[发明专利]用雾化喷涂沉积金属涂层的方法

说明书

技术领域

本发明涉及施加到基材的金属、陶瓷或复合涂层，更具体地讲，涉及用于暴露于侵蚀环境的金属基材上的抗氧化、抗腐蚀、抗热和抗磨涂层，例如，施加到在苛刻环境中长期操作的金属燃气涡轮发动机部件的保护性涂层。本发明还涉及施加到在较小侵蚀性、较低温度环境中的金属基材的保护性涂层，例如在风力涡轮机部件上的抗磨涂层和施加到非金属基材的涂层。

背景技术

由特种材料(如超合金)制成的部件用于极端操作条件下的多种工业应用。在能量产生领域，总是必须涂覆工作部件，以增加其经延长时间的表面抗退化性质，如抗氧化性、抗腐蚀性、抗侵蚀性和抗磨性。例如，暴露于超过1500°F温度的燃气涡轮机部件，如轮盖和翼片，一般已在其初始制造期间和/或停工修补期间涂覆，以提高在高温长期暴露于氧化气氛时对氧化、腐蚀和颗粒侵蚀的保护。

在过去，已用设计用于优化涂层微结构和机械性质的多种技术将普通保护性涂层施加到金属基材上。然而，这些涂层倾向于花费大，包括复杂过程控制，并且涂覆制品消耗相当多停工时间。这些方法的实例包括低压等离子喷涂(LPPS)、真空等离子喷涂(VPS)、高速氧燃料(HVOF)、空气等离子喷涂(APS)和电子束物理气相沉积(EBPVD)。也已用在蒸气、包装或浆料过程中施加的扩散铝化物修补涡轮机部件。遗憾的是，很多已知的现有技术涂层倾向于随时间变脆，或者由于在涡轮发动机投入运行和退出运行时发生的热循环和金属疲劳变脆。改进涂层以使它们随时间有较小的脆性通常导致较低的抗氧化性。

对于由超合金形成的金属结构，例如用于在升高温度(例如在或高于1000℃)操作的多级发动机的结构，燃气涡轮机部件的抗磨性和抗氧化性方面的问题特别突出。如果在暴露金属部件上没有保护性涂层，则在高温下气体工作流体的氧化气氛就可能快速改变金属基材的化学组成，并因此改变金属基材的性质。在一个区域物质性质的显著缺陷可能极有害于整个系统的机械完整性和可靠性。因此，已开发出延长部件寿命的各种方法，用保护性涂层覆盖关键部件表面。虽然在保护性涂层中存在铝改善抗氧化性，但过量铝也可降低涂层延性，导致在持续工作期间破裂，并最终使初始涂层的好处损失。

超合金利用的大多数抗氧化涂层包括具有通式MCrAlY的合金，其中M包括铁、镍和/或钴。为了达到最高寿命和空气动力效率，涂层优选作为具有光滑、均匀和控制厚度的最终层施加。根据操作环境、部件尺寸和工作流体的性质，已用于施加这些涂层的普通热喷涂技术具有积极和消极属性。例如，在最终保护性涂层必须不含金属氧化物时，VPS应用有用。

另一方面，由于喷涂设备的物理限制，VPS和HVOF技术对涂层施加到难以进入的基材区域不太有效，这些喷涂设备对用于小的区域太大或者笨重，以至于没有一条枪角视线来获得合理沉积速率和可接受微结构。大多数热喷涂方法还包括一个或多个掩蔽步骤，这些步骤在进行局部修补中可能代价高，并且耗时。同样，其他已知的涂覆系统倾向于花费大，需要复杂的过程控制，并且花相当多停工时间有效和可靠地涂覆目标部件。

发明内容

本发明提供一种涂覆基材(如暴露于苛刻操作环境的燃气涡轮发动机部件)以提高基材在高温下的抗氧化性的新方法。本发明的示例性方法包括以下步骤，形成高熔点超合金组分和低熔点钎焊粘合剂组分的粉末状混合物；将粉末状混合物用雾化喷涂在室温施加到基材的表面上，以在基材表面上形成厚度基本均匀的涂层；然后将基材加热到足以给予涂层强度和抗氧化性/抗腐蚀性的温度。

在一个实施方案中，所述方法利用高熔点超合金组分或MCrAlY涂料和包含硅、硼、铪或金的较低熔点组分的粉末状混合物，其中M包括Fe、Ni和/或Co。加热步骤在真空条件下在约1900°F至2275°F的温度进行，从而形成液相，其中较高熔点的粉末变得悬浮，并通过液相烧结形成冶金接合。在用于修补燃气涡轮发动机部件的金属基材时，本发明具有特殊优点。

附图说明

图1为用于其中可利用本发明的常规钎焊涂覆应用的基本方法步骤的示意流程图；

图2为显示用雾化喷涂技术形成和沉积金属涂层所用的基本步骤和本发明的随后处理步骤的简化工艺流程图；

图3描绘基于本文所述低熔点组分和高熔点组分变化使用本发明的钎焊方法的不同水平的硅的不同涂料组合物；

图4为对于不同的低熔点组分和高熔点组分在恒定真空条件和恒定加热速率下进行的本发明的示例性钎焊循环的时间-温度绘图；

图5显示在不同的低熔点组分和高熔点组分中具有不同量硅的本发明的示例性涂层的一系列显微相片；