耐高溫涂覆組合物的制作方法
【專利說明】
[0001] 本申請是2009年3月23日提交的題為"耐高溫涂覆組合物"的國家申請?zhí)枮?200980111152. 6 (PCT/US2009/037960)的發(fā)明專利申請的分案申請。
技術領域
[0002] 本發(fā)明涉及一種耐高溫涂覆組合物。
【背景技術】
[0003] 包括磷酸和金屬鋁的組合物用于金屬表面的防護，例如含鐵表面的防腐是眾所 周知的。在該涂覆組合物中，顆粒金屬材料，例如鋁薄片和/或粉末，與磷酸結合溶液混 合形成涂覆組合物，然后涂覆到待處理的金屬表面?；w上涂覆涂層后，可在通常高于 500° F(260°C)的第一溫度下加熱，直到涂層變得基本不溶于水。接著涂覆的表面可在通 常高于1000° F(538°C)的第二溫度下固化以形成最終的保護涂層。
[0004] 該涂覆工藝中出現(xiàn)的一個問題是當顆粒金屬材料與磷酸結合溶液混合的時候，酸 性的結合溶液能與金屬材料反應。該反應可能非常劇烈，造成薄片和/或粉末燃燒或者甚 至爆炸，或者不那么劇烈只是導致金屬材料轉變成各種鹽。二者中的任一種情況，該反應都 妨礙形成合適的保護涂層。
[0005] Alien在美國專利3, 248, 251中記載了基本由處于包含溶解的金屬鉻酸鹽、重鉻 酸鹽或者鉬酸鹽，和磷酸鹽的含水酸結合溶液中的固體無機顆粒材料（例如鋁）漿料組成 的涂覆組合物。結果發(fā)現(xiàn)添加鉻酸鹽或鉬酸鹽到酸性結合溶液有效的減弱了溶液對鋁的活 性并且抑制了金屬鋁的氧化，使得鋁顆粒與結合溶液混合而酸溶液和鋁之間沒有不期望的 化學反應發(fā)生。這種所謂的Alien涂層已經成功的用來提供高質量的涂層，它能夠防止氧 化和腐蝕鐵類金屬合金表面，尤其是在高溫下。
[0006] 雖然鉻酸鹽和鉬酸鹽已經成功的用于減弱鋁在該涂覆組合物中的反應活性，但因 為環(huán)境因素鉻酸鹽和鉬酸鹽的使用已經成為一個問題。鉻酸鹽和鉬酸鹽通常認為是有毒物 質。六價鉻被認定為致癌物質。因而期望的是避免含該鹽的溶液的使用，或者至少是減少 它們的使用。為此，期望開發(fā)一種需要添加很少或者不含用來控制酸性磷酸結合溶液和鋁 顆粒之間活性的鉻酸鹽或鉬酸鹽的磷酸/鋁涂覆組合物。該涂覆組合物應能防止在環(huán)境條 件下尤其是在高溫下，鐵類金屬合金表面的氧化和腐蝕，至少同Alien類型的涂層一樣好。
[0007] 為了克服有關鉻酸鹽和鉬酸鹽的環(huán)境問題，已經做出了一些努力。Stetson等在 美國專利5, 242, 488中記載了一種用于鐵類合金的涂覆組合物，它既不需要鉻酸鹽也不需 要鉬酸鹽來控制結合溶液和鋁粉末之間的反應。該組合物基本由結合溶液和鋁粉末的漿料 混合物組成。結合溶液基本由水、磷酸（H 3PO4)和鋁離子組成，溶液中的鋁離子，其含量足 以基本上平衡結合溶液中的鋁金屬顏料。涂覆組合物中的結合溶液組分需要在溶液有足夠 的鋁離子，從而使得其與鋁金屬顏料基本平衡，即，溶液中的鋁離子的含量基本上達到飽和 點，因而對接著添加的鋁金屬顏料基本上無活性。
[0008] Stetson公開在用鋁平衡混合物之前或之后，使用鎂（MgO或MgCO3)來至少部分 中和含水磷酸混合物。Stetson等在最近的專利US5, 279, 649中記載了基本相同的組合 物，其中添加了 V2O5來生成釩離子，從而在鋁平衡的混合物中添加了另一種抑制劑。此外， Stetson等在US5, 279, 650公開了一種用于'649號專利公開的涂層的封閉涂覆組合物，其 中還含有氧化鐵（Fe2O3)顆粒。設計的所有三種涂覆組合物都用于避免鉻和鉬離子的使用， 并且需要相對于額外添加的鋁來平衡結合溶液。V 2O5的添加證實是有毒物質的添加，被列 在OSHA極端危險物質名單中。
[0009] Mosser等普通轉讓的US5, 478, 413記載了一種環(huán)境友好的涂覆組合物，其中公開 了一種由磷酸、一種或多種鎂離子源，和一種鋁離子源和/或鋅和硼離子源組成的水溶液。 溶液中鋁的含量低于需要達到飽和度的含量，進而低于相對于額外添加的鋁來平衡結合溶 液所需的量。至少一個小時內該結合溶液相對鋁顆粒沒有反應活性。

【發(fā)明內容】

[0010] -方面，一種用于形成鐵類合金（ferrous alloy)涂覆組合物的結合溶液，其基本 由磷酸、鎂離子源和可濾取的腐蝕抑制劑組成。結合溶液的PH值在約2-約4. 5的范圍，通 常在約2. 5-約3. 5,并且經常在約2. 7-約3. 3。為了獲得所需的pH值，可以按照需要添加 額外含量的酸或堿到組合物中。為了降低pH值，例如，可添加水溶性的磷酸或磷酸鹽，例如 磷酸二氫鎂。
[0011] 另一方面，一種涂覆組合物，其包括結合溶液和顆粒金屬材料，例如鋁。顆粒金屬 材料可以是任何合適的形式，例如粉末、薄片或粉末和薄片的混合。
[0012] 另一方面，防護基體的方法，包括施加涂覆組合物到基體的金屬表面，并且加熱已 涂覆的基體來固化該涂覆組合物。
[0013] 該結合和涂覆組合物通常不含或基本不含鉻，尤其是六價鉻和鉬以及其它有毒金 屬，例如鎳和釩。盡管不含或基本不含這些有害的金屬，該組合物在足夠施加涂覆的時間期 間內保持穩(wěn)定，尤其是超過1小時的期間，通常高于4并且經常高于8小時。一些組合物在 幾天內保持穩(wěn)定并且在數(shù)周保持液態(tài)。
[0014] 涂層是令人滿意的，在抵抗氧化和腐蝕方面，尤其是在高溫，總體上達到或超過 了 Alien涂層的標準。這種結合和涂覆組合物表現(xiàn)了如此的穩(wěn)定性和使用性能而無需像 US5, 478, 413記載的那樣添加鋅離子和/或鋁子源，進而簡化了組分和生產。該涂層尤其適 用于渦輪壓縮機機翼，例如葉片、輪葉、定子和類似物。
[0015] 該結合溶液可通過先制備由水、磷酸、鎂離子源和可選的硼離子源混合而成的粘 結溶液來制備。接著可濾取的腐蝕抑制劑可加入到緩沖粘結溶液中來制備結合溶液。結合 溶液中的可濾取的腐蝕抑制劑和/或其它組分可具有在水或含水磷酸中低的或減弱的溶 解性或混合性。這種較低溶解或混合的組分可以乳液或其它非溶液的形式存在。這里使用 的術語"含水結合溶液"和"結合溶液"含義是包括其中有一種或多種組分可能未充分溶解， 但是可被乳化或分散或以其他形式存在的組合物。該聲明適用于此處記載的組分以及未記 載的其它組分。
[0016] 涂覆組合物可通過混合結合溶液和一種固體顆粒金屬材料，例如鋁粉末來制備。 可使用其它金屬顆粒來替代或添加到鋁中，例如那些記載在前面引用的Alien專利中的金 屬顆粒。涂覆組合物可包含在涂覆領域慣用的其它組分，例如非金屬性的（non-metallic) 顏料（即，其不是金屬顏料）例如氧化鋁、氧化鋯、二氧化鈰，和/或其它混合的金屬氧化 物。涂覆的鐵類零件表現(xiàn)出了非常令人滿意的性能，一般等同于或優(yōu)于Alien