發(fā)明領(lǐng)域
本發(fā)明涉及隔熱涂層系統(tǒng)和形成隔熱涂層系統(tǒng)的方法。更具體地講，本發(fā)明涉及隔熱涂層系統(tǒng)和形成結(jié)合鋁化物粘合涂層的隔熱涂層系統(tǒng)的方法。
發(fā)明背景
燃?xì)鉁u輪機(jī)包括組件，例如葉片(bucket)(葉片(blade))、噴管(導(dǎo)向葉片(vane))、燃燒器、外殼和其它熱氣通道組件，它們用隔熱涂層涂覆，以保護(hù)組件不受燃?xì)鉁u輪機(jī)內(nèi)存在的極端溫度、化學(xué)環(huán)境和物理?xiàng)l件侵害。粘合涂層可施加到組件和隔熱涂層之間，所述粘合涂層提高隔熱涂層對(duì)組件的粘合強(qiáng)度，并提供附加保護(hù)。這些粘合涂層目前可通過高速氧燃料(hvof)或真空等離子噴涂(vps)技術(shù)施加，這些方法花費(fèi)大，且進(jìn)一步導(dǎo)致組件維護(hù)費(fèi)用提高。
發(fā)明概述
在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，在基材上形成隔熱涂層系統(tǒng)的方法包括制備包含約35至約65%重量給體粉末、約1至約25%重量活化劑粉末和約25至約60%重量粘合劑的漿料。給體粉末包括具有高于鋁的熔融溫度的金屬鋁合金，粘合劑包括至少一種有機(jī)聚合物凝膠。方法進(jìn)一步包括施加漿料到基材；加熱漿料，以形成鋁化物粘合涂層，鋁化物粘合涂層包含添加鋁化物層和布置于基材和添加鋁化物層之間的鋁化物互擴(kuò)散區(qū)域；并施加隔熱涂層到鋁化物粘合涂層。
在另一個(gè)示例性實(shí)施方案中，在燃?xì)鉁u輪機(jī)組件上形成致密的垂直破裂隔熱涂層系統(tǒng)的方法包括提供具有基材的燃?xì)鉁u輪機(jī)組件，并制備包含給體粉末、活化劑粉末和粘合劑的漿料。給體粉末包括具有高于鋁的熔融溫度的金屬鋁合金，粘合劑包括至少一種有機(jī)聚合物凝膠。方法進(jìn)一步包括直接施加漿料到基材；加熱漿料，以形成鋁化物粘合涂層，鋁化物粘合涂層包含添加鋁化物層和布置于基材和添加鋁化物層之間的鋁化物互擴(kuò)散區(qū)域；并直接施加致密的垂直破裂隔熱涂層到鋁化物粘合涂層的添加鋁化物層。
在另一個(gè)示例性實(shí)施方案中，在基材上的隔熱涂層系統(tǒng)包括隔熱涂層和布置于基材和隔熱涂層之間的鋁化物粘合涂層，鋁化物粘合涂層包含添加鋁化物層和布置于基材和添加鋁化物層之間的鋁化物互擴(kuò)散區(qū)域。
本發(fā)明包括以下方面：
方面1.一種在基材(102)上形成隔熱涂層系統(tǒng)(100)的方法，所述方法包括：
制備漿料，所述漿料包含約35至約65%重量給體粉末、約1至約25%重量活化劑粉末和約25至約60%重量粘合劑，給體粉末包括具有高于鋁的熔融溫度的金屬鋁合金，且粘合劑包括至少一種有機(jī)聚合物凝膠；
向基材(102)施加漿料；
加熱漿料，以形成鋁化物粘合涂層(106)，所述粘合涂層(106)包含添加鋁化物層(108)和布置于基材(102)和添加鋁化物層(108)之間的鋁化物互擴(kuò)散區(qū)域(110)；并且
將隔熱涂層(104)施加到鋁化物粘合涂層(106)。
方面2.方面1的方法，其中將漿料直接施加到基材(102)，將隔熱涂層(104)直接施加到鋁化物粘合涂層(106)的添加鋁化物層(108)，且形成不含任何mcraly粘合涂層的隔熱涂層系統(tǒng)(100)。
方面3.方面1的方法，其中所述給體粉末包括鉻-鋁合金。
方面4.方面1的方法，其中所述給體粉末具有最多100目的粒徑。
方面5.方面1的方法，其中所述活化劑粉末選自氯化銨、氟化銨、溴化銨及其組合。
方面6.方面1的方法，其中將漿料在基材(102)上加熱到約815℃至約1150℃的溫度。
方面7.方面1的方法，其中形成鋁化物粘合涂層(106)包括形成鋁化物粘合涂層(106)作為外向型涂層。
方面8.方面1的方法，其中所述基材(102)為燃?xì)鉁u輪機(jī)組件。
方面9.方面1的方法，其中所述基材(102)包括鎳基超合金。
方面10.方面1的方法，其中施加隔熱涂層(104)包括施加致密的垂直破裂隔熱涂層(104)。
方面11.一種在燃?xì)鉁u輪機(jī)組件上形成致密的垂直破裂隔熱涂層系統(tǒng)(100)的方法，所述方法包括：
提供具有基材(102)的燃?xì)鉁u輪機(jī)組件；
制備漿料，所述漿料包含給體粉末、活化劑粉末和粘合劑，所述給體粉末包括具有高于鋁的熔融溫度的金屬鋁合金，且粘合劑包括至少一種有機(jī)聚合物凝膠；
向基材(102)直接施加漿料；
加熱漿料，以形成鋁化物粘合涂層(106)，所述粘合涂層(106)包含添加鋁化物層(108)和布置于基材(102)和添加鋁化物層(108)之間的鋁化物互擴(kuò)散區(qū)域(110)；并且
將致密的垂直破裂隔熱涂層(104)直接施加到鋁化物粘合涂層(106)的添加鋁化物層(108)。
方面12.一種在基材(102)上的隔熱涂層系統(tǒng)(100)，所述隔熱涂層系統(tǒng)(100)包括：
隔熱涂層(104)；和
布置于基材(102)和隔熱涂層(104)之間的鋁化物粘合涂層(106)，所述鋁化物粘合涂層(106)包含添加鋁化物層(108)和布置于基材(102)和添加鋁化物層(108)之間的鋁化物互擴(kuò)散區(qū)域(110)。
方面13.方面12的隔熱涂層系統(tǒng)(100)，其中所述鋁化物粘合涂層(106)直接接觸基材(102)，隔熱涂層(104)直接接觸鋁化物粘合涂層(106)的添加鋁化物層(108)，且隔熱涂層系統(tǒng)(100)不含任何mcraly粘合涂層。
方面14.方面12的隔熱涂層系統(tǒng)(100)，其中所述基材(102)為選自葉片、噴管、外殼、燃燒器、熱氣通道組件及其組合的燃?xì)鉁u輪機(jī)組件。
本發(fā)明還包括以下項(xiàng)目：
項(xiàng)目1.一種在基材上形成隔熱涂層系統(tǒng)的方法，所述方法包括：
制備漿料，所述漿料包含約35至約65%重量給體粉末、約1至約25%重量活化劑粉末和約25至約60%重量粘合劑，給體粉末包括具有高于鋁的熔融溫度的金屬鋁合金，且粘合劑包括至少一種有機(jī)聚合物凝膠；
向基材施加漿料；
加熱漿料，以形成鋁化物粘合涂層，所述粘合涂層包含添加鋁化物層和布置于基材和添加鋁化物層之間的鋁化物互擴(kuò)散區(qū)域；并且
將隔熱涂層施加到鋁化物粘合涂層。
項(xiàng)目2.項(xiàng)目1的方法，其中將漿料直接施加到基材，將隔熱涂層直接施加到鋁化物粘合涂層的添加鋁化物層，且形成不含任何mcraly粘合涂層的隔熱涂層系統(tǒng)。
項(xiàng)目3.項(xiàng)目1的方法，其中所述給體粉末包括鉻-鋁合金。
項(xiàng)目4.項(xiàng)目1的方法，其中所述給體粉末具有最多約100目的粒徑。
項(xiàng)目5.項(xiàng)目1的方法，其中所述活化劑粉末選自氯化銨、氟化銨、溴化銨及其組合。
項(xiàng)目6.項(xiàng)目1的方法，其中施加漿料涂層包括施加約25mm最大厚度的漿料涂層。
項(xiàng)目7.項(xiàng)目1的方法，其中將漿料在基材上加熱到約815℃至約1150℃的溫度。
項(xiàng)目8.項(xiàng)目1的方法，其中形成鋁化物粘合涂層包括形成鋁化物粘合涂層作為外向型涂層。
項(xiàng)目9.項(xiàng)目1的方法，其中所述基材為燃?xì)鉁u輪機(jī)組件。
項(xiàng)目10.項(xiàng)目9的方法，其中燃?xì)鉁u輪機(jī)組件選自葉片、噴管、外殼、燃燒器、熱氣通道組件及其組合。
項(xiàng)目11.項(xiàng)目1的方法，其中所述基材包括鎳基超合金。
項(xiàng)目12.項(xiàng)目1的方法，其中加熱漿料形成殘余物，所述殘余物通過選自以下的技術(shù)去除：在鋁化物粘合涂層引導(dǎo)強(qiáng)制氣流、對(duì)鋁化物粘合涂層噴砂處理及其組合。
項(xiàng)目13.項(xiàng)目1的方法，其中施加漿料到基材形成具有最小厚度為約0.25mm和最大厚度為約6mm或更大的不均勻厚度的漿料涂層，且鋁化物粘合涂層具有以約0.01mm或更小變動(dòng)的厚度，因此，基本獨(dú)立于漿料涂層厚度。
項(xiàng)目14.項(xiàng)目1的方法，其中施加隔熱涂層包括施加致密的垂直破裂隔熱涂層。
項(xiàng)目15.一種在燃?xì)鉁u輪機(jī)組件上形成致密的垂直破裂隔熱涂層系統(tǒng)的方法，所述方法包括：
提供具有基材的燃?xì)鉁u輪機(jī)組件；
制備漿料，所述漿料包含給體粉末、活化劑粉末和粘合劑，所述給體粉末包括具有高于鋁的熔融溫度的金屬鋁合金，且粘合劑包括至少一種有機(jī)聚合物凝膠；
向基材直接施加漿料；
加熱漿料，以形成鋁化物粘合涂層，所述粘合涂層包含添加鋁化物層和布置于基材和添加鋁化物層之間的鋁化物互擴(kuò)散區(qū)域；并且
將致密的垂直破裂隔熱涂層直接施加到鋁化物粘合涂層的添加鋁化物層。
項(xiàng)目16.一種在基材上的隔熱涂層系統(tǒng)，所述隔熱涂層系統(tǒng)包括：
隔熱涂層；和
布置于基材和隔熱涂層之間的鋁化物粘合涂層，所述鋁化物粘合涂層包含添加鋁化物層和布置于基材和添加鋁化物層之間的鋁化物互擴(kuò)散區(qū)域。
項(xiàng)目17.項(xiàng)目16的隔熱涂層系統(tǒng)，其中所述鋁化物粘合涂層直接接觸基材，隔熱涂層直接接觸鋁化物粘合涂層的添加鋁化物層，且隔熱涂層系統(tǒng)不含任何mcraly粘合涂層。
項(xiàng)目18.項(xiàng)目16的隔熱涂層系統(tǒng)，其中所述鋁化物粘合涂層為外向型涂層。
項(xiàng)目19.項(xiàng)目16的隔熱涂層系統(tǒng)，其中所述基材為選自葉片、噴管、外殼、燃燒器、熱氣通道組件及其組合的燃?xì)鉁u輪機(jī)組件。
項(xiàng)目20.項(xiàng)目16的隔熱涂層系統(tǒng)，其中所述基材包括鎳基超合金。
通過以下優(yōu)選實(shí)施方案的更詳細(xì)描述并結(jié)合附圖，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將顯而易見，這些附圖舉例說明本發(fā)明的原理。
附圖說明
圖1為本公開的一個(gè)實(shí)施方案的隔熱涂層系統(tǒng)的橫截面圖。
只要可能，在整個(gè)圖中相同的附圖標(biāo)記表示相同的部件。
發(fā)明詳述
在此提供示例性隔熱涂層系統(tǒng)和形成隔熱涂層系統(tǒng)的方法。與不利用一個(gè)或多個(gè)本文所公開特征的方法比較，本公開的實(shí)施方案提高效率，減小應(yīng)用成本，減小維護(hù)成本或其組合。
參考圖1，在一個(gè)實(shí)施方案中，在基材102上的隔熱涂層系統(tǒng)100包括隔熱涂層104和布置于基材102和隔熱涂層104之間的鋁化物粘合涂層106，鋁化物粘合涂層106包含添加鋁化物層108和布置于基材102和添加鋁化物層108之間的鋁化物互擴(kuò)散區(qū)域110。在另一個(gè)實(shí)施方案中，鋁化物粘合涂層106為外向型涂層。
在一個(gè)實(shí)施方案中，鋁化物粘合涂層106直接接觸基材102，隔熱涂層104直接接觸鋁化物粘合涂層106的添加鋁化物層108，且隔熱涂層系統(tǒng)100不含任何mcraly粘合涂層。本文所用“不含任何mcraly粘合涂層”表示mcraly粘合涂層的層不結(jié)合到基材102上的隔熱涂層系統(tǒng)100，且基材102不包括接觸隔熱涂層系統(tǒng)100的mcraly粘合涂層。
在一個(gè)實(shí)施方案中，基材102為燃?xì)鉁u輪機(jī)組件。燃?xì)鉁u輪機(jī)組件可以為任何適合燃?xì)鉁u輪機(jī)組件，包括但不限于熱氣通道組件、葉片(bucket)(葉片(blade))、噴管(導(dǎo)向葉片(vane))、外殼、燃燒器或其組合。
在一個(gè)實(shí)施方案中，基材102包括鐵基超合金、鎳基超合金、鈷基超合金或其組合。
隔熱涂層104可以為任何適合隔熱涂層104，包括但不限于氧化釔穩(wěn)定化的氧化鋯。在一個(gè)實(shí)施方案中，隔熱涂層104為致密的垂直破裂隔熱涂層104。
在一個(gè)實(shí)施方案中，根據(jù)基材102材料，添加鋁化物層108包括耐環(huán)境金屬間相mal，其中m為鐵、鎳或鈷。添加鋁化物層108的化學(xué)組成可通過加入元素改變，例如鉻、硅、鉑、銠、鉿、釔、鋯或其組合。這些改變可改變添加鋁化物層108的環(huán)境和物理性質(zhì)。在一個(gè)實(shí)施方案中，添加鋁化物層108包括高達(dá)約50μm厚度，或者高達(dá)約75μm，或者高達(dá)約100μm，或者在約25μm至約75μm之間，或者在約50μm至約100μm之間。
在一個(gè)實(shí)施方案中，鋁化物互擴(kuò)散區(qū)域110包括高達(dá)約25μm厚度，或者高達(dá)約50μm，或者高達(dá)約75μm，或者在約10μm至約40μm之間，或者在約20μm至約50μm之間，或者在約30μm至約60μm之間。鋁化物互擴(kuò)散區(qū)域110可包括在用隔熱涂層系統(tǒng)100涂覆基材102期間形成的不同金屬間相和亞穩(wěn)相100。不受理論限制，相信不同金屬間相和亞穩(wěn)相由于擴(kuò)散梯度而形成，并且改變?cè)诨?02局部區(qū)域內(nèi)的元素溶解度。不同金屬間相和亞穩(wěn)相在基材102材料的基質(zhì)中分布。
在一個(gè)實(shí)施方案中，在基材102上形成隔熱涂層系統(tǒng)100的方法包括制備包含給體粉末、活化劑粉末和粘合劑的漿料，給體粉末包括具有高于鋁的熔融溫度的金屬鋁合金，且粘合劑包括至少一種有機(jī)聚合物凝膠。施加漿料到基材，并加熱，以形成鋁化物粘合涂層106。將隔熱涂層104施加到鋁化物粘合涂層106。在基材102和鋁化物粘合涂層106的添加鋁化物層108之間形成鋁化物互擴(kuò)散區(qū)域110。在另一個(gè)實(shí)施方案中，將漿料直接施加到基材102，將隔熱涂層104直接施加到鋁化物粘合涂層106的添加鋁化物層108，且形成不含任何mcraly粘合涂層的隔熱涂層系統(tǒng)100。
漿料可在基材上加熱到約815℃至約1150℃的溫度。在一個(gè)實(shí)施方案中，在漿料施加到基材102后，立即將基材102放入涂覆室，以進(jìn)行擴(kuò)散過程。將涂覆室抽空，并且可用惰性或還原氣氛(例如，分別用氬或氫)反填。使涂覆室內(nèi)的溫度升高到足以燒盡粘合劑的溫度(例如，約150℃至約200℃)，并進(jìn)一步進(jìn)行加熱，以達(dá)到所需的擴(kuò)散溫度，在此期間使活化劑揮發(fā)，形成鹵化鋁，并在基材102上沉積鋁。根據(jù)添加鋁化物層108和鋁化物擴(kuò)散區(qū)域110所需的最終厚度，基材102可保持在擴(kuò)散溫度約1至約8小時(shí)的持續(xù)時(shí)間。加熱漿料可形成殘余物。殘余物可通過任何適合技術(shù)去除，包括但不限于在鋁化物粘合涂層106引導(dǎo)強(qiáng)制氣流，對(duì)鋁化物粘合涂層106噴砂處理，或其組合。
在一個(gè)實(shí)施方案中，漿料包含約35至約65%重量給體粉末、約1至約25%重量活化劑粉末和約25至約60%重量粘合劑。在另一個(gè)實(shí)施方案中，漿料涂層包括具有約0.25mm最小厚度和約6mm或更大最大厚度的不均勻厚度，鋁化物粘合涂層106具有以約0.01mm或更小變動(dòng)的厚度，因此，基本獨(dú)立于漿料涂層厚度。漿料涂層可包括約25mm最大厚度。
給體粉末可包括具有高于鋁的熔融溫度(熔點(diǎn)約660℃)的金屬鋁合金。在一個(gè)實(shí)施方案中，給體粉末包括與鉻、鐵、另一種鋁成合金劑成合金的金屬鋁，或其組合，條件為成合金劑在擴(kuò)散鋁化過程期間不沉積，而是作為給體材料的鋁的惰性載體。在另一個(gè)實(shí)施方案中，給體粉末包括鉻-鋁合金，例如但不限于44%重量鋁、余量鉻和伴隨雜質(zhì)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，給體粉末具有達(dá)到100目(149μm)的粒徑，或達(dá)到200目(74μm)的粒徑。不受理論限制，相信給體粉末為細(xì)粉末減小給體粉末留存或殘留在基材102內(nèi)的可能性。
活化劑粉末可包括任何適合材料，包括但不限于氯化銨、氟化銨、溴化銨、另一種鹵化活化劑或其組合。用于活化劑粉末的適合材料與鋁在給體材料內(nèi)反應(yīng)形成揮發(fā)性鹵化鋁，例如但不限于alcl3或alf3，它在基材102反應(yīng)以沉積鋁，鋁擴(kuò)散進(jìn)入基材102，形成具有添加鋁化物層108和鋁化物互擴(kuò)散區(qū)域110的鋁化物粘合涂層106。
粘合劑可包括至少一種有機(jī)聚合物凝膠。適合的粘合劑包括但不限于以商品名vittabraz-bindergel購自vittacorporation的聚合物凝膠和低分子量聚醇(例如，聚乙烯醇)。在一個(gè)實(shí)施方案中，粘合劑還包括固化催化劑和加速劑或二者，例如但不限于次磷酸鈉。
在一個(gè)實(shí)施方案中，漿料不含惰性填料和無機(jī)粘合劑。不存在惰性填料和無機(jī)粘合劑防止這些物質(zhì)燒結(jié)和變得殘留在基材102內(nèi)。
隔熱涂層可通過任何適合技術(shù)施加，包括但不限于空氣等離子噴涂、低壓等離子噴涂、hvof、電子束物理氣相沉積或其組合。
雖然已關(guān)于優(yōu)選的實(shí)施方案描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解，可在不脫離本發(fā)明的范圍下進(jìn)行各種變化，并可用等效物代替其要素。另外，可在不脫離本發(fā)明的基本范圍下作出很多修改，以使具體情況或材料適應(yīng)本發(fā)明的教導(dǎo)。因此，預(yù)期本發(fā)明不限于預(yù)期作為實(shí)施本發(fā)明的最佳方式而公開的具體實(shí)施方案，但本發(fā)明應(yīng)包括落在所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有實(shí)施方案。