專利名稱：超合金元件和其改進方法
超合金元件和其改進方法本發(fā)明涉及超合金元件和改進超合金元件的方法。暴露于熱腐蝕性氣體的元件，如暴露于熱和腐蝕性燃燒氣體的燃氣輪機(gas turbine)元件，一般都采用在升高的溫度具有高強度的超合金制備。此類超合金一般為基于鎳(Ni)，鈷(Co)或鐵(Fe)。雖然超合金在高達120(TC或更高具有高強度，它們?nèi)匀恍枰乐寡趸?或腐蝕。通常采用形成于超合金元件表面或所謂MCrAlY-覆蓋涂層(overlay coating)的氧化鋁皮(alumina scale)來提供該保護，其中M代表鎳，鈷或鐵，Y代表釔 (Y)，鉿(Hf)，或稀土元素。在制備覆蓋涂層期間，鋁被氧化并形成緊密粘連的氧化鋁皮，其保護元件不被氧化和/或腐蝕。此類涂層為，比如在EPO 486 489B1, EP 0 786 017B1，或 EP 1 306 456A1中公開。從US 4 615 864中可知，在MCrAlY組合物中添加鉿，釔或鑭(La) 是有利，因為這些物質(zhì)的氧化物協(xié)助銷入(spinning)氧化鋁皮。如果涂層能夠提供隔熱(如燃氣輪機的渦輪機螺旋槳的隔熱)，其也可稱為熱障涂層(Thermal Barrier Coating) (TBC)。鑒于前述的現(xiàn)有技術，本發(fā)明的目的為提供一種改進超合金元件如燃氣輪機元件的方法和提供如此改進的元件。該目的通過如權利要求1限定的改進超合金元件的方法和如權利要求14限定的超合金元件來實現(xiàn)。從屬權利要求包含本發(fā)明的進一步擴展。在本發(fā)明的方法中，超合金元件，尤其是基于鎳的超合金元件，基于鈷的超合金元件或基于鐵的超合金元件通過選自Hf，La和Y的組的至少一種添加劑改進。根據(jù)本發(fā)明， 至少一種添加劑引入元件的表面層。表面層深度可為0. 5mm或更小，優(yōu)選0. 25mm或更小。引入至少一種選自鉿，鑭和釔的組的添加劑進入超合金元件的表面層中改進了元件，在于后續(xù)施加的包括MCrAlY涂層的熱障涂層(TBC)由于所述添加劑而顯示出改進的抗氧化性?？寡趸缘母倪M提高了涂層的壽命。另外，MCrAlY涂層中保護性氧化物皮的銷入也得到了改進，其也改進了涂層的壽命。當在超合金元件的大塊鑄件材料中以大的量加入添加劑時，熱障涂層施加可能會帶來困難，而通過僅在表面層中添加添加劑，添加劑在此因此可以展現(xiàn)其益處而在熱障涂層施加時避免該問題的產(chǎn)生。值得注意的是，在本發(fā)明范圍內(nèi)只需要有一種選自鉿，鑭和釔的組的添加劑存在。 然而，本發(fā)明的范圍也可包括至少兩種選自鉿，鑭和釔的組的添加劑存在，或者全部三種元素都存在。如果存在至少兩種選自上述組的添加劑，所述添加劑可以依次引入元件的表面層，或者它們可以同時引入。在全部三種元素都存在的情況下，全部三種添加劑可以依次引入或者同時引入。進一步的變型為，同時引入兩種元素，而第三種元素在其它兩種之前或之后引入。如果鉿用作添加劑，引入表面層的量為表面層材料組成的至多5重量％，優(yōu)選為至多1重量％。如果釔用作添加劑，引入表面層的量為表面層材料組成的至多0.2重量％， 優(yōu)選是至多0. 05重量％。如果鑭用作添加劑，引入表面層的量為表面層材料組成的至多 0. 2重量％，優(yōu)選是至多0. 05重量％。所述至少一種添加劑可通過將其熔融進入表面而引入到表面層中?？蛇x地，所述至少一種添加劑可通過將其擴散至表面中而引入表面層。將添加劑熔融進入表面層可通過加熱表面層實現(xiàn)，尤其是局部加熱表面，比如，激光加熱方法。局部加熱表面使得能夠局部熔融該表面及使熔融的表面以定向 (directionally oriented)的方式固化，由此，如果本發(fā)明的方法將要應用于單晶或定向固化的超合金元件，則添加劑引入的該方法是有益的。在這樣的局部加熱方法中，表面將通過加熱方法掃描，如通過上述的激光。在添加劑將擴散到超合金元件的表面中的情況下，擴散可以通過本領域技術人員所熟知的常見加熱處理實現(xiàn)。為了實現(xiàn)熔融或擴散工藝，能夠?qū)辽僖环N添加劑的漿料基質(zhì)施加至表面。 隨后局部或全局加熱在其上施加了所述漿料的表面。此類漿料基質(zhì)可有利地含有超合金的基體材料，即鎳(在基于鎳的超合金情況下)、鈷(在基于鈷的超合金情況下)和鐵(在基于鐵的超合金情況下)，和有機粘合劑。有機粘合劑可以特別是鉻酸鹽/酯和磷酸鹽/酯有機粘合劑。根據(jù)本發(fā)明方法的進一步，在添加劑已經(jīng)引入元件的表面層中之后，將抗氧化和/ 或抗腐蝕涂層，如以熱障涂層的形式，施加到超合金元件的表面上。這樣的熱障涂層有利地包含MCrAlY涂層，從而通過引入所述超合金元件表面層中的添加劑實現(xiàn)上述的協(xié)助氧化鋁皮銷入的效果。本發(fā)明的超合金元件具有包含選自鉿，鑭和釔的組的表面層。該表面層可具有 0.5mm或更小，優(yōu)選0.25mm或更小的深度。由此類超合金元件能夠?qū)崿F(xiàn)的優(yōu)點已經(jīng)關于本發(fā)明方法進行了論述。因此，本發(fā)明超合金元件可達到的優(yōu)點可參照說明書涉及本發(fā)明方法的部分。該超合金元件可在表面層上包含抗氧化和/或抗腐蝕涂層。該涂層可以特別地是包含MCrAlY涂層的熱障涂層。另外，本發(fā)明的超合金元件特別地可由作為單晶材料或定向固化材料的超合金材料制備。本發(fā)明的其它特征、性能和優(yōu)點將根據(jù)以下本發(fā)明具體實施方案結合附圖的描述變得清晰。

圖1，概要顯示了改進超合金元件的本發(fā)明方法的實施方案。圖2，顯示了本發(fā)明超合金元件的實施方案。參照圖1說明本發(fā)明通過至少一種選自鉿，鑭和釔的組的添加劑來改進超合金元件的本發(fā)明方法的一個實施方案。在本發(fā)明方法中，所述至少一種添加劑引入元件1的表面層，該元件可以是燃氣輪機元件，如渦輪機輪葉或葉片或燃氣輪機中熱氣通道的管線元件。根據(jù)圖ι描述的實施方案，添加劑通過包含該添加劑的漿料3的方式引入超合金元件1 的表面層7中。漿料施加到元件1的表面上，隨后加熱漿料3以使添加劑熔融進入元件的表面層7中。本實施方案中，通過局部加熱工藝實施加熱，其中局部加熱的位置在表面上移動。在本發(fā)明方法所述實施方案的第一步中，漿料形成為包含固體內(nèi)含物和有機粘合齊U。所述固體內(nèi)含物包括例如粉末形式、薄片形式等的該超合金元件的基體材料和一定含量的鉿和/或鑭和/或釔。如果，例如該超合金元件由基于鎳的超合金制備，該固體內(nèi)含物將包含鎳，其將作為固體內(nèi)含物的主要部分。該有機粘合劑可為例如有機粘合劑，包括鉻酸鹽/酯和磷酸鹽/酯。有機粘合劑可以以漿料的40重量％ -70重量％的量存在。鉿的量為漿料的0-2. 5重量％，優(yōu)選0-1重量％。釔的量可以為漿料的0-0. 1重量％，優(yōu)選0-0.05重量％。鑭的量可為漿料的0-0. 1重量％，優(yōu)選0-0. 05重量％。漿料的余量將基本上為超合金的基體材料。制備該漿料通過將固體內(nèi)含物加入有機粘合劑隨后徹底混合形成均一的漿料而進行。形成漿料后，該漿料施加到超合金元件1的表面上以形成漿料層3，如圖1所示。 可以通過任何合適的方法將漿料施加到超合金元件1的表面上，如通過將漿料噴灑到元件 1的表面上，并將其上施加了所述漿料的元件在300-400°C之間(如大約350°C )進行熱處理以固化所述漿料。當已經(jīng)通過加熱處理的方式在超合金元件1的表面上形成固化的漿料層3后，通過激光束5掃描所述表面以局部熔融所述漿料的固體內(nèi)含物和超合金元件1的表面層7。在本實施方案中，超合金元件1是定向固化的元件，其中結晶晶粒沿共同的擇優(yōu)取向延伸。但是，其也可以是單晶元件或沒有任何擇優(yōu)晶向的元件。在加熱過程中，激光束5在超合金元件1的表面上沿著由超合金材料中晶體優(yōu)選的擴展方向所決定的方向移動。圖1中的箭頭示意性地顯示了該移動。通過謹慎選擇移動的方向和加熱斑單位表面積的激光束5的能量，本領域技術人員能夠?qū)崿F(xiàn)通過激光束5產(chǎn)生的熔體適應于晶體結構和下層固體晶體在固化過程中的取向，來適應超合金元件1主體的定向固化結構。注意，雖然本實施方案的超合金元件1是定向固化元件，它也可以是單晶元件，因為局部加熱單晶超合金元件的表面能以如上所述相同的方式使用，使得熔體固化，且所述超合金元件1的主體材料具有連續(xù)晶體結構，以使固化后表面層7與元件1的主體形成單晶。另外，應當注意的，上述的工藝步驟原則上也可以用于不具有定向固化或單晶結構的超合金元件。在熔融的漿料固體內(nèi)含物和超合金元件1的表面層7的再固化的過程中，將鉿和 /或鑭和/或釔引入到表面層7中。在通過激光束5加熱的過程中，漿料中的有機成分揮發(fā)或(如果它們不揮發(fā)的話) 變脆以使其能夠很容易地從表面去除，如通過對表面稍加噴砂。在本發(fā)明方法的所述實施方案中，添加劑即鉿和/或鑭和/或釔，熔融進入到超合金元件的表面層7中。然而，也可以通過擴散工藝將添加劑引入到表面層7中。在此情況中，在表面上具有固化的漿料層3的超合金元件1將經(jīng)受熱處理，其溫度將選擇為例如引起添加劑擴散進入超合金元件1的表面層7中。當不需要表面層7具有定向固化或單晶結構時，將添加劑引入表面層7中的該方法是特別有用的。在鉿和/或鑭和/或釔已經(jīng)引入到超合金元件1的表面層7中后，將包含陶瓷涂層11的熱障涂層9施加到元件表面上。該熱障涂層可以是，例如，晶體結構至少部分地由釔穩(wěn)定的氧化鋯層11以及位于氧化鋯層11和超合金元件1的表面層7之間的MCrAlY涂層13。MCrAlY涂層和釔穩(wěn)定的氧化鋯涂層以及施加此類涂層的方法，為本領域所公知，因此不在此處說明。在施加MCrAlY涂層13的過程中，形成保護性的氧化鋁皮，其銷入至超合金元件1的表面。鉿和/或釔和/或鑭協(xié)助銷入該保護性皮。
依據(jù)所述實施方案，本發(fā)明方法的結果是本發(fā)明的超合金元件1，如圖2所示。可以看出，超合金元件1具有包含鉿和/或釔和/或鑭的表面層7以及施加在其上的熱障涂層9。然而，本發(fā)明的超合金元件不需要具有所述熱障涂層或可以具有不同種類的抗氧化和 /或抗腐蝕涂層系統(tǒng)，形成氧化鋁皮。依據(jù)本發(fā)明，通過引入鉿和/或鉿和/或釔和/或鑭到元件的表面層中，改進了超合金元件。特別地，這使得能夠改進施加在此類改進的超合金元件上的抗氧化和/或抗腐蝕涂層性涂層。
權利要求
1.通過選自Hf，La，Y的組的至少一種添加劑改進超合金元件(1)的方法，其中將所述至少一種添加劑引入所述元件的表面層(7)中。
2.如權利要求1所述的方法，其中將選自Hf，La，Y的組的至少兩種添加劑引入所述元件(1)的表面層(7)中。
3.如權利要求2所述的方法，其中將所述添加劑依次引入所述元件(1)的表面層(7)中。
4.如權利要求2所述的方法，其中至少兩種添加劑同時引入所述元件(1)的表面層 (7)中。
5.如權利要求1-4任一項所述的方法，其中將所述至少一種添加劑引入表面層(7)中， 深度為0. 5mm或更少。
6.如權利要求1-5任一項所述的方法，其中將Hf用作添加劑，且Hf以所述表面層(7) 的材料組成的至多5重量％的量引入所述表面層(7)中。
7.如權利要求1-6任一項所述的方法，其中將La和/或Y用作添加劑，且La和/或Y 以所述表面層(7)的材料組成的至多0.2重量％的量引入所述表面層(7)中。
8.如權利要求1-7任一項所述的方法，其中將所述至少一種添加劑引入所述表面層 (7)中通過使所述至少一種添加劑熔融進入所述表面進行。
9.如權利要求8所述的方法，其中使所述至少一種添加劑熔融進入所述表面通過局部加熱所述表面進行。
10.如權利要求1-7任一項所述的方法，其中將所述至少一種添加劑引入所述表面層 (7)中通過使所述至少一種添加劑擴散進入所述表面進行。
11.如權利要求8-10任一項所述的方法，其中所述熔融或擴散通過將包含所述至少一種添加劑的漿料基質(zhì)施加在所述表面上并加熱在其上具有施加的所述漿料的所述表面進行。
12.如權利要求11所述的方法，其中所述漿料基質(zhì)包含所述超合金的基體材料和有機粘合劑。
13.如權利要求1-12任一項所述的方法，其中，在添加劑引入所述元件(1)的表面層 (7)后，將抗氧化和/或抗腐蝕涂層(1 施加到所述超合金元件(1)的所述表面上。
14.具有表面層(7)的超合金元件(1)，包含選自Gf，La，Y的組的添加劑。
15.如權利要求14所述的超合金元件(1)，其中表面層的深度為0.5mm或更小。
全文摘要
本發(fā)明涉及通過選自Hf，La，Y的至少一種添加劑來改進元件(1)的方法。所述至少一種添加劑引入元件(1)的表面層(7)中。
文檔編號C23C20/04GK102482757SQ201080016023
公開日2012年5月30日 申請日期2010年2月18日 優(yōu)先權日2009年4月9日
發(fā)明者P·M·沃克 申請人:西門子公司