用于超级合金基底的热防护和腐蚀防护的多层覆盖系统的制作方法
【专利摘要】本文公开了一种高表面光洁度、热稳定、多层的基于浆料的覆盖系统，该覆盖系统适用于苛刻热环境。本文中公开的实施方式包括：由包含填充有陶瓷颜料的磷酸盐基粘结剂的浆料所形成的底涂层、由包含填充有金属氧化物颜料或陶瓷氧化物颜料的磷酸盐基粘结剂的浆料所形成的第二层、和由基本上无颜料的磷酸盐基粘结剂所形成的任选的密封涂层。
【专利说明】用于超级合金基底的热防护和腐蚀防护的多层覆盖系统
[0001]
发明领域
[0002]本发明涉及一种适合使用在涡轮发动机部件上的、热稳定的防腐蚀性多层覆盖系统，更具体地涉及一种平滑的热稳定的防腐蚀性多层覆盖系统以及用于制造所述覆盖系统的方法；所述覆盖系统包括通过施涂包含分散于磷酸盐基粘结剂中的金属氧化物颗粒的浆料所形成的底涂层、通过施涂包含分散于磷酸盐基粘结剂中的金属氧化物颜料颗粒的浆料所形成的第二层、和通过施涂包含基本上无颜料的磷酸盐基粘结剂的浆料所形成的任选的密封涂层。
[0003]背景
涡轮发动机部件的表面暴露于来自涡轮燃烧过程的热气体中。涡轮发动机的超级合金材料是基于它们的高温稳定性和耐腐蚀性来进行选择。众所周知的超级合金，例如镍基超级合金(诸如Inconel? 718、Inconel? 722和Udimet?720)对氧化和腐蚀损害显示良好的耐受性。然而，即使这些材料在高温苛刻条件下也会发生退化。在组件表面上的氧化和腐蚀反应可以导致金属损耗和壁厚的损失。金属的损失迅速地增加作用于各组件上的应力并且可以最终地导致部件故障。因此，将防护性覆盖层施涂于这些组件上，以防止它们发生由氧化和腐蚀所导致的退化。
[0004]现已提出各种耐腐蚀层和多层覆盖系统，它们被用于保护涡轮发动机部件，具体地压缩机转子叶片。对现有技术覆盖系统的评估已显示在其功能特性和外观、以及若干可能的故障模式方面的一般缺陷。
[0005]例如，现有技术的市售多层覆盖系统被设计用于较低的使用温度并且提供最高1200 °F的有效保护。然而，如果现有技术覆盖系统被用于这种先进发动机，它将会在较新发动机的升高的工作温度下O约1300 °F )下易出现裂纹和脱层。图1示出了暴露在1400 T (显著地高于现有技术设计`的操作温度)下达145小时后现有技术的覆盖系统与Inconel? 718基底的脱层。
[0006]图2示出了与现有技术多层覆盖系统相关的其它问题。图2中的现有技术的经涂覆的基底显示“沙砾般的”涂层外观(即可见的颗粒夹杂物)。可以在涂覆中间层之后观察到这些颗粒夹杂物，而且往往在施涂密封涂层之后变得更加明显。这些缺陷归因于层施涂期间的外部污染(诸如空气中的污染物)、表面不规则等。
[0007]与基于现有技术的覆盖系统相关的其它类型的可能问题是在用现有技术覆盖系统涂覆的一些部件上出现直径为I mm至3 mm的斑点(即“白点”)。如从图2中可见，“白点”看上去其颜色比经涂覆叶片的剩余部分浅得多，并且在圆点内部含有多余的或“起泡的”材料。这些“白点”似乎是在施涂密封涂层时形成。利用现有技术多层覆盖系统涂覆的叶片也可显示“画框”效应，其中各层在叶片边缘附近更厚，因此导致较弱的覆盖层附着和可能的边缘剥落。所有这些缺陷是密封的覆盖表面的不规则，不仅降低叶片的气动效率，而且也可能成为热侵袭和腐蚀侵蚀的活性部位。[0008]鉴于上述问题和缺点，需要不断地改善现有技术的基于浆料的多层覆盖系统的表面光洁度特性以及热性能和腐蚀性能。虽然现有技术的基于浆料的多层覆盖系统满足了当前发动机制造商的要求和技术规范，但需要加以改进以便用于更新、更先进的发动机。因此，期望提供一种改善现有技术覆盖系统的表面光洁度特性并且具有改善的在正常环境和腐蚀性环境中的热稳定性的的多层覆盖系统。
【发明内容】
[0009]在一个方面，本发明的特征在于一种覆盖系统，该覆盖系统包括:(i)通过施涂包含分散于磷酸盐基粘结剂中的金属或金属氧化物颜料颗粒的浆料所形成的底涂层，该底涂层具有在大约0.5至3.0密耳之间的厚度；和(ii)通过施涂包含分散于磷酸盐基粘结剂中的金属氧化物颜料颗粒优选地氧化铬颜料颗粒的浆料所形成的第二层，其中金属氧化物颜料颗粒由于窄的粒径分布和优化的表面积因而具有增强的可分散性，该第二层具有在大约0.1至1.0密耳之间的厚度；与现有技术的基于浆料的多层覆盖系统相比，本发明的多层覆盖系统显示改善的热稳定性和腐蚀稳定性以及表面光洁度特性。
[0010]在另一方面，本发明的特征在于一种覆盖系统，该覆盖系统包括:(i)通过施涂包含分散于磷酸盐基粘结剂中的氧化铝颜料颗粒的浆料所形成的底涂层，该底涂层具有在大约0.5至3.0密耳之间的厚度；(ii)通过施涂包含分散于磷酸盐基粘结剂中的氧化铬颜料颗粒的浆料所形成的第二层，其中氧化铬颜料颗粒具有窄的粒径分布并且中值粒径(特征为粒径分布的第50%)是在大约0.8至2.2微米之间并且颗粒的表面积为大于或等于大约4 m2/g，第二层具有在大约0.1至1.0密耳之间的厚度；并且其中该覆盖系统中的底涂层和第二层的表面粗糙度为小于或等于大约30 μ in。与现有技术的基于浆料的多层覆盖系统相比，本发明的多层覆盖系统在腐蚀性和非腐蚀性环境中显示改善的热稳定性和表面光洁度特性。
[0011]在又一方面，本发明的特征在于一种用于涂覆金属基底的方法或过程，该方法或过程包括以下步骤:(i)准备金属基底的表面；(ii)将填充有陶瓷颜料的磷酸盐基粘结剂的浆料施涂于金属基底上以形成底涂层，该底涂层具有在大约0.5至3.0密耳之间的厚度；
(iii)使用底涂层涂覆的基底发生固化；(iv)制备包含分散于磷酸盐基粘结剂中的氧化铬颜料颗粒的浆料，其中氧化铬颜料颗粒具有窄的粒径分布并且中值粒径(特征为粒径分布的第50%)是在大约0.8至2.2微米之间且颗粒的表面积为大于或等于大约4 m2/g ; (v)将所述浆料施涂于底涂层上以形成第二层，该第二层具有在大约0.1至1.0密耳之间的厚度；和(vi)使用底涂层和第二层涂覆的基底发生固化。与现有技术的基于浆料的多层覆盖系统相比，本发明的多层覆盖系统显示改善的表面光洁度特性和热性能。
[0012]在再一方面，本发明的特征在于一种通过以下过程所制造的产品，其中该产品是通过包括以下步骤的过程而施涂的涂层:(i)将填充有氧化铝颜料的磷酸盐基粘结剂的浆料施涂于金属基底上以形成底涂层，该底涂层具有在大约0.5至3.0密耳之间的厚度；(i i)制备填充有氧化铬颜料的磷酸盐基粘结剂的浆料，其中氧化铬颜料颗粒具有如此的粒径分布，其特征为第50%的粒径分布具有在大约1.0至2.0微米之间的直径并且第90%的粒径分布具有不超过大约3.0微米的直径；以及(iii)将填充有氧化铬颜料的铬酸盐-磷酸盐粘结剂的稳定浆料涂覆于底涂层上，以形成具有在大约0.1至1.0密耳之间厚度的第二层。与现有技术的基于浆料的多层覆盖系统相比，本发明的多层覆盖系统显示改善的表面光洁度特性和热性能。
[0013]附图简述
基于下面对本发明的更详细说明并结合以下附图，本发明的上述和其它的方面、特征和优点将变得显而易见，其中:
图1示出了用现有技术多层覆盖系统进行涂覆的Inconel 718轮盘，其中在暴露于1400 °?达145小时之后观察到涂层的剥落。
[0014]图2示出了施涂于各种基底上的现有技术多层覆盖系统在20X放大倍数下的光学显微镜图像，显示各种缺陷。
[0015]图3示出了用二层覆盖系统、本发明的涂覆系统进行涂覆的平板在20X放大倍数下的光学显微镜图像；其中利用浆料B来制作第二层，该第二层始终比用现有技术的浆料A制作的平板更加平滑和光滑。
[0016]图4示出了现有技术二层覆盖系统在50X和1000X放大倍数下的扫描电子显微镜(SEM)图像以及能量弥散X射线谱(EDS)分析数据，该现有技术二层覆盖系统具有从由粘结剂所构成的磷酸盐基质中“突起”的尺寸过大的氧化铬颜料颗粒。
[0017]图5示出了具有尺寸过大的Cr2O3颗粒的“沙砾般”夹杂物的现有技术三层覆盖系统的光学显微镜图像(20X)和SEM图像(1000X)以及EDS分析数据。
[0018]图6示出了用本发明三层覆盖系统(样品21A)涂覆的Udimet 720叶片的图像，与用现有技术覆盖系统(样品191)涂覆的Udimet 720叶片相比该Udimet 720叶片具有改善的表面光洁度。
[0019]图7示出了在复杂形状超级合金部件上的涂层厚度测量位置。
[0020]图8示出了用本发明浆料B涂覆的部件的涂层系统厚度测量的SEM显微照片的一个例子。
[0021]图9示出了在不同测量位置的涂层厚度的图表。
[0022]图10示出了用浆料B涂覆的部件以及用现有技术浆料A涂覆的另一部件的末端区域的SEM显微照片。
[0023]图11示出了暴露于大约1400° F的高热环境达145小时之后用本发明多层覆盖系统涂覆的Inconel 718轮盘。
[0024]图12A和图12B示出了在热腐蚀测试前后的各种多层覆盖系统。
[0025]详述
在本领域众所周知的是，颗粒系统(诸如颜料粉末和含颜料的浆料)的粒径和粒径分布的测量的绝对数强烈地依赖于测试和/或测量技术和仪器。因此，非常重要的是应强调已通过激光衍射技术采用MicroTrac SRA颗粒分析仪作为颗粒测量设备而获得了本发明的粒径的D50和D90数。本文中使用的“D50”是指中值粒径，其中50%的颗粒的粒径小于中值粒径而其余50%的颗粒的粒径大于中值粒径，“D90”是指其中90%的颗粒的粒径小于该粒径。
[0026]在本领域中也已知的是，颜料粉末的表面积(SA)的绝对数也取决于测量技术和仪器。因此，非常重要的是强调本发明的SA数是利用氮气吸收技术通过使用Gemini 2360V4.01测量系统的BET方法而获得。[0027]浆料的特征也在于它们的pH值、粘度、比重和固体含量。通过对这些参数连同D50和D90进行监测来测试浆料的稳定性和老化。
[0028]本发明中使用其它的测试方法和设备。利用FisherScope MMS (涡流和磁感应探测器，基于基底的类型)来测量涂层的厚度。利用Mitutoyo Surftest 301以5.1 mm的动程和0.030〃 (0.76 mm)的截止值来测量表面光洁度(平滑度Ra)。利用BYK Gardner微型光泽仪60°来测试涂层光泽度。通过网纹网状线胶带(依照ASTM标准D3359)和弯曲(绕直径为6.4 _的芯棒弯曲90° )测试来测试涂层对基底的附着和中间层附着。利用光学显微镜和SEM/EDS分析对涂层表面和横截面形态、微观结构和元素组成进行详细研究。
[0029]本发明的一个实施方式是一种适用于恶劣环境(诸如与涡轮机相关的环境)的多层覆盖系统。与涡轮机的金属基底或金属表面接触的该多层覆盖系统的第一层是填充有金属和/或金属氧化物颜料的无机粘结剂，优选地是填充有陶瓷颜料的无机粘结剂，具有在大约0.5至3.0密耳之间的厚度。更优选地，第一层或底涂层是填充有铝氧化物(即氧化铝)颜料的磷酸盐基粘结剂。可替换地，代替氧化铝或者除了氧化铝以外，第一层还可含有其它非金属颜料，如氧化锆、氧化铈、其它混合金属氧化物和/或其组合。
[0030]第一层或底涂层也可任选地含有其它添加剂，诸如表面活性剂、湿润剂和其它常规添加剂。除了陶瓷颜料外，第一层中还可包含其它颗粒状金属，诸如铝、铜、银或镍。
[0031]与第一层相关的无机粘结剂溶液优选地是酸性磷酸盐溶液，更优选地包括铬酸盐化合物、或者溶解于酸性磷酸盐化合物中的其金属盐。这些粘结剂溶液是特别有用的，这是因为在干燥和固化周期它们能够发生聚合并能够形成具有良好的机械强度、挠性、以及一些耐腐蚀性和耐热性能连续的玻璃状基质。
[0032]将第一层施涂成在0.5至3.0密耳之间的厚度，该第一层的优选厚度为0.8至1.3密耳。最小厚度决定于底涂层的表面粗糙度(Ra)和厚度之间非常强的相关性:当已实现第一层的0.8密耳的厚度时已观察到该底涂层的Ra、以及整个多层覆盖系统的Ra的急剧下降。底涂层的最大厚度通常决定于整个多层覆盖系统的目标厚度或指定厚度。通常且理想的是不施涂超过覆盖系统的功能要`求的层。
[0033]控制底涂层的表面粗糙度是重要的，这是因为底涂层的表面粗糙度影响第二层和任选的密封涂层的表面粗糙度。优选地，底涂层的表面粗糙度(Ra)应当为30 μ in或以下、更优选地20 μ in或以下。如果底涂层中的表面粗糙度过高(例如>30 μ in)，那么在第二层和任选的密封涂层中将有可能出现更高的表面粗糙度值。换句话说，如果底涂层的表面粗糙度过高，则在第二层和任选的密封涂层的施涂期间表面粗糙度校正(即向下调整)是不可行或不可能的。
[0034]多层覆盖系统的第二层包含具有规定的粒径、粒径分布(PSD)和表面积(SA)的细金属氧化物颜料。优选地，第二层是填充有氧化铬(即Cr2O3)颜料的磷酸盐基粘结剂。可使用本领域中已知的任何磷酸盐基粘结剂。优选地，磷酸盐基粘结剂为铬酸盐-磷酸盐。第二层的铬酸盐-磷酸盐粘结剂通常包含铬酸盐化合物、或者溶解于酸性磷酸盐化合物中的其金属盐。将第二层施涂于第一层上达到在大约0.1至1.0密耳之间的厚度。
[0035]在该优选的实施方式中，氧化铬颜料颗粒具有窄的PSD，并且中值粒径D50(其特征为50%的PSD)是在大约0.8至2.2微米之间且尺寸过大的粒径D90 (特征为90%的PSD)不超过大约3.0微米。颗粒的优选的SA为至少4 m2/g至5 m2/g、更优选为大约6 m2/g。将优选实施方式的氧化铬颜料颗粒(表示为粉末II)的特性示于表1中。通过比较，现有技术的多层覆盖系统具有包含氧化铬颜料颗粒的第二层，氧化铬颜料颗粒的中值粒径D50为
2.5微米，尺寸过大的粒径D90为3.5至3.7微米，SA为3.0至3.5 m2/g (在表1中表示为粉末I )。
[0036]表1.选择的Cr2O3颜料粉末 ___
【权利要求】
1.一种用于金属基底的多层覆盖系统，包括: 通过施涂包含分散于磷酸盐基粘结剂中的金属或金属氧化物颜料颗粒的浆料所形成的底涂层，所述底涂层具有在大约0.5至3.0密耳之间的厚度；以及 通过施涂包含分散于磷酸盐基粘结剂中的金属氧化物颜料颗粒的浆料所形成的第二层，其中由于窄的粒径分布和优化的表面积因而所述金属氧化物颜料颗粒具有增强的可分散性，所述第二层具有在大约0.1至1.0密耳之间的厚度。
2.如权利要求1所述的多层覆盖系统，其中，分散于磷酸盐基粘结剂中的金属氧化物颜料颗粒还包括分散于磷酸盐基粘结剂中的氧化铬颜料颗粒。
3.如权利要求1所述的多层覆盖系统，其中，所述氧化铬颜料颗粒具有在大约0.8至2.2微米之间的中值粒径。
4.如权利要求1所述的多层覆盖系统，其中，所述窄的粒径分布的特征在于粒径分布的50%具有在大约1.0至2.0微米之间的直径并且粒径分布的90%具有小于或等于大约3.0微米的直径。
5.如权利要求1所述的多层覆盖系统，其中，所述氧化铬颜料颗粒的优化的表面积为大于或等于大约4 m2/g。
6.如权利要求1所述的多层覆盖系统，还包括包含基本上无颜料的磷酸盐基粘结剂的密封涂层，所述密封涂层具有大于或等于大约0.05密耳的厚度。
7.如权利要求6所述的多层覆盖系统，其中，所述密封涂层具有大约0.1密耳或更大的厚度。
8.如权利要求1所述的多层覆盖系统，其中，所述多层覆盖系统中的各层的表面粗糙度为小于或等于大约30 μ in。
9.如权利要求1所述的多层覆盖系统，其中，所述底涂层的磷酸盐基粘结剂为铬酸盐-磷酸盐。
10.如权利要求1所述的多层覆盖系统，其中，所述第二层的磷酸盐基粘结剂为铬酸盐-磷酸盐。
11.如权利要求1所述的多层覆盖系统，其中，所述密封涂层的磷酸盐基粘结剂为铬酸盐-磷酸盐。
12.一种用于金属基底的苛刻环境多层覆盖系统，包括: 通过施涂包含分散于磷酸盐基粘结剂中的金属或金属氧化物颜料颗粒的浆料所形成的底涂层，所述底涂层具有在大约0.5至3.0密耳之间的厚度；以及 通过施涂包含分散于磷酸盐基粘结剂中的氧化铬颜料颗粒的浆料所形成的第二层，其中所述氧化铬颜料颗粒具有窄的粒径分布以及在大约0.8至2.2微米之间的中值粒径，并且所述颗粒的表面积为大于或等于大约4 m2/g，所述第二层具有在大约0.1至1.0密耳之间的厚度； 其中所述覆盖系统中的底涂层和第二层的表面粗糙度为小于或等于大约30 μ in。
13.如权利要求12所述的多层覆盖系统，其中，所述窄的粒径分布的特征在于粒径分布的50%具有在大约1.0至2.0微米之间的直径并且粒径分布的90%具有小于或等于大约3.0微米的直径。
14.如权利要求13所述的多层覆盖系统，还包括包含基本上无颜料的磷酸盐基粘结剂的密封涂层，所述密封涂层具有大于或等于大约0.05密耳的厚度。
15.如权利要求14所述的多层覆盖系统，其中，所述密封涂层具有大于或等于大约0.1密耳的厚度。
16.如权利要求12所述的多层覆盖系统，其中，所述底涂层的磷酸盐基粘结剂为铬酸盐-磷酸盐。
17.如权利要求12所述的多层覆盖系统，其中，所述第二层的磷酸盐基粘结剂为铬酸盐-磷酸盐。
18.如权利要求14所述的多层覆盖系统，其中，所述密封涂层的磷酸盐基粘结剂为铬酸盐-磷酸盐。
19.一种对金属基底施涂苛刻环境多层覆盖系统的方法，包括: 准备所述金属基底的表面； 将填充有陶瓷颜料的磷酸盐基粘结剂的浆料施涂于所述金属基底上以形成底涂层，所述底涂层具有在大约0.5至3.0密耳之间的厚度； 使具有所述底涂层的经涂覆的基底发生固化； 制备包含分散于磷酸盐基粘结剂中的氧化铬颜料颗粒的浆料，其中所述氧化铬颜料颗粒具有在大约0.8至2.2微米之间的中值粒径，并且所述氧化铬颜料颗粒的表面积为大于或等于大约4 m2/g, 将所述浆料施涂于所述底`涂层上以形成第二层，所述第二涂层具有在大约0.1至1.0密耳之间的厚度；以及 使具有所述底涂层和所述第二层的经涂覆的基底层发生固化。
20.如权利要求19所述的方法，其中，分散于磷酸盐基粘结剂中的氧化铬颜料颗粒的粒径分布的特征在于粒径分布的50%具有在大约1.0至2.0微米之间的直径并且粒径分布的90%具有小于或等于大约3.0微米的直径。
21.如权利要求19所述的方法，其中，所述底涂层和所述第二层的表面粗糙度为小于或等于大约30 μ in。
22.如权利要求19所述的方法，还包括: 将基本上无颜料的磷酸盐基粘结剂的浆料施涂于所述第二层上以形成密封涂层，所述密封涂层具有大于或等于大约0.05密耳的厚度；以及 使具有所述底涂层、所述第二层和所述密封涂层的经涂覆的基底发生固化。
23.如权利要求19所述的方法，其中，所述底涂层的磷酸盐基粘结剂为铬酸盐-磷酸盐。
24.如权利要求19所述的方法，其中，所述第二层的磷酸盐基粘结剂为铬酸盐-磷酸盐。
25.如权利要求22所述的方法，其中，所述密封涂层的磷酸盐基粘结剂为铬酸盐-磷酸盐。
26.如权利要求22所述的方法，其中，所述密封涂层具有大于或等于大约0.1密耳的厚度。
27.一种由包括以下步骤的方法制成的、用于金属基底的多层覆盖系统: 将包含填充有氧化铝颜料的磷酸盐基粘结剂的浆料施涂于所述金属基底上以形成底涂层，所述底涂层具有在大约0.5至3.0密耳之间的厚度； 制备包含填充有氧化铬颜料的磷酸盐基粘结剂的浆料，其中所述氧化铬颜料颗粒的粒径分布的特征在于粒径分布的50%具有在大约1.0至2.0微米之间的直径并且粒径分布的90%具有不超过大约3.0微米的直径；以及 将包含填充有氧化铬颜料的磷酸盐基粘结剂的浆料施涂于所述底涂层上，以形成具有大约0.1至1.0密耳之间厚度的第二层。
28.由权利要求27所述的方法制作的、用于金属基底的多层覆盖系统，还包括将基本上无颜料的磷酸盐基粘结剂的浆料施涂于所述第二层上以形成密封涂层，所述密封涂层具有大于或等于大约0.5密耳的厚度。
29.由权利要求27所述的方法制作的用于金属基底的多层覆盖系统，其中，所述底涂层的磷酸盐基粘结剂为铬酸盐-磷酸盐。
30.由权利要求27所述的方法制作的用于金属基底的多层覆盖系统，其中，所述第二层的磷酸盐基粘结剂为铬酸盐-磷酸盐。
31.由权利要求28所述的方法制作的用于金属基底的多层覆盖系统，其中，所述密封涂层的磷酸盐基粘结剂为 铬酸盐-磷酸盐。
【文档编号】C23C22/74GK103732796SQ201280039434
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2012年6月12日 优先权日:2011年6月13日
【发明者】I.贝洛夫 申请人:普莱克斯 S.T. 技术有限公司