不可氧化塗層的製作方法
2023-05-10 14:10:26 1
專利名稱:不可氧化塗層的製作方法
技術領域:
本發明涉及金屬塗層。更具體地說,本發明涉及可氧化熔模精密鑄造芯(investment casting core)的防護塗層。
背景技術:
熔模精密鑄造是一種用於形成具有複雜幾何形狀的金屬部件尤其是中空部件的常用技術,並用於製造超合金燃氣渦輪發動機部件。
燃氣渦輪發動機廣泛用於飛機推進、發電和船舶推進。在燃氣渦輪發動機應用中,效率是主要目標。可通過在較高的溫度下運轉獲得提高的燃氣渦輪發動機效率,但渦輪節中的目前運轉溫度超過渦輪部件中使用的超合金材料的熔點。因此,通常的做法是提供空氣冷卻。通過使相對冷的空氣從發動機的壓縮機段流過要被冷卻的渦輪部件中的通道來提供冷卻。這種冷卻伴有就發動機效率而言的附帶代價。因此,強烈需要提供增強的專用冷卻,以便最大化從給定量冷卻空氣得到的冷卻利用量。這可通過使用細微精密定位的冷卻通道段得到。
關於內部冷卻渦輪發動機零件如葉片和葉輪的熔模精密鑄造,存在發展良好的領域。在典型的工藝中,製備具有一個或多個模腔的模具,每個模腔具有通常與要被鑄造的零件相對應的形狀。製備模具的典型工藝涉及使用零件的一個或多個蠟模。通過在通常與零件內冷卻通道陽模相對應的陶瓷芯上模塑(molding)蠟形成模。在加殼過程中,以眾所周知的方式環繞一個或多個這種模形成陶瓷殼。可通過如在高壓釜中熔化除去蠟。殼可被燒制以使殼硬化。這就留下包括殼的模具,其中殼具有一個或多個限定零件的室,室又包含限定冷卻通道的陶瓷芯。然後可將熔化合金引入到模具內鑄造零件。當冷卻和固化合金後,殼和芯可從模塑的零件上以機械和/或化學方式除去。然後可在一個或多個步驟中機械加工和處理零件。
陶瓷芯本身可通過將陶瓷粉末和粘合劑材料的混合物注射到硬質鋼模內模塑該混合物來形成。在脫離模後,熱後加工未燒結的芯以除去粘合劑,並燒制以燒結陶瓷粉末到一起。向著更細微冷卻特徵的趨勢使芯製造技術受到壓力。細微特徵可能難於製造,和/或一旦製造,可能檢驗證明是易碎的。Shah等人的普通轉讓共同未決的美國專利6637500公開了難熔金屬芯尤其在熔模精密鑄造中的一般使用。但是,各種難熔金屬往往在較高的溫度下氧化,例如在用於燒制殼的溫度和熔化超合金的溫度附近。因此,殼燒制可能大大破壞難熔金屬芯,並因此可能產生潛在不能令人滿意的零件內部特徵。有必要在難熔金屬芯基質上使用防護塗層保護基質在高溫下不會氧化。典型的塗覆包括首先施加一層鉻到基質上,然後施加一層氧化鋁到鉻層上(例如通過化學氣相沉積(CVD)技術)。但是,對環境/毒性的特別關注注意到鉻的使用。因此,仍有進一步改進這種塗層和它們的施加技術的空間。
發明內容
本發明的一個方面涉及一種熔模精密鑄造芯,其具有基於難熔金屬的基質和直接在基質上面的基本不含鉻的塗層。塗層包括主要由氧化鋁組成的第一層。第一層具有超過2.0μ的第一厚度。任選地,底層可位於基質上面,並主要由未氧化的鋁組成。任選地,過渡層可位於第一層和底層之間。
在各種實施方案中,基質可為基於鉬的。第一層可基本由氧化鋁組成,第一厚度可為公稱(例如中值)第一厚度。第一厚度可為至少4.0μ。底層和過渡層的總厚度,如果任何一個或兩者存在的話,可不超過第一厚度。芯可為結合有陶瓷第二芯和基於烴的材料的第一芯,其中第一芯和第二芯至少部分埋置在基於烴的材料中。
本發明的另一個方面涉及一種塗覆基質的方法。施加基本純的鋁初始層到基質的表面上。氧化初始層的至少第一部分,以便得到未氧化的鋁含量不超過總鋁含量10%且厚度為至少2.0μ的第一部分。
在各種實施方案中,施加可形成特徵厚度為約25μ-75μ的初始層。施加方法可包括離子氣相沉積、冷噴塗和電解沉積中的至少一種。施加可基本由離子氣相沉積組成。氧化可包括陽極化、硬塗覆和微弧氧化中的至少一種。基質可包括基於難熔金屬的材料、鋁合金和非金屬複合材料中的至少一種。基質可基本由基於鉬的材料組成。氧化可氧化施加的初始層中的大部分鋁。方法還可用於形成熔模精密鑄造芯部件。
方法還可包括組裝具有第二芯的芯。犧牲材料可被模塑到芯和第二芯上。殼可被施加到犧牲材料上。犧牲材料可基本上被除去。可澆鑄金屬材料至少部分代替犧牲材料。芯、第二芯和殼可被破壞性地除去。或者,可在至少部分芯上形成第二芯。
本發明的另一方面涉及一種基質具有基本不含鉻的表面的製品。基本不含鉻的塗層直接位於表面上面。塗層包括基本由氧化鋁組成的第一層。第一層具有超過約2.0μ的第一厚度。任選地,底層可直接位於表面上面,並基本由未氧化的鋁組成。任選地,過渡層可位於第一層和底層之間。
在各種實施方案中,基質可為基於鉬的。第一層可具有至少3.4g/cc的密度和主要為α-相的微結構。第一層可具有3.6-4.0g/cc的密度和基本為α-相的微結構。
在下面的附圖和描述中描述了本發明一種或多種實施方案的細節。從描述和附圖和從權利要求中將明白本發明的其它特徵、目的和優點。
圖1為用於形成燃氣渦輪發動機翼型元件的帶殼熔模精密鑄造模的橫截面圖。
圖2為圖1模的難熔金屬芯的截面圖。
圖3為形成和使用圖1模的工藝流程圖。
各個圖中相同的參考數字和標記代表相同的元件。
具體實施例方式
圖1顯示了包括模22和陶瓷殼24的帶殼熔模精密鑄造模20。模22包括至少部分模塑在芯組件上的犧牲性蠟狀材料26(例如天然或合成蠟或其它基於烴的材料)。芯組件包括陶瓷進料芯(feed core)28,其具有用於在被鑄造的最終零件(例如燃氣渦輪發動機渦輪葉片或葉輪)中形成一系列通常平行、順翼展方向延伸的進料通道的一系列通常平行的支架30、32和34。組裝到進料芯28的是一系列難熔金屬芯(RMC)36和38。RMC36和38的一部分可容納在進料芯28的室40和42中,並通過陶瓷粘合劑44在其中固定。RMC36和38的其它部分可嵌入在殼24中,以便RMC36和38最終形成從進料通道到零件外表面的出口通道。典型的RMC36為翼片壓力和吸入側表面提供薄膜冷卻通道,典型的RMC38提供翼片後緣冷卻。在現有技術中或仍將開發的技術中許多其它構造也是可能的。
圖2顯示了RMC之一(例如38)的更多細節。典型的RMC 38具有難熔金屬或基於難熔金屬的合金、金屬間化合物或其它材料的基質50。典型的難熔金屬為Mo、Nb、Ta和W。可以以絲或片料得到這些,並適當切割和成形。塗層體系包括在基質上面的鋁第一層52和在第一層52上的氧化鋁(鋁氧)第二層54。認為α-相氧化鋁能在寬的溫度範圍內提供有利的硬度和粘合力/保持力。但可使用其它相(例如包括或基本由β-和γ-相中的一種或兩種組成的材料)。典型的氧化鋁密度為3.4-4.0g/cc。
由例如表面包括一對相對面56和58且中間厚度為T的片料形成典型的基質50。可在基質50中壓印、切割或以其它方式提供複合冷卻特徵。塗層體系和第一層52的內表面60位於基質50外表面上面,塗層體系和第二層54的外表面62提供RMC38的外表面。過渡層64分開第一層52和第二層54。過渡層64可相當急劇,或可為特徵在於組成中值或組成梯度的過渡區域。在典型的實施方案中,塗層體系具有厚度T1,第一層52具有厚度T2,第二層54具有厚度T3。
圖3顯示了製造和使用的典型過程200(為了說明而簡化)。基質形成202方法,包括如通過從片料壓印然後隨之彎曲或另外成形,以提供用於鑄造所需特徵的相對旋繞形狀。在基質上面沉積204基本純的鋁塗層。沉積過程可為物理或化學沉積過程。典型的物理沉積過程為離子氣相沉積(IVD)和冷噴塗沉積。典型的IVD和冷噴塗沉積技術分別示於美國Military Standard Mil-C-83488(對於純Al)和Alkhimov等人的美國專利5302414中。典型的化學過程包括電解電鍍。然後至少部分氧化206沉積的鋁層以形成第二層54和留下第一層52。典型的氧化通過化學過程如陽極化、硬塗覆(一類高電壓陽極化過程)和微弧氧化。典型的微弧過程示於美國專利6365028、6197178和5616229中。
然後將RMC組裝到進料芯上,後者可分開形成210(例如通過從基於矽的材料模塑)或作為組裝的一部分形成(例如通過部分地在RMC上模塑進料芯)。組裝還可發生在用蠟狀材料26過模塑(Overmolding)212芯組件的模組裝中。過模塑212形成然後被加殼214(例如通過形成基於二氧化矽的殼的多級粉刷過程(stuccoingprocess))的模。除去216(例如通過蒸汽高壓釜)蠟狀材料26。在任意輔助模具製備(例如修整、燒制、組裝)後,鑄造過程218引入一種或多種熔融金屬並使這種金屬固化。然後除去220(例如通過機械手段)殼。然後除去222(例如通過化學手段)芯組件。然後可機械加工224鑄態的鑄造品,並進行進一步處理226(例如機械處理、熱處理、化學處理和塗覆處理)。
塗覆過程可提供在0.25-5密耳(6-130μ)範圍內、更優選1-3密耳(25-75μ)的初始鋁厚度。這種材料的一部分然後被氧化形成第二層54。在氧化過程中,部分鋁可能損失(例如進入到陽極化浴中)。有利地,至少在燒制/鑄造前幾乎沒有鋁擴散到基質內。在那些高溫下,部分或全部在那以前未氧化的鋁可擴散到基質材料內/與其一起擴散。氧化可有利地形成厚度T3在5μ左右或更高的第二層以提供充分的隔絕。更廣泛地,厚度可超過2μ(例如4μ-50μ,或20-40μ)。有利地,第二層54中至少90%的鋁可被氧化。氧化往往擴大第二層的厚度,相對於被氧化的沉積鋁的厚度計達100%。因此,在沒有擴散或損失時,25μ的沉積鋁層可產生厚度在50μ左右的氧化鋁層,如果沿其厚度氧化的話。對於20%損失和沿深度大體一半的氧化,剩餘的第一層厚度T2將為約10μ,氧化鋁第二層厚度T3將為約20μ。上述數字僅是示例性的。
但是,有利地,至少對於典型的鉬基質和各種陽極化過程,第一層厚度為至少約2.0μ。這是被認為適於將基質與陽極化效應隔離的最小厚度。如果厚度T2變得更小,則鉬開始溶解,破壞塗層粘合。對厚度T2沒有固有上限。但是,過度的厚度產生成本問題,並且與這種過量材料被轉化成氧化鋁的情況相比,意味著絕緣損失。因此,典型地,氧化鋁厚度T3將為總塗層厚度T1的至少一半。
塗覆技術可具有更寬的適用性。例如,基質可為高度合金化的鋁,在其上面沉積更純的鋁層,然後至少部分被氧化。或者,基質可為複合材料。
可使用各種摻雜劑或合金元素。例如,Ca、Mg、Si和Zr形成穩定的氧化物體系CaO、MgO、SiO2、ZrO2。這些元素或它們的組合可被沉積到具有要被氧化的鋁的合金中(例如,以小於1wt%的典型低量,從而控制晶粒生長和塗層的形貌並影響性質如CTE)。更大量的這些元素(包括甚至施加態塗層-預氧化的主要部分)是可以的。
本發明的體系和方法可具有超越含鉻塗層的一個或多個優點。顯著的是降低的毒性。一般使用六價鉻-一種特別有毒的離子的溶液施加含鉻塗層。此外,當帶塗層的芯被最終溶解時,一部分鉻將返回到這種有毒價態。本發明的塗層可具有小於0.2wt%、優選小於0.01wt%的鉻,並最優選具有不能檢測到的鉻。本發明的體系和方法可具有超越用氧化鋁單步塗覆基質(例如鉬)的一個或多個優點。氧化鋁層可具有更高的密度。通過使用不會面臨與各種單步氧化鋁沉積技術相同的所關注的問題的鋁沉積技術可得到更大的均勻度。
已描述了本發明的一種或多種實施方案。但是,應認識到,在不脫離本發明的精神和範圍的情況下,可進行各種改進。例如,塗層可用於製造具有已有的或又開發的構造的芯。任何這種構造的細節可影響任何特定實施方案的細節,諸如特定陶瓷芯和殼材料和鑄造材料和條件的細節。因此,其它實施方案都在下面權利要求的範圍內。
權利要求
1.一種熔模精密鑄造芯,包括基於難熔金屬的基質;和直接在基質上面的基本不含鉻的塗層,該塗層包括主要由氧化鋁組成的第一層,第一層具有超過2.0μ的第一厚度;在基質上面並主要由未氧化的鋁組成的任選底層;和在第一層和底層之間的任選過渡層。
2.權利要求1的芯,其中該基質基於鉬。
3.權利要求1的芯,其中第一層基本由氧化鋁組成,並且第一厚度為公稱第一厚度。
4.權利要求1的芯,其中第一厚度為至少4.0μ;和底層和過渡層的總厚度,如果任何一個或兩者存在的話,不超過所述第一厚度。
5.權利要求1的芯,其為結合有以下的第一芯陶瓷第二芯;和基於烴的材料,第一芯和第二芯至少部分埋置在其中。
6.多個權利要求1的芯,結合有天然或合成蠟材料,多個芯至少部分埋置在其中。
7.一種熔模精密鑄造芯,包括基於難熔金屬的基質;和直接位於基質上面的基本不含鉻的塗層,該塗層包括主要由處於基本氧化狀態的材料組成的第一層,該第一層具有超過2.0μ的第一厚度;在基質上面並主要由處於基本非氧化狀態的所述材料組成的底層;和在第一層和底層之間的任選過渡層。
8.權利要求7的芯,其中該基質基於鉬。
9.權利要求7的芯,其中該材料包括鋁合金。
10.權利要求9的芯,其中該鋁合金包括0.25%-1.0wt%的Ca、Mg、Si和Zr中的一種或其組合。
11.權利要求9的芯,其中該鋁合金包括0.25%-1.0wt%的Mg。
12.權利要求7的芯,其中第一層主要包括α-相。
13.權利要求7的芯,其中該材料包括鋁-二氧化矽合金。
14.權利要求7的芯,其中;第一厚度為至少4.0μ;和底層具有超過2.0μ的第二厚度。
15.權利要求7的芯,其為結合有以下的第一芯陶瓷第二芯;和基於烴的材料,第一芯和第二芯至少部分埋置在其中。
16.一種塗覆基質的方法,包括施加基本純的鋁初始層到基質的表面上;和氧化初始層的至少第一部分,以便得到未氧化的鋁含量不超過總鋁含量10%且厚度為至少2.0μ的第一部分。
17.權利要求16的方法,其中所述施加形成特徵厚度為25μ-75μ的初始層。
18.權利要求16的方法,其中所述施加包括以下至少一種離子氣相沉積;冷噴塗;和電解沉積。
19.權利要求16的方法,其中所述施加基本由離子氣相沉積組成。
20.權利要求16的方法,其中所述氧化包括以下至少一種陽極化;硬塗覆;和微弧氧化。
21.權利要求16的方法,其中該基質包括以下至少一種基於難熔金屬的材料;鋁合金;和非金屬複合材料。
22.權利要求16的方法,其中該基質基本由基於鉬的材料組成。
23.權利要求16的方法,其中所述氧化氧化所述施加的初始層中的大部分鋁。
24.權利要求16的方法,其用於形成熔模精密鑄造芯。
25.權利要求24的方法,其中該芯為第一芯,並且該方法還包括組裝第一芯與第二芯;模塑犧牲材料到第一芯和第二芯上;施加殼到犧牲材料上;基本除去犧牲材料;澆鑄金屬材料至少部分代替犧牲材料;和破壞性地除去第一芯、第二芯和殼。
26.權利要求24的方法,其中該芯為第一芯,並且該方法還包括在第一芯上部分形成第二芯;模塑犧牲材料到第一芯和第二芯上;施加陶瓷殼到犧牲材料上;基本除去犧牲材料;澆鑄金屬材料至少部分代替犧牲材料;和破壞性地除去第一芯、第二芯和殼。
27.一種製品,包括具有基本不含鉻的表面的基質;和直接在基質表面上的基本不含鉻的塗層,該塗層包括基本由氧化鋁組成的第一層,該第一層具有超過2.0μ的第一厚度;直接在基質表面上面並基本由未氧化的鋁組成的任選底層;和在第一層和底層之間的任選過渡層。
28.權利要求27的芯,其中該基質基於鉬。
29.權利要求27的芯,其中第一層具有至少3.4g/cc的密度和主要為α-相的微結構。
30.權利要求27的芯,其中第一層具有3.6-4.0g/cc的密度和基本為α-相的微結構。
31.一種形成熔模精密鑄造芯的方法,包括施加第一材料的初始層到不同於第一材料的第二材料基質的表面上;和氧化初始層的至少第一部分,以便得到至少5.0μ的基本氧化亞層和至少2.0μ的第一材料基本完整亞層。
32.權利要求31的方法,其中初始層包括佔大部分重量的Al、Ca、Mg、Si和Zr的一種或多種。
全文摘要
通過施加基本純的鋁第一層到基質表面來塗覆基質。第一層的至少第一部分被氧化,以便提供具有所需性質的防護塗層。基質可為基於難熔金屬的熔模精密鑄造芯。
文檔編號B22C3/00GK1765541SQ20051011804
公開日2006年5月3日 申請日期2005年10月26日 優先權日2004年10月26日
發明者J·J·小帕科斯, G·M·洛馬斯尼, J·E·珀斯基 申請人:聯合工藝公司