用于金属基底的涂层的制作方法
【专利说明】
[0001] 巧关申请的香叉引用 本申请请求享有2013年3月13日提交的Mourer等人的题为"CoatingsforMetallic Substrates(用于金属基底的涂层）"的美国临时专利申请序列第61/ 779, 427号的优先 权；其公开内容在此通过引用并入。
技术领域
[0002] 本发明大体上设及用于例如燃气满轮发动机构件的金属基底的涂层。此类构件可 包括但不限于盘、密封件和其它转子构件、叶片和结构构件。更具体而言，本发明设及金属 涂层，其与盘合金粘附且相容，且给它们提供保护W免受氧化和热腐蚀。
【背景技术】
[0003] 燃气满轮发动机的满轮区段包含转子轴和一个或更多个满轮级，各个均具有由轴 安装或W其它方式承载的满轮盘（或转子），W及安装至盘的外周并从盘的外周沿径向延 伸的满轮叶片。满轮的相邻级由带有导叶的非旋转喷嘴组件分开，导叶引导燃烧气流穿过 满轮叶片。密封元件减小满轮区段的旋转和非旋转（静止）构件之间的泄漏，且将冷却空 气流导送至满轮叶片和导叶。
[0004] 满轮构件由超级合金材料形成，W在燃气满轮发动机的满轮区段内的升高溫度下 提供可接受的机械性能。具体而言，例如叶片和导叶的满轮翼型件构件常常由等轴的定向 凝固值巧或单晶（S讶超级合金形成。满轮盘和密封元件通常由多晶超级合金形成，其经 历小屯、控制的锻造、热处理和例如喷丸的表面处理，W实现期望的颗粒结构和机械性能。
[0005] 尽管已经实现了超级合金的高溫能力的显著发展，但诸如叶片和导叶的位于热气 流通路中的满轮构件易于由氧化和热腐蚀冲击破坏。因此，满轮构件通常由环境涂层单独 保护，或由用作连结涂层的环境涂层连同热障涂层（TBC)W形成TBC系统来保护。在满轮 叶片和导叶上广泛使用的环境涂层和TBC包括扩散侣化物涂层和合金，诸如MCrAlX上覆涂 层，其中M为铁、钻和/或儀，且X为锭、其它稀±元素和反应元素中的一种或更多种。扩散 侣化物和MCrAlX涂层的侣成分有助于且促进在满轮叶片和导叶的操作溫度下在其表面上 形成稳定且环保的氧化侣（Al2〇3)皮。
[0006] 在燃气满轮发动机的操作溫度继续升高时，满轮盘遭受较高溫度。结果，盘/轴和 其它转子构件的腐蚀已经变得成问题。满轮盘和其它满轮转子构件的腐蚀归因于W下：包 含金属硫酸盐或其它金属硫化物加还原剂的固体颗粒的沉积，沉积颗粒与盘合金在高溫下 形成由不透空气的烙化固体颗粒覆盖的还原的金属硫化物的反应，W及包括碱性硫酸盐、 亚硫酸盐、氯化物、碳酸盐、氧化物和其它腐蚀性盐沉积物的混合物的其它腐蚀剂。
[0007] 已经研究了各种腐蚀抑制涂层来防止满轮盘由于此类冲击的腐蚀。例如氧化铭 (化2〇3)或氧化侣（Al2〇3)的保护性氧化物的连续表面层需要提供燃气满轮发动机的热气体 通路内的良好防腐性。在Goebel等人的"（MechanismsfortheHotCorrosionofNickel -BaseAlloys(用于儀基合金的热腐蚀的机构）"（MetTrans, 4, 1973，261)报告的研 究显示了提高的铭水平，且作为副效应，提高了侣的水平，促进了带有提高的防腐性的氧化 皮的形成。R.L.Jones在"HotCorrosioninGasTurbines(燃气轮机中的热腐蚀）" 的（CorrosioninFossilFuelSystems,TheElectrochemicalSociety,Princeton, NJ(1983) 341-364)中提出了分别至少15重量百分比wt%)和小于5重量百分比的铭含量和 侣含量分别是优先形成保护性氧化铭皮所需的，W及至少5重量百分比的铭含量和侣含量 各自是优先形成NiCrAl[基]合金的保护性氧化侣皮所需的。
[0008] 尽管W上论述具体针对防腐性，但大体上理解的是，氧化性能也将随更连续的保 护性氧化皮而提高，保护性氧化皮例如是上文所述的氧化铭和/或氧化侣皮。例如，富铭汽 相沉积涂层已经长久用于保护易于氧化的合金，诸如可从SpecialMetalsCorp(特种金属 公司）获得的Inconel?90X系列（IN901、903、907、909)。
[0009] 腐蚀抑制涂层可许多方式应用于金属基底上。例如，包括侣化物、铭化物和氧 化物的腐蚀抑制涂层可通过有机金属化学汽相沉积（M0-CVD)、填料侣化物、铭化物或娃化 物、离子植入侣、金属氮化物和金属碳化物来沉积。运些途径的特定示例在共同转让的美国 专利号 6, 532, 657、6, 921，251、6, 926, 928、6, 933, 012 和 6, 964, 791 和共同转让的美国专利 申请公告号2005/0031794和2005/0255329中公开。设及腐蚀抑制涂层的涂漆层的一种途 径已经由此类油漆在发动机操作期间易于脱落而妨碍。此类脱落被认为由分层的油漆与其 保护的合金之间的显著热膨胀系数（CT巧失配引起，运导致了热瞬变发动机状态期间的高 界面应变。分层油漆的粘合可能由依赖油漆与合金之间的机械粘合而部分地限制，运可在 一定程度上通过在沉积油漆之前对待涂布的表面喷砂或其它表面改性手段来改善，W加强 本领域中公知的机械粘合。然而，脱落仍是许多应用或构件的特定区域中使用分层油漆的 障碍。
[0010] 除腐蚀之外，疲劳测试已显示出如果在延长时间周期内遭受较高操作溫度，则当 前的盘合金也易于总体氧化或局部晶界氧化。因此，较高满轮操作溫度下的延长操作还可 需要保护满轮盘免于氧化。
[0011] 腐蚀抑制涂层不一定有效作为氧化隔层或抑制物，特别是对于高溫下的延长暴 露。例如，尽管上文所述的M0-CVD侣化物和铭化物涂层和金属碳化物和氮化物涂层也可能 能够用作氧化的隔层，但运些腐蚀抑制涂层认作是具有可使它们不令人满意地用作满轮盘 和密封件上的保护性涂层的局限性，诸如有限的粘合、CTE失配、低容量处理、W及与常常用 于形成满轮盘和密封件的合金类型的化学相互作用。尽管侣化物涂层呈现出优异的粘合 性、抗腐蚀和氧化性，但它们可不利地影响盘的疲劳寿命。如果非期望的a铭相并未形成 或并未W大体积分数或在半连续区域中形成，则铭化物涂层还呈现出较大粘合和防腐性。 然而，形成最大的铭化物和侣化物涂层通常所需的处理溫度高于使其难W在锻造部分上使 用的许多满轮盘和密封件材料的老化溫度。氮化物和碳化物涂层大体上遭受侣化物和铭化 物隔层的上述相同局限性。作为备选，包括由M0-CVD施加的那些的氧化物涂层是优异的防 腐层，且并非不利于疲劳性能，但其与超级合金失配的热膨胀限制其粘合。
[0012] 因此，期望的是提供一种保护性涂层材料，其在机械和化学两者上适用于满轮盘 上，且高度抗氧化和腐蚀。此涂层材料还必须为抗脱落的，且在延长时间内在高操作溫度 下，具有可接受的CTE匹配和与盘合金的有限的机械性能相互作用。此外，此涂层材料将理 想地与通常形成满轮盘的多晶超级合金所需的典型处理或处理顺序相容。
【发明内容】
[0013] 本发明的方面和优点将在W下描述中部分地阐明，或可从描述中清楚，或可通过 实践本发明理解到。
[0014] 大体上提供了满轮构件，其包括超级合金基底和超级合金基底上的涂层。涂层大 体上限定满轮构件的外表面，其暴露于燃气轮机中的热气体流动通路。涂层大体上包括： 15wt% 到 45wt% 的钻；20wt% 到 40wt% 的铭；2wt% 到 15wt% 的侣；0.Iwt% 到Iwt% 的锭；W及 儀。在一个特定实施例中，涂层包括55wt%到75wt%的儀和钻的组合量。
[0015] 在某些实施例中，涂层可具有5ym至Ij100ym的厚度，优选10ym到大约90ym， 且更优选12iim到75ym。在特定实施例中，涂层的平均粒度可为0. 1微米到5微米，优选 0. 5微米到2. 5微米。
[0016] 涂层可包括钉扎剂的分布，其可位于限定在涂层中的颗粒之间的界面上。例如，钉 扎剂可包括陶瓷颗粒，诸如侣、铁、锭、给、错、铜的氧化物，或它们的混合物；铁、粗、妮、错、 给的碳化物，或它们的混合物；铁、粗、妮、给、错和锭的氮氧化物或它们的混合物；或它们 的组合。在一个实施例中，涂层可基本上由W下构成：30wt%到40wt%的钻；22wt%到25wt〇/〇 的铭；8wt%到12wt%的侣；0.Iwt%到Iwt%的锭；儀；W及分布的钉扎剂。
[0017] 在某些实施例中，涂层还可包括Owt%到lOwt%的鹤；Owt%到lOwt%的粗；Owt%到 0. 5wt%的给；Owt%到0. 5wt%的娃；铜、姉、错、儀、稀±金属中的至少一者；或它们的组合。 此外或作为备选，涂层还可包括：鹤、钢、粗、鍊、铁、妮、饥、销族金属，或它们的组合；其中 运些元素的总组合量为20wt%或更少。
[0018] 在一个特定实施例中，涂层基本上由W下构成：30wt%到40wt%的钻；22wt%到 25wt%的铭；8wt%到12wt%的侣；0.Iwt%到Iwt%的锭；W及儀。
[0019] 还大体上提供了燃气轮机，其包括例如上文所述的满轮构件，该构件定位在燃气 轮机的热气体通路内，使得涂层保护超级合金基底免受燃气轮机内的热气体。即是说，涂层 直接地暴露于燃气轮机的热气体，且向下覆的超级合金基底提供防腐性。
[0020] 本发明的运些及其它特征、方面和优点将参照W下描述和所附权利要求变得更好 理解。并入本说明书中且构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，且连同描 述用于阐释本发明的原理。
【附图说明】
[0021] 认作是本发明的主题在说明书的结束部分中具体地指出且清楚地要求权利保护。 然而，本发明可通过连同附图参照W下描述来更好理解，在附图中： 图1为根据本发明的实施例的示例性燃气满轮发动机的满轮区段的一部分的剖视图； 图2为根据本发明的实施例的用于燃气满轮发动机的类型的示例性满轮盘的透视图； 图3示意性地呈现了根据本发明的实施例的图1中的一个或更多个满轮构件的表面上 的抗腐蚀和氧化涂层的剖视图； 图4为显示1个循环之后的未涂布的Ren6?104样本的1300了下