專利名稱：掩蔽材料、掩蔽層、用于掩蔽基材的方法以及用于涂覆基材的方法
技術領域：
本發明涉及掩蔽材料、掩蔽方法以及涂覆方法。
背景技術：
在涂覆方法、特別在使用氣相涂覆法，例如PVD法或者CVD法的情況下，則必須對 特定的區域進行特別良好的氣密保護，因為在這些部位不應施加涂層。已知有不同的以機械方式將不同尺寸的粉末混合物相互混合，或者施加含玻璃的 物質，這些物質據信特別致密，但是它們也難以再去除掉。
發明內容
因此本發明的任務在于解決上述問題。通過權利要求1所述的掩蔽材料、權利要求9或10所述的掩蔽層、權利要求13、14 所述的掩蔽方法以及權利要求20所述的涂覆方法，解決了這一任務。
其中圖1示出了用于掩蔽對基材的方法的示意性流程圖，圖2、3示意性涂覆方法，圖4示出了渦輪葉片的透視圖，圖5是出了燃氣輪機的透視圖，以及圖6示出了高溫合金列表。所示附圖和說明書僅給出了本發明的工作實施例。
具體實施例方式圖1中示出了具有表面19的基材4，其為構件1、120、130的基材。尤其在燃氣輪機100(附圖5)中用附圖6所述材料制成的渦輪葉片。在第一步驟中優選地將陶瓷粉末作為層7施加到表面19上。可以通過噴射或者 通過其它包含或不包含粘合劑的方法來施加陶瓷粉末。所述陶瓷粉末尤其可以包括氧化物陶瓷，即氧化鋯、氧化鋁、二氧化鈦、鈣鈦礦、尖 晶石、燒綠石和/或氮化硼或者其混合物，非常特別使用氧化鋁或二氧化鈦(TiO2)。優選僅 僅使用陶瓷，非常特別僅僅使用Al2O315優選使用由Al203/Ti02 或者 Zr02/Ti02 或者 Al2O3ArO2 或者 BN/Ti02 或者 BN/A1203 或者BNArO2形成的混合物。混合比例優選為93/7或者87/13。在第二方法步驟中優選將金屬粉末作為層10施加到陶瓷粉末層7上。
也可以使金屬粉末部分滲透到陶瓷層7的開孔之中。這樣共同構成掩蔽層13。這兩個步驟優選重復至少一次，尤其僅重復一次，從而形成多層的掩蔽層13 陶
瓷_金屬_陶瓷_金屬ο優選地，一個陶瓷層和一個金屬層即已足夠。借助在陶瓷和金屬之間的梯度過渡還實現了更好的結果。金屬粉末尤其是基材的金屬，也即優選鎳(Ni)、鈷(Co)、鉻(Cr)、鋁(Al)或其混合 物，所述一種或多種金屬優選能夠與涂覆材料很好地反應。尤其使用鎳。也可以使用上述 金屬的合金(NiAl，……)。粒度分布通常優選為對于陶瓷粉末為0. 1μπι-20μπι(100ηπι-20μπι)，對于金屬 粉末為 5 μ m-25 μ m(l μ m_25 μ m)。由下面的陶瓷層和上面的金屬層10形成的這種層系統形成特別氣密的掩蔽層 13。可以將這種掩蔽層13局部施加到不應進行層的部位16上(圖2)。在此，所述掩蔽材料可以在任意涂覆方法中、特別還在氣相涂覆方法中使用，例如 PVD、CVD或者其中涂覆材料以蒸氣或氣體形式存在的其它方法。同樣也可以對整個外側基材4進行保護，例如當對空心構件內部進行涂覆，例如 鍍鉻或者滲鋁，和不總能防止涂覆材料從空心構件中再次離開從而沉積到未受保護的基材 4外表面上時。同樣可以借助上述優選材料和施加方式，使用陶瓷粉末和金屬粉末的機械混合物 掩蔽材料。圖4以透視圖示出渦輪機的渦輪葉片120或導向葉片130，其沿縱軸121伸展。該渦輪機可以是飛機或發電站的燃氣輪機，蒸氣輪機或壓縮機。葉片120、130在沿縱軸121上依次具有固定區400、與其毗鄰的葉片平臺403以及 葉片頁(Schaufelblatt) 406和葉片尖端415。作為導向葉片130，該葉片130在其葉片尖部(Schaufelspitz) 415上可具有另一 平臺(未示出)。在固定區400中形成葉根183，該葉根用于將渦輪葉片120、130固定在軸或盤上 (未示出)。葉根183例如設計成錘子頭形。也可設計成冷杉樹形根基或燕尾形根基。針對流過葉片頁406的介質，葉片120、130具有流入邊409和流出邊412。在通常的葉片120、130情況下，在葉片120、130的整個區域400、403、406中使用
例如實心金屬材料，特別是高溫合金。例如由EP 1204776 BUEP 1306454,EP 1319729 AUffO 99/67435 或WO 00/44949 中已知這類高溫合金。葉片120、130可通過鑄造法即借助于定向凝固、通過鍛造法、通過銑削法或這些 方法的組合來制備。具有一種或多種單晶結構的工件可用作在運行中經受高機械負荷、熱負荷和/或 化學負荷的機器的構件。這類單晶工件的制備例如可通過熔體的定向凝固實現。其涉及澆鑄法，在該法中該液態金屬合金凝固為單晶結構，也即單晶工件，或者經定向凝固。這時樹枝狀晶體沿熱流 對齊，并形成棒晶晶粒結構(柱狀即經工件整個長度分布的晶粒，按通常說法稱為定向凝 固)或單晶結構即整個工件由單一晶體構成。在此方法中，必須避免過渡到球狀(多晶) 凝固，因為通過非定向生長必定形成橫向和縱向的晶界，這就破壞了定向凝固構件或單晶 構件的優良特性。如果通常論及定向凝固結構即意指不含晶界或最多小角度晶界的單晶和意指含 縱向走向的晶界但不含橫向晶界的棒晶結構。在該兩種晶體結構情況下均稱為定向凝固結 構(directionally solidfiedstructures)。由 US-PS 6024792 和 EP 0892090 Al 中已知這類方法。該葉片120、130也可以具有抗腐蝕或抗氧化涂層，例如(MCrAlX ；M是鐵(Fe)、鈷 (Co)、鎳(Ni)中的至少一種元素，X是活性元素，并代表釔(Y)和/或硅和/或至少一種稀 土元素或鉿(Hf))。從 EP 0486489 Bi、EP0786017 Bi、EP 0412397 Bl 或 EP 1306454 Al 中已知這類合金。密度優選為理論密度的95%。在MCrAlX層(作為中間層或作為最外層)上形成保護性的氧化鋁層(TG0 =熱生 長氧化物層)。該層組成優選顯示為Co-30Ni-28Cr-8Al_0. 6Y-0. 7Si 或 Co-28Ni-24Cr-10Al-0. 6Y。除基于鈷的保護涂層外還優選應用基于鎳的 保護層如 Ni-10Cr-12Al-0.6Y-3Re 或 Ni-12Co-21Cr-l1A1-0.4Y-2Re 或 Ni-25Co-17Cr-10Al-0. 4Y-1. 5Re。在MCrAlX上還可存在隔熱層，該隔熱層優選為最外層，并例如由&02、Y2O3IrO2制 成，即其為未經、部分經或完全經氧化釔和/或氧化鈣和/或氧化鎂穩定化。該隔熱層覆蓋整個MCrAlX層。通過合適的涂覆方法如電子束蒸發(EB-PVD)在隔熱層中產生棒狀晶粒。還可考慮其它涂覆方法如大氣等離子體噴霧法(APS)、LPPS, VPS或CVD。該隔熱 層可以具有多孔的晶粒、微觀裂紋晶粒或宏觀裂紋晶粒以達更好的耐熱沖擊性。該隔熱層 優選比MCrAlX層更具多孔性。翻新(Refurbishment)表示部件120、130在經過使用后，有可能必須清除保護層 (例如采用噴砂法)。然后清除防腐層和/或氧化的層或產物。任選地，也可對構件120、 130中的裂紋進行修補。然后對構件120、130重新涂覆，然后重新使用構件120、130。葉片120、130可以是中空的或實心的。如果應冷卻葉片120、130，則其為中空的， 任選地還具有膜冷卻孔418 (以虛線示出)。圖5示例性示出燃氣輪機100的縱向截面圖。該燃氣輪機100的內部具有繞旋轉軸102呈旋轉安裝并具有軸101的轉子103，該 轉子也稱為渦輪轉子。沿轉子103依次為進氣殼體104、壓縮機105、例如是環形燃燒室110，特別是圓環 狀燃燒室、多個同軸安裝的燃燒器107、渦輪機108和排氣殼體109。該環式燃燒室110與例如環形熱氣體通道111相連。其中例如4個串聯渦輪級 112形成渦輪機108。
每個渦輪級112例如由2個葉片環構成。按工作介質113的流向看，接著是在 導向葉片排(LeitSChaufelreihe)115的熱氣體通道111中的由渦輪葉片120構成的排 (Reihe) 125。其中導向葉片130固定在定子143的內殼體138上，排125的導向葉片120例如 借助于渦輪葉輪盤133安置在轉子103上。在轉子103上連接發電機或工作機械(未示出)。燃氣輪機100運行時，通過進氣殼體104由壓縮機105吸入并壓縮空氣135。在壓 縮機105的渦輪機側端將已經提供的壓縮空氣導入燃燒器107，并在其中與燃料混合。然后 該混合物在燃燒室110中燃燒并形成工作介質113。該工作介質113從那里沿熱氣體通道 111在導向葉片130和渦輪葉片120上流過。該工作介質113在渦輪葉片120上沖量轉移 式(impulsilbertragend)膨脹，以使渦輪葉片120驅動轉子103，并且該轉子又帶動在其上 連接的做功機械。在燃氣輪機100運行中該受熱工作介質113作用的構件經受熱負荷。除加襯圓環 狀燃燒室110的熱屏蔽部件之外，按工作介質113的流向看的第一個渦輪級112的導向葉 片130和渦輪葉片120經受最大的熱負荷。為耐受那里所處的溫度，可用冷卻劑冷卻。該構件的基材也可具有定向的結構，也即其為單晶(SX-結構)或僅具有縱向晶粒 (DS-結構)。使用例如鐵基、鎳基或鈷基的高溫合金作為構件，特別是渦輪機葉片120、130和 燃燒室110的構件的材料。例如由EP 1204776 BUEP 1306454,EP 1319729 AUffO 99/67435 或WO 00/44949 中已知這類高溫合金。葉片120、130同樣也可具有防腐涂層(MCrAlX涂層，M是鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni) 中的至少一種元素，X表示活性元素，并為釔(Y)和/或硅、鈧(Sc)和/或至少一種稀土元 素或者鉿(Hf))。由 EP0486489B1、EP0786017B1、EP0412397B1 或 EP1306454A1 已知此類合金。 在MCrAlX層上還可存在陶瓷隔熱層，該陶瓷隔熱層例如由&02、Y2O3-ZrO2制成， 即其為未經、部分經或完全經氧化釔和/或氧化鈣和/或氧化鎂穩定化。通過合適的涂覆方法如電子束蒸發(EB-PVD)在隔熱層中產生棒狀晶粒。該導向葉片130具有面向渦輪機108的內部殼體138的導向葉根 (Leitschaufelfuii)(這里未示出)和與導向葉根相對設置的導向葉片頭部。該導向葉片 頭部面向轉子103并固定在定子143的固定環140上。
權利要求
1.掩蔽材料，該掩蔽材料具有陶瓷粉末和金屬粉末。
2.根據權利要求1所述的掩蔽材料，其中所述陶瓷表示氧化物陶瓷，尤其表示氧化鋯、 氧化鋁、二氧化鈦、鈣鈦礦、尖晶石、燒綠石和/或氮化硼以及它們的混合物，尤其含氧化 鋁，非常特別僅含氧化鋁。
3.根據權利要求1或2所述的掩蔽材料，對于所述陶瓷粉末而言，該掩蔽材料含有 Al203/Ti02、BN/Ti02、Zr02/Ti02, Al203/Zr02, BN/A1203 或 BN/Zr02 的混合物。
4.根據權利要求1或2所述的掩蔽材料，僅具有唯一的陶瓷材料。
5.根據權利要求1、2、3或4所述的掩蔽材料，其中所述金屬粉末表示鎳(Ni)、鋁(Al)、 鈷(Co)和/或鉻(Cr)以及它們的混合物或者合金，尤其含有鎳(Ni)，非常特別僅含有鎳 (Ni)。
6.根據權利要求1、2、3、4或5所述的掩蔽材料，僅具有唯一的金屬材料。
7.根據權利要求1、2、3、4、5或6所述的掩蔽材料，僅由陶瓷和金屬構成。
8.根據權利要求1、2、4、5、6或7所述的掩蔽材料，僅具有唯一的陶瓷和唯一的金屬。
9.掩蔽層(13)，具有權利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的掩蔽材料，尤其由所述掩蔽 材料構成。
10.掩蔽層(13)，該掩蔽層呈多層構造，且具有至少一個陶瓷層(7)，該至少一個陶瓷 層特別由權利要求2、3或4所述的材料構成，并且，尤其在陶瓷層(7)上，具有權利要求5 或6所述的至少一個金屬層(10)，并且尤其按照權利要求7或8形成。
11.根據權利要求10所述的掩蔽層，具有至少兩個陶瓷層和至少兩個金屬層，尤其以 交替順序具有至少兩個陶瓷層和至少兩個金屬層，非常特別具有最下面的陶瓷層。
12.根據權利要求10或11所述的掩蔽層，僅具有兩個金屬層，并且僅具有兩個陶瓷層。
13.用于掩蔽基材(4)的方法，其中將權利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的掩蔽材料施 加到基材(4)的表面(16，19)上。
14.用于掩蔽基材(4)的方法，其中將由陶瓷材料構成的粉末層(7)施加到基材(4)的 表面(16，19)上，和在第二步驟中將金屬粉末層(10)施加到該陶瓷層(7)上。
15.根據權利要求14所述的方法，其中所述陶瓷尤其表示氧化物陶瓷，非常特別表示 氧化鋯、氧化鋁、二氧化鈦、鈣鈦礦、尖晶石或者燒綠石和/或氮化硼，非常特別含有氧化ο
16.根據權利要求14或15所述的方法，其中僅施加金屬，尤其是鈷(Co)、鎳(M)、鋁 (Al)和鉻(Cr)、它們的混合物或者合金，非常特別施加鎳(Ni)。
17.根據權利要求14、15或16所述的方法，其中通過不同的方法，尤其是通過刷涂、噴 涂、浸涂來施加粉末層(7，10)，其中尤其能夠使用粘合劑。
18.根據權利要求14、15、16或17所述的方法，其中僅施加金屬。
19.根據權利要求14、15、16、17或18所述的方法，其中僅施加陶瓷。
20.用于涂覆基材(4)的方法，其中使用權利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的掩蔽材 料，或者使用權利要求13、14、15、16、17、18或19所述的用于掩蔽的方法，其中在將掩蔽材 料(13)施加到不應進行涂覆的區域(16)上之后實施涂覆方法，尤其是實施氣相涂覆法。
全文摘要
本發明涉及掩蔽材料、掩蔽層、用于涂覆基材的方法以及用于涂覆基材的方法。在涂覆方法中經常使用掩蔽，然而在掩蔽中在氣態涂覆方法中必須特別氣密。按照本發明使用由陶瓷粉末和金屬粉末構成的雙層涂層。
文檔編號C23C14/04GK102086503SQ20101062499
公開日2011年6月8日 申請日期2010年12月3日 優先權日2009年12月4日
發明者F-J·拉德魯, T·貝恩特 申請人:西門子公司