13日提交的Mourer等人的題為"CoatingsforMetallic Substrates(用于金屬基底的涂層）"的美國臨時專利申請序列第61/ 779, 427號的優(yōu)先 權(quán)；其公開內(nèi)容在此通過引用并入。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明大體上設(shè)及用于例如燃?xì)鉂M輪發(fā)動機(jī)構(gòu)件的金屬基底的涂層。此類構(gòu)件可 包括但不限于盤、密封件和其它轉(zhuǎn)子構(gòu)件、葉片和結(jié)構(gòu)構(gòu)件。更具體而言，本發(fā)明設(shè)及金屬 涂層，其與盤合金粘附且相容，且給它們提供保護(hù)W免受氧化和熱腐蝕。
【背景技術(shù)】
[0003] 燃?xì)鉂M輪發(fā)動機(jī)的滿輪區(qū)段包含轉(zhuǎn)子軸和一個或更多個滿輪級，各個均具有由軸 安裝或W其它方式承載的滿輪盤（或轉(zhuǎn)子），W及安裝至盤的外周并從盤的外周沿徑向延 伸的滿輪葉片。滿輪的相鄰級由帶有導(dǎo)葉的非旋轉(zhuǎn)噴嘴組件分開，導(dǎo)葉引導(dǎo)燃燒氣流穿過 滿輪葉片。密封元件減小滿輪區(qū)段的旋轉(zhuǎn)和非旋轉(zhuǎn)（靜止）構(gòu)件之間的泄漏，且將冷卻空 氣流導(dǎo)送至滿輪葉片和導(dǎo)葉。
[0004] 滿輪構(gòu)件由超級合金材料形成，W在燃?xì)鉂M輪發(fā)動機(jī)的滿輪區(qū)段內(nèi)的升高溫度下 提供可接受的機(jī)械性能。具體而言，例如葉片和導(dǎo)葉的滿輪翼型件構(gòu)件常常由等軸的定向 凝固值巧或單晶（S訝超級合金形成。滿輪盤和密封元件通常由多晶超級合金形成，其經(jīng) 歷小屯、控制的鍛造、熱處理和例如噴丸的表面處理，W實現(xiàn)期望的顆粒結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。
[0005] 盡管已經(jīng)實現(xiàn)了超級合金的高溫能力的顯著發(fā)展，但諸如葉片和導(dǎo)葉的位于熱氣 流通路中的滿輪構(gòu)件易于由氧化和熱腐蝕沖擊破壞。因此，滿輪構(gòu)件通常由環(huán)境涂層單獨(dú) 保護(hù)，或由用作連結(jié)涂層的環(huán)境涂層連同熱障涂層（TBC)W形成TBC系統(tǒng)來保護(hù)。在滿輪 葉片和導(dǎo)葉上廣泛使用的環(huán)境涂層和TBC包括擴(kuò)散侶化物涂層和合金，諸如MCrAlX上覆涂 層，其中M為鐵、鉆和/或儀，且X為錠、其它稀±元素和反應(yīng)元素中的一種或更多種。擴(kuò)散 侶化物和MCrAlX涂層的侶成分有助于且促進(jìn)在滿輪葉片和導(dǎo)葉的操作溫度下在其表面上 形成穩(wěn)定且環(huán)保的氧化侶（Al2〇3)皮。
[0006] 在燃?xì)鉂M輪發(fā)動機(jī)的操作溫度繼續(xù)升高時，滿輪盤遭受較高溫度。結(jié)果，盤/軸和 其它轉(zhuǎn)子構(gòu)件的腐蝕已經(jīng)變得成問題。滿輪盤和其它滿輪轉(zhuǎn)子構(gòu)件的腐蝕歸因于W下：包 含金屬硫酸鹽或其它金屬硫化物加還原劑的固體顆粒的沉積，沉積顆粒與盤合金在高溫下 形成由不透空氣的烙化固體顆粒覆蓋的還原的金屬硫化物的反應(yīng)，W及包括堿性硫酸鹽、 亞硫酸鹽、氯化物、碳酸鹽、氧化物和其它腐蝕性鹽沉積物的混合物的其它腐蝕劑。
[0007] 已經(jīng)研究了各種腐蝕抑制涂層來防止?jié)M輪盤由于此類沖擊的腐蝕。例如氧化銘 (化2〇3)或氧化侶（Al2〇3)的保護(hù)性氧化物的連續(xù)表面層需要提供燃?xì)鉂M輪發(fā)動機(jī)的熱氣體 通路內(nèi)的良好防腐性。在Goebel等人的"（MechanismsfortheHotCorrosionofNickel -BaseAlloys(用于儀基合金的熱腐蝕的機(jī)構(gòu)）"（MetTrans, 4, 1973，261)報告的研 究顯示了提高的銘水平，且作為副效應(yīng)，提高了侶的水平，促進(jìn)了帶有提高的防腐性的氧化 皮的形成。R.L.Jones在"HotCorrosioninGasTurbines(燃?xì)廨啓C(jī)中的熱腐蝕）" 的（CorrosioninFossilFuelSystems,TheElectrochemicalSociety,Princeton, NJ(1983) 341-364)中提出了分別至少15重量百分比wt%)和小于5重量百分比的銘含量和 侶含量分別是優(yōu)先形成保護(hù)性氧化銘皮所需的，W及至少5重量百分比的銘含量和侶含量 各自是優(yōu)先形成NiCrAl[基]合金的保護(hù)性氧化侶皮所需的。
[0008] 盡管W上論述具體針對防腐性，但大體上理解的是，氧化性能也將隨更連續(xù)的保 護(hù)性氧化皮而提高，保護(hù)性氧化皮例如是上文所述的氧化銘和/或氧化侶皮。例如，富銘汽 相沉積涂層已經(jīng)長久用于保護(hù)易于氧化的合金，諸如可從SpecialMetalsCorp(特種金屬 公司）獲得的Inconel?90X系列（IN901、903、907、909)。
[0009] 腐蝕抑制涂層可許多方式應(yīng)用于金屬基底上。例如，包括侶化物、銘化物和氧 化物的腐蝕抑制涂層可通過有機(jī)金屬化學(xué)汽相沉積（M0-CVD)、填料侶化物、銘化物或娃化 物、離子植入侶、金屬氮化物和金屬碳化物來沉積。運(yùn)些途徑的特定示例在共同轉(zhuǎn)讓的美國 專利號 6, 532, 657、6, 921，251、6, 926, 928、6, 933, 012 和 6, 964, 791 和共同轉(zhuǎn)讓的美國專利 申請公告號2005/0031794和2005/0255329中公開。設(shè)及腐蝕抑制涂層的涂漆層的一種途 徑已經(jīng)由此類油漆在發(fā)動機(jī)操作期間易于脫落而妨礙。此類脫落被認(rèn)為由分層的油漆與其 保護(hù)的合金之間的顯著熱膨脹系數(shù)（CT巧失配引起，運(yùn)導(dǎo)致了熱瞬變發(fā)動機(jī)狀態(tài)期間的高 界面應(yīng)變。分層油漆的粘合可能由依賴油漆與合金之間的機(jī)械粘合而部分地限制，運(yùn)可在 一定程度上通過在沉積油漆之前對待涂布的表面噴砂或其它表面改性手段來改善，W加強(qiáng) 本領(lǐng)域中公知的機(jī)械粘合。然而，脫落仍是許多應(yīng)用或構(gòu)件的特定區(qū)域中使用分層油漆的 障礙。
[0010] 除腐蝕之外，疲勞測試已顯示出如果在延長時間周期內(nèi)遭受較高操作溫度，則當(dāng) 前的盤合金也易于總體氧化或局部晶界氧化。因此，較高滿輪操作溫度下的延長操作還可 需要保護(hù)滿輪盤免于氧化。
[0011] 腐蝕抑制涂層不一定有效作為氧化隔層或抑制物，特別是對于高溫下的延長暴 露。例如，盡管上文所述的M0-CVD侶化物和銘化物涂層和金屬碳化物和氮化物涂層也可能 能夠用作氧化的隔層，但運(yùn)些腐蝕抑制涂層認(rèn)作是具有可使它們不令人滿意地用作滿輪盤 和密封件上的保護(hù)性涂層的局限性，諸如有限的粘合、CTE失配、低容量處理、W及與常常用 于形成滿輪盤和密封件的合金類型的化學(xué)相互作用。盡管侶化物涂層呈現(xiàn)出優(yōu)異的粘合 性、抗腐蝕和氧化性，但它們可不利地影響盤的疲勞壽命。如果非期望的a銘相并未形成 或并未W大體積分?jǐn)?shù)或在半連續(xù)區(qū)域中形成，則銘化物涂層還呈現(xiàn)出較大粘合和防腐性。 然而，形成最大的銘化物和侶化物涂層通常所需的處理溫度高于使其難W在鍛造部分上使 用的許多滿輪盤和密封件材料的老化溫度。氮化物和碳化物涂層大體上遭受侶化物和銘化 物隔層的上述相同局限性。作為備選，包括由M0-CVD施加的那些的氧化物涂層是優(yōu)異的防 腐層，且并非不利于疲勞性能，但其與超級合金失配的熱膨脹限制其粘合。
[0012] 因此，期望的是提供一種保護(hù)性涂層材料，其在機(jī)械和化學(xué)兩者上適用于滿輪盤 上，且高度抗氧化和腐蝕。此涂層材料還必須為抗脫落的，且在延長時間內(nèi)在高操作溫度 下，具有可接受的CTE匹配和與盤合金的有限的機(jī)械性能相互作用。此外，此涂層材料將理 想地與通常形成滿輪盤的多晶超級合金所需的典型處理或處理順序相容。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明的方面和優(yōu)點(diǎn)將在W下描述中部分地闡明，或可從描述中清楚，或可通過 實踐本發(fā)明理解到。
[0014] 大體上提供了滿輪構(gòu)件，其包括超級合金基底和超級合金基底上的涂層。涂層大 體上限定滿輪構(gòu)件的外表面，其暴露于燃?xì)廨啓C(jī)中的熱氣體流動通路。涂層大體上包括： 15wt% 到 45wt% 的鉆；20wt% 到 40wt% 的銘；2wt% 到 15wt% 的侶；0.Iwt% 到Iwt% 的錠；W及 儀。在一個特定實施例中，涂層包括55wt%到75wt%的儀和鉆的組合量。
[0015] 在某些實施例中，涂層可具有5ym至Ij100ym的厚度，優(yōu)選10ym到大約90ym， 且更優(yōu)選12iim到75ym。在特定實施例中，涂層的平均粒度可為0. 1微米到5微米，優(yōu)選 0. 5微米到2. 5微米。
[0016] 涂層可包括釘扎劑的分布，其可位于限定在涂層中的顆粒之間的界面上。例如，釘 扎劑可包括陶瓷顆粒，諸如侶、鐵、錠、給、錯、銅的氧化物，或它們的混合物；鐵、粗、妮、錯、 給的碳化物，或它們的混合物；鐵、粗、妮、給、錯和錠的氮氧化物或它們的混合物；或它們 的組合。在一個實施例中，涂層可基本上由W下構(gòu)成：30wt%到40wt%的鉆；22wt%到25wt〇/〇 的銘；8wt%到12wt%的侶；0.Iwt%到Iwt%的錠；儀；W及分布的釘扎劑。
[0017] 在某些實施例中，涂層還可包括Owt%到lOwt%的鶴；Owt%到lOwt%的粗；Owt%到 0. 5wt%的給；Owt%到0. 5wt%的娃；銅、姉、錯、儀、稀±金屬中的至少一者；或它們的組合。 此外或作為備選，涂層還可包括：鶴、鋼、粗、鍊、鐵、妮、饑、銷族金屬，或它們的組合；其中 運(yùn)些元素的總組合量為20wt%或更少。
[0018] 在一個特定實施例中，涂層基本上由W下構(gòu)成：30wt%到40wt%的鉆；22wt%到 25wt%的銘；8wt%到12wt%的侶；0.Iwt%到Iwt%的錠；W及儀。
[0019] 還大體上提供了燃?xì)廨啓C(jī)，其包括例如上文所述的滿輪構(gòu)件，該構(gòu)件定位在燃?xì)?輪機(jī)的熱氣體通路內(nèi)，使得涂層保護(hù)超級合金基底免受燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)的熱氣體。即是說，涂層 直接地暴露于燃?xì)廨啓C(jī)的熱氣體，且向下覆的超級合金基底提供防腐性。
[0020] 本發(fā)明的運(yùn)些及其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將參照W下描述和所附權(quán)利要求變得更好 理解。并入本說明書中且構(gòu)成本說明書的一部分的附圖示出了本發(fā)明的實施例，且連同描 述用于闡釋本發(fā)明的原理。
【附圖說明】
[0021] 認(rèn)作是本發(fā)明的主題在說明書的結(jié)束部分中具體地指出且清楚地要求權(quán)利保護(hù)。 然而，本發(fā)明可通過連同附圖參照W下描述來更好理解，在附圖中： 圖1為根據(jù)本發(fā)明的實施例的示例性燃?xì)鉂M輪發(fā)動機(jī)的滿輪區(qū)段的一部分的剖視圖； 圖2為根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于燃?xì)鉂M輪發(fā)動機(jī)的類型的示例性滿輪盤的透視圖； 圖3示意性地呈現(xiàn)了根據(jù)本發(fā)明的實施例的圖1中的一個或更多個滿輪構(gòu)件的表面上 的抗腐蝕和氧化涂層的剖視圖； 圖4為顯示1個循環(huán)之后的未涂布的Ren6?104樣本的1300了下