用于超級合金基底的熱防護和腐蝕防護的多層覆蓋系統的制作方法
【專利摘要】本文公開了一種高表面光潔度、熱穩定、多層的基于漿料的覆蓋系統，該覆蓋系統適用于苛刻熱環境。本文中公開的實施方式包括：由包含填充有陶瓷顏料的磷酸鹽基粘結劑的漿料所形成的底涂層、由包含填充有金屬氧化物顏料或陶瓷氧化物顏料的磷酸鹽基粘結劑的漿料所形成的第二層、和由基本上無顏料的磷酸鹽基粘結劑所形成的任選的密封涂層。
【專利說明】用于超級合金基底的熱防護和腐蝕防護的多層覆蓋系統
[0001]
發明領域
[0002]本發明涉及一種適合使用在渦輪發動機部件上的、熱穩定的防腐蝕性多層覆蓋系統，更具體地涉及一種平滑的熱穩定的防腐蝕性多層覆蓋系統以及用于制造所述覆蓋系統的方法；所述覆蓋系統包括通過施涂包含分散于磷酸鹽基粘結劑中的金屬氧化物顆粒的漿料所形成的底涂層、通過施涂包含分散于磷酸鹽基粘結劑中的金屬氧化物顏料顆粒的漿料所形成的第二層、和通過施涂包含基本上無顏料的磷酸鹽基粘結劑的漿料所形成的任選的密封涂層。
[0003]背景
渦輪發動機部件的表面暴露于來自渦輪燃燒過程的熱氣體中。渦輪發動機的超級合金材料是基于它們的高溫穩定性和耐腐蝕性來進行選擇。眾所周知的超級合金，例如鎳基超級合金(諸如Inconel? 718、Inconel? 722和Udimet?720)對氧化和腐蝕損害顯示良好的耐受性。然而，即使這些材料在高溫苛刻條件下也會發生退化。在組件表面上的氧化和腐蝕反應可以導致金屬損耗和壁厚的損失。金屬的損失迅速地增加作用于各組件上的應力并且可以最終地導致部件故障。因此，將防護性覆蓋層施涂于這些組件上，以防止它們發生由氧化和腐蝕所導致的退化。
[0004]現已提出各種耐腐蝕層和多層覆蓋系統，它們被用于保護渦輪發動機部件，具體地壓縮機轉子葉片。對現有技術覆蓋系統的評估已顯示在其功能特性和外觀、以及若干可能的故障模式方面的一般缺陷。
[0005]例如，現有技術的市售多層覆蓋系統被設計用于較低的使用溫度并且提供最高1200 °F的有效保護。然而，如果現有技術覆蓋系統被用于這種先進發動機，它將會在較新發動機的升高的工作溫度下O約1300 °F )下易出現裂紋和脫層。圖1示出了暴露在1400 T (顯著地高于現有技術設計`的操作溫度)下達145小時后現有技術的覆蓋系統與Inconel? 718基底的脫層。
[0006]圖2示出了與現有技術多層覆蓋系統相關的其它問題。圖2中的現有技術的經涂覆的基底顯示“沙礫般的”涂層外觀(即可見的顆粒夾雜物)。可以在涂覆中間層之后觀察到這些顆粒夾雜物，而且往往在施涂密封涂層之后變得更加明顯。這些缺陷歸因于層施涂期間的外部污染(諸如空氣中的污染物)、表面不規則等。
[0007]與基于現有技術的覆蓋系統相關的其它類型的可能問題是在用現有技術覆蓋系統涂覆的一些部件上出現直徑為I mm至3 mm的斑點(即“白點”)。如從圖2中可見，“白點”看上去其顏色比經涂覆葉片的剩余部分淺得多，并且在圓點內部含有多余的或“起泡的”材料。這些“白點”似乎是在施涂密封涂層時形成。利用現有技術多層覆蓋系統涂覆的葉片也可顯示“畫框”效應，其中各層在葉片邊緣附近更厚，因此導致較弱的覆蓋層附著和可能的邊緣剝落。所有這些缺陷是密封的覆蓋表面的不規則，不僅降低葉片的氣動效率，而且也可能成為熱侵襲和腐蝕侵蝕的活性部位。[0008]鑒于上述問題和缺點，需要不斷地改善現有技術的基于漿料的多層覆蓋系統的表面光潔度特性以及熱性能和腐蝕性能。雖然現有技術的基于漿料的多層覆蓋系統滿足了當前發動機制造商的要求和技術規范，但需要加以改進以便用于更新、更先進的發動機。因此，期望提供一種改善現有技術覆蓋系統的表面光潔度特性并且具有改善的在正常環境和腐蝕性環境中的熱穩定性的的多層覆蓋系統。

【發明內容】
[0009]在一個方面，本發明的特征在于一種覆蓋系統，該覆蓋系統包括:(i)通過施涂包含分散于磷酸鹽基粘結劑中的金屬或金屬氧化物顏料顆粒的漿料所形成的底涂層，該底涂層具有在大約0.5至3.0密耳之間的厚度；和(ii)通過施涂包含分散于磷酸鹽基粘結劑中的金屬氧化物顏料顆粒優選地氧化鉻顏料顆粒的漿料所形成的第二層，其中金屬氧化物顏料顆粒由于窄的粒徑分布和優化的表面積因而具有增強的可分散性，該第二層具有在大約0.1至1.0密耳之間的厚度；與現有技術的基于漿料的多層覆蓋系統相比，本發明的多層覆蓋系統顯示改善的熱穩定性和腐蝕穩定性以及表面光潔度特性。
[0010]在另一方面，本發明的特征在于一種覆蓋系統，該覆蓋系統包括:(i)通過施涂包含分散于磷酸鹽基粘結劑中的氧化鋁顏料顆粒的漿料所形成的底涂層，該底涂層具有在大約0.5至3.0密耳之間的厚度；(ii)通過施涂包含分散于磷酸鹽基粘結劑中的氧化鉻顏料顆粒的漿料所形成的第二層，其中氧化鉻顏料顆粒具有窄的粒徑分布并且中值粒徑(特征為粒徑分布的第50%)是在大約0.8至2.2微米之間并且顆粒的表面積為大于或等于大約4 m2/g，第二層具有在大約0.1至1.0密耳之間的厚度；并且其中該覆蓋系統中的底涂層和第二層的表面粗糙度為小于或等于大約30 μ in。與現有技術的基于漿料的多層覆蓋系統相比，本發明的多層覆蓋系統在腐蝕性和非腐蝕性環境中顯示改善的熱穩定性和表面光潔度特性。
[0011]在又一方面，本發明的特征在于一種用于涂覆金屬基底的方法或過程，該方法或過程包括以下步驟:(i)準備金屬基底的表面；(ii)將填充有陶瓷顏料的磷酸鹽基粘結劑的漿料施涂于金屬基底上以形成底涂層，該底涂層具有在大約0.5至3.0密耳之間的厚度；
(iii)使用底涂層涂覆的基底發生固化；(iv)制備包含分散于磷酸鹽基粘結劑中的氧化鉻顏料顆粒的漿料，其中氧化鉻顏料顆粒具有窄的粒徑分布并且中值粒徑(特征為粒徑分布的第50%)是在大約0.8至2.2微米之間且顆粒的表面積為大于或等于大約4 m2/g ; (v)將所述漿料施涂于底涂層上以形成第二層，該第二層具有在大約0.1至1.0密耳之間的厚度；和(vi)使用底涂層和第二層涂覆的基底發生固化。與現有技術的基于漿料的多層覆蓋系統相比，本發明的多層覆蓋系統顯示改善的表面光潔度特性和熱性能。
[0012]在再一方面，本發明的特征在于一種通過以下過程所制造的產品，其中該產品是通過包括以下步驟的過程而施涂的涂層:(i)將填充有氧化鋁顏料的磷酸鹽基粘結劑的漿料施涂于金屬基底上以形成底涂層，該底涂層具有在大約0.5至3.0密耳之間的厚度；(i i)制備填充有氧化鉻顏料的磷酸鹽基粘結劑的漿料，其中氧化鉻顏料顆粒具有如此的粒徑分布，其特征為第50%的粒徑分布具有在大約1.0至2.0微米之間的直徑并且第90%的粒徑分布具有不超過大約3.0微米的直徑；以及(iii)將填充有氧化鉻顏料的鉻酸鹽-磷酸鹽粘結劑的穩定漿料涂覆于底涂層上，以形成具有在大約0.1至1.0密耳之間厚度的第二層。與現有技術的基于漿料的多層覆蓋系統相比，本發明的多層覆蓋系統顯示改善的表面光潔度特性和熱性能。
[0013]附圖簡述
基于下面對本發明的更詳細說明并結合以下附圖，本發明的上述和其它的方面、特征和優點將變得顯而易見，其中:
圖1示出了用現有技術多層覆蓋系統進行涂覆的Inconel 718輪盤，其中在暴露于1400 °?達145小時之后觀察到涂層的剝落。
[0014]圖2示出了施涂于各種基底上的現有技術多層覆蓋系統在20X放大倍數下的光學顯微鏡圖像，顯示各種缺陷。
[0015]圖3示出了用二層覆蓋系統、本發明的涂覆系統進行涂覆的平板在20X放大倍數下的光學顯微鏡圖像；其中利用漿料B來制作第二層，該第二層始終比用現有技術的漿料A制作的平板更加平滑和光滑。
[0016]圖4示出了現有技術二層覆蓋系統在50X和1000X放大倍數下的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像以及能量彌散X射線譜(EDS)分析數據，該現有技術二層覆蓋系統具有從由粘結劑所構成的磷酸鹽基質中“突起”的尺寸過大的氧化鉻顏料顆粒。
[0017]圖5示出了具有尺寸過大的Cr2O3顆粒的“沙礫般”夾雜物的現有技術三層覆蓋系統的光學顯微鏡圖像(20X)和SEM圖像(1000X)以及EDS分析數據。
[0018]圖6示出了用本發明三層覆蓋系統(樣品21A)涂覆的Udimet 720葉片的圖像，與用現有技術覆蓋系統(樣品191)涂覆的Udimet 720葉片相比該Udimet 720葉片具有改善的表面光潔度。
[0019]圖7示出了在復雜形狀超級合金部件上的涂層厚度測量位置。
[0020]圖8示出了用本發明漿料B涂覆的部件的涂層系統厚度測量的SEM顯微照片的一個例子。
[0021]圖9示出了在不同測量位置的涂層厚度的圖表。
[0022]圖10示出了用漿料B涂覆的部件以及用現有技術漿料A涂覆的另一部件的末端區域的SEM顯微照片。
[0023]圖11示出了暴露于大約1400° F的高熱環境達145小時之后用本發明多層覆蓋系統涂覆的Inconel 718輪盤。
[0024]圖12A和圖12B示出了在熱腐蝕測試前后的各種多層覆蓋系統。
[0025]詳述
在本領域眾所周知的是，顆粒系統(諸如顏料粉末和含顏料的漿料)的粒徑和粒徑分布的測量的絕對數強烈地依賴于測試和/或測量技術和儀器。因此，非常重要的是應強調已通過激光衍射技術采用MicroTrac SRA顆粒分析儀作為顆粒測量設備而獲得了本發明的粒徑的D50和D90數。本文中使用的“D50”是指中值粒徑，其中50%的顆粒的粒徑小于中值粒徑而其余50%的顆粒的粒徑大于中值粒徑，“D90”是指其中90%的顆粒的粒徑小于該粒徑。
[0026]在本領域中也已知的是，顏料粉末的表面積(SA)的絕對數也取決于測量技術和儀器。因此，非常重要的是強調本發明的SA數是利用氮氣吸收技術通過使用Gemini 2360V4.01測量系統的BET方法而獲得。[0027]漿料的特征也在于它們的pH值、粘度、比重和固體含量。通過對這些參數連同D50和D90進行監測來測試漿料的穩定性和老化。
[0028]本發明中使用其它的測試方法和設備。利用FisherScope MMS (渦流和磁感應探測器，基于基底的類型)來測量涂層的厚度。利用Mitutoyo Surftest 301以5.1 mm的動程和0.030〃 (0.76 mm)的截止值來測量表面光潔度(平滑度Ra)。利用BYK Gardner微型光澤儀60°來測試涂層光澤度。通過網紋網狀線膠帶(依照ASTM標準D3359)和彎曲(繞直徑為6.4 _的芯棒彎曲90° )測試來測試涂層對基底的附著和中間層附著。利用光學顯微鏡和SEM/EDS分析對涂層表面和橫截面形態、微觀結構和元素組成進行詳細研究。
[0029]本發明的一個實施方式是一種適用于惡劣環境(諸如與渦輪機相關的環境)的多層覆蓋系統。與渦輪機的金屬基底或金屬表面接觸的該多層覆蓋系統的第一層是填充有金屬和/或金屬氧化物顏料的無機粘結劑，優選地是填充有陶瓷顏料的無機粘結劑，具有在大約0.5至3.0密耳之間的厚度。更優選地，第一層或底涂層是填充有鋁氧化物(即氧化鋁)顏料的磷酸鹽基粘結劑。可替換地，代替氧化鋁或者除了氧化鋁以外，第一層還可含有其它非金屬顏料，如氧化鋯、氧化鈰、其它混合金屬氧化物和/或其組合。
[0030]第一層或底涂層也可任選地含有其它添加劑，諸如表面活性劑、濕潤劑和其它常規添加劑。除了陶瓷顏料外，第一層中還可包含其它顆粒狀金屬，諸如鋁、銅、銀或鎳。
[0031]與第一層相關的無機粘結劑溶液優選地是酸性磷酸鹽溶液，更優選地包括鉻酸鹽化合物、或者溶解于酸性磷酸鹽化合物中的其金屬鹽。這些粘結劑溶液是特別有用的，這是因為在干燥和固化周期它們能夠發生聚合并能夠形成具有良好的機械強度、撓性、以及一些耐腐蝕性和耐熱性能連續的玻璃狀基質。
[0032]將第一層施涂成在0.5至3.0密耳之間的厚度，該第一層的優選厚度為0.8至1.3密耳。最小厚度決定于底涂層的表面粗糙度(Ra)和厚度之間非常強的相關性:當已實現第一層的0.8密耳的厚度時已觀察到該底涂層的Ra、以及整個多層覆蓋系統的Ra的急劇下降。底涂層的最大厚度通常決定于整個多層覆蓋系統的目標厚度或指定厚度。通常且理想的是不施涂超過覆蓋系統的功能要`求的層。
[0033]控制底涂層的表面粗糙度是重要的，這是因為底涂層的表面粗糙度影響第二層和任選的密封涂層的表面粗糙度。優選地，底涂層的表面粗糙度(Ra)應當為30 μ in或以下、更優選地20 μ in或以下。如果底涂層中的表面粗糙度過高(例如>30 μ in)，那么在第二層和任選的密封涂層中將有可能出現更高的表面粗糙度值。換句話說，如果底涂層的表面粗糙度過高，則在第二層和任選的密封涂層的施涂期間表面粗糙度校正(即向下調整)是不可行或不可能的。
[0034]多層覆蓋系統的第二層包含具有規定的粒徑、粒徑分布(PSD)和表面積(SA)的細金屬氧化物顏料。優選地，第二層是填充有氧化鉻(即Cr2O3)顏料的磷酸鹽基粘結劑。可使用本領域中已知的任何磷酸鹽基粘結劑。優選地，磷酸鹽基粘結劑為鉻酸鹽-磷酸鹽。第二層的鉻酸鹽-磷酸鹽粘結劑通常包含鉻酸鹽化合物、或者溶解于酸性磷酸鹽化合物中的其金屬鹽。將第二層施涂于第一層上達到在大約0.1至1.0密耳之間的厚度。
[0035]在該優選的實施方式中，氧化鉻顏料顆粒具有窄的PSD，并且中值粒徑D50(其特征為50%的PSD)是在大約0.8至2.2微米之間且尺寸過大的粒徑D90 (特征為90%的PSD)不超過大約3.0微米。顆粒的優選的SA為至少4 m2/g至5 m2/g、更優選為大約6 m2/g。將優選實施方式的氧化鉻顏料顆粒(表示為粉末II)的特性示于表1中。通過比較，現有技術的多層覆蓋系統具有包含氧化鉻顏料顆粒的第二層，氧化鉻顏料顆粒的中值粒徑D50為
2.5微米，尺寸過大的粒徑D90為3.5至3.7微米，SA為3.0至3.5 m2/g (在表1中表示為粉末I )。
[0036]表1.選擇的Cr2O3顏料粉末 ___
【權利要求】
1.一種用于金屬基底的多層覆蓋系統，包括: 通過施涂包含分散于磷酸鹽基粘結劑中的金屬或金屬氧化物顏料顆粒的漿料所形成的底涂層，所述底涂層具有在大約0.5至3.0密耳之間的厚度；以及 通過施涂包含分散于磷酸鹽基粘結劑中的金屬氧化物顏料顆粒的漿料所形成的第二層，其中由于窄的粒徑分布和優化的表面積因而所述金屬氧化物顏料顆粒具有增強的可分散性，所述第二層具有在大約0.1至1.0密耳之間的厚度。
2.如權利要求1所述的多層覆蓋系統，其中，分散于磷酸鹽基粘結劑中的金屬氧化物顏料顆粒還包括分散于磷酸鹽基粘結劑中的氧化鉻顏料顆粒。
3.如權利要求1所述的多層覆蓋系統，其中，所述氧化鉻顏料顆粒具有在大約0.8至2.2微米之間的中值粒徑。
4.如權利要求1所述的多層覆蓋系統，其中，所述窄的粒徑分布的特征在于粒徑分布的50%具有在大約1.0至2.0微米之間的直徑并且粒徑分布的90%具有小于或等于大約3.0微米的直徑。
5.如權利要求1所述的多層覆蓋系統，其中，所述氧化鉻顏料顆粒的優化的表面積為大于或等于大約4 m2/g。
6.如權利要求1所述的多層覆蓋系統，還包括包含基本上無顏料的磷酸鹽基粘結劑的密封涂層，所述密封涂層具有大于或等于大約0.05密耳的厚度。
7.如權利要求6所述的多層覆蓋系統，其中，所述密封涂層具有大約0.1密耳或更大的厚度。
8.如權利要求1所述的多層覆蓋系統，其中，所述多層覆蓋系統中的各層的表面粗糙度為小于或等于大約30 μ in。
9.如權利要求1所述的多層覆蓋系統，其中，所述底涂層的磷酸鹽基粘結劑為鉻酸鹽-磷酸鹽。
10.如權利要求1所述的多層覆蓋系統，其中，所述第二層的磷酸鹽基粘結劑為鉻酸鹽-磷酸鹽。
11.如權利要求1所述的多層覆蓋系統，其中，所述密封涂層的磷酸鹽基粘結劑為鉻酸鹽-磷酸鹽。
12.一種用于金屬基底的苛刻環境多層覆蓋系統，包括: 通過施涂包含分散于磷酸鹽基粘結劑中的金屬或金屬氧化物顏料顆粒的漿料所形成的底涂層，所述底涂層具有在大約0.5至3.0密耳之間的厚度；以及 通過施涂包含分散于磷酸鹽基粘結劑中的氧化鉻顏料顆粒的漿料所形成的第二層，其中所述氧化鉻顏料顆粒具有窄的粒徑分布以及在大約0.8至2.2微米之間的中值粒徑，并且所述顆粒的表面積為大于或等于大約4 m2/g，所述第二層具有在大約0.1至1.0密耳之間的厚度； 其中所述覆蓋系統中的底涂層和第二層的表面粗糙度為小于或等于大約30 μ in。
13.如權利要求12所述的多層覆蓋系統，其中，所述窄的粒徑分布的特征在于粒徑分布的50%具有在大約1.0至2.0微米之間的直徑并且粒徑分布的90%具有小于或等于大約3.0微米的直徑。
14.如權利要求13所述的多層覆蓋系統，還包括包含基本上無顏料的磷酸鹽基粘結劑的密封涂層，所述密封涂層具有大于或等于大約0.05密耳的厚度。
15.如權利要求14所述的多層覆蓋系統，其中，所述密封涂層具有大于或等于大約0.1密耳的厚度。
16.如權利要求12所述的多層覆蓋系統，其中，所述底涂層的磷酸鹽基粘結劑為鉻酸鹽-磷酸鹽。
17.如權利要求12所述的多層覆蓋系統，其中，所述第二層的磷酸鹽基粘結劑為鉻酸鹽-磷酸鹽。
18.如權利要求14所述的多層覆蓋系統，其中，所述密封涂層的磷酸鹽基粘結劑為鉻酸鹽-磷酸鹽。
19.一種對金屬基底施涂苛刻環境多層覆蓋系統的方法，包括: 準備所述金屬基底的表面； 將填充有陶瓷顏料的磷酸鹽基粘結劑的漿料施涂于所述金屬基底上以形成底涂層，所述底涂層具有在大約0.5至3.0密耳之間的厚度； 使具有所述底涂層的經涂覆的基底發生固化； 制備包含分散于磷酸鹽基粘結劑中的氧化鉻顏料顆粒的漿料，其中所述氧化鉻顏料顆粒具有在大約0.8至2.2微米之間的中值粒徑，并且所述氧化鉻顏料顆粒的表面積為大于或等于大約4 m2/g, 將所述漿料施涂于所述底`涂層上以形成第二層，所述第二涂層具有在大約0.1至1.0密耳之間的厚度；以及 使具有所述底涂層和所述第二層的經涂覆的基底層發生固化。
20.如權利要求19所述的方法，其中，分散于磷酸鹽基粘結劑中的氧化鉻顏料顆粒的粒徑分布的特征在于粒徑分布的50%具有在大約1.0至2.0微米之間的直徑并且粒徑分布的90%具有小于或等于大約3.0微米的直徑。
21.如權利要求19所述的方法，其中，所述底涂層和所述第二層的表面粗糙度為小于或等于大約30 μ in。
22.如權利要求19所述的方法，還包括: 將基本上無顏料的磷酸鹽基粘結劑的漿料施涂于所述第二層上以形成密封涂層，所述密封涂層具有大于或等于大約0.05密耳的厚度；以及 使具有所述底涂層、所述第二層和所述密封涂層的經涂覆的基底發生固化。
23.如權利要求19所述的方法，其中，所述底涂層的磷酸鹽基粘結劑為鉻酸鹽-磷酸鹽。
24.如權利要求19所述的方法，其中，所述第二層的磷酸鹽基粘結劑為鉻酸鹽-磷酸鹽。
25.如權利要求22所述的方法，其中，所述密封涂層的磷酸鹽基粘結劑為鉻酸鹽-磷酸鹽。
26.如權利要求22所述的方法，其中，所述密封涂層具有大于或等于大約0.1密耳的厚度。
27.一種由包括以下步驟的方法制成的、用于金屬基底的多層覆蓋系統: 將包含填充有氧化鋁顏料的磷酸鹽基粘結劑的漿料施涂于所述金屬基底上以形成底涂層，所述底涂層具有在大約0.5至3.0密耳之間的厚度； 制備包含填充有氧化鉻顏料的磷酸鹽基粘結劑的漿料，其中所述氧化鉻顏料顆粒的粒徑分布的特征在于粒徑分布的50%具有在大約1.0至2.0微米之間的直徑并且粒徑分布的90%具有不超過大約3.0微米的直徑；以及 將包含填充有氧化鉻顏料的磷酸鹽基粘結劑的漿料施涂于所述底涂層上，以形成具有大約0.1至1.0密耳之間厚度的第二層。
28.由權利要求27所述的方法制作的、用于金屬基底的多層覆蓋系統，還包括將基本上無顏料的磷酸鹽基粘結劑的漿料施涂于所述第二層上以形成密封涂層，所述密封涂層具有大于或等于大約0.5密耳的厚度。
29.由權利要求27所述的方法制作的用于金屬基底的多層覆蓋系統，其中，所述底涂層的磷酸鹽基粘結劑為鉻酸鹽-磷酸鹽。
30.由權利要求27所述的方法制作的用于金屬基底的多層覆蓋系統，其中，所述第二層的磷酸鹽基粘結劑為鉻酸鹽-磷酸鹽。
31.由權利要求28所述的方法制作的用于金屬基底的多層覆蓋系統，其中，所述密封涂層的磷酸鹽基粘結劑為 鉻酸鹽-磷酸鹽。
【文檔編號】C23C22/74GK103732796SQ201280039434
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2012年6月12日 優先權日:2011年6月13日
【發明者】I.貝洛夫 申請人:普萊克斯 S.T. 技術有限公司