专利名称：使用冷喷涂向发动机部件施加粘合层的制作方法
技术领域：
本发明涉及向用于发动机的部件如涡轮机叶片或燃烧室衬套施加涂层的方法。
背景技术：
目前使用低压等离子体喷涂(LPPS)来施加粘合层。LPPS系统的运行和维护昂贵，并且费时、处理量有限。而且，LPPS还需要用真空室。给定真空室的尺寸限制了可以处理的部件的尺寸。
冷气体动态喷涂或“冷喷涂”最近被介绍为一种新的金属化喷涂技术，用于将粉末金属沉积在基材上而没有夹杂物。通过收敛/扩张型喷嘴形成氦和/或氮的超音速射流，并将其用于加速粉末颗粒冲向基材以便产生冷喷涂沉积或涂层。沉积物通过塑性变形和键合作用粘在基材和以前沉积的层上。美国专利5,302,414和6,502,767举例说明了冷气体动态喷涂技术。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种用于向用于发动机的部件施加涂层的方法，其减少了循环周期和维护费用。
本发明的另一个目的是提供一种可以用于任何尺寸的部件的上述方法。
使用本发明的方法可以实现上述目的。
根据本发明，提供了一种向用于发动机的部件施加涂层如粘合层的方法。广泛地说，该方法包括提供带有至少一个待涂表面的部件，使用非氧化性载气在所述至少一个表面上沉积至少一个粉末涂料层，以便粉末涂料不熔融而发生塑性变形，并且在冲击所述至少一个表面时粘合到所述至少一个表面上。本发明的方法在向涡轮叶片的翼型部分、叶轮或燃烧室衬套施加粘合层以防止氧化方面特别有用。
本发明的使用冷喷涂向发动机部件施加粘合层的技术的其它细节以及与其有关的其它目的和含义列在以下的详细说明和附图中，其中相同的附图标记表示相同的元件。
图1是用于在用于发动机的部件上沉积冷喷涂的粉末金属材料的设备的示意图；和图2是200X放大倍数的冷喷涂的粘合层材料的显微照片。
具体实施例方式
本发明涉及用于向用于发动机的部件施加涂层的方法。例如，本发明的方法可用来向涡轮机叶片的翼型部分的至少一个表面施加MCrAlY涂层，其中M是Ni和/或Co或其变体。它还可用来向用于火箭发动机的燃烧室衬套施加粘合层。
用于在部分需要修复的部件上沉积粉末材料的冷喷涂方法的优点在于，它提供了足够的能量来加速颗粒到足够高的速度，使得在颗粒冲击被修复部件的表面时该颗粒发生塑性变形并粘在该表面上，或粘在以前沉积的层上。冷喷涂方法形成了相对致密的涂层或结构性沉积物。冷喷涂没有使得颗粒由其固态发生冶金学变形。
当准备涂覆一个制品或元件时，经常需要除去在所述制品或元件上已经存在的任何涂层。可用任何适当的剥离技术来除去已经存在的任何涂层，并提供可以沉积涂料的新表面。例如可以使用机械或化学技术剥离已经存在的任何涂层。
现在参考图1，其显示了用于在待涂制品或元件10的表面24上沉积粉末涂料的系统8。该制品或元件可以是用于涡轮发动机的涡轮机叶片或叶轮。系统8包括喷枪22，喷枪22具有收敛/扩张型喷嘴20，粉末涂料通过它喷在表面24上。制品或元件10可以由任何适当的本领域公知的材料形成。在涡轮机叶片或叶轮的情况下，制品或元件10可以由超级合金材料如镍基合金形成。在燃烧室衬套的情况下，制品或元件10可以由镍或铜基合金形成。在涂覆操作期间，制品或元件10可以保持不动，或者可以借助于本领域公知的任何合适的装置(未显示)来摆动、旋转或移动。
在本发明方法中，待沉积的材料是粉末材料。粉末涂料可以包括任何适当的本领域公知的涂料。例如该涂料可以是MCrAlY材料(其中M是镍或钴)，如NiCoCrAlY、NiCrAlY或CoCrAlY。涂料可以是铜合金如铜-铬合金或铜-铬-铝合金。涂料可以形成独立的涂层或用于金属和陶器外涂层的粘合层。
用于在表面24上形成沉积的粉末涂料的直径为5-80微米，优选直径为10微米或者更小，如果沉积的合金材料硬的话。在最优选的实施方案中，粉末涂料的直径为大约5.0-10微米。颗粒尺寸越小能实现越高的颗粒速度。直径低于5微米，则颗粒会由于表面24上的弓形激波(bow shock)层而发生从表面24扫过的危险，即没有足够的质量推进颗粒通过弓形激波。颗粒尺寸分布越窄，则颗粒速度越一致。这是因为在喷雾/卷流中的较小颗粒会碰撞较慢较大颗粒，并有效地降低了两者的速度。
使用压缩气体如选自氦、氮、另一种惰性气体及其混合物的气体，可以将待沉积的颗粒加速到超声速。氦是优选的气体，因为由于其分子量低它产生最高的速度。
本发明方法用于使粉末涂料变形成沉积物使用的粘合机理是严格的固态，即颗粒发生塑性变形但没有熔融。分解所有已经形成在颗粒上的、或存在于表面24上的、或存在于以前已经沉积的层上的氧化层，并且在超高压下形成没有氧化物的新接触。
用于形成沉积的粉末涂料可以使用本领域公知的任何热喷涂进料器输送到喷枪22中，该进料器具有输送所述粉末的能力或所述的尺寸。可以使用的一种这样的进料器由Cleveland，Ohio的Powder FeedDynamics制造。这种进料器具有螺旋式进料机制。也可以使用流化床进料器和带有有角度缝隙的筒形辊进料器。
在本发明方法中，进料器可以用选自氦、氮、其它惰性气体及其混合物的气体进行加压。进料器压力通常高于主气体或压头压力(这些压力通常为200-500psi)15psi，这取决于粉末涂料组成。主气体优选被加热，以便气体温度为600-1200华氏度。如果希望，主气体可以加热到高达大约1250华氏度，这取决于待沉积的材料。气体可以被加热以防止在其通过喷嘴20的喉管膨胀时发生迅速冷却和冻结。净效果是在沉积期间制品或元件10上的表面温度为大约115华氏度。可用本领域中公知的任何合适的方法来加热该气体。
为沉积粉末涂料，喷嘴20可以在制品或元件10的表面24上通过。通过的次数是待施加的材料厚度的函数。本发明方法能够形成具有任何希望厚度的沉积。
用于在表面24上沉积粉末金属颗粒的主气体可以以0.001-50SCFM，优选15-35SCFM的流量经由进口30通过喷嘴20。如果用氦作主气体则优选上述流量。如果仅仅用氮或者用与氦结合的氮作为主气体，则氮可以以0.001-30SCFM，优选4.0-30SCFM的流量通过喷嘴20。
主气体温度可以是600-1200华氏度，优选700-1000华氏度，最优选725-900华氏度。
喷枪22的压力可以为200-500psi，优选200-400psi，最优选275-375psi。优选从压力比具体的主气体的压力高10-50psi，优选高15psi的进料斗，以10-100克/分钟，优选10-50克/分钟的速度经由线路34向喷枪22输送粉末涂料。
使用非氧化性载气将粉末涂料输送到喷枪22。以0.001-50SCFM，优选8.0-15SCFM的流量经由进口30引入载气。如果用氦作为载气，则上述流量是有用的。如果仅使用氮或与氦混合的氮作为载气，则可以使用0.001-30SCFM，优选4.0-10SCFM的流量。
保持喷涂喷嘴20离开表面24一定距离。该距离被称为喷涂距离，其可以是10-50毫米。
粉末涂料颗粒离开喷涂喷嘴20的速度可以是825-1400m/s，优选850-1200m/s。
本发明方法比现行的LPPS方法更有利。例如在LPPS中，粉末是熔融的。而在本发明方法中，粉末不是熔融的。而且，LPPS需要利用真空室，真空室限制了可以涂覆的制品或元件的尺寸。本发明方法不需要，可以露天进行。因此，对可以涂覆的制品或元件的尺寸没有限制。在LPPS中，有可能出现夹杂氧化物的沉积物，这会使得涂层变脆。而在本发明方法中，不形成这样的氧化物。本发明的冷喷涂方法的另一个优点是，仅仅通过沉积获得的涂层是至少97％致密的。而且，涂覆的制品可以具有10ksi的粘合强度。
本发明方法可用来形成任何类型的涂层。例如，该方法可以用来在用于涡轮发动机如燃气涡轮发动机的叶片或叶轮的翼型部分和/或其它部分上形成MCrAlY粘合层。
图2是冷喷涂沉积的NiCrAlY涂层100的照片。该涂层是在850华氏度(454摄氏度)的温度下320psi的压力下使用氦气由平均粒度为10微米的粉末状NiCrAlY涂料形成的。以25克/分钟的速度输送涂料颗粒。喷涂喷嘴与涂覆表面的间隔距离为1.0英寸。喷嘴以50英寸/分的速度和0.030英寸的步长横移。基材材料102是铬镍铁合金(Inconel)718，厚0.125英寸。施加的NiCrAlY涂层厚0.015英寸。
也可在大约970华氏度(大约520摄氏度)的温度下320psi的压力下使用氦在制品或元件上形成MCrAlY粘合层。
当将该冷喷涂方法用来施加粘合层时，可以在该粘合层上形成额外的涂层或者层。可用本领域公知的任何适用技术来施加该外涂层。外涂层在组成上可以是金属性的或者陶器的。
该冷喷涂方法提供了许多优于其它方法的优点。因为粉末不加热到高温，所以没有发生氧化、分解或者原料的其它退化。其它的潜在优点包括形成压缩的残余表面应力和保持原料的微观结构。并且，因为使用相对低的温度，所以基材的热变形最小。因为原料没有熔融，所以冷喷涂能够沉积那些由于在冷却时或者在随后的热处理期间形成脆性金属间化物或倾向于产生裂缝而不能通过常规喷涂的材料。
另一优点是通过冷喷涂有可能在叶片/叶轮表面进行喷涂，并且该涂层不会堵塞(bridge)该表面中的冷却孔。能够在修理/更换操作中施加涂层并且不必返回和清除孔，或者至少大大地减少了进行这样操作所需要的劳动力就是优于现行操作的最大优点。
权利要求
1.一种用于向部件施加涂层的方法，包括步骤提供具有至少一个待涂表面的部件；和使用非氧化性载气在所述至少一种表面上沉积至少一个粉末涂料层，以便所述粉末涂料不熔融而发生塑性变形，并且在冲击所述至少一个表面时粘到所述至少一个表面上。
2.权利要求1的方法，其中所述提供部件的步骤包括提供用于发动机的具有翼型部分的部件，所述沉积步骤包括在所述翼型部分的至少一个表面上沉积所述至少一个层。
3.权利要求1的方法，其中所述沉积步骤包括提供颗粒形式的粉末涂料，其颗粒尺寸不大于10微米，并且沉积步骤包括将所述颗粒加速到825-1400m/s的速度。
4.权利要求3的方法，其中所述沉积步骤包括提供颗粒形式的粉末涂料，其颗粒尺寸为5.0-10微米，并且所述加速步骤包括将所述颗粒加速到850-1200m/s的速度。
5.权利要求3的方法，其中所述沉积步骤进一步包括使用选自氦、氮、其它惰性气体及其混合物的载气，以10-100克/分钟的进料速度将所述粉末涂料输送到喷涂喷嘴。
6.权利要求5的方法，其中所述输送步骤包括以10-50克/分钟的进料速度将所述金属粉末输送到喷涂喷嘴。
7.权利要求5的方法，其中所述载气是氦，所述输送步骤包括以0.001-50SCFM的流量将氦输送到所述喷嘴。
8.权利要求7的方法，其中所述输送步骤包括以8.0-15SCFM的流量将氦输送到所述喷嘴。
9.权利要求5的方法，其中所述载气包括氮，所述输送步骤包括以0.001-30SCFM的流量将氮输送到所述喷嘴。
10.权利要求9的方法，其中所述输送步骤包括以4.0-10SCFM的流量将氮输送到所述喷嘴。
11.权利要求5的方法，其中所述沉积步骤包括使用选自氦、氮、其它惰性气体及其混合物的主气体，在600-1200华氏度的主气体温度下，在200-500psi的喷涂压力下使所述粉末涂料颗粒通过所述喷嘴。
12.权利要求11的方法，其中所述通过步骤包括在700-1000华氏度的主气体温度下，在200-400psi的喷涂压力下使所述粉末涂料颗粒通过所述喷嘴。
13.权利要求11的方法，其中所述主气体温度为725-900华氏度，喷涂温度为275-375psi。
14.权利要求11的方法，其中所述主气体包括氦，所述通过步骤包括以0.001-50SCFM的流量将氦输送到所述喷嘴。
15.权利要求14的方法，其中所述输送氦的步骤包括以15-35SCFM的流量将氦输送到所述喷嘴。
16.权利要求11的方法，其中所述主气体包括氮，所述通过步骤包括以0.001-30SCFM的进料速度将氮输送到所述喷嘴。
17.权利要求16的方法，其中所述输送氮的步骤包括以4.0-8.0SCFM的进料速度将氮输送到所述喷嘴。
18.权利要求1的方法，其中所述沉积步骤包括在所述部件上形成粘合强度为10ksi或者更大的粘合层。
19.权利要求1的方法，其中所述沉积步骤包括在所述部件上沉积MCrAlY材料。
20.权利要求1的方法，其中所述沉积步骤包括在所述部件上沉积至少97％致密的涂层。
21.权利要求1的方法，其中所述提供部件的步骤包括提供燃烧室衬套，所述沉积步骤包括在所述燃烧室衬套的至少一个表面上沉积所述至少一个层。
22.权利要求1的方法，其中所述提供部件的步骤包括提供在其表面中具有许多冷却孔的发动机部件；所述沉积步骤包括沉积至少一个粉末涂料层而不使所述表面中的所述冷却孔被堵塞。
全文摘要
提供了一种用于向用于发动机的部件施加涂层的方法。该方法包括步骤提供带有至少一个待涂表面的部件，使用非氧化性载气在所述至少一个表面上沉积至少一个粉末涂料层，以便粉末涂料不熔融而发生塑性变形，并且在冲击所述至少一个表面时粘合到所述至少一个表面上。本发明的方法在向涡轮叶片或叶轮的翼型部分施加粘合层，或向燃烧室衬套施加粘合层方面特别有用。
文档编号C23C24/02GK1837406SQ20061006824
公开日2006年9月27日 申请日期2006年3月22日 优先权日2005年3月23日
发明者A·德比卡里, M·弗里林, J·D·海恩斯 申请人:联合工艺公司