[发明专利]浆扩散铝化物涂料组合物和方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于形成扩散涂层(diffusion coating)的方法和组合物。更特别地，本发明涉及用于在基底表面上形成扩散铝化物涂层(diffusion aluminide coating)的浆涂料组合物和方法。 

背景技术

燃气轮机发动机(gas turbine engine)内的热气通道是处于恶劣热和化学条件下的。通过开发铁、镍和钴基超级合金和使用能够保护超级合金免受氧化、热侵蚀等的抗氧化环境涂层已经取得了高温性能方面的明显进步。含铝涂层，特别是扩散铝化物涂层，已经广泛地用作燃气轮机发动机组件上的环境涂层(environmental coating)。在高温下暴露于空气的过程中，含铝涂层形成抑制该涂层和下面的基底的侵蚀和氧化的保护性的铝氧化物(氧化铝)皮(scale)或层。 

通常可以将扩散涂层的特征描述为具有主要覆盖在被涂覆基底的原始表面之上的附加层(additive layer)，和在所述原始表面之下的扩散区。扩散铝化物涂层的附加层含有耐环境的(environmentally-resistant)金属间相(intermetallic phase)MAl，其中取决于基底材料M是铁、镍或钴(如果基底是Ni基的，则主要是β(NiAl))。所述扩散区包括在涂层反应过程中作为扩散梯度(diffusional gradients)和基底的局部区域中元素溶解度(elemental solubility)改变的结果而形成的各种金属间相和亚稳相(metastable phase)。 

位于燃气轮机发动机的某些部分，如涡轮、燃烧室和增强器(augmentor)中的组件，除了环境涂层以外通常需要某些形式的热保护。一种方法是将陶瓷热障涂层(thermal barrier coating，TBC)沉积在所述组件的外表面上。另一种方法是构造所述组件以提供经过组件内的内部通道的冷却空气流。对于要求更高的应用，可能必需利用内部冷却并结合TBC。内部冷却通道内的温度可能会足够高以至于需要使用用于氧化保护的扩散铝化物涂层。因为空气冷却的组件的内部通道和冷却孔(cooling holes)的尺寸和几何形状对于保持所需的冷却剂流的量很重 要，所以用于将扩散铝化物涂层沉淀在空气冷却的组件的外表面和内表面上的方法应该能够产生均匀厚度的涂层，并且留下最小的会对流经所述组件的冷却流有不利影响的残余物。 

扩散铝化物涂层一般通过在约1400℉(约760℃)或以上的温度将铝沉积并扩散到组件的表面内形成。值得注意的方法包括包埋渗和气相铝化(pack cementation and vapor phase aluminizing(VPA))技术，和扩散通过化学气相沉积(CVD)、浆涂覆(slurry coating)或其它沉积方法沉积的铝。包埋渗和VPA方法通常包括使用活化剂以将铝从铝源(aluminum source)输送到被涂覆组件的表面。例如，卤化物活化剂(典型地为卤化铵或碱金属卤化物)能够与含铝源(供体)材料反应，从而形成传送到组件表面的卤化铝气体(如氟化铝(AlF₃)或氯化铝(AlCl₃))，在此处其发生反应从而使铝重新形成(reform)并沉积。相反，通过浆涂覆沉积的铝典型地不使用活化剂而进行扩散，依赖于熔融和随后沉积的铝的扩散。 

加工温度和是否使用活化剂将影响是否将扩散涂层归类为向外型或向内型。与向内型的涂层相比，作为使用更高的温度(例如，在被涂覆的合金的溶解温度(solution temperature)或接近该溶解温度)和更少量的活化剂的结果，形成向外型涂层。就镍基基底而言，这种条件促进镍从基底向外扩散进入沉积的铝层，从而形成附加层，并且还减少铝从沉积的铝层向内扩散进入基底，在基底的原始表面之上产生相对较厚的附加层。相反，较低的加工温度和较大量的活化剂减少镍从基底向外扩散进入沉积的铝层，并促进铝从沉积的铝层向内扩散进入基底，得到向内型的扩散涂层，特征在于延伸到基底的原始表面之下的附加层。供体材料的选择影响是否能够产生向外或向内型的扩散涂层，因为铝合金如CrAl、CoAl、FeAl、TiAl等具有比非合金铝(unalloyed aluminum)高的熔融温度，并从而能够使用用以形成向外型涂层的较高的加工温度。尽管向外和向内型扩散铝化物涂层都成功地得以使用，但是向外型的扩散铝化物涂层典型地具有更可延展的和更稳定的镍铝化物金属间相，并呈现出比向内型扩散铝化物涂层更好的氧化和低循环疲劳(low cycle fatigue，LCF)性能。