專利名稱：阻止燃?xì)廨啓C(jī)葉片表面腐蝕的涂層配方與工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種保護(hù)燃?xì)廨啓C(jī)葉片，延長(zhǎng)其使用壽命的涂層配方及工藝，尤其是一種耐剝落陶瓷涂層的表面噴涂配方與工藝。
另外，還有一種在燃?xì)廨啓C(jī)葉片表面涂覆熱阻擋層工藝，這種涂層雖然具有耐腐蝕，但涂層相當(dāng)厚，目的是在氣流與金屬葉片之間形成溫降。這種熱阻擋層一般由致密的陶瓷外層，多孔陶瓷中間層和MCrAIY(此處的M是鈷和鎳)結(jié)合層構(gòu)成，其典型厚度為20-30微米。但這種涂層的缺陷在于；涂層中容易產(chǎn)生裂縫導(dǎo)致剝落，反而吸附了對(duì)葉片金屬表面有害的熔融鹽一類的腐蝕性化合物。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案是；在燃?xì)廨啓C(jī)葉片溫度達(dá)到可以存在低熔點(diǎn)的硫酸鹽，釩酸鹽和氯化物時(shí)，令人意想不到的是，1-4微米厚的陶瓷阻擋層不太容易破裂。其具體的涂覆工藝是，首先在葉片翼面上涂覆增強(qiáng)附著力的底涂層作結(jié)合層，該結(jié)合層的材料是在高于1100℃溫度時(shí)的任何氧化鋁形成物.根據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果，該結(jié)合層材料最好是MCrAIY。根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，使涂層保持很薄和將陶瓷涂層涂覆到葉片的涂覆過(guò)程中，葉片的溫度控制在至少1200℃，這對(duì)于涂層的壽命至關(guān)重要。其具體涂覆工藝是，應(yīng)當(dāng)通過(guò)低壓或氬氣保護(hù)以及等離子體噴涂等一類技術(shù)涂覆涂層的結(jié)合層，以便金屬結(jié)合層內(nèi)部具有最少結(jié)合空隙的顯微結(jié)構(gòu)。該結(jié)合層應(yīng)該約為5微米厚，通過(guò)濺鍍或者離子噴鍍以及電子束直接蒸汽噴鍍等方式，形成上述結(jié)合層。這種結(jié)合層在適當(dāng)?shù)?100℃低溫區(qū)具有一定延展性，應(yīng)該耐熔融硫酸鹽沉積物的化學(xué)浸蝕。然后在結(jié)合層外面再涂覆多孔陶瓷，最后在多孔陶瓷外層涂覆致密陶瓷。多孔陶瓷和致密陶瓷都經(jīng)過(guò)氧化釔穩(wěn)定化處理的氧化鋯。多孔部分是一個(gè)過(guò)渡區(qū)，它幾乎沒(méi)有什么熱膨脹性，由于它很薄，也沒(méi)有絕熱性。
極薄的1-4微米厚度的陶瓷涂層是相當(dāng)抗剝落和耐腐蝕的，該涂層不作為熱阻擋層，因?yàn)樗穸炔粔?，不?huì)造成相當(dāng)?shù)臏亟怠?br> 多孔陶瓷起到一個(gè)所謂熱膨脹過(guò)渡的作用，它的厚度也是相當(dāng)薄的。另外，該陶瓷涂層必須要抗?jié)B透，應(yīng)足夠?qū)A-堿土氧化物-釩酸鹽沉積物同可以在涂層襯底接觸面處形成的氧化鈷和氧化鎳隔離開(kāi)來(lái)，從而防止形成硫酸鈷和硫酸鎳。此外，如果由于鉛、鋅、鎘、錳和釩(也可能銅和磷)的存在，而形成較低熔點(diǎn)的硫酸鹽基液體。陶瓷阻擋層必須將上述液體同襯底隔離，而陶瓷阻擋層自身對(duì)這種腐蝕性液體也是耐化學(xué)浸蝕的。
葉片的材料至少設(shè)計(jì)成能夠在1100℃度-1500℃度溫度范圍內(nèi)工作，并設(shè)計(jì)成能夠使用含雜質(zhì)的燃料，其要點(diǎn)在于，葉片在溫度達(dá)到至少約1200℃，涂布1-4微米厚的陶瓷涂層在1250℃-1500℃度溫度范圍內(nèi)工作狀態(tài)中，使得陶瓷涂層內(nèi)部的應(yīng)力保持在壓縮狀態(tài)中。
本發(fā)明的有益效果，已經(jīng)被下例對(duì)比實(shí)驗(yàn)作出有力說(shuō)明。將空心的超耐熱合金園柱體涂覆5微米厚的鎳合金結(jié)合層，上述鎳合金層按照重量計(jì)算，含有20％鉻，10％鋁和約0.5％釔。然后涂覆一層8％的氧化鋯、氧化釔等離子體噴鍍的陶瓷層。一個(gè)圓柱體的涂層厚度為4微米，而第二個(gè)圓柱體的涂層厚度為12微米。
將上述樣品用氣冷式夾具固定，放置于燃燒裝置中，并用攙加海鹽和摻加海鹽及鉛的兩種2號(hào)蒸餾燃料產(chǎn)生的燃燒產(chǎn)物，來(lái)試驗(yàn)涂覆陶瓷的樣品。未涂覆的超耐熱合金樣品，用低壓等離子體噴涂覆蓋MCrAIY組合物和各種擴(kuò)散涂層(鋁化鉻，鋁和鋁化鉑)。將氣體溫度保持在1900℃，金屬溫度在1100℃至1500℃之間。通入熱循環(huán)氣流，氣流被加熱55分鐘和強(qiáng)迫冷卻5分鐘，樣品被試驗(yàn)300小時(shí)(始終處于熱循環(huán)過(guò)程中)進(jìn)行測(cè)試。12微米厚的陶瓷涂層開(kāi)始剝落的時(shí)間為100小時(shí)，4微米厚的陶瓷涂層直到試驗(yàn)300小時(shí)結(jié)束，始終抗住了剝落。在12微米厚涂層的剝落區(qū)域內(nèi)的硫酸鹽沉積物顯示出了與結(jié)合層反應(yīng)的可見(jiàn)痕跡，4微米厚的涂層完全看不出剝落或與硫酸鹽基沉積物的反映。未涂覆陶瓷的超耐熱合金和金屬-超耐熱合金顯示出不同程度的II-型腐蝕。最好的結(jié)合層金屬組合物是經(jīng)等離子體噴鍍的含(按重量計(jì)算)20％鈷，40％鉻，5.5％鋁和0.5％釔的鎳。另外，也可以使用含30％鈷、23％鉻、8.5％鋁和0.5％釔的鎳，以及含鉻、鋁與釔的鐵一類的其它結(jié)合層。
附圖
是葉片涂覆了保護(hù)層的橫截面。
附圖中，1是燃?xì)廨啓C(jī)葉片，2是葉片翼面上結(jié)合層，3是多孔膨脹層，4是致密外層。
參照附圖，截面中1表示燃?xì)廨啓C(jī)葉片，在葉片的翼面部分上有結(jié)合層2，多孔膨脹層3和致密外層4，葉片的根部不涂覆涂層。因?yàn)橐砻嫦掳氩渴顷P(guān)鍵區(qū)域，該區(qū)域大部分工作溫度范圍在1250℃-1500℃，要求只在最靠近翼面部分根部的下半部涂覆本發(fā)明的涂層。葉片系指無(wú)論是運(yùn)動(dòng)的還是靜止的，有時(shí)稱為漿翼是靜止部分，經(jīng)常采用鈷基超耐熱合金，而運(yùn)動(dòng)部分是鎳基超耐熱合金。
在1100℃-1500℃溫度范圍，葉片翼面發(fā)生了通常稱為II-型低溫?zé)岣g過(guò)程，因?yàn)檫@個(gè)范圍與高應(yīng)力區(qū)域一致，腐蝕和應(yīng)力的疊加作用，導(dǎo)致葉片表面敏感部分的機(jī)械性能的降低。葉片的結(jié)合層應(yīng)該具有適當(dāng)?shù)牡蜏?低于1100℃)延展性，應(yīng)該耐熔融硫酸鹽沉積物的化學(xué)侵蝕，并應(yīng)該是高于1100℃溫度時(shí)的氧化鋁形成物。這些組合物包括(按照重量計(jì)算)20％鈷、40％銘、5.5％鋁、0.5％釔(在沒(méi)有硅添加物的條件下)的鎳基NiCrAlY結(jié)合層，也可以使用FeCrAlY結(jié)合層。
涂覆的陶瓷部分也可以是經(jīng)氧化釔穩(wěn)定化處理的氧化鋯。最好是已經(jīng)相當(dāng)抗循環(huán)熱應(yīng)力的等離子噴鍍的陶瓷，含有20％孔隙率(指體積)的熱涂層，具有最好的抗熱沖擊性。已表明，更低的孔隙率會(huì)縮短熱應(yīng)力下的使用壽期。當(dāng)綜合考慮阻擋層效果時(shí)，如果陶瓷涂層的孔隙分布在與金屬表面連接處，并且涂層內(nèi)部具有抗熱應(yīng)力的孔隙，則陶瓷部分需要同時(shí)具有多孔的致密層?？梢酝ㄟ^(guò)控制細(xì)顆粒陶瓷的等離子體噴鍍，或通過(guò)涂覆單層多涂層，然后激光溶化表面提供致密外層，從而實(shí)現(xiàn)上述要求。
陶瓷組合物并不限于氧化釔穩(wěn)定處理的氧化鋯，也可以是氧化鋁、氧化鈣-二氧化鋯、氧化鎂-二氧化鋯或其它絡(luò)合陶瓷氧化物，該絡(luò)合陶瓷氧化物在溫度高達(dá)1450℃時(shí)具有相當(dāng)穩(wěn)定性，并且在硫酸鈉-氧化鉛-氧化鈉熔融鹽中也顯示出化學(xué)穩(wěn)定性。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析表明，陶瓷涂層最小厚度必須為1微米，最大厚度必須為4微米。多孔部分應(yīng)在0.5微米和3.5微米之間，而致密部分應(yīng)該在0.5微米之間。
涂覆陶瓷部分葉片預(yù)加熱到1100℃以上，是為了在以后使用過(guò)程的最高溫度下，由于陶瓷和基底合金之間熱膨脹不均，先使葉片下部分陶瓷處于微小的壓縮狀態(tài)中。這樣在熱循環(huán)和使用過(guò)程中陶瓷涂層的剝落傾向減至最小。這就是這種薄層比厚涂層顯示的抗剝落性。按照本文所述方法涂覆陶瓷時(shí)，在操作期間陶瓷涂層的應(yīng)變是小于多孔陶瓷的極限彈性應(yīng)變(名義上是0.4％的應(yīng)變)。
最好只在設(shè)計(jì)的工作溫度低于約1500℃的葉片的那部分上涂覆陶瓷涂層。為達(dá)到這一目的，可以將不需涂層的表面區(qū)域進(jìn)行封閉。按照等離子體噴鍍法涂覆的涂層具有超過(guò)100RMS的粗糟表面。操作時(shí)很容易污染表面。如果在表面溫度下存在的外來(lái)物質(zhì)未能發(fā)揮或燒掉，就會(huì)增加陶瓷阻擋層過(guò)早損壞的機(jī)會(huì)。這些物質(zhì)是碳?xì)浠衔铩U、鋅、銅和鹵基鹽。粗糟表面也會(huì)捕集碰撞粒子，從而增加沉積物聚集的速率。這會(huì)影響熱傳導(dǎo)和氣流的氣體動(dòng)力學(xué)。因?yàn)橹旅芡馔繉佑锌赡芤苿?dòng)。所以應(yīng)該仔細(xì)地進(jìn)行陶瓷涂層的任何精加工(不應(yīng)該滾磨拋光涂層)。如果確實(shí)需要進(jìn)行較大的最后精加工，就必須重新填充外涂層，以防止孔隙。
盡管薄的陶瓷涂層與厚的涂層比較不易破裂，但在葉片金屬組合物內(nèi)部如果存在應(yīng)變力超過(guò)涂層的有效彈性極限，涂層仍可能破裂。事實(shí)上。不應(yīng)該將涂層涂覆到工作溫度較高，使得涂層產(chǎn)生較大張力并且應(yīng)變超過(guò)有效彈性極限的區(qū)域。涂層在略低于操作溫度時(shí)，會(huì)處于一種壓縮狀態(tài)中。襯底溫度可以大于1200℃，并且只受溫度對(duì)基底合金的作用的限制。上述薄陶瓷涂層被涂覆在涂層將仍然保持在壓縮或微小張力狀態(tài)溫度時(shí)的區(qū)域內(nèi)，以便適應(yīng)隨后由于加熱時(shí)的不同熱膨脹、涂覆陶瓷期間加熱襯底而產(chǎn)生的應(yīng)變。在涂覆涂層時(shí)，通常應(yīng)該將涂層只涂覆在工作溫度比襯底溫度高不到200℃-300℃的區(qū)域內(nèi)(因而，如果在1600℃的襯底溫度條件下涂覆陶瓷，應(yīng)該將涂層只涂覆在工作溫度低于1900℃的區(qū)域內(nèi)，最好是低于1850℃的區(qū)域內(nèi))。如果在十分接近于最高溫度時(shí)進(jìn)行涂覆，則可以涂覆整個(gè)翼面。
本發(fā)明的涂覆工藝是專為旋轉(zhuǎn)零件而設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@些零件工作于高速度旋轉(zhuǎn)的附加應(yīng)力中，但也可以用于靜止零件的防腐。
權(quán)利要求
1.阻止燃?xì)廨啓C(jī)葉片表面腐蝕的涂層配方與工藝，葉片的通常工作溫度保持在1100℃-1500℃的范圍內(nèi)。并適宜能夠使用含腐蝕性雜質(zhì)的廉價(jià)燃料，其特征是加熱上述葉片的溫度控制在至少1200℃范圍，在上述葉片的表面上至少噴涂了一層1-4微米厚度的陶瓷涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉片，其特征是，在涂覆陶瓷涂層之前，首先要在葉片金屬表面上涂覆增強(qiáng)附著力的結(jié)合層，該結(jié)合層是大于約1100℃溫度時(shí)的任何氧化鋁形成物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的工藝，其特征是，結(jié)合層是MCrAlY。
4.根據(jù)權(quán)利要求1和2和3的工藝，其特征是，1-4微米厚度的陶瓷是經(jīng)氧化釔穩(wěn)定化處理的氧化鋯。
5.根據(jù)權(quán)利要求1和2和3的工藝，其特征是，通過(guò)等離子體噴鍍方法涂覆陶瓷涂層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2的工藝，其特征是，用鎳基超耐熱合金制造葉片。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2的工藝，其特征是，上述陶瓷涂層在高達(dá)至少1200℃溫度范圍內(nèi)，陶瓷涂層仍然保持在壓縮狀中。
全文摘要
一種阻止燃?xì)廨啓C(jī)葉片表面腐蝕的涂層配方與工藝,適用于使用廉價(jià)燃料的燃?xì)廨啓C(jī)葉片。其涂覆的主要工藝步驟是；先將MCrAIY作為結(jié)合層涂覆在葉片表面上增強(qiáng)附著力,然后將葉片加熱到1200℃,用等離子體噴鍍方法涂覆1－4微米厚度的多孔陶瓷,緊接著涂覆致密陶瓷。多孔陶瓷和致密陶瓷都是經(jīng)過(guò)氧化釔穩(wěn)定化處理的氧化鋯。在此過(guò)程中,葉片的溫度始終控制在500℃左右。上述陶瓷涂層內(nèi)部應(yīng)力,在高達(dá)1200℃溫度仍然保持在壓縮狀態(tài)中。葉片的材料可以采用鎳基超耐熱合金制造。
文檔編號(hào)C23C4/10GK1422974SQ0113907
公開(kāi)日2003年6月11日 申請(qǐng)日期2001年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月6日
發(fā)明者楊錫堯 申請(qǐng)人:楊錫堯