在由超耐热合金制成的部件上气相淀积金属涂层的方法和工具

摘要

本发明涉及一种在由耐热合金制成的部件上气相沉积金属涂层的方法，该方法包括将所述部件布置在腔室中，在该腔室中存在能够一起形成卤化物金属涂层的金属供体颗粒和活化剂，在中性或还原气体环境下加热该腔室到涂层金属卤化物与部件的合金反应的温度，其特征在于，所述颗粒的层设置在至少一个盒(2)的底部(21)上，然后部件的支撑件被放置在颗粒层上，所述支撑件包括将所述部件保持与颗粒层分离的支撑柱，当盒被关闭时气体经由位于颗粒层以上的侧面被喷射到所述盒内。

说明书

技术领域

本发明涉及保护涂层在金属部件上的沉积，特别地基于铝的保护涂层。这特 别地涉及这种涂层应用到涡轮发动机部件、燃气涡轮发动机的动叶片或静叶片。

背景技术

用于在航空领域推进的燃气涡轮发动机在驱动涡轮的驱动气体的温度下起 作用，该温度需要尽可能高，因为这里涉及能源效率。为此选择材料以经受这些 操作条件，并且提供了由热气扫过的部件—涡轮机可动散热片或喷嘴—的壁，其 中适用于内冷却设备。此外，由于由基于镍或钴的超耐热合金制成的它们的金属 构造，也需要保护它们免受由驱动气体的成分在这些温度所导致的侵蚀和腐蚀。

一种用于保护这些部件的已知方法是在很容易被气体降解的表面上沉积金 属涂层，优选地基于铝的金属涂层。铝通过金属相互扩散被固定到基层，并形成 保护表面氧化层。

涂层的厚度为大约几十微米。

本发明涉及在气相中沉积铝的本身已知的技术，也被称为通过气相沉积的喷 铝。根据该方法，被处理的部件和包括卤化铝的活性气体布置在半密封腔室内， 腔室内的气氛由例如氩或氢的惰性或还原气体的混合物形成。在900℃和1150℃ 之间的反应温度，卤化物在部件表面上分解成气态卤素和扩散到金属内的铝。

卤化物通过在具有待处理部件的腔室内放置胶结物并在存在形成活化剂的 卤素化合物、氯或氟的颗粒存在下产生，所述胶结物作为金属铝或金属铝合金的 供体，所述金属铝合金具有一种或多种形成待保护部件的材料的金属成分，特别 地为铬。惰性气体在活化剂上在允许卤素升华的温度下循环，卤素被传送到供体 并与供体反应以产生金属卤化物，该金属卤化物在该温度下处于气态。

由于活化剂在涂布温度下是气态以及不会产生污染物，通常选择如氯化铵、 氟化铵、氟化氢铵的产品。在存在氢或在中性气体中以及在高温下，这些分子分 解成铵和卤素。气化温度取决于所选择的卤化盐的性质。例如，对于氯化铵是 340℃。活化剂仅用于完全安全地运输卤代酸到反应器中，在该反应器中进行沉 积，也就是说是半密封盒。连接到该卤素的阳离子(在该情况下是铵)因此对该 反应没有用。

然后卤化物分解与待涂布的金属基层接触，使铝被沉积。在喷铝过程中，沉 积铝的循环过程开始，连续地持续直到在基层表面上的铝活性变得等于由胶结物 赋予的活性。气体卤素转化了。所获得的涂层可用作在金属基层和该基层的热保 护屏障层之间的中间层，涂层刚被施加到该基层上。涂层也提高了热屏障层在基 层上的强度以及所述涂层在热屏障层退化时保存使用特性的能力。

然而，该方法的工业实施是高成本的，特别地由于工具的短寿命以及准备时 间。

现有技术的装置包括带有圆形形状的盒，其中石墨支架被安装在圆柱形组件 中。该组件在还原或中性环境中被放置在处理炉。需要同意的是，为了获得在部 件上沉积的足够厚度，铝供体必须在待处理的部件之间被垂直地放置在筐篮内。

该解决方案具有几个缺点。

支架和筐篮占用了大量空间，减少了部件可用的体积，以及由于引导、焊接、 机械固定和与他们有关的重量，使该工具系统很复杂。

例如与工具接触和连接时，它们还在部件上产生缺陷，使它们不一致。

由于工具受到与部件相同的处理，它们变形，限制了它们的使用寿命。变形 可能导致喷铝气氛的泄漏，导致待获得部件具有在规定公差以外的沉积。

工具的很大表面面积包括寄生(parasitic)沉积，其导致供体的高消耗。如 果供体设备不再填充，该方法的效率迅速地下降。

本申请的申请人在专利EP-B-068 950中提出了该类型方法的一种变型，根 据该变型，供体是以例如被设置在同心圆柱体内的薄片形式，使得待涂布的每个 表面面对薄片或具有相同数量级面积的薄片的一部分。

根据在同样以本申请的申请人名义的EP-B-349 420中描述的另一变型，该 处理在带有供体层的盒中进行，气体通过支撑在栅格上的该层底部被引入。

发明内容

在盒内侧增加可用于布置额外部件的体积时，通过在其上减少对工具的影 响，申请人自己设定了改进该方法的目的。特别地申请人已经寻求减少工具相对 于部件的表面面积，以及该设备的数量和重量。

根据发明用于在耐热合金制成的部件上以气相沉积金属涂层的方法，包括在 存在金属供体和活化剂的颗粒情况下在腔室内布置部件，所述金属供体和活化剂 能够一起形成金属卤化物；在中性或还原气体气氛下加热该腔室到形成的金属卤 化物与部件的合金反应的温度，其特征在于，所述颗粒的层设置在至少一个盒的 底部上，然后该部件的支撑件被放置在所述颗粒的层上，所述支撑件包括支撑柱， 该支撑柱将该部件保持距离颗粒的层一定距离处；当所述盒被关闭时，气体通过 高于颗粒的层的侧面被引入到盒中。

通过改变供体的布置，消除了与部件的支撑件相关的约束。供体颗粒以层设 置在盒底部上，以及活化剂颗粒沉积在供体颗粒上。

该解决方案是有利的，由于这使得可能，特别地：

—在处理过程中在炉内增加部件的密度；

—尽管在每个操作中有大量的部件，但不增加供体的消耗，

—通过促进用于保持部件以及形成密封分离部分的水平面，减少了泄漏，提 高该方法的效率；

—降低每个部件的工具和设备的成本，以及通常在其上施加更少的压力，

—设计更简单和更长使用寿命的工具，

—通过减少填充准备操作而减少周期时间。

与使用筐篮的现有技术解决方案相比，已经发现的是，气相喷铝在气体在腔 室内移动时开始，气体更快地填充盒的全部体积。此外，没有筐篮或垂直分离， 气体也还更容易地循环。此外，铝更容易在仅由部件占据的空间中沉积。最后， 供体在盒底部的没有任何屏障的自由表面更大，在供体与部件之间不存在屏障或 干扰元件。

与EP-B-349 420的解决方案相比，根据本发明，提供穿过仅仅是供体层上 方的侧面以及通过盖部的气体，盒完美地被净化直到350度，以及特别地清除了 氧气的任何踪迹。另一方面，通过底部引入的氩带来了通过吹起灰尘对部件污染 的问题。而且已经发现的是，在供体以下的管道具有变阻塞的倾向。最后，喷铝 能力不是最佳的，因为活化剂相对于气体供应的布置。

有利地，部件被布置在至少两个叠置的盒上，顶部盒的底部形成底部盒的盖 部，底部盒包括支撑该顶部盒的中心柱，盖部被放置在顶部盒上。

本发明还涉及用于实施该方法的工具。该工具包括由金属制成的带有平坦底 部的至少第一和第二盒，每个盒都具有圆形形状并包括形成支撑件的中心柱以及 在其侧壁内排气的管和部件的至少一个支撑件，该至少一个支撑件包括支撑柱、 覆盖顶部盒的盖部。更特别地，盒的顶部边缘被布置以接收被放置在顶部的盒底 部。

有利地，至少一个第一盒的中心柱具有管状形状，其中空部通过在盒底部形 成中心开口而排出，以及至少一个第二中心盒的中心柱在顶部具有能够与第一盒 底部的中心开口边缘的内侧接触的形状，当所述第一盒被放置在顶部时。

通过在其它内侧装配一个，每个盒单独的中心柱重新构成整体中心柱，该中 心柱在其底部中心承担每个盒的负荷重量，此外，该中心柱用作加强盒堆的中心 结构。

盒包括部件的合适支撑件。根据一个应用，该支撑件具有平行于的盒底部的 板并设置有用于容纳部件的开口。有利地，该支撑件包括不超过一个柱，该柱支 撑用于容纳部件的五个开口的板。该装置因此可获得在盒内待处理的部件的高密 度，并不干扰用于沉积铝层的气体循环。该应用例如是涡轮动叶片或用于涡轮发 动机的中空叶片的内部护套的处理。

根据另一种应用，所述盒包括涡轮喷嘴的单独支撑件。

附图说明

参考附图，其它特点和优点将从本发明的非限制性实施方式的以下描述中显 现，其中：

—图1是在彼此上组装之前，包括三个盒和一个盖部的工具的剖面；

—图2是图1的工具的透视图；

—图3示出了涡轮动叶片的支撑扇区；

—图4示出了用于冷却喷嘴叶片护套的支撑扇区；

—图5示出了涡轮喷嘴扇区的支撑件。

具体实施方式

热化学喷铝处理包括用铝表面富集部件的表面用于提高抗高达1100℃的热 氧化、耐腐蚀的目的，特别地在同时出现氧、通过煤油的硫和/或通过盐雾的氯 化钠时，以及在由于燃烧气体的温度遭遇了氧化/腐蚀现象的区域。

图1和图2是根据本发明的工具的示例实施方式。它包括一组三个盒2，在 这里三个盒2可以放置在彼此的上面。每个盒都具有托盘21的圆形形状，该托 盘21由一个被加强的板形成，以能够支撑由供体和活化颗粒形成的层以及待处 理部件。板21在这里包括在中心的圆形开口，具有被固定在开口并形成支撑件 的空心中心柱。柱的功能是支撑底部以及防止其变形。盒包括具有与柱22相同 高度的侧壁23。该壁由外围肋加强。管24设置在壁23上并排出到盒内。它用 于为盒提供中性气体，如氩或还原气体。壁23的顶部边缘23s设置有外围中心 薄片23c。盖部3封闭了顶部盒。

为了组装该工具，中间盒被放置在底部盒上，底部在外围中心薄片23c内侧 的底部盒边缘上对接以及在中心在柱22上对接，其上部截锥形能够接触依靠在 其顶部上的盒中心开口的边缘。顶部盒以相同方式被放置在中间盒上。垂直力沿 侧壁通过盒和中心柱的边缘传递。

为了装载盒，布置了适合于待处理部件的支撑件。图3示出了动叶片35的 支撑扇区30。叶片根部被封闭在掩模35’内，掩模35’的功能是精确地防止部件 的该部分的喷铝。事实上需要的是该部件不被处理。叶片因此在支撑件的板31 内头向下地悬挂，确定了其舱室的数量和布置，以相对于部件尺寸以及不接触的 需求具有最大装载。与现有技术的工具不同，由于所述供体被放置在部件以下而 不是被放置在其间，不存在有关待处理部件相对于供体的位置的约束。支撑件的 柱32的高度对应于盒侧壁23的高度以及用底部保持足够空间的需要，使得在供 体和部件之间没有接触。例如，支撑件30的板31在盒2的内部环形空间内覆盖 了60°的扇区，该板可接收57个叶片35，仅分布在其表面上的9个柱32足够提 供稳定座位。为了装载盒2，第一步骤是在盒2的底部上布置一层供体颗粒，然 后一层活化剂颗粒。叶片被放置在支撑扇区30内。然后被装载的支撑件被放置 在盒2内。事实上，供体颗粒层是用作总是平坦的压载物，支撑件以非常稳定的 方式被放置在该压载物上，没有导致部件之间接触的任何失衡风险。相同程序随 后用于其它盒，然后盖部被放置在一组三个装载盒上以及被加载工具放置在炉内 用于处理。对于该处理，清洗了构成该盒和封闭板的单独封闭腔室；然后被氩气 清扫的腔室，氩气例如通过管24被引入，被逐渐加热到350度。在该温度下停 止清洗。

图4示出了用于内部喷嘴护套45的支撑件40的扇区，例如在以申请人名义 的专利申请FR 2 921 937中描述的。与动叶片不同，部件可在其整个表面上处理， 并且不需要屏蔽。如在图中可以看出的，这是可能的由于这可在支撑件40上设 置更大数量的部件。该支撑件包括其内部带有用于护套45的单独舱室的板41， 该单独舱室因此在一端由其套环悬挂和保持。如之前根据由沉积在盒底部上的供 体和活化剂颗粒形成的层确定了柱42的高度。在这个示例中，支撑件40的板可 接收三百三十三个喷嘴护套45而仅用七个柱42作为其支撑件。

图5示出了涡轮喷嘴扇区55的支撑件50。所述扇区形状不允许其悬挂通过 板。喷嘴单独地支撑在支撑件50上，该支撑件50包括底座51和三个支撑柱52 的。喷嘴扇区包括将扇区的叶片连接在一起的两个平台55p以及相对于该平台 55p在叶片外部的径向凸缘55b。该扇区通过径向凸缘55r依靠在支撑柱52上。 在该工具的盒内，该支撑件通过底座51依靠在供体和活化剂颗粒层上。该柱的 高度足够以防止供体和喷嘴扇区之间的任何接触。

本发明的解决方案相对于对现有技术采用包含供体颗粒的筐篮的方法获得 显著的进步，提高了铝层质量。该收益导致了每批被处理部件的更大密度。对于 动叶片，密度至少增加2.5倍，以及对于护套增加高达10倍。

同时，工具的成本和耗材除以三：盒的使用寿命延长三倍，供体的使用寿命增 加四倍，省去供体的筐篮以及固定设备。也可以进行简化以使操作循环的持续时间 缩短一半。