扩散铝化物涂层的局部施工方法

专利名称：扩散铝化物涂层的局部施工方法
技术领域：
本发明涉及用于获得很少发生开裂等的高耐氧化性能的扩散铝化 物涂层的局部施工方法。
背景技术：
在喷气式发动机用的燃气涡轮或陆上发电用的燃气涡轮中，对于 暴露于高温腐蚀性气体中的叶片、羽片、护罩、燃烧器等金属部件(以 下称为高温金属部件)，为了提高其耐氧化性，通常在其表面上施以 耐腐蚀性涂层。
该耐腐蚀性涂层通过在富含特定元素(主要是铝)的氛围中将需 要涂层的部件保持在一定温度下而形成。
施有上述耐腐蚀性涂层的高温金属部件在燃气涡轮的运转中、或 部件的加工中有时会在涂层的一部分上产生碎裂等的损伤。当在高温 金属部件上产生这种部分的损伤时， 一直以来都进行"全面再次涂覆" 或"局部涂覆"。
"全面再次涂覆"是将未受损伤的涂层也完全除去，再次实施涂 覆的修补方法，虽然可靠性高，但具有花费成本的问题。因此，当损 伤部分很少时，进行仅修补损伤位置的"局部涂覆"。
作为该局部涂覆方法之一例，已经公开了专利文献l记载的方法。
该以往方法是将含有约55~57重量％铝的铁-铝合金胶带粘贴在需要
包覆的高温金属部件上，填充到惰性氧化铝粉末中，在惰性或还原性
氛围中加热至约1800~ 2000。F长时间保持的方法。
作为特别适于内部通路等的局部涂覆方法，公开了专利文献2、 3。 专利文献2的方法通过喷射等将水溶性浆料涂布在内部通路等中
使其干燥，除去水溶性溶剂，在非氧化氛围中、13S0。F ~ 2250°F下加
热4~24小时，使铝扩散。特别是，其特征在于水溶性浆料含有铝源、
惰性陶瓷粒子、卣素活化剂、水溶性分散剂。
专利文献3的方法是涂布涂覆浆料，使其干燥后除去水分，进行
加热使铝在表面上扩散，其特征在于，涂覆浆料中含有包括水和非有
机性凝胶形成剂的载体成分、铝源和氧化物分散剂。
专利文献1:日本特开2003-41360号公报、"在涡轮机部件的选 择区域上施以扩散铝化物被膜的方法，，
专利文献2:美国专利第5，366，765号公报、"AQUEOUS SLURRY COATING SYSTEM FOR ALUMINIDE COATINGS"
专利文献3:美国专利第6,497,920号公报、"PROCESS FOR APPLYING AN ALUMINIDE CONTAINING COATING USING AN INORGANIC SLURRY MIX"
作为局部涂覆方法，随着燃气涡轮的高温化，强烈需求耐氧化性 能高于以往、扩散时的附着层形成在母材的外侧、母材的减薄很少能 够进行反复修补的外部扩散型涂覆。
但是，专利文献1的以往局部涂覆方法具有以下问题容易在表 面附近形成铝浓度很高、呈现蓝色的蓝色区域，在普通的耐氧化试验 (空气中112in、 23小时)或者部件使用中，多在表面附近发生开裂 等，品质不稳定。
在专利文献2、 3的方法中，由于必须在浆料中混合惰性陶瓷粒子、 水溶性分散剂、非有机性凝胶形成剂、氧化物分散剂等的本质上不需 要的添加物，因此成本变高。
本发明是为了解决该问题而完成的。即，本发明的目的在于提供 能够容易地在高温金属部件的一部分上施以品质稳定的涂层，该涂层 以正确的铝含有率使用一定的材料作为铝源、不使用惰性陶瓷粒子或 氧化物分散剂等多余的添加物，由此，获得在耐氧化试验或部件使用 中少有开裂等发生的高耐氧化性能的扩散铝化物涂层的局部施工方 法。

发明内容
通过本发明，可以提供扩散铝化物涂层的局部施工方法，其为将 扩散铝化物涂层局部施工在暴露于高温腐蚀性气体中的金属部件的一 部分上的方法，其特征在于具有以下步骤使涂覆的金属部件的一部 分(已经存在的涂层的损伤部)母材露出，使其表面达到所需表面粗 糙度的准备部件步骤；准备包含含铝的金属间化合物的粉末、卤素活 化剂和水溶性有机粘合剂的涂覆浆料的准备浆料步骤；将上述涂覆浆
料涂布在金属部件的一部分上进行干燥的涂布干燥步骤；将上述金属 部件填装在填充有氧化铝粉末的耐热容器内的填装步骤；在惰性氛围 或还原氛围中将上述耐热容器保持在高温下使铝在金属部件的一部分 上扩散的扩散处理步骤；从上述耐热容器中取出金属部件将表面的渣 滓除去的清扫步骤。
通过本发明的优选实施方式，作为上述金属间化合物使用铝的理 论比例为重量比62.8%、杂质为0.5%以下的TiAl3或aTiAl3。
优选的是，作为上述卤素活化剂，使用A1F3，以93 ~ 97:3 ~ 7的 重量比混合涂覆源和活化剂，使用水溶性有机粘合剂制作浆料。
在上述涂布干燥步骤中，反复交替进行涂布和干燥，直至涂布厚 度达到0.5mm以上。
上述金属部件为燃气涡轮的叶片、羽片、护罩或燃烧器。
在上述扩散处理步骤中，在1900 ~ 2000°F (约1038 ~ 1094TC )下 保持约2~9小时.
通过上述本发明的方法，由于使用含有铝的金属间化合物(优选 TiAl3或aTiAl3)的粉末准备涂覆浆料，因此可以容易地施工铝含有率 正确且固定(理论比例为重量比62.8°/ )、品质稳定的涂层。
通过本发明的实施例，可以不使用惰性陶瓷粒子和氧化物分散剂 等本质上不需要的添加物，容易地将品质稳定的涂层施工在高温金属 部件的一部分上，由此耐氧化试验导致的开裂等少有发生，可以获得 很高的耐氧化性能。
而且，所得的涂层为外部扩散型，可以将壁薄的叶片或羽片的母 材减少量控制在最小限度，可以反复实施修补。


图1为本发明中使用的铝源的说明图。
图2为本发明施工方法的流程图。
图3A、 B、 C为图2施工工序的说明图。
图4A、 B为显示本发明实施例的剖面组织照片。
图5A、 B、 C、 D为显示本发明其他实施例的剖面组织照片。
具体实施例方式
以下参照

本发明的优选实施方式。需要说明的是，各图 中共通的部分带有同一符号，省略重复的说明。
图1为本发明中使用的铝源的说明图。该图显示含有铝(Al)和 钛(Ti)2元素的合金和金属间化合物。该图中，横轴为铝的重量比例、 纵轴为温度，图中的各符号表示合金或金属间化合物。
合金(Alloy)是指纯金属熔合而成的金属结合体，原子排列不规 则。 一般来说Ti-Al合金时，是指在钛中熔有一定比例铝的合金，铝的
含有率以重量比表示。
另 一方面，金属间4匕合物(Intermetallic Compound)是金属原子
以一定比例共价结合，其原子排列规则而成的。其结合比一定， 一般 如TiAl3那样用原子数比表示。因此，铝的含有率固定，为TiAls时， 重量比为62.8%。
图2为本发明施工方法的流程图，图3为图2施工工序的说明图。 如图2所示，本发明的方法为在暴露于高温腐蚀性气体的金属部 件1的一部分(已经存在的涂层的损伤部)上局部施工扩散铝化物涂 层的方法，含有准备部件步骤10、准备浆料步骤12、涂布干燥步骤14、 填装步骤16、扩散处理步骤18和清扫步骤20。各步骤按照图2所示的
顺序，根据需要反复实施。
涂覆的金属部件1例如为燃气涡轮的叶片、羽片、护罩、燃烧器
等高温金属部件，但本发明并不局限于这些，通常可以适用于暴露于
高温腐蚀性气体的高温金属部件。
在准备部件步骤10中，使涂覆的金属部件1的一部分(已经存在
的涂层的损伤部)的母材暴露，使其表面达到易于进行涂覆的所需表
面粗糙度。该步骤含有例如掺混、脱脂洗涤、喷射的3个工序。
在掺混步骤中，如图3A和图3B所示，掺混涂层损伤部。即，当
在涡轮叶片、羽片等金属部件l的涂层上产生工作中的涂层缺损等时，
仅掺混如斜线部的损伤部2，将涂层完全地除去。
在脱脂洗涤工序中，对掺混的母材表面的油脂进行脱脂洗涤。 喷射工序中，使表面变得粗糙使得浆料易于密合。 在准备浆料步骤12中，准备含有含铝的金属间化合物3的粉末、
卣素活化剂和水溶性有机粘合剂的涂覆浆料4。作为金属间化合物3，
优选^:用铝的理论比例为62.8%、杂质为0.5%以下的TiAl3或aTiAls。
作为卣素活化剂，使用A1F3，以93~97:3~7 (优选95:5)的重量比混 合涂覆源和活化剂，使用水溶性有机粘合剂制作浆料。
需要说明的是，准备部件步骤10和准备浆料步骤12不必按顺序
进行，可以并列进行，也可以反着进行。
涂布干燥步骤14中，将涂覆浆料4涂布在金属部件1的一部分上 进行干燥。在该步骤中， 一边交替进行涂布和干燥，使每层干燥，同 时反复进行涂布，直至涂布厚度达到0.5mm以上。需要说明的是，涂
布厚度可以根据需要改变。
填装步骤16中，将金属部件1填装到填充有氧化铝粉末5的耐热
容器6内。即，如图3C所示，在耐热容器6(盒)中放入氧化铝粉末 5达到耐热容器的一半左右(Sl )、均等地排列金属部件l(制品)(S2 )、 填充氧化铝(S3)、盖上盖子。耐热容器6 (盒)含有在扩散处理步骤 18中不会严重变形或变质的耐热材料.
在扩散处理步骤18中，在惰性氛围或还原氛围中将耐热容器6保 持在高温下使铝在金属部件的一部分上扩散。在该扩散处理步骤18 中，在1900 ~ 2000。F (约1038 ~ 1094")保持约2 ~ 9小时(优选4 小时)。惰性氛围或还原氛围可以通过将耐热容器6放在惰性气体 (He、 Ar等)或还原气体(例如氢气)中而得到。需要说明的是，还 可以根据需要在耐热容器6中直接导入惰性气体或还原气体。
在清扫步骤20中，从耐热容器6中取出金属部件1，除去表面的 渣滓。该步骤含有拆装(unpack)和喷射的2个工序。
拆装工序中，将扩散处理完的制品(金属制品l)从氧化铝粉末中 取出。在喷射工序中，为了除去产生在涂层表面上的渣滓，实施喷射.
实施例1
为了形成外部扩散型、耐氧化性优异的涂层，选择以下物质作为 涂覆源、活化剂。
涂覆源TiAb粉末 活化剂卣化物(A1F3)
作为金属间化合物，使用铝的理论比例为重量比62.8%、杂质为 0.5%以下的TiAl3。以95:5的重量比混合该涂覆源和活化剂，使用水 溶性粘合剂制作浆料。
将如此制作的浆料涂布在损伤位置上，进行干燥后，填充到氧化
铝粉末中，在惰性气体或氲氛围中、1038 1094TC下保持4小时。 其他工序如上所述。
图4A和图4B为显示本发明实施例的剖面组织照片。在该图中， 图4A为通过上述本发明获得的涂层的剖面组织照片、图4B为耐氧化 试验后的同样的剖面组织照片。耐氧化试验是在通常的试验条件(空 气中1121 TC、 23小时)下实施。
图4A为在表面上施以了 Ni电镀的状态。由该照片可知，在母材 的表面附近形成约30nm厚的扩散层，在其外侧形成约40^im厚的附着 层。因此，通过本发明的方法获得的涂层为外部扩散型，可以将壁厚 很薄的叶片或羽片的母材减少量抑制在最小，可以反复实施修补。
由图4B的耐氧化试验后的剖面组织照片可确认，扩散层和附着层 在试验后变厚，但任何层都没有开裂等的缺损，具有极为良好的耐氧 化性。
实施例2
图5A、 B、 C、 D是显示本发明其他实施例的剖面组织照片。该图 中，图5A是通过上述本发明方法获得的其他涂层的剖面组织照片、图 5B为其耐氧化试验后的剖面组织照片.图5C是通过上述以往方法获 得的涂层的剖面组织照片、图5D为其耐氧化试验后的剖面组织照片， 耐氧化试验均在普通的试验条件下(空气中1121TC、 23小时)实施。
如果仅考虑耐氧化性，优选铝浓度高，但如果铝浓度过高，则成 为非常脆的涂层，因此会产生缺损或开裂，反而成为易于氧化的涂层。 因此，需要平衡的铝浓度。 一般来说，在组织照片中可见附着层中铝 浓度为27%以上的区域呈现蓝色，因此称为蓝色区域，作为判断铝浓 度的标准。
图5C是以往的试验前剖面组织照片，可清楚地看到上述蓝色区 域，另外由于占据了附着层的大部分，因此可知铝浓度很高、易于产 生涂层的缺损。
与此相对，在本发明的图5A中，蓝色区域很少，仅呈现在附着层 的表面部分上。其浓度比图5C稀，铝浓度低，为更为稳定的涂层。
在图5D的以往试验后剖面组织照片中，在附着层上有多处呈现黑 色的开裂。与此相对的本发明图5B中，完全没有呈现黑色的开裂，可
知具有充分的耐氧化性。
如上所述，通过本发明的方法形成了约50-60pm厚的涂层，该涂 层的耐氧化性优异。另外，由于是外部扩散型，因此可以将壁厚很薄 的叶片或羽片的母材减少量抑制在最小，易于反复实施修补。
需要说明的是，本发明不局限于上述实施例和实施方式，当然可 以在不脱离本发明主旨的范围内进行各种变更。
权利要求
1.一种扩散铝化物涂层的局部施工方法，其为将扩散铝化物涂层局部施工在暴露于高温腐蚀性气体中的金属部件的一部分上的方法，其特征在于具有以下步骤使涂覆的金属部件的一部分、即已经存在的涂层的损伤部的母材露出，使其表面达到所需的表面粗糙度的准备部件步骤，准备包含含铝的金属间化合物的粉末、卤素活化剂和水溶性有机粘合剂的涂覆浆料的准备浆料步骤，将上述涂覆浆料涂布在金属部件的一部分上进行干燥的涂布干燥步骤，将上述金属部件填装在填充有氧化铝粉沫的耐热容器内的填装步骤，在惰性氛围或还原氛围中将上述耐热容器保持在高温下使铝在金属部件的一部分上扩散的扩散处理步骤，和从上述耐热容器中取出金属部件将表面的渣滓除去的清扫步骤。
2. 权利要求l的扩散铝化物涂层的局部施工方法，其特征在于， 作为所述金属间化合物，使用铝的理论比例为重量比62.8%、杂质为 0.5。/o以下的TiAl3或aTiAls。
3. 权利要求2的扩散铝化物涂层的局部施工方法，其特征在于， 作为所述囟素活化剂，使用A1F3，以93~97:3~7的重量比混合涂覆 源和活化剂，使用水溶性有机粘合剂制作浆料。
4. 权利要求l的扩散铝化物涂层的局部施工方法，其特征在于， 在所述涂布干燥步骤中，反复交替进行涂布和干燥，直至涂布厚度达 到0.5mm以上。
5. 权利要求1的扩散铝化物涂层的局部施工方法，其特征在于，在所述扩散处理步骤中，在i卯o-:2000。f、即约1(ws-iomtc下保持约2~9小时。
6. 权利要求l的扩散铝化物涂层的局部施工方法，其特征在于， 所述金属部件为燃气涡轮的叶片、羽片、护罩或燃烧器。
全文摘要
本发明提供扩散铝化物涂层的局部施工方法，其具有以下步骤使涂覆的金属部件1的一部分母材露出，使其表面达到所需表面粗糙度的准备部件步骤10；准备含有含铝的金属间化合物3的粉末、卤素活化剂和水溶性有机粘合剂的涂覆浆料的准备浆料步骤12；将涂覆浆料涂布在金属部件的一部分上进行干燥的涂布干燥步骤14；将金属部件填装在填充有氧化铝粉沫的耐热容器内的填装步骤16；在惰性氛围或还原氛围中将耐热容器保持在高温下使铝在金属部件的一部分上扩散的扩散处理步骤18；从耐热容器中取出金属部件将表面的渣滓除去的清扫步骤20。
文档编号C23C10/30GK101102867SQ20058004691
公开日2008年1月9日 申请日期2005年8月8日 优先权日2005年1月19日
发明者佐佐木亚纪子, 大井成人, 宗田茂和, 高桥秀夫 申请人:石川岛播磨重工业株式会社