專利名稱：不可氧化涂層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬涂層。更具體地說，本發(fā)明涉及可氧化熔模精密鑄造芯(investment casting core)的防護(hù)涂層。
背景技術(shù)：
熔模精密鑄造是一種用于形成具有復(fù)雜幾何形狀的金屬部件尤其是中空部件的常用技術(shù)，并用于制造超合金燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)部件。
燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)廣泛用于飛機(jī)推進(jìn)、發(fā)電和船舶推進(jìn)。在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)應(yīng)用中，效率是主要目標(biāo)?？赏ㄟ^在較高的溫度下運轉(zhuǎn)獲得提高的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)效率，但渦輪節(jié)中的目前運轉(zhuǎn)溫度超過渦輪部件中使用的超合金材料的熔點。因此，通常的做法是提供空氣冷卻。通過使相對冷的空氣從發(fā)動機(jī)的壓縮機(jī)段流過要被冷卻的渦輪部件中的通道來提供冷卻。這種冷卻伴有就發(fā)動機(jī)效率而言的附帶代價。因此，強烈需要提供增強的專用冷卻，以便最大化從給定量冷卻空氣得到的冷卻利用量。這可通過使用細(xì)微精密定位的冷卻通道段得到。
關(guān)于內(nèi)部冷卻渦輪發(fā)動機(jī)零件如葉片和葉輪的熔模精密鑄造，存在發(fā)展良好的領(lǐng)域。在典型的工藝中，制備具有一個或多個模腔的模具，每個模腔具有通常與要被鑄造的零件相對應(yīng)的形狀。制備模具的典型工藝涉及使用零件的一個或多個蠟?zāi)?。通過在通常與零件內(nèi)冷卻通道陽模相對應(yīng)的陶瓷芯上模塑(molding)蠟形成模。在加殼過程中，以眾所周知的方式環(huán)繞一個或多個這種模形成陶瓷殼?？赏ㄟ^如在高壓釜中熔化除去蠟。殼可被燒制以使殼硬化。這就留下包括殼的模具，其中殼具有一個或多個限定零件的室，室又包含限定冷卻通道的陶瓷芯。然后可將熔化合金引入到模具內(nèi)鑄造零件。當(dāng)冷卻和固化合金后，殼和芯可從模塑的零件上以機(jī)械和/或化學(xué)方式除去。然后可在一個或多個步驟中機(jī)械加工和處理零件。
陶瓷芯本身可通過將陶瓷粉末和粘合劑材料的混合物注射到硬質(zhì)鋼模內(nèi)模塑該混合物來形成。在脫離模后，熱后加工未燒結(jié)的芯以除去粘合劑，并燒制以燒結(jié)陶瓷粉末到一起。向著更細(xì)微冷卻特征的趨勢使芯制造技術(shù)受到壓力。細(xì)微特征可能難于制造，和/或一旦制造，可能檢驗證明是易碎的。Shah等人的普通轉(zhuǎn)讓共同未決的美國專利6637500公開了難熔金屬芯尤其在熔模精密鑄造中的一般使用。但是，各種難熔金屬往往在較高的溫度下氧化，例如在用于燒制殼的溫度和熔化超合金的溫度附近。因此，殼燒制可能大大破壞難熔金屬芯，并因此可能產(chǎn)生潛在不能令人滿意的零件內(nèi)部特征。另外，難熔金屬可能經(jīng)受來自熔化超合金部件的侵蝕。有必要在難熔金屬芯基質(zhì)上使用防護(hù)涂層保護(hù)基質(zhì)在高溫下不會氧化和/或不會發(fā)生與超合金的化學(xué)相互作用。典型的涂覆包括首先施加一層鉻到基質(zhì)上，然后施加一層氧化鋁到鉻層上(例如通過化學(xué)氣相沉積(CVD)技術(shù))。但是，對環(huán)境/毒性的特別關(guān)注注意到鉻的使用。因此，仍有進(jìn)一步改進(jìn)這種涂層和它們的施加技術(shù)的空間。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個方面涉及一種包括帶涂層的基于難熔金屬的基質(zhì)的熔模精密鑄造芯。第一涂層主要(例如占大部分重量)由陶瓷組成。第二涂層位于第一層和基質(zhì)之間，并主要由一種或多種碳化物和/或氮化物組成。存在下面的至少一種位于第二層和基質(zhì)之間并大部分由具有FCC晶格結(jié)構(gòu)的一種或多種其它金屬組成的第三層；和具有少量所述一種或多種其它金屬的基質(zhì)的固溶體表面層。
在各種實施方案中，陶瓷可基本由氧化鋁、莫來石、氧化鎂和二氧化硅中的至少一種組成?；|(zhì)可為基于鉬的?？蓻]有這種第三層。一種或多種其它金屬可基本由鎳組成。第一層可基本由氧化鋁組成，第一厚度為公稱(即中值)第一厚度。在第一個位置處第一層可具有至少4.0μ的第一厚度；第二層可具有1.0-4.0μ的第二厚度；基質(zhì)可具有超過50μ的厚度。芯可為結(jié)合有以下的第一芯陶瓷或難熔金屬第二芯；和基于烴的材料，其中第一芯和第二芯至少部分埋置在基于烴的材料中。
本發(fā)明的另一方面涉及包括一種基于難熔金屬的基質(zhì)的生產(chǎn)制品。第一裝置提供阻擋層。第二裝置，位于第一裝置和基質(zhì)之間，保護(hù)第一裝置并包含一種或多種碳化物和/或氮化物。第三裝置，位于第二裝置和基質(zhì)之間，基本阻止碳和氮中的至少一種從第二裝置滲透到基質(zhì)。在各種實施方案中，第一裝置可為陶瓷，第二裝置可為碳化物，第三裝置可為fcc(面心立方)材料。
本發(fā)明的另一方面涉及一種涂覆基質(zhì)的方法。在基質(zhì)上面施加第一層，并包含占大部分重量的非難熔第一金屬。在第一層上面施加第二層，并包含占大部分重量的第二金屬的碳化物和/或氮化物。在第二層上面施加第三層，并包含占大部分重量的陶瓷。
在各種實施方案中，第一金屬可基本擴(kuò)散到基質(zhì)內(nèi)，其至少一大部分發(fā)生在施加第二層和施加第三層的一種或兩種過程中。陶瓷可基本由第三金屬的氧化物組成?；|(zhì)可包括占大部分重量的一種或多種難熔金屬。第一層可直接沉積在基質(zhì)上面。第二層可直接沉積在第一層上面。第三層可直接沉積在第二層上面。第一金屬可形成FCC晶格結(jié)構(gòu)。第二金屬可為鈦。陶瓷可基本由氧化鋁、莫來石、氧化鎂和二氧化硅中的至少一種組成?？赏ㄟ^電鍍沉積第一層?？赏ㄟ^氣相沉積來沉積第二和第三層。第一層可被沉積至至少1μ的(例如1-3μ)的第一厚度。第二層可被沉積至至少0.5μ的(例如1-3μ)的第二厚度。第三層可被沉積至至少5μ的(例如15-25μ)的第三厚度。基質(zhì)可基本由基于鉬的材料組成。該方法可用于形成熔模精密鑄造芯部件。該方法可還包括組裝具有第二芯的芯和部分地在芯上形成第二芯，兩者中的至少一種；模塑犧牲材料到芯和第二芯上；施加殼到犧牲材料上；基本除去犧牲材料；澆鑄金屬材料至少部分代替犧牲材料；和破壞性地除去芯、第二芯和殼。破壞性除去可包括使用HNO3基本除去至少第一層和第二層。
本發(fā)明的另一方面涉及一種涂覆基質(zhì)的方法。有施加用于基本阻止碳滲透到基質(zhì)的第一層的步驟。有施加用于與第三層粘合的含碳第二層的步驟。有施加第三層作為阻擋層的步驟。
在下面的附圖和描述中陳述了本發(fā)明一種或多種實施方案的細(xì)節(jié)。從描述和附圖和從權(quán)利要求中將明白本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點。
圖1為用于形成燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)翼型元件的帶殼熔模精密鑄造模的橫截面圖。
圖2為圖1模的難熔金屬芯的截面圖。
圖3為形成和使用圖1模的工藝流程圖。
各個圖中相同的參考數(shù)字和標(biāo)記代表相同的元件。
具體實施例方式
圖1顯示了包括模22和陶瓷殼24的帶殼熔模精密鑄造模20。模22包括至少部分模塑在芯組件上的犧牲性蠟狀材料26(例如天然或合成蠟或其它基于烴的材料)。芯組件包括陶瓷進(jìn)料芯(feed core)28，其具有用于在被鑄造的最終零件(例如燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)渦輪葉片或葉輪)中形成一系列通常平行、順翼展方向延伸的進(jìn)料通道的一系列通常平行的支架30、32和34。組裝到進(jìn)料芯28的是一系列難熔金屬芯(RMC)36和38。RMC 36和38的一部分可容納在進(jìn)料芯28的室40和42中，并通過陶瓷粘合劑44在其中固定。RMC 36和38的其它部分可嵌入在殼24中，以便RMC 36和38最終形成從進(jìn)料通道到零件外表面的出口通道。典型的RMC 36為翼片壓力和吸入側(cè)表面提供薄膜冷卻通道，典型的RMC 38提供翼片后緣冷卻?，F(xiàn)有技術(shù)中或仍將開發(fā)的技術(shù)中許多其它構(gòu)造也是可能的。
圖2顯示了RMC之一(例如38)的更多細(xì)節(jié)。典型的RMC 38具有難熔金屬或基于難熔金屬的合金、金屬間化合物或其它材料的基質(zhì)50。典型的難熔金屬為Mo、Nb、Ta和W。可以以絲或片料得到這些，并適當(dāng)切割和成形。涂層體系包括最初沉積在基質(zhì)上面的底層52。盡管為了說明而非連續(xù)地示出，但在典型的實施方案中，底層材料變得擴(kuò)散到基質(zhì)材料中。中間層54在底層上面，外層56在中間層上面。
典型的外(和最外)層56可提供化學(xué)保護(hù)、機(jī)械保護(hù)和熱絕緣的綜合作用，(例如，用作對于可能與基質(zhì)形成合金或以其它方式侵蝕基質(zhì)的澆鑄金屬的滲透堅固阻擋層或?qū)τ谘醯膱怨套钃鯇右苑乐寡趸?。典型的外層材料為通過沉積(例如化學(xué)氣相沉積(CVD))堆積的陶瓷(例如氧化鋁)、莫來石、二氧化硅(硅石)和氧化鎂)。
典型的中間層54可主要用作用于與外層56良好粘合的粘結(jié)層。中間層還可提供對氧的阻塞層或輔助阻擋層。典型的中間層材料為通過沉積(例如CVD)堆積的碳化物或氮化物(例如碳化鈦)。這種材料有利地在范圍為1500-1600℃的外層沉積溫度下是穩(wěn)定的。
典型的底(和最內(nèi))層52可用于至少臨時固定中間層到基質(zhì)上，同時不會不利地與基質(zhì)反應(yīng)。典型的底層材料包括通過電鍍堆積的具有面心立方(FCC)結(jié)構(gòu)的金屬(例如鎳或鉑)。這種晶格結(jié)構(gòu)可具有對中間層沉積過程中碳和/或氮原子偶然滲透的有利耐受性，沒有結(jié)構(gòu)完整性的毀滅損失或這種原子到基質(zhì)的大量傳輸。在沒有這種底層時，在CVD的典型高溫下，將有大量碳和/或氮滲透到基質(zhì)內(nèi)。這種滲透可能是，在難熔金屬的典型體心立方(BCC)晶格結(jié)構(gòu)方面來說，特別成問題的。滲透可形成包含難熔金屬碳化物和/或氮化物的脆化層。這種脆化可作為通過涂層擴(kuò)展的裂痕的源。
由例如表面包括一對相對面57和58且中間厚度為T的片料形成典型的基質(zhì)50?？稍诨|(zhì)50中壓印、切割或以其它方式提供復(fù)合冷卻特征。涂層體系和底層52的內(nèi)表面60位于基質(zhì)50外表面上面，涂層體系和外層54的外表面62提供RMC 38的外表面。層之間的過渡可能是急劇的或可具有組成梯度。在典型的實施方案中，底層52具有沉積的厚度T2，中間層54具有厚度T3，外層56具有厚度T4。典型的T為至少50μ，范圍更小地為至少100μ。典型的T2為1-10μ，范圍更小地為1-4μ，或1-3μ。典型的T3為0.5-5μ，范圍更小地為1-4μ或1-3μ。典型的T4為至少4-μ，范圍更小地為5-25μ，或15-25μ。
圖3顯示了示例性的制造和使用的典型過程200(為了說明而簡化)?；|(zhì)形成202方法，包括如通過從片料壓印然后隨之彎曲或另外成形，以提供用于鑄造所需特征的相對旋繞形狀。在除去殘余氧化物的任何清潔(例如酸和/或堿洗然后是去離子水沖洗)后，在基質(zhì)上面施加204(例如通過電鍍)第一金屬(例如基本純的鎳)形成底層52。
在任何進(jìn)一步的清潔后，施加206(例如通過CVD)一種或多種第二金屬的一種或多種碳化物和/或氮化物(例如基本純的碳化鈦，其可在商業(yè)上以低價格得到)形成中間層。在CVD過程的高溫下，在內(nèi)側(cè)Mo/Ni邊界處，可能有互相擴(kuò)散，形成Mo-Ni固溶體的區(qū)域。另外，少量碳可能從沉積蒸汽中擴(kuò)散到鎳內(nèi)，尤其是在沉積過程開始時，在大量碳化鈦聚集前。施加210(例如緊跟著碳化鈦沉積后在相同的室中還通過CVD)陶瓷阻擋層材料(例如氧化鋁)形成外層56。在外層56的沉積過程中，Mo和Ni的相互擴(kuò)散可能會繼續(xù)。有利地，基本全部Ni被消耗。得到的固溶體層可具有相對低的鎳含量(例如在外側(cè)盡頭處為2％或更低)。Ni層的缺乏提高了熱性能，因為Ni的熔點相對低。Ni的這種擴(kuò)散在沉積結(jié)束時還沒有完成，它可通過后沉積加熱步驟獲得?；蛘呋蛄硗獾?，預(yù)沉積加熱步驟可引起擴(kuò)散部分首先開始。另外的層、處理和組成/過程變化是可能的。
然后將RMC組裝220到進(jìn)料芯或其它芯上。典型的進(jìn)料芯可分開形成(例如通過從基于硅的或其它陶瓷材料模塑)或作為組裝的一部分形成(例如通過部分地在RMC上模塑這種進(jìn)料芯材料)。組裝還可發(fā)生在用蠟狀材料26過模塑(Overmolding)222芯組件的模組裝中。過模塑222形成然后被加殼214(例如通過形成基于二氧化硅殼的多級粉刷過程(stuccoing process))的模。除去216(例如通過蒸汽高壓釜)蠟狀材料26?？捎休o助的模具制備(例如修整、燒制、組裝)。燒制可進(jìn)行全部或部分后沉積加熱以確保上述的Mo-Ni相互擴(kuò)散。鑄造過程218引入一種或多種熔融材料(例如用于形成基于Ni、Co和Fe中一種或多種的超合金)和使這類材料固化。然后除去220(例如通過機(jī)械手段)殼。然后除去222(例如通過化學(xué)手段)芯組件。然后可機(jī)械加工224鑄態(tài)的鑄造品，并進(jìn)行進(jìn)一步處理226(例如機(jī)械處理、熱處理、化學(xué)處理和涂覆處理)。
本發(fā)明的體系和方法可具有超越含鉻涂層的一個或多個優(yōu)點。顯著的是降低的毒性。一般使用六價鉻-一種特別有毒的離子的溶液施加含鉻涂層。此外，當(dāng)帶涂層的芯被最終溶解時，一部分鉻將返回到這種有毒價態(tài)。本發(fā)明的涂層可具有小于0.2wt％、優(yōu)選小于0.01wt％的鉻，并最優(yōu)選具有不能檢測到的鉻。
已描述了本發(fā)明的一種或多種實施方案。但是，應(yīng)認(rèn)識到，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可進(jìn)行各種改進(jìn)。例如，涂層可用于制造具有已有的或又開發(fā)的構(gòu)造的芯。任何這種構(gòu)造的細(xì)節(jié)可影響任何特定實施方案的細(xì)節(jié)，諸如特定陶瓷芯和殼材料和鑄造材料和條件的細(xì)節(jié)。因此，其它實施方案都在下面權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種熔模精密鑄造芯，包括基于難熔金屬的基質(zhì)；主要由陶瓷組成的第一層；和第二層，其位于第一層和基質(zhì)之間，主要由一種或多種碳化物和/或氮化物組成，其中存在下面的至少一種位于第二層和基質(zhì)之間并主要由具有FCC晶格結(jié)構(gòu)的一種或多種其它金屬組成的第三層；和具有少量所述一種或多種其它金屬的基質(zhì)的固溶體表面層。
2.權(quán)利要求1的芯，其中該陶瓷基本由氧化鋁、莫來石、氧化鎂和二氧化硅中的至少一種組成，該基質(zhì)基于鉬。
3.權(quán)利要求1的芯，其中沒有所述第三層；和所述一種或多種其它金屬基本由鎳組成。
4.權(quán)利要求1的芯，其中第一層基本由氧化鋁組成，第一厚度為公稱第一厚度。
5.權(quán)利要求1的芯，其中在第一個位置處第一層具有至少4.0μ的第一厚度；第二層具有1.0-4.0μ的第二厚度；和該基質(zhì)具有超過50μ的厚度。
6.權(quán)利要求1的芯，其為結(jié)合有以下的第一芯陶瓷的或基于難熔金屬的第二芯；和基于烴的材料，第一芯和第二芯至少部分埋置在其中。
7.一種生產(chǎn)制品，包括基于難熔金屬的基質(zhì)；提供阻擋層的第一裝置；第二裝置，位于第一裝置和基質(zhì)之間，用于保護(hù)第一裝置并包含一種或多種碳化物和/或氮化物；和第三裝置，位于第二裝置和基質(zhì)之間，用于基本阻止碳和氮中的至少一種從第二裝置滲透到基質(zhì)中。
8.權(quán)利要求7的制品，其中第一裝置為陶瓷；第二裝置為碳化物；和第三裝置為fcc材料。
9.一種涂覆基質(zhì)的方法，包括在基質(zhì)上面施加第一層，第一層包含占大部分重量的非難熔第一金屬；在第一層上面施加第二層，第二層包含占大部分重量的第二金屬的碳化物和/或氮化物；和在第二層上面施加第三層，第三層包含占大部分重量的陶瓷。
10.權(quán)利要求9的方法，還包括將第一金屬基本擴(kuò)散到基質(zhì)內(nèi)，其至少大部分發(fā)生在施加第二層和施加第三層的一種或兩種過程中。
11.權(quán)利要求9的方法，其中該陶瓷基本由第三金屬的氧化物組成。
12.權(quán)利要求9的方法，其中該基質(zhì)包括占大部分重量的一種或多種難熔金屬。
13.權(quán)利要求9的方法，其中第一層被直接沉積到基質(zhì)上面；第二層被直接沉積到第一層上面；和第三層被直接沉積到第二層上面。
14.權(quán)利要求9的方法，其中第一金屬形成FCC晶格結(jié)構(gòu)。
15.權(quán)利要求9的方法，其中第二金屬為鈦；和該陶瓷基本由氧化鋁、莫來石、氧化鎂和二氧化硅中的至少一種組成。
16.權(quán)利要求9的方法，其中通過電鍍沉積第一層；通過氣相沉積沉積第二層；和通過氣相沉積沉積第三層。
17.權(quán)利要求9的方法，其中通過電鍍沉積第一層；通過化學(xué)氣相沉積沉積第二層；和通過化學(xué)氣相沉積沉積第三層。
18.權(quán)利要求9的方法，其中第一層被沉積至1-3μ的第一厚度；第二層被沉積至1-3μ的第二厚度；和第三層被沉積至15-25μ的第三厚度。
19.權(quán)利要求9的方法，其中第一層被沉積至至少1μ的第一厚度；第二層被沉積至至少0.5μ的第二厚度；和第三層被沉積至至少5μ的第三厚度。
20.權(quán)利要求9的方法，其中該基質(zhì)基本由基于鉬的材料組成。
21.權(quán)利要求9的方法，其用于形成熔模精密鑄造芯部件。
22.權(quán)利要求21的方法，還包括組裝該芯與第二芯和在該芯上部分地形成第二芯中的至少一種；模塑犧牲材料到該芯和第二芯上；施加殼到犧牲材料上；基本除去犧牲材料；澆鑄金屬材料至少部分地代替犧牲材料；和破壞性地除去該芯、第二芯和殼。
23.權(quán)利要求22的方法，其中所述破壞性除去包括使用HNO3基本除去至少第一層和第二層。
24.一種涂覆基質(zhì)的方法，包括施加用于基本阻止碳滲透入該基質(zhì)的第一層的步驟；施加用于與第三層粘合的含碳第二層的步驟；和施加第三層作為阻擋層的步驟。
全文摘要
通過在基質(zhì)上面施加第一層涂覆基質(zhì)，第一層包括占大部分重量的非難熔第一金屬。在第一層上面施加第二層，第二層包括占大部分重量的第二金屬的碳化物和/或氮化物。在第二層上面施加第三層，第三層包括占大部分重量的陶瓷?；|(zhì)可為基于難熔金屬的熔模精密鑄造芯。
文檔編號B32B15/00GK1781622SQ2005101180
公開日2006年6月7日 申請日期2005年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月26日
發(fā)明者J·E·珀斯基, J·J·小帕科斯 申請人:聯(lián)合工藝公司