硼化物强化的含铝高熵合金组合物的制作方法

硼化物强化的含铝高熵合金组合物


背景技术：

1.本公开总体上涉及一种组合物、涂覆有该组合物的机器部件以及涂覆该机器部件的方法。特别地，本公开总体上涉及一种硼化物强化的含铝高熵合金(b-alhea)组合物、涂覆有该组合物的机器部件以及涂覆该机器部件的方法。
2.气体涡轮系统是用于将势能以燃料形式转化为热能并随后转化为机械能以用于推进飞行器、产生电力、泵送流体等的机构。气体涡轮系统包括用于供应压缩的燃烧空气流的压缩机区段、用于在压缩的燃烧空气中燃烧燃料的燃烧器区段以及用于从燃烧空气提取热能并以旋转轴的形式将该能量转换成机械能的涡轮区段。一种用于提高气体涡轮系统的效率的可用途径是使用更高的操作温度。
3.然而，气体涡轮系统中使用的金属材料(诸如合金)可能会接近其在更高的气体涡轮操作温度下的热稳定性的上限。现代高效燃气涡轮系统可具有超过约1000℃的燃烧温度，并且随着对更高效发动机的持续需求，预期甚至更高的燃烧温度。形成“热气路”燃烧器区段和涡轮区段的许多部件直接暴露于侵蚀性热燃烧气体，例如燃烧器衬里、燃烧区段与涡轮区段之间的过渡管道、以及涡轮静叶和旋转刀片以及周围的环段。在气体涡轮系统的最热温度部分中，一些金属材料可能会暴露于高于其熔点的温度。
4.除了如上所述的热应力之外，暴露于更高温度的气体涡轮系统的这些和其他部件可能会经受可能对部件造成机械磨损的机械应力和负载。例如，气体涡轮系统的吊桶联锁装置可能会经受相对高的温度(例如，大于700℃、800℃或900℃等)微振动滑擦，诸如当相应吊桶由于离心力和空气动力而锁定时。吊桶联锁装置可能会经受振抖(例如，在气体涡轮启动期间)，这可能会导致沿吊桶联锁装置的机械接触。
5.涂层通常应用于高温操作部件，诸如但不限于气体涡轮系统中的那些部件。例如，陶瓷材料通常用于热障涂层。然而，陶瓷材料可能仍然表现出不稳定性并且在相对高的温度(例如，高于900℃)下分解，因此不能提供完全期望的热障涂层保护。
6.另一方面，用于提供改进的机械耐磨性的涂层，例如用另一方面，用于提供改进的机械耐磨性的涂层，例如用另一方面，用于提供改进的机械耐磨性的涂层，例如用(deloro stellite holdings corporation,a kennametal company,saint louis,mo)(一种商业合金)形成的涂层，倾向于在大于800℃的温度下氧化或磨损，使得它们不适合于在大于800℃的温度下操作的发动机的某些区段。


技术实现要素：

7.某些实施方案概述如下。这些实施方案并非旨在限制本公开的范围，而是这些实施方案仅旨在提供本公开的可能形式的简要概述。实际上，本发明的系统和方法可包括可以与下面阐述的实施方案类似或不同的各种形式。
8.下文提到的所有方面、示例和特征可以以任何技术上可能的方式组合。
9.本公开的一个方面提供了一种组合物，该组合物包括：conicraly合金，其中该conicraly合金的三种或更多种元素以等摩尔量存在，该三种或更多种元素中的一种元素是铝(al)，并且其中al的摩尔分数介于约0.20和约0.25之间；过渡金属硼化物，该过渡金属
硼化物包括以下项中的至少一项：硼化钴(co2b)、硼化钛(tib2)、硼化锆(zrb2)、硼化钽(tab2)、硼化镍(nib2)或硼化钼(mo2b)；和耐火合金。
10.本公开的另一方面包括前述方面中的任一项，并且其中该耐火合金包括钼铌(monb)。
11.本公开的另一方面包括前述方面中的任一项，并且其中基于该组合物的总重量，该组合物包括：介于约10重量％和约70重量％之间的该conicraly合金；介于约20重量％和约60重量％之间的该过渡金属硼化物；以及介于约0.5重量％和约10重量％之间的monb。
12.本公开的另一方面包括前述方面中的任一项，并且其中该耐火合金包括m-mo-cr-si，其中m包括ni或co。
13.本公开的另一方面包括前述方面中的任一项，并且其中基于该组合物的总重量，该组合物包括：介于约30重量％和约70重量％之间的该conicraly合金；介于约20重量％和约40重量％之间的该过渡金属硼化物；以及介于约20重量％和约60重量％之间的该耐火合金。
14.本公开的另一方面包括前述方面中的任一项，并且其中该组合物包括平均粒度介于约0.1微米(μm)和约120μm之间的粉末共混物。
15.本公开的另一方面包括前述方面中的任一项，并且其中该组合物被构造成形成具有微结构的涂层，该微结构包括：σ相基质，该σ相基质包括conicraly合金的多个颗粒；拉夫斯相，该拉夫斯相均匀分散在该σ相基质中，该拉夫斯相包括过渡金属硼化物的多个颗粒；和β相，该β相分散在该σ相基质中，该β相包括该耐火合金的多个颗粒。
16.本公开的另一方面包括前述方面中的任一项，并且其中该涂层还包括在一个区域之上横跨该区域形成的氧化铝层，该区域包括该σ相基质、该拉夫斯相和该β相。
17.本公开的另一方面包括前述方面中的任一项，并且该氧化铝层具有小于约20微米(μm)的厚度。
18.本公开的另一方面提供了一种机器部件，该机器部件包括：基材，该基材具有涂层，该涂层包括：conicraly合金，其中该conicraly合金的三种或更多种元素以等摩尔量存在，该三种或更多种元素中的一种元素是al，并且其中al的摩尔分数介于约0.20和约0.25之间；过渡金属硼化物，该过渡金属硼化物包括以下项中的至少一项：硼化钴(co2b)、硼化钛(tib2)、硼化锆(zrb2)、硼化钽(tab2)、硼化镍(nib2)或硼化钼(mo2b)；和耐火合金。
19.本公开的另一方面包括前述方面中的任一项，并且其中该耐火合金包括钼铌(monb)。
20.本公开的另一方面包括前述方面中的任一项，并且其中基于该组合物的总重量，该组合物包括：介于约10重量％和约70重量％之间的该conicraly合金；介于约20重量％和约60重量％之间的该过渡金属硼化物；以及介于约0.5重量％和约10重量％之间的monb。
21.本公开的另一方面包括前述方面中的任一项，并且其中该耐火合金包括m-mo-cr-si，其中m包括ni或co。
22.本公开的另一方面包括前述方面中的任一项，并且其中基于该组合物的总重量，该组合物包括：介于约30重量％和约70重量％之间的该conicraly合金；介于约20重量％和约40重量％之间的该过渡金属硼化物；以及介于约20重量％和约60重量％之间的该耐火合金。
23.本公开的另一方面包括前述方面中的任一项，并且其中该组合物包括平均粒度介于约0.1微米(μm)和约120μm之间的粉末共混物。
24.本公开的另一方面包括前述方面中的任一项，并且其中该涂层具有微结构，该微结构包括：σ相基质，该σ相基质包括conicraly合金的多个颗粒；拉夫斯相，该拉夫斯相基本上均匀分散在该σ相基质中，该拉夫斯相包括过渡金属硼化物的多个颗粒；和β相，该β相分散在该σ相基质中，该β相包括该耐火合金的多个颗粒。
25.本公开的另一方面包括前述方面中的任一项，并且其中该涂层还包括在一个区域之上横跨该区域形成的氧化铝层，该区域包括该σ相基质、该拉夫斯相和该β相。
26.本公开的另一方面提供了一种涂覆机器部件的方法，该方法包括：提供一种组合物，该组合物包括：conicraly合金，其中该conicraly合金的三种或更多种元素以等摩尔量存在，该三种或更多种元素中的一种元素是al，并且其中al的摩尔分数介于约0.20和约0.25之间；过渡金属硼化物，该过渡金属硼化物包括以下项中的至少一项：硼化钴(co2b)、硼化钛(tib2)、硼化锆(zrb2)、硼化钽(tab2)、硼化镍(nib2)或硼化钼(mo2b)；和耐火合金；以及将该组合物施加到该机器部件的基材上。
27.本公开的另一方面包括前述方面中的任一项，并且其中施加该组合物包括在该机器部件上形成涂层，其中该涂层具有微结构，该微结构包括：σ相基质，该σ相基质包括conicraly合金的多个颗粒；拉夫斯相，该拉夫斯相均匀分散在该σ相基质中，该拉夫斯相包括过渡金属硼化物的多个颗粒；和β相，该β相分散在该σ相基质中，该β相包括该耐火合金的多个颗粒。
28.本公开的另一方面包括前述方面中的任一项，并且其中该方法还包括：热处理该涂层；以及在一个区域之上横跨该区域形成氧化铝层，该区域包括该σ相基质、该拉夫斯相和该β相。
29.本公开中描述的两个或更多个方面(包括本概述部分中描述的那些方面)可以组合以形成本文未具体描述的实施方案。
30.在以下附图和描述中阐述一个或多个具体实施的细节。根据说明书和附图以及权利要求书，其他特征、目的和优点将是显而易见的。
附图说明
31.从结合描绘本公开的各种实施方案的附图的对本公开的各个方面的以下详细描述，将更容易理解本公开的这些和其他特征，其中：
32.图1是根据本公开的实施方案的具有基于b-alhea组合物的总重量的重量百分比(重量％)的成分的各种b-alhea组合物的表格；
33.图2是根据本公开的实施方案的用于形成b-alhea组合物和在机器部件的基材上由b-alhea组合物形成涂层的方法的示意图；并且
34.图3是根据本公开的实施方案的由b-alhea组合物形成的涂层的微结构的示意图；并且
35.图4是根据本公开的实施方案的具有由b-alhea组合物在其上形成的涂层的机器部件的示意性截面图；并且
36.图5是根据本公开的实施方案的涂覆其上涂覆有b-alhea的机器部件的方法的流
程图。
37.应当注意，本公开的附图未必按比例绘制。附图旨在仅描绘本公开的典型方面，并且因此不应当被视为限制本公开的范围。在附图中，类似的编号表示附图之间的类似的元件。
具体实施方式
38.首先，为了清楚地描述本公开的主题，当提及和描述本公开内的相关机器部件时，将有必要选择某些术语。在可能范围内，通用行业术语将以与术语的接受含义一致的方式来使用和采用。除非另有说明，否则应当对此类术语给出与本技术的上下文和所附权利要求书的范围一致的广义解释。本领域的普通技术人员将了解，通常可以使用若干不同或重叠术语来引用特定部件。在本文中可描述为单个零件的物体可以包括多个部件并且在另一个上下文中被引用为由多个部件组成。另选地，本文中可描述为包括多个部件的物体可在别处称为单个零件。
39.此外，本文中可能会定期使用若干描述性术语，并且在本节开始时定义这些术语应当证明是有帮助的。除非另有说明，否则这些术语以及其定义如下。
40.本文使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的并且不旨在限制本公开。如本文所用，单数形式“一个”、“一种”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确地说明。术语“第一”、“第二”和“第三”可以可互换地使用，以将一个部件与另一个部件区分开，并且不旨在表示单独部件的位置或重要性。将进一步理解，当在说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定存在陈述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组。“可选的”或“可选地”意指随后描述的事件或情况可以或可以不发生，或者随后描述的部件或特征可以或可以不存在，并且该描述包括事件发生或部件存在的实例和事件不发生或部件不存在的实例。
41.在元件或层被称为“处于另一个元件或层上”、“接合到另一个元件或层”、“连接到另一个元件或层”或“联接到另一个元件或层”的情况下，它可直接处于另一元件或层上、接合到另一元件或层、连接到另一元件或层或联接到另一元件或层，或者可存在居间元件或层。相比之下，当元件被称为“直接处于另一个元件或层上”、“直接接合到另一个元件或层”、“直接连接到另一个元件或层”或“直接联接到另一个元件或层”时，可不存在居间元件或层。用于描述元件之间关系的其他词语应以类似的方式解释(例如，“在
…
之间”与“直接在
…
之间”，“相邻”与“直接相邻”等)。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。
42.如上所述，气体涡轮系统将势能转化成热能，并随后转化为机械能以供使用。期望提高气体涡轮的效率，并且可通过在较高温度下操作气体涡轮来实现效率的提高。然而，在气体涡轮中使用的金属材料，尤其是在与热气路部件相关联的较高温度下，可能会接近其在气体涡轮操作条件下的热稳定性的上限。在气体涡轮的最热部分中，一些金属材料甚至可能会暴露于高于其熔点的温度。
43.目前可用的方法可能不适合于在超高温(例如，大于800℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃、1300℃或1400℃等)下操作的气体涡轮系统的某些区段。例如，当涂覆有℃、1200℃、1300℃或1400℃等)下操作的气体涡轮系统的某些区段。例如，当涂覆有合金的气体涡轮部件暴露于大于800℃的温度时，合金的铬
(cr)元素和钴(co)元素容易氧化以形成包括cr氧化物和/或co氧化物的厚氧化皮层。随着氧化皮继续形成，消耗越来越多的cr和co，导致的拉夫斯相的量减少。的拉夫斯相包括co2mo2si和comosi，并且被认为赋予涂层耐磨性。由于氧化，合金涂层的耐磨性可能降低。
44.本公开提供了一种包括硼化物强化的高熵合金(b-alhea)的组合物和由该组合物形成的涂层。本公开的组合物和由其形成的涂层可在超高温(例如大于800℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃、1300℃或1400℃等的温度)下提供增强的抗氧化性和耐磨性。此类组合物和涂层可用于涡轮机械中的热气路部件。
45.高熵合金(hea)提供了用于开发具有增强的高温能力的合金的新型设计框架。典型的高熵合金可包括五种或更多种等摩尔量/浓度的金属，并且可主要包括单相结构，诸如简单固溶体(sss)。基于混合的高熵可帮助抑制金属间相的形成并稳定金属的多组分单相固溶体的假设开发了hea。尽管hea具有增强的高温能力的潜力，但由于其设计原理/假设的性质，常规hea可能缺乏或具有低含量的金属间相，包括可赋予涂层耐磨性的拉夫斯相。
46.本公开提供了一类新的硼化物强化的含铝(al)hea(b-alhea)组合物，即，通过过渡金属硼化物强化的含铝(al)hea(alhea)。本公开的组合物可具有增强的高温能力，例如增强的抗氧化性和耐磨性。在某些实施方案中，b-alhea包括：conicraly合金，其中该conicraly合金的三种或更多种元素以等摩尔量存在，该三种或更多种元素中的一种元素是al，并且其中al的摩尔分数介于约0.20和约0.25之间；过渡金属硼化物，该过渡金属硼化物包括以下项中的至少一项：硼化钴(co2b)、硼化钛(tib2)、硼化锆(zrb2)、硼化钽(tab2)、硼化镍(nib2)或硼化钼(mo2b)；和耐火合金。
47.本公开的b-alhea可提供增强的抗氧化性。铝(al)作为三种或更多种元素中的一种元素以等摩尔量和相对高的摩尔分数(例如，al的摩尔分数为约0.20至0.25)存在于conicraly合金中。当机器部件涂覆有b-alhea并经受超高温环境(本公开中的超高温指的是大于800℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃、1300℃或1400℃等的温度)时，该合金的熵状态将有利于氧化铝的形成而不是铬(cr)氧化物和/或钴(co)氧化物的形成。换句话讲，在由b-alhea组合物形成的涂层中，al比其他金属元素(诸如cr和co)更容易被氧化。所得氧化铝(al2o3)层(al氧化物层)是起保护性氧化物层作用的氧化层。保护性氧化物层可以防止金属间相的进一步破坏，该金属间相包括涂层微结构中的al氧化物层下面的拉夫斯相，如将关于图3详细地所述的。因此，由涂覆b-alhea产生的al氧化物层可提供增强抗氧化性(例如，通过最小化cr金属和/或co金属的氧化)和耐磨性(例如，通过保护涂层微结构中的al氧化物层下面的拉夫斯相)两者的益处。
48.本公开的alhea组合物通过添加剂增强，诸如但不限于过渡金属硼化物。不受理论的约束，通过用过渡金属硼化物增强alhea并形成b-alhea，可将更多的二次硬化相(诸如包括过渡金属硼化物的多个颗粒的拉夫斯相)引入b-alhea的微结构中，从而进一步增强b-alhea在超高温下的耐磨性。在实施方案中，过渡金属硼化物可包括以下项中的至少一项：硼化钴(co2b)、硼化钛(tib2)、硼化锆(zrb2)、硼化钽(tab2)、硼化镍(nib2)或硼化钼(mo2b)。
49.本公开的b-alhea还可包括耐火合金。与b-alhea的其他成分结合，可以赋予b-alhea的微结构更多的硬化相，从而进一步增强耐磨性。在某些实施方案中，耐火合金可包括钼铌(monb)。在一些实施方案中，耐火合金可包括m-mo-cr-si，其中m包括ni或co或它们
的组合。在一些实施方案中，m-mo-cr-si合金可包括co-mo-cr-si。在实施方案中，m-mo-cr-si合金可包括
50.图1是如本公开所体现的各种b-alhea组合物的表格。b-alhea组合物包括conicraly合金，其中conicraly合金的三种或更多种元素以等摩尔量存在，该三种或更多种元素中的一种元素是al，并且其中al的摩尔分数介于约0.20和约0.25之间。b-alhea组合物还包括过渡金属硼化物，该过渡金属硼化物包括以下项中的至少一项：硼化钴(co2b)、硼化钛(tib2)、硼化锆(zrb2)、硼化钽(tab2)、硼化镍(nib2)或硼化钼(mo2b)。另外，b-alhea组合物包括耐火合金。耐火合金可以是钼铌(monb)或m-mo-cr-si，其中m包括ni或co或它们的组合。在一些实施方案中，m-mo-cr-si合金可包括co-mo-cr-si。在实施方案中，m-mo-cr-si合金可包括应当理解，图1的表格仅用于描述某些实施方案的目的并且不旨在限制本公开。例如，尽管为了说明的目的在实施例中包括了特定重量百分比的conicraly合金，但是应当理解，在其他实施方案中可以使用如下详细公开的conicraly合金的其他重量百分比范围。另外，虽然为了说明的目的在图1中列出了co2b和mo2b，但是其他过渡金属硼化物，例如硼化钛(tib2)、硼化锆(zrb2)、硼化钽(tab2)或硼化镍(nib2)可以代替co2b和/或mo2b以形成b-alhea组合物的其他实施方案。
51.在某些实施方案中，以等摩尔量存在的conicraly合金的元素可以是摩尔比为1:1:1:1:1的钴(co)、镍(ni)、铬(cr)、铝(al)和钇(y)。然而，应当理解，本公开中使用的式conicraly是通式，并且不限于其中元素co:ni:cr:al:y之间的摩尔比为1:1:1:1:1的实施方案。相反，式conicraly还可包括这样的实施方案，其中co:ni:cr:al:y之间的摩尔比可以调节，只要conicraly合金的三种或更多种元素以等摩尔量存在，该三种或更多种元素中的一种元素是al，并且其中al的摩尔分数介于约0.20和约0.25之间。例如，在一些实施方案中，以等摩尔量存在的conicraly合金的三种或更多种元素可以是co、ni和al，并且式可以是coanibcrcaldye，其中a、b、d具有相同的值并且在约0.20和约0.25的范围内，并且其中a+b+c+d+e＝1。在其他实施方案中，以等摩尔量存在的conicraly合金的三种或更多种元素可以是ni、cr和al，并且式可以是coanibcrcaldye，其中b、c、d具有相同的值并且在约0.20和约0.25的范围内，并且其中a+b+c+d+e＝1。例如，在一些实施方案中，以等摩尔量存在的conicraly合金的三种或更多种元素也可以是co、cr和al，并且式可以是coanibcrcaldye，其中a、c、d具有相同的值并且在约0.20和约0.25的范围内，并且其中a+b+c+d+e＝1。在一些实施方案中，以等摩尔量存在的conicraly合金的三种或更多种元素可选自钴(co)、镍(ni)、铬(cr)、铝(al)和钇(y)，并且式可以是coanibcrcaldye，其中a、b、c、d和e各自为约0.20。conicraly中al的摩尔分数可为约0.20、0.21、0.22、0.23、0.24、0.25，包括列表中任何两个数值之间的范围。
52.在实施方案中，该组合物中conicraly合金的重量百分比可介于约10％和约70％之间，诸如约10％、约15％、约20％、约25％、约30％、约35％、约40％、约45％、约50％、约55％、约60％、约65％、约70％，包括上述值中任意两个值之间的范围。例如，在一些实施方案中，基于b-alhea组合物的总重量，conicraly可以介于约10重量％和约70重量％、或约20重量％和约60重量％、或约40重量％和约70重量％之间的量存在。
53.过渡金属硼化物可以介于约20重量％和约60重量％之间的量存在于该组合物中。在实施方案中，过渡金属硼化物包括以下项中的至少一项：硼化钴(co2b)、硼化钛(tib2)、硼
化锆(zrb2)、硼化钽(tab2)、硼化镍(nib2)或硼化钼(mo2b)。在实施方案中，如图1中作为非限制性示例说明的，过渡金属硼化物可以是co2b和mo2b中的至少一种，例如co2b或mo2b或它们的组合。在实施方案中，该组合物中co2b和mo2b中的至少一种的重量百分比可介于约20％和约60％之间，诸如约20％、约25％、约30％、约35％、约40％、约45％、约50％、约55％、约60％，包括上述值中任意两个值之间的范围。例如，在一些实施方案中，硼化物也可以介于约30重量％和约50重量％、或约20重量％和约40重量％之间的量存在于b-alhea组合物中。
54.实施方案中，耐火合金可以是monb或m-mo-cr-si，其中m包括ni或co。例如，在一些实施方案中，基于b-alhea组合物的总重量，耐火合金可以是以介于约0.5重量％和约10重量％之间的量存在的monb。在实施方案中，该组合物中monb的重量百分比可为约0.5％、约1％、约2％、约3％、约4％、约5％、约10％、约15％、约20％、约25％、约30％、约35％、约40％、约45％，包括上述值中任意两个值之间的范围。在其他实施方案中，耐火合金可以是m-mo-cr-si，其中m包括ni或co。例如，在一些实施方案中，耐火合金可以是m-mo-cr-si，其在b-alhea组合物中以介于约20重量％和约60重量％、约30重量％和约50重量％、或约20重量％和约40重量％之间的量存在。在实施方案中，该组合物中monb的重量百分比可为约20％、约25％、约30％、约35％、约40％、约45％、约50％、约55％、约60％，包括上述值中任意两个值之间的范围。
55.图1列出了各种b-alhea组合物，该组合物包括以基于b-alhea组合物的总重量的重量百分比示出的成分。例如，如图1的实施例1至实施例7所示，b-alhea组合物可包括conicraly合金，其中al的摩尔分数介于约0.20和约0.25之间；硼化钴(co2b)和硼化钼(mo2b)中的至少一种；和耐火合金，该耐火合金包括钼铌(monb)。基于b-alhea组合物的总重量，b-alhea组合物可包括介于约10重量％和约70重量％之间的conicraly合金；介于约20重量％和约60重量％之间的co2b和mo2b中的至少一种；以及介于约0.5重量％和约10重量％之间的monb。
56.如实施例8至实施例10所示，耐火合金可包括m-mo-cr-si，其中m包括ni或co，并且基于该组合物的总重量，该组合物可包括介于约30重量％和约70重量％之间的conicraly合金，其中al的摩尔分数介于约0.20和约0.25之间；介于约20重量％和约40重量％之间的co2b和mo2b中的至少一种；以及介于约20重量％和约60重量％之间的m-mo-cr-si，其中m包括ni或co。
57.图2是用于形成b-alhea组合物18和在基材14上产生由b-alhea组合物18形成的涂层12的方法10的一个实施方案的示意图。涂层12增强基材14的抗氧化性和机械耐磨性。基材14可以是气体涡轮的部件，诸如燃烧区段、吊桶、吊桶联锁装置或气体涡轮的另一部件的一部分，其可能会在操作期间经受超高温(例如，大于800℃)和机械接触。由于可以执行额外的步骤，可以省略某些步骤，并且可以在适当的情况下以替代顺序或并行执行所示步骤，因此方法10中所示的步骤旨在仅用于描述某些实施方案的目的并不旨在限制本公开的范围。
58.为了开始方法10，在框16处，形成b-alhea组合物18。b-alhea组合物18可形成为含al高熵合金(alhea)20、过渡金属硼化物22和耐火合金24的混合物。即，b-alhea组合物18可通过将alhea 20与过渡金属硼化物22和耐火合金24共混而形成。b-alhea组合物可形成为混合物，基于该b-alhea组合物的总重量，该混合物包括介于约10重量％和约70重量％之间
的alhea 20、介于约20重量％和约60重量％之间的过渡金属硼化物22以及介于约0.5重量％和约60重量％之间的耐火合金24。在一些实施方案中，alhea 20包括conicraly合金，其中conicraly合金的三种或更多种元素以等摩尔量存在，conicraly合金的三种或更多种元素中的一种元素是al，并且al的摩尔分数介于约0.20和约0.25之间。过渡金属硼化物22可包括以下项中的至少一项：硼化钴(co2b)、硼化钛(tib2)、硼化锆(zrb2)、硼化钽(tab2)、硼化镍(nib2)或硼化钼(mo2b)。在某些实施方案中，过渡金属硼化物22可包括硼化钴(co2b)和硼化钼(mo2b)中的至少一种。在某些实施方案中，耐火合金可包括钼铌(monb)。在一些实施方案中，耐火合金可包括m-mo-cr-si，其中m包括ni或co。在一些实施方案中，m-mo-cr-si合金可包括co-mo-cr-si。在实施方案中，m-mo-cr-si合金可包括
59.在实施方案中，alhea 20、过渡金属硼化物22和/或耐火合金24可以是颗粒，其中颗粒可以具有尺寸(例如微米尺寸的颗粒、纳米颗粒或更大尺寸的颗粒)和形状的分布。例如，微米尺寸的颗粒可为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或95％球形的，并且纳米尺寸的颗粒可为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或95％球形的。
60.b-alhea组合物18可以以粉末形式提供。b-alhea组合物18的平均粒度可通过任何目前已知或以后开发的粒度分析技术测量，包括但不限于动态光散射(dls)、动态和静态图像分析、筛析、沉降、电光散射和激光衍射(ld)等。如果确定b-alhea组合物18的平均粒度大于预定的平均粒度范围，则可进一步加工(例如，高能碾磨(球/辊)、振动碾磨等)b-alhea组合物18以使其平均粒度在预定的平均粒度范围内。在某些实施方案中，预定平均粒度范围介于约0.1微米(μm)和约120μm之间。另选地，可对alhea合金20、过渡金属硼化物22或耐火合金24中的一种或多种进行预处理(例如碾磨)，以使它们各自的平均粒度在介于约0.1微米(μm)和约120μm之间的预定平均粒度范围内，然后将alhea合金20、过渡金属硼化物22和耐火合金24共混或混合以形成b-alhea组合物18。在框16处的方法之后，可获得平均粒度范围介于约0.1μm和约120μm之间的粉末共混物形式的b-alhea组合物18。在实施方案中，预定的平均粒度范围介于约5微米(μm)和约70μm之间，或介于约15μm和约45μm之间，或优选地介于约25μm和约70μm之间。
61.然后将b-alhea组合物18施加或沉积到基材14上，诸如基材14的一个或多个表面上。在一些实施方案中，b-alhea组合物18可使用任何目前已知或以后开发的沉积技术施加到基材14的一个或多个表面上，该沉积技术包括但不限于热喷涂(例如等离子体、火焰、高速氧燃料(hvof)和高速空气燃料(hvaf)喷涂)、溅射和电子束物理气相沉积(ebpvd)等。
62.将b-alhea组合物18施加到基材14上(例如，使用热喷涂)产生涂层12。在步骤26处，对涂层12进行热处理(例如加热)。热处理涂层12可使存在于涂层12中的亚微米结晶金属间相(例如，来自b-alhea组合物18)沉淀，并且可在大于约900℃的温度下提供增强的耐磨性。热处理涂层12还可产生在其上形成的al氧化物层28。如将关于图3详细地所述的，al氧化物层28是氧化层，其可以充当保护性氧化物层以防止在超高温下金属间相的破坏，该金属间相包括存在于涂层12中的拉夫斯相。al氧化物层28提供增强抗氧化性(例如，通过最小化cr金属和co金属的氧化)和耐磨性(例如，通过保护所形成的涂层12的微结构中的al氧化物层28下面的拉夫斯相)两者的益处。
63.热处理涂层12可包括将涂层12(和涂覆有涂层12的基材14或机器部件29)加热至
相对高的温度，诸如约500℃、600℃、700℃、800℃、900℃或大于900℃持续预定时间段。在某些实施方案中，热处理涂层12包括将涂层12加热至大于800℃的温度持续预定时间段。预定时间段可以是1小时、5小时、10小时、20小时或大于20小时。至少在一些情况下，热处理涂层12可包括在能够达到以上所列相对高的温度的炉中加热涂层12。在一些实施方案中，热处理涂层12可包括用涂覆有涂层的机器的部件的一个或多个表面操作机器(例如，气体涡轮)，并且因此促进在操作期间形成al氧化物层28。
64.在某些实施方案中，机器部件29包括其上具有涂层12的基材14。在实施方案中，涂层12包括：conicraly合金，其中conicraly合金的三种或更多种元素以等摩尔量存在，conicraly合金的三种或更多种元素中的一种元素是al，并且其中al的摩尔分数介于约0.20和约0.25之间。该组合物还包括过渡金属硼化物，该过渡金属硼化物包括以下项中的至少一项：硼化钴(co2b)、硼化钛(tib2)、硼化锆(zrb2)、硼化钽(tab2)、硼化镍(nib2)或硼化钼(mo2b)；和耐火合金。涂层12还可包括在其上形成的al氧化物层28。
65.图3示出了如本公开所体现的由b-alhea组合物18形成的涂层的微结构30的示意图。微结构30可使用任何目前已知或以后开发的微结构分析技术来评估，包括但不限于扫描电子显微术(sem)、光学显微镜等。在图3中，示出了非限制性示例。在图3中，涂层12的微结构30(图2)可包括σ相基质32；拉夫斯相34，该拉夫斯相均匀分散在σ相基质32中；和β相36，该β相分散在σ相基质32中。在一些实施方案中，σ相基质32可包括conicraly合金，其中三种或更多种元素以等摩尔量存在，conicraly合金的三种或更多种元素中的一种元素是al，并且al的摩尔分数介于约0.20和约0.25之间。拉夫斯相34可包括过渡金属硼化物38的多个颗粒(也参见过渡金属硼化物22，图2)。β相36可包括耐火合金24的多个颗粒(图2)。
66.微结构30还可包括氧化铝层40(也参见al氧化物层28，图2)。如关于图2所述的，al氧化物层28、40可以在涂层12经受温度(例如，大于800℃)持续预定时间段时形成。al氧化物层28、40可在微结构30的区域42之上横跨该区域形成，该区域包括σ相基质32、拉夫斯相34和β相36。因此，al氧化物层28、40可以用作保护al氧化物层28、40下面的区域42中的金属间相的保护层。例如，al氧化物层28、40保护包括过渡金属硼化物22、38的多个颗粒的拉夫斯相34，从而提供超高温下增强的耐磨性的额外益处。在一些实施方案中，al氧化层28、40具有小于20μm的厚度。此外，过渡金属硼化物22、38可另外提供超高温下增强的耐磨性。
67.图4是根据本公开的包括其上具有涂层54的基材52的机器部件50的示意性截面图(也参见机器部件29，图2)。涂层54(也参见涂层12，图2)由b-alhea组合物18形成(图2)。此外，涂层12、54可以作为保护层提供在基材52上(也参见基材14，图2)。在某些实施方案中，机器部件29、50包括其上具有涂层12、54的基材14、52。在一些实施方案中，涂层12、54包括：conicraly合金，其中该conicraly合金的三种或更多种元素以等摩尔量存在，该三种或更多种元素中的一种元素是al，并且其中al的摩尔分数介于约0.20和约0.25之间；过渡金属硼化物，该过渡金属硼化物包括以下项中的至少一项：硼化钴(co2b)、硼化钛(tib2)、硼化锆(zrb2)、硼化钽(tab2)、硼化镍(nib2)或硼化钼(mo2b)；和耐火合金。部件50可经受超高温，例如涡轮中的热气路部件所遇到的温度。涡轮可包括但不限于陆基气体涡轮。热气路部件包括但不限于火焰筒、过渡件、涡轮喷嘴、和涡轮刀片(也称为“涡轮叶片”)。
68.图5是涂覆机器部件29、50的方法的流程图。进一步参照图2和图4，该方法包括在步骤s62处提供b-alhea组合物18；在步骤s64处将b-alhea组合物18施加到机器部件29、50
的基材14、52上；以及在步骤s66处在基材14、52上形成涂层12、54。提供b-alhea组合物18(步骤s62)还包括通过混合或共混以下各项来形成b-alhea组合物18：conicraly合金，其中该conicraly合金的三种或更多种元素以等摩尔量存在，该三种或更多种元素中的一种元素是al，并且其中al的摩尔分数介于约0.20和约0.25之间；过渡金属硼化物，该过渡金属硼化物包括以下项中的至少一项：硼化钴(co2b)、硼化钛(tib2)、硼化锆(zrb2)、硼化钽(tab2)、硼化镍(nib2)或硼化钼(mo2b)；和耐火合金。形成b-alhea组合物18可包括将b-alhea组合物18的平均粒度范围控制在介于约0.1μm和约120μm之间。形成b-alhea组合物18可任选地包括在混合或共混之前调节(例如，碾磨)以下各项中的一项或多项的颗粒：conicraly合金、过渡金属硼化物和耐火合金，使得各自的平均粒度在介于约0.1μm和约120μm之间的优选平均粒度范围内。在某些实施方案中，b-alhea组合物18在平均粒度介于约0.1微米(μm)和约120μm之间的粉末共混物中形成。在实施方案中，平均粒度范围介于约5微米(μm)和约70μm之间，或介于约15μm和约45μm之间，或优选地介于约25μm和约70μm之间。
69.进一步参考图2和图5，将b-alhea组合物18施加到基材14、52上(步骤s64)可包括使用目前已知的或以后开发的沉积技术将b-alhea组合物18施加或沉积到基材14、52的一个或多个表面上，该沉积技术包括但不限于热喷涂(例如等离子体、火焰和高速氧燃料(hvof)、高速空气燃料(hvaf)喷涂)、溅射和电子束物理气相沉积(ebpvd)或它们的组合。
70.将b-alhea组合物18施加到基材14、52上(例如，使用热喷涂)形成涂层12、54。机器部件29、50的涂层12、54可包括微结构30(图3)，该微结构包括σ相基质32；拉夫斯相34，该拉夫斯相均匀分散在σ相基质32中；和β相36，该β相分散在σ相基质32中。在一些实施方案中，σ相基质32可包括conicraly合金，其中conicraly合金的三种或更多种元素以等摩尔量存在，该三种或更多种元素中的一种元素是al，并且al的摩尔分数介于约0.20和约0.25之间。拉夫斯相34可包括过渡金属硼化物38的多个颗粒(也参见过渡金属硼化物22，图2)，其中过渡金属硼化物22、38包括以下项中的至少一项：硼化钴(co2b)、硼化钛(tib2)、硼化锆(zrb2)、硼化钽(tab2)、硼化镍(nib2)或硼化钼(mo2b)。在实施方案中，过渡金属硼化物22、38包括硼化钴(co2b)和硼化钼(mo2b)中的至少一种。β相36可包括耐火合金24的多个颗粒(图2)。
71.进一步参考图2至图4，在基材52上形成涂层12、54(s66)可另外包括热处理涂层12、54(例如，加热)以产生al氧化物层28、40。al氧化物层28、40可在区域42之上横跨该区域形成，该区域包括σ相基质32、拉夫斯相34和β相36。在一些实施方案中，al氧化层28、40具有小于约20μm的厚度。
72.如在整个说明书和权利要求书中使用的，近似语言可以用于修改可以允许变化的任何定量表示，而不会导致与其相关的基本功能的变化。因此，由一个或多个术语(诸如“约”、“大约”和“基本上”)修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度。在此以及在整个说明书和权利要求书中，范围限制可以组合和/或互换；除非上下文或语言另有说明，否则这些范围被识别并包括其中包含的所有子范围。应用于范围的特定值的“大约”和“约”适用于两个端值，并且除非另外依赖于测量值的仪器的精度，否则可以指示所述值的+/-10％。
73.以下权利要求书中的所有装置或步骤加功能元件的对应结构、材料、动作和等同物旨在包括用于结合具体要求保护的其他要求保护的元件执行功能的任何结构、材料或动
作。已经出于说明和描述的目的给出了对本公开的描述，但其并不旨在穷举或将本公开限制于所公开的形式。在不脱离本公开的范围和实质的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员将是显而易见的。选择和描述了实施方案以便最好地解释本公开的原理和实际应用，并且使得本领域的其他技术人员能够理解具有适合于预期的特定用途的各种修改的本公开的各种实施方案。

技术特征：
1.一种组合物(18)，所述组合物包括：conicraly合金，其中所述conicraly合金的三种或更多种元素以等摩尔量存在，所述conicraly合金的所述三种或更多种元素中的一种元素是铝(al)，并且其中al的摩尔分数介于约0.20和约0.25之间；过渡金属硼化物，所述过渡金属硼化物包括以下项中的至少一项：硼化钴(co2b)、硼化钛(tib2)、硼化锆(zrb2)、硼化钽(tab2)、硼化镍(nib2)或硼化钼(mo2b)；和耐火合金(24)。2.根据任一前述权利要求所述的组合物(18)，其中所述耐火合金(24)包括钼铌(monb)。3.根据任一前述权利要求所述的组合物(18)，其中所述组合物(18)基于所述组合物(18)的总重量包括：介于约10重量％和约70重量％之间的所述conicraly合金；介于约20重量％和约60重量％之间的所述过渡金属硼化物；介于约0.5重量％和约10重量％之间的monb。4.根据任一前述权利要求所述的组合物(18)，其中所述耐火合金(24)包括m-mo-cr-si，其中m包括ni或co。5.根据任一前述权利要求所述的组合物(18)，其中所述组合物(18)基于所述组合物(18)的所述总重量包括：介于约30重量％和约70重量％之间的所述conicraly合金；介于约20重量％和约40重量％之间的所述过渡金属硼化物；以及介于约20重量％和约60重量％之间的所述耐火合金(24)。6.根据任一前述权利要求所述的组合物(18)，其中所述组合物(18)包括平均粒度介于约0.1微米(μm)和约120μm之间的粉末共混物。7.根据任一前述权利要求所述的组合物(18)，其中所述组合物(18)被构造成形成具有微结构(30)的涂层(12,54)，所述微结构包括：σ相基质(32)，所述σ相基质包括所述conicraly合金的多个颗粒；拉夫斯相(34)，所述拉夫斯相均匀分散在所述σ相基质(32)中，所述拉夫斯相(34)包括所述过渡金属硼化物(22)的多个颗粒；和β相(36)，所述β相分散在所述σ相基质(32)中，所述β相(36)包括所述耐火合金(24)的多个颗粒。8.根据任一前述权利要求所述的组合物(18)，其中所述涂层(12,54)还包括在区域(42)之上横跨所述区域形成的氧化铝层(40)，所述区域(42)包括所述σ相基质(32)、所述拉夫斯相(34)和所述β相(36)。9.根据任一前述权利要求所述的组合物(18)，其中所述氧化铝层(40)具有小于约20微米(μm)的厚度。10.一种机器部件(29,50)，所述机器部件包括：基材(14,52)，所述基材具有涂层(12,54)，所述涂层(12,54)包括：conicraly合金，其中所述conicraly合金的三种或更多种元素以等摩尔量存在，所述conicraly合金的所述三种或更多种元素中的一种元素是al，并且其中al的摩尔分数介于
约0.20和约0.25之间；过渡金属硼化物(22)，所述过渡金属硼化物包括以下项中的至少一项：硼化钴(co2b)、硼化钛(tib2)、硼化锆(zrb2)、硼化钽(tab2)、硼化镍(nib2)或硼化钼(mo2b)；和耐火合金(24)。11.根据任一前述权利要求所述的机器部件(29,50)，其中所述耐火合金(24)包括钼铌(monb)。12.根据任一前述权利要求所述的机器部件(29,50)，其中所述组合物(18)基于所述组合物(18)的所述总重量包括：介于约10重量％和约70重量％之间的所述conicraly合金；介于约20重量％和约60重量％之间的所述过渡金属硼化物；以及介于约0.5重量％和约10重量％之间的monb。13.根据任一前述权利要求所述的组合物(18)，其中所述耐火合金(24)包括m-mo-cr-si，其中m包括ni或co。14.根据任一前述权利要求所述的机器部件(29,50)，其中所述组合物(18)基于所述组合物(18)的所述总重量包括：介于约30重量％和约70重量％之间的所述conicraly合金；介于约20重量％和约40重量％之间的所述过渡金属硼化物；以及介于约20重量％和约60重量％之间的所述耐火合金(24)。15.根据任一前述权利要求所述的机器部件(29,50)，其中所述组合物(18)包括平均粒度介于约0.1微米(μm)和约120μm之间的粉末共混物。

技术总结
提供了一种组合物(18)、涂覆有该组合物的机器部件(29,50)以及涂覆该机器部件(29,50)的方法。该组合物(18)包括CoNiCrAlY合金，其中该CoNiCrAlY合金的三种或更多种元素以等摩尔量存在，该CoNiCrAlY合金的该三种或更多种元素中的一种元素是铝(Al)，并且其中Al的摩尔分数介于约0.20和约0.25之间。该组合物(18)还包括过渡金属硼化物(22)，该过渡金属硼化物包括以下项中的至少一项：硼化钴(Co2B)、硼化钛(TiB2)、硼化锆(ZrB2)、硼化钽(TaB2)、硼化镍(NiB2)或硼化钼(Mo2B)和耐火合金(24)。B)和耐火合金(24)。B)和耐火合金(24)。


技术研发人员：S
受保护的技术使用者：通用电气公司
技术研发日：2023.02.16
技术公布日：2023/9/13