[发明专利]用于超级合金基底的热防护和腐蚀防护的多层覆盖系统

说明书

发明领域

本发明涉及一种适合使用在涡轮发动机部件上的、热稳定的防腐蚀性多层覆盖系统，更具体地涉及一种平滑的热稳定的防腐蚀性多层覆盖系统以及用于制造所述覆盖系统的方法；所述覆盖系统包括通过施涂包含分散于磷酸盐基粘结剂中的金属氧化物颗粒的浆料所形成的底涂层、通过施涂包含分散于磷酸盐基粘结剂中的金属氧化物颜料颗粒的浆料所形成的第二层、和通过施涂包含基本上无颜料的磷酸盐基粘结剂的浆料所形成的任选的密封涂层。

背景

涡轮发动机部件的表面暴露于来自涡轮燃烧过程的热气体中。涡轮发动机的超级合金材料是基于它们的高温稳定性和耐腐蚀性来进行选择。众所周知的超级合金，例如镍基超级合金(诸如Inconel^TM 718、Inconel^TM 722和Udimet^TM720)对氧化和腐蚀损害显示良好的耐受性。然而，即使这些材料在高温苛刻条件下也会发生退化。在组件表面上的氧化和腐蚀反应可以导致金属损耗和壁厚的损失。金属的损失迅速地增加作用于各组件上的应力并且可以最终地导致部件故障。因此，将防护性覆盖层施涂于这些组件上，以防止它们发生由氧化和腐蚀所导致的退化。

现已提出各种耐腐蚀层和多层覆盖系统，它们被用于保护涡轮发动机部件，具体地压缩机转子叶片。对现有技术覆盖系统的评估已显示在其功能特性和外观、以及若干可能的故障模式方面的一般缺陷。

例如，现有技术的市售多层覆盖系统被设计用于较低的使用温度并且提供最高1200 ℉的有效保护。然而，如果现有技术覆盖系统被用于这种先进发动机，它将会在较新发动机的升高的工作温度下(≥约1300 ℉)下易出现裂纹和脱层。图1示出了暴露在1400 ℉(显著地高于现有技术设计的操作温度)下达145小时后现有技术的覆盖系统与Inconel^TM718基底的脱层。

图2 示出了与现有技术多层覆盖系统相关的其它问题。图2中的现有技术的经涂覆的基底显示“沙砾般的”涂层外观(即可见的颗粒夹杂物)。可以在涂覆中间层之后观察到这些颗粒夹杂物，而且往往在施涂密封涂层之后变得更加明显。这些缺陷归因于层施涂期间的外部污染(诸如空气中的污染物)、表面不规则等。

与基于现有技术的覆盖系统相关的其它类型的可能问题是在用现有技术覆盖系统涂覆的一些部件上出现直径为1 mm至3 mm的斑点(即“白点”)。如从图2中可见，“白点”看上去其颜色比经涂覆叶片的剩余部分浅得多，并且在圆点内部含有多余的或“起泡的”材料。这些“白点”似乎是在施涂密封涂层时形成。利用现有技术多层覆盖系统涂覆的叶片也可显示“画框”效应，其中各层在叶片边缘附近更厚，因此导致较弱的覆盖层附着和可能的边缘剥落。所有这些缺陷是密封的覆盖表面的不规则，不仅降低叶片的气动效率，而且也可能成为热侵袭和腐蚀侵蚀的活性部位。

鉴于上述问题和缺点，需要不断地改善现有技术的基于浆料的多层覆盖系统的表面光洁度特性以及热性能和腐蚀性能。虽然现有技术的基于浆料的多层覆盖系统满足了当前发动机制造商的要求和技术规范，但需要加以改进以便用于更新、更先进的发动机。因此，期望提供一种改善现有技术覆盖系统的表面光洁度特性并且具有改善的在正常环境和腐蚀性环境中的热稳定性的的多层覆盖系统。

发明内容

在一个方面，本发明的特征在于一种覆盖系统，该覆盖系统包括：(i)通过施涂包含分散于磷酸盐基粘结剂中的金属或金属氧化物颜料颗粒的浆料所形成的底涂层，该底涂层具有在大约0.5至3.0密耳之间的厚度；和(ii)通过施涂包含分散于磷酸盐基粘结剂中的金属氧化物颜料颗粒优选地氧化铬颜料颗粒的浆料所形成的第二层，其中金属氧化物颜料颗粒由于窄的粒径分布和优化的表面积因而具有增强的可分散性，该第二层具有在大约0.1至1.0密耳之间的厚度；与现有技术的基于浆料的多层覆盖系统相比，本发明的多层覆盖系统显示改善的热稳定性和腐蚀稳定性以及表面光洁度特性。