形成可磨耗涂层的方法 【技术领域】
本发明包括涉及形成可磨耗多孔涂层 (abradable porous coating) 的方法。背景技术 多孔金属涂层在燃气涡轮发动机中用作压缩机密封。在运行中， 旋转的压缩机叶 片往往会在涂层中切出沟槽以减少间隙， 从而增加了压缩机的效率并最小化了对压缩机叶 片端部的潜在损伤。 该金属涂层可以通过在压缩机表面上沉积金属和聚合物的复合物来形 成。为了获得涂层所需的微结构， 必须将所沉积涂层中存留的聚合物的部分或全部除去。 这种除去步骤通常是消耗时间的， 并造成对周围的发动机部件的损伤。正常的除去方法是 将被涂覆的部件置于空气炉中并加热涂层至设定的温度以将聚合物从金属中烧去。然而， 当涂层是施加在发动机机壳上时， 发动机因其尺寸而不能放置在炉内。 从而， 存在着对能有 效地并且不会损伤邻近的发动机部件地、 在涡轮发动机上形成多孔金属涂层的新方法的需 求。
发明内容 在一个实施方案中， 形成涂层 (coating) 的方法包括在衬底表面上沉积第一涂料 层 (coating layer)， 其中该涂层包括陶瓷或金属、 润滑材料和易消散材料 (a fugitive material)。通过用局部热源 (localized heat source) 加热第一涂料层， 使易消散材料的 至少一部发生分解、 转化或挥发。
在另一个实施方案中， 形成涂层的方法包括在衬底表面上沉积第一涂料层， 其中 该第一涂料层包括陶瓷、 润滑材料和聚合物易消散材料。 通过用等离子炬加热第一涂料层， 使所述聚合物易消散材料的至少一部分发生分解、 转化或挥发。
附图说明
图 1 显示了依照本发明的实施方案制造的可磨耗涂层的结构。 图 2 显示了依照本发明的另一可选实施方案制造的可磨耗涂层的结构。具体实施方式
此处公开的是在衬底上形成可磨耗多孔涂层的方法。该涂层可被用在各种衬底 上， 并且其在旋转机械上特别有用， 所述旋转机械例如涡轮发动机部件。例如， 该衬底可以 是燃气涡轮机压缩机机壳、 离心压缩机机壳、 涡轮机护罩、 和 / 或涡轮增压器压缩机。在优 选的实施方案中， 该衬底是燃气涡轮机压缩机并且该涂层是沉积在限定压缩机机壳内部直 径的表面上。
该涂层可以包括陶瓷材料例如氧化锆、 氧化铝、 氧化铈、 氧化钇、 氧化镁、 氧化钙、 氧化镝 (disprosia)、 二氧化钛、 或它们的组合。 在优选的实施方案中， 该涂层包括氧化钇稳 定的氧化锆。在一个实施方案中， 该涂层包括金属。可以存在于涂层中的金属包括铝、 钛、 铜、 锌、 镍、 铬、 铁、 钴、 硅、 钨、 钽、 钼、 钇、 或它们的组合。 在优选的实施方案中， 该涂层包括钴。 在 一个实施方案中， 该金属是金属合金。适宜用于涂层中的金属合金的实例包括 CoNiCrAlY、 AlSi、 NiCrAl、 NiCrAlY、 NiCrFeAl、 NiAl、 NiCr、 FeCrAlY、 或它们的组合。优选地， 该金属合 金是 CoNiCrAlY。
涂层可以包括约 10 重量百分数至约 90 重量百分数的所述陶瓷或金属。在一个实 施方案中， 涂层包括约 30 重量百分数至约 90 重量百分数的所述陶瓷或金属。在另一个实 施方案中， 涂层包括约 70 重量百分数至约 90 重量百分数的所述陶瓷或金属。
涂层也可以包括润滑材料， 该润滑材料包括但不限于六方氮化硼 (hBN)、 石墨、 二 硫化钼、 氟化钙、 或它们的组合。在一个实施方案中， 润滑材料是六方氮化硼。
润滑材料可以以约 0.1 重量百分数至约 20 重量百分数的量存在于涂层中。在一 个实施方案中， 涂层包括约 3 重量百分数至约 15 重量百分数的润滑材料。在另一个实施方 案中， 涂层包括约 3 重量百分数至约 10 重量百分数的润滑材料。
如之前提到的， 易消散材料存在于所沉积的涂层中。 在一个实施方案中， 易消散材 料包括聚合物。 可以存在于易消散材料中的适宜的聚合物的实例包括聚酯、 聚酰亚胺、 或苯 乙烯。在优选的实施方案中， 聚合物是聚酯。 用于此处的短语 “易消散材料” 指的是存在于涂层中的、 可以分解、 转化、 或挥发而 在涂层中形成多孔微结构的任何材料。用于此处的术语 “转化” 指的是从易消散材料沉积 在涂层中的原始形态改变其形态。在其在涂层中的原始的沉积状态下， 易消散材料可以被 描述为被金属或陶瓷基质所围绕的固体并基本上填充了基质中的大多数空间。 在转化后的 状态中， 在易消散材料结构中发生大孔隙的形成， 从而留下了被所述金属或陶瓷基质所围 绕的易消散材料的薄层或者存留的易消散材料的 “纤维状 (stringy)” 网络。
涂层可以包括约 20 体积百分数至约 75 体积百分数的易消散材料。在一个实施方 案中， 涂层包括约 30 体积百分数至约 75 体积百分数的易消散材料。在另一个实施方案中， 涂层包括约 45 体积百分数至约 75 体积百分数的易消散材料。
存在着一些可用在本发明中的商售的可磨耗涂层材料。 适宜的商售涂料的实例包 括 SM2042， 其可购自 Sulzer Metco 有限公司。
涂层可以通过本领域技术人员所知的任意的方法来沉积至衬底表面上， 其包括但 不限于等离子喷涂、 燃烧工艺或使用高速氧焰。 在优选的实施方案中， 涂层是等离子喷涂至 衬底表面上的。
衬底可以包含置于衬底表面上且位于可磨耗涂层之下的结合涂层 (bondcoat)。 在一个实施方案中， 结合涂层包括铝、 钛、 铜、 锌、 镍、 铬、 铁、 钴、 硅、 钨、 钽、 钼、 钇、 或它们的 组合。适宜用于结合涂层中的金属合金的实例包括 CoNiCrAlY、 AlSi、 NiCrAl、 NiCrAlY、 NiCrFeAl、 NiAl、 NiCr、 FeCrAlY、 或它们的组合。结合涂层可以通过各种技术施加至衬底表 面， 其包括等离子喷涂、 燃烧工艺或使用高速氧焰。
在涂层被沉积至衬底表面上后， 用局部热源加热涂层。该涂层被加热至高到足以 将存在于涂层中的易消散材料全部或至少一部分分解、 转化或挥发掉的温度。结果， 在涂 层中产生了多孔微结构。可用于本发明的适宜的局部热源包括等离子炬、 高速氧燃料火焰 (HVOF)、 高速空气燃料火焰 (HVAF) 或其他适宜的燃烧炬。如上所述的用于沉积涂层至衬底
上的局部热源也可以用于在涂层中产生所述多孔微结构。
在一个实施方案中， 涂层被加热到至少 450 摄氏度的温度。在一个实施方案中， 涂 层被加热到约 450 摄氏度至约 1000 摄氏度之间的温度。在一个实施方案中， 涂层被加热到 约 450 摄氏度至约 900 摄氏度之间的温度。在又另一个实施方案中， 涂层被加热到约 450 摄氏度至约 800 摄氏度之间的温度。
在于第一涂料层中产生多孔微结构之后， 一个或多个附加涂料层可以沉积在第一 涂料层上， 使用在上文中描述的涂层沉积技术。 在沉积了每一附加涂料层之后， 将该附加涂 料层加热至高到足以将存在于该附加涂层中的易消散材料全部或至少一部分分解、 转化或 挥发掉的温度。
由于由局部热源所提供的强烈加热， 在涂层中的易消散材料的分解、 转化或挥发 的速率是至少 10 平方毫米每秒。在一个实施方案中， 易消散材料以约 100 平方毫米每秒的 速率分解、 转化或挥发。在另一个实施方案中， 易消散材料以约 200 平方毫米每秒的速率分 解、 转化或挥发。在另一个实施方案中， 易消散材料以约 300 平方毫米每秒的速率分解、 转 化或挥发。
局部热源具有靶向涂层的特定区域的能力， 并且如果需要， 可以仅仅涂层的选定 区域用局部热源加热以将易消散材料分解或挥发。进一步地， 由于用局部热源加热涂层的 该受控方式， 对邻近衬底的部件的过热或损伤被避免。
下面的实施例， 其意图示范性地而非限制性地举例说明用于此处所述的各种实施 方案中的一些的制备的组合物和方法。实施例实施例 1
使用 DC 等离子炬将包括 CoNiCrAlY、 氮化硼和聚酯的涂层制备在不锈钢 304 板 上。 将包括 27wt％的钴、 26wt％的镍、 17wt％的铬、 7wt％的铝、 0.5wt％的钇、 8.5wt％的氮化 硼和 14wt％的聚酯粉末的原料粉末材料以约 5 磅每小时的进料速率注入到可购自 Sulzer Metco 有限公司的 7MB DC 等离子炬中。该等离子炬运行在 400 安培 (A) 的电流和 21 千瓦 (kW) 的功率下。 等离子形成性气体的流速对于氩气和氢气而言分别为 100 标准立方英尺每 小时和 5 标准立方英尺每小时 (SCFH)。等离子炬以 600 毫米 (mm) 每秒扫描横跨所述不锈 钢衬底， 同时在等离子炬喷嘴和衬底之间保持约 5 英寸的恒定喷涂距离。通过横跨整个衬 底用等离子炬扫描 85 次， 获得了具有约 1.1mm 厚度的涂层。
所沉积的涂层接着用 7MB DC 等离子炬加热， 所述 7MB DC 作为局部热源以 200 毫 米每秒的速度扫描整个衬底一次， 同时在等离子炬喷嘴和涂层表面之间保持约 2 英寸的恒 定喷涂距离。该等离子炬运行在 680A 的电流和 40kW 的功率下。等离子形成性气体的流速 对于氩气而言是 100SCFH， 对于氢气而言是 15SCFH。
所得涂层的结构显示在图 1 中。涂层包括 CoNiCrAlY 和氮化硼， 具有已反应的聚 酯区域、 部分反应的聚酯区域、 未反应的聚酯区域和孔隙区域。CoNiCrAlY 和氮化硼在涂层 的整个厚度上分布。未反应的聚酯区域 12 位于靠近衬底表面处， 并从衬底表面延伸以具有 约为 27％的涂层厚度的深度。涂层还包含已反应的区域 14， 其包括孔隙和已反应的及部分 反应的聚酯。该已反应的区域 14 从未反应区域 12 的端部延伸至涂层外表面， 并具有约为 73％的涂层厚度的深度。实施例 2
将包括 27wt％的钴、 26wt％的镍、 17wt％的铬、 7wt％的铝、 0.5wt％的钇、 8.5wt％ 的氮化硼和 14wt％的聚酯粉末的原料粉末材料以约 5 磅每小时的进料速率注入到可购自Sulzer Metco 有限公司的 7MB DC 等离子炬中。该等离子炬运行在 400A 的电流和 21.6kW 的功率下。等离子形成性气体的流速对于氩气和氢气而言分别为 125SCFH 和 5SCFH。等离 子炬横跨不锈钢 304 板以 600mm 每秒的速度扫描， 同时在等离子炬喷嘴和衬底之间保持约 4 英寸的恒定喷涂距离。通过横跨衬底用等离子炬扫描 21 次， 获得了具有约 0.36mm 厚度的 第一涂料层。
所沉积的第一涂料层接着用 7MB DC 等离子炬加热， 所述等离子炬作为局部热源以 200 毫米每秒的速度横跨衬底扫描二遍， 同时在等离子炬喷嘴和涂层表面之间保持约 2 英 寸的恒定喷涂距离。该等离子炬运行在 680A 的电流和 40kW 的功率下。等离子形成性气体 的流速对于氩气而言是 100SCFH， 对于氢气而言是 15SCFH。
将上述的用于沉积和加热第一涂料层的步骤再重复两次， 其中所述附加涂料层沉 积在第一涂料层的顶部以形成位于不锈钢衬底上的三层式涂层。 在沉积了所述附加涂料层 后， 涂层具有约 1.1mm 的厚度。
所得涂层的结构显示在图 2 中。涂层包括 CoNiCrAlY 和氮化硼， 具有已反应的聚 酯区域、 部分反应的聚酯区域、 未反应的聚酯区域和孔隙区域。CoNiCrAlY 和氮化硼在涂层 的整个厚度上分布。未反应的聚酯区域 12 位于靠近衬底表面处， 并从衬底表面延伸以具有 约为 15％的涂层厚度的深度。涂层还包含已反应的区域 14， 其包括孔隙和已反应的及部分 反应的聚酯。该已反应的区域 14 从未反应区域 12 的端部延伸至涂层外表面， 并具有约为 85％的涂层厚度的深度。 此处所公开的所有范围均包括端点， 并且端点能够彼此结合。 此处使用的术语 “第 一” 、 “第二” 和类似表述并不表示任何的次序、 数量、 或重要性， 而是用于将一种要素和其他 的相区别。与数量一起使用的修饰语 “大约” 和 “约” 包括宣称值， 并具有上下文指定的意 思 ( 例如， 包括与特定数量的测量相伴随的误差度 )。在描述本发明的上下文中 “某 (a)” 和 “某个 (an)” 和 “该、 所述 (the)” 以及类似对象 ( 特别是在权利要求的上下文中 ) 的使 用应被解释为覆盖单数个和复数个， 除非此处另有指明或与上下文明显矛盾。
在连同多个实施方案来详细地描述本发明时， 本发明并不受限于这些公开的实施 方案。进而， 可以对本发明进行修改而结合任意数目的未在之前描述过的变型、 更改、 替代 或等价安置， 但其与本发明的实质和范围相一致。 此外， 虽然已描述了本发明的各种实施方 案， 但是应理解的是本发明的方面可以包括所描述的实施方案中的仅一些。 相应地， 本发明 不视为受前面的说明书限制， 而仅仅受限于所附的权利要求的范围。