专利名称：用于处理待镀层的Ni基高温合金制部件表面的方法
技术领域：
本发明涉及处理用于高温操作的Ni基高温合金制部件如气轮发动机部件待镀层表面的方法，镀层和表面两者均包括元素Al和/或Cr，本发明也涉及修复所用部件镀层的方法。
设计用于高温领域的部件如汽轮机的叶片通常镀有防护镀层。所述镀层保护基础材料免受热环境的热效应带来的腐蚀和氧化并且由大多数使用元素Al和Cr的合金如MCrAlY组成。在部件的运作期间，镀层被缓慢氧化和/或腐蚀掉并且在一定时候某些地方被完全脱除或达到不再适合继续运作的最小设计限。
其镀层在运作时受磨损和/或其它损伤的部件按一定周期拆下进行修复和/或重新调整，在此期间剥除残余镀层、进行各种修复并施加新的镀层。除此之外，可能在生产时新部件被不适当地镀层，因此必须将镀层剥离以便施加可接受质量的镀层。
过去对于镀层来说，以较高的含量使用较多的铝，以便在升高的温度下有更好的耐氧化性。作为基础材料来说经常使用的是高温合金如Ni基高温合金。这种Ni基高温合金公开于美国专利5759301中。由于镀层中Al和Cr含量比基础材料中明显高得多而产生了一个问题。在下面在镀层和基础材料之间出现了不需要的金属间(intermallic)相γ相(prime)(Ni3Al)。
通常将Ni基高温合金热处理以便析出被较软的γ基体包围的立体γ相颗粒。在非常高的体积比例下，γ相易于形成连续raft或带，它与上述分散条件相比具有低得多的耐裂缝增长和耐蠕变性。即使在高温合金正常的γ相体积比例下在Ni基高温合金部件运作时过热的现象会导致γ相熔合成半连续带。现示出这种微结构的部件由于γ相raft的减弱作用而不再适合进一步使用。
当常规的MCrAlY镀层被施加到由Ni基合金制备的部件表面时，通常需要扩散热处理来确保镀层和基础材料之间的高质量结合。在热处理和随后的部件在高温下的运作中，镀层的Al和Cr扩散到基础材料表面形成“互扩散区(interdiffusion)”，区中通常析出γ相的连续带。γ相带的析出主要是因为Al在“互扩散区”的富集(enrichment)，而这直接导致Ni3Al的形成，同时也因为增加Al的热动力活性的Cr的存在。在延长使用时间后，所述“互扩散区”可延伸至透过镀层/部件界面到达部件内部约200μm。
大家理解导致镀层剥落的裂纹通常并不出现在基础材料／镀层界面本身而是出现在脆化的沿γ相带的互扩散区。
这种影响为美国专利5556713所认识，该专利提供了一种通过在镀层前将Re原子离子植入(implantation)到基础材料表面的技术形成扩散阻隔层。扩散阻隔层的目的在于阻止Al和Cr有害地扩散到基础材料中并形成脆化的γ相连续带。
美国专利5728227也间接地认识到了这种影响，它公开了一种从镍基合金除去扩散镀层的方法。它的做法是机械去除外镀层而露出扩散镀层内部部分并且除去留在部件表面层上的相当于“互扩散区”的多余的铝。所述部件可以是经使用的部件、或者就是不适当地镀层的部件以及需要修复镀层的部件。按照该专利，该方法可被认为是反转了原先的Al从预先施加的镀层到表面部分的扩散。也可只将该方法应用于原先镀层或经使用的部件。
此外美国专利5728227的先有技术的机械装置可将相当大的残留应力加到部件表面。尽管这对于由等轴晶粒equiaxed结构生产的部件来说并没有多大的意义，但是如果进行热处理使γ相按需要重新分布时，具有定向凝固结构(柱状晶粒或单晶)的部件极易由于装置残留应力而重结晶。在这种部件中的重结晶会显著降低其蠕变和循环载荷下的耐破裂性，并通常导致其成碎片脱落。美国专利5598968实际认识到了这个问题并提出了一种对重结晶问题的解决方法，就是使部件表面层的碳化物析出。但是，碳化物析出需要昂贵和耗时的热处理并且改变了原样部件和部件基础合金的结构。
制备处理原先镀层的部件的现有技术是通过机械或化学方法脱除镀层、通过各种装置诸如自动电弧清洁装置(transfer arc clearning)清洁表面并重新镀层。美国专利5728227只对机械脱除方法提出了权利要求。尽管机械脱除对于其使用期内预定要经历几次重新镀层操作的部件(如航空发动机部件)来说是有其优越性的，但是对于只进行两次或三次这种重新镀层操作的部件则没有多少优越性，特别对于需要修补的具有疵点镀层的新镀层部件来说则完全没有优越性。这种新镀层部件具有非常小的互扩散区。
对于新部件来说，除了对扩散区问题的外部解决方法诸如扩散阻隔层外，还有在镀层前制备中进行的方法，它包括表面清洁处理诸如喷砂处理、表面研磨、浸蚀和/或自动电弧清洁。但是所有这些方法均只是用于去除部件表面不想要的夹杂物(inclusion)或污染物，对于表面层的化学成分并无明显效果。没有一种提出的方法可避免脆化互扩散区的形成。
本发明的目的是克服所存在的缺点。本发明解决了创造了一种制备用于高温用途的待镀层部件如Ni基高温合金部件以便防止在部件和镀层之间出现互扩散区的方法的任务。本发明也可用于修补已经镀层的部件。
本发明发现了一种制备处理用于高温用途的待镀层部件如Ni基高温合金部件的方法，其特征在于脱除部件外表面的Al、Cr和Ti中的任何一种或其组合并且将镀层直接施加到经脱除处理的表面上。
本方法的优点是即使在镀层后的扩散热处理时或部件在随后的高温下使用时Al和Cr按通常的那样扩散，在镀层前在新生产部件基础材料上脱除了Al和/或Ti和/或Cr的层的产生阻止了γ相连续层的形成。它有利地脱除了深至500μm、优选20-200μm的部件表面的Al、Cr和Ti或其组合物。
本发明方法也可用于在使用时镀层由于热影响而损伤的镀层部件，这时镀层和存在于镀层与基础材料之间的“互扩散区”通过机械或化学等方法去除。
本发明涉及制备高温用待镀层部件的方法。使用这类部件的例子有气轮机的桨叶。所述部件一般包括基础材料和镀层。经常使用的基础材料的例子有Ni基高温合金，可使用的绝热镀层材料有MCrAlY或其类似物。
即使在镀层后的扩散热处理时或部件在随后的高温下使用时，在镀层前在新生产部件基础材料的外表面上脱除了Al和/或Ti和/或Cr的层的产生阻止了γ相连续层的形成。本发明方法脱除了深至500μm、优选20-200μm深度的部件表面的Al、Cr和Ti或其组合物。
所述元素的脱除通过一种将活性离子诸如氟离子与部件表面接触的清除方法来完成。已知用于该目的的有例如Dayton法或Ti镀法。这种脱除方法描述于例如专利EP 34041或US 4188237中。公开于美国专利4405379或4098450中的用于清洁高温合金表面氧化物的方法作为副反应也脱除了部件的外表面。
此外，所述脱除步骤可例如通过将任何数目的任何组合或比例的下面成分的加入到炉具中来完成氟化氢、氟、氢气、聚四氟乙烯、氦、氩、氮、氟化铬、氟化铵、甲烷或碳氟化合物或碳氢化合物。各种成分的加入量、其组和或其比例可连续变化或在部件处理时的任何特定时候变化和/或在使脱除效果最佳的任何温度下变化。为了除去残留的金属氟化物，可在之后进行另外的真空热处理。
所述脱除步骤也可在能对部件进行固溶(solutioning)硬化和/或沉淀硬化热处理的时候进行。
部件表面也可在脱除处理后进行化学或机械清洁以便清除残留盐或其它污染物，但是脱除后的表面层不能被去除(表面层被去除的情况可能在例如在喷砂处理下发生)。
镀层操作可直接在经脱除处理的层上进行。
如果存在部件的内部冷却通道，就可能阻隔了用于脱除处理表面的气体而导致Al、Cr或Ti没有从内部冷却通道表面脱除。当内表面被镀铝或其它耐环境性处理时，这尤其需要。
本发明的优点是由于最初脱除了部件表面层的γ相形成元素，极大地消除了在扩散热处理时和/或部件的使用期中互扩散区的γ相连续带。也期待由于这种特殊的制备而可使用高于常规铝含量的镀层，从而使镀层寿命更长而接近部件本身的使用期，而这可消除对修补部件时高耗费的重新镀层操作的必要性。
本发明方法也可应用于其镀层因为使用时热破坏或过度氧化损伤并必须更新的部件。除去旧镀层和存在于基础材料与镀层之间的“互扩散区”后，可实施上述的脱除方法。保护镀层的这种化学去除方法公开于例如美国专利5071486。去除旧镀层的另一种方法是用HCl化学脱除，或使用机械设备例如喷水器、高速机械加工等去除。
权利要求
1．处理用于施加镀层的Ni基高温合金制部件表面的方法，部件和镀层均包括元素Al和/或Cr，其特征在于在脱除了部件表面所有的Al、Ti、Cr或它们的组合后，将部件的镀层直接施加到已脱除处理的表面上。
2．权利要求1的方法，其特征在于部件表面脱除处理的深度达到500μm。
3．权利要求2的方法，其特征在于部件表面脱除处理的深度范围为20到200μm。
4．权利要求1到3中任一项的方法，其特征在于在施行本发明方法前去除旧镀层和存在于镀层与部件之间的互扩散区(interdiffusion)的任何手段。
5．权利要求4的方法，其特征在于在固溶(solutioning)硬化和/或沉淀硬化热处理时进行本发明方法。
全文摘要
本发明涉及处理用于施加镀层的高温用Ni基高温合金制部件表面的方法,部件和镀层均包括元素Al和/或Cr,其特征在于在脱除了部件外表面Al、Ti、Cr中的任何一种或它们组合后,将镀层直接施加到脱除处理的部件表面上。所述措施避免了在部件使用时在互扩散区内形成脆性γ相raft。所述方法也可在使用任何方法除去旧的损坏镀层和所存在的互扩散区后使用。
文档编号C23C14/02GK1283709SQ0012400
公开日2001年2月14日 申请日期2000年8月9日 优先权日1999年8月9日
发明者A·贝格利, J·费尼霍夫, C·特内斯 申请人:Abb阿尔斯托姆电力(瑞士)股份有限公司