[发明专利]用于施加保护涂层的合成物及方法

说明书

联邦资助声明

本发明在由美国NIST先进技术计划给予的合同号70NANB7H7009下利用政府资助完成。政府可享有本发明的一定权利。

技术领域

本发明主要涉及用于将涂层施加到各种制品上的合成物(composition)及方法。本发明的特定实施例包括用于将抗腐蚀的保护涂层施加到暴露于高温和腐蚀环境下的基底上的合成物、系统及方法。

背景技术

工业和商业设备常常在高温、高压和/或流动环境中操作。例如，在常规蒸汽循环中，蒸汽发生器产生高温和高压的蒸汽，其流经蒸汽轮机而做功。高温和高压的蒸汽通常包括携带的锅炉水垢、水分和/或以大约1,000英尺/秒的速度传播的其它固体颗粒。涡轮叶片或喷嘴上的锅炉水垢、水分和/或其它固体颗粒的冲击导致产生固体颗粒腐蚀。固体颗粒腐蚀引起局部表面粗糙度，其改变叶片或喷嘴的空气动力表面的表面轮廓，从而降低叶片或喷嘴的空气动力效率。

超过蒸汽轮机的典型30年寿命，由腐蚀和/或侵蚀引起的空气动力效率的下降可能很大。因此，可在构件表面上施加涂层，以便保护构件免受恶劣的环境条件。

用于施加保护涂层的各种系统和方法在本领域是公知的。例如，物理汽相沉积(PVD)技术已用于施加保护下方的构件表面免受腐蚀的涂层。然而，PVD涂层通常很薄，例如，小于大约50微米(0.05mm)。结果，腐蚀性颗粒可导致产生弹塑性凹陷区。弹塑性凹陷区通常为冲击尺寸的十倍且可延伸超过PVD涂层厚度，以使下方的构件表面塑性变形。这随着冲击角度的增大而变得显著。变形可导致PVD涂层剥落或以其它方式劣化，从而使下方的构件表面经受更严重的起因于固体颗粒的腐蚀。

真空等离子体喷涂(VPS)和低压等离子体喷涂(LPPS)技术产生致密且相对没有氧化物的涂层。然而，这些系统需要很高的资本支出、大功率消耗设备、多个喷涂和真空腔室，以及耗时的处理循环。因此，VPS和LPPS技术在经济上可能并不可行。

空气等离子体喷涂(APS)技术在存在空气的情况下以升高的温度沉积涂层，且涉及比VPS和LPPS技术更为廉价的设备。然而，APS涂层本身包含较高的氧化物含量，且由于它们不会形成连续的氧化物水垢而易于热生长氧化(TGO)。此外，因为粉末的施加速度相对较低，故APS涂层密度相对较低，从而导致涂层的高多孔性。结果，APS涂层通常没有令人满意的抗腐蚀/侵蚀性。

高速氧燃料(HVOF)和高速空气燃料(HVAF)技术也已用于施加保护下方构件表面免受腐蚀的涂层。在每一技术中，气体或液体燃料均利用氧(HVOF)或空气(HVAF)燃烧以产生高速排气气流。喷射到排气气流中的涂层粉末经加热且以超过2,000英尺/秒的速度朝向所期望的基底加速。相比于其它施加技术，最终产生的涂层通常很致密。然而，在常规HVOF和HVAF设备中平均直径小于20微米至40微米的进料颗粒易于阻塞或聚结。结果，HVOF和HVAF技术未能有效且一致地产生表面粗糙度Ra(如由ANSI/ASME标准B461-1985确定的算术平均粗糙度)小于5微米至20微米的涂层。

因此，需要一种改进的合成物、系统以及用于施加该合成物到构件基底上的方法。理想的是，合成物将具有高的抗腐蚀性和/抗或侵蚀性，且具有较低的表面粗糙度。

发明内容

本发明的方面和优点在以下说明中作如下阐述，或可根据该说明而清楚，或可通过实施本发明而懂得。

本发明的一个实施例为涂层，该涂层包括金属陶瓷材料，其具有平均尺寸小于5微米的金属碳化物相颗粒。该涂层具有小于大约5微米的平均表面粗糙度。

本发明的备选实施例为一种用于将涂层施加到基底上的系统。该系统包括构造成用于结合高速氧或高速空气燃料系统使用的喷涂枪。该系统还包括供送给喷涂枪的金属陶瓷材料，其中金属陶瓷材料包括重量百分比为至少大约34％的金属碳化物相，其具有小于或等于大约5微米的平均颗粒尺寸。金属碳化物相分散在液体中，该液体选自由水、酒精、有机可燃液体或有机不可燃液体所构成的组。

本发明的又一实施例包括用于涂布基底的方法。该方法包括将金属陶瓷材料分散在液体中，该液体选自由水、酒精、有机可燃液体或有机不可燃液体所构成的组。金属陶瓷材料包括重量百分比为至少大约34％的金属碳化物相，其具有小于或等于大约5微米的平均颗粒尺寸。该方法还包括使用高速氧或高速空气燃料系统将金属陶瓷材料喷涂到基底上。

本领域的普通技术人员在研读说明书时将更好地理解这些实施例的特征和方面。

附图说明