[发明专利]带有保护性涂层体系的高温合金元件

说明书

本发明涉及一种表面涂有各种保护性涂层的高温合金元件。

Stecura等人的美国专利4,055,705；Ulion等人的美国专利4,321,310；和Strangman的美国专利4,321,311公开了由镍基或钴基高温合金制造的气体涡轮机元件用的一些涂层体系。所述的一种涂层包括一种由陶瓷制得的热障层，特别是该层具有柱状颗粒结构，它位于粘合层或粘合涂层之上，而此粘合层紧靠基体，并将热障层粘合到基体上。粘合层是从MCrAlY型合金制备，该合金又称之为在含有至少一种铁、钴和镍的基质中包含铬、铝和稀土金属(如钇)的合金。其它元素也可以在MCrAlY合金中存在，以下有举例说明。此粘合层的重要特点是在MCrAlY合金上形成一个薄层，并用于粘接热障层。这层可以是氧化铝或是混合有氧化铬的氧化铝，这取决于此MCrAlY合金的组成和形成该层的氧化环境温度。最后可通过单独的涂覆方法如PVD法有目的地涂敷一氧化铝层。

Duder Stadt等人的美国专利5,238,752公开一种用于气体涡轮机元件的涂层体系，该体系也包括一陶瓷热障层和一将热障层粘接到基体上的粘合层或粘合涂层。此粘合层由铝金属互化物、尤其是镍铝化物或铂铝化物制得。此粘合层还有一用来粘接热障层的氧化铝薄层。

Ulion等人的美国专利5,262,245记载了由于取消热障层下方的粘合层而使气体涡轮机元件上热障层的涂层体系得以简化的研究结果。为此，公开了一种用于高温合金的组合物，可用此组合物形成气体涡轮机元件的基体，并经过适当处理在其外表面上产生氧化铝层。此氧化铝层用来将陶瓷热障层直接结合在基体上，在基体和热障层之间无需特殊粘合层。按其最宽范围来讲，此高温合金基本构成为(以重量百分比表示)：3～12Cr，3～10W，6～12Ta，4～7Al，0～15Co，0～3Mo，0～15Re，0～0.0020B，0～0.045C，0～0.8Hf，0～2Nb，0～1V，0～0.01Zr，0～0.07Ti，0～10的贵金属，0～0.1包括Sc和Y的稀土金属，余量为Ni。

Giggins，Jr，等人的美国专利5,087,477给出了一种通过物理气相沉积法在气体涡轮机元件上设置一陶瓷热障层的方法，包括用电子束蒸发形成热障层的化合物，并在此元件处建立带有可调节氧量的气氛以接收热障层。

Czech等人的美国专利5,154,885；5,268,238；5,273,712；和5,401,307记载了用于气体涡轮机元件的高温涂层体系，包括MCrAlY合金的保护涂层。所公开的MCrAlY合金具有精确平衡组成，可以显示出优异的耐腐蚀性和抗氧化性以及其与基底的高温合金之间有优异的相容性。MCrAlY合金的主要成分是镍和/或钴。加入的其它元素，尤其是硅和铼也在上述文献上作了讨论。尤其是铼显示出是一种极佳的添加成分。所给出的所有MCrAlY合金皆适合用作结合热障层的粘合层，下文中公开本发明的具体内容。

前述的美国专利5,401,307中还包括对高温合金的鉴定，认为这些高温合金适用于制造那些在运行过程中必须承受高机械载荷和高热载的气体涡轮机元件。更具体的给出了四类高温合金。各类高温合金有以下基本组成(以重量百分比表示)：

1. 0.03～0.05C，18～19Cr，12～15Co，3～6Mo，1～1.5W，2～2.5Al，3～5Ti，可以加或不加少量成分Ta，Nb，B和/或Zr，余量Ni。

2. 0.1～0.5C，18～22Cr，18～19Co，0～2W，0～4Mo，0～1.5Ta，0～1Nb，1～3Al，2～4Ti，0～0.75Hf，可以加或不加少量成分B和/或Zr，余量Ni。

3. 0.07～0.1C，12～16Cr，8～10Co，1.5～2Mo，2.5～4W，1.5～5Ta，0～1Nb，3～4Al，3.5～5Ti，0～0.1Zr，0～1Hf，可以加或不加少量的B，余量Ni。

4. 约0.25C，24～30Cr，10～11Ni，7～8W，0～4Ta，0～0.3Al，0～0.3Ti，0～0.6Zr，可以加或不加少量的B，余量Co。