專利名稱：多層的熱障涂層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱障涂層，更特別地，涉及多層的熱障涂層。
背景技術(shù)：
典型地暴露于高溫的部件，如燃?xì)廨啺l(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪，典型地包括熱 障涂層系統(tǒng)以保護(hù)部件免于氧化和腐蝕。例如，常規(guī)的熱障涂層系統(tǒng)包 括保護(hù)部件的多個(gè)層。典型地，涂層系統(tǒng)包括部件表面上的金屬粘結(jié)層 和金屬粘結(jié)層上的陶瓷面層，金屬粘結(jié)層與擴(kuò)散穿過陶瓷面層的氧起反 應(yīng)優(yōu)選地形成粘附氧化鋁層，其保護(hù)部件免于氧化和腐蝕。
雖然有效，但這種熱障涂層系統(tǒng)通常使用昂貴的材料并且傾向于在 金屬粘結(jié)層和部件表面之間形成反應(yīng)區(qū)。金屬粘結(jié)層的元素組分和部件 的難熔金屬組分可能在制造和隨后的維護(hù)過程中擴(kuò)散，以形成反應(yīng)區(qū)并 起反應(yīng)形成沉淀相。反應(yīng)區(qū)的形成導(dǎo)致在部件表面的化學(xué)成分的局部改 變，這可能危及部件的機(jī)械完整性。
因而，需要一種便宜的熱障涂層系統(tǒng)，其具有減少或消除反應(yīng)區(qū)的 層的布置。本發(fā)明針對(duì)那些需求，同時(shí)避免了現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和不足。

發(fā)明內(nèi)容
一組示例性的熱障涂層系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括基底、在基底上的第一過 渡金屬層、在第一過渡金屬層上的粘結(jié)層、在粘結(jié)層上的第二過渡金屬 層和可選的在第二過渡金屬層上的陶瓷面層。在一個(gè)實(shí)例中，第一過渡 金屬層和第二過渡金屬層包括鉑，鉑抑制粘結(jié)層的氧化并阻止基底和粘 結(jié)層之間的反應(yīng)。
一種制造熱障涂層系統(tǒng)的示例性方法，該方法包括下列步驟在基 底上形成第一過渡金屬層，在第一過渡金屬層上形成粘結(jié)層，在粘結(jié)層 上形成第二過渡金屬層，和可選地在第二過渡金屬層上形成陶瓷面層。 在實(shí)施例中，粘結(jié)層的形成可以包括使原料如鎳、鈷、鉻、鋁和/^釔汽 化，并且電力地偏壓基底以優(yōu)先地將汽化的原料凝結(jié)在基底或第 一過渡 金屬層上。在另 一 個(gè)方面， 一種示例性的熱障涂層系統(tǒng)包括在其中具有難熔金 屬組分的鎳合金基底，在基底上設(shè)置擴(kuò)散阻擋層，在擴(kuò)散阻擋層上設(shè)置 粘結(jié)層，并且在粘結(jié)層上設(shè)置可選的陶瓷面層。在實(shí)施例中，可以存在 有設(shè)置于粘結(jié)層和陶瓷面層之間的另一個(gè)擴(kuò)散阻擋層。在實(shí)施例中，粘
結(jié)層包括MCrAlY,其中M包括鎳、鈷、鐵或其組合中的至少一種。擴(kuò) 散阻擋層包括阻止難熔金屬從基底擴(kuò)散到粘結(jié)層中的過渡金屬。


從下面對(duì)目前優(yōu)選的實(shí)施例的詳細(xì)說明，本發(fā)明的各種特征和優(yōu)點(diǎn) 對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，伴隨詳細(xì)說明的附圖可筒要 ;也4葛述^口下
圖1是示例性燃?xì)廨啺l(fā)動(dòng)機(jī)的示意圖2是示例性熱障涂層系統(tǒng)的示意性橫剖視圖3是用于在部件上沉積粘結(jié)層的陰極弧沉積過程。
具體實(shí)施例方式
圖1表示示例性燃?xì)廨啺l(fā)動(dòng)機(jī)10例如用于推進(jìn)的燃?xì)廨啺l(fā)動(dòng)機(jī)10 的所選的部分。在該實(shí)施例中，燃?xì)廨啺l(fā)動(dòng)機(jī)10沿圓周設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī) 中心線12周圍。發(fā)動(dòng)機(jī)10包括風(fēng)扇14、壓縮機(jī)部分16、燃燒部分18 和包括渦輪葉片22與渦輪導(dǎo)向葉片24的渦輪部分20。如已知的，在壓 縮機(jī)部分16中壓縮的空氣與在燃燒部分18中燃燒的燃料混合以產(chǎn)生在 渦輪部分20中膨脹的熱氣體。圖1是僅僅用于說明目的的稍微示意性 的視圖，不是對(duì)所披露的實(shí)例的限制。另外，存在有各種類型的燃?xì)廨?發(fā)動(dòng)機(jī)，它們中的許多都能受益于這里披露的實(shí)例，該實(shí)例并不局限于 所示的i殳計(jì)。
圖2圖示出圖1中所示的渦輪葉片22之一的所選的部分30,盡管 這個(gè)實(shí)例是參考渦輪葉片22描述的，但應(yīng)當(dāng)理解，該實(shí)例也能應(yīng)用于 渦輪導(dǎo)向葉片24或燃?xì)廨啺l(fā)動(dòng)機(jī)10內(nèi)的其他部件。
渦輪葉片22的部分30包括由鎳基超級(jí)合金制造的底層的基底32, 鎳基超級(jí)合金包括難熔金屬，例如釕或錸。在鎳基超級(jí)合金內(nèi)難熔金屬 元素的存在在渦輪葉片22內(nèi)提供了蠕變阻力(或抗蠕變)的好處。
熱障涂層系統(tǒng)34位于基底32上以保護(hù)基底32免受氧化和腐蝕。在這個(gè)實(shí)例中，熱障涂層系統(tǒng)34包括具有第一過渡金屬層36、粘結(jié)層 38、第二過渡金屬層40和可選的陶瓷面層42的疊垛的層布置，即，第 一過渡金屬層36、粘結(jié)層38和第二過渡金屬層40可以用作"孤立"系 統(tǒng)或與陶瓷面層42結(jié)合使用。在所披露的實(shí)例中，第一過渡金屬層36 和第二過渡金屬層40包括過渡金屬。粘結(jié)層38包括MCrAlY材料，其 中M包括鎳、鈷、鐵或其組合中的至少一種，Cr是鉻，Al是鋁，而Y 是釔，并且陶瓷面層42包括陶瓷材料，如被釔穩(wěn)定的鋯、被釓穩(wěn)定的 鋯或其他陶資材料。在看到本說明書時(shí)，本領(lǐng)域的一個(gè)技術(shù)人員將會(huì)認(rèn) 識(shí)到，取決于特定應(yīng)用的需要，粘結(jié)層38的成分可以改變。
通過限制或消除難熔金屬組分從基底32擴(kuò)散，第一過渡金屬層36 阻止在粘結(jié)層38和基底32之間的反應(yīng)區(qū)的形成。第一過渡金屬層36 包括適合于阻止難熔金屬組分從基底32擴(kuò)散的過渡金屬，例如，第一 過渡金屬層36可以包括鉑，其形成粘結(jié)層38和基底32之間的擴(kuò)散屏 障。
第 一 過渡金屬層3 6還提供了用化學(xué)方法影響粘結(jié)層3 8從而減少粘 結(jié)層38內(nèi)的至少一種元素組分的化學(xué)活性(或活動(dòng))的好處。例如， 第一過渡金屬層36可以包括鉑，其影響粘結(jié)層38內(nèi)的鋁的化學(xué)活性以 使得鋁的活性較小，從而較少可能地有助于反應(yīng)區(qū)的形成。
第二過渡金屬層40阻止氧從陶瓷面層42向內(nèi)朝著粘結(jié)層38擴(kuò)散。 例如，第二過渡金屬層40在從粘結(jié)層38擴(kuò)散的鋁和擴(kuò)散穿過陶瓷面層 42的氧之間形成保護(hù)性氧化層，該保護(hù)性氧化膜進(jìn)一步減慢氧和鋁的擴(kuò) 散，從而進(jìn)一步保護(hù)基底32免受氧化和腐蝕并減少形成反應(yīng)區(qū)的可能 性。在其他實(shí)施例中，取決于抑制粘結(jié)層38的氧化的愿望或需求，熱 障涂層系統(tǒng)34可以包括或不包括第二過渡金屬層40。
制造熱障涂層系統(tǒng)34的一個(gè)實(shí)例包括用已知的沉積過程如汽相沉 積或鍍將第一過渡金屬層36沉積到基底32上，然后用陰極弧沉積過程 將粘結(jié)層38沉積到第一過渡金屬層36上，然后用已知的沉積過程如汽 相沉積或鍍將第二過渡金屬層40沉積到粘結(jié)層38上，最后，用已知的 沉積過程如物理汽相沉積(PVD)、等離子噴涂、漿液或其他沉積過程 將陶瓷面層42沉積到第二過渡金屬層40上。 』
可選地，在粘結(jié)層38的沉積之前處理第一過渡金屬層36以增強(qiáng)第 一過渡金屬層36和粘結(jié)層38之間的粘合。例如，可以離子轟擊輝光放電過程處理第一過渡金屬層36以除去表面雜質(zhì)并使第一過渡金屬層36 的表面變粗糙，從而提升第一過渡金屬層36和粘結(jié)層38的機(jī)械和化學(xué) 附著力。
另外，制造可以包括擴(kuò)散步驟，例如熱處理，以將第二過渡金屬層 40的過渡金屬擴(kuò)散到具有粘結(jié)層38的固溶體44中。
圖3表示用于在第一過渡金屬層36上形成粘結(jié)層38的示例性陰極 弧沉積過程。在該實(shí)例中，將渦輪葉片22置于沉積室50中并使其與電 源52相聯(lián)接。將用于形成粘結(jié)層38的原料54安排在沉積室50內(nèi)，并 使其與另一個(gè)電源56相聯(lián)接。例如，原料54可以預(yù)先形成為具有預(yù)定 成分的盤或其他形狀，即，在上述實(shí)例中，原料54可以包括鎳、鈷、 鐵、鉻、鋁和/或釔的成分，該成分生產(chǎn)出粘結(jié)層38的所需的成分。
激活電源56以通過足夠的能量給原料54通電，使原料56中的元 素組分汽化。然后，經(jīng)汽化的原料58凝結(jié)在一皮電源52電力地偏壓的渦 輪葉片22上以形成粘結(jié)層38。
盡管對(duì)于在渦輪葉片22上形成厚度均勻且密實(shí)的粘結(jié)層38是有效 的，但陰才及弧沉積過程通常將原料54中的至少一些凝結(jié)在沉積室50的 壁上。那些材料沒有沉積在渦輪葉片22上，因而損失了或不容易回收。 對(duì)于相對(duì)便宜的原料，該損失是無關(guān)緊要的，然而，某些材料，如鉑和 其他過渡金屬，是更加昂貴的，且該損失可能是相當(dāng)大的。代替在粘結(jié) 層38內(nèi)包含過渡金屬，采用汽相沉積或鍍將過渡金屬層36和40的過 渡金屬沉積為單獨(dú)的層提供了抑制過渡金屬的消耗和損失的能力，從而 減少了熱障涂層系統(tǒng)34的花費(fèi)。
盡管在所述的實(shí)施例中示出了各特征的組合，但不需要將它們?nèi)?結(jié)合來實(shí)現(xiàn)本公開的不同實(shí)施例的好處，換句話說，根據(jù)本公開的實(shí)施 例設(shè)計(jì)的系統(tǒng)不必包括在任一個(gè)圖中示出的所有特征或在圖中示意性 地示出的所有部分。此外， 一個(gè)示例性實(shí)施例的所選特征可以與其4也示 例性實(shí)施例的所選特征相結(jié)合。
前述的說明實(shí)際上是示例性的而非限制性的。對(duì)于不必背離本發(fā)明 的本質(zhì)的本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，對(duì)所披露的實(shí)例的改變和變化可以變得 顯而易見。給予本公開的合法保護(hù)范圍僅僅能由下面權(quán)利要求的容來 確定。
權(quán)利要求
1. 一種熱障涂層系統(tǒng)，它包括基底；設(shè)置在所述基底上的第一過渡金屬層；設(shè)置在所述第一過渡金屬層上的粘結(jié)層；和設(shè)置在所述粘結(jié)層上的第二過渡金屬層。
2. 如權(quán)利要求1所述的熱障涂層系統(tǒng)，其特征在于，所述第一過渡 金屬層和所述第二過渡金屬層包括相同的過渡金屬。
3. 如權(quán)利要求1所述的熱障涂層系統(tǒng)，其特征在于，所述第一過渡 金屬層和所述第二過渡金屬層包括鉑。
4. 如權(quán)利要求1所述的熱障涂層系統(tǒng)，其特征在于，所述第二過渡 金屬層至少部分地處于具有所述粘結(jié)層的固溶體中。
5. 如權(quán)利要求1所述的熱障涂層系統(tǒng)，其特征在于，所述基底包括 鎳超級(jí)合金，所述鎳超級(jí)合金包括錸和釕中的至少一種。
6. 如權(quán)利要求1所述的熱障涂層系統(tǒng)，其特征在于，所述粘結(jié)層包 括MCrAlY材料，其中M包括鎳、鈷、鐵或其組合中的至少一種，Cr 是鉻，Al是鋁，而Y是釔。
7. 如權(quán)利要求1所述的熱障涂層系統(tǒng)，其特征在于，其還包括設(shè)置 在所述第二過渡金屬層上的陶瓷面層。
8. 如權(quán)利要求7所述的熱障涂層系統(tǒng)，其特征在于，所述第一過渡 金屬層與所述基底和所述粘結(jié)層直接接觸，所述粘結(jié)層與所述第二過渡金屬層直接接觸，而所述第二過渡金屬層與所述陶瓷面層直接接觸。
9. 如權(quán)利要求1所述的熱障涂層系統(tǒng)，其特征在于，所述基底包括 燃?xì)廨啺l(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪部分的渦輪元件。
10. —種熱障涂層系統(tǒng)，它包括鎳合金基底，所述鎳合金基底在其中包括至少一種難熔金屬組分； 設(shè)置在所述鎳合金基底上的粘結(jié)層；和在所述鎳合金基底和所述粘結(jié)層之間的擴(kuò)散阻擋層，所述擴(kuò)散阻擋 層包括阻止所述至少一種難熔金屬組分?jǐn)U散到所述粘結(jié)層中的過渡金屬。
11. 如權(quán)利要求10所述的熱障涂層系統(tǒng)，其特征在于，所述過渡金 屬包括影響所述鎳合金基底中的鋁的化學(xué)活性的化學(xué)特性。
12. 如權(quán)利要求10所述的熱障涂層系統(tǒng)，其特征在于，所述過渡金 屬包括鉑。
13. 如權(quán)利要求IO所述的熱障涂層系統(tǒng)，其特征在于，其還包括設(shè)置在所述粘結(jié)層上的陶資面層。
14. 如權(quán)利要求13所述的熱障涂層系統(tǒng)，其特征在于，其還包括另 一個(gè)擴(kuò)散阻擋層，所述另一個(gè)擴(kuò)散阻擋層包括在所述粘結(jié)層和所述陶瓷 面層之間的過渡金屬。
15. 如權(quán)利要求14所述的熱障涂層系統(tǒng)，其特征在于，所述過渡金 屬包括鉬。
16. 如權(quán)利要求14所述的熱障涂層系統(tǒng)，其特征在于，所述粘結(jié)層 包括MCrAlY材料，其中M包括鎳、鈷、鐵或其組合中的至少一種， Cr是4各，Al是鋁，而Y是釔。
17. —種制造熱障涂層系統(tǒng)的方法，它包括下列步驟(a) 在基底上形成第一過渡金屬層；(b) 在所述第一過渡金屬層上形成粘結(jié)層；(c) 在所述粘結(jié)層上形成第二過渡金屬層；和(d) 在所述第二過渡金屬層上形成陶瓷面層。
18. 如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述步驟(b)包括 使所述粘結(jié)層組分汽化，并電力地偏壓所述基底和第一過渡金屬層以優(yōu) 先地將經(jīng)汽化的粘結(jié)層組分凝結(jié)在所述第 一過渡金屬層上，從而形成所 述粘結(jié)層。
19. 如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述粘結(jié)層包括 MCrAlY材料，其中M包括鎳、鈷、鐵或其組合中的至少一種。
20. 如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，其還包括將所述第二 過渡金屬層擴(kuò)散到具有所述粘結(jié)層的固溶體中。
21. 如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述步驟(a)和所 述步驟(c)包括下列中的至少一個(gè)將所述第一或第二過渡金屬層汽 相沉積在所述基底上，和將所述第一或第二過渡金屬層鍍?cè)谒龌?上。
22. 如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述步驟(b)包括 將所述粘結(jié)層陰極弧沉積在所述第一過渡金屬層上。
全文摘要
本發(fā)明涉及多層的熱障涂層。本發(fā)明提出一種熱障涂層系統(tǒng)，該包括基底、在基底上的第一過渡金屬層、在第一過渡金屬層上的粘結(jié)層、可選的在粘結(jié)層上的第二過渡金屬層和可選的在第二過渡金屬層上的陶瓷面層。其中，第一過渡金屬層和第二過渡金屬層包括鉑，以阻止粘結(jié)層和基底之間的反應(yīng)并減慢粘結(jié)層的氧化。
文檔編號(hào)B32B18/00GK101298199SQ2008100949
公開日2008年11月5日 申請(qǐng)日期2008年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月30日
發(fā)明者B·S·特賴安, M·J·馬洛尼 申請(qǐng)人:聯(lián)合工藝公司