鎳基合金的冷噴塗的製作方法

2023-05-18 19:39:41

專利名稱：鎳基合金的冷噴塗的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及冷噴塗，並且尤其涉及冷噴塗包括鎳基合金的給料的方法。
背景技術：
結合表面層被期望用於許多應用，這些應用包括表面經歷腐蝕、侵蝕或高溫的應用。用於在基底上產生已結合的金屬塗層的一個方法為冷噴塗技術。在冷噴塗技術(在本文中也被簡稱為「冷噴塗」)中，微粒與氣體混合，且隨後氣體和微粒被加速成超音速射流，同時氣體和微粒被維持在充分低的溫度以防止微粒熔化。已經使用冷噴塗來沉積銅塗層，在該冷噴塗中，已實現充分的結合(bonding)來產生類似塊體的性質。然而，諸如不鏽鋼、鎳、鎳基超合金以及鈦基超合金的更高溫度的材料可能需要更高的速度而在常規的冷噴塗裝置的限制下產生高質量的沉積物。尤其期望實現更高的微粒和沉積物的溫度和/或速度。為了使用熔點比銅更高的金屬來獲得更好的性質，冷噴塗設備向著更高的氣體溫度發展。然而，即使高溫的氮氣也難以加速至足夠快的速度來製造諸如鎳合金、鐵合金或鈦合金的高熔點材料的緻密的沉積物。所以，為了具有足夠高的速度來製造高熔點材料的緻密的沉積物，與常規的氮氣相比，優選氦氣。然而，使用氦氣用於冷噴塗在商業上具有挑戰性。所以，需要一種製造高溫熔化合金的優質的結合的沉積物的經濟的方法。

發明內容
在一個實施例中簡要地公開了一種方法。該方法包括將粉末給料導入冷噴塗裝置中，並運行冷噴塗裝置以沉積給料。給料包括微粒，該微粒包含具有熱變微結構的鎳基合金。在一個實施例中公開了一種方法。該方法包括將粉末給料導入冷噴塗裝置中，並運行冷噴塗裝置以沉積給料。給料基本上由具有熱變微結構的鎳基合金微粒構成。


參照附圖，閱讀以下的具體描述，將更好地理解本發明的這些和其他的特徵、方面以及優點。圖1顯示了根據本發明的實施例的帶有沉積物的物件。
具體實施例方式本發明的實施例包括用於使用帶有鎳基合金給料的冷噴塗裝置而利用已結合的微粒在基底從固態衝擊沉積產生緻密的金屬沉積物的裝置和方法。在以下的詳細描述和所附的權利要求中，除非本文明確地指示，否則單數形式「一」、「一個」以及「該」也包括復指。
在本文中所使用的術語「結合」意味著接觸並附著。「結合」可以在已沉積的微粒之間和/或在已沉積的微粒和基底之間。「沉積物」為基底上的塊體或層。在具體實施例中，沉積物為塗層。典型的冷噴塗方法使用接收高壓氣體和沉積材料的給料的噴槍，該高壓氣體例如為氦氣、氮氣或空氣，該沉積材料的給料例如為粉末形態的金屬、難熔金屬、合金或複合材料。粉末顆粒在高壓下被導入噴槍中的氣流中並從噴嘴發射。微粒在氣流中被加速至可能達到超音速的高速。氣流可以被加熱。典型地，氣體被加熱至低於微粒的熔點以減小飛行中的氧化和已沉積的材料中的相變。作為相對低的沉積溫度和非常高的速度的結果，冷噴塗過程對於沉積良好地附著的、冶金地結合的、緻密的、堅硬的以及抗磨損的塗層提供潛在可能性，該塗層的純度主要取決於所使用的給料粉末的純度。粉末以高速衝擊基底。粉末的動能使粉末顆粒通過與基底衝擊而變形並平坦。該平坦促進了與基底的冶金結合、機械結合或冶金結合和機械結合的組合，並導致位於基底的沉積物。冷噴塗方法的一個優點為可忽略飛行期間的微粒的零相變或氧化和已結合的微粒的高附著強度。為了具有充分高的速度來製造高熔點材料的緻密的沉積物，通常使用昂貴的氦(He)氣而代替氮(N2)氣，這是由於當以常規的冷噴塗方法來使用時，氮氣通常難以加速至足夠快的速度來產生例如鎳(Ni)合金、鐵(Fe)合金或鈦(Ti)的合金的高熔點材料的緻密的沉積物。然而利用氦進行噴塗是昂貴的。本發明的實施例利用由給料粉末的預處理賦予的優點來使給料粉末在比用於使高熔點的金屬和合金沉積的常規的氦基冷噴塗方法更低的要求條件下服從於冷噴塗。改變給料的微結構和/或形態的一些特徵來實現微粒強度和/或硬度的降低(相對於在典型的粉末製造過程之後接收的微粒的這樣的特徵和性質)，提供了被供給至噴塗裝置的更軟的微粒給料，允許更軟的材料衝擊並在基底變形，因而形成緻密的高質量的沉積物。已公開的方法的一些實施例包括給料材料的熱處理，該熱處理改變材料的結構和性質，使得給料在經濟便利的條件下服從於冷噴塗。已公開的方法不同於在噴塗給料的期間或即將噴塗給料之前對給料材 料進行原位或噴槍內的熱處理。甚至在導入冷噴塗裝置中之前，在此所使用的給料材料接收其熱處理，並因而改變其微結構、形態及/或強度/硬度。此夕卜，在該申請中被給料材料接收的熱處理不同於能夠在噴槍裝置內應用的熱處理。當與本申請的熱處理的微粒相比時，給料材料的噴槍內的熱處理的現有的公開受限於給料材料的溫度和高溫處理的持續時間，因而受限於微結構、形態以及強度/硬度。在本文提出的冷噴塗方法的一個實施例中，給料材料包括金屬或金屬合金。示例包括諸如鎳、鈷、鈦、鋁、鎬以及銅的金屬。金屬合金的示例包括鎳基合金、鈷基合金、鈦基合金、鐵基合金、鋼、不鏽鋼以及鋁基合金。鎳基合金、鐵基合金、鈷基合金或鈦基合金中的一些用於基於航基氣體渦輪發動機構件和陸基氣體渦輪發動機構件，並尤其期望被冷噴塗沉積以形成不帶有不良的氧化的緻密的塗層。諸如可商業性地獲得的歸屬於例如INC0NEL 材料、INC0L0Y 材料、RENE 材料、WASPAL0Y 材料、UDMET 材料、Hastelloy 材料以及Mar-M 材料的商品名稱的所謂的「超合金」的合金為尤其有益於用於發動機構件的非限制性示例中的一些。INC0NEL 是美國西維吉尼亞州亨廷頓市的Huntington Alloys Corporation的註冊商標。INC0L0Y 是美國西維吉尼亞州亨廷頓市的Inco Alloys International, Inc.的註冊商標。RENE 是美國加利福尼亞州洛杉肌市的Teledyne Industries, Inc.的註冊商標。WASPAL0Y 是美國印第安那州科科莫市的 Haynes International, Inc.的商標。UDIMET 是 Special Metals.Corporation 的註冊商標。Hastelloy 是 Haynes International, Inc 的註冊商標名稱。Mar-M 是Martin Marietta的商標。儘管本發明包含不同的給料和沉積材料，但是依照作為給料材料和沉積材料的鎳基合金而進一步描述本文的申請。鎳基合金的非限制性示例為合金718，該合金718具有特定的成分，在重量百分比方面，具有約50%至約55%的鎳、約17%至約21%的鉻、約4.75%至約5.50%的鈮、約2.8%至約3.3%的鑰、約0.65%至約1.15%的鈦、約0.20%至約0.80%的鋁、最大1.0%的鈷以及餘量的鐵。也可能存在少量的諸如碳、猛、娃、磷、硫、硼、銅、鉛、秘以及硒的其他元素。根據合金成分和合金的熱處理條件，強化的鎳基合金大致包括例如Y 』、Y 』 』的澱積相和例如碳化物、氧化物、硼化物以及氮化物的相的單個或組合的高溫澱積物。在一些實施例中，也可能存在諸如δ、σ、η、μ及/或Iaves的相。鎳基合金中的諸如Y』和Y』』的澱積相典型地在固溶熱處理的期間溶解，並在從固溶溫度冷卻的期間和在隨後的老化熱處理的期間再次澱積。這導致鎳合金基體中的Y』次級相和/或Y』』次級相的分布。諸如碳化物、氧化物、硼化物以及氮化物的相的高溫澱積物可能不典型地在固溶熱處理的期間溶解，並可能因而甚至在合金的固溶熱處理之後也作為澱積物而保留。以下詳述這些處理所涉及的大致步驟和各個步驟的不同的所預期的澱積。 在典型的澱積硬化的鎳合金中，合金最初被給予固溶處理(或者，在本領域的表述中，合金最初被「固溶」或「固溶化」)，其中，合金被加熱至高於澱積物的固溶溫度。在此所指的澱積物可能是在溫度處理的不同階段的期間形成的「主級」、「次級」或「三級」的澱積物，而不是甚至在高於主級/次級/三級的澱積物的固溶溫度也可能存在的高溫的碳化物、氧化物、硼化物或氮化物的相。通常地，合金在形成過飽和固溶體相的固溶處理之後淬火。在一個實施例中，基體包括鎳基Y相。Y』是帶有面心立方(fee)晶格和隨機分布的不同種類的原子的固溶體。在一些合金中，在存在高溫澱積相的地方，過飽和固溶體相可能仍然具有那些高溫相的澱積物。在一個實施例中，在例如類似於Rene 88 or Waspaloy 的Y』系統中，甚至在淬火期間，Y』也可能快速地澱積。典型地，如下所述，處於固溶狀態的合金甚至在當淬火時發生澱積作用的地方，顯著地比處於完全處理的狀態的合金更軟。在第三步驟中，過飽和固溶體相被加熱至低於澱積物的固溶溫度以產生良好地分散的澱積物。例如，在Y』』系統中，Y』』相可以在老化處理的期間大程度地澱積，由此硬
化並強化合金。因此，通過使用已設計的固溶熱處理的方法，從而典型地處理強化的鎳基合金，該方法溶解Y』和/或Y』』的強化相，並隨後允許這些相的在從熱處理的冷卻時或固溶的合金的後續的老化之後的最佳的再次澱積。隨著老化的溫度和時間而施加於鎳基合金構件的冷卻速率和冷卻路徑以及特殊成分的固有性質，通常影響鎳基合金中的最佳性質的發展。在本發明的一個實施例中，公開了用於準備由鎳基合金沉積物製成的物件的方法，該鎳基合金沉積物由於Y』和/或Y』』的相的存在而被強化。該方法包括以高於鎳基合金的Y』和/或Y』』的固溶溫度的固溶化溫度對鎳基合金粉末進行固溶熱處理的步驟。在一個實施例中，該方法還包括將鎳基合金粉末淬火至低於Y』和Y』』的固溶溫度的溫度。可以在一個步驟或在多個步驟中施行淬火。通常的空氣淬火或水浴淬火、油浴淬火或熔鹽浴淬火的方法可以用於淬火。在本發明的一個實施例中，被固溶熱處理且淬火的粉末用作用於冷噴塗沉積的給料的至少一部分。通常以充分高的溫度執行固溶處理，從而部分地或完全地溶解強化相，典型地對於鎳基合金為900°C至1300°C的量級，典型地持續I小時至10小時。該固溶熱處理和淬火改變鎳基合金的微結構且所得到的微粒典型地具有熱變微結構。在一個實施例中， 鎳基合金的已改變的微結構是指來自對霧化粉末進行熱處理之前的鎳基合金的霧化狀態的已改變的微結構。而熱變微結構是指具有不同於熱處理之前的粉末的特徵的、作為已暴露於熱處理的結果的微結構特徵。這樣的特徵的非限制性示例包括晶粒尺寸，晶粒形態，澱積物的尺寸、形態、尺寸分布，以及化學偏析的程度。在一個實施例中，使用熱處理而熱加工材料，該熱處理導致材料比處理之前更軟。在一個實施例中，霧化的鎳基合金被熱處理至鎳基合金的熔點的至少一半的溫度而持續至少5分鐘以產生熱變微結構。在此限定的熔點意味著合金的初熔點，其中，液相在平衡條件下開始出現。在一個實施例中，已淬火的粉末，在接收進一步的老化熱處理之前，處於不具有Y'或Y』』的相的澱積物中的任一者的單一相的過飽和固溶體相中。在一個實施例中，已淬火的粉末包括大致固溶的微結構。如在此所使用的那樣，「大致固溶的微結構」意味著粉末微粒處於已固溶處理的狀態，該狀態具有已經過固溶熱處理和快速淬火的材料的微結構特徵。在大多數實施例中，諸如碳化物、氧化物、氮化物以及硼化物的高溫相，如果在熱處理之前存在於粉末中，則在熱處理之後存留於基體內。在一個實施例中，固溶處理為進行熱處理至熱力學傾向於作為單個相而存在的溫度，持續足夠建立平衡條件的時間。在一個實施例中，已固溶處理且淬火的狀態包括基體相和澱積相，該澱積相在淬火期間形成而沒有進行任何老化處理來形成有助於增加強化的精細的澱積物。在一個實施例中，在已固溶處理且淬火的鎳基合金中，存在基體相的Y鎳和Y』主級澱積。在一個實施例中，在鎳基合金從固溶溫度受到慢淬火。當將材料留在熱處理爐中時冷卻材料(在本領域中被稱為「爐冷」的作法)是在這些合金系統中慢淬火的典型的方法。與類似成分的常規地老化的合金相比，慢淬火合金材料典型地具有更粗糙的晶粒澱積物和降低的強度。在一個實施例中，用於冷噴塗的給料微粒包括鎳基合金。在一個實施例中，鎳基合金包括具有至少約40%的重量的鎳的給料微粒。在一個實施例中，已固溶熱處理且淬火的給料粉末的微結構包括粗糙的晶粒。如在此所使用的那樣，「晶粒」是單獨的晶體且晶粒尺寸是指給定的微粒內的晶體的尺寸。在一個實施例中，由於與固溶熱處理相關的晶粒粗糙化和/或澱積物溶解，因而鎳基合金的強度相對於受到熱處理之前的粉末而被固溶熱處理降低。在一個實施例中，給料材料的微粒具有約I μ m至約20 μ m的範圍的平均晶粒尺寸。具有不同微粒尺寸的給料材料能夠用於本文提出的冷噴塗方法以形成堅固且緻密的沉積物。在一個實施例中，用於給料的微粒具有約I微米至約100微米的範圍的中等尺寸。在又一實施例中，顆粒具有約5微米至約50微米的範圍中的中等尺寸。在一個實施例中，在固溶熱處理和淬火之後獲得的微粒具有面心立方的晶體結構。
如上所述，在本文提出的冷噴塗方法的一個實施例中，給料材料在噴塗時不熔化。在一個實施例中，給料材料的熔點高於在噴塗期間給料材料所經歷的溫度。在又一實施例中，給料材料所經歷的溫度低於給料材料的熔點的約0.9倍。在本發明的一個實施例中，運載氣體用於運載給料材料，該給料材料用於沉積。由於已固溶熱處理的鎳基合金的微結構的變化和降低的強度/硬度，因而不必使用用於在物件上獲得鎳基合金的緻密的沉積物的氦氣或者使用非常高的溫度的運載氣體或高速的給料材料。所以，在本發明的一個實施例中，具有至少50%的體積的氮的運載氣體用於冷噴塗。在一個實施例中，運載氣體包括至少75%的體積的氮。在一個實施例中,運載氣體基本上由氮組成。在一個實施例中，用於沉積的運載氣體基本上不含有氦。在一個實施例中，運載氣體的溫度處於約20°C至約1200°C的範圍中。通常地，在冷噴塗過程中，給料材料的衝擊臨界速度被如下地定義:微粒至基底的附著對於所意圖的應用是無用的。給料材料的臨界速度可以取決於給料微粒和基底的本質和性質。在一個實施例中，運行在此所使用的冷噴塗裝置，包括將給料加速至約500m/s至約1100m/S的範圍中的速度。在一個實施例中，準備將在其上形成沉積物的物件以接收沉積物。準備用於冷噴塗的物件的表面，可以包括將表面清潔並/或去汙。在一個實施例中，通過從物件的表面移除已存在的材料或諸如氧化物層的層，從而形成物件表面的已準備的區域，使得通過利用冷噴塗弓I導給料材料而形成的沉積物被結合至物件。在本發明的一個實施例中，提供了物件。物件可以為任何可操作的形狀、尺寸以及構造。所關注的物件的示例包括諸如密封件和凸緣的氣體渦輪發動機的構件以及其他類型的物件的區域。例如如圖1所示，當沉積物形成在物件10的基底12時，形成物件10。基底12具有沉積表面14。沉積物16形成於物件10的表面14上。沉積物16具有多個給料微粒18，該給料微粒18沿著其先前的顆粒邊界20結合。已沉積的材料16和基底12的表面14之間的接觸的表面為結合 線22。在一個實施例中，物件10和/或沉積物16在冷噴塗之後被熱處理。退火或老化的熱處理用於將Y』或Y』』的相澱積在鎳基合金的基體中。在一個實施例中，老化的溫度在約300°C至約1000°C的範圍中。在一個實施例中，老化的溫度在約400°C至約850°C的範圍中。在一個實施例中，如此地形成的澱積物少於沉積物的體積的約80%。在一個實施例中，已澱積的強化相在沉積物的體積的約20%至體積的約55%的範圍中。熱處理可能引起沉積材料16與物件10的基底12的材料在某種程度上互相擴散。在一個實施例中，沉積物16被固溶熱處理、淬火併老化以澱積期望的強化相的分布。在一個實施例中，物件10的沉積物16具有大於沉積材料的理論密度的約95%的密度。在又一實施例中，沉積物16具有大於理論密度的約99%的密度。儘管在本文中僅說明並描述了本發明的某些特徵，但是本領域的技術人員將會想到許多修改和變化。因此，應理解所附的權利要求旨在包括如落入本發明的真正的要旨內那樣的修改和變化。
權利要求
1.一種方法，包括: 將粉末給料導入冷噴塗裝置中，其中，所述給料包括微粒，該微粒包含具有熱變微結構的鎳基合金；以及 運行所述冷噴塗裝置以沉積所述給料。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述熱變微結構包括Y相。
3.根據權利要求2所述的方法，其中，所述熱變微結構還包括r相、Y』』相或兩者的組合的澱積物。
4.根據權利要求1所述的方法，其中，所述微粒具有約Iμ m至20 μ m的範圍中的平均晶粒尺寸。
5.根據權利要求1所述的方法，其中，所述給料基本上由微粒構成，該微粒包含至少約40%的重量的鎳。
6.根據權利要求1所述的方法，還包括持續至少5分鐘地將所述粉末給料暴露至所述鎳基合金的熔點的至少一半的溫度，以產生所述熱變微結構。
7.根據權利要求1所述的方法，其中，運行所述冷噴塗裝置，還包括將運載氣體導入所述裝置中，該運載氣體包括氮。
8.根據權利要求7所述的方法，其中，運載氣體溫度在約20°C至約1200°C的範圍中。
9.根據權利要求1所述的方法，還包括熱處理所述已沉積的給料以形成包括分布於基體相內的強化澱積相的沉積物。
10.根據權利要求9所述的方法，其中，所述基體包括鎳基Y相且強化澱積相，該強化澱積相包括Y 』、Y 』 』或兩者的組合。
11.根據權利要求9所述的方法，其中，所述基體相具有面心立方的晶體結構。
12.根據權利要求9所述的方法，其中，所述澱積物少於所述沉積物的體積的約80%。
13.根據權利要求12所述的方法，其中，所述澱積物在所述沉積物的體積的約20%至體積的約55%的範圍中。
14.根據權利要求9所述的方法，其中，熱處理所述已沉積的給料，包括加熱至約300° C至約1300° C的範圍中的溫度。
15.根據權利要求1所述的方法，其中，運行所述冷噴塗裝置，包括將所述給料加速至約500 m/s至1100 m/s的範圍中的速度。
16.一種由根據權利要求1所述的方法形成的物件。
17.一種方法，包括: 將粉末給料導入冷噴塗裝置中，其中，所述給料基本上由具有熱變微結構的鎳基合金微粒構成；以及 運行所述冷噴塗裝置以沉積所述給料。
18.根據權利要求17所述的方法，還包括熱處理所述已沉積的給料以形成沉積物，該沉積物包括分布於基體相內的強化澱積相。
全文摘要
本發明涉及鎳基合金的冷噴塗。在一個實施例中簡要地公開了一種方法。該方法包括將粉末給料導入冷噴塗裝置中，並運行冷噴塗裝置以沉積給料。給料包括微粒，該微粒包含具有熱變微結構的鎳基合金。
文檔編號C23C4/08GK103160769SQ201210540808
公開日2013年6月19日 申請日期2012年12月14日 優先權日2011年12月16日
發明者L.阿德爾什塔恩, T.漢倫 申請人:通用電氣公司