專利名稱：提高鋁基擴散涂層的斷裂韌性的方法
發(fā)明的領(lǐng)域和背景本發(fā)明總的涉及擴散涂覆的方法，具體涉及用于鋼元件鍍鋁的新穎和改進方法，特別涉及增加抗高溫腐蝕性的鍋爐元件。
鋁擴散涂層廣泛用于保護各種元件免受高溫腐蝕攻擊已有數(shù)十年了。作為非限制性的例子，航空航天工業(yè)在渦輪葉片的表面上涂布鋁擴散涂層，以延長燃氣發(fā)動機的使用壽命。因此，已經(jīng)開發(fā)出在鋼材上制造鋁擴散涂層的各種先有滲鋁法技術(shù)，并用于諸如鍋爐爐壁板的大型元件上，從而改進元件的質(zhì)量和/或改進元件制造時的過程控制。
Davis等的美國專利No.5,135,777中描述了一種滲鋁方法，本文引入作為參考。本質(zhì)上，此方法包括將涂有漿液的陶瓷鋁-硅酸鹽纖維貼近工件放置，加熱此組合物，直到漿液涂層擴散到工件上。重要的是，漿液涂層中必須含有鹵化物活化劑以實現(xiàn)漿液材料的擴散。
本領(lǐng)域中技術(shù)人員公知的另一滲鋁方法包括使用熱噴涂(如等離子噴涂或電弧噴涂)方法將一層工業(yè)等級的鋁涂布到工件表面上。在鋁的熱噴涂中，粉末或絲狀形式的原料迅速熔化，并被注入基材。當熔化的鋁顆粒被噴到要涂布的表面上時，它們鋪展和濺起。這些顆粒首先與基材結(jié)合，然后相互結(jié)合，形成表面層。接著在惰性或還原性氣氛下的加熱爐中以高溫對噴鋁的工件進行熱處理。這種加熱使鋁從噴鍍層擴散到工件的基材表面。一旦發(fā)生這種擴散，鋁就變?yōu)楣ぜ慕M成部分，并且任何殘余的鋁噴鍍層都能被容易地除去，工件上只留下滲鋁的擴散涂層。雖然此方法不使用鹵化物活化劑，但此方法僅限于使用單種元素(即工業(yè)等級鋁)，而不能使用元素的混合物。此外，如Wynns等的美國專利No.5,873,795(本文引入作為參考)所證明，本領(lǐng)域中的技術(shù)人員已經(jīng)相信在滲鋁法中摻入鉻會使合金結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。而且，如Wynns等所述，許多先有技術(shù)(包括Wynns等)期待著用于擴散鋁的多級方法并在有些情況下使用鉻或硅。
此外，如果工件由鋼組成，使用熱噴涂的滲鋁法會在鋼表面產(chǎn)生多層涂層結(jié)構(gòu)。此多層涂層結(jié)構(gòu)的外層由稱為金屬互化物如FeAl和Fe3Al的Fe-Al有序相組成。雖然這些鋁化物非常能抗腐蝕，但它們具有極低的斷裂韌性，這使它們易碎而容易受到機械破壞。結(jié)果，由熱噴涂法滲鋁的工件必須小心搬動，以避免涂層意外斷裂和剝落。
如前所述，需要一種擴散涂覆材料和改進斷裂韌性的方法。并且，工業(yè)中歡迎可使多個元素同時擴散入鋼表面的滲鋁用熱噴涂材料。最后期待的是將鋁連同少量硼和/或鉻同時滲入鋼表面以增加斷裂韌性、而無需使用鹵化物活化劑的方法。
發(fā)明概述研究表明，多晶FeAl和Fe3Al斷裂韌性低的原因是由于大氣腐蝕造成的濕氣誘發(fā)的氫脆現(xiàn)象，它將氫原子離析到斷裂尖端(crack tip)和解離面上。相反地，如果沒有這種氫脆現(xiàn)象，在干燥空氣中觀察到FeAl的拉伸伸長率大于17％。此外，研究顯示，加入高達5原子％(用和摩爾百分數(shù)相同方法計算的原子百分數(shù))會延遲氫的滲透，從而改進斷裂韌性。加入痕量的硼能進一步改進鋁化鐵的延展性，這樣硼會離析到顆粒邊緣，并使這些材料的斷裂模式從晶間變?yōu)榇┚Аｋm然在大塊鋁化鐵中使用鉻和硼的有利效果是公知的，但本領(lǐng)域中的技術(shù)人員以前不能、且沒有將這些元素摻入熱噴涂中的擴散涂層體系里。
本發(fā)明包括改進鋁基擴散涂層的斷裂韌性的方法。此改進方法包括制備出隨后噴到工件上的原料。該原料含有鋁以及鉻和/或硼的混合的或合金的粉末或其它固體形式。如果原料是其它固體形式，那么它為絲狀形式最為有利。然后在惰性或還原性氣氛下對經(jīng)噴涂的工件進行熱處理，熱處理時間足以使原料擴散入工件表面。最后，從工件表面除去任何殘余的原料。
本發(fā)明的第二實施方式包括制備出含有鋁以及鉻和/或硼的混合的或合金的粉末或其它固體形式的原料。原料的其它固體形式為絲狀仍然最為有利。然后將原料噴涂到陶瓷介質(zhì)上。接著將此介質(zhì)直接與工件接觸而放置，并且對介質(zhì)和工件進行熱處理，熱處理時間足以使陶瓷介質(zhì)表面上的金屬擴散到工件內(nèi)。如上所述，然后從工件上除去多余的原料和陶瓷介質(zhì)。
所附的權(quán)利要求中具體之處了構(gòu)成本發(fā)明特征的各種新穎特點，并成為本文的組成部分。為了更好地了解本發(fā)明和從它的使用中獲得操作上的益處，參見成為本文組成部分的附圖和描述性內(nèi)容，其中描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。
附圖簡述成為文本說明書一部分的附圖中，圖中表示相似或相同部分的編號都相同，附圖中

圖1是本發(fā)明第一實施方式所用的熱噴涂法的橫截面示意圖。
圖2是本發(fā)明第一實施方式獲得的擴散過程的橫截面示意圖。
圖3是本發(fā)明第二實施方式所用的熱噴涂法的橫截面示意圖。
圖4是本發(fā)明第二實施方式獲得的擴散過程的橫截面示意圖。
具體實施例方式
鋁以及鉻和/或硼同時擴散涂布到諸如鋼制鍋爐元件的鋼制工件上，能改進工件的抗腐蝕性和所得涂層的總體斷裂韌性，同時減少了涂布此涂層的相關(guān)花費。雖然本發(fā)明特別適用于鋼制鍋爐元件，但它能相同地適用于需要改進抗腐蝕性和/或改進鋁基擴散涂層斷裂韌性的任何工件。所有同時涂布可用兩種方法之一達到。
在第一實施方式中，使用任何公知的熱噴涂法來涂布鋁、鉻和硼。此熱噴涂法宜包括任何可行的工業(yè)熱噴涂法，如線(wire)電弧噴涂法或等離子噴涂法。在這些方法中，由所需涂層材料組成的原料被裝入噴槍中，通過電或加熱來加熱噴槍。雖然任何適用于噴槍的固體都可考慮，但原料優(yōu)選是粉末或絲狀。裝入噴槍后，原料熔化。
參見圖1，然后，以A1、B1和C1大致表示的熔融原料被氣體裝置4從噴槍(未示出)推向工件2。氣體4可以是氬氣、氮氣、燃燒氣體(來自噴槍加熱或單獨提供)、壓縮空氣、或適用于特定熱噴涂法的任何氣體。熔融原料A1、B1、C1的小直徑(10-50微米)顆粒被加速推向工件2。A1表示熔化的鋁。B1表示熔化的硼，C1表示熔化的鉻，雖然應(yīng)該了解本發(fā)明還包括單用硼或鉻中任一種(這樣就只有B1或C1；此情況未示出)或它們的結(jié)合(如圖所示)。
然后使熔融原料A1、B1、C1的小直徑顆粒與工件接觸，它們在該處形成涂層6。熔融原料A1、B1和C1冷卻并結(jié)合到工件2表面后，形成涂層6。涂層6一般由各種大小、形狀和熔化程度的顆粒組成。
為了使鋁、鉻和硼獲得同時噴涂(和隨后的擴散)，這些金屬如上所述提供于原料中。需要注意的是，原料中的構(gòu)成金屬必須分布均勻?？赏ㄟ^混合粉末形式的這些金屬、或?qū)⒔饘偃廴诤突旌蠟楹辖鸸腆w、或用本領(lǐng)域中技術(shù)人員公知的其它均勻混合方法來達到此均勻度?；蛘撸赏ㄟ^用分別的噴槍同時熱噴涂金屬來獲得均勻性。在所有情況下，必須對工件需要改進擴散涂層的任何和所有面積進行完全噴涂。
熔融原料A1、B1和C1如上所述地熱噴涂到工件2表面后，使用熱處理方法來使涂層6擴散入工件2。參見圖2，將工件2在反射爐8內(nèi)放置并加熱至給定時間。將惰性或還原性氣體10經(jīng)入口12通入反射爐8中，并經(jīng)出口14排出。反射爐宜加熱到800℃和1100℃之間，將工件2于反射爐8中放置2-15小時，并用氬氣作為惰性或還原性氣體10。但是，本領(lǐng)域中的技術(shù)人員會了解，任何還原性或惰性氣氛都可用；惰性或還原性氣體10可以不流動(這樣就不需要入口12和入口14)或流動(如圖所示)；并且所需的時間和溫度只需足以使涂層6有效擴散入工件2即可。
由于鉻在最佳熱處理溫度時的擴散比鋁慢，所以原料A1、B1、C1以及因此的要裝入噴槍的原料(未示出)和涂層6需要含有比工件2最終擴散涂層內(nèi)所需量更多的鉻。相反地，硼的擴散比鋁快，因此，熔融原料A1、B1、C1中需要含有比工件2擴散涂層所需量更少的硼。
所以，如圖2的擴散線A2、B2和C2所示，涂層6會擴散入工件2，從而形成具有改進斷裂韌性的擴散層6。此外，A2的長度符合擴散入工件的鋁量比B2和C2多的事實，B2表示硼的擴散總量，C2表示鉻的擴散總量(再次提醒，本發(fā)明無需混合物中同時含有鉻和硼)。相似地，相對于B2長度的C2長度說明擴散入工件的鉻量多于硼的事實。需要注意的是，圖1和圖2只是有關(guān)的描述，應(yīng)了解任何一張圖都未按比例畫出。
此外，擴散層16是在單個步驟中形成的。因此，工件2只需在反射爐8中經(jīng)一次熱處理即可，從而減少花費和更大地降低復(fù)雜性。
本發(fā)明的的二實施方式中，先用任何公知的熱噴涂法將鋁和鉻和/或硼涂布到惰性的陶瓷介質(zhì)上，然后將陶瓷介質(zhì)直接與工件接觸而放置，并且對這兩者進行加熱，以獲得所需的同時擴散。雖然本領(lǐng)域中的技術(shù)人員認為其它任何惰性陶瓷也都用(合適介質(zhì)的選擇指導(dǎo)可參見上述Davis的專利)，但陶瓷介質(zhì)為氧化鋁纖維和織物最為有利。此外，熱噴涂法包括任何可行的工業(yè)熱噴涂法，如線電弧噴涂法或等離子噴涂法。在這些方法中，由所需涂層材料組成的原料被裝入噴槍中，通過電或加熱來加熱噴槍。雖然任何適用于噴槍的固體都可考慮，但原料優(yōu)選是粉末或絲狀。裝入噴槍后，原料熔化。
參見圖3，然后，以A1、B1和C1大致表示的熔融原料被氣體裝置4從噴槍(未示出)推向惰性陶瓷介質(zhì)18。氣體4可以是氬氣、氮氣、燃燒氣體(來自噴槍加熱或單獨提供)、壓縮空氣、或適用于特定熱噴涂法的任何氣體。熔融原料A1、B1、C1的小直徑顆粒(10-50微米)被加速推向陶瓷介質(zhì)18。A1表示熔化的鋁。B1表示熔化的硼，C1表示熔化的鉻，雖然應(yīng)該了解本發(fā)明還包括單用硼或鉻中任一種(這樣就只有B1或C1；此情況未示出)或它們的結(jié)合(如圖所示)。
然后使熔融原料A1、B1、C1的小直徑顆粒與陶瓷介質(zhì)18接觸，它們在該處形成涂層6。熔融原料A1、B1和C1冷卻并結(jié)合到陶瓷介質(zhì)18表面后，形成涂層6。涂層6一般由各種大小、形狀和熔化程度的顆粒組成。
為了使鋁、鉻和硼獲得同時涂布(和隨后的擴散)，這些金屬如上所述提供于原料中。需要注意的是，原料中的構(gòu)成金屬必須分布均勻。可通過混合粉末形式的這些金屬、或?qū)⒔饘偃廴诤突旌蠟楹辖鸸腆w、或用本領(lǐng)域中技術(shù)人員公知的其它均勻混合方法來達到此均勻度?；蛘撸赏ㄟ^用分離的噴槍同時熱噴涂金屬來獲得均勻性。在所有情況下，必須對工件需要改進擴散涂層的任何和所有面積進行完全噴涂。
熔融原料A1、B1和C1如上所述地熱噴涂到陶瓷介質(zhì)18表面后，將介質(zhì)18與工件接觸放置。但是如圖4所示，涂層6形成工件2和介質(zhì)18的實際接觸點。
然后使用熱處理方法來使涂層6從陶瓷介質(zhì)18擴散入工件2。參見圖4，將工件2和介質(zhì)18在反射爐8內(nèi)放置并加熱至給定時間。將惰性或還原性氣體10經(jīng)入口12通入反射爐8中，并經(jīng)出口14排出。反射爐宜加熱到800℃和1100℃之間，將工件2和介質(zhì)18于反射爐8中放置2-15小時，并用氬氣作為惰性或還原性氣體10。但是，本領(lǐng)域中的技術(shù)人員會了解，任何還原性或惰性氣氛都可用；惰性或還原性氣體10可以不流動(這樣就不需要入口12和入口14)或流動(如圖所示)；并且所需的時間和溫度只需足以使涂層6有效擴散入工件2即可。
由于鉻在最佳熱處理溫度時的擴散比鋁慢，所以原料A1、B1、C1以及因此的要裝入噴槍的原料(未示出)和涂層6需要含有比工件2最終擴散涂層內(nèi)所需量更多的鉻。相反地，硼的擴散比鋁快，因此，熔融原料A1、B1、C1中需要含有比工件2擴散涂層所需量更少的硼。
所以，如圖2的擴散線A2、B2和C2所示，涂層6會擴散入工件2，從而形成具有改進斷裂韌性的擴散層6。此外，A2的長度符合擴散入工件的鋁量比B2和C2多的事實，B2表示硼的擴散總量，C2表示鉻的擴散總量(再次提醒，本發(fā)明無需混合物中同時含有鉻和硼)。相似地，相對于B2長度的C2長度說明擴散入工件的鉻量多于硼的事實。需要注意的是，圖1和圖2只是有關(guān)的描述，應(yīng)了解任何一張圖都不是按比例繪制的。
此外，擴散層16是在單個步驟中形成的。因此，工件2只需在反射爐8中經(jīng)一次熱處理即可，從而減少花費和更大地降低復(fù)雜性。而且，使用陶瓷介質(zhì)18能使個人在一個步驟中噴涂陶瓷以簡化了本發(fā)明；使陶瓷同時或隨后按照工件成形；和/或?qū)⑻沾蛇\來以實現(xiàn)工件上隨后和/或在另一處進行時所需的擴散。
在上述任何一個實施方式中，可在原料中加入少量硅。加入硅可使要擴散的金屬的熔化溫度降低，從而使原料在基材表面的粘性更高。但是，硅本身不會影響或作用所得的涂層。
此外，原料各組成成分的最佳范圍可以原子百分數(shù)計。原子百分數(shù)是指給定元素的摩爾數(shù)除以原料中所有元素摩爾總數(shù)的數(shù)值。例如，在Fe3Al中，鋁的原子百分數(shù)是25％(1摩爾Al/4摩爾原子總數(shù))。原子百分數(shù)等于摩爾百分數(shù)。
任何一個實施方式的原料的優(yōu)選原子百分數(shù)如下89-95％的鋁、5-10％的鉻和0.1-1％的硼。在還使用硅的情況下，優(yōu)選原子百分數(shù)為88-94.9％的鋁、5-10％的鉻、0.1-1％的硼和0.1-1％的硅。
雖然預(yù)計所述的本發(fā)明特別適用于鍋爐工業(yè)，但本發(fā)明的優(yōu)選實施方式能相同地適用于大范圍滲鋁需要中，如管、螺栓、面板、軸承、接合件和其它可被處理的元件。此外，雖然實施方式使用了氧化鋁纖維，但預(yù)計此方法也能迅速和有效地處理各種曲線形、球形或其它不均表面，而無需精確確定噴槍的位置和/或精確確定工件的均勻噴涂覆蓋(假定在更可受控的環(huán)境中陶瓷介質(zhì)上能獲得這種均勻覆蓋)。
權(quán)利要求
1.提高擴散入工件鋼表面中的熱噴涂鋁基擴散涂層的斷裂韌性的方法，此方法包括制備出含有鋁以及鉻和硼中至少一種的原料；用熱噴涂法將所述的原料涂布到所述的工件上；在惰性或還原性氣氛下對所述的鋼表面進行熱處理，熱處理時間足以使所述的原料擴散入所述的工件；和從所述的工件表面除去任何多余的未擴散的所述原料。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的原料還包含硅。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的原料基本由89-94.9原子％的鋁、5-10原子％的鉻和0.1-1原子％的硼組成。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述的原料基本由88-94.8原子％的鋁、5-10原子％的鉻、0.1-1原子％的硼和0.1-1原子％的硅組成。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的熱噴涂法選自等離子噴鍍法和電弧噴涂法。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的熱處理包括在惰性或還原性氣氛下將所述的工件加熱到800-1100℃之間，加熱時間為2-15小時。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的原料制備還包括將鋁、鉻和硼合金化為均勻的固體材料。
8.增加鋁基擴散涂層的斷裂韌性的方法，它將鋁、鉻和硼同時擴散入工件的鋼表面，此方法包括制備含有鋁以及鉻和硼中任何一種的原料；用熱噴涂法將所述的原料噴涂到陶瓷介質(zhì)上；將所述的陶瓷介質(zhì)直接與所述的工件接觸而放置；對所述的介質(zhì)和所述的工件進行熱處理，熱處理時間足以使鋁、鉻和硼擴散到工件內(nèi)；和從所述的工件上除去多余的未擴散的所述原料和所述的陶瓷介質(zhì)。
9.如權(quán)利要8所述的方法，其特征在于所述的原料還包含硅。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述的原料基本由89-94.9原子％的鋁、5-10原子％的鉻和0.1-1原子％的硼組成。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于所述的原料基本由88-94.8原子％的鋁、5-10原子％的鉻、0.1-1原子％的硼和0.1-1原子％的硅組成。
12.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述的熱處理包括在惰性或還原性氣氛下將所述的工件加熱到800-1100℃之間，加熱時間為2-15小時。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的原料制備還包括將鋁、鉻和硼合金化為均勻的固體材料。
全文摘要
提高鋁基擴散涂層的斷裂韌性的方法,它是使用熱噴涂法將鋁(Al)、鉻(Cl)、硼(Bl)和/或硅同時涂布到工件(2)上,然后對工件進行熱處理,熱處理時間足以使鋁、鉻、硼和硅擴散入工件內(nèi)。所得的擴散涂層(6)證明具有改進的斷裂韌性,并且不需要使用漿液。
文檔編號C23C4/18GK1378606SQ00814039
公開日2002年11月6日 申請日期2000年9月19日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月12日
發(fā)明者S·C·昆古 申請人:麥克德莫技術(shù)股份有限公司