专利名称：用铝化物对空心物体涂层的方法
技术领域：
本发明涉及对物体涂以铝化物涂层，尤其涉及空心物体铝化物涂层。
背景技术：
在飞机燃气涡轮(喷气)发动机中，空气被吸入发动机的前部，由安装在轴上的压缩机压缩机压缩并与燃料混合。混合物燃烧，并且热的燃烧气体通过安装在同一轴上的涡轮。燃烧的气体流通过冲击在相应的涡轮叶片的翼面部分上而转动涡轮。涡轮再转动该轴，并将动力提供该压缩机。热的废气从发动机的后部流出，驱动发动机和飞机向前。
燃烧和废热转热，则喷气发动机的工作效率更高。因此，刺激要提高燃烧和废气的温度。燃烧气体的最高温度通常由用于制造该发动机的热的部分的零件的材料的限制。这些零件包括热的燃烧气体直接冲击在上面的燃气涡轮的涡轮叶片。在现时的发动机中，涡轮叶片由镍基的超级合金制成，可以在大约1800～2100°F的温度以下工作。在这种温度下，零件因氧化和腐蚀而损坏。
在用于保护该热的部分的零件不受氧化和腐蚀的一种方法中，该涡轮叶片的表面的一部分涂敷保护涂层。保护涂层的一种形式为沉积在要保护的基体材料上的含铝的保护涂层。该沉积的含铝的涂层相互扩散至该基体材料中，并且该含铝的保护涂层的露出的表面氧化，产生保护在下面的基体的一个粘附的氧化铝的氧化皮。现有几种方法可以在涡轮叶片的外表面上涂层。然而，在一些情况下，该翼面部分是空心的，以允许冷却空气通过或减小该翼面部分而重复，或为了以上二个理由。该空心部分的内外表面的均匀涂层很难达到，特别是当涂层蒸气不能从一个末端到另一个末端流过，和在涡轮叶片已用过后和返回作整修的整修工作中更是如此。
因此需要这种零件的外表面和内表面的一种可使铝化物涂层厚度达到合理的均匀的涂层方法。本发明可满足这个需要，并可提供有关的优点。
发明概述本发明提供了一种在一个空心物体的内外表面上形成一个铝化物涂层的方法。这种方法在先前已用过的空心物体的整修中特别有用。这种方法可在该内表面和外表面上形成一个坚固的，足够厚和合理地均匀的涂层。
一种在一个空心物体上形成铝化物涂层的方法包括下列步骤提供具有一个空心内部和通至该空心内部的进入孔的物体；通过该进入孔，将一个铝化物涂层带放置在该空心内部中；和利用一个与该铝化物涂层带分开的外部铝蒸气源，对该空心物体进行蒸气相涂铝化物(“VPA”)。一般，该物体先后已使用过，本方法用于整修该物体。
在最有兴趣的应用中，该物体为镍基合金，最优选为镍基超级合金。在这个应用中，该物体为涡轮叶片，带有翼面的至少一部分为空心的一个翼面部分。该空心内部从叶片顶部伸入该翼面部分的一部分中。在一个实施例中，该空心内部不在该涡轮叶片的全长上延伸，使得涂层蒸气不可能从该空心内部的一端，沿着该涡轮叶片的长度流至另一端。该物体也可以为钴基合金。
最好，该铝化物涂层带包括至少大约85重量％的含铝的合金粉末，其余为有机粘合剂和有选择地为活化剂(例如氯化铵)。在接着进行的与蒸气相涂铝化物有关的加热过程中，该有机粘合剂烧掉，不留下有机的剩余物。放置在该翼面部分的空心内部中的该铝化物涂层带的尺寸和数目取决于该空心内部的尺寸。该空心内部空腔的尺寸为深度为0.93英寸，长度为0.8英寸(从该空腔的前沿至该空腔的后沿)，最大宽度为0.16英寸。最好在该空腔中，在该空腔的壁之间延伸的现有的加强杆之间放置总共4条带，每一条带的厚度为0.015英寸，宽度为0.1英寸，长度为0.95英寸。
利用与该铝化物涂层带分开的一个外部铝蒸气源进行蒸气相涂铝化物。为了进行该蒸气相涂铝化物，将在该空心内部中具有铝化物涂层带的该空心物体在包括铝蒸气的气氛中加热至大约至少为1875°F的涂铝化物温度(最好为大约1975°F+/-25°F)。在一个典型的涂铝化物过程中，将在该空心内部具有铝化物涂层带的该空心物体放置在一个加热的涂铝化物容器的内部中；放置含铝合金，与该涂铝化物容器连通；和在足以在该内表面和外表面上沉积所希望厚度的铝化物涂层的时间中，将在该空心内部具有铝化物涂色带的该空心物体和该含铝合金的加热至涂铝化物的温度。
在开发本方法以前，试用只利用蒸气相涂铝化物过程来整修铝化物涂层。结果是，铝蒸气不能穿过进入该空心空腔的内部，以沉积足够厚和均匀的涂层。除了使用一个分开的外部源进行蒸气相涂铝化物以外，插入该空心内部的该涂层带在翼面的外表面和该翼面的空心部分的内表面上形成厚度足够和均匀的铝化物涂层。该涂层带在该空心物体的内部，形成一个可靠的，方便的铝化物蒸气源。在该空心物体的内部内，不使用粉末源，因为更难控制粉末的化学性能和处理该粉末。另外，该粉末源产生的涂层分布不太均匀，该粉末源使用不同的最优涂层温度，并且与使用铝化物涂层带比较，该粉末源方法对环境不太友好。
本发明的其他特点和优点，从下面结合附图对优选实施例的详细说明中将会清楚。该优选实施例利用例子说明本发明的原理。但本发明的范围不是局限在这个优选实施例。
附图简述
图1为实现本发明的实施例的一个优选方法的方框流程图；图2为一个空心的燃气涡轮叶片的示意图，其翼面壁的一部分剖开，以表示插入其空心的内部的铝化物涂层带；图3为沿着图2的3-3线所取的通过该燃气涡轮叶片的壁的放大的截面图；和图4为在一个VPA铝化物涂层容器中的空心的涡轮叶片的示意图。
优选实施例详细说明图1表示在一个空心物体上形成一个铝化物涂层的一种优选方法。在步骤20中提供该空心物体。图2表示可以利用本方法处理的物体30的一种优选形式。在这种情况下，该物体30为一个燃气涡轮叶片32。该燃气涡轮叶片32包括一个具有一个叶片顶部36的翼面部分34，一个榫或冷杉形截面形式的配件38，和从该翼面部分34和该配件38之间的位置沿横向向外伸出的一个平台40。
最好，该燃气涡轮叶片32由单件的金属合金，更优选的是镍基合金，最优选的镍极超级合金制成。这里所用的“镍基”表示成分中镍比任何其他元素多。该镍基超级合金一般由被γ主相或有关的相的析出而增强的成分构成。在宽范围的子范围中，典型的镍基合金成分的，以重量百分数表示的构成元素的数量如下大约4～20％的钴，大约1～10％的铬，大约5～7％的铝，大约0～2％的钼，大约3～8％的钨，大约4～12％的钽，大约0～2％的钛，大约0～8％的钌，大约0～1％的铌，大约0～0.1％的碳，大约0～0.01％的硼，大约0～0.1％的钇，大约0～1.5％的铪，剩余部分为镍和一些偶然的杂质。然而，镍基超级合金可以具有这个范围外面的成分。燃气涡轮叶片32也可由钴基合金制成，该合金含的钴比任何其他元素多。在技术上已知将这种钴合金用于涡轮叶片。这种钴基合金的一个例子为Mar M509合金，它具有下列按重量百分比计的名义成分；大约0.6％的碳，大约0.1％的锰，大约0.4％的硅，大约22.5％的铬，大约1.5％的铁，大约0.2％的钛，大约0.01％的硼，大约0.5％的锆，大约10％的镍，大约7％的钨，大约3.5％的钽，其余为钴和微量元件。
该燃气涡轮叶片32具有空腔44形式的空心内部42，该空腔从叶片顶部36伸入翼面部分34的一部分中。所示的涡轮叶片32为没有冷却的涡轮叶片，该空心内部42用于减小该涡轮叶片的重量。该空腔44为一个肓腔，在这个优选的应用中，它不在该燃气涡轮叶片32的整个长度上延伸。结果，不能使带有铝的气体从一端至另一端穿过该空腔44。为了增加该涡轮叶片32的强度和刚度，在该空腔44的相对的侧面48之间，许多杆状的加强杆46延伸穿过该空心内部42。这些加强杆46在该燃气涡轮叶片32中的存在是为了结构的原因，并不是本方法所必需的。在所示的涡轮叶片32中，通至该肓腔空心内部42的一个进入孔50通过该叶片顶部36。本方法也可用在该空腔44为一个贯通的空腔的情况下，使含铝的气体可以从一端至另一端地直穿过该空腔44，但本方法的最大优点是在该空腔44为肓腔时体现出来。因此，本方法也可以用在冷却空气流通过该涡轮叶片的空心内部的冷却的涡轮叶片中。
图3为通过翼面部分34的壁52的截面图。希望该壁52的外表面54上具有外部铝化物涂层56，并且该壁52的内表面58上具有内部铝化物涂层60。如果在该燃气涡轮叶片32已使用后的整修过程中，对于该燃气涡轮叶片32的翼面部分34进行通常的蒸气相涂敷铝化物，则可以容易地涂上该外部铝化物涂层56。然而，该内部铝化物涂层60的厚度不均匀，并且一般在该空腔44的底部附近，其厚度不够。
为了完成该内表面58的涂层，将有时称为编码带的一个铝化物涂层带62，通过该进入孔50放入该燃气涡轮叶片32的翼面部分34的空心内部42中。在图2的燃气涡轮叶片32的结构中，在该加强杆46之间放置多个铝化物涂层带62。该铝化物涂层带62可以有选择地包含活化剂。最好，该铝化物涂层带包括至少大约85重量％的含铝的合金粉末，其余为有机粘合剂，并且可以有选择地包括诸如氯化铵一类的活化剂。在接着进行的热处理过程中，该有机粘合剂烧掉，不留下有机残余物。这种铝化物涂层带62技术上已知(例如可参见美国专利5334417号，这里引入其说明供参考)，并且商业上有销售，例如由Connecticut州的Vitta Corporation of Bethel，或瑞士的SulzerMetco公司销售。先前，这种铝化物涂层带62用于铝化物涂层工序。然而，据发明者所知，这种铝化物涂层带还没有用于内表面涂层。放置在该翼面部分34的空心内部42中的铝化物涂层带62的尺寸和数目取决于该空心内部42的尺寸。当该空心内部42为深度为0.93英寸，长度为0.8英寸(从空腔的前沿至空腔的后沿)，最大宽度为0.16英寸的肓腔时，最好在该空腔44中，在该空腔44的壁之间延伸的加强杆46之间放置总共4条带，每一条带的厚度为0.015英寸，宽度为0.1英寸，长度为0.95英寸。
在图1的步骤22中，在将该铝化物涂层带62放置在翼面部分34的空心内部42后，在步骤24中，利用与该铝化物涂层带62分开的一个外部铝蒸气源，对该空心物体30进行蒸气相铝化物涂层。图4表示一个工作的蒸气相涂铝化物装置70。将这里是该燃气涡轮叶片32的翼面部分34的、要利用铝化物涂层的涂敷的物体30放入一个涂铝化物的容器72中。一般，许多燃气涡轮叶片32放入该涂铝化容器72中，用于在一个涂层工序中涂铝化物，但图4中只表示了一个叶片。在所述的方法中，该平台40和配件38的下侧不用铝涂层。因此，该配件38放置在涂铝化物的容器72外面，而该平台40的下侧密封地沿着该涂铝化物容器72的壁放置，或另外放置，使该平台40的下侧的所接受铝涂层。
一个涂铝化物的气体源与该涂铝化物容器72的内部连通。在所述的方法中，铝蒸气的外部源为放置在该涂铝化物容器72中的要进行蒸气相涂铝化物的燃气涡轮叶片32附近的铬-铝合金小丸76的篮筐74。(为了将它与在该燃气涡轮叶片32内部的铝化物涂层带62区别，这个铝蒸气源在该燃气涡轮叶片32的外部)。包含篮筐74和燃气涡轮叶片32的涂铝化物容器72，在氩或氢的气氛中，以大约50°F/分的加热速率被加热至大于大约1875°F(最好大约为1975°F+/-25°F)的温度。在这个温度下，铝从小丸76蒸发。铝蒸气扩散至该燃气涡轮叶片32的表面上，并沉积形成铝化物涂层。大部分铝沉积在外表面54上，小部分扩散至该空心空腔44中，沉积在内表面58上。将该燃气涡轮叶片32保持在该温度下一段足以沉积该铝化物涂层所希望厚度的时间(大约4小时+/-15分)。在这段时间中，铝沉积；然后缓慢冷却至大约250°F，再冷却至室温。另外，可将载体气体流78(例如氩或氢)送入该涂铝化物的容器72中，使该载体气体穿过该篮筐74，把由该小丸76蒸发产生的铝蒸气带至该燃气涡轮叶片32。这些涂层时间和温度可以改变，以改变沉积的含铝层的厚度。
在这个加热循环过程中，铝蒸气也可由接近该内表面58的铝化物涂层带62产生。由该铝化物涂层带62产生的铝蒸气扩散至该内表面58，并作为形成该内部铝化物涂层60的主要铝源沉积下来。由该小丸76产生的一些铝蒸气也可以进入该空心内部42中，但经验表明，这部分铝蒸气主要沉积在该外表面54上，而不扩散至该内表面58。如果只使用由该小丸76产生的铝蒸气，则保护该内表面58的沉积在该内表面58上的内部涂层的厚度不够。当与这里为在该外部篮筐74中的小丸76的外部源一起，使用由在该空心内部内的铝化物涂层带源产生的铝蒸气的本方法时，在该内表面58和该外表表56上的铝化物涂层的厚度都足够和均匀。
另一种方法为在该空心内部42中，使用铝化物源粉末作为铝蒸气源。在新的制造中使用的这种方法对于整修是不可接受的，因为它对环境不友好。这是由于共最优的涂层温度与形成外部铝化物涂层60的蒸气相涂铝化物过程的涂层温度不同，并且由于铝源粉末比铝化物涂层带62难处理和控制。
在所希望厚度的铝沉积在该外表面54和内表面58上，和该燃气涡轮叶片32冷却至室温后，将现在部分消耗掉的铝化物涂层带62从该空心内部42除去(步骤26)。
已利用对于图1所述的方法和使用与图4所示相同的VPA装置70，通过对结构与图2所示相同的空心的燃气涡轮叶片进行涂层说明了本方法。该空腔尺寸和涂层带如上所述。目的是为该外部铝化物涂层56和内部铝化物涂层60，形成最小厚度为0.0015英寸的铝化物涂层。为了比较，对该燃气涡轮叶片给与相同的蒸气相涂铝化物处理。在第一个比较情况中，在该空心内部42内没有任何铝蒸气源，而在第二个比较情况下，使用充满在该空腔44中的铝源粉末。在所有情况下，该外部铝化物涂层56的厚度都大于0.0015英寸。然而，该内部铝化物涂层60的厚度根据所用的处理而变化。当在该空腔44中不放置粉末涂铝化物源时，在该空腔44的底部附近的该内部铝化物涂层60的厚度从0变化至小于0.0005英寸。当在该空腔44中放置一个粉末涂铝化物源时，在该空腔44的底部前沿和后沿附近的该内部铝化物涂层60的最小厚度大约为0.0008英寸。当如上所述，将该铝化物涂层带62放置在该空腔44中时，在整个该空腔中内部铝化物涂层60的最小厚度大约为0.0015英寸，因此可以紧密地与该外部铝化物涂层56的厚度匹配。
虽然，为了说明的目的，详细地说明了本发明的一个具体实施例，但在不偏离本发明的精神和范围的条件下，可以作各种改进和提高。因此，除了受所附的权利要求书以外，本发明不受限制。
零件清单20图122图124图130-物体32-燃气涡轮叶片34-翼面部分36-叶片顶部38-配件40-平台42-空心内部44-空腔46-加强杆48-相对侧面50-进入孔52-壁54-外表面56-外部铝化物涂层58-内表面60-内部铝化物涂层62-铝化物涂层带70-VPA装置72-涂铝化物容器74-篮筐76-小丸78-气体流
权利要求
1.一种在一空心物体(30)上形成一铝化物涂层(56，60)的方法，包括下列步骤提供具有一空心内部(42)和通至该空心内部(42)的一进入孔的一个物体(30)；通过该进入孔，将一个铝化物涂层带(62)放置在该空心内部(42)中；和利用与该铝化物涂层带(62)分隔的一个外部铝蒸气源。对该空心物体(30)进行蒸气相涂铝化物。
2.如权利要求1所述的方法，其特征为，该提供步骤包含提供先前已被使用的物体(30)的步骤。
3.如权利要求1所述的方法，其特征为，该提供步骤包含提供包括镍基超级合金的物体(30)的步骤。
4.如权利要求1所述的方法，其特征为，该提供步骤包含提供包括钴基超级合金的物体(30)的步骤。
5.如权利要求1所述的方法，其特征为，该提供步骤包含提供具有该翼面的至少一部分为空心的一翼面部分(34)的物体(30)的步骤。
6.如权利要求1所述的方法，其特征为，该提供步骤包含提供作为一燃气轮机叶片的物体(30)的步骤，该叶片延伸到该翼面部分(34)的一部分中的空心内部(42)。
7.如权利要求1所述的方法，其特征为，该提供步骤包含提供包括含铝合金粉末和粘合剂的铝化物涂层带(62)的步骤。
8.如权利要求1所述的方法，其特征为，该蒸气相涂铝化物的步骤包含在包括铝蒸气的气氛中，将在该空心内部(42)中具有铝化物涂层带(62)的该空心物体(30)加热至至少大约1875°F的温度的步骤。
9.如权利要求1所述的方法，其特征为，该蒸气相涂铝化物的步骤包含在包括铝蒸气的气氛中，将在该空心内部(42)中具有铝化物涂层带(62)的该空心物体(30)加热至至少大约1975°F±25°F的温度的步骤。
10.如权利要求1所述的方法，其特征为，该蒸气相涂铝化物的工序包含将在该空心内部(42)中具有铝化物涂层带(62)的该空心物体(30)放置在一个涂铝化物容器(72)的内部中的步骤；放置含铝合金，与该涂铝化物容器(72)的内部连通的步骤；和将在该空心内部(42)中具有铝化物涂层带(62)的该空心物体(30)和该含铝合金加热到至少为大约1875°F的温度的步骤。
全文摘要
通过以下步骤在一个空心物体(30)上形成一个铝化物涂层(56，60)；提供具有一个空心内部(42)和通至该空心内部(42)的进入孔的一个物体(30)；通过该进入孔，将一个铝化物涂层带(62)放置在该空心内部(42)中；和除了该铝化物涂层带(62)以外，使用一个外部铝蒸气源对该空心物体(30)进行蒸气相涂铝化物。
文档编号C23C14/06GK1721570SQ20051005581
公开日2006年1月18日 申请日期2005年3月16日 优先权日2004年3月16日
发明者Y·K·亨, C·K·男, N·B·T·朗利, J·E·盖夫斯基 申请人:通用电气公司