專利名稱：用于處理待鍍層的Ni基高溫合金制部件表面的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及處理用于高溫操作的Ni基高溫合金制部件如氣輪發(fā)動機(jī)部件待鍍層表面的方法，鍍層和表面兩者均包括元素Al和/或Cr，本發(fā)明也涉及修復(fù)所用部件鍍層的方法。
設(shè)計(jì)用于高溫領(lǐng)域的部件如汽輪機(jī)的葉片通常鍍有防護(hù)鍍層。所述鍍層保護(hù)基礎(chǔ)材料免受熱環(huán)境的熱效應(yīng)帶來的腐蝕和氧化并且由大多數(shù)使用元素Al和Cr的合金如MCrAlY組成。在部件的運(yùn)作期間，鍍層被緩慢氧化和/或腐蝕掉并且在一定時候某些地方被完全脫除或達(dá)到不再適合繼續(xù)運(yùn)作的最小設(shè)計(jì)限。
其鍍層在運(yùn)作時受磨損和/或其它損傷的部件按一定周期拆下進(jìn)行修復(fù)和/或重新調(diào)整，在此期間剝除殘余鍍層、進(jìn)行各種修復(fù)并施加新的鍍層。除此之外，可能在生產(chǎn)時新部件被不適當(dāng)?shù)劐儗?，因此必須將鍍層剝離以便施加可接受質(zhì)量的鍍層。
過去對于鍍層來說，以較高的含量使用較多的鋁，以便在升高的溫度下有更好的耐氧化性。作為基礎(chǔ)材料來說經(jīng)常使用的是高溫合金如Ni基高溫合金。這種Ni基高溫合金公開于美國專利5759301中。由于鍍層中Al和Cr含量比基礎(chǔ)材料中明顯高得多而產(chǎn)生了一個問題。在下面在鍍層和基礎(chǔ)材料之間出現(xiàn)了不需要的金屬間(intermallic)相γ相(prime)(Ni3Al)。
通常將Ni基高溫合金熱處理以便析出被較軟的γ基體包圍的立體γ相顆粒。在非常高的體積比例下，γ相易于形成連續(xù)raft或帶，它與上述分散條件相比具有低得多的耐裂縫增長和耐蠕變性。即使在高溫合金正常的γ相體積比例下在Ni基高溫合金部件運(yùn)作時過熱的現(xiàn)象會導(dǎo)致γ相熔合成半連續(xù)帶?，F(xiàn)示出這種微結(jié)構(gòu)的部件由于γ相raft的減弱作用而不再適合進(jìn)一步使用。
當(dāng)常規(guī)的MCrAlY鍍層被施加到由Ni基合金制備的部件表面時，通常需要擴(kuò)散熱處理來確保鍍層和基礎(chǔ)材料之間的高質(zhì)量結(jié)合。在熱處理和隨后的部件在高溫下的運(yùn)作中，鍍層的Al和Cr擴(kuò)散到基礎(chǔ)材料表面形成“互擴(kuò)散區(qū)(interdiffusion)”，區(qū)中通常析出γ相的連續(xù)帶。γ相帶的析出主要是因?yàn)锳l在“互擴(kuò)散區(qū)”的富集(enrichment)，而這直接導(dǎo)致Ni3Al的形成，同時也因?yàn)樵黾覣l的熱動力活性的Cr的存在。在延長使用時間后，所述“互擴(kuò)散區(qū)”可延伸至透過鍍層/部件界面到達(dá)部件內(nèi)部約200μm。
大家理解導(dǎo)致鍍層剝落的裂紋通常并不出現(xiàn)在基礎(chǔ)材料／鍍層界面本身而是出現(xiàn)在脆化的沿γ相帶的互擴(kuò)散區(qū)。
這種影響為美國專利5556713所認(rèn)識，該專利提供了一種通過在鍍層前將Re原子離子植入(implantation)到基礎(chǔ)材料表面的技術(shù)形成擴(kuò)散阻隔層。擴(kuò)散阻隔層的目的在于阻止Al和Cr有害地?cái)U(kuò)散到基礎(chǔ)材料中并形成脆化的γ相連續(xù)帶。
美國專利5728227也間接地認(rèn)識到了這種影響，它公開了一種從鎳基合金除去擴(kuò)散鍍層的方法。它的做法是機(jī)械去除外鍍層而露出擴(kuò)散鍍層內(nèi)部部分并且除去留在部件表面層上的相當(dāng)于“互擴(kuò)散區(qū)”的多余的鋁。所述部件可以是經(jīng)使用的部件、或者就是不適當(dāng)?shù)劐儗拥牟考约靶枰迯?fù)鍍層的部件。按照該專利，該方法可被認(rèn)為是反轉(zhuǎn)了原先的Al從預(yù)先施加的鍍層到表面部分的擴(kuò)散。也可只將該方法應(yīng)用于原先鍍層或經(jīng)使用的部件。
此外美國專利5728227的先有技術(shù)的機(jī)械裝置可將相當(dāng)大的殘留應(yīng)力加到部件表面。盡管這對于由等軸晶粒equiaxed結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的部件來說并沒有多大的意義，但是如果進(jìn)行熱處理使γ相按需要重新分布時，具有定向凝固結(jié)構(gòu)(柱狀晶?；騿尉?的部件極易由于裝置殘留應(yīng)力而重結(jié)晶。在這種部件中的重結(jié)晶會顯著降低其蠕變和循環(huán)載荷下的耐破裂性，并通常導(dǎo)致其成碎片脫落。美國專利5598968實(shí)際認(rèn)識到了這個問題并提出了一種對重結(jié)晶問題的解決方法，就是使部件表面層的碳化物析出。但是，碳化物析出需要昂貴和耗時的熱處理并且改變了原樣部件和部件基礎(chǔ)合金的結(jié)構(gòu)。
制備處理原先鍍層的部件的現(xiàn)有技術(shù)是通過機(jī)械或化學(xué)方法脫除鍍層、通過各種裝置諸如自動電弧清潔裝置(transfer arc clearning)清潔表面并重新鍍層。美國專利5728227只對機(jī)械脫除方法提出了權(quán)利要求。盡管機(jī)械脫除對于其使用期內(nèi)預(yù)定要經(jīng)歷幾次重新鍍層操作的部件(如航空發(fā)動機(jī)部件)來說是有其優(yōu)越性的，但是對于只進(jìn)行兩次或三次這種重新鍍層操作的部件則沒有多少優(yōu)越性，特別對于需要修補(bǔ)的具有疵點(diǎn)鍍層的新鍍層部件來說則完全沒有優(yōu)越性。這種新鍍層部件具有非常小的互擴(kuò)散區(qū)。
對于新部件來說，除了對擴(kuò)散區(qū)問題的外部解決方法諸如擴(kuò)散阻隔層外，還有在鍍層前制備中進(jìn)行的方法，它包括表面清潔處理諸如噴砂處理、表面研磨、浸蝕和/或自動電弧清潔。但是所有這些方法均只是用于去除部件表面不想要的夾雜物(inclusion)或污染物，對于表面層的化學(xué)成分并無明顯效果。沒有一種提出的方法可避免脆化互擴(kuò)散區(qū)的形成。
本發(fā)明的目的是克服所存在的缺點(diǎn)。本發(fā)明解決了創(chuàng)造了一種制備用于高溫用途的待鍍層部件如Ni基高溫合金部件以便防止在部件和鍍層之間出現(xiàn)互擴(kuò)散區(qū)的方法的任務(wù)。本發(fā)明也可用于修補(bǔ)已經(jīng)鍍層的部件。
本發(fā)明發(fā)現(xiàn)了一種制備處理用于高溫用途的待鍍層部件如Ni基高溫合金部件的方法，其特征在于脫除部件外表面的Al、Cr和Ti中的任何一種或其組合并且將鍍層直接施加到經(jīng)脫除處理的表面上。
本方法的優(yōu)點(diǎn)是即使在鍍層后的擴(kuò)散熱處理時或部件在隨后的高溫下使用時Al和Cr按通常的那樣擴(kuò)散，在鍍層前在新生產(chǎn)部件基礎(chǔ)材料上脫除了Al和/或Ti和/或Cr的層的產(chǎn)生阻止了γ相連續(xù)層的形成。它有利地脫除了深至500μm、優(yōu)選20-200μm的部件表面的Al、Cr和Ti或其組合物。
本發(fā)明方法也可用于在使用時鍍層由于熱影響而損傷的鍍層部件，這時鍍層和存在于鍍層與基礎(chǔ)材料之間的“互擴(kuò)散區(qū)”通過機(jī)械或化學(xué)等方法去除。
本發(fā)明涉及制備高溫用待鍍層部件的方法。使用這類部件的例子有氣輪機(jī)的槳葉。所述部件一般包括基礎(chǔ)材料和鍍層。經(jīng)常使用的基礎(chǔ)材料的例子有Ni基高溫合金，可使用的絕熱鍍層材料有MCrAlY或其類似物。
即使在鍍層后的擴(kuò)散熱處理時或部件在隨后的高溫下使用時，在鍍層前在新生產(chǎn)部件基礎(chǔ)材料的外表面上脫除了Al和/或Ti和/或Cr的層的產(chǎn)生阻止了γ相連續(xù)層的形成。本發(fā)明方法脫除了深至500μm、優(yōu)選20-200μm深度的部件表面的Al、Cr和Ti或其組合物。
所述元素的脫除通過一種將活性離子諸如氟離子與部件表面接觸的清除方法來完成。已知用于該目的的有例如Dayton法或Ti鍍法。這種脫除方法描述于例如專利EP 34041或US 4188237中。公開于美國專利4405379或4098450中的用于清潔高溫合金表面氧化物的方法作為副反應(yīng)也脫除了部件的外表面。
此外，所述脫除步驟可例如通過將任何數(shù)目的任何組合或比例的下面成分的加入到爐具中來完成氟化氫、氟、氫氣、聚四氟乙烯、氦、氬、氮、氟化鉻、氟化銨、甲烷或碳氟化合物或碳?xì)浠衔?。各種成分的加入量、其組和或其比例可連續(xù)變化或在部件處理時的任何特定時候變化和/或在使脫除效果最佳的任何溫度下變化。為了除去殘留的金屬氟化物，可在之后進(jìn)行另外的真空熱處理。
所述脫除步驟也可在能對部件進(jìn)行固溶(solutioning)硬化和/或沉淀硬化熱處理的時候進(jìn)行。
部件表面也可在脫除處理后進(jìn)行化學(xué)或機(jī)械清潔以便清除殘留鹽或其它污染物，但是脫除后的表面層不能被去除(表面層被去除的情況可能在例如在噴砂處理下發(fā)生)。
鍍層操作可直接在經(jīng)脫除處理的層上進(jìn)行。
如果存在部件的內(nèi)部冷卻通道，就可能阻隔了用于脫除處理表面的氣體而導(dǎo)致Al、Cr或Ti沒有從內(nèi)部冷卻通道表面脫除。當(dāng)內(nèi)表面被鍍鋁或其它耐環(huán)境性處理時，這尤其需要。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是由于最初脫除了部件表面層的γ相形成元素，極大地消除了在擴(kuò)散熱處理時和/或部件的使用期中互擴(kuò)散區(qū)的γ相連續(xù)帶。也期待由于這種特殊的制備而可使用高于常規(guī)鋁含量的鍍層，從而使鍍層壽命更長而接近部件本身的使用期，而這可消除對修補(bǔ)部件時高耗費(fèi)的重新鍍層操作的必要性。
本發(fā)明方法也可應(yīng)用于其鍍層因?yàn)槭褂脮r熱破壞或過度氧化損傷并必須更新的部件。除去舊鍍層和存在于基礎(chǔ)材料與鍍層之間的“互擴(kuò)散區(qū)”后，可實(shí)施上述的脫除方法。保護(hù)鍍層的這種化學(xué)去除方法公開于例如美國專利5071486。去除舊鍍層的另一種方法是用HCl化學(xué)脫除，或使用機(jī)械設(shè)備例如噴水器、高速機(jī)械加工等去除。
權(quán)利要求
1．處理用于施加鍍層的Ni基高溫合金制部件表面的方法，部件和鍍層均包括元素Al和/或Cr，其特征在于在脫除了部件表面所有的Al、Ti、Cr或它們的組合后，將部件的鍍層直接施加到已脫除處理的表面上。
2．權(quán)利要求1的方法，其特征在于部件表面脫除處理的深度達(dá)到500μm。
3．權(quán)利要求2的方法，其特征在于部件表面脫除處理的深度范圍為20到200μm。
4．權(quán)利要求1到3中任一項(xiàng)的方法，其特征在于在施行本發(fā)明方法前去除舊鍍層和存在于鍍層與部件之間的互擴(kuò)散區(qū)(interdiffusion)的任何手段。
5．權(quán)利要求4的方法，其特征在于在固溶(solutioning)硬化和/或沉淀硬化熱處理時進(jìn)行本發(fā)明方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及處理用于施加鍍層的高溫用Ni基高溫合金制部件表面的方法,部件和鍍層均包括元素Al和/或Cr,其特征在于在脫除了部件外表面Al、Ti、Cr中的任何一種或它們組合后,將鍍層直接施加到脫除處理的部件表面上。所述措施避免了在部件使用時在互擴(kuò)散區(qū)內(nèi)形成脆性γ相raft。所述方法也可在使用任何方法除去舊的損壞鍍層和所存在的互擴(kuò)散區(qū)后使用。
文檔編號C23C14/02GK1283709SQ0012400
公開日2001年2月14日 申請日期2000年8月9日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月9日
發(fā)明者A·貝格利, J·費(fèi)尼霍夫, C·特內(nèi)斯 申請人:Abb阿爾斯托姆電力(瑞士)股份有限公司