專利名稱：具有抗氧化性和抗疲勞性的金屬涂料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種保護高溫燃氣輪機組件的抗氧化和抗疲勞金屬涂料。
背景技術：
在過去，研制出了各種對高溫燃氣輪機組件進行氧化保護的金屬涂料。這些涂料通常是基于含鎳或鈷賤金屬材料的各種不同鋁合物(ahuminide)組合物。另一選擇，它們基于帶有MCrAlY基底的涂覆沉積物，其中M是鎳、鈷、鐵或者它們的結合物。這些涂料體系存在缺陷，阻礙了其在更新的先進輪機組件中的使用。雖然鋁合物具有良好的抗疲勞性，但擴散后的鋁合物通常缺少抗高溫氧化生(華氏2000度以上)。涂覆的MCrAlY涂層具有嚴重的疲勞缺陷，這限制了它們的應用。在MCrAlY涂料中添加活潑的元素，不僅能提供優(yōu)良的抗氧化性，而且能使其成為良好的絕熱陶瓷涂層用粘合層。雖然鋁合物涂料與MCrAlY涂料應用廣泛，但是，要將一種新的兼具以上兩種涂料最佳特性的涂料很快應用到先進的輪機組件上，就要使疲勞性、拉伸性(pull weight)和氧化性都減少到最低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的在于提供一種具有優(yōu)良抗氧化性和抗疲勞性的金屬涂料組合物。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種涂料組合物，它能減少涂料與普通輪機合金之間的熱膨脹失調(diào)。
以上所述的兩個目的通過本發(fā)明的涂料都將實現(xiàn)。
本發(fā)明提供的金屬涂料含有至多18wt％的鈷；3.0～18wt％的鉻；5.0～15wt％的鋁；0.1～1.0wt％的釔；至多0.6wt％的鉿；至多0.3wt％的硅；3.0～10wt％的鉭；至多9.0wt％的鎢；1.0～6.0wt％的錸；至多10wt％的鉬和余量的鎳。本發(fā)明的涂料組合物中鉭和鎢的總含量為3.0～16wt％。
關于本發(fā)明中兼具抗氧化和抗疲勞性能的金屬涂料的其他具體內(nèi)容，及其他相關目的和優(yōu)點，將在下文中給予具體的描述。
具體實施例方式
輪機的組件是由鎳基合金、鈷基合金和鐵基合金制成。由于這些器件需在特別高的溫度下工作，因此為它們提供保護涂層是很有必要的。該涂料必須是這樣一種組合物，它能最大限度地減少施用了它的輪機組件所受的疲勞影響，同時又要盡可能地提供最大的抗氧化性。并且這種涂料能使涂層和形成輪機組件的合金之間的熱膨脹失調(diào)達到最小。這種熱膨脹失調(diào)正是導致MCrAlY涂層產(chǎn)生差的疲勞性能的原因之一。
依照本發(fā)明所提供的金屬涂料，它能減少熱失調(diào)，并具備所期望的抗氧化性和抗疲勞生。這些金屬涂料具有基本構成如下的組成至多18wt％的鈷；3.0～18wt％的鉻；5.0～15％wt的鋁；0.1～1.0wt％的釔；至多0.6wt％的鉿；至多0.3wt％的硅；3.0～10wt％的鉭；至多9.0wt％的鎢；1.0～6.0wt％的錸；至多10wt％的鉬和余量的鎳。在這些涂料中鉭和鎢的總含量為3.0～16wt％。
在上文提到的寬泛定義的涂料組合物中，第一組特別適用于輪機組件的涂料組合物的基本構成是至多15wt％，優(yōu)選為2.0wt％或更少的鈷；5.0～18wt％，優(yōu)選為10～15wt％的鉻；5.0～12wt％，優(yōu)選為6.0～10wt％的鋁；0.1～1.0wt％，優(yōu)選為0.2～0.7wt％的釔；至多0.6wt％，優(yōu)選為0.2～0.6wt％的鉿；至多0.3wt％，優(yōu)選為0.1wt％或更少的硅；3.0～10wt％，優(yōu)選為5.0～7.0wt％的鉭；至多5.0wt％，優(yōu)選為1.0～4.0wt％的鎢；1.0～6.0wt％，優(yōu)選為1.0～3.5wt％的錸；至多10wt％，優(yōu)選為4.0wt％或更少的鉬和余量的鎳。在這些金屬涂料中鉭和鎢的總含量為3.0～12wt％，優(yōu)選為5.0～9.0wt％。
在第一組涂料中，特別適用的涂料組合物由12.5wt％的鉻；8.0wt％的鋁；0.4～0.7wt％的釔；0.4wt％的鉿；6.0wt％的鉭；2.0wt％的鎢；2.0wt％的錸和余量的鎳組成。
第二組特別有用的金屬涂料組合物含2.0～18wt％，優(yōu)選為8.0～12wt％的鈷；3.0～10wt％，優(yōu)選為4.0～6.5wt％的鉻；5.5～15wt％，優(yōu)選為7.5～12.5wt％的鋁；0.1～1.0wt％，優(yōu)選為0.2～0.7wt％的釔；至多0.6wt％，優(yōu)選為0.2～0.6wt％的鉿；至多0.3wt％的硅；3.0～10wt％，優(yōu)選為5.0～7.0wt％的鉭；1.0～9.0wt％，優(yōu)選為4.2～5.8wt％的鎢；1.0～5.0wt％，優(yōu)選為2.3～3.7wt％的錸；0.2～4.0wt％，優(yōu)選為1.4～2.0wt％的鉬和余量的鎳。在這些涂料中鉭和鎢的總含量為3.0～12wt％，優(yōu)選為5.0～9.0wt％。
在第二組涂料中，特別有用的涂料組合物由10.5wt％的鈷；5.0wt％的鉻；9.0wt％的鋁；0.4～0.7wt％0.4wt％的鉿；0.1wt％的硅；6.0wt％的鉭；5.0wt％的鎢；3.0wt％的錸；1.7wt％的鉬和余量的鎳組成。
一種導致涂料抗疲勞性能差的原因是涂層過厚。典型的覆蓋涂層沉積方法包括熱噴鍍法，如低壓等離子噴鍍法(LPPS)，用這種方法所產(chǎn)生的涂層厚度在0.004～0.012英寸之間。利用陰極電弧等離子氣相沉積技術，可以使如前所述組合物的涂層厚度達到0.002英寸。在美國專利5,972,185；5,632,078；6,036,828；5,792,267和6,224,726中，對采用陰極電弧等離子氣相沉積法施涂本發(fā)明涂料的技術進行了討論，所有這些專利在此引入作為參考。備選的沉積方法包括如磁控管陰極濺射等離子氣相沉積法和電子束等離子氣相沉積法之類其它等離子氣相沉積法，都可在本發(fā)明中使用。當涂層厚度的影響不存在時，各種熱噴鍍技術如低壓等離子噴鍍技術和HVOF(高速氧燃料)技術都可以使用。
含有本發(fā)明組合物的涂層已被證明具有和最佳抗疲勞的擴散鋁合物涂料一樣的抗熱疲勞生。下面將用圖表說明在華氏2100度利用燃燒裝置，將本發(fā)明組合物與其他涂料組合物進行循環(huán)氧化實驗所得的結果。

**涂料厚度統(tǒng)一為2密耳。
編號為701的樣品是由以下成分構成12.5wt％的鉻；8.0wt％的鋁；0.4～0.7wt％的釔；0.4wt％的鉿；6.0wt％的鉭；2.0wt％的鎢；2.0wt％的錸和平衡量的鎳。編號為702的樣品的組成成分10.5wt％的鈷；5.0wt％的鉻；9.0wt％的鋁；0.4～0.7wt％的釔；0.4wt％的鉿；0.1wt％的硅；6.0wt％的鉭；5.0wt％的鎢；3.0wt％的錸；1.7wt％鉬和平衡量的鎳。
編號為703的樣品組成為7.0wt％的鉻；6.0wt％的鋁；5.5wt％的鎢；4.0wt％的鉭；2.0wt％的錸；4.0wt％的釕；0.5wt％的鉬；0.4wt％的鉿；0.25wt％的釔和平衡量的鎳。
編號為699的樣品是NiCoCrAlY與錸和鉭的組合物。編號為700，697，695和696的樣品是NiAl與2～4wt％鉻，0.2～0.6wt％釔和0.4wt％鉿的組合物。標為PWA275的樣品是傳統(tǒng)的低活性NiAl鋁合物。
實驗條件是每小時在華氏2100度下保持57分鐘，然后強制通空氣冷卻3分鐘。燃燒裝置使用了預熱的混有JP8噴射燃料的壓縮空氣，以在動態(tài)環(huán)境中加熱樣品。
顯而易見，本發(fā)明所提供的抗氧化和抗疲勞金屬涂料將完全滿足上文所提到的各種目的、裝置和優(yōu)點。盡管在上文的具體實施方案中對本發(fā)明進行了描述，但是，本領域技術人員閱讀了上述的描述后，很容易對本發(fā)明作出其它選擇、修改和變化。故這些選擇、修改和變化也落入本發(fā)明的附屬權利要求書范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種具有抗氧化性和抗疲勞性的金屬涂料，它含有至多18wt％的鈷；3.0～18wt％的鉻；5.0～15wt％的鋁；0.1～1.0wt％的釔；至多0.6wt％的鉿；至多0.3wt％的硅；3.0～10wt％的鉭；至多9.0wt％的鎢；1.0～6.0wt％的錸；至多10wt％的鉬和余量的鎳。
2.如權利要求1所述的金屬涂料，其中所述的鉭和鎢的總含量在3.0～16.0wt％之間。
3.如權利要求1所述的金屬涂料，其中所述的鈷的含量少于15wt％；所述鉻的含量為5.0～18wt％；所述鋁的含量為5.0～12wt％；所述鎢的含量少于5.0wt％。
4.如權利要求1所述的金屬涂料，其中所述的鈷的含量為2.0～18wt％；所述鉻的含量為3.0～10wt％；所述鋁的含量為5.5～15wt％；所述錸的含量為1.0～5.0wt％；所述鉬的含量為0.2～4.0wt％。
5.如權利要求1所述的金屬涂料，其中所述的鉭和鎢的總含量在4.0～16wt％之間。
6.一種金屬涂料，其組成基本上由至多15wt％的鈷；5.0～18wt％的鉻；5.0～12wt％的鋁；0.1～1.0wt％的釔；至多0.06wt％的鉿；至多0.3wt％的硅；3.0～10wt％的鉭；至多5.0wt％的鎢；1.0～6.0wt％的錸；至多10wt％的鉬和余量的鎳組成。
7.如權利要求6所述的金屬涂料，其中所述的鉭和鎢的總含量在3.0～12wt％之間。
8.如權利要求6所述的金屬涂料，其中所述的鉭和鎢的總含量在5.0～9.0wt％之間。
9.如權利要求6所述的金屬涂料，其中所述的鈷的含量少于2.0wt％；所述鉻的含量為10～15wt％；所述鋁的含量為6.0～10wt％；所述釔的含量為0.2～0.7wt％；所述鉿的含量為0.2～0.6wt％；所述硅的含量至多為0.1wt％；所述鉭的含量為5.0～7.0wt％。
10.如權利要求6所述的金屬涂料，其中所述的鉻的含量為12.5wt％；鋁的含量為8.0wt％。
11.如權利要求9所述的金屬涂料，其中所述的釔的含量為0.4～0.7wt％；所述鉿的含量為0.4wt％。
12.如權利要求6所述的金屬涂料，其中所述的錸的含量為1.0～3.5wt％，優(yōu)選為2.0wt％。
13.如權利要求6所述的金屬涂料，其中所述的鉬的含量至多為4.0wt％。
14.一種金屬涂料，其基本由至多2.0wt％的鈷；10～15wt％的鉻；6.0～10wt％的鋁；0.2～0.7wt％的釔；0.2～0.6wt％的鉿；0.001～0.1wt％的硅；5.0～7.0wt％的鉭；1.0～4.0wt％的鎢；1.0～3.5wt％的錸；至多4.0wt％的鉬和余量的鎳組成。
15.如權利要求14所述的金屬涂料，其中所述的鎢和鉭的總含量在5.0～9.0wt％之間。
16.一種金屬涂料，其由12.5wt％的鉻；8.0wt％的鋁；0.4～0.7wt％的釔；0.4wt％的鉿；6.0wt％的鉭；2.0wt％的鎢；2.0wt％的錸和余量的鎳組成。
17.一種金屬涂料，其基本上由2.0～18wt％的鈷；3.0～10wt％的鉻；5.5～15wt％的鋁；0.1～1.0wt％的釔；至多0.6wt％的鉿；至多0.3wt％的硅；3.0～10wt％的鉭；1.0～9.0wt％的鎢；1.0～5.0wt％的錸；0.2～4.0wt％的鉬和余量的鎳組成。
18.如權利要求17所述的金屬涂料，其中所述的鉭和鎢的總含量在4.0～16wt％之間。
19.如權利要求17所述的金屬涂料，其中所述的鉭和鎢的總含量在7.0～12wt％之間。
20.如權利要求17所述的金屬涂料，其中所述的鉭和鎢的總含量為11wt％。
21.如權利要求17所述的金屬涂料，其中所述的鈷的含量為8.0～12wt％；所述鉻的含量為4.0～6.5wt％；所述鋁的含量為7.5～12.5wt％；所述釔的含量為0.2～0.7wt％；所述鉿的含量為0.2～0.6wt％；所述硅的含量至多為0.1wt％；所述鉭的含量為5.0～7.0wt％。
22.如權利要求17所述的金屬涂料，其中所述的鈷的含量為10.5wt％；鉻的含量為5.0wt％所述鋁的含量為9.0wt％；所述釔的含量為0.4～0.7wt％；所述鉿的含量為0.4wt％；所述鉭的含量為6.0wt％。
23.如權利要求17所述的金屬涂料，其中所述的鎢的含量為4.2～5.8wt％；所述錸的含量為2.3～3.7wt％；所述鉬的含量為1.4～2.0wt％。
24.如權利要求17所述的金屬涂料，其中所述的鎢的含量為5.0wt％；所述錸的含量為3.0wt％；所述鉬的含量為1.7wt％。
25.一種金屬涂料，其組成基本上由8.0～12wt％的鈷；4.0～6.5wt％的鉻；7.5～12.5wt％的鋁；0.2～0.7wt％的釔；0.2～0.6wt％的鉿；至多0.3wt％的硅；5.0～7.0wt％的鉭；4.2～5.8wt％的鎢；2.3～3.7wt％的錸；1.4～2.0wt％的鉬和余量的鎳組成。
26.如權利要求25所述的金屬涂料，其中所述的鉭和鎢的總含量在7.0～12wt％之間。
27.一種金屬涂料，其由10.5wt％的鈷；5.0wt％的鉻；9.0wt％的鋁；0.4～0.7wt％的釔；0.4wt％的鉿；0.1wt％的硅；6.0wt％的鉭；5.0wt％的鎢；3.0wt％的錸；1.7wt％的鉬和余量的鎳組成。
28.一種在基底上沉積覆蓋涂層的方法，它包括提供由至少一種鎳基、鈷基和鐵基的金屬材料形成的基底材料；并在所述基底上沉積涂料，該涂料基本由至多18wt％的鈷；3.0～18wt％的鉻；5.0～15wt％的鋁；0.1～1.0wt％的釔；至多0.6wt％的鉿；至多0.3wt％的硅；3.0～10wt％的鉭；至多9.0wt％的鎢；1.0～6.0wt％的錸；至多10wt％的鉬和余量的鎳組成。
29.如權利要求28所述的沉積覆蓋涂層的方法，其中所述的沉積步驟采用陰極電弧法或低壓等離子噴涂法進行。
30.如權利要求28所述的方法，其中所述的沉積步驟包括沉積基本上由以下成分組成的涂料組合物至多15wt％的鈷；5.0～18wt％的鉻；5.0～12wt％的鋁；0.1～1.0wt％的釔；至多0.6wt％的鉿；至多0.3wt％的硅；3.0～10wt％的鉭；至多5.0wt％的鎢；1.0～6.0wt％的錸；至多10wt％的鉬和余量的鎳。
31.如權利要求28所述的方法，其中所述的沉積步驟包括沉積基本上由以下成分組成的涂料組合物至多2.0wt％的鈷；10～15wt％的鉻；6.0～10wt％的鋁；0.2～0.7wt％的釔；0.2～0.6wt％的鉿；至多0.1wt％的硅；5.0～7.0wt％的鉭；1.0～4.0wt％的鎢；1.0～3.5wt％的錸；至多4.0wt％的鉬和余量的鎳。
32.如權利要求28所述的方法，其中所述的沉積步驟包括沉積基本上由以下成分組成的涂料組合物2.0～18wt％的鈷；3.0～10wt％的鉻；5.5～15wt％的鋁；0.1～1.0wt％的釔；至多0.6wt％的鉿；至多0.3wt％的硅；3.0～10wt％的鉭；1.0～9.0wt％的鎢；1.0～5.0wt％的錸；0.2～4.0wt％的鉬和余量的鎳。
33.如權利要求28所述的方法，其中所述的沉積步驟包括沉積基本上由以下成分組成的涂料組合物8.0～12wt％的鈷；4.0～6.5wt％的鉻；7.5～12.5wt％的鋁；0.2～0.7wt％的釔；0.2～0.6wt％的鉿；至多0.3wt％的硅；5.0～7.0wt％的鉭；4.2～5.8wt％的鎢；2.3～3.7wt％的錸；1.4～2.0wt％的鉬和余量的鎳。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種沉積在汽輪機組件上的金屬涂料。該金屬涂料含有至多18wt％的鈷；3.0～18wt％的鉻；5.0～15wt％的鋁；0.1～1.0wt％的釔；至多0.6wt％的鉿；至多0.3wt％的硅；3.0－10wt％的鉭；至多9.0wt％的鎢；1.0～6.0wt％的錸；至多10wt％的鉬和余量的鎳。
文檔編號C23C28/00GK1483769SQ0313606
公開日2004年3月24日 申請日期2003年5月6日 優(yōu)先權日2002年5月7日
發(fā)明者R·A·貝爾斯, A·A·內(nèi)策爾, A·坎, R A 貝爾斯, 內(nèi)策爾 申請人:聯(lián)合工藝公司