[发明专利]具有高温保护涂层系统的金属构件及其涂覆方法

说明书

本发明涉及具有高温保护涂层系统的金属构件及其涂覆方法。

美国专利No.3,873,347(Walker等)和美国专利No.3,874,901(Rairden)揭示了一种通过提供机体一种涂层系统来提高镍基或钴基超合金机体(body)，尤其是燃汽轮机构件的抗高温氧化和耐腐蚀性能的方法。该方法由下列步骤组成：首先在机体上设置一层现称为MCrAlY合金的合金层；然后在其上涂覆一层铝化物；接着根据美国专利No.3,874,901，加热上述涂覆过的机体，使铝互扩散进入合金层。耐腐蚀和抗氧化能力的提高，主要是铝化物的贡献，这是由于铝化物增加了涂层系统中铝的含量。

美国专利No.s.4,055,705(Stecura等人)；4,321,310(Ulion等人)；和4,321,311(Strangman)揭示了一种可用于由镍基或钴基超合金制成的燃汽轮机构件的涂层系统。所述的涂层系统，是先在基层表面设置一粘合层，然后把绝热陶瓷片，尤其是具有柱状晶粒结构的陶瓷层，放置在粘合层上，使绝热层粘结在基层上。粘合层由MCrAlY合金制成，即在基本组分中含有铬、铝和稀土金属如钇的合金，基本组分至少包括一种铁、钴和镍。下面这些元素，也可加入MCrAlY合金中。粘合层的一个重要性能，是在MCrAlY合金上形成，并用于把绝热层“锚接”住的氧化铝薄层。

美国专利No.5,238,752(Duderstadt等人)，揭示了一种用于燃汽轮机构件的涂层系统。该系统也包括陶瓷绝热层，和把绝热层和基层粘合在一起的粘合层。粘合层是由铝的金属互化物制成，尤其是镍铝化物或铂铝化物。粘合层也是一个氧化铝层，用来粘合绝热层。

美国专利No.5,262,245(Ulion等人)揭示了不用粘合层，而简化含有绝热层的涂层系统用于燃汽轮机构件的实验结果。为此，揭示了一种超合金组合物，它可以制成燃汽轮机构件的基层，并且经过一定的处理之后，在其外表面形成氧化铝层。这种氧化铝层，用于把它上面的陶瓷绝热层，粘连在一起。不必在基层和绝热层之间专门设置粘合层。

美国专利5,087,477(Giggins等人)，报导了一种用物理气相沉积技术，在燃汽轮机构件上设置陶瓷绝热层的方法。该方法包括用电子束使生成绝热层的化合物挥发，并且在构件上形成其中氧的含量是可以控制的一种气氛以接受绝热层。

美国专利Nos.5,154,885；5,268,238；5,273,712；和5,401,307(Czech等人)揭示了一种用于燃汽轮机构件的先进涂层系统。该构件包括MCrAlY合金保护涂层。所公开的MCrAlY合金，具有精细均衡的组成，它能提供极好的耐腐蚀性和抗氧化能力，并且对于用作基层的超合金，有着非常好的相容性。MCrAlY合金的主要成分是镍和/或钴。可加入另外一些元素，尤其是硅和铼，这在专利中也做了讨论。尤其是铼，表明是非常好的添加剂。所示的全部MCrAlY合金，都非常适合用作绝热层的粘合层，尤其是在下文中所述的发明的情况下。

燃汽轮机的构件，如叶片，叶轮和热屏蔽元件，包括以金属如镍基或钴基超合金制成的机体。它们的暴露部分，通常涂覆包括保护性涂层的涂层系统，以防止由于高温下的氧化作用和硫化作用而引起的腐蚀。如上述现有技术文献中所述的那样，设置在机体外表面的涂层系统，包括由MCrAlY合金构成的合金层和一个位于其合金层上的陶瓷绝热层。

在运转过程中，保持强烈负荷作用的燃汽轮机构件内部，通常都有导入冷流体的内部通道。通道一般在其构件操作时的固定部位有一级开口，而在操作中暴露在沿构件流出的气流中的有效部位配置有许多二级开口。冷流体，最终在构件的有效部位表面，形成一个冷膜，防止构件与燃气直接接触，之后冷流体通过二级开口与气流混合。

燃汽轮机构件机体内部通道，有可能经受腐蚀或氧化浸蚀，这是由于机体内通道所限定的内表面的温度，仍有可能是相当高的。因此，加快了在流经通道的流体组分和机体材料之间的化学反应。从实用的观点来说，即使流体是空气或者空气和蒸汽的混合物，那么空气中的杂质，如海洋环境中的盐或者乡村环境中的氨和/或硫化合物，都会产生腐蚀。作为一种防腐措施，在燃汽轮机构件内通道的内表面，通常都设置一层铝化物。