熱屏蔽涂層系統(tǒng)以及制造和利用熱屏蔽涂層的方法
【專利說明】
【背景技術(shù)】
[0001]本發(fā)明涉及用于高溫應(yīng)用，例如燃?xì)鉁u輪組件的熱屏蔽涂層和熱屏蔽涂層系統(tǒng)。
[0002]現(xiàn)代燃?xì)鉁u輪的設(shè)計(jì)受到更高的渦輪效率要求的驅(qū)動(dòng)。可通過在更高溫度下操作渦輪提高渦輪效率是被廣泛認(rèn)可的。通常各種技術(shù)用于將粘合涂層和熱屏蔽涂層應(yīng)用于渦輪的翼型和內(nèi)燃機(jī)構(gòu)件上，例如過渡段和燃燒襯套，從而確保在這些較高溫度下令人滿意的壽命范圍。
[0003]通常熱屏蔽涂層配置為用于在不脫離構(gòu)件的條件下承受底層構(gòu)件中的應(yīng)變。熱屏蔽涂層通常由陶瓷材料制成，其具有比其底層金屬構(gòu)件相對(duì)較低的內(nèi)在延展性；因此，通常將各種顯微結(jié)構(gòu)化特征并入到熱屏蔽涂層中，以便為熱屏蔽涂層提供改善的應(yīng)變公差。例如，通過等離子體噴涂工藝沉積出來的熱屏蔽涂層通常包含顯著的孔隙率、垂直的細(xì)微裂紋或這兩者，作為增強(qiáng)熱屏蔽涂層承受應(yīng)變的性能的方法。作為示例，通過蒸氣工藝，例如物理氣相沉積(PVD)沉積出來的熱屏蔽涂層通常是在鼓勵(lì)離散的緊密裝填的柱狀晶粒的成核和生長(zhǎng)的條件下制成的，其提供了具有相對(duì)較高程度的應(yīng)變公差的適應(yīng)性顯微結(jié)構(gòu)。
[0004]雖然同等離子體噴涂工藝相比，PVD工藝在相對(duì)較小的構(gòu)件上提供了具有合適的應(yīng)變公差的涂層。然而，同等離子體噴涂工藝相比，PVD工藝需要昂貴的裝備，包括真空室和支撐設(shè)備。另一方面，常規(guī)的熱噴涂工藝傾向于產(chǎn)生具有比PVD工藝更低應(yīng)變公差和基質(zhì)附著力的涂層，并且通常需要輔助的表面制備工藝，例如噴砂處理和粗糙粘合涂層的沉積，以便提供對(duì)底層構(gòu)件足夠的附著力。
[0005]粘合涂層通常用于促進(jìn)熱屏蔽涂層對(duì)底層構(gòu)件的附著力，并在構(gòu)件高溫曝光期間抑制底層構(gòu)件的氧化。具有氧化鋁涂層的粘合涂層通常在熱屏蔽涂層系統(tǒng)中用于為基質(zhì)提供抗氧化能力，并增強(qiáng)熱屏蔽涂層的附著力。為了具有足夠的附著力，等離子體噴涂的熱屏蔽涂層通常沉積在具有粗糙表面的粘合涂層上，例如重疊的MCrAH粘合涂層。相對(duì)較光滑的粘合涂層，例如通過氣相鋁化(VPA)形成的粘合涂層時(shí)常不被認(rèn)為是適合于通過等離子體噴涂方法沉積熱屏蔽涂層的候選項(xiàng)。
[0006]因此，需要熱屏蔽涂層呈現(xiàn)高的應(yīng)變公差、高的附著力并減少對(duì)表面制備工藝的需求，其可通過相對(duì)較廉價(jià)且可規(guī)模化的工藝，例如等離子體噴涂工藝來應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]在一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種涂層，其包括第一表面和第二表面。涂層包括多個(gè)生長(zhǎng)域，其中多個(gè)生長(zhǎng)域中的至少一個(gè)生長(zhǎng)域的定向相對(duì)于第一表面涂層是非垂直的。多個(gè)生長(zhǎng)域的一個(gè)或多個(gè)生長(zhǎng)域包括多個(gè)至少部分熔化和固化的顆粒。
[0008]在另一實(shí)施例中，可提供一種熱屏蔽涂層系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括基質(zhì)、粘合涂層和涂層，基質(zhì)包括第一表面和第二表面，粘合涂層設(shè)置在基質(zhì)第一表面的至少一部分上，并且涂層設(shè)置在粘合涂層的至少一部分上，其中涂層包括多個(gè)生長(zhǎng)域，其中多個(gè)生長(zhǎng)域中的至少一個(gè)生長(zhǎng)域的定向相對(duì)于在粘合涂層和涂層之間的界面是非垂直的。多個(gè)生長(zhǎng)域的一個(gè)或多個(gè)生長(zhǎng)域包括多個(gè)至少部分熔化和固化的顆粒。
[0009]在又一實(shí)施例中，提供了一種用于對(duì)表面進(jìn)行涂層的方法。該方法包括提供懸浮液，其包括懸浮在液體介質(zhì)中進(jìn)料材料，并以相對(duì)表面切線小于大約75度的噴涂角度對(duì)表面進(jìn)行噴涂。
【附圖說明】
[0010]當(dāng)參照附圖閱讀以下詳細(xì)說明時(shí)，將更好地理解本發(fā)明的這些以及其它特征、方面和優(yōu)勢(shì)，其中在所有附圖中相似的標(biāo)號(hào)表示相似的部件，其中:
圖1是根據(jù)本技術(shù)實(shí)施例的示例性的熱屏蔽涂層系統(tǒng)的橫截面圖，其具有包括平坦表面的構(gòu)件；
圖2是根據(jù)本技術(shù)實(shí)施例的示例性的熱屏蔽涂層系統(tǒng)的橫截面圖，其具有包括非平坦表面的構(gòu)件；
圖3-5是根據(jù)本技術(shù)實(shí)施例的熱屏蔽涂層系統(tǒng)的部分的顯微照片，其具有以三個(gè)不同的噴涂角度沉積出來的熱屏蔽涂層；
圖6是方法的流程圖，其用于制造根據(jù)本技術(shù)實(shí)施例的熱屏蔽涂層系統(tǒng)；且圖7-10是利用進(jìn)料生產(chǎn)的涂層的顯微照片，其具有由YSZ粉末組成的懸浮液，YSZ粉末具有大約I微米的d5(1。
【具體實(shí)施方式】
[0011]這里公開的實(shí)施例總地涉及熱屏蔽涂層系統(tǒng)。在某些實(shí)施例中，熱屏蔽涂層系統(tǒng)可包括設(shè)置在粘合涂層上的熱屏蔽涂層。在這些實(shí)施例中，熱屏蔽涂層可具有顯微結(jié)構(gòu)，其配置為用于增強(qiáng)附著力和應(yīng)變公差。在一個(gè)實(shí)施例中，增強(qiáng)的熱屏蔽涂層的附著力和應(yīng)變公差的值可接近利用昂貴的等離子體氣相沉積方法所沉積的涂層，例如，但不局限于電子束等離子體氣相沉積方法。在某些實(shí)施例中，熱屏蔽涂層可利用比較低廉的懸浮液或前體等離子體噴涂技術(shù)或其組合而進(jìn)行沉積。
[0012]應(yīng)該懂得，在燃?xì)鉁u輪應(yīng)用中可通過利用較高的操作溫度來實(shí)現(xiàn)較高的系統(tǒng)效率。然而，隨著操作溫度增加，需要增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件的高溫耐用性。
[0013]此外，為了有效，需要熱屏蔽涂層系統(tǒng)中的熱屏蔽涂層配置為可呈現(xiàn)低的熱導(dǎo)率、對(duì)基質(zhì)(即發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件)的強(qiáng)的附著力、以及遍及許多加熱和冷卻循環(huán)的持續(xù)的附著力。然而，在熱屏蔽涂層系統(tǒng)的材料之間的熱膨脹系數(shù)的差異帶來額外的挑戰(zhàn)。例如，同底層金屬粘合涂層和基質(zhì)(例如超合金基質(zhì))相比，熱屏蔽涂層的材料可能具有相當(dāng)?shù)偷臒崤蛎浵禂?shù)，從而在熱循環(huán)期間帶來了熱屏蔽涂層的脫層風(fēng)險(xiǎn)。
[0014]在某些實(shí)施例中，熱屏蔽涂層促進(jìn)了發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件的高溫耐用性，同時(shí)保護(hù)構(gòu)件免于侵蝕、熱腐蝕等等。在這些實(shí)施例中的某些中，熱屏蔽涂層還用于減少對(duì)底層基質(zhì)，例如但不局限于發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件的熱傳遞。
[0015]除了熱屏蔽涂層之外，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件時(shí)常采用粘合涂層來提供抗高溫氧化的保護(hù)。在某些實(shí)施例中，粘合涂層可包括擴(kuò)散粘合涂層。在某些其它實(shí)施例中，粘合涂層可包括重疊粘合涂層。在某些實(shí)施例中，擴(kuò)散粘合涂層或重疊粘合涂層中的鋁濃度可能在大約5%至大約50%的重量百分比范圍內(nèi)。
[0016]在某些實(shí)施例中，擴(kuò)散粘合涂層可包括鋁基金屬間化合物，例如但不局限于鋁化鎳。擴(kuò)散粘合涂層的非限制性的示例可包括通過蒸氣或填料擴(kuò)散方法而應(yīng)用的鋁化鉑鎳或簡(jiǎn)單的鋁化鎳。在一個(gè)實(shí)施例中，基于鋁化物的粘合涂層可利用基于擴(kuò)散的工藝而設(shè)置在基質(zhì)上。非限制性的基于擴(kuò)散的工藝示例可包括填料滲碳、氣相鋁金屬化(VPA)或化學(xué)氣相沉積(CVD)。在某些實(shí)施例中，擴(kuò)散工藝可能導(dǎo)致包括兩個(gè)不同區(qū)域的粘合涂層，外部區(qū)域和擴(kuò)散區(qū)域；外部區(qū)域包含抗氧化相態(tài)(例如β-NiAl)，并且擴(kuò)散區(qū)域包括抗氧化相態(tài)和次級(jí)相態(tài)(例如?'、Y、碳化物和σ)。在一個(gè)示例中，基于鋁化物的粘合涂層可利用氣相鋁金屬化(VPA)進(jìn)行沉積。在一個(gè)實(shí)施例中，擴(kuò)散粘合涂層可利用鉑或鉑系金屬進(jìn)行改進(jìn)。在這個(gè)實(shí)施例中，鋁化物的相態(tài)可包括γ-Ni+y丨-Ni3Al合金成分。在某些實(shí)施例中，擴(kuò)散的鋁化物可利用商業(yè)上可得到的鋁化工藝來應(yīng)用。在某些這些實(shí)施例中，鋁可在基質(zhì)表面上起反應(yīng)，從而形成鋁金屬間化合物，其提供了用于形成氧化鋁抗氧化夾層的儲(chǔ)槽。鋁化物粘合涂層可包括鋁金屬互化物相態(tài)(例如NiAl、CoAl和(Ni/Co)Al相態(tài))，其是通過使銷蒸氣或富含銷的合金粉末與超合金構(gòu)件的外表面層中的基質(zhì)元素起反應(yīng)而成形的。粘合涂層通常很好地粘合到基質(zhì)上。鋁金屬化可通過各種技術(shù)來完成，例如但不局限于填料滲碳工藝、噴涂、化學(xué)氣相沉積、電泳、濺射和利用富含鋁的蒸氣進(jìn)行的漿體燒結(jié)以及合適的擴(kuò)散熱處理。
[0017]在某些實(shí)施例中，重疊粘合涂層可用于對(duì)底層基質(zhì)，例如渦輪構(gòu)件提供防高溫氧化和腐蝕的保護(hù)。重疊粘合涂層可包括MCrAH類型，其中M可代表鎳、鈷、鐵或其組合。不同數(shù)量的其它元素的添加可用于增強(qiáng)粘合涂層的性能，例如鈦、鋯、鉿、硅、鉭、鎢、鈮、錸或其組合。有利的是，重疊粘合涂層可能不會(huì)受到底層基質(zhì)的成分的顯著影響。在一個(gè)示例中，重疊粘合涂層可通過許多不同的沉積方法來應(yīng)用，例如但不局限于熱噴涂、濺射、電子束物理蒸氣沉積(EBPVD)、陰極電弧沉積、電鍍沉積或其組合。