專利名稱：具有絕熱涂層的渦輪部件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有由陶瓷材料如單片陶瓷或復(fù)合陶瓷材料形成的基質(zhì)，以及由陶瓷材料制造的絕熱涂層的渦輪部件。
背景技術(shù)：
燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)是發(fā)展得非常好的機(jī)械裝置，其以燃料形式將化學(xué)勢能轉(zhuǎn)化成熱能，然后轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，用于推動(dòng)航空器，產(chǎn)生電力，泵送流體等。目前，提高燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)效率的主要可行途徑看來就是使用更高的工作溫度。但是，當(dāng)前用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的金屬材料非常接近于它們熱穩(wěn)定性的上限。在現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的最熱一部分中，金屬材料都是在高于它們?nèi)埸c(diǎn)的氣體溫度下使用。由于經(jīng)過空氣冷卻，它們才得以存在。但是，提供空氣冷卻會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)效率。
因此，普遍發(fā)展用于冷卻的燃?xì)廨啓C(jī)飛行器元件的絕熱涂層。通過使用絕熱涂層，能大大減少所需的冷卻空氣的量，從而提高效率。
這種涂層一直是以陶瓷材料為基礎(chǔ)的。曾經(jīng)建議使用富鋁紅柱石石和礬土，但目前氧化鋯是首選材料。氧化鋯必須經(jīng)過穩(wěn)定劑改性以阻止單斜晶相的形成。典型的穩(wěn)定劑包括氧化釔、氧化鈣、二氧化鈰和氧化鎂。
氧化鋯基陶瓷耐水侵蝕。這對(duì)于陸基燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用很關(guān)鍵，因?yàn)橥繉颖┞对诟邷叵碌臅r(shí)間比它們?cè)诤娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用中暴露在高溫的時(shí)間長得多。因此，絕熱涂層的腐蝕成為問題—實(shí)際已知這是氧化硅基絕熱涂層和氧化鋁基絕熱涂層的一個(gè)問題。經(jīng)常將蒸汽注射到陸基燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室中以減少氮氧化物的形成，這加劇了水侵蝕。
盡管絕熱涂層已經(jīng)取得了成功，但還希望獲得具有優(yōu)越的隔熱性能的改進(jìn)涂層，特別是當(dāng)涂層密度符合標(biāo)準(zhǔn)時(shí)絕熱性能也提高的涂層。重量一直是設(shè)計(jì)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)特別是旋轉(zhuǎn)部件的一個(gè)關(guān)鍵因素。陶瓷絕熱涂層不負(fù)載支撐材料，因此它們不增加強(qiáng)度，只增加重量。因此更希望獲得一種能夠提供最大絕熱性能而重量增加最小的陶瓷絕熱涂層。另外，較長的壽命、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性也是所要求的。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供具有陶瓷材料基質(zhì)和具有低熱導(dǎo)率絕熱涂層的渦輪部件。
前述目的是通過本發(fā)明的渦輪部件實(shí)現(xiàn)的。
根據(jù)本發(fā)明，渦輪部件主要具有陶瓷材料基質(zhì)和絕熱涂層。陶瓷材料基質(zhì)可以是單片陶瓷材料或復(fù)合陶瓷材料。在本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施方案中，絕熱涂層主要包括至少15mol％的至少一種鑭系倍半氧化物，并且余量包括選自氧化鋯、二氧化鈰和二氧化鉿(hafnia)的第一氧化物。第一氧化物優(yōu)選含量大于50mol％。該至少一種鑭系倍半氧化物的通式為A2O3，其中A選自La、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb和它們的混合物。
在本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施方案中，絕熱涂層主要包括含量大于30mol％的Sc2O3、通式為A2O3的鑭系倍半氧化物，其中A選自Nd、Eu、Dy、Gd、Er、Pr和它們的混合物，和余量氧化鋯。
在本發(fā)明的第三個(gè)實(shí)施方案中，絕熱涂層主要包括含量大于20mol％的In2O3、通式為A2O3的鑭系倍半氧化物，其中A選自Er、Nd、Eu、Dy、Gd、Pr和它們的混合物，和余量氧化鋯。
在本發(fā)明的第四個(gè)實(shí)施方案中，絕熱涂層主要包括含量為5到60mol％的La2O3和Sm2O3中的至少一種、含量為5到60mol％的至少一種通式為A2O3的氧化物，其中A選自Sc、In、Y、Pr、Nd、Eu、Gd、Dy、Er、Yb和它們的混合物，和余量氧化鋯。
在本發(fā)明的第五個(gè)實(shí)施方案中，絕熱涂層主要包括含量為0.5到22.5mol％的至少一種通式為A2O3的第一氧化物，其中A選自La、Sm、Tb、Tm、和Lu，和選自氧化鋯、二氧化鉿和二氧化鈰的第二氧化物。
在本發(fā)明的第六個(gè)實(shí)施方案中，絕熱涂層主要包括含量為0.5到1.0mol％的至少一種選自CeO2、Pr2O3、Nd2O3、Eu2O3、Gd2O3、Dy2O3、Er2O3、Yb2O3、In2O3、Sc2O3、Y2O3和它們的混合物的第一氧化物，和選自氧化鋯、二氧化鉿和二氧化鈰的第二氧化物。
在本發(fā)明的第七個(gè)實(shí)施方案中，絕熱涂層主要包括含量為20.5到22.5mol％的CeO2，和選自氧化鋯、二氧化鉿和二氧化鈰的氧化物。
在本發(fā)明的第八個(gè)實(shí)施方案中，絕熱涂層主要包括含量為0.5到22.0mol％的CeO2、和0.5到22.0mol％的至少一種選自La2O3、Sm2O3、Tb2O3、Tm2O3、Ho2O3、Lu2O3、MgO、CaO、Pr2O3、Nd2O3、Eu2O3、Gd2O3、Dy2O3、Er2O3、Yb2O3和它們的混合物的第一氧化物，和選自氧化鋯和二氧化鉿的第二氧化物。CeO2和該至少一種第一氧化物的含量不大于22.5mol％。
在第九個(gè)實(shí)施方案中，絕熱涂層主要包括含量為0.5到22.5mol％的CeO2、0.5到59.5mol％的至少一種選自In2O3、Sc2O3和它們的混合物的氧化物，和至少40mol％的選自氧化鋯和二氧化鉿的氧化物。
在第十個(gè)實(shí)施方案中，絕熱涂層主要包括含量為9.0到22.5mol％的至少一種選自Pr2O3、Nd2O3、Eu2O3、Er2O3和它們的混合物的第一氧化物，和選自氧化鋯、二氧化鉿和二氧化鈰的第二氧化物。
在第十一個(gè)實(shí)施方案中，絕熱涂層主要包括含量為15.0到22.5mol％的一種選自Dy2O3和Yb2O3的第一氧化物，和至少77.5mol％的選自氧化鋯、二氧化鉿和二氧化鈰的第二氧化物。
在第十二個(gè)實(shí)施方案中，絕熱涂層主要包括含量為0.5到59.5mol％的Dy2O3和含量為0.5到59.5mol％的至少一種選自In2O3、Sc2O3、MgO、CaO和它們的混合物的氧化物，和至少40mol％的選自氧化鋯、二氧化鉿和二氧化鈰的氧化物。
在第十三個(gè)實(shí)施方案中，絕熱涂層主要包括含量為0.5到22.5mol％的Yb2O3和0.5到59.5mol％的至少一種選自In2O3、Sc2O3、MgO、CaO和它們的混合物的氧化物，和至少40mol％的選自氧化鋯、二氧化鉿和二氧化鈰的氧化物。
在第十四個(gè)實(shí)施方案中，絕熱涂層主要包括含量為20.5到60mol％的至少一種選自In2O3、Sc2O3、MgO、CaO和它們的混合物的氧化物，和至少40mol％的選自氧化鋯、二氧化鉿和二氧化鈰的氧化物。
在第十五個(gè)實(shí)施方案中，絕熱涂層主要包括含量為15到59.5mol％的Y2O3，0.5到45.0mol％的至少一種選自La2O3、Sm2O3、Tb2O3、Tm2O3、Ho2O3、Lu2O3、MgO、CaO、Pr2O3、Nd2O3、Eu2O3、Dy2O3、Er2O3、Yb2O3、In2O3、Sc2O3和它們的混合物的氧化物，和至少40mol％的選自氧化鋯、二氧化鉿和二氧化鈰的氧化物。
在第十六個(gè)實(shí)施方案中，絕熱涂層主要包括含量為9.0到23.0mol％的Gd2O3，0.5到51.0mol％的至少一種選自La2O3、Sm2O3、Tb2O3、Tm2O3、Ho2O3、Lu2O3、MgO、CaO、Pr2O3、Nd2O3、Eu2O3、Dy2O3、Er2O3、Yb2O3、In2O3、Sc2O3和它們的混合物的第一氧化物，和至少40mol％的選自氧化鋯、二氧化鉿和二氧化鈰的氧化物。
下面將詳細(xì)說明具有本發(fā)明絕熱涂層的渦輪部件的其他細(xì)節(jié)、以及其他目的和相應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的實(shí)質(zhì)源于人們發(fā)現(xiàn)某些陶瓷材料非常適于用作陶瓷材料基質(zhì)尤其是用于形成汽輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部件如翼片等陶瓷材料基質(zhì)上的絕熱涂層。這些陶瓷涂層材料，由于具有比傳統(tǒng)的絕熱涂層如7重量％氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯低的熱導(dǎo)率，因此可以有這樣的用途。
根據(jù)本發(fā)明，具有這樣的較低熱導(dǎo)率的絕熱涂層的第一個(gè)實(shí)施方案包括至少15mol％的至少一種鑭系倍半氧化物，并且余量包括選自氧化鋯、二氧化鈰和二氧化鉿的第一氧化物。第一氧化物的優(yōu)選含量大于50mol％。每一種鑭系倍半氧化物具有A2O3的通式，其中A選自La、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb和它們的混合物。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，該至少一種鑭系倍半氧化物的總含量為15到45mol％。在最優(yōu)選的實(shí)施方案中，該至少一種鑭系倍半氧化物的總含量至少為25mol％。本發(fā)明的絕熱涂層中，當(dāng)?shù)谝谎趸锸茄趸啎r(shí)，每個(gè)鋯離子有平均超過一個(gè)的鄰近的氧化物空位，并且優(yōu)選至少兩個(gè)鄰近氧化物空位。如果第一氧化物是二氧化鉿或二氧化鈰，每個(gè)鉿離子和每個(gè)鈰離子也將有平均超過一個(gè)的鄰近氧化物空位，優(yōu)選至少兩個(gè)鄰近氧化物空位。這些氧空位的存在使涂層的熱導(dǎo)率最小。因此，這些空位是本發(fā)明涂層的非常理想的特征。
本發(fā)明的第二種絕熱涂層包括含量為5到60mol％的鑭系倍半氧化物，并且余量包括選自氧化鋯、二氧化鉿和二氧化鈰的第一氧化物。該鑭系倍半氧化物通式為A2O3，其中A選自In、Sc、Y、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu和它們的混合物。在這種涂層的優(yōu)選實(shí)施方案中，鑭系倍半氧化物的含量為10到40mol％。
絕熱涂層的第三個(gè)實(shí)施方案包括鑭系倍半氧化物，并且余量包括選自氧化鋯、二氧化鉿、二氧化鈰和它們的混合物的第一氧化物。鑭系倍半氧化物的量要足夠多以使每個(gè)鋯離子、鉿離子和鈰離子都獲得平均多于一個(gè)的鄰近氧空位。
本發(fā)明的具有較低熱導(dǎo)率的絕熱涂層的第四個(gè)實(shí)施方案包括含量為15到60mol％的通式為A2O3的鑭系倍半氧化物，其中A選自Er、Nd、Yb、Eu、Dy、Pr、Sm、La和它們的混合物、和余量氧化鋯。該絕熱涂層優(yōu)選包含少于10體積％的燒綠石晶體結(jié)構(gòu)相。氧化鋯的含量優(yōu)選大于40mol％。絕熱涂層還可以包含下列組分的一種或多種0.001到2.5mol％的氧化釔、0.001到10mol％的CaO和MgO中的至少一種、0.001到1.0mol％的Yb2O3、0.001到4.0mol％的Sc2O3和/或0.001到4.0mol％的In2O3。
本發(fā)明的具有較低熱導(dǎo)率的絕熱涂層的第五個(gè)實(shí)施方案包括含量至少為15mol％的氧化釔、和通式為A2O3的鑭系倍半氧化物，其中A選自Er、Nd、Yb、Eu、Dy、Gd、Pr和它們的混合物、和余量氧化鋯。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，氧化鋯的含量大于40mol％，并且涂層包含少于10體積％的燒綠石晶體結(jié)構(gòu)相。在這種涂層體系中的氧化釔的含量可以是15到22mol％，并且鑭系倍半氧化物的含量可以是1.0到35mol％。在這種絕熱涂層體系的特別有用的實(shí)施方案中，氧化釔的含量大于22mol％，并且鑭系倍半氧化物的含量為1.0到38mol％。
在本發(fā)明的第六個(gè)實(shí)施方案中，具有較低熱導(dǎo)率的絕熱涂層包括含量為9到15mol％的Yb2O3、和1.0到48mol％的通式為A2O3的鑭系倍半氧化物，其中A選自Er、Nd、Eu、Dy、Gd、Pr和它們的混合物、和余量氧化鋯。氧化鋯的含量大于40mol％，并且涂層具有少于10體積％的燒綠石晶體結(jié)構(gòu)相。
本發(fā)明的絕熱涂層的第七個(gè)實(shí)施方案包括含量大于15mol％的Yb2O3、通式為A2O3的鑭系倍半氧化物，其中A選自Er、Nd、Eu、Dy、Gd、Pr和它們的混合物、和余量氧化鋯。氧化鋯的含量優(yōu)選大于40mol％。另外，該涂層優(yōu)選包含少于10體積％的燒綠石晶體結(jié)構(gòu)相。鑭系倍半氧化物的含量可以是0.001到45mol％。
本發(fā)明的第八個(gè)實(shí)施方案中，提供的絕熱涂層包括含量為20到30mol％的Sc2O3、和通式為A2O3的鑭系倍半氧化物，其中A選自Er、Nd、Eu、Dy、Gd、Pr和它們的混合物、和余量氧化鋯。同前述實(shí)施方案一樣，氧化鋯的含量優(yōu)選大于40mol％。另外，絕熱涂層包含少于10體積％的燒綠石晶體結(jié)構(gòu)相。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，鑭系倍半氧化物的含量是0.001到30mol％。
本發(fā)明的第九個(gè)實(shí)施方案中，提供的絕熱涂層包括含量大于30mol％的Sc2O3、通式為A2O3的鑭系倍半氧化物，其中A選自Nd、Eu、Dy、Gd、Er、Pr和它們的混合物、和余量氧化鋯。氧化鋯的含量優(yōu)選大于40mol％。絕熱涂層可以包含少于10體積％的燒綠石晶體結(jié)構(gòu)相。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，鑭系倍半氧化物的含量是0.001到30mol％。
本發(fā)明的第十個(gè)實(shí)施方案中，絕熱涂層包括含量為11到20mol％的In2O3，和通式為A2O3的鑭系倍半氧化物，其中A選自Er、Nd、Eu、Dy、Gd、Pr和它們的混合物、和余量氧化鋯。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，鑭系倍半氧化物的含量是0.001到36mol％。氧化鋯的含量優(yōu)選大于40mol％。該涂層也優(yōu)選包含少于10體積％的燒綠石晶體結(jié)構(gòu)相。
本發(fā)明的第十一個(gè)實(shí)施方案中，提供的絕熱涂層包括含量大于20mol％的In2O3、和通式為A2O3的鑭系倍半氧化物，其中A選自Er、Nd、Eu、Dy、Gd、Pr和它們的混合物、和余量氧化鋯。在這種涂層體系中，氧化鋯的含量優(yōu)選大于40mol％，鑭系倍半氧化物的含量優(yōu)選為0.001到40mol％，并且該涂層包含少于10體積％的燒綠石晶體結(jié)構(gòu)相。
本發(fā)明的第十二個(gè)實(shí)施方案中，絕熱涂層包括含量為5到60mol％的La2O3和Sm2O3中的至少一種，含量為5到60mol％的至少一種通式為A2O3的氧化物，其中A選自Sc、In、Y、Pr、Nd、Eu、Sm、Gd、Dy、Er、Yb和它們的混合物、和余量氧化鋯。在這種涂層體系中，氧化鋯的含量優(yōu)選大于40mol％，并且涂層包含少于10體積％的燒綠石結(jié)構(gòu)相。
下面是本發(fā)明的絕熱涂層的其他實(shí)施方案。
一種絕熱涂層，其包括含量為0.5到22.5mol％的至少一種通式為A2O3的第一氧化物，其中A選自La、Sm、Tb、Tm和Lu，和選自氧化鋯、二氧化鉿和二氧化鈰的第二氧化物。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，第二氧化物的含量至少為77.5mol％。該涂層還可以包括含量為0.5到59.5mol％的至少一種選自In2O3、Sc2O3、Y2O3、MgO、CaO和它們的混合物的第三氧化物，并且當(dāng)有第三氧化物存在的時(shí)候，第二氧化物的含量大于40mol％。另外，又一種情況是，該涂層可以包括含量為0.5到22.5mol％的至少一種選自CeO2、Pr2O3、Nd2O3、Eu2O3、Gd2O3、Dy2O3、Er2O3、Yb2O3和它們的混合物的第三氧化物，并且該至少一種第一氧化物和該至少一種第三氧化物的總含量不大于22.5mol％。
一種絕熱涂層，其包括含量為0.5到1.0mol％的至少一種選自CeO2、Pr2O3、Nd2O3、Eu2O3、Gd2O3、Dy2O3、Er2O3、Yb2O3、In2O3、Sc2O3、Y2O3和它們的混合物的第一氧化物、和選自氧化鋯、二氧化鉿和二氧化鈰的第二氧化物。該絕熱涂層還可以包括含量為0.5到22.5mol％的至少一種選自La2O3、Sm2O3、Tb2O3、Tm2O3、Ho2O3、Lu2O3、MgO、CaO和它們的混合物的第三氧化物，其中該至少一種第一氧化物和該至少一種第三氧化物的總含量不大于22.5mol％，并且第二氧化物的含量至少為77.5mol％。
一種絕熱涂層，其包括含量為20.5到22.5mol％的CeO2、和選自氧化鋯和二氧化鉿的氧化物。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，氧化物的含量至少為77.5mol％。
一種絕熱涂層，其包括含量為0.5到22.0mol％的CeO2、和含量為0.5到22.0mol％的至少一種選自La2O3、Sm2O3、Tb2O3、Tm2O3、Ho2O3、Lu2O3、MgO、CaO、Pr2O3、Nd2O3、Eu2O3、Gd2O3、Dy2O3、Er2O3、Yb2O3和它們的混合物的第一氧化物、和選自氧化鋯和二氧化鉿的第二氧化物，并且CeO2和至少一種第一氧化物的含量不大于22.5mol％。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，第二氧化物的含量至少為77.5mol％。
一種絕熱涂層，其包括含量為0.5到22.5mol％的CeO2，含量為0.5到59.5mol％的至少一種選自In2O3、Sc2O3和它們的混合物的氧化物、和含量至少為40mol％的選自氧化鋯和二氧化鉿的氧化物。
一種絕熱涂層，其包括含量為9.0到22.5mol％的至少一種選自Pr2O3、Nd2O3、Eu2O3、Er2O3和它們的混合物的第一氧化物、和選自氧化鋯、二氧化鉿和二氧化鈰的第二氧化物。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，第二氧化物的含量大于77.5mol％。當(dāng)?shù)诙趸锏暮恐辽贋?0mol％時(shí)，絕熱涂層還可以進(jìn)一步包括含量為0.5到51.0mol％的至少一種選自Yb2O3、In2O3、Sc2O3、Y2O3、Gd2O3、MgO、CaO和它們的混合物的第三氧化物。
一種絕熱涂層，其包括含量為15.0到22.5mol％的選自Dy2O3和Yb2O3的第一氧化物和含量至少為77.5mol％的選自氧化鋯、二氧化鉿和二氧化鈰的第二氧化物。
一種絕熱涂層，其包括含量為0.5到59.5mol％的Dy2O3、和含量為0.5到59.5mol％的至少一種選自In2O3、Sc2O3、MgO、CaO和它們的混合物的氧化物、和含量至少為40mol％的選自氧化鋯、二氧化鉿和二氧化鈰的氧化物。
一種絕熱涂層，其包括含量為0.5到22.5mol％的Yb2O3，含量為0.5到59.5mol％的至少一種選自In2O3、Sc2O3、MgO、CaO和它們的混合物的氧化物、和含量至少為40mol％的選自氧化鋯、二氧化鉿和二氧化鈰的氧化物。
一種絕熱涂層，其包括含量為20.5到60mol％的至少一種選自In2O3、Sc2O3和Y2O3的氧化物、和含量至少為40mol％的選自氧化鋯、二氧化鉿和二氧化鈰的氧化物。
一種絕熱涂層，其包括含量為15到59.5mol％的Y2O3、含量為0.5到45.0mol％的至少一種選自La2O3、Sm2O3、Th2O3、Tm2O3、Ho2O3、Lu2O3、MgO、CaO、Pr2O3、Nd2O3、Eu2O3、Dy2O3、Er2O3、Yb2O3、In2O3、Sc2O3和它們的混合物的第一氧化物，和含量至少為40mol％的選自氧化鋯、二氧化鉿和二氧化鈰的氧化物。
一種絕熱涂層，其包括含量為9.0到23.0mol％的Gd2O3、含量為0.5到51.0mol％的至少一種選自La2O3、Sm2O3、Tb2O3、Tm2O3、Ho2O3、Lu2O3、MgO、CaO、Pr2O3、Nd2O3、Eu2O3、Dy2O3、Er2O3、Yb2O3、In2O3、Sc2O3和它們的混合物的第一氧化物、和含量至少為40mol％的選自氧化鋯、二氧化鉿和二氧化鈰的氧化物。
以上所述的各種絕熱除層的特征是都具有柱狀結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明，可以提供特別用作燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中的部件的制品。這種制品可具有金屬基質(zhì)和一種如前所述的施加于基質(zhì)上的絕熱涂層。該絕熱涂層可以直接施加于基質(zhì)表面，或者可以施加于沉積在一個(gè)或多個(gè)金屬基質(zhì)表面上的結(jié)合層上。本領(lǐng)域已知的任何合適的技術(shù)都可以用于沉積本發(fā)明實(shí)施方案之一中的絕熱涂層。合適的技術(shù)包括電子束物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、LPPS技術(shù)和擴(kuò)散法。金屬基質(zhì)可包括鎳基高溫合金、鈷基高溫合金、鐵合金例如鋼、鈦合金和銅合金的其中之一。
除金屬基質(zhì)外，渦輪部件或制品可以具有由陶瓷材料如單片陶瓷材料或復(fù)合陶瓷材料形成的基質(zhì)。如本文中所使用的術(shù)語“單片陶瓷”是指包括，但不局限于單相或多相陶瓷，但不包括作為復(fù)合物加工的陶瓷(也就是，滲透纖維織物等)。單片陶瓷基質(zhì)的實(shí)例包括，但不局限于氮化硅以及自補(bǔ)強(qiáng)(self-reinforced)氮化硅。復(fù)合陶瓷基質(zhì)包括，但不局限于SiC-SiC復(fù)合材料(蒸汽或熔融滲透2D或3D纖維織物)和C-C復(fù)合材料(又稱，蒸汽或熔融滲透2D或3D纖維織物)。
當(dāng)使用結(jié)合層時(shí)，該結(jié)合層可包括本領(lǐng)域已知的任何合適的結(jié)合層。例如，可由含鋁材料、鋁化物、鋁化鉑、陶瓷材料如7wt％氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯、或MCrAlY材料形成結(jié)合層。或者，該結(jié)合層可以是多層陶瓷，該多層陶瓷用來提供與熱膨脹匹配的系數(shù)并具有抗氧化性(通過阻止氧化擴(kuò)散)和耐腐蝕性(通過阻止腐蝕性氧化液體的侵蝕)。合適的結(jié)合層可以由下列物質(zhì)形成，Ta2O5、通式為X2Si2O7的所有稀土二硅酸鹽，其中X＝La、Nd、Pr、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu和它們的混合物、Y2Si2O7、富鋁紅柱石、BSAS(硅鋁酸鍶鋇或鋇長石)、釔鋁石榴石、鐿鋁石榴石和其它稀土鋁酸鹽石榴石，其中稀土選自Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Lu和它們的混合物。多重結(jié)合層可以是由相同或不同材料形成的多重截然不同的層。此外，多重結(jié)合層可以是以上混合物功能遞變的層。除了用作匹配層和結(jié)合層外，這些層也起隔離環(huán)境和隔離氧的作用?？梢杂霉δ苓f變(functional grading)替代不相似材料截然不同的兩層之間的界面，在功能遞變區(qū)域中，兩種材料如此混合以至總濃度從第一種材料的100％逐漸變化到第二種材料的100％。這樣，可以用濃度的逐漸斜度變化代替濃度階梯式變化。這種方法能有效減少例如具有大的熱膨脹不匹配的材料層之間的殘余應(yīng)力。
可以通過本領(lǐng)域已知的任何合適的方法在基質(zhì)、金屬或陶瓷上形成結(jié)合層，這些方法包括但不局限于低壓等離子體噴涂、電子束物理氣相沉積、擴(kuò)散法和化學(xué)氣相沉積法。如果需要，結(jié)合層可以在外表面上有氧化物皮，這些氧化物皮基本上由氧化鋁構(gòu)成。本發(fā)明的絕熱涂層可通過本領(lǐng)域已知的任何合適的技術(shù)結(jié)合到氧化物皮上。
如果需要，可將陶瓷層結(jié)合到絕熱涂層上。附加的陶瓷材料可從能夠減少氧擴(kuò)散、抗腐蝕和耐磨、和/或提供0.7光發(fā)射率的材料中選擇。可采用的高發(fā)射率陶瓷材料的實(shí)例是氧化鋁和富鋁紅柱石。高發(fā)射率減少了由于較熱的涂層外表面與位于涂層和TGO之間的較冷的界面之間的溫度差異而導(dǎo)致的通過內(nèi)部輻射(絕熱涂層自身的輻射)產(chǎn)生的貫穿絕熱涂層的熱轉(zhuǎn)移，從而降低了TGO、結(jié)合層乃至合金的溫度。因此，高發(fā)射率提高了TBC的隔熱性能。附加的陶瓷層可以在絕熱涂層的外表面形成。
在一些實(shí)施方案中，制品的外表面可有氧化物皮，本發(fā)明的絕熱涂層之一可以通過本領(lǐng)域已知的任何合適的沉積技術(shù)包括但不限于擴(kuò)散法、電子束物理氣相沉積，和/或化學(xué)氣相沉積技術(shù)直接施于并結(jié)合到氧化物皮上。該氧化物皮可基本上由氧化鋁構(gòu)成。
雖然本發(fā)明的絕熱涂層是為了應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)而發(fā)展起來的，但其他需要高溫的應(yīng)用如加熱爐和內(nèi)燃機(jī)中也可使用本發(fā)明的涂層。以下實(shí)施例用以說明本發(fā)明的涂層的優(yōu)點(diǎn)。
實(shí)施例1通過冷壓并燒結(jié)混合粉末到理論密度的95％來制備包含27.3mol％Y2O3和余量ZrO2的樣品。將石墨涂覆到厚度為0.025″的樣片上。使用激光閃光設(shè)備進(jìn)行比熱和熱擴(kuò)散率測量。通過仔細(xì)測量樣品尺寸和重量來確定樣品的堆積密度。通過1200°F下測量的、以理論密度線性校正的數(shù)據(jù)計(jì)算出熱導(dǎo)率值為1.95W/mK。
實(shí)施例2通過冷壓并燒結(jié)混合粉末到理論密度的90.8％來類似地制備包含16.7mol％Y2O3、16.7mol％Gd2O3和余量ZrO2的樣品。也將石墨涂覆到厚度為0.025″的樣品上，并使用激光閃光設(shè)備進(jìn)行測量。通過仔細(xì)測量樣品尺寸和重量來確定樣品堆積密度。通過1600°F下測量的、以理論密度線性校正的數(shù)據(jù)計(jì)算出熱導(dǎo)率平均值1.37W/mK。
實(shí)施例3通過電子束物理氣相沉積將平均組成為19mol％Sm2O3、余量為ZrO2的涂層沉積到氧化鋁片上。在激光閃光設(shè)備中進(jìn)行熱擴(kuò)散率的高溫測量。由以前的組成為33mol％Sm2O3、余量ZrO2的單片樣品的測量中評(píng)估高溫比熱值。從涂覆過程中片的重量和厚度的變化和它們的直徑來計(jì)算樣品的堆積密度。通過1400°F下測量的、未經(jīng)密度校正的數(shù)據(jù)計(jì)算出熱導(dǎo)率平均值為1.26W/mK。
顯而易見，本發(fā)明提供了具有低熱導(dǎo)率的熱絕緣層，完全符合上述目的、方法和優(yōu)點(diǎn)。雖然本發(fā)明對(duì)其特定的實(shí)施方案進(jìn)行了說明，但其它可供選擇的方案、改進(jìn)和變化的方案對(duì)那些已閱讀過上述說明書的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言是顯而易見的。因此，本發(fā)明旨在包括落入所附權(quán)利要求書的范圍中的那些可供選擇的方案、改進(jìn)的和變化的方案。
權(quán)利要求
1.一種渦輪部件，其具有由選自單片陶瓷材料和復(fù)合陶瓷材料形成的基質(zhì)以及結(jié)合到所述基質(zhì)上的絕熱涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的渦輪部件，其中所述陶瓷材料選自氮化硅和自補(bǔ)強(qiáng)氮化硅。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的渦輪部件，其中所述陶瓷材料選自碳化硅-碳化硅材料和碳-碳材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的渦輪部件，其中所述絕熱涂層包括含量至少為15mol％的至少一種鑭系倍半氧化物，并且余量包括選自氧化鋯、二氧化鈰和二氧化鉿的第一氧化物。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的渦輪部件，其中所述第一氧化物的含量大于50mol％。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的渦輪部件，其中該至少一種鑭系倍半氧化物的通式為A2O3，其中A選自La、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb和它們的混合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的渦輪部件，其中所述至少一種鑭系倍半氧化物的總含量為15到45mol％。
8.根據(jù)權(quán)利要求4的渦輪部件，其中所述至少一種鑭系倍半氧化物的總含量至少為25mol％。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的渦輪部件，其中該絕熱涂層包括含量大于30mol％的Sc2O3、通式為A2O3的鑭系倍半氧化物，其中A選自Nd、Eu、Dy、Gd、Er、Pr和它們的混合物，和余量氧化鋯。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的渦輪部件，其中所述氧化鋯的含量大于40mol％，并且其中所述絕熱涂層包含少于10體積％的燒綠石晶體結(jié)構(gòu)相。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的渦輪部件，其中所述鑭系倍半氧化物的含量為0.001到30mol％。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的渦輪部件，其中該絕熱涂層包括含量大于20mol％的In2O3、通式為A2O3的鑭系倍半氧化物，其中A選自Er、Nd、Eu、Dy、Gd、Pr和它們的混合物，和余量氧化鋯。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的渦輪部件，其中所述氧化鋯的含量大于40mol％，并且其中所述絕熱涂層包含少于10體積％的燒綠石晶體結(jié)構(gòu)相。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的渦輪部件，其中所述鑭系倍半氧化物的含量為0.001到40mol％。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的渦輪部件，其中該絕熱涂層主要包括含量為5到60mol％的La2O3和Sm2O3中的至少一種、5到60mol％的至少一種通式為A2O3的氧化物，其中A選自Sc、In、Y、Pr、Nd、Eu、Gd、Dy、Er、Yb和它們的混合物，和余量氧化鋯。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的渦輪部件，其中所述氧化鋯的含量大于40mol％，并且其中所述絕熱涂層包含少于10體積％的燒綠石晶體結(jié)構(gòu)相。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的渦輪部件，其中該絕熱涂層包括含量為0.5到22.5mol％的至少一種通式為A2O3的第一氧化物，其中A選自La、Sm、Tb、Tm和Lu、和選自氧化鋯、二氧化鉿和二氧化鈰的第二氧化物。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的渦輪部件，其中所述第二氧化物的含量至少為77.5mol％。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的渦輪部件，其中所述涂層進(jìn)一步包括0.5到59.5mol％的至少一種選自In2O3、Sc2O3、Y2O3、MgO、CaO和它們的混合物的氧化物、并且所述第二氧化物的含量大于40mol％。
20.根據(jù)權(quán)利要求17的渦輪部件，其中所述涂層進(jìn)一步包括含量為0.5到22.5mol％的至少一種選自CeO2、Pr2O3、Nd2O3、Eu2O3、Gd2O3、Dy2O3、Er2O3、Yb2O3和它們的混合物的第三氧化物，并且所述至少一種第一氧化物和至少一種第三氧化物的總含量小于22.5mol％。
21.根據(jù)權(quán)利要求1的渦輪部件，其中所述絕熱涂層含0.5到1.0mol％的選自CeO2、Pr2O3、Nd2O3、Eu2O3、Gd2O3、Dy2O3、Er2O3、Yb2O3、In2O3、Sc2O3、Y2O3和它們的混合物的至少一種第一氧化物、和選自氧化鋯、二氧化鉿和二氧化鈰的第二氧化物。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的渦輪部件，進(jìn)一步包括含量為0.5到22.5mol％的至少一種選自La2O3、Sm2O3、Tb2O3、Tm2O3、Ho2O3、Lu2O3、MgO、CaO和它們的混合物的第三氧化物，并且所述至少一種第一氧化物和至少一種第三氧化物的總含量小于22.5mol％，并且所述第二氧化物的含量至少為77.5mol％。
23.根據(jù)權(quán)利要求1的渦輪部件，其中該絕熱涂層包括含量為20.5到22.5mol％的CeO2，和選自氧化鋯、二氧化鉿和二氧化鈰的氧化物。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的渦輪部件，其中所述氧化物的含量至少為77.5mol％。
25.根據(jù)權(quán)利要求1的渦輪部件，其中所述絕熱涂層包括含量為0.5到22.0mol％的CeO2、和0.5到22.0mol％的至少一種選自La2O3、Sm2O3、Tb2O3、Tm2O3、Ho2O3、Lu2O3、MgO、CaO、Pr2O3、Nd2O3、Eu2O3、Gd2O3、Dy2O3、Er2O3、Yb2O3和它們的混合物的第一氧化物、和選自氧化鋯和二氧化鉿的第二氧化物，并且所述CeO2和該至少一種第一氧化物的含量不大于22.5mol％。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的渦輪部件，其中所述第二氧化物的含量至少為77.5mol％。
27.根據(jù)權(quán)利要求1的渦輪部件，其中所述絕熱涂層主要包括含量為0.5到22.5mol％的CeO2、0.5到59.5mol％的至少一種選自In2O3、Sc2O3和它們的混合物的氧化物、和至少40mol％的選自氧化鋯和二氧化鉿的氧化物。
28.根據(jù)權(quán)利要求1的渦輪部件，其中所述絕熱涂層包括含量為9.0到22.5mol％的至少一種選自Pr2O3、Nd2O3、Eu2O3、Er2O3和它們的混合物的第一氧化物、和選自氧化鋯、二氧化鉿和二氧化鈰的第二氧化物。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的渦輪部件，其中所述第二氧化物的含量大于77.5mol％。
30.根據(jù)權(quán)利要求28的渦輪部件，其中所述絕熱涂層進(jìn)一步包括含量為0.5到51mol％的至少一種選自Yb2O3、In2O3、Sc2O3、Y2O3、Gd2O3、MgO、CaO和它們的混合物的第三氧化物，并且所述第二氧化物的含量至少為40mol％。
31.根據(jù)權(quán)利要求1的渦輪部件，其中所述絕熱涂層包括含量為15.0到22.5mol％的一種選自Dy2O3和Yb2O3的第一氧化物，和至少77.5mol％的選自氧化鋯、二氧化鉿和二氧化鈰的第二氧化物。
32.根據(jù)權(quán)利要求1的渦輪部件，其中所述絕熱涂層包括含量為0.5到59.5mol％的Dy2O3、和含量為0.5到59.5mol％的至少一種選自In2O3、Sc2O3、MgO、CaO和它們的混合物的氧化物、和至少40mol％的選自氧化鋯、二氧化鉿和二氧化鈰的氧化物。
33.根據(jù)權(quán)利要求1的渦輪部件，其中所述絕熱涂層包括含量為0.5到22.5mol％的Yb2O3、和0.5到59.5mol％的至少一種選自In2O3、Sc2O3、MgO、CaO和它們的混合物的氧化物、和至少40mol％的選自氧化鋯、二氧化鉿和二氧化鈰的氧化物。
34.根據(jù)權(quán)利要求1的渦輪部件，其中所述絕熱涂層包括含量為20.5到60mol％的至少一種選自In2O3、Sc2O3、MgO、CaO和它們的混合物的氧化物、和至少40mol％的選自氧化鋯、二氧化鉿和二氧化鈰的氧化物。
35.根據(jù)權(quán)利要求1的渦輪部件，其中所述絕熱涂層包括含量為15到59.5mol％的Y2O3、0.5到45.0mol％的至少一種選自La2O3、Sm2O3、Tb2O3、Tm2O3、Ho2O3、Lu2O3、MgO、CaO、Pr2O3、Nd2O3、Eu2O3、Dy2O3、Er2O3、Yb2O3、In2O3、Sc2O3和它們的混合物的氧化物、和至少40mol％的選自氧化鋯、二氧化鉿和二氧化鈰的氧化物。
36.根據(jù)權(quán)利要求1的渦輪部件，其中所述絕熱涂層包括含量為9.0到23.0mol％的Gd2O3、0.5到51.0mol％的至少一種選自La2O3、Sm2O3、Tb2O3、Tm2O3、Ho2O3、Lu2O3、MgO、CaO、Pr2O3、Nd2O3、Eu2O3、Dy2O3、Er2O3、Yb2O3、In2O3、Sc2O3和它們的混合物的第一氧化物、和至少40mol％的選自氧化鋯、二氧化鉿和二氧化鈰的氧化物。
37.根據(jù)權(quán)利要求1的渦輪部件，進(jìn)一步包括在所述基質(zhì)和所述絕熱涂層之間的至少一個(gè)結(jié)合層，并且該至少一個(gè)結(jié)合層具有熱膨脹匹配的系數(shù)、抗氧化性和耐腐蝕性。
38.根據(jù)權(quán)利要求37的渦輪部件，其中所述至少一個(gè)結(jié)合層由Ta2O5形成。
39.根據(jù)權(quán)利要求37的渦輪部件，其中所述至少一個(gè)結(jié)合層由通式為X2Si2O7的稀土二硅酸鹽形成，其中X選自La、Nd、Pr、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu。
40.根據(jù)權(quán)利要求37的渦輪部件，其中所述至少一個(gè)結(jié)合層含有Y2Si2O7。
41.根據(jù)權(quán)利要求37的渦輪部件，其中所述至少一個(gè)結(jié)合層含有富鋁紅柱石。
42.根據(jù)權(quán)利要求37的渦輪部件，其中所述至少一個(gè)結(jié)合層含有硅鋁酸鍶鋇。
43.根據(jù)權(quán)利要求37的渦輪部件，其中所述至少一個(gè)結(jié)合層含有釔鋁石榴石。
44.根據(jù)權(quán)利要求37的渦輪部件，其中所述至少一個(gè)結(jié)合層含有鐿鋁石榴石。
45.根據(jù)權(quán)利要求37的渦輪部件，其中所述至少一個(gè)結(jié)合層含有稀土鋁酸鹽石榴石，其中該稀土選自Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Lu和它們的混合物。
46.根據(jù)權(quán)利要求37的渦輪部件，其中所述結(jié)合層由多個(gè)功能遞變的層形成。
全文摘要
一種渦輪部件，其具有由選自單片陶瓷材料和復(fù)合陶瓷材料的陶瓷材料形成的基質(zhì)、和結(jié)合到該基質(zhì)上的絕熱涂層。在一個(gè)實(shí)施方案中，形成基質(zhì)的陶瓷材料選自氮化硅和自補(bǔ)強(qiáng)氮化硅。在另外一個(gè)實(shí)施方案中，形成基質(zhì)的陶瓷材料選自碳化硅－碳化硅材料和碳－碳材料。在基質(zhì)和絕熱涂層之間可以設(shè)置至少一個(gè)結(jié)合層。
文檔編號(hào)C04B41/87GK1670337SQ20051006414
公開日2005年9月21日 申請(qǐng)日期2005年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月17日
發(fā)明者D·A·利頓, N·E·尤利安, M·F·特魯貝亞, M·J·馬洛尼, S·G·沃里爾 申請(qǐng)人:聯(lián)合工藝公司