用于产生扩散铝化物涂层的方法和设备的制造方法
【专利说明】用于产生扩散铝化物涂层的方法和设备
[0001]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 sect1n)的内部空腔的表面上的新颖且改善的方法和涂布设备。
[0002]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。
[0003]铝基金属间化合物(S卩，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。
[0004]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，这些部件通常位于祸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弓I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。
[0005]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。还形成含招的附加层(additive layer)。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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AlxOy)；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AlxNy)-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。
[0009]在另一已知技术中，液相浆料渗铝法已被用于铝化物涂层的施加。这涉及将液相浆料直接施加到表面上。通过在非氧化气氛或真空中在介于1600-2000 °?的温度下加热零件来实现扩散的铝化物的形成。加热使金属在浆料中熔融并允许铝进入基底表面的反应和扩散。然而，液相楽料渗招法遭受与固体渗招法(pack aluminizat1n process)相同的缺陷。总地来说，归因于供体和活化剂熔化或烧结至零件表面的风险，直接施加的包装和浆料二者都造成困难。此外，两种技术都产生含在内部空腔内且难以去除的残余涂层或素瓷。
[0010]其它技术包括化学气相沉积(CVD)或汽相铝化物涂布法，由此在零件的内部区段的外部产生汽化的铝化物涂层，并此后引导蒸汽流进入零件的内部区段。CVD或汽相涂布是成问题的，因为它们需要至内表面的渗铝气体的恒定补充流，其受到部件几何形状的影响并需要复杂的管道工程和气体控制。此外，还未证明常规CVD和汽相涂布方法在涂布循环期间能够以与正涂布的外部区段相同的速率完全涂布零件的内部区段内的所有需要的表面。这可导致未涂布的表面。随着各种工业技术(诸如航空航天和能源部门内)的进步，部件具有越来越复杂的几何形状，沿着内部区段的不完全的铝化物覆盖的问题已变得甚至更成问题。
[0011]鉴于使用常规铝化物涂布方法的缺陷，存在未被满足的对于可以简化的方式有效涂布具有复杂几何形状的内表面的铝化物涂布方法的需求。本发明的其它优势和应用对于本领域普通技术人员将变得显而易见。
【发明内容】
[0012]
本发明可包括以各种组合的以下方面中的任何种，并还可包括以书面描述的下述本发明的任何其它方面。
[0013]在第一方面中，提供施加铝化物涂层的方法。涂布方法包括提供具有外部区段和内部区段的部件。内部区段的特征是限定内部空腔的一个或更多个内表面。还提供至少部分由对应于所述部件的内部区段的尺寸和形状限定的细长构件。所述细长构件用铝基浆料施加到细长构件上。将细长构件引导通过所述部件的开口并随后安置到所述空腔中与一个或更多个内表面的每一个隔开的位置。向所述部件和构件施加热。在所述内部区段内产生汽化的铝并将其引导向一个或更多个内表面。使汽化的铝扩散进入一个或更多个表面。铝与一个或更多个表面反应以形成铝化物涂层。
[0014]在第二方面中，提供施加铝化物涂层的方法。涂布方法包括提供具有外部区段和内部区段的部件，其中所述内部区段的特征是限定第一内部空腔和第二内部空腔的一个或更多个内表面。提供第一细长构件。第一细长构件至少部分由对应于第一内部空腔的尺寸和形状限定。将第一铝基浆料施加到所述第一细长构件上。第二细长构件至少部分由对应于第二内部空腔的尺寸和形状限定。将第二铝基浆料施加到所述第二细长构件上。将第一细长构件引导进入第一内部空腔。将第一细长构件安置在所述第一空腔内与限定第一内部空腔的一个或更多个内表面的每一个隔开的第一位置。将第二细长构件引导进入第二内部空腔并随后安置在第二空腔内与限定第二内部空腔的一个或更多个内表面的每一个隔开的第二位置。向所述部件、第一细长构件和第二细长构件施加热。在第一内部空腔和第二内部空腔的每一个内分别产生第一汽化铝和第二汽化铝。将第一汽化铝和第二汽化铝引导向一个或更多个内表面。第一汽化铝和第二汽化铝扩散进入一个或更多个表面。第一汽化铝与限定第一内部空腔的一个或更多个表面反应以形成第一铝化物涂层。第二汽化铝与限定第二内部空腔的一个或更多个表面反应以形成第二铝化物涂层。
[0015]在第三方面中，提供用于将渗铝涂层施加到部件的内部区段上的涂布设备。所述设备包含细长构件，其特征是第一末端、第二末端和在第一末端和第二末端之间延伸的一个或更多个表面。细长构件布置在部件的内部空腔内的以下位置:其中使得一个或更多个表面不接触待涂布的内部区段的任何内表面。细长构件的特征是对应于部件的内部区段的几何形状的尺寸和形状。细长构件的一个或更多个表面涂布有铝基浆料。所述浆料包含活化剂、粘合剂和铝供体浆料。所述一个或更多个表面延伸进入