CN105189819A - 用于金属基底的涂层 - Google Patents

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L.阿德尔什塔恩
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Abstract

提供了用于例如超级合金基底的涂层。涂层可包括：15wt%到45wt%的钴；20wt%到40wt%的铬；2wt%到15wt%的铝；0.1wt%到1wt%的钇；以及镍。涂层可包括镍、钴、铬和铝，以及其它可选的添加剂，以改善基底的抗氧化和腐蚀性，而不显著有损其机械性能。

Description

用于金属基底的涂层
相关申请的交叉引用
本申请请求享有2013年3月13日提交的Mourer等人的题为“CoatingsforMetallicSubstrates(用于金属基底的涂层)”的美国临时专利申请序列第61/779,427号的优先权；其公开内容在此通过引用并入。
技术领域
本发明大体上涉及用于例如燃气涡轮发动机构件的金属基底的涂层。此类构件可包括但不限于盘、密封件和其它转子构件、叶片和结构构件。更具体而言，本发明涉及金属涂层，其与盘合金粘附且相容，且给它们提供保护以免受氧化和热腐蚀。
背景技术
燃气涡轮发动机的涡轮区段包含转子轴和一个或更多个涡轮级，各个均具有由轴安装或以其它方式承载的涡轮盘(或转子)，以及安装至盘的外周并从盘的外周沿径向延伸的涡轮叶片。涡轮的相邻级由带有导叶的非旋转喷嘴组件分开，导叶引导燃烧气流穿过涡轮叶片。密封元件减小涡轮区段的旋转和非旋转(静止)构件之间的泄漏，且将冷却空气流导送至涡轮叶片和导叶。
涡轮构件由超级合金材料形成，以在燃气涡轮发动机的涡轮区段内的升高温度下提供可接受的机械性能。具体而言，例如叶片和导叶的涡轮翼型件构件常常由等轴的定向凝固(DS)或单晶(SX)超级合金形成。涡轮盘和密封元件通常由多晶超级合金形成，其经历小心控制的锻造、热处理和例如喷丸的表面处理，以实现期望的颗粒结构和机械性能。
尽管已经实现了超级合金的高温能力的显著发展，但诸如叶片和导叶的位于热气流通路中的涡轮构件易于由氧化和热腐蚀冲击破坏。因此，涡轮构件通常由环境涂层单独保护，或由用作连结涂层的环境涂层连同热障涂层(TBC)以形成TBC***来保护。在涡轮叶片和导叶上广泛使用的环境涂层和TBC包括扩散铝化物涂层和合金，诸如MCrAlX上覆涂层，其中M为铁、钴和/或镍，且X为钇、其它稀土元素和反应元素中的一种或更多种。扩散铝化物和MCrAlX涂层的铝成分有助于且促进在涡轮叶片和导叶的操作温度下在其表面上形成稳定且环保的氧化铝(Al2O3)皮。
在燃气涡轮发动机的操作温度继续升高时，涡轮盘遭受较高温度。结果，盘/轴和其它转子构件的腐蚀已经变得成问题。涡轮盘和其它涡轮转子构件的腐蚀归因于以下：包含金属硫酸盐或其它金属硫化物加还原剂的固体颗粒的沉积，沉积颗粒与盘合金在高温下形成由不透空气的熔化固体颗粒覆盖的还原的金属硫化物的反应，以及包括碱性硫酸盐、亚硫酸盐、氯化物、碳酸盐、氧化物和其它腐蚀性盐沉积物的混合物的其它腐蚀剂。
已经研究了各种腐蚀抑制涂层来防止涡轮盘由于此类冲击的腐蚀。例如氧化铬(Cr2O3)或氧化铝(Al2O3)的保护性氧化物的连续表面层需要提供燃气涡轮发动机的热气体通路内的良好防腐性。在Goebel等人的“(MechanismsfortheHotCorrosionofNickel-BaseAlloys(用于镍基合金的热腐蚀的机构)”(MetTrans,4,1973,261)报告的研究显示了提高的铬水平，且作为副效应，提高了铝的水平，促进了带有提高的防腐性的氧化皮的形成。R.L.Jones在“HotCorrosioninGasTurbines(燃气轮机中的热腐蚀)”的(CorrosioninFossilFuelSystems,TheElectrochemicalSociety,Princeton,NJ(1983)341-364)中提出了分别至少15重量百分比wt%)和小于5重量百分比的铬含量和铝含量分别是优先形成保护性氧化铬皮所需的，以及至少5重量百分比的铬含量和铝含量各自是优先形成NiCrAl[基]合金的保护性氧化铝皮所需的。
尽管以上论述具体针对防腐性，但大体上理解的是，氧化性能也将随更连续的保护性氧化皮而提高，保护性氧化皮例如是上文所述的氧化铬和/或氧化铝皮。例如，富铬汽相沉积涂层已经长久用于保护易于氧化的合金，诸如可从SpecialMetalsCorp(特种金属公司)获得的Inconel?90X系列(IN901、903、907、909)。
腐蚀抑制涂层可以以许多方式应用于金属基底上。例如，包括铝化物、铬化物和氧化物的腐蚀抑制涂层可通过有机金属化学汽相沉积(MO-CVD)、填料铝化物、铬化物或硅化物、离子植入铝、金属氮化物和金属碳化物来沉积。这些途径的特定示例在共同转让的美国专利号6,532,657、6,921,251、6,926,928、6,933,012和6,964,791和共同转让的美国专利申请公告号2005/0031794和2005/0255329中公开。涉及腐蚀抑制涂层的涂漆层的一种途径已经由此类油漆在发动机操作期间易于脱落而妨碍。此类脱落被认为由分层的油漆与其保护的合金之间的显著热膨胀系数(CTE)失配引起，这导致了热瞬变发动机状态期间的高界面应变。分层油漆的粘合可能由依赖油漆与合金之间的机械粘合而部分地限制，这可在一定程度上通过在沉积油漆之前对待涂布的表面喷砂或其它表面改性手段来改善，以加强本领域中公知的机械粘合。然而，脱落仍是许多应用或构件的特定区域中使用分层油漆的障碍。
除腐蚀之外，疲劳测试已显示出如果在延长时间周期内遭受较高操作温度，则当前的盘合金也易于总体氧化或局部晶界氧化。因此，较高涡***作温度下的延长操作还可需要保护涡轮盘免于氧化。
腐蚀抑制涂层不一定有效作为氧化隔层或抑制物，特别是对于高温下的延长暴露。例如，尽管上文所述的MO-CVD铝化物和铬化物涂层和金属碳化物和氮化物涂层也可能能够用作氧化的隔层，但这些腐蚀抑制涂层认作是具有可使它们不令人满意地用作涡轮盘和密封件上的保护性涂层的局限性，诸如有限的粘合、CTE失配、低容量处理、以及与常常用于形成涡轮盘和密封件的合金类型的化学相互作用。尽管铝化物涂层呈现出优异的粘合性、抗腐蚀和氧化性，但它们可不利地影响盘的疲劳寿命。如果非期望的α铬相并未形成或并未以大体积分数或在半连续区域中形成，则铬化物涂层还呈现出较大粘合和防腐性。然而，形成最大的铬化物和铝化物涂层通常所需的处理温度高于使其难以在锻造部分上使用的许多涡轮盘和密封件材料的老化温度。氮化物和碳化物涂层大体上遭受铝化物和铬化物隔层的上述相同局限性。作为备选，包括由MO-CVD施加的那些的氧化物涂层是优异的防腐层，且并非不利于疲劳性能，但其与超级合金失配的热膨胀限制其粘合。
因此，期望的是提供一种保护性涂层材料，其在机械和化学两者上适用于涡轮盘上，且高度抗氧化和腐蚀。此涂层材料还必须为抗脱落的，且在延长时间内在高操作温度下，具有可接受的CTE匹配和与盘合金的有限的机械性能相互作用。此外，此涂层材料将理想地与通常形成涡轮盘的多晶超级合金所需的典型处理或处理顺序相容。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐明，或可从描述中清楚，或可通过实践本发明理解到。
大体上提供了涡轮构件，其包括超级合金基底和超级合金基底上的涂层。涂层大体上限定涡轮构件的外表面，其暴露于燃气轮机中的热气体流动通路。涂层大体上包括：15wt%到45wt%的钴；20wt%到40wt%的铬；2wt%到15wt%的铝；0.1wt%到1wt%的钇；以及镍。在一个特定实施例中，涂层包括55wt%到75wt%的镍和钴的组合量。
在某些实施例中，涂层可具有5μm到100μm的厚度，优选10μm到大约90μm，且更优选12μm到75μm。在特定实施例中，涂层的平均粒度可为0.1微米到5微米，优选0.5微米到2.5微米。
涂层可包括钉扎剂的分布，其可位于限定在涂层中的颗粒之间的界面上。例如，钉扎剂可包括陶瓷颗粒，诸如铝、钛、钇、铪、锆、镧的氧化物，或它们的混合物；钛、钽、铌、锆、铪的碳化物，或它们的混合物；钛、钽、铌、铪、锆和钇的氮氧化物或它们的混合物；或它们的组合。在一个实施例中，涂层可基本上由以下构成：30wt%到40wt%的钴；22wt%到25wt%的铬；8wt%到12wt%的铝；0.1wt%到1wt%的钇；镍；以及分布的钉扎剂。
在某些实施例中，涂层还可包括0wt%到10wt%的钨；0wt%到10wt%的钽；0wt%到0.5wt%的铪；0wt%到0.5wt%的硅；镧、铈、锆、镁、稀土金属中的至少一者；或它们的组合。此外或作为备选，涂层还可包括：钨、钼、钽、铼、钛、铌、钒、铂族金属，或它们的组合；其中这些元素的总组合量为20wt%或更少。
在一个特定实施例中，涂层基本上由以下构成：30wt%到40wt%的钴；22wt%到25wt%的铬；8wt%到12wt%的铝；0.1wt%到1wt%的钇；以及镍。
还大体上提供了燃气轮机，其包括例如上文所述的涡轮构件，该构件定位在燃气轮机的热气体通路内，使得涂层保护超级合金基底免受燃气轮机内的热气体。即是说，涂层直接地暴露于燃气轮机的热气体，且向下覆的超级合金基底提供防腐性。
本发明的这些及其它特征、方面和优点将参照以下描述和所附权利要求变得更好理解。并入本说明书中且构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，且连同描述用于阐释本发明的原理。
附图说明
认作是本发明的主题在说明书的结束部分中具体地指出且清楚地要求权利保护。然而，本发明可通过连同附图参照以下描述来更好理解，在附图中：
图1为根据本发明的实施例的示例性燃气涡轮发动机的涡轮区段的一部分的剖视图；
图2为根据本发明的实施例的用于燃气涡轮发动机的类型的示例性涡轮盘的透视图；
图3示意性地呈现了根据本发明的实施例的图1中的一个或更多个涡轮构件的表面上的抗腐蚀和氧化涂层的剖视图；
图4为显示1个循环之后的未涂布的René?104样本的1300℉下的凹痕的显微照片；
图5为显示在10次循环之后并未呈现出凹痕的1300℉下的René?104的CoNiCrAlY涂布的样本的显微照片；
图6为随Ni基合金中的铬含量wt%变化的腐蚀凹痕的绘图；
图7为不同的涂层成分的大约815℃/450hr(1500℉/450hr)的空气暴露之后的铬损失的绘图；
图8为在没有铬的涂层的热暴露之后涂层中的钴水平的绘图；
图9为带有钴的涂层的热暴露之后涂层中的钴水平的绘图；
图10为在大约815℃(1500℉)的等温暴露之后具有0.18wt%的Al的涂层的截面；
图11为在大约815℃(1500℉)的等温暴露之后具有2.5wt%的Al的涂层的截面；
图12为显示各种涂层的760℃(1400℉)LCF下的涂层开裂或故障(循环)数的图表；
图13为示出随涂层厚度变化的NiCr涂层的疲劳寿命的图表；
图14为示出根据本发明的涂层的随涂层厚度变化的CoNiCrAlY的疲劳寿命的图表；
图15为显示大约705℃/0.713%应变范围(1300℉/0.713%应变范围)下的疲劳中测试的粗粒涂层中的裂缝的显微照片；
图16为显示大约705℃/0.713%应变范围(1300℉/0.713%应变范围)下的疲劳中测试的细粒涂层中的裂缝的显微照片；
图17为显示低周疲劳(LCF)中测试的粗粒涂层中的裂缝的高倍放大显微照片；
图18为显示LCF中测试的细粒涂层中的裂缝的高倍放大显微照片；
图19为粗粒涂层的大约705℃/0.713%应变范围(1300℉/0.713%应变范围)下的中断的周期疲劳测试的截面；
图20为细粒涂层的大约705℃/0.713%应变范围(1300℉/0.713%应变范围)下的中断的周期疲劳测试的截面；
图21为显示晶界钉扎的涂层截面的显微照片；以及
图22更详细地显示了图21的选择区域的显微照片。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的实施例，其中一个或更多个示例在附图中示出。各个示例通过阐释本发明而非限制本发明来提供。实际上，本领域的技术人员将清楚的是，可在本发明中进行各种修改和变型，而不会脱离本本发明的范围或精神。例如，示为或描述为一个实施例的特征可结合另一个实施例使用来产生又一个实施例。因此，期望本发明覆盖归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
涂层大体上提供成用于例如燃气涡轮发动机构件的金属基底。此类构件可包括但不限于盘、密封件和其它转子构件、叶片和结构构件。涂层可包括镍、钴、铬和铝，以及其它可选的添加剂，以改善基底的抗氧化和腐蚀性，而不显著有损其机械性能。涂层粘合到金属基底上，且在物理和化学上与金属基底相容。还提供了成分、微观结构和涂层厚度，其提供了延性和持久性，以避免相对于基底的显著的循环寿命缩短。
图1为绘出沿发动机的中心线的燃气涡轮发动机的涡轮区段的一部分的剖视图。所示的涡轮区段30为两级涡轮，但取决于涡轮设计可使用任何数目的级。本发明不由所示涡轮中的级数限制。涡轮盘32安装在轴(未示出)，轴沿如图所示的发动机的中心线延伸穿过盘32中的开孔。第一级叶片38附接到第一级盘36上，而第二级叶片42附接到第二级盘40上。导叶410从外壳420延伸。外壳420的内表面形成在气体流动通路中流动的燃烧的热气体的衬套430。第一级叶片38、第二级叶片42和导叶410延伸到热气体流动通路中。导叶410为静止的，且用于引导热气流，而安装在盘36、40上的叶片38、42在热气体撞击它们时旋转，以提取能量来运转发动机。
密封元件34、前密封件44、后密封件46、级间密封件48、1级后叶片固持件50和2级后叶片固持件52用于密封和完成至涡轮叶片和喷嘴的压缩机空气冷却回路。这些密封件与盘接触，且与盘一起旋转。级间密封件48定位在导叶410内，且在第一级盘36与第二级盘40之间。还显示的是可选的叶片固持件50、52，其将叶片锁定到盘上。此固持件的设计将取决于发动机设计变化，其中一些发动机设计不需要它们。
这些密封件和叶片固持件加热至它们引导的冷却回路空气的温度。此外，最接近燃烧通路的部分也由来自燃烧通路部分的传导热传递加热。例如，涡轮盘32的边沿由涡轮叶片38、42传导加热。如前文所述的冷却空气中的污染物沉积在形成冷却腔的盘、密封件和固持件的表面上，且是这些升高温度下的污染源。因此，本文讨论的涂层可向遭受由于冷却空气污染物的沉积或累积引起的腐蚀的任何这些表面提供保护。
图2为例如图1的盘36或40的典型的燃气涡轮发动机盘82的透视图，盘82通常由例如前文讨论的超级合金材料中的一种的超级合金材料制成。盘82包括通常沿发动机中心线的毂74，其包括轴(未显示)延伸穿过的开孔。盘包括沿盘外周的燕尾槽86，涡轮叶片38、42***该燕尾槽86中。盘82的腹板区段78在燕尾槽所处的外周与毂之间延伸。尽管包括基础涂层和临时有机涂层的本发明可在沿盘82的任何位置使用，包括燕尾槽86，但发现沿腹板区段78的表面特别有用，且燕尾槽86不同于毂74中的开孔，将直接暴露于高温冷却空气。本领域的技术人人员将认识到本发明的教导内容和利益还适用于压缩机盘和燃气涡轮发动机的叶盘，以及在高温下遭受应力且因此需要高温存在能力的许多其它构件。
盘或密封件的适合合金可包括但不限于镍基超级合金、钴基超级合金或铁基超级合金。此类超级合金通常具有多晶结构，但可具有带例如如美国专利6,969,240所述的单晶或定向凝固晶体结构的部分。例如，超级合金可包括可从Reade市售的γ'增强的镍基超级合金，诸如René?88DT(R88DT，如美国专利号4,957,567中所述)和René?104(R104，如美国专利号6,521,175中所述)，以及在Inconel?、Nimonic?和Udimet?的商标下由SpecialMetalsCorporation市售的某些镍基超级合金。此外，超级合金可包括美国专利申请序列号12/474,580和12/474,651中所述的那些。此外，还可包括可用于制造叶片的合金，诸如René?N5、René?N6和René?77。
图3示意性地呈现了根据本发明的实施例的沉积在基底26的表面区域24上的抗氧化和腐蚀涂层22。基底26可为图1和2的密封件和盘的任何部分。
涂层22可包括成分并具有微观结构和厚度，其提供适用于保护涡轮构件且具体是由多晶超级合金形成的涡轮盘的抗腐蚀和氧化性。因此，涂层22定位成限定基底26的外表面，使得涂层22直接地暴露于热气体流动通路，且提供涡轮构件的抗腐蚀和氧化性。因此，涂层22上不存在附加层，使得涂层22限定涡轮构件的外表面。
涂层的成分具有CTE，其紧密地匹配广泛用于涡轮盘的基底，且呈现出在高温下的延长时间周期内与此超级合金的有限的机械性能相互作用。此外，涂层能够冶金地连结到此超级合金上，以高度防脱落。
涂层不需要在运转期间支承显著的负载，且疲劳性能基本上由下覆的基底确定。因此，涂层并未不利地影响涡轮盘的疲劳性能。此外，涂层阻止开裂，且其优异的环境抵抗性驱使基底内的开裂部位，其中颗粒小平面、包含物和其它常见缺陷可能开裂。最终，涂层与通常与用于形成涡轮盘和密封元件的多晶超级合金相关联的处理相容。具体而言，涂层的延性和有限厚度允许通过包括但不限于喷丸和抛光的方法对构件进行表面加强，以在涡轮盘或密封件中引起残余压应力，而不会使涂层裂开。
本发明的涂层22的金属成分可包括镍、钴、优选γ-Ni基质、γ-Co基质，或镍和钴的混合物。对于低温运转而言，本发明的涂层的钴含量可较低或缺乏。对于扩散水平很重要的较高温度的运转，钴含量有利于减小或基本消除可测量的非期望涂层基底相互扩散。成分可进一步包括铬和铝。涂层的抗氧化和/或腐蚀性可由可选的添加物来促进，包括但不限于钨、钽、铪、硅和钇。包括但不限于镧、铈、锆、镁和其它稀土或反应金属的其它可选添加物也可添加以获得加强的环境抵抗性。
在根据本发明的至少一些方面的一些示例性实施例中，涂层成分可包括大约0wt%到大约50wt%的钴、大约15到大约45wt%的钴，或大约30到大约40wt%的钴。在根据本发明的至少一些方面的一些示例实施例中，涂层成分可包括大约20wt%到大约40wt%的铬、大约21wt%到大约30wt%的铬，或大约22wt%到大约25wt%的铬。在根据本发明的至少一些方面的一些示例实施例中，涂层成分可包括大约2wt%到大约15wt%的铝、大约5wt%到大约14wt%的铝，或大约8wt%到大约12wt%的铝。在根据本发明的至少一些方面的一些示例实施例中，涂层成分可包括大约0wt%到大约10wt%的钨、大约0wt%到大约8%的钨，或大约0wt%到大约6wt%的钨。在根据发明的至少一些方面的一些示例实施例中，涂层成分可包括大约0wt%到大约10wt%的钽、大约0wt%到大约6wt%的钽，或大约0%到大约4wt%的钽。在根据发明的至少一些方面的一些示例实施例中，涂层成分可包括大约0wt%到大约0.5wt%的铪、大约0wt%到大约0.2wt%的铪，或大约0wt%到大约0.1wt%的铪。在根据发明的至少一些方面的一些示例实施例中，涂层成分可包括大约0wt%到大约0.5wt%的硅、大约0wt%到大约0.3wt%的硅，或大约0wt%到大约0.1wt%的硅。在根据发明的至少一些方面的一些示例实施例中，涂层成分可包括大约0wt%到大约2wt%的钇、大约0.1wt%到大约1wt%的钇，或大约0.3wt%到大约1wt%的钇。用于涂层的组分的以上成分的任何组合可与余量的镍一起使用。上文提出的组合范围在以下的表1中归纳：
表1
。
根据本发明的实施例，涂层成分可包括大约0wt%到大约50wt%的钴、大约20wt%到大约40wt%的铬、大约2wt%到大约15wt%的铝、大约0wt%到大约10wt%的钨、大约0wt%到大约10wt%的钽、大约0wt%到大约0.5wt%的铪、大约0wt%到大约0.5wt%的硅、大约0wt%到大约2wt%的钇，以及余量的镍。
根据本发明的另一个实施例，涂层成分可包括大约15到大约45wt%的钴、大约21wt%到大约30wt%的铬、大约5wt%到大约14wt%的铝、大约0wt%到大约8wt%的钨、大约0wt%到大约6wt%的钽、大约0wt%到大约0.2wt%的铪、大约0wt%到大约0.3wt%的硅、大约0.1wt%到大约1wt%的钇，以及余量的镍。
根据本发明的另一个实施例，涂层成分可包括大约30到大约40wt%的钴、大约22wt%到大约25wt%的铬、大约8wt%到大约12wt%的铝，以及大约0.3wt%到大约1wt%的钇，以及余量的镍。
根据本发明的实施例，涂层成分可包括大约55wt%到大约75wt%的镍和钴的总组合量。对于高温运转，根据本发明的实施例，钴的浓度可为大约30到大约50wt%。
如上文所述的示例涂层可提供各种性质。涂层中包括铝可加强防腐性，且特别是涂层制品的抗氧化性。涂层中的铝含量的上限还可小于γ'铝化镍相(Ni3Al)的额定铝含量，这提高了涂层强度，且还可用于有助于维持涂层中的细粒尺寸，采用的运转温度是关于γ'相的次固溶线。结果，如果存在铝，则涂层可包含有限量的γ'相。
大体上，对于防腐性，涂层中的铬含量可高于基础金属中的。当铬水平足以提供基本防腐性时，在足够的铝存在以发展主要基于氧化铝的皮时，加强了环境抵抗性。
涂层的抗氧化性有助于阻止其保护的超级合金的普通氧化或选择性晶界氧化，由此保留盘的疲劳寿命。当施加到γ'增强的镍基超级合金时，本发明的涂层可保持通过冶金连结来粘合，且与基底CTE相容。此外，涂层具有有限的机械性能冲击，且允许转子合金处理的典型表面残余应力加强，且例如喷丸的加强实际上可加强涂层性能。由于涂层的成分类似于其保护的基底的成分，故磨损机构也预计是类似的，使得涂层可用于遭受来自与另一个构件的表面进行表面与表面的接触的磨损。
涂层的抗氧化和/或腐蚀性可由对涂层22的可选修改来促进，诸如添加镧、铈、锆、镁和其它稀土和反应金属来用于吸收硫、氧化物钉扎等。尽管强度为涂层的次要问题，这是因为承载和疲劳性能通常由下覆的基底26确定，但是涂层22也可选地用钨、钼、钽、铼、钛、铌、钒和/或铂族金属(PGM)增强来改善抗疲劳性。然而，添加这些元素优选限于小于组合的20重量百分比，这是因为它们可降低延性，且可不利地影响抗腐蚀和氧化性，尤其是钨和钼。采用此有限添加，增强物可使涂层能够在涡轮盘运转期间承受一些负载，但是维持足够的延性和环境抵抗性以避免表面开始疲劳开裂。
以下表2提供了示例成分，其中元素的浓度以重量百分比给出。如表2中所指出的，“CoNiCrAlY涂层”是根据本发明的一个实施例的优选涂层标称成分。
表2
。
涂层中的铬的浓度可影响各种性质，诸如腐蚀凹痕。图6为随包括简单的Ni-Cr成分和很复杂的多元素涂层成分两者的Ni基合金中的铬浓度(wt%)变化的腐蚀凹痕的绘图。如图6中所指出的，随着铬的浓度增大，最大凹痕深度减小，这指出了铬水平作为给予防腐性的重要因素的作用。基于镍铬相位图，铬浓度的上限可设置成避免单相α铬的形成。
此外，涂层中的铬保持可有益于防止热腐蚀。已经显示了包含添加的铝的涂层在热暴露期间保持较高水平的铬。图7为不同涂层成分的大约815℃/450hr(1500℉/450hr)的铬保持的绘图。图7指出了包含钴、铝和钇添加物的涂层提供了最高水平的铬保持。
涂层特性可通过控制涂层与基底之间的相互扩散来进一步加强。根据本发明实施例，涂层与基础金属之间基本没有相互扩散。根据本发明的另一个实施例，涂层与基底之间基本没有钴相互扩散。在不希望由特定理论约束的情况下，此扩散可由连同所需的成分梯度和热环境的预涂布制备过程和涂布过程自身作用的涂层和基础金属界面的能量驱动。基础金属元素扩散到涂层中且对涂层性能的不利影响可通过将扩散种类加至涂层成分来有益地减小。此外，基底镍基转子合金的稳定性可当此相互扩散极小化时改善。
钴通常稳定涂层，且使基底材料的扩散驱使的退化极小化。此外，钴在对抗热腐蚀中的有益效果可在恶劣环境中提供防腐特性的加强。钴扩散到涂层中可容易地发生，这是因为钴通常存在于高强度镍基超级合金中。CO4S3-CO共熔合金(1150K/877℃/1610℉)的熔化温度可能高于典型涂层使用温度，而Nl3S2-–Ni共熔合金(980K/707℃/1304℉)处于或低于可能使用的温度，如在ASM专业手册中所述：镍、钴及其合金，ASMInternationalHandbookCommittee(ASM国际手册委员会)，JosephR.Davis，2001年1月15日。尽管不希望遵守特定理论，但优选的Ni-Co余量可以以一种方式平衡总体较低扩散率、较低相互扩散和复杂Ni-Co-S共熔合金，以使用该特性来改善防腐性。
图8为钴水平的绘图，其例示了已经涂布有无钴涂层的含钴基底的热暴露效果。图8显示了由于钴扩散到涂层中而在基底中的钴耗尽。图9为在热暴露之后涂布有含钴涂层的含钴基底的钴水平的绘图。如图9中指出那样，在涂布钴中，基础金属中没有钴耗尽。
连同升高的铬水平的升高的铝含量提供了有利的环境特性。大体上，在大约1200K(大约927℃或大约1700℉)以上，添加铝提供了改善的Al2O3在铬上的稳定性，因为挥发性的非保护性氧化铬可在较高温度下形成。根据本发明的特定实施例，显著的铝浓度在远低于之前认识到的温度下提供了改善的氧化。对于优选的抗氧化性，铝含量可高于基础金属，且对于最普通的高强度镍基超级合金，是至少大约2wt%，优选至少大约5%且最优选至少大约8%的铝含量。较高水平的铝可由导致低周疲劳损失的潜在可能限制。尽管达到6%的铝的可用水平可加到简单的NiCr基涂层中，但期望甚至更高的铝含量来更自由地平衡主要由铬含量带来的防腐性和主要由铝带来的抗氧化性。
带有达到10%或更高的铝含量的显著改善的疲劳特性可通过添加钴和/或钇修改NiCr成分来实现。图12为显示各种涂层的大约1033K(大约760℃或大约1400℉)的LCF涂层开裂或故障数(循环)的图表。如图12中指出那样，尽管以LCF循环的NiCr涂布的条在仅大约2,000次循环之后显示了涂层裂缝，但根据本发明的带有相同厚度且添加铝、钇和/或钴的类似处理的涂层显示出在直到循环数在基础金属合金的典型疲劳周期范围内才发生涂层裂缝延迟。
根据本发明的实施例，涂层可在大约815℃(1500℉)或更高的温度下使用。
如下文所讨论的，涡轮盘的寿命可通过连同选择涂层厚度、微观结构和涂布后精整的组合使用本发明的涂层成分来优化。
由于涂层厚度可影响涂层性能，故根据本发明的厚度足够薄且足够有延性，以允许通过喷丸加工来在下覆的基底中引起压应力，而不会使涂层裂开。此外，此涂层可应用于影响构件接触的区域中，或与匹配构件配合，或组装到转子结构中。在此情况下，最小涂层厚度可期望的，以带来加强的环境抵抗性，同时极小化对影响此接触、配合或组装特征的尺寸公差的影响。例如，本发明的涂层可为大约5到大约100微米厚。根据本发明的实施例，涂层可为大约10到大约90微米厚。根据本发明的另一个方面，涂层可为大约12到大约75微米厚。在又一个实施例中，涂层可具有大约5μm到大约38μm的厚度。
根据本发明，涂层的厚度可对于不同基底、对于不同构件和对于构件的不同区域，取决于涂层成分变化。例如，对于一些转子合金，大于50μm(大约2mil)的涂层厚度已经显示了即使带有涂布后精整操作也缩短了LCF寿命。因此，对于限制构件的循环寿命的区域或位置，涂层优选小于大约50微米(μm)。本发明的涂层的适合厚度可显著小于施加到燃气涡轮发动机的叶片、导叶和其它构件上的MCrAlX涂层。在其它应用中，诸如结构构件或叶片，可使用大约100微米的涂层厚度，同时不会缩短构件的最低疲劳寿命。
图13为示出随涂层厚度变化的NiCr涂层的疲劳寿命的图表。图14为示出根据本发明的涂层的随涂层厚度变化的CoNiCrAlY的疲劳寿命的图表。如图13和14中指出那样，相比于704℃(1300℉)下的NiCr涂层，CoNiCrAlY涂层在760℃(1400℉)下提供了显著较长的循环寿命。
根据本发明的实施例，涂层可包括一层或更多层。
涂层厚度可由涂层沉积工艺或涂布后工艺来控制。本领域中已知的包括但不限于化学汽相沉积(CVD)、物理汽相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)、电镀、包括但不限于高速空气燃料(HVAF)等的热喷涂和扩散涂布工艺的沉积技术可用于施加涂层。例如，如通过引用并入本文中的美国专利申请公告号2011/0293919中所述的热喷涂方法可用于施加本发明的涂层。这些涂层沉积工艺中的各个允许涂层通过使用低温扩散热处理(例如，优选在大约540℃到大约760℃(大约1000℉到大约1400℉)的温度下进行大约八到大约二十四小时的周期)冶金地连结到基底上。在优选实施例中，例如，涂层可通过使用大约540℃到大约650℃的温度下的低温扩散热处理来冶金地连结到基底上。
为了促进粘合，基底表面24可经历本领域的技术人员公知的机械(例如，喷砂)和/或化学预处理或其它表面制备。作为备选，此涂层可沉积超过期望的厚度，且涂布后处理可用于实现最终期望的涂层厚度。
相比于改善的应变公差和减少的涡轮翼型件应用中的柱状TBC的裂缝(通常归因于涂层内减小的应力累积)，本发明展示了具有细粒颗粒的盘涂层相对于接近类似成分和厚度的圆柱结构的大粒提供了疲劳测试期间改善的抗裂性。因此，改善的环境盘涂层的重要构件是维持细粒尺寸的微观结构控制。根据本发明，涂层中的颗粒的平均粒径可从大约0.1微米到大约5微米的范围。根据本发明的实施例，平均粒径可为从大约0.5微米到大约2.5微米的范围。粒径在以多颗粒的应力和温度暴露之后维持，通常观察到每25微米涂层厚度中大于5个颗粒。根据本发明的实施例，涂层可具有穿过厚度的多颗粒，而不是跨越涂层厚度的单颗粒或较少颗粒，因为这可有助于在LCF期间延迟涂层开裂。
大体上，较粗粒涂层显示出较高的开裂频率。例如，测量结果已显示了粗粒涂层中开裂频率增大4倍。此外，对于粗粒涂层，裂缝传播穿过涂层更快。中断疲劳测试已显示了在5000次循环之后穿过粗粒涂层的整个厚度的裂缝，而细粒涂层中的裂缝在相同循环测试状态下在7000次循环之后穿透涂层厚度的小于50%。
图15和16为分别绘出粗粒和细粒涂层的显微照片，其具有相同标称成分和分别大约25.4μm(1.0mil)和22.3μm(0.8mil)的厚度。涂层在相同条件下的大约705℃/0.713%的应变范围(1300℉/0.713%应变范围)针对粗粒涂层测试28k循环，且对于细粒涂层测试142k循环。如显微照片中指出那样，当在相同的大约705℃/0.713%应变范围(1300℉/0.713%应变范围)条件下测试时，图15的粗粒涂层还显示了相比于图16的细粒涂层的增加的裂缝。
图17为显示粗粒涂层中的裂缝的高倍放大显微照片，而图18为显示细粒涂层中的裂缝的高倍放大显微照片，其中涂层具有大约20微米的相同标称成分和厚度。发现粗粒涂层具有352裂缝/英寸的平均值，而发现细粒涂层具有80裂缝/英寸的平均值。
图19为来自粗粒涂层的大约705℃/0.713%应变范围(1300℉/0.713%应变范围)下的中断周期疲劳测试的截面，且图20为来自细粒涂层的大约705℃/0.713%应变范围(1300℉/0.713%应变范围)下的中断周期疲劳测试的截面。图19和20显示了对于此测试条件相比于以7k循环发生的细粒涂层，裂缝传播穿过以大约5k循环发生的粗粒涂层更快。
分析提出了晶粒生长可由Zener钉扎机构通过钉扎剂的适当分布来控制。例如，钉扎剂可包括陶瓷颗粒，诸如氧化物、碳化物、氮化物、碳氧化物、氮氧化物或氮碳氮化物，或它们的组合。适合的氧化物可包括但不限于铝、钛、钇、铪、锆、镧的氧化物和它们的组合。适合的碳化物可包括但不限于钛、钽、铌、锆、铪的碳化物，和它们的混合物。适合的氮氧化物可包括但不限于钛、钽、铌、铪、锆和钇和它们的组合。
图21为显示晶界钉扎的涂层截面的显微照片。图22更详细示出了图21的选择的区域。根据本发明的优选实施例，钉扎颗粒可包括但不限于氧化铝颗粒。
此外，较高水平的此元素可用于吸收在使用中获得的硫，从而进一步加强涂层特性。涂层特性可通过改善晶界延性来进一步加强。锆、铪和硼都已知来提供改善的晶界强度和/或延性。碳添加为脱氧剂，且还可改善晶界强度。此添加是本领域中公知的，且本领域的普通技术人员可通过简单实验来限定特定应用的创造性涂层的这些元素的最佳值，且并未脱离这里要求权利保护的本发明的本质。
可使钉扎颗粒作为涂层沉积工艺的一部分，作为前体涂层材料的一部分，或涂层的随后的热机械处理来发生。此外，钉扎可在将钉扎元素加入涂层化学成分或前体材料中发生。
大体上，钉扎可在钉扎剂由涂层施加过程或涂层的随后热机械处理来适当地分配时加强。此钉扎剂的晶界钉扎或适当分布可通过可为亚微米尺寸的氧化物实现。例如，适合的钉扎剂颗粒可具有大约0.05到大约1微米的范围中的直径。
尽管按照一个或更多个特定实施例描述了本发明，但清楚的是，其它形式可由本领域的技术人员采用。将理解的是，连同本文所述的涂层成分使用的“包括”公开且包括了其中涂层成分“基本上由所列成分构成”(即，包含所列成分且没有显著地不利影响公开的基本和新颖特征的其它成分)的实施例，以及其中涂层成分“由所列成分构成”(即，仅包含除自然且不可避免地存在于各个所列成分中的污染物外的所列成分)的实施例。
示例
使用前文引用的混合硫酸盐腐蚀的实验室腐蚀测试导致了一个24小时暴露循环之后的较大凹痕，而按照本发明的特征涂布的样本经过了10次实验室测试循环，而没有明显的基础金属冲击且没有显著的涂层冲击。图4是显示在1次循环之后的未涂布的René?104的大约705℃(1300℉)下的凹痕的显微照片。图5为显示10次循环之后的并未呈现凹痕的大约705℃(1300℉)下的René?104的CoNiCrAlY涂布样本的显微照片。
图10和11为在大约1088K等温暴露自后分别具有0.18wt%的Al和2.5wt%的Al的涂层的截面。如图10和11中指出那样，具有2.5wt%的铝的涂层显示了与带有0.18wt%的铝的涂层相比显著减少的氧化冲击。
本书面描述使用了示例来公开包括最佳模式的发明，且使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或***，且执行任何结合的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，且可包括本领域的技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有并非不同于权利要求的书面语言，或如果这些其它示例包括与权利要求的书面语言无实质差别的等同结构元件，则它们将在权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种涡轮构件，包括：
超级合金基底；以及
所述超级合金基底上的涂层，其中所述涂层限定暴露于燃气轮机中的热气流通路的所述涡轮构件的外表面，且其中所述涂层包括：
15wt%到45wt%的钴；
20wt%到40wt%的铬；
2wt%到15wt%的铝；
0.1wt%到1wt%的钇；以及
镍。
2.根据权利要求1所述的涡轮构件，其特征在于，所述涂层包括30wt%到40wt%的钴，且其中所述涂层包括55wt%到75wt%的镍和钴的组合量。
3.根据权利要求1或2所述的涡轮构件，其特征在于，所述涂层包括21wt%到30wt%的铬，优选22wt%到25wt%的铬。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的涡轮构件，其特征在于，所述涂层包括5wt%到14wt%的铝，优选8wt%到12wt%的铝。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的涡轮构件，其特征在于，所述涂层具有5μm到100μm的所述超级合金基底上的厚度，优选10μm到大约90μm，更优选12μm到75μm。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的涡轮构件，其特征在于，所述涂层的平均粒径为0.1微米到5微米，优选0.5微米到2.5微米。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的涡轮构件，其特征在于，所述涂层由化学汽相沉积、原子层沉积、物理汽相沉积、电镀、热喷涂或扩散涂布工艺来沉积，且其中所述超级合金基底包括镍基超级合金、钴基超级合金或铁基超级合金。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的涡轮构件，其特征在于，所述涂层包括钉扎剂的分布，且其中所述钉扎剂位于限定在所述涂层中的颗粒之间的界面上。
9.根据权利要求8所述的涡轮构件，其特征在于，所述钉扎剂包括陶瓷颗粒，且其中所述陶瓷颗粒包括铝、钛、钇、铪、锆、镧的氧化物或它们的混合物；钛、钽、铌、锆、铪的碳化物或它们的混合物；钛、钽、铌、铪、锆和钇的氮氧化物或它们的混合物；或它们的组合。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的涡轮构件，其特征在于，所述涂层还包括镧、铈、锆、镁、稀土金属中的至少一种或它们的组合。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的涡轮构件，其特征在于，所述涂层还包括：
0wt%到10wt%的钨；
0wt%到10wt%的钽；
0wt%到0.5wt%的铪；以及
0wt%到0.5wt%的硅。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的涡轮构件，其特征在于，所述涂层还包括：钨、钼、钽、铼、钛、铌、钒、铂族金属或它们的组合，其中这些元素的总组合量为20wt%或更少。
13.根据权利要求1至7中的任一项所述的涡轮构件，其特征在于，所述涂层基本上由以下构成：
30wt%到40wt%的钴；
22wt%到25wt%的铬；
8wt%到12wt%的铝；
0.1wt%到1wt%的钇；以及
镍。
14.根据权利要求1至9中的任一项所述的涡轮构件，其特征在于，所述涂层基本上由以下构成：
30wt%到40wt%的钴；
22wt%到25wt%的铬；
8wt%到12wt%的铝；
0.1wt%到1wt%的钇；
镍；以及
钉扎剂的分布。
15.一种包括前述权利要求中的任一项所述的涡轮构件的燃气轮机，其中所述涡轮构件定位在所述燃气轮机的热气流通路内，使得暴露于所述热气流通路的所述涂层保护所述燃气轮机内的所述超级合金基底。
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