專利名稱：形成可磨耗涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明包括涉及形成可磨耗多孔涂層(abradable porous coating)的方法。
背景技術(shù)：
多孔金屬涂層在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中用作壓縮機(jī)密封。在運(yùn)行中，旋轉(zhuǎn)的壓縮機(jī)葉 片往往會(huì)在涂層中切出溝槽以減少間隙，從而增加了壓縮機(jī)的效率并最小化了對(duì)壓縮機(jī)葉 片端部的潛在損傷。該金屬涂層可以通過(guò)在壓縮機(jī)表面上沉積金屬和聚合物的復(fù)合物來(lái)形 成。為了獲得涂層所需的微結(jié)構(gòu)，必須將所沉積涂層中存留的聚合物的部分或全部除去。 這種除去步驟通常是消耗時(shí)間的，并造成對(duì)周圍的發(fā)動(dòng)機(jī)部件的損傷。正常的除去方法是 將被涂覆的部件置于空氣爐中并加熱涂層至設(shè)定的溫度以將聚合物從金屬中燒去。然而， 當(dāng)涂層是施加在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)殼上時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)因其尺寸而不能放置在爐內(nèi)。從而，存在著對(duì)能有 效地并且不會(huì)損傷鄰近的發(fā)動(dòng)機(jī)部件地、在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上形成多孔金屬涂層的新方法的需 求。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)實(shí)施方案中，形成涂層(coating)的方法包括在襯底表面上沉積第一涂料 層(coating layer)，其中該涂層包括陶瓷或金屬、潤(rùn)滑材料和易消散材料(a fugitive material) 0通過(guò)用局部熱源(localized heat source)加熱第一涂料層，使易消散材料的 至少一部發(fā)生分解、轉(zhuǎn)化或揮發(fā)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，形成涂層的方法包括在襯底表面上沉積第一涂料層，其中 該第一涂料層包括陶瓷、潤(rùn)滑材料和聚合物易消散材料。通過(guò)用等離子炬加熱第一涂料層， 使所述聚合物易消散材料的至少一部分發(fā)生分解、轉(zhuǎn)化或揮發(fā)。


圖1顯示了依照本發(fā)明的實(shí)施方案制造的可磨耗涂層的結(jié)構(gòu)。圖2顯示了依照本發(fā)明的另一可選實(shí)施方案制造的可磨耗涂層的結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式此處公開(kāi)的是在襯底上形成可磨耗多孔涂層的方法。該涂層可被用在各種襯底 上，并且其在旋轉(zhuǎn)機(jī)械上特別有用，所述旋轉(zhuǎn)機(jī)械例如渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件。例如，該襯底可以 是燃?xì)鉁u輪機(jī)壓縮機(jī)機(jī)殼、離心壓縮機(jī)機(jī)殼、渦輪機(jī)護(hù)罩、和/或渦輪增壓器壓縮機(jī)。在優(yōu) 選的實(shí)施方案中，該襯底是燃?xì)鉁u輪機(jī)壓縮機(jī)并且該涂層是沉積在限定壓縮機(jī)機(jī)殼內(nèi)部直 徑的表面上。該涂層可以包括陶瓷材料例如氧化鋯、氧化鋁、氧化鈰、氧化釔、氧化鎂、氧化鈣、 氧化鏑(disprosia)、二氧化鈦、或它們的組合。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，該涂層包括氧化釔穩(wěn) 定的氧化鋯。
在一個(gè)實(shí)施方案中，該涂層包括金屬?？梢源嬖谟谕繉又械慕饘侔ㄤX、鈦、銅、 鋅、鎳、鉻、鐵、鈷、硅、鎢、鉭、鉬、釔、或它們的組合。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，該涂層包括鈷。在 一個(gè)實(shí)施方案中，該金屬是金屬合金。適宜用于涂層中的金屬合金的實(shí)例包括CoNiCrAlY、 AlSi、NiCrAl、NiCrAlY, NiCrFeAl、NiAl、NiCr、FeCrAlY、或它們的組合。優(yōu)選地，該金屬合 金是 CoNiCrAlY。涂層可以包括約10重量百分?jǐn)?shù)至約90重量百分?jǐn)?shù)的所述陶瓷或金屬。在一個(gè)實(shí) 施方案中，涂層包括約30重量百分?jǐn)?shù)至約90重量百分?jǐn)?shù)的所述陶瓷或金屬。在另一個(gè)實(shí) 施方案中，涂層包括約70重量百分?jǐn)?shù)至約90重量百分?jǐn)?shù)的所述陶瓷或金屬。涂層也可以包括潤(rùn)滑材料，該潤(rùn)滑材料包括但不限于六方氮化硼(hBN)、石墨、二 硫化鉬、氟化鈣、或它們的組合。在一個(gè)實(shí)施方案中，潤(rùn)滑材料是六方氮化硼。潤(rùn)滑材料可以以約0. 1重量百分?jǐn)?shù)至約20重量百分?jǐn)?shù)的量存在于涂層中。在一 個(gè)實(shí)施方案中，涂層包括約3重量百分?jǐn)?shù)至約15重量百分?jǐn)?shù)的潤(rùn)滑材料。在另一個(gè)實(shí)施方 案中，涂層包括約3重量百分?jǐn)?shù)至約10重量百分?jǐn)?shù)的潤(rùn)滑材料。如之前提到的，易消散材料存在于所沉積的涂層中。在一個(gè)實(shí)施方案中，易消散材 料包括聚合物?？梢源嬖谟谝紫⒉牧现械倪m宜的聚合物的實(shí)例包括聚酯、聚酰亞胺、或苯 乙烯。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，聚合物是聚酯。用于此處的短語(yǔ)“易消散材料”指的是存在于涂層中的、可以分解、轉(zhuǎn)化、或揮發(fā)而 在涂層中形成多孔微結(jié)構(gòu)的任何材料。用于此處的術(shù)語(yǔ)“轉(zhuǎn)化”指的是從易消散材料沉積 在涂層中的原始形態(tài)改變其形態(tài)。在其在涂層中的原始的沉積狀態(tài)下，易消散材料可以被 描述為被金屬或陶瓷基質(zhì)所圍繞的固體并基本上填充了基質(zhì)中的大多數(shù)空間。在轉(zhuǎn)化后的 狀態(tài)中，在易消散材料結(jié)構(gòu)中發(fā)生大孔隙的形成，從而留下了被所述金屬或陶瓷基質(zhì)所圍 繞的易消散材料的薄層或者存留的易消散材料的“纖維狀(stringy)，，網(wǎng)絡(luò)。涂層可以包括約20體積百分?jǐn)?shù)至約75體積百分?jǐn)?shù)的易消散材料。在一個(gè)實(shí)施方 案中，涂層包括約30體積百分?jǐn)?shù)至約75體積百分?jǐn)?shù)的易消散材料。在另一個(gè)實(shí)施方案中， 涂層包括約45體積百分?jǐn)?shù)至約75體積百分?jǐn)?shù)的易消散材料。存在著一些可用在本發(fā)明中的商售的可磨耗涂層材料。適宜的商售涂料的實(shí)例包 括SM2042，其可購(gòu)自Sulzer Metco有限公司。涂層可以通過(guò)本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的任意的方法來(lái)沉積至襯底表面上，其包括但 不限于等離子噴涂、燃燒工藝或使用高速氧焰。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，涂層是等離子噴涂至 襯底表面上的。襯底可以包含置于襯底表面上且位于可磨耗涂層之下的結(jié)合涂層(bondcoat)。 在一個(gè)實(shí)施方案中，結(jié)合涂層包括鋁、鈦、銅、鋅、鎳、鉻、鐵、鈷、硅、鎢、鉭、鉬、釔、或它們的 組合。適宜用于結(jié)合涂層中的金屬合金的實(shí)例包括CoNiCrAlY、AlSi, NiCrAl, NiCrAlY, NiCrFeAl、NiAl、NiCr、FeCrAlY、或它們的組合。結(jié)合涂層可以通過(guò)各種技術(shù)施加至襯底表 面，其包括等離子噴涂、燃燒工藝或使用高速氧焰。在涂層被沉積至襯底表面上后，用局部熱源加熱涂層。該涂層被加熱至高到足以 將存在于涂層中的易消散材料全部或至少一部分分解、轉(zhuǎn)化或揮發(fā)掉的溫度。結(jié)果，在涂 層中產(chǎn)生了多孔微結(jié)構(gòu)?？捎糜诒景l(fā)明的適宜的局部熱源包括等離子炬、高速氧燃料火焰 (HVOF)、高速空氣燃料火焰(HVAF)或其他適宜的燃燒炬。如上所述的用于沉積涂層至襯底
4上的局部熱源也可以用于在涂層中產(chǎn)生所述多孔微結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施方案中，涂層被加熱到至少450攝氏度的溫度。在一個(gè)實(shí)施方案中，涂 層被加熱到約450攝氏度至約1000攝氏度之間的溫度。在一個(gè)實(shí)施方案中，涂層被加熱到 約450攝氏度至約900攝氏度之間的溫度。在又另一個(gè)實(shí)施方案中，涂層被加熱到約450 攝氏度至約800攝氏度之間的溫度。在于第一涂料層中產(chǎn)生多孔微結(jié)構(gòu)之后，一個(gè)或多個(gè)附加涂料層可以沉積在第一 涂料層上，使用在上文中描述的涂層沉積技術(shù)。在沉積了每一附加涂料層之后，將該附加涂 料層加熱至高到足以將存在于該附加涂層中的易消散材料全部或至少一部分分解、轉(zhuǎn)化或 揮發(fā)掉的溫度。由于由局部熱源所提供的強(qiáng)烈加熱，在涂層中的易消散材料的分解、轉(zhuǎn)化或揮發(fā) 的速率是至少10平方毫米每秒。在一個(gè)實(shí)施方案中，易消散材料以約100平方毫米每秒的 速率分解、轉(zhuǎn)化或揮發(fā)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，易消散材料以約200平方毫米每秒的速率分 解、轉(zhuǎn)化或揮發(fā)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，易消散材料以約300平方毫米每秒的速率分解、轉(zhuǎn) 化或揮發(fā)。局部熱源具有靶向涂層的特定區(qū)域的能力，并且如果需要，可以僅僅涂層的選定 區(qū)域用局部熱源加熱以將易消散材料分解或揮發(fā)。進(jìn)一步地，由于用局部熱源加熱涂層的 該受控方式，對(duì)鄰近襯底的部件的過(guò)熱或損傷被避免。下面的實(shí)施例，其意圖示范性地而非限制性地舉例說(shuō)明用于此處所述的各種實(shí)施 方案中的一些的制備的組合物和方法。實(shí)施例實(shí)施例1使用DC等離子炬將包括CoNiCrAlY、氮化硼和聚酯的涂層制備在不銹鋼304板 上。將包括27wt %的鈷、26wt %的鎳、17wt %的鉻、7wt %的鋁、0. 5wt %的釔、8. 5wt %的氮化 硼和14wt%的聚酯粉末的原料粉末材料以約5磅每小時(shí)的進(jìn)料速率注入到可購(gòu)自Sulzer Metco有限公司的7MB DC等離子炬中。該等離子炬運(yùn)行在400安培(A)的電流和21千瓦 (kff)的功率下。等離子形成性氣體的流速對(duì)于氬氣和氫氣而言分別為100標(biāo)準(zhǔn)立方英尺每 小時(shí)和5標(biāo)準(zhǔn)立方英尺每小時(shí)(SCFH)。等離子炬以600毫米(mm)每秒掃描橫跨所述不銹 鋼襯底，同時(shí)在等離子炬噴嘴和襯底之間保持約5英寸的恒定噴涂距離。通過(guò)橫跨整個(gè)襯 底用等離子炬掃描85次，獲得了具有約1. Imm厚度的涂層。所沉積的涂層接著用7MB DC等離子炬加熱，所述7MB DC作為局部熱源以200毫 米每秒的速度掃描整個(gè)襯底一次，同時(shí)在等離子炬噴嘴和涂層表面之間保持約2英寸的恒 定噴涂距離。該等離子炬運(yùn)行在680A的電流和40kW的功率下。等離子形成性氣體的流速 對(duì)于氬氣而言是100SCFH，對(duì)于氫氣而言是15SCHL所得涂層的結(jié)構(gòu)顯示在圖1中。涂層包括CoNiCrAlY和氮化硼，具有已反應(yīng)的聚 酯區(qū)域、部分反應(yīng)的聚酯區(qū)域、未反應(yīng)的聚酯區(qū)域和孔隙區(qū)域。CoNiCrAlY和氮化硼在涂層 的整個(gè)厚度上分布。未反應(yīng)的聚酯區(qū)域12位于靠近襯底表面處，并從襯底表面延伸以具有 約為27%的涂層厚度的深度。涂層還包含已反應(yīng)的區(qū)域14，其包括孔隙和已反應(yīng)的及部分 反應(yīng)的聚酯。該已反應(yīng)的區(qū)域14從未反應(yīng)區(qū)域12的端部延伸至涂層外表面，并具有約為 73%的涂層厚度的深度。實(shí)施例2將包括27wt % 的鈷、26wt % 的鎳、17wt % 的鉻、7wt % 的鋁、0. 5wt % 的釔、8. 5wt % 的氮化硼和14wt%的聚酯粉末的原料粉末材料以約5磅每小時(shí)的進(jìn)料速率注入到可購(gòu)自Sulzer Metco有限公司的7MB DC等離子炬中。該等離子炬運(yùn)行在400A的電流和21. 6kW 的功率下。等離子形成性氣體的流速對(duì)于氬氣和氫氣而言分別為125SCFH和5SCHL等離 子炬橫跨不銹鋼304板以600mm每秒的速度掃描，同時(shí)在等離子炬噴嘴和襯底之間保持約4 英寸的恒定噴涂距離。通過(guò)橫跨襯底用等離子炬掃描21次，獲得了具有約0. 36mm厚度的 第一涂料層。所沉積的第一涂料層接著用7MB DC等離子炬加熱，所述等離子炬作為局部熱源以 200毫米每秒的速度橫跨襯底掃描二遍，同時(shí)在等離子炬噴嘴和涂層表面之間保持約2英 寸的恒定噴涂距離。該等離子炬運(yùn)行在680A的電流和40kW的功率下。等離子形成性氣體 的流速對(duì)于氬氣而言是100SCFH，對(duì)于氫氣而言是15SCHL將上述的用于沉積和加熱第一涂料層的步驟再重復(fù)兩次，其中所述附加涂料層沉 積在第一涂料層的頂部以形成位于不銹鋼襯底上的三層式涂層。在沉積了所述附加涂料層 后，涂層具有約1. Imm的厚度。所得涂層的結(jié)構(gòu)顯示在圖2中。涂層包括CoNiCrAlY和氮化硼，具有已反應(yīng)的聚 酯區(qū)域、部分反應(yīng)的聚酯區(qū)域、未反應(yīng)的聚酯區(qū)域和孔隙區(qū)域。CoNiCrAlY和氮化硼在涂層 的整個(gè)厚度上分布。未反應(yīng)的聚酯區(qū)域12位于靠近襯底表面處，并從襯底表面延伸以具有 約為15%的涂層厚度的深度。涂層還包含已反應(yīng)的區(qū)域14，其包括孔隙和已反應(yīng)的及部分 反應(yīng)的聚酯。該已反應(yīng)的區(qū)域14從未反應(yīng)區(qū)域12的端部延伸至涂層外表面，并具有約為 85%的涂層厚度的深度。此處所公開(kāi)的所有范圍均包括端點(diǎn)，并且端點(diǎn)能夠彼此結(jié)合。此處使用的術(shù)語(yǔ)“第 一”、“第二”和類似表述并不表示任何的次序、數(shù)量、或重要性，而是用于將一種要素和其他 的相區(qū)別。與數(shù)量一起使用的修飾語(yǔ)“大約”和“約”包括宣稱值，并具有上下文指定的意 思(例如，包括與特定數(shù)量的測(cè)量相伴隨的誤差度)。在描述本發(fā)明的上下文中“某(a)” 和“某個(gè)(an)”和“該、所述(the)”以及類似對(duì)象(特別是在權(quán)利要求的上下文中)的使 用應(yīng)被解釋為覆蓋單數(shù)個(gè)和復(fù)數(shù)個(gè)，除非此處另有指明或與上下文明顯矛盾。在連同多個(gè)實(shí)施方案來(lái)詳細(xì)地描述本發(fā)明時(shí)，本發(fā)明并不受限于這些公開(kāi)的實(shí)施 方案。進(jìn)而，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行修改而結(jié)合任意數(shù)目的未在之前描述過(guò)的變型、更改、替代 或等價(jià)安置，但其與本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍相一致。此外，雖然已描述了本發(fā)明的各種實(shí)施方 案，但是應(yīng)理解的是本發(fā)明的方面可以包括所描述的實(shí)施方案中的僅一些。相應(yīng)地，本發(fā)明 不視為受前面的說(shuō)明書限制，而僅僅受限于所附的權(quán)利要求的范圍。
權(quán)利要求
形成涂層的方法，包括在襯底表面上沉積第一涂料層，該第一涂料層包括陶瓷或金屬；潤(rùn)滑材料；和易消散材料；和通過(guò)用局部熱源加熱所述第一涂料層，使所述易消散材料的至少一部分分解、轉(zhuǎn)化或揮發(fā)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述易消散材料的至少一部分的分解、轉(zhuǎn)化或揮發(fā)在 所述涂層中產(chǎn)生了多孔微結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述易消散材料包括聚合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中用局部熱源加熱所述第一涂料層包括 用等離子炬、高速氧燃料火焰、或高速空氣燃料火焰加熱所述第一涂料層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述涂層被加熱到至少450攝氏度的溫度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述涂層包括金屬，且所述金屬包括鋁、鈦、銅、鋅、鎳、 鉻、鐵、鈷、硅、鎢、鉭、鉬、釔、或它們的組合。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述涂層包括金屬合金，且所述金屬合金包括 CoNiCrAlY, AlSi、NiCrAl、NiCrAlY, NiCrFeAl、NiAl、NiCr、FeCrAlY、或它們的組合。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述涂層包括陶瓷，且所述陶瓷包括氧化鋯、氧化鋁、 氧化鈰、氧化釔、氧化鎂、氧化鈣、氧化鏑、氧化鈦、或它們的組合。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中至少一部分的所述聚合物以至少10平方毫米每秒的速 率分解、轉(zhuǎn)化、或揮發(fā)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括在所述第一涂料層的表面上沉積第二涂料層，該第二涂料層包括 陶瓷或金屬； 潤(rùn)滑材料；和 易消散材料；和通過(guò)用局部熱源加熱所述第二涂料層，使所述易消散材料的至少一部分分解、轉(zhuǎn)化或 揮發(fā)。
全文摘要
本發(fā)明涉及形成可磨耗涂層的方法。尤其涉及形成涂層的方法，包括在襯底表面上沉積第一涂料層，其中該涂層包括陶瓷或金屬、潤(rùn)滑材料、和易消散材料。通過(guò)用局部熱源加熱第一涂料層，使所述易消散材料的至少一部分分解、轉(zhuǎn)化或揮發(fā)。
文檔編號(hào)C09D1/00GK101915127SQ20091025841
公開(kāi)日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2009年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月19日
發(fā)明者F·格哈斯里普爾, L·S·勒布蘭, L·S·羅森滋維格, N·圣 申請(qǐng)人:通用電氣公司