本發明總體上涉及材料增強，并且更具體而言，涉及用于在基底上提供強化和保護涂層的過程以及所產生的結構。

背景技術：

燃氣渦輪機或其他超級合金部件的結構修復通常被認為是用匹配的合金材料來更換受損的材料，并且實現接近原制造部件規格（例如，原規格的至少70%的極限抗拉強度）的性能，例如強度等。例如，優選的是對已經受表面開裂的渦輪機葉片進行結構修復，使得降低進一步開裂的風險并且葉片被恢復至原材料結構和尺寸規格。用于陸基發電和用于航空航天應用的這些動葉和靜葉通常由超級合金材料形成。術語“超級合金”在本文中如它在本領域中通常被使用的那樣被用于表示即使在高溫下也表現出優異的機械強度和耐蠕變性的高度耐腐蝕和耐氧化的合金。超級合金通常包括高的鎳或鈷含量。

由于超級合金材料的開發，已采用各種策略來給材料提供機械強度，以在新的制造或修理期間提高其壽命。一些元素可以在固溶體中提供強度。示例包括Co、Cr、Fe、Mo、W、Ta和Re。碳化物沉淀也可以增加強度。形成碳化物的元素包括W、Ta、Ti、Mo、Nb、Hf和Cr。最特別地，超級合金材料可以通過形成稱為gamma prime（γ'）的析出相（precipitate phase）來強化。該相具有基本組成Ni₃(AI,Ti)。如果大小適當并具有足夠的體積分數，則該相提供顯著的強化，最特別地是對于鎳基超級合金而言。一些超級合金也被稱為gamma double prime（γ''）的另一種析出物強化。該析出物具有組成Ni₃Nb，并且對于強化一些鎳和鎳/鐵基超級合金而言是重要的。γ'相具有有序的晶格，其有助于給材料提供增加的強度。此外，已經開發了用于超級合金的單晶凝固技術，其使得能夠從鑄件中完全消除晶界，以及增加γ'析出物的體積分數。替代性地，超級合金可以定向凝固，以便僅包括縱向定向的晶粒用于增加強度。

氧化物彌散強化（ODS）的合金由于其高溫強度和抗氧化性而對高溫使用也具有吸引力。然而，由于制造中的困難，包括有限的可成形性（特別是復雜的形狀）、有限的可加工性、可焊性、可制造性或可修復性，這樣的合金在實踐中僅發現有限的應用。由于ODS材料到基底的不充分結合的問題，這種合金作為層或涂層的潛在應用甚至更具挑戰性。

附圖說明

根據附圖在下面的描述中解釋本發明，這些附圖示出了：

圖1圖示了根據本發明的一個方面的包括浸漬的多孔基體的涂層的形成；

圖2圖示了根據本發明的一個方面將金屬氧化物粉末添加到圖1的材料，以在浸漬的多孔基體上形成外部金屬氧化物層；

圖3圖示了根據本發明的一個方面將粉末狀焊劑包含到金屬氧化物粉末中以形成熔渣層。

具體實施方式

本發明人已開發了一種用于在基底上形成包括強化和保護性高溫網的涂層的新穎的過程。在某些方面，本文所述的過程將包括例如金屬氧化物、陶瓷或碳材料之類的高溫材料的多孔基體放置在基底上，并且之后，使處于多孔基體上或內部的浸漬材料熔化，以用該材料浸漬多孔基體。多孔基體在該過程期間基本上不熔化。然而，基底的一部分也被熔化。浸漬到多孔基體中的材料與基底相容。因此，當基底和熔融材料冷卻時，多孔基體被熔合到基底。以這種方式，可以在基底上形成包括強化和保護性高溫網的涂層。在一個實施例中，例如金屬氧化物材料之類的高溫材料也被設置在浸漬材料或多孔基體上，被熔化和冷卻以形成外部保護層，該外部保護層與未熔化的多孔基體一體化（integrate），以擴展強化和保護性的高溫材料網。

參照圖1，其示出了組件10，該組件10包括基底12、設置在基底12上的多孔基體14以及設置在多孔基體14上或內部的浸漬材料16。在一個實施例中，浸漬材料16被選擇為使得在浸漬材料16熔化時與基底12相容。多孔基體14可以被放置在基底12之上，以便在待接合或修復的區域中或在新制造品中所期望的區域上基本上覆蓋基底12的頂表面。然后，可以將浸漬材料16預先放置或以其他方式供給到多孔基體14的表面上，例如作為均勻層。替代性地，多孔基體14可以作為預形成件來提供，其中浸漬材料16已放置在該預形成件上，該預形成件被放置在基底12上。

為了形成高溫保護涂層，以有效地熔化浸漬材料16并熔化基底12的一部分22的量從合適的能量源20對組件10施加能量18。然而，能量18基本上不熔化多孔基體14，使得在施加能量18之后保持多孔基體14的大部分（例如，體積百分比>50%）的結構完整性。以這種方式，熔融的浸漬材料16流動到多孔基體14中并浸漬多孔基體14，以形成浸漬的多孔基體24，該浸漬的多孔基體24在能量施加之后保持基本上自支撐。可以設想的是，一些熔融的材料16也可擴散到熔化的基底（部分22）中，但至少期望熔融的材料16與熔化的基底部分22接合（或界面接合，interface）。

在本文所述的過程期間，基底12的熔化部分22可具有期望的深度，例如從0.05mm至1.0mm。在冷卻和凝固時，例如通過冶金結合等，多孔基體14可通過浸漬的多孔基體24內的材料16與基底12成為一體，該材料16與基底的熔融部分22接合并與之一起凝固。有利地，這種錨固可以消除例如在超級合金上常規施加的涂層的典型的涂層剝落。因此，在凝固時，在基底12上形成包括高溫網28的保護涂層26。

對本文所述的過程而言，基底12可包括將受益于本文所述的過程的任何材料。在某些實施例中，基底12包括超級合金材料。如上所述，術語“超級合金”在本文中如它在本領域中通常被使用的那樣被用于表示即使在高溫下也表現出優異的機械強度和耐蠕變性的高度耐腐蝕和耐氧化的合金。示例性超級合金包括但不限于以如下商標和品牌名稱來銷售的合金，即：Hastelloy、Inconel合金（例如，IN 738、IN 792、IN 939）、Rene合金（例如，Rene N5、Rene 41、Rene 80、Rene 108、Rene 142、Rene 220）、Haynes合金、Mar M、CM 247、CM 247 LC、C263、718、X-750、ECY 768、262、X45、PWA 1483和CMSX（例如，CMSX-4）單晶合金、GTD 111、GTD 222、MGA 1400、MGA 2400、PSM 116、CMSX-8、CMSX-10、PWA 1484、IN 713C、Mar-M-200、PWA 1480、IN 100、IN 700、Udimet 600、Udimet 500以及鋁化鈦等。

替代性地，基底12可包括鋁化鈦材料、金屬陶瓷材料或陶瓷基復合材料或者包括氧化鋁、氧化鋯、二氧化硅、碳化硅、氮化硅、氮化鋁、氮氧化硅、碳氮化硅、莫來石、堇青石、β-鋰輝石、鈦酸鋁、鋁鍶硅酸鹽、鋰鋁硅酸鹽及其組合中的一種或多種的單片陶瓷。

多孔基體14在其中包括例如微孔之類的多個孔，并且至少部分地由至少比浸漬材料16具有更高的熔化溫度的材料形成。以這種方式，即使在施加能量18來熔化浸漬材料16時，多孔基體14也可基本上保持其結構完整性。例如，多孔基體14可以呈過濾體、海綿、蜂窩體或泡沫材料的形式。

在一個實施例中，多孔基體14可以包括選自如下組中的金屬氧化物，所述組包括氧化鋁、氧化銻（III）（antimony(III) oxide）、氧化硼、氧化鉻、氧化鈷、氧化銅、氧化銪、氧化鐵、氧化鎳、二氧化硅、氧化錫、氧化鈦、氧化釔、氧化鋅、氧化鋯（zirconia）及它們的組合。在一個特定實施例中，多孔基體14包括氧化鋯，這是特別有利的，因為氧化鋯比大多數超級合金材料具有更高的熔點。例如，多孔基體14可以包括氧化鋯材料，例如可從Foseco或Sigma Aldrich商購獲得的那些等。STELEX ZR氧化鋯過濾器可從Foseco以各種尺寸商購獲得，并且具有10-20ppi（每線性英寸的平均孔數）的孔隙率。

在另一實施例中，多孔基體14可以替代地或進一步包括鋁化鈦材料、金屬陶瓷材料或陶瓷材料。例如，所述陶瓷材料可以包括氧化鋁、氧化鋯、二氧化硅、碳化硅、氮化硅、氮化鋁、氮氧化硅、碳氮化硅、莫來石、堇青石、β-鋰輝石、鈦酸鋁、硅酸鍶鋁、硅酸鋰鋁及它們的組合。陶瓷蜂窩體可用于本文中的用途，例如，如來自Applied Ceramics Inc.的Versagrid?，其呈高達每平方英寸400個單元格的精細單元格圖案并且具有各種材料，例如氧化鋁、二氧化硅和莫來石等。

在又一個實施例中，多孔基體14可以替代地或進一步包括碳材料，以給最終涂層26增加結構完整性。所述碳材料也可以比被能量18熔化的材料具有更高的熔化溫度。此外，碳材料可由選自如下組中的成分（member）形成，所述組包括富勒烯結構、碳紗、碳纖維、碳織物、碳蜂窩體、碳納米芽、石墨烯結構、類金剛石材料（例如，DLC涂覆的材料）及它們的組合。舉例來說，碳纖維織物可從Protech Composites商購獲得，并且碳蜂窩體可從Fiber Glast Nomex商購獲得。

浸漬材料16被選擇成與基底12相容，使得當材料16被能量18熔化時，熔融的材料浸漬多孔基體14，并與熔融的基底部分22成為一體，以將基體14錨固到基底12。在一個實施例中，浸漬材料16包括與基底12相容的如本文所述的超級合金材料。在另一實施例中，材料16包括與基底12相容的如本文所述的鋁化鈦材料、金屬陶瓷材料或陶瓷材料。浸漬材料16可具有針對預期應用的任何合適的尺寸范圍。在一個實施例中，材料16具有從5μm至100μm的粒度。

在一個實施例中，仔細地選擇浸漬材料16的量，以便浸漬多孔基體14，而不從多孔基體14中滿溢或溢出多孔基體14的邊緣。在某些實施例中，材料16的量被選擇為基本上充滿多孔基體14。例如，在一個實施例中，至少90%的容積可填充有熔融的浸漬材料16。在某些實施例中，材料16的量被選擇為使得在熔化時，材料16不完全充滿多孔基體14的內部容積，并且在冷卻之后在多孔基體14中保持一定量的孔隙。事實上，這在某些應用中可能是期望的，因為剩余的孔隙可以改善基底12的熱性能。例如，在孔或氣窩（void pocket）內存在的氣體可以防止附加的熱進入到多孔基體14中，從而作為良好的熱障并給基底12提供附加的熱保護。

在另一實施例中，多孔基體14具有例如沿多孔基體14的長度的穿過多孔基體14的非均勻孔隙。有利地，非均勻的多孔基體可以增強熔體通過基體14的行進和/或有助于在基體14中維持一定量的孔隙，即使是在如上所述的浸漬之后。

現在參照圖2，其示出了另一實施例，其中，圖1的高溫網28可以通過添加外部保護性高溫層30來擴展。在一個實施例中，通過在如上面參照圖1所述的組件上添加例如金屬氧化物粉末或陶瓷粉末的高溫材料，來提供外部保護層30。具體而言，參照圖2，其提供了組件10A，該組件10A包括基底12、設置在基底12上的多孔基體14、設置在多孔基體14上或內部的浸漬材料16以及處于材料16上的高溫材料32。高溫材料32可以作為均勻或可變厚度的層被預先放置或以其他方式供給到材料16上。替代性地，具有已放置在其上和/或其中的浸漬材料16的多孔基體14連同高溫材料32一起可以作為預形成件提供并放置在基底12上。

高溫材料32可以包括將為涂層提供機械強度或耐高溫性能的任何合適的材料。例如，材料32可以包括金屬氧化物材料、鋁化鈦材料、金屬陶瓷材料、陶瓷材料及它們的組合。當選擇金屬氧化物材料時，金屬氧化物可以包括選自如下組中的成分，所述組包括氧化鋁、氧化銻（III）、氧化硼、氧化鉻、氧化鈷、氧化銅、氧化銪、氧化鐵、氧化鎳、二氧化硅、氧化錫、氧化鈦、氧化釔、氧化鋅、氧化鋯（zirconia）及它們的組合。在一個特定實施例中，多孔基體14包括氧化鋯。替代性地，材料32可包括如本文關于多孔基體14所述的鋁化鈦、金屬陶瓷材料或陶瓷材料。高溫材料32可以按照粉末的形式來提供，并且在該形式中可以具有從50微米至150微米的平均粒度。

當經受來自能量源20的能量時，材料32被設置成足夠薄的層，使得它和材料16將被熔化而基本上不熔化多孔基體14。在凝固時，外層30將形成為基底12上的最外層。此外，由于材料16流動到多孔基體14中并浸漬多孔基體14，因此熔融的材料32可以接觸多孔基體14，凝固，并在基底12上提供包括強化和保護性高溫網28A的涂層26A，如圖2中所示。在某些實施例中，多孔基體14和材料32二者都具有相同的組分，例如相同的金屬氧化物組分，以形成冶金相容或以其他方式相容的網28A。在一個實施例中，層30具有從10微米至1mm的最終厚度。

本文所述的過程可在適當的焊劑條件下進行，以為熔融的材料屏蔽大氣氧。在某些實施例中，本文所述的過程可以在真空中或者在存在氬氣或其他惰性氣體的流動流（在熔池上方，所述氬氣或其他惰性氣體的流動流為熔池屏蔽大氣氧）的情況下進行。

在其他實施例中，可以在合適的點和位置處將如美國公開專利申請號2013/0136868（其全部內容在此通過引用結合于本文中）中所述的大小和組成的焊劑粉末引入到所述過程，以類似地為熔池屏蔽大氣氧。例如，如圖3中所示，還可以給組件10A（圖2）的部件提供粉末狀焊劑材料34的層，以形成組件10B。焊劑材料34可以被預先放置或供給到材料32上，或者可以另外與材料32或浸漬材料16混合。為了說明的目的，焊劑材料34的層被示出為與材料32的層和材料16不同的層。當能量18熔化材料16、32和34并且熔融的材料凝固時，除了本文已描述的部件之外還形成熔渣層36。

可以使用本領域中已知的任何合適的方法來去除熔渣層或熔渣36，這將留下如圖2中所示的涂層26A和網28A。要理解的是，熔渣36通常是相當易碎的固體層。在某些實施例中，熔渣36可以通過機械方法來破碎，例如通過用鈍物或振動工具來使熔渣36開裂，并從覆層（cladding）掃除熔渣36。在其他實施例中，熔渣36（一旦形成）可具有在冷卻時自分離的特性。

使用焊劑粉末具有多種與之相關聯的優點，包括在熔池的頂表面處形成熔渣層，這有助于從熔池帶走污染物并且有助于本身隔離以及控制散熱，從而影響焊池的形狀和應力。

在本文所述的過程中，能量源20可以是有效地熔化例如材料16加32、34（如果存在）的所期望的材料和基底12的部分22但如上所述基本上不熔化多孔基體14的任何合適的能量源。在一個實施例中，能量源20是激光能量源，但是本文所述的過程不限于此。在其他實施例中，能量源20可以包括例如電弧等離子體能量源、電子束或離子束。

要理解的是，本領域技術人員將能夠識別參數并理解以什么方式來改變參數以便提供預期的結果，例如將期望的材料熔化到基底上，以及以期望的速率熔化基底而基本上不熔化多孔基體14。這樣的參數可以包括但不限于功率密度、脈沖持續時間、脈沖間隔、頻率、能量源的數量、混合（例如，等離子體和激光）源的使用、源和基底之間的間距等。在所述過程中，要理解的是，能量源20可以包括可沿沉積的方向38相對于基底12橫過（圖1-3）的一個或多個能量源。替代性地，可以使基底12沿沉積的方向38相對于能量源20橫過。

根據另一方面，本文所述的過程可以通過向待熔化的材料（例如，材料16和/或材料32）中的任一種添加一種或多種組分來進一步增強，或者附加的組分可以是在基底12上熔化之前作為不同的層的添加層。

例如，在一個實施例中，可以包括例如氟化鈣之類的氟化物，用于改善處理期間熔融材料的流動性。

在另一個實施例中，可以添加例如碳酸鋇或碳酸鈣之類的碳酸鹽，以便進一步為熔池屏蔽大氣氧。

在另一個實施例中，可以添加例如氧化鈣、氧化鎂或氧化錳之類的各種其他氧化物，以幫助消除凝固裂紋。

在另一個實施例中，可以添加包括鎳、鈷、鋁和/或鉻的合金元素，以改善表面抗氧化性。

在另一個實施例中，可以添加礬土或另外的氧化鋁，以建立用于抗腐蝕、侵蝕和氧化的又一涂覆阻隔層。

對于原始設備制造或零部件的原型設計，本文所述的過程可能是有用的。此外，本文所述的過程可被用于對部件的部件修復應用，所述部件例如已從服務中移除用于翻新的燃氣渦輪機動葉或靜葉。

雖然本文已示出和描述了本發明的各種實施例，但將顯而易見的是，這樣的實施例僅作為示例提供。可以作出許多變型、改變和替換，而不脫離本文中的發明。因此，本發明意在僅通過所附權利要求的精神和范圍來限制。