專利名稱：選擇性鋁化物涂覆工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對渦輪發(fā)動機元件內(nèi)的內(nèi)部通道進行涂覆的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)今的燃氣輪機中運轉(zhuǎn)的高壓渦輪輪葉、葉片和密封件的壽命受到翼面上的熱疲勞開裂以及由于高溫運轉(zhuǎn)引起的氧化而導(dǎo)致涂層失效的限制。在翼面上需要有良好的抗氧化能力這一需求就需要施涂合適的抗氧化涂層，例如抗氧化能力增強的MCrAlY金屬涂覆層和/或能降低溫度的隔熱涂層體系。渦輪發(fā)動機元件如高壓渦輪葉片或輪葉等會出現(xiàn)內(nèi)部氧化和腐蝕。因此，為了在工作環(huán)境下保護這些渦輪發(fā)動機元件，有必要在它們的內(nèi)表面上施涂涂層。如果不同時在渦輪發(fā)動機元件的外表面上施涂具有標準厚度的涂層，當前使用的氣相鋁化工藝不允許在內(nèi)表面施涂涂層。在頂部以MCrAlY涂覆層或者隔熱涂層存在的外部鋁化物并不是所需要的，這可能會降低渦輪發(fā)動機元件的熱疲勞抗力。
當前用于將蒸汽鋁化物涂層施涂在渦輪發(fā)動機元件內(nèi)表面上的涂覆工藝要求被引導(dǎo)穿過中空翼面的內(nèi)部通道的鹵化鋁氣體的流動。對所有內(nèi)表面的完全涂覆覆蓋與氣體如何流過并接觸渦輪發(fā)動機元件內(nèi)部的所有表面是密切相關(guān)的。完全的內(nèi)部覆蓋往往要求所有通向渦輪發(fā)動機元件外部的開口，如后緣狹縫、澆注型芯撐孔、翼面冷卻孔、頂端冷卻孔等，在涂覆過程中保持打開。絕大多數(shù)進行內(nèi)部涂覆的渦輪發(fā)動機元件也需要適合冷卻特征的涂層覆蓋。當前，由于需要為氣體流動而使渦輪發(fā)動機元件上的開口保持打開，因此，不存在一種有效的途徑在確保所有內(nèi)表面進行完全覆蓋時來遮蔽輪葉的外表面以阻止鋁化物沉積在外表面上。

發(fā)明內(nèi)容
因此，所希望的是提供一種方法和系統(tǒng)以對渦輪發(fā)動機元件的內(nèi)表面進行涂覆，同時不會形成影響后續(xù)外涂層表面的熱疲勞性質(zhì)的外部鋁化物涂層。
本發(fā)明提供了一種對渦輪發(fā)動機元件進行涂覆的方法。所述方法大致包括以下步驟使含有鋁化物的氣體流入渦輪發(fā)動機元件中的通道從而涂覆由通道形成的內(nèi)表面，使含有鋁化物的氣體流動通過所述通道并從渦輪發(fā)動機元件外表面上的開口流出，以及使一定體積的氣體流過外表面，所述氣體是從包括氬氣、氫氣、其它惰性氣體及其混合物的物質(zhì)組中選擇出來的，以使外表面上的鋁化物涂層的累積量減至最小。
進一步而言，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于對渦輪發(fā)動機元件進行涂覆的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)大致包括用于使含有鋁化物的氣體流入渦輪發(fā)動機元件中的通道從而涂覆由通道形成的內(nèi)表面的裝置，使含有鋁化物的氣體流動通過所述通道并從渦輪發(fā)動機元件外表面上的開口流出的裝置，和使一定體積的氣體流過外表面以使外表面上的鋁化物涂層的累積量減至最小的裝置，所述氣體是從包括氬氣，氫氣及其混合物的物質(zhì)組中選擇出來的。
關(guān)于本發(fā)明所述的選擇性鋁化物涂覆工藝和系統(tǒng)的其它詳細情況，以及其它目標和其它伴隨的優(yōu)點，將通過下面的詳細描述和附圖中進行闡述。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一種用于形成鋁化物涂層的系統(tǒng)。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明涉及一種方法和系統(tǒng)，所述方法和系統(tǒng)用于在渦輪發(fā)動機元件10的內(nèi)表面上形成內(nèi)部鋁化物涂層，與此同時僅在外表面上形成足夠薄以至于不會對渦輪發(fā)動機元件后續(xù)上覆外表面的熱疲勞性能產(chǎn)生任何影響的鋁化物涂層。
為使用鋁化物涂層對渦輪發(fā)動機元件10內(nèi)由通道18形成的內(nèi)表面進行涂覆，可采用一種氣相沉積工藝。本領(lǐng)域中已公知的任何適合的氣相沉積工藝都可以被使用。例如，要進行涂覆的渦輪發(fā)動機元件10可被放置在包含涂覆材料14的涂覆容器12內(nèi)。在一種氣相工藝中，將被涂覆的渦輪發(fā)動機元件10懸掛起來使得不與涂覆材料14接觸。
涂覆材料14可以是包括鋁源、活化劑、以及可選的惰性緩沖劑或者稀釋劑的粉末混合物。鋁源可以是純金屬鋁，或者鋁合金，或者包括鋁的金屬間化合物?？梢允褂玫囊环N鋁源是CrAl?？梢允褂玫钠渌X源包括Ni3Al，Co2Al3以及Fe2Al3。可以使用的活化劑包括堿金屬鹵化物或者堿土金屬鹵化物。一種可以使用的活化劑是ALF3?？梢允褂玫钠渌罨瘎┌∟H4F·HF和NH4Cl?？杀患尤氲椒勰┗旌衔镏杏靡钥刂苹旌衔镏袖X的活性的一種典型的稀釋劑是Al2O3。涂覆渦輪發(fā)動機元件所使用的原料可以是56％Cr-44％Al。對于包括大約20份的涂覆容器而言，其內(nèi)部混合物可以是700gm的CrAl和125gm的AlF3。一種氣體，例如惰性氣體，可以被引入到容器12中用以輔助產(chǎn)生富鋁的鹵化物蒸汽流。
在涂覆容器12中的渦輪發(fā)動機元件10和涂覆材料14放置在加熱爐16中。在加熱爐16中，渦輪發(fā)動機元件10和涂覆材料14可以被加熱到1900到2100華氏度的范圍內(nèi)，優(yōu)選被加熱到1950到2000華氏度的范圍內(nèi)。達到涂覆溫度的時間應(yīng)該足以產(chǎn)生能滿足各項技術(shù)要求的涂層。典型地，達到涂覆溫度的時間是2小時或者更長時間。
加熱致使活化劑汽化并同鋁源相互反應(yīng)以產(chǎn)生包括鋁化物的氣體例如富鋁的鹵化物蒸汽。所述富鋁的鹵化物蒸汽同渦輪發(fā)動機元件相互反應(yīng)從而在渦輪發(fā)動機元件10的內(nèi)表面24和外表面26上形成一層鋁化物涂層。鋁化物涂層的厚度和組成取決于涂覆工藝所用的時間和溫度、粉末混合物的活性以及被涂覆的渦輪發(fā)動機元件10的組成。
當鹵化鋁氣體流入限定出要進行涂覆的內(nèi)表面24的內(nèi)部通道18中時，致使大體積的保護氣體流過渦輪發(fā)動機元件10的外表面26，所述保護氣體是從包括氫氣、氬氣及其混合物的物質(zhì)組中選擇出來的。保護氣體流過渦輪發(fā)動機元件10的外表面26的優(yōu)選流速在每小時約30到60立方英尺(cfh)的范圍內(nèi)。通過使保護氣體以這個范圍內(nèi)的流速進行流動，有可能除去從渦輪發(fā)動機元件10的外表面26上的孔洞中(圖中未示出)排出的鹵化物氣體，這樣就不會在渦輪發(fā)動機元件10的外表面26上有充分的滯留時間以生長為成熟、相對較厚的涂層。使用這種方法在外表面26上沉積出的鋁化物涂層的量可以被減少到最小，優(yōu)選可小于0.0005英寸。這么薄的外部涂層不會對渦輪發(fā)動機元件10任何后續(xù)的上覆表面的熱疲勞性能產(chǎn)生顯著的影響。另外，所述“薄”的鋁化外表面的一部分可在隨后進行的噴砂處理中被除去從而制備出各種外部涂覆工藝表面。
可使用本領(lǐng)域已公知的任何合適的裝置20以便保護氣體流過渦輪發(fā)動機元件10的外表面?？墒褂脦в歇M縫的歧管引導(dǎo)所述氣流流過渦輪發(fā)動機元件10的翼面部分，從而形成跨過翼面部分的層流流動。在生產(chǎn)環(huán)境中，可以利用反應(yīng)室的頂部和底部的壓力差來迫使氣體流過翼面部分。
在開始進行鋁化物涂覆工藝之前，渦輪發(fā)動機元件10的所有表面應(yīng)被清潔干凈，無塵、無油、無脂、無污點以及無其它異物。本領(lǐng)域中已公知的任何合適的技術(shù)都可以用來清潔表面。
通過使用惰性材料例如石墨來制備容器12還可以使上述提到的涂覆工藝得到增強，石墨不會在涂覆工藝中變?yōu)榈诙X源，這是由于涂覆容器壁不會被鋁化所致。
權(quán)利要求
1.一種對渦輪發(fā)動機元件進行涂覆的方法，包括以下步驟使含有鋁化物的氣體流入所述渦輪發(fā)動機元件中的通道從而涂覆由所述通道形成的內(nèi)表面；使所述含有鋁化物的氣體流動通過所述通道并從所述渦輪發(fā)動機元件外表面上的開口流出；以及使一定體積的氣體流過外表面，所述氣體是從包括氬氣、氫氣、其它惰性氣體及其混合物的物質(zhì)組中選擇出來的，以使所述外表面上的鋁化物涂層的累積量減至最小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括當所述內(nèi)表面正在被涂覆時，使所述一定體積的氣體流過所述外表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述使氣體流動的步驟包括使所述氣體以保持沉積在所述外表面上的鋁化物涂層的厚度小于0.0005″的充足體積量進行流動。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述使氣體流動的步驟包括使所述氣體的體積流速在30到60cfh的范圍內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述包含鋁化物的氣體流動步驟包括將所述渦輪發(fā)動機元件放置在涂覆容器中；將包含鋁源和活化劑的組合物放置在所述涂覆容器中；以及加熱所述組合物至1900到2100華氏度的涂覆溫度以產(chǎn)生所述的鹵化鋁氣體流。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，進一步包括保持所述渦輪發(fā)動機元件和所述組合物處于所述涂覆溫度至少2個小時。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述渦輪發(fā)動機元件的放置步驟包括將所述渦輪發(fā)動機元件放置在由惰性材料制成的涂覆容器中。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述渦輪發(fā)動機元件的放置步驟包括將所述渦輪發(fā)動機元件放置在由石墨制成的涂覆容器中。
9.一種用于對渦輪發(fā)動機元件進行涂覆的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括用于使含有鋁化物的氣體流入所述渦輪發(fā)動機元件中的通道從而涂覆由所述通道形成的內(nèi)表面的裝置；使所述含有鋁化物的氣體流動通過所述通道并從所述渦輪發(fā)動機元件外表面上的開口流出的裝置；和使一定體積的氣體流過外表面以使所述外表面上的鋁化物涂層的累積量減至最小的裝置，所述氣體是從包括氬氣、氫氣及其混合物的物質(zhì)組中選擇出來的。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，進一步包括其中放置有所述渦輪發(fā)動機元件的涂覆容器。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述涂覆容器是由惰性材料制成的。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述涂覆容器是由石墨制成的。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述產(chǎn)生包含鋁的氣體流的裝置中包括一種含有鋁源和活化劑的組合物。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述組合物中可選地包括一種稀釋劑材料。
全文摘要
一種對渦輪發(fā)動機元件的內(nèi)表面進行涂覆的方法，包括以下步驟使含有鋁化物的氣體流入所述渦輪發(fā)動機元件中的通道從而涂覆由所述通道形成的內(nèi)表面；使所述含有鋁化物的氣體流動通過所述通道并從所述渦輪發(fā)動機元件外表面上的開口流出；以及使一定體積的氣體流過外表面，所述氣體是從包括氬氣、氫氣、其它惰性氣體及其混合物的物質(zhì)組中選擇出來的，以使所述外表面上的鋁化物涂層的累積量減至最小。
文檔編號C23C16/52GK1970832SQ20061016243
公開日2007年5月30日 申請日期2006年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月22日
發(fā)明者W·E·奧森 申請人:聯(lián)合工藝公司