专利名称：具有高温保护涂层系统的金属构件及其涂覆方法
技术领域：
本发明涉及具有高温保护涂层系统的金属构件及其涂覆方法。
美国专利No.3,873,347(Walker等)和美国专利No.3,874,901(Rairden)揭示了一种通过提供机体一种涂层系统来提高镍基或钴基超合金机体(body)，尤其是燃汽轮机构件的抗高温氧化和耐腐蚀性能的方法。该方法由下列步骤组成首先在机体上设置一层现称为MCrAlY合金的合金层；然后在其上涂覆一层铝化物；接着根据美国专利No.3,874,901，加热上述涂覆过的机体，使铝互扩散进入合金层。耐腐蚀和抗氧化能力的提高，主要是铝化物的贡献，这是由于铝化物增加了涂层系统中铝的含量。
美国专利No.s.4,055,705(Stecura等人)；4,321,310(Ulion等人)；和4,321,311(Strangman)揭示了一种可用于由镍基或钴基超合金制成的燃汽轮机构件的涂层系统。所述的涂层系统，是先在基层表面设置一粘合层，然后把绝热陶瓷片，尤其是具有柱状晶粒结构的陶瓷层，放置在粘合层上，使绝热层粘结在基层上。粘合层由MCrAlY合金制成，即在基本组分中含有铬、铝和稀土金属如钇的合金，基本组分至少包括一种铁、钴和镍。下面这些元素，也可加入MCrAlY合金中。粘合层的一个重要性能，是在MCrAlY合金上形成，并用于把绝热层“锚接”住的氧化铝薄层。
美国专利No.5,238,752(Duderstadt等人)，揭示了一种用于燃汽轮机构件的涂层系统。该系统也包括陶瓷绝热层，和把绝热层和基层粘合在一起的粘合层。粘合层是由铝的金属互化物制成，尤其是镍铝化物或铂铝化物。粘合层也是一个氧化铝层，用来粘合绝热层。
美国专利No.5,262,245(Ulion等人)揭示了不用粘合层，而简化含有绝热层的涂层系统用于燃汽轮机构件的实验结果。为此，揭示了一种超合金组合物，它可以制成燃汽轮机构件的基层，并且经过一定的处理之后，在其外表面形成氧化铝层。这种氧化铝层，用于把它上面的陶瓷绝热层，粘连在一起。不必在基层和绝热层之间专门设置粘合层。
美国专利5,087,477(Giggins等人)，报导了一种用物理气相沉积技术，在燃汽轮机构件上设置陶瓷绝热层的方法。该方法包括用电子束使生成绝热层的化合物挥发，并且在构件上形成其中氧的含量是可以控制的一种气氛以接受绝热层。
美国专利Nos.5,154,885；5,268,238；5,273,712；和5,401,307(Czech等人)揭示了一种用于燃汽轮机构件的先进涂层系统。该构件包括MCrAlY合金保护涂层。所公开的MCrAlY合金，具有精细均衡的组成，它能提供极好的耐腐蚀性和抗氧化能力，并且对于用作基层的超合金，有着非常好的相容性。MCrAlY合金的主要成分是镍和/或钴。可加入另外一些元素，尤其是硅和铼，这在专利中也做了讨论。尤其是铼，表明是非常好的添加剂。所示的全部MCrAlY合金，都非常适合用作绝热层的粘合层，尤其是在下文中所述的发明的情况下。
燃汽轮机的构件，如叶片，叶轮和热屏蔽元件，包括以金属如镍基或钴基超合金制成的机体。它们的暴露部分，通常涂覆包括保护性涂层的涂层系统，以防止由于高温下的氧化作用和硫化作用而引起的腐蚀。如上述现有技术文献中所述的那样，设置在机体外表面的涂层系统，包括由MCrAlY合金构成的合金层和一个位于其合金层上的陶瓷绝热层。
在运转过程中，保持强烈负荷作用的燃汽轮机构件内部，通常都有导入冷流体的内部通道。通道一般在其构件操作时的固定部位有一级开口，而在操作中暴露在沿构件流出的气流中的有效部位配置有许多二级开口。冷流体，最终在构件的有效部位表面，形成一个冷膜，防止构件与燃气直接接触，之后冷流体通过二级开口与气流混合。
燃汽轮机构件机体内部通道，有可能经受腐蚀或氧化浸蚀，这是由于机体内通道所限定的内表面的温度，仍有可能是相当高的。因此，加快了在流经通道的流体组分和机体材料之间的化学反应。从实用的观点来说，即使流体是空气或者空气和蒸汽的混合物，那么空气中的杂质，如海洋环境中的盐或者乡村环境中的氨和/或硫化合物，都会产生腐蚀。作为一种防腐措施，在燃汽轮机构件内通道的内表面，通常都设置一层铝化物。
制造燃汽轮机构件时，构件的外表面设置合金层和陶瓷层，内表面设置铝化物层，操作必须小心，以防止内外表面涂层系统的组分之间，发生有害的相互作用。尤其严重的是在构件内表面，通过气相镀铝形成的铝化物，也会沉积在构件的外表面上。一般的做法是先把合金层设置在外表面，在内表面镀铝之前，仍保留其原有的粗糙表面。然后在内表面进行镀铝，合金层也不可避免地被镀上铝。接着，在镀有铝的合金层表面，进行研磨或抛光，以达到所要求的表面粗糙度。这种处理方法，去掉了合金表面的大部分的铝化物层，但绝不是全部。这样，陶瓷层就被放置在一个化学成分不确定的表面，从而所得到的陶瓷层的强度是值得怀疑的。从合金层表面，完全去除铝化物，需要更复杂的工序，必将加大制造成本。
作为上述涂覆工艺的一种替代方法，有人设想，在燃气轮机构件的外表面设置合金层之前，在构件的内外表面均先设置一铝化物层。然而，在这种情况下，由于大量存在的铝的扩散作用，在构件机体内形成了一个富铝的脆性相。脆性相使机体脆化，使其使用性能受到怀疑。
因此，本发明的目的是提供一种具有高温防护性涂层系统的金属构件，以及涂覆该构件的方法。该方法克服了上述一般类型的设备和方法的不足，而且也能满足对已有涂层系统进行改进的需求。这种方法使涂层系统及其预定功能，对铝化物层具有较低敏感性。如果任何时间仅在铝化物层和涂层系统之间存在相互作用的话，那么本专利的方法可以不受这些铝化物层的应用和位置的限制更加适合于和铝化物层一起使用。
按照本发明，为了达到上述的及其它的目标，提供了一种在金属制件机体的外表面进行涂覆的方法，该方法包括下面这些步骤在机体的外表面设置一个合金层；对合金层进行抛光；在合金层上面附加一厚度非常均匀的铝化物层；在铝化物层上再附加一个陶瓷层。
根据本发明的另外的方式，设置合金层的步骤包括仅在外表面设置合金层；设置铝化物层的工序，也包括在机体内形成的通道所限定内表面设置铝化物层。
根据本发明的附加模式，设置铝化物层的工序包括在内表面形成一个铝化物层，其厚度高达50μm；在合金层上形成一个铝化物层，厚度高达10μm。
根据本发明的另外一种模式，在放置工序中，对铝化物层进行抛光。铝化物层可通过气相镀铝工序，进行设置。
根据本发明更进一步的模式，该方法包括在设置陶瓷层之前，对合金层上的铝化物层抛光的工序。
根据本发明的伴随模式，对合金层进行抛光的工序，包括提供一个表面粗糙度Ra小于2μm的合金层。Ra是表面的不平(整)度的量度，是用标准方法测定的。特别是Ra按如下进行测定在一个待测表面上，先划定一条长度适当的参考线。沿着参考线，用最小二乘拟合法确定表面的光滑剖面图。Ra是实际表面与沿参考线的光滑表面偏差的绝对值，经过算术平均计算出来的。参考线必须足够长，以消除统计性涨落对Ra值的影响，而且参考线又必须足够短，以保留它作为整个表面代表的含义。
按照本发明，为了达到上述的及其它目标，提供一种制件，该制件包括具有外表面的金属基层和在外表面上的涂覆系统，该涂覆系统包括在外表面上设置的合金层，合金层背对外表面具有抛光的表面；覆盖在合金层之上的铝化物层，并且铝化物层厚度均匀；和在铝化物层上，设置的陶瓷层。
铝化物层的优选厚度小于10μm。与铝化物层毗邻的合金层的表面粗糙度，优选值小于2μm。
根据本发明的另外一个特性，合金层是由MCrAlY合金形成并且金属基层是镍基或钴基超合金。根据本发明的另外一个附加特性，铝化物层基本上由铝、镍铝化物和铂铝化物等化合物组成。
根据本发明的附加特性，机体内部形成通道，从而限定了机体的内表面，内表面上有铝化物层，优选内表面上铝化物层的厚度小于50μm。铝化物层是由铝、镍铝化物或铂铝化物形成的。
根据本发明的更进一步的特性，机体和涂层系统共同组成了一个燃汽轮机的构件。燃汽轮机构件可以是翼片的形状，其包括在燃汽轮机运转时，暴露在沿制品流出的气流中翼片部分，翼片部分覆盖有涂层系统。
根据本发明的伴随特性，在机体内部有一条通道，一直延伸到翼片部分，并限定了机体内表面，其内表面上有一层铝化物层。
本发明的其他特性，将在附加的权利要求书中陈述。
虽然本发明以具体实施方案，对具有高温保护性涂层的金属构件及其涂覆方法方面做了详细的说明；然而并不限于所表述的内容，因为在不脱离本发明的精神范围内，各种改进和结构的变化都是可能出现的，而且都落于与本发明的权利要求相当的范围之内。
然而，本发明的结构和附加的目的及其优点，从下面专门的实施方案的说明及附图中，会得到最透彻的理解。
图1是本发明中使用的涂层系统的横截面图的一部分。图2是燃汽轮发动机翼片构件的剖面图，它包括基层和如图1所示的保护性涂层系统。
现在参阅附图。首先，尤其参考图1，从图1中可见，在基层之上有一个保护性涂层系统，该系统包括合金层、铝化物层以及它上面的陶瓷层，以及在通道的内表面上的一层铝化物层。
基层1是制件的主体，尤其是燃汽轮机构件，在运转时，它经受着强烈热载荷的作用，同时也经受腐蚀的侵害。构成基层1的材料，当经受强热载荷和附加力的机械载荷例如离心力时，需要具备强度和结构的稳定性。镍基或钴基超合金，是广泛地得到承认，并获得应用的制做燃汽轮机的材料。为了限制作用到基层1上的热载荷，上面设置了一个涂层系统。这个涂层系统保护基体1，使其不受腐蚀，其中包括由于氧化作用而导致的侵蚀。这个涂层系统包括合金层2，置于合金层上的铝化物3和置于铝化物层3之上的陶瓷层4，合金层2由MCrAlY合金组成，最好是如同上述的Czech等人在美国专利Nos.5,154,885，5,268,238；5,273,712和5,401,307所述的那种MCrAlY合金。这些专利引入作为参考。陶瓷层4是由柱状晶粒陶瓷制成的，尤其是基本上由稳定化的或者部分稳定化的二氧化锆组成。
在基层1内有一个通道5，燃汽轮机运转时冷流体从中流过，使基层1冷却。通道与内壁6相毗邻，在内壁6上设置一铝化物层7。
2、3、4和7层的设置，是按照特定的程序来完成的，以避免2、3、4和7及其组成之间，发生有害的相互作用。尤其重要的是铝化物层3和7。内壁6上的铝化物层7，是专门用来保护内壁6的，使其不被腐蚀。通道5外面的铝化物层3，对于涂层系统的功能来说，可能是不必要的。然而，它是内壁6上涂覆铝化物层7的过程中，不可避免的副产物。
为了把铝化物层3组合进功能性涂层系统中，并且避免由于它的存在而产生的任何不利情况，铝化物层3被放置在已放置且抛光过的合金层2和随后待放置的陶瓷层4之间。合金层2的抛光面是合金层和铝化物层3之间的光滑界面。铝化物层表面可以抛光或进行表面处理，根据需要来确定。铝化物层3的厚度最好是控制在10μm以下，有利的是放置后，对其表面进行抛光。为此，也优选在设置铝化物层3之前，对合金层2进行抛光，使其表面粗糙度小于2μm。
内表面上的铝化物层7的厚度，可以进行调节，使其与该层的功能特性相适应。铝化物层7的优选厚度小于50μm。
铝化物层3和7的材料选择并不特别严格，最好是铝、镍铝化物和铂铝化物。铝化物层3和7，用气相镀铝可以很方便地进行涂覆。这项技术是已知，并且在现有技术中经常被使用的。但是这种方法也会把铝化物溅射到并不需要涂覆的部位上去。否则，如这里所揭示的那样，需要采取专门的措施。涂覆合金层2，通常并不严格。一般是用等离子体喷涂法，这种方法与用于镀铝的汽相法相比，对于待涂布的位置 具有更强的选择性，一般不会有特殊问题。最好，涂覆合金层2需要专门的热处理，以便使合金层2均匀地固定在基层1上。
在合金层2和陶瓷层4之间设置铝化物层3有一个附带的好处，提供了能够向合金层2扩散的铝源，增加了合金层所需的保护性能，而且提供了一个界面，在适当的条件下，它会形成一个薄的氧化铝层，它是固定陶瓷层的最佳方式。然而为了避免由于铝含量太高而出现的合金层2脆化问题，铝化物层3的厚度不应太厚，通常铝化物层的厚度在10μm的范围以内，就被认为是有效的。
图2示出了整个的燃汽轮机的构件，即叶片8。这个构件8有一个翼型部分9(该部分9是燃气轮机运转时的“有效部件”，经受着沿其流动的气流的冲击)，固定部件10(燃汽轮机运转过程中，构件6原位固定在其上)，密封部分11(它的作用是防止气流脱离预先设定的流径)。图1是从I-I位置得到的剖视图。
为了使燃汽轮机叶片8冷却，叶片内部有一个通道5，冷流体从中通过，如图1所示。冷流体通常是在固定部位10处进料，如箭头2所示。冷流体通过小孔13离开燃汽轮机叶片8，汇入沿着翼型部分9流动的气流中。
如上所述，在把涂层系统涂覆在燃汽轮机叶片8上的过程中，需要特别关注小孔13，在涂覆涂层2、3、4和7时防止被材料堵塞。涂覆合金层2和陶瓷层4，通常是非常严格的。因此，在涂覆完涂层2、3、4或7之后，最好是检查一下孔口13是否被堵。小孔13是在涂层2、3、4和7至少一些已经涂覆完成之后，再进行钻孔。小孔13优选是在合金层2已经涂覆，但尚未抛光时，用激光铣削(Laser milling)或用电化加工(ECM)制成。
在涂覆铝化物层3和7之后，如果需要的话，可以插入节流片并固定在通道5内。最终的热处理，尤其是用于陶瓷层4的抛光过程中，是有利的一道工序。
权利要求
1.涂覆金属制件机体的外表面的方法，该方法包括下列工序在机体的外表面设置一个合金层，并对合金层进行抛光；在合金层上面，设置一个厚度均匀的铝化物层；以及在铝化物层上面设置一个陶瓷层。
2.根据权利要求1的方法，机体内至少有一个通道，该通道限定了机体的内表面；设置合金层的工序，包括只在外表面设置合金层；设置铝化物层的工序，包括同时在内表面设置铝化物层。
3.根据权利要求2的方法，其中设置铝化物的工序包括在内表面构成一个铝化物层，其厚度高达50μm；在合金层上构成一个铝化物层，其厚度高达10μm。
4.根据权利要求3的方法，其中设置铝化物层的工序包括对合金层上的铝化物层进行抛光。
5.根据权利要求1-4之一的方法，其中设置铝化物层的工序包括气相镀铝。
6.根据权利要求1的方法，其中设置铝化物层的工序包括气相镀铝。
7.根据上述权利要求之一的方法，其包括在设置陶瓷层之前，对位于合金层上的铝化物进行抛光。
8.根据上述权利要求之一的方法，其中对合金进行抛光的工艺，包括提供一个表面粗糙度Ra小于2μm的合金层。
9.一个制品，包括限定具有外表面的机体的金属基层，和在所说外表面上的涂层系统；上述的涂层系统包括在所述的外表面设置的合金层，该合金层背对所述外表面具有一个抛光面；在上述合金层上设置的厚度基本均匀的铝化物层，以及在铝化物层上设置的陶瓷层。
10.根据权利要求9的制品，其中所述的铝化物层厚度小于10μm。
11.根据权利要求9或10的制品，其中与所述铝化物层相毗邻的合金层，表面粗糙度小于2μm。
12.根据权利要求9-11之一的制品，其中上述的合金层，由MCrAlY合金形成。
13.根据权利要求9-12之一的制品，其中所述的金属基层是镍基或钴基超合金。
14.根据权利要求9-13之一的制品，其中所述的铝化物层基本上由选自铝、镍铝化物和铂铝化物的化合物组成。
15.根据权利要求9-14之一的制品，其中上述机体内有通道，该通道限定了该机体的内表面；该内表面上，设置了一铝化物层。
16.根据权利要求15的制品，其中在内表面上的铝化物层的厚度小于50μm。
17.根据权利要求15或16的制品，其中在该外表面的铝化物层和位于该内表面的铝化物层，基本上由选自铝、镍铝化物和铂铝化物的化合物组成。
18.根据权利要求9-17之一的制品，其中所述的机体和涂层系统组成了燃汽轮机的构件。
19.根据权利要求18的制品，其中的燃汽轮机构件，是一个翼型件，该构件包括了在燃汽轮机运转过程中，暴露沿制品流动的气流中的翼型部分；该翼型部分涂覆了上述的涂层系统。
20.根据权利要求19的制品，其中该机体的内部形成有通道，该通道一在延伸到翼型部分并划定了该主机体的内表面，该内表面上有一层铝化物。
全文摘要
一个金属基层,在它的外表面涂覆了一种保护性涂层系统。该涂层系统,包括在外表面上的合金层。合金层在远离外表面的部分,具有抛光表面。一种厚度均匀的铝化物层,设置在合金层表面。在铝化物层上面设置的陶瓷层,构成了一个绝热层。涂层的工艺过程,包括在机体外表面设置合金层;对合金层抛光;在合金层表面,设置一个厚度均匀的铝化物层,再在铝化物上设置一个陶瓷层。
文档编号C23C28/00GK1189195SQ96195014
公开日1998年7月29日 申请日期1996年4月15日 优先权日1996年4月15日
发明者沃尔夫拉姆·比利 申请人:西门子公司