[发明专利]用于产生扩散铝化物涂层的方法和设备

说明书

公开了用于将扩散铝化物材料施加到各种零件的内部区段上的独特且改善的方法和涂布设备。将源材料涂布到细长构件(诸如丝或棒)上，随后在特定位置将所述细长构件插入待涂布的部件的中空空腔中。涂布方法和所得涂层的改善包括不需要用于氧化物和/或残余素瓷去除的后涂布步骤的涂布复杂几何形状和涂布具有均匀厚度的部件的能力。

发明领域

本发明涉及用于将受控量的扩散涂层材料施加到诸如燃气涡轮部件的内部区段(internal section)的内部空腔的表面上的新颖且改善的方法和涂布设备。

发明背景

铝化物涂层是广泛用于保护诸如镍、钴、铁和铜合金的金属基底表面的扩散涂层。铝化物涂层基于镍和钴与铝在基底表面反应时形成的金属间化合物。金属间化合物是二元金属体系中的中间相，其具有由二元组分之间的特定元素(原子)比实现的特征晶体结构。

铝基金属间化合物(即，铝化物)耐高温降解。因此，它们作为优选的保护性涂层出现。保护性铝化物涂层为各种最终用途应用提供高温氧化和腐蚀保护。这些涂层对于诸如燃气涡轮发动机的航空航天部件的保护特别有效。

燃气涡轮发动机包括各种部件，诸如轮叶(blade)、叶片(vane)和燃烧室壳(combustor case)。所述部件通常由镍和钴合金制成。在运行期间，这些部件通常位于涡轮的热段并暴露于来自涡轮燃烧过程的热气体，在此可发生氧化和腐蚀。具体地讲，在组成零件(component part)表面的氧化和腐蚀反应可引起金属损耗和壁厚损失。金属的损失迅速地增加了各组成零件上的应力并可导致零件故障。因此将铝化物涂层施加到这些组成零件上，以通过提供对于氧化和腐蚀的抵抗力来保护零件的结构完整性。

在铝化物涂布过程期间还必须维持在制造期间施加在零件上的精细的尺寸公差。铝化物涂布过程涉及在含铝源材料的存在下加热金属基底表面。所述含铝源材料包括卤化物活化剂和铝“供体”或源合金。如此处和说明书通篇所用的，应理解术语“供体”和“源”可替换使用。当加热所述材料时，供体合金和活化剂反应产生铝蒸汽。汽化的铝转移到金属基底表面并扩散进入金属表面，产生金属铝合金的保护性外层。铝与基底反应形成金属间化合物。还形成含铝的附加层(additive layer)。

铝化物涂布过程一般涉及涂布部件的外部和内部区段。一类铝化物涂层通常用于涂布外表面而第二类铝化物用于涂布内部区段。对于零件的不均匀的或过厚的扩散涂布层可有效地起到降低壁厚并因此降低零件强度的作用。此外，过厚的铝化物涂层(特别是在涡轮轮叶的前缘和后缘处，高应力主要在此发生)可导致疲劳裂纹。

此外，部件通常构造有用于输送内部冷却空气的空心通道。因此，中空部件的内表面必须以不仅产生均匀厚度的涂层、而且使得沿着所述内表面的冷却空气通道不被堵塞的方式来涂布。航空航天工业中的进步已导致燃气涡轮部件被设计成沿着内部空腔的表面具有越来越复杂的几何形状，从而使得均匀涂布此类表面的能力比以前遇到的更具挑战性。

用于将铝化物涂层施加到中空部件的内表面上的一种技术依赖于利用渗铝粉末包装(pack)将供体和活化剂直接施加到内表面上。该包装技术涉及利用铝粉，其与活化剂诸如氟化铝或氟化铵混合。将待涂布的零件以确保所述零件被铝基粉末完全包围的方式浸入具有活化剂的该粉末中。还迫使铝基粉末进入零件的内部区段，并此后加热以使粉末熔融并扩散进入表面。然而，不合意的残余涂层(其中一些在本工业中可称为“素瓷”)可能难以从冷却空气孔和内部通道中去除。如此处和说明书通篇所用的“素瓷”意欲包括氧化的材料，包括污垢(scale)(例如Al_xO_y)；供体材料组分(例如卤化物活化剂和供体源材料)；和由供体材料组分的副反应产生的副产物，包括含卤化物的活化剂与大气气体的副产物(例如Al_xN_y) –所有这些在涂布过程期间形成并变得不合意地结合到所得铝化物涂层中。素瓷可导致空气流的限制。因此，所述零件必须被报废，从而导致材料和生产损耗。