專利名稱：高耐氧化部件的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種高耐氧化性的部件，尤其是燃氣輪機的漿葉或輪片。
背景技術：
暴露于高溫下的金屬部件必須保護以防熱和腐蝕作用。
特別是對具有其燃燒室或其輪機漿葉或輪片的燃氣輪機，通常采用一種提供耐氧化性的中間體、保護性的MCrAlY層(M＝Fe、Co、Ni)和陶瓷熱絕緣涂層來保護部件，它能保護金屬部件的基底免遭熱的作用。
由于氧化作用，所以在MCrAlY-和熱絕緣涂層之間形成氧化鋁層。
為了使涂敷的部件壽命長，必須使MCrAlY層和熱絕緣涂層間有良好的連接性，而這可以通過熱絕緣涂層和MCrAlY層上的氧化物層的粘接來維持。
若兩種相互連接的涂層經常出現熱失配，或者陶瓷層與MCrAlY層上形成的氧化鋁層粘接不好時，熱絕緣涂層將出現剝落。
根據US-PS6287644知道了連續的階梯式的MCrAlY層粘結涂層，隨著與下面基底的距離增加它具有連續增加量的鉻、硅或鋯，為的是通過調節熱膨脹系數降低粘結涂層和熱絕緣涂層之間的熱失配。
US-PS5792521顯示了一種多層的熱絕緣涂層。
US-PS5514482公開了一種用于超級耐熱合金部件的熱絕緣涂層系統，該系統使用鋁化物涂層如NiAl消除了MCrAlY層，但這必須具有足夠高的厚度，以獲得想要的性能。由US-PS6255001也可以知曉類似的技術。
NiAl層有缺點，它非常脆，這導致涂敷的熱絕緣涂層易于剝落。
EP1082216B1描述了一種在其外層上具有γ-相的MCrAlY層。然而鋁含量高并且外層的這種γ-相只能通過以昂貴的方法的再熔融或從液相中沉積的方法獲得，因為再熔融或以液相涂敷的工藝需要另外的設備。
發明概述按照前述，本發明的目的在于描述一種具有良好的耐氧化性和與熱絕緣涂層具有良好粘接的保護層。
本發明的任務由作為外層的保護層解決，該保護層具有一層下面的常規MCrAlY層，在其上具有MCrAlY的不同組成和/或其它的組成。
一個可能性在于外層區具有經過選擇要使其具有β-NiAl-結構的組成。
尤其是由γ-Ni固溶體組成的MCrAlY層的選擇要使MCrAlY層的材料能通過例如等離子體噴鍍方法進行涂敷。這樣是有優點的，因為外層可在內層(MCrAlY)沉積后直接采用同一涂敷設備進行沉積，無須以另外的設備中再熔融表面。
保護層是連續的階梯式的兩層或多層的涂層。
附圖簡述
圖1表示根據現有技術的狀態所已知的耐熱部件。
圖2、3是本發明的耐氧化部件的實例。
本發明的詳細說明本發明可以許多不同的形式表現，并且不應視為限于本發明所列舉的實施方案。相反，所提供這些實施方案，是為了能徹底并完全公開本發明，并且對所述技術領域的技術人員來說，將充分地報導本發明的范圍內。
圖1表示現有技術的已知的耐熱部件。
高耐氧化部件具有基底4，在該基底上的MCrAlY層7，在MCrAlY層上形成或涂敷的熱生長的氧化物層10(TGO)，最后是外熱絕緣涂層13。
圖2表示本發明的高耐氧化部件1。
部件1可以是燃氣輪機的一種零件，尤其是氣輪機漿葉或輪片或熱防護屏。
基底4是金屬的，例如超級耐熱合金(例如Ni-Al-基的)。
在基底4上，MCrAlY層區16是一種例如NiCoCrAlY型的常規MCrAlY層16，其典型的組成(wt％)10％-50％的鈷(Co)，10％-40％的鉻(Cr)，6％-15％的鋁(Al)，0.02％-0.5％的釔(Y)和鎳(Ni)作基本成分或其余部分。
這種MCrAlY層16還可含有另外的元素如0.1％-2％的硅(Si)，0.2％-8％的鉭(Ta)，0.2％-5％的錸(Re)。
代替至少部分釔或者另外這種MCrAlY層區16還可含有鉿(Hf)和/或鋯(Zr)和/或鑭(La)和/或鈰(Ce)或鑭系的其它元素。
這種常規層16的厚度在100-500微米的范圍內，并可以通過等離子體噴鍍(VPS，APS)或其它的常規涂敷方法進行涂敷。
在本實施例中，本發明高耐氧化部件1揭示一種在其頂部具有另外的外層區19的MCrAlY層16，它與層區16一起形成了保護層17。
例如，外層區19由β相-NiAl組成。該層19的厚度在1-75微米的范圍內，尤其是至多達50微米。β-NiAl相的脆性缺點可以通過β-NiAl層19較MCrAlY層16更薄的這一事實得到克服。
外層19僅由Ni和Al兩種元素組成。這兩種元素的濃度由Ni-Al二元相圖確定，并且必須按這種方式加以選擇，以使外層19在層19氧化的溫度下是由純β-NiAl相組成的，從而形成TGO 10(21-37wt％的Al或32-50wt％的Al)。
不管這種β-NiAl相能含有另外的合金元素，只要這些元素不破壞β-NiAl相的相結構。這種合金元素的例子是鉻和/或鈷。鉻的最大濃度是在相關的溫度下的Ni-Al-Cr三元相圖中的β-相面積決定的。鈷在β-NiAl相中的溶解度很高，并且幾乎可以完全置換NiAl-相中的鎳。
可以選擇同樣的另外的合金元素，如Si(硅)、Re(錸)、Ta(鉭)。
合金元素濃度的主要必要條件是，它不能導致新的多相顯微組織產生。
另外也可以往β-相層中加入元素(添加劑)如鉿、鋯、鑭、鈰或鑭系的其它元素，這些元素經常加入以改進MCrAlY涂層的性能。
NiAl基的涂層可以使用等離子體噴鍍(VPS，APS)和/或其它常規的涂敷方法涂敷。
β-NiAl相結構的優點在于亞穩態氧化鋁(θ-或與γ-相的混合物)在層19氧化開始時形成。
在外層19上形成或涂敷的TGO10(例如氧化鋁層)具有理想的針狀結構，并因此導致TGO與陶瓷熱絕緣涂層13之間的優良錨固。
在常規的MCrAlY涂層上，通常氧化鋁的穩定α-相是在該涂層經受高溫下形成。然而在使用具有外層19的耐熱部件1時，在高溫暴露過程中使亞穩態氧化鋁10轉化成穩定的α相，從而導致TGO中出現所希望的顯微孔性。
本發明部件1的另外一個可能性是以這樣給出，要使標準的MCrAlY層16是NiCoCrAlY型的，并且使鋁的含量為8％-14wt％之間其厚度為50-600微米，尤其是100-300微米之間。
在這種MCrAlY層16上涂敷NiCoCrAlY型的第二層MCrAlY層區19。這第二層的組成要這樣選擇，以使作為外層19的改性MCrAlY層19能在高的使用(900℃-1100℃)度下顯示一種純γ-Ni基體。第二層(19)合適的組成可以從已知的Ni-Al、Ni-Cr、Co-Al、Co-Cr、Ni-Cr-Al、Co-Cr-Al的相圖中得到的。
與常規的MCrAlY涂層對比，這改性MCrAlY層19具有鋁濃度介于3-6.5wt％的較低鋁濃度，這能使其通過僅改變等離子體噴鍍設備的粉末進料而可用等離子體噴鍍法容易地進行噴鍍。
然而，層19也可以通過其它的常規涂敷方法進行涂敷。
由γ-相組成的這種改性MCrAlY層19的典型組成是15-40wt％的鉻(Cr)、5-80wt％的鈷(Co)、3-6.5wt％的鋁(Al)和Ni基本成分，尤其是20-30wt％的Cr，10-306wt％的Co，5-6wt％的Al和Ni基本成分。
這種MCrAlY層區19還可以含有所謂活性元素的另外元素，如鉿(Hf)和/或鋯(Zr)和或鑭(La)和/或鈰(Ce)或鑭系的其它元素取代釔，通常這些元素是用于改進MCrAlY涂層的氧化性能。
這些活性元素的總濃度在0.01-1wt％之間，尤其是在0.03-0.5-wt％之間。
改性MCrAlY層19的厚度介于1-80微米之間，尤其是在3-20微米之間。可以選擇另外的合金元素如Sc(鈧)、鈦(Ti)、Re(錸)、Ta(鉭)Si(硅)。
在涂敷熱絕緣涂層之前的熱處理是可以在低氧分壓，特別是10-17-10-15巴的分壓下進行。
在改性γ-相基的MCrAlY層19的頂部形成想要的亞穩態氧化鋁可通過在熱絕緣涂層反面前在850℃-1000℃的溫度下，特別是在875℃-925℃下氧化改性MCrAlY層2-100小時，尤其是持續5-15小時而獲得。
在上面提到的氧化過程中這些亞穩態的氧化鋁的形成，可通過在800℃-1100℃，尤其是在850℃-1050℃的溫度下，往氧化氣氛中加水蒸氣(0.2-50vol％，尤其是20-50vol％)，或者使用很低氧分壓的氣氛而進行促進。除了水蒸氣外，氣氛還可以含有非氧化性氣體，如氮、氬或氦。
因為改性MCrAlY層19是薄的，來自內部或標準MCrAlY層16的鋁通過改性的MCrAlY層19擴散，以便在長期使用過程中支持氧化鋁在層19的外表面上的形成，僅通過改性MCrAlY層19這是不能完成的，因為其鋁濃度低。
圖2表示兩層的保護層17。
圖3表示具有本發明高耐氧化的另一種部件1。
MCrAlY層16的濃度呈這樣的連續階梯狀靠近基底4的MCrAlY層16的組成由圖2或1中所述的標準MCrAlY層16指定，而靠近熱絕緣涂層13的外層19的組成表示如圖2所述的層19的組成。
在外層區(19)上涂敷一種熱絕緣涂層(TBC)(13)。由于因調節結構、相和顯微組織，保護層(17)具有良好的耐氧化性和TBC與TGO(10)良好的粘接，使部件1的使用壽命延長。
權利要求
1.高耐氧化部件(1)，具有基底(4)，保護層(17)，該層是由位于基底(4)上或靠近基底的中間層MCrAlY層區(16)和具有相γ-Ni的結構和至多達6.5wt％的鋁含量的外McrAlY層區(19)組成，式中M是Co、Fe、Ni中的至少一種元素，其中所述外MCrAlY層區(19)是在中間體MCrAlY層區(16)的上面，而其中外MCrAlY區(19)是由純γNi相組成。
2.按權利要求1所述的高耐氧化部件，其中保護層(17)由兩種分開的層(16，19)組成。
3.按權利要求1所述的高耐氧化部件，在保護層(17)內的中間層和外區(16，19)的組成具有呈連續階梯狀的濃度。
4.按權利要求1所述的高耐氧化部件，其中外層區(19)比在基底(4)上或靠近基底(4)的中間層(16)更薄些。
5.按權利要求1所述的高耐氧化部件，其中中間層MCrAlY層區(16)具有組成(wt％)10％-15％的Co，10％-40％的Cr，6％-15％的Al，0.02％-0.5％的Y，Ni的基本成分。
6.按權利要求1所述的高耐氧化部件，其中中間層MCrAlY-層(16)或外層區(19)含有至少一種另外的元素如(wt％)0.1-2％的Si、0.2％-8％的Ta或0.2％-5％的Re。
7.按權利要求1所述的高耐氧化部件，其中加入中間層MCrAlY區(16)或外區(19)的MCrAlY的釔和/或至少部分可被Hf、Zr、La、Ce和/或鑭系的其它元素中的至少一種元素所替代。
8.按權利要求1所述的高耐氧化部件，其中外層區(19)具有組成(wt％)15-40％的Cr，5-80％的Co，3-6.5％的Al和Ni的基本成分。
9.按權利要求1所述的高耐氧化部件，其中外層(19)區具有組成(wt％)20-30％的Cr，10-30％的Co，5-6％的Al和Ni的基本成分。
10.按權利要求1所述的高耐氧化部件，其中MCrAlY層區(16，19)含有Ti(鈦)和/或Sc(鈧)。
11.按權利要求1所述的高耐氧化部件，其中在外層區(19)上形成熱絕緣涂層(13)。
12.按權利要求8或9所述的高耐氧化部件，其中錸(Re)的含量在0.2wt％-2wt％之間。
13.按權利要求11所述的高耐氧化部件，其中在涂敷熱絕緣涂層之前的熱處理是在具有低氧分壓，尤其是10-17-10-15巴分壓下進行。
全文摘要
公開一種耐氧化部件1它包括基底4和保護層17。保護層17由與基底4鄰接的內MCrAlY層16和外MCrAlY層19構成。外層19的特征在于具有至多達6.5wt％的鋁含量和具有純γ－Ni相的結構。
文檔編號C22C19/03GK1665959SQ03816232
公開日2005年9月7日 申請日期2003年7月3日 優先權日2002年7月9日
發明者沃納·施塔姆, 威廉·J·奎達克爾斯 申請人:西門子公司, 于利希研究中心