[发明专利]用于包覆基板的工艺

说明书

技术领域

本发明涉及用于包覆基板的工艺。本发明还涉及用于实施该工艺的设备、能够通过所述工艺获得的包覆基板以及所述工艺或者设备在包覆涡轮部件中的用途。

背景技术

在基板表面中嵌入颗粒对于例如在金属表面上生产有磨蚀作用的涂层而言是有用的，所述金属表面比如为在航空器发动机或者工业燃气涡轮机中使用的涡轮的金属表面。这些有磨蚀作用的涂层通常包含硬质研磨或者切削颗粒，以允许涡轮叶片的尖端在它们前几小时的操作期间一路切入围绕壳体的可磨蚀陶瓷密封件中。作为这种磨蚀的结果，涡轮叶片的尖端与壳体之间的间隙被保持得尽可能小。该狭小的间隙具有以下好处：使经过叶片尖端的空气和其它气体的旁通流最少化，这于是使因这种高能量气体的损失而导致的涡轮的能量和效率损失最小化。典型的有磨蚀作用的硬质颗粒由立方氮化硼(cBN)或者碳化硅(SiC)构成。这些硬质颗粒常常被涂覆，以改善它们的氧化稳定性、与特定合金接触时的热力学稳定性，或者改善它们与基板的结合。

用于制备在其中嵌入有颗粒的这种基板表面的工艺是公知的。例如，US 5,935,407公开了借助于电镀技术向金属基体中嵌入颗粒的方法。然而，所公开的方法是相当复杂和费力的，并且需要数种专用设备和步骤来首先通过低压等离子喷涂沉积基层，接下来通过粘性电镀（tack electroplating）将颗粒锚定至基层，接着通过高频逆向脉冲捕获电镀将颗粒嵌入金属基体中，最后通过高温热处理使颗粒成分的一部分扩散到金属基体中以生成致密基体。此外，US‘407的方法还需要使用体积相对较大的专用且常常具有毒性的化学试剂，比如表面活性剂和过渡金属盐电镀溶液。另外，还有必要在使用后循环回收和/或处理掉溶液。所希望的是具有用于嵌入颗粒的其它更简单的方法，其不需要如此多不同类型的技术、设备和化学试剂，特别是溶液。

嵌入颗粒的另一可供选择的方法已从美国专利申请US2007/009011A1公知，该美国专利申请公开了：首先通过环氧粘结剂将SiC颗粒固定至载体金属板，然后在物理气相沉积(PVD)工艺中用金属基体涂覆颗粒，接下来将载体板翻转到基板之上，并将金属基体硬钎焊至基板，使得颗粒的“脚”被嵌入硬钎焊金属基体层中。最后，通过弯曲、剥离或者研磨去除载体板。然而，该方法也需要若干不同类型的工艺以及使用不可轻松地回收利用的载体板和环氧粘结剂。此外，基板的表面及其附着颗粒可能在去除载体板的工艺中被损坏。

应指出的是，将粉末激光包覆或者焊接至基板也是公知的，并且例如在US 5,245,155中公开。在这些方法中，基板的表面的一部分被激光束熔化，粉末填料经由激光束的路径被添加到熔融的表面材料中。粉末通过激光束并且在熔融表面材料中的熔化给予基本由填料形成的焊珠（焊道），其然后随着激光的移动离开而固化，以在基板的表面上形成基本上由填料形成的焊缝沉积区。然而，这种方法不适用于形成有磨蚀作用的表面。这是因为磨蚀功能取决于具有带尖锐小面的切削刃边的有磨蚀作用的细小颗粒的随机分布。这些颗粒性能和磨蚀功能在通过US‘155的方法制备的表面中是缺乏的，因为所有的颗粒都已经熔化并结团，从而已经失去了它们的尖锐特征。应指出的是，DE 41 29 239 A1也公开了具有相似缺点的相似工艺。

US 5,453,329尝试在其所公开的用于在基板中嵌入磨蚀颗粒的激光包覆方法中克服该方面。在该方法中，激光被聚集在超级合金基板上，以形成过热熔融基板材料的小池。细小金属粉末和涂覆有非反应性封装热绝缘层的细小磨蚀微粒的基体共混物借助于粉末供给器被注入受到照射的熔池中。对熔池和分散基体共混物的照射一直继续，直到金属粉末和绝缘层的至少表面发生熔化并与池中的超级合金混合从而形成合金混合物为止。然后通过停止照射熔池，来使合金混合物最后固化。

然而，US ‘329的该激光包覆方法很难控制，并且具有若干缺点。如US ‘329的表1中所公开的，许多磨蚀颗粒具有比由激光生成的过热熔池温度(其超过3,000℃)低数百度的熔点。如US ‘329中所公开的，由激光生成的颗粒的过热经由熔化和结团过程损坏磨蚀颗粒和它们的磨蚀效果。这些过程将分布和形态从小的均匀分布的颗粒(具有带许多尖锐小面的切削刃边)改变成大的随机结团的团块(具有圆形特征)。这种熔化和结团过程降低所得激光包覆表面的磨蚀性能。激光对颗粒的直接冲击直接地加热颗粒，并且可能损坏它们或者改变它们的性能。例如，通过激光烧蚀对比如金属碳化物和氧化物等磨蚀材料的切锯是用于使这种材料微结构化的众所周知的技术。