專利名稱：高強度鎳－鉑－鋁－鉿粘結層的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于渦輪發(fā)動機部件的高強度鎳-鉑-鋁-鉿粘結層，以及形成該粘結層的方法。
背景技術：
渦輪發(fā)動機部件由于暴露于高溫氣體下而承受高溫。這種暴露可導致在這些部件中產(chǎn)生有害的缺陷。為了保護部件，將粘結層和/或陶瓷外層施加至渦輪發(fā)動機部件的表面。
盡管有這樣的涂層存在，但是仍希望有涂層來改善部件的抗氧化性。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于渦輪發(fā)動機部件的改進涂層系統(tǒng)，以及形成該涂層的方法。
按照本發(fā)明，提供了一種用于在基底上形成涂層的方法。該方法開放地包括步驟提供基底；將鉑層沉積到該基底的表面上；將鎳-鋁-鉿(Ni-Al-Hf)層沉積到該鉑層上；對該基底以及該沉積層進行熱處理，以形成鎳-鉑-鋁-鉿(Ni-Pt-Al-Hf)粘結層。
按照本發(fā)明，提供了另一種用于在基底上形成涂層的方法。該方法開放地包括步驟提供基底；將鎳-鋁-鉿層沉積到該基底的表面上；將鉑層沉積到該鎳-鋁-鉿層上；對該基底以及該沉積層進行熱處理，以形成鎳-鉑-鋁-鉿粘結層。
按照本發(fā)明，提供了一種渦輪發(fā)動機部件，其開放地包括由鎳基超級合金形成的基底、施加至該基底的表面上的鎳-鉑-鋁-鉿粘結層。
在下文的說明書和附圖中將闡明本發(fā)明的高強度鎳-鉑-鋁-鉿粘結層的其它細節(jié)和其它目的以及其所具有的優(yōu)點，在附圖中，相同的參考標號表示相同元件。


圖1是按照本發(fā)明的第一涂層系統(tǒng)的示意性表示。
圖2是按照本發(fā)明的第二涂層系統(tǒng)的示意性表示。
具體實施例方式
如所討論的，本發(fā)明的目的在于一種可施加至渦輪發(fā)動機部件上的改進涂層系統(tǒng)，這些渦輪發(fā)動機部件諸如是導葉、葉片和密封件，它們暴露于高溫氣體下。該涂層系統(tǒng)包括薄的粘結層，該薄粘結層為形成渦輪發(fā)動機部件的鎳基超級合金提供抗氧化保護。該粘結層是一種高強度的鎳-鉑-鋁-鉿涂層。添加至該粘結層的鉑改善了在渦輪發(fā)動機部件的使用過程中所形成的氧化鋁銹的粘附性。
圖1示出了用于形成本發(fā)明涂層系統(tǒng)的第一次序。如圖所示，鎳基合金基底10具有表面12，鉑層14沉積到該表面12上，優(yōu)選使用電鍍技術來進行沉積。僅是出于說明的目的，一種有用的電鍍槽可裝有含量范圍在17～26克/升的鉑。電流密度可以在20～30安培/平方英尺的范圍內(nèi)。電鍍時間將由所要求的厚度來確定。該電鍍槽的溫度可以升至200華氏度。電鍍鉑層的厚度可在大約0.01～1.0密耳(mil)的范圍內(nèi)。僅僅是出于說明的目的而給出了這些電鍍參數(shù)，也可以使用其它電鍍參數(shù)。也可采用并非電鍍的其它技術來沉積該鉑層，諸如包括但不限于濺射和其它沉積技術。
之后，將鎳-鋁-鉿材料層16沉積到該鉑層上。優(yōu)選地，采用陰極電弧沉積工藝來沉積該鎳-鋁-鉿材料。通過陰極電弧等離子體蒸氣沉積來施加本發(fā)明涂層的技術在美國專利No.5972185、No.5932078、No.6036828、No.5792267和No.6224726中有討論，這些專利在此處引入作為參考。也可以使用其它的沉積方法，包括其它的等離子體氣相沉積技術，諸如磁控管濺射和電子束等離子體氣相沉積。當不關心厚度時，可以利用各種熱噴涂技術，諸如低壓等離子體噴涂技術和HVOF(高速火焰噴涂)技術。所沉積的鎳-鋁-鉿材料的組分可包括大約5.5～15.0重量百分比、優(yōu)選大約5.5～13.5重量百分比的鋁，大約0.001～5.0重量百分比、優(yōu)選大約0.001～0.4重量百分比的鉿，以及平衡量的鎳。
在沉積了該鎳-鋁-鉿材料后，該基底10與該沉積層14和16一起承受擴散熱處理。該擴散熱處理在大約1200～2100華氏度范圍的溫度下進行大約2.0～15小時。該擴散處理優(yōu)選是在惰性氣體氣氛(諸如氬氣氣氛)中進行。經(jīng)充分熱處理的鎳-鉑-鋁-鉿粘結層的厚度在大約1.0～5.0密耳的范圍內(nèi)，其組分包括大約5.0～70重量百分比、優(yōu)選大約10～60重量百分比的鉑，5.5～15重量百分比、優(yōu)選5.5～13.5重量百分比的鋁，0.001～5.0重量百分比、優(yōu)選0.0 01～0.4重量百分比的鉿，以及平衡量的鎳。
一旦形成了該粘結層，就可以使用本領域中已知的任何適當陶瓷組合物施加一陶瓷外層20。用于該陶瓷外層的一種優(yōu)選組合物是氧化釔穩(wěn)定氧化鋯，諸如7.0重量百分比的氧化釔穩(wěn)定氧化鋯。其它優(yōu)選的組合物包括氧化鋯基焦綠石、5～60摩爾百分比的氧化釓穩(wěn)定氧化鋯、以及用各種三氧化二鑭系元素穩(wěn)定的氧化鋯及其混合物，如美國專利No.6730422中所述，該專利在此引入作為參考。該陶瓷外層20的厚度可在大約1.0～50密耳的范圍內(nèi)，優(yōu)選在3.0～15密耳的范圍內(nèi)。
可以使用本領域中已知的任何適當沉積技術來施加該陶瓷外層20。一種優(yōu)選的沉積技術是電子束物理氣相沉積(EB-PVD)。將陶瓷涂層施加至帶粘結層的基底上的優(yōu)選條件是基底溫度處于1700～2200華氏度的范圍內(nèi)，并且腔室壓力處于0.1～1.0毫托。原料進料速度為0.2～1.5英寸/小時，沉積時間為20～120分鐘。其它適當?shù)某练e技術包括熱噴涂、化學氣相沉積和其它物理氣相沉積技術，包括但不限于陰極電弧沉積、濺射和熱蒸發(fā)。本領域的技術人員認為合適的時候，可在所有這些沉積技術中選擇使用惰性氣氛或活性氣氛。
當采用氣相沉積技術來制造時，該陶瓷外層20的特征在于成柱狀晶粒的微結構，并且這些柱狀晶粒或柱狀體定向成基本上垂直于該表面12。該柱狀晶粒或柱狀體從該粘結層或者從氧化鋁銹層18向外延伸，該氧化鋁銹層18是在沉積該陶瓷層20之前或期間有意形成在該粘結層之上的。此外，氣相沉積技術采用了一些手段來提高蒸氣物質(zhì)在基底表面上的移動性，這些手段諸如是基底偏壓或高能離子撞擊，這產(chǎn)生密集的等軸陶瓷涂層。或者也可選擇，通過在基底上沉積液滴而形成的熱噴涂涂層具有一種多孔微結構，該多孔微結構由隨機堆疊起來的凝固液板構成。這些液板通常具有微裂紋并且通常在它們之間形成孔，從而形成一種耐應變的微結構現(xiàn)在參見圖2，其示出了用于形成本發(fā)明的涂層系統(tǒng)的另一種次序。在該方法中，該粘結層的形成是先將該鎳-鋁-鉿層16沉積到該基底的表面12上，然后將該鉑層14沉積在該鎳-鋁-鉿層16上。該鎳-鋁-鉿層可以具有與上文所述相同的組分，并且可以采用上述技術來進行沉積。該鉑層14可具有與上文所述相同的組分范圍，并且可以采用上述的電鍍技術來沉積。在鉑沉積步驟之后，采用與上文所述相同的參數(shù)來進行該擴散熱處理步驟。優(yōu)選的粘結層厚度與先前方法中所述的厚度相同。該陶瓷外層20可以如上文所述那樣進行沉積。
按照本發(fā)明進行涂覆的若干樣品已經(jīng)在超過2000華氏度的溫度下在燃燒器中經(jīng)受住了超過1000小時的循環(huán)氧化。
權利要求
1.一種用于在基底上形成涂層的方法，包括步驟提供基底；將鉑層沉積到所述基底的表面上；將鎳-鋁-鉿層沉積到所述鉑層上；和對所述基底以及所述沉積層進行熱處理，以形成鎳-鉑-鋁-鉿粘結層。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述基底提供步驟包括提供由鎳基合金形成的基底；并且，所述鉑層沉積步驟包括將所述鉑層電鍍在所述基底表面上。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述鉑沉積步驟包括沉積厚度在大約0.01～1.0密耳范圍內(nèi)的鉑層。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述熱處理步驟包括形成所述粘結層，鉑的含量是大約5.0～70重量百分比。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述熱處理步驟包括形成所述粘結層，鉑的含量是大約10～60重量百分比。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述鎳-鋁-鉿沉積步驟包括采用陰極電弧沉積工藝來沉積所述鎳-鋁-鉿涂層。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述鎳-鋁-鉿沉積步驟包括沉積鎳-鋁-鉿材料，該鎳-鋁-鉿材料包括大約5.0～15重量百分比的鋁、大約0.001～5.0重量百分比的鉿、以及平衡量的鎳。
8.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述鎳-鋁-鉿沉積步驟包括沉積鎳-鋁-鉿材料，該鎳-鋁-鉿材料包括大約5.5～13.5重量百分比的鋁、大約0.001～0.4重量百分比的鉿、以及平衡量的鎳。
9.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述熱處理步驟包括在大約1200～2100華氏度范圍內(nèi)的溫度下對所述基底和所述沉積層加熱大約2.0～15小時，以形成所述粘結層。
10.根據(jù)權利要求1所述的方法，還包括在所述粘結層上施加陶瓷外層，該陶瓷外層的厚度在大約1.0～50密耳的范圍內(nèi)。
11.根據(jù)權利要求10所述的方法，其中，所述陶瓷外層施加步驟包括施加厚度在大約3.0～15密耳范圍內(nèi)的陶瓷外層。
12.根據(jù)權利要求10所述的方法，其中，所述陶瓷外層施加步驟包括施加氧化釔穩(wěn)定氧化鋯的外層。
13.根據(jù)權利要求10所述的方法，其中，所述陶瓷外層施加步驟包括施加氧化鋯基焦綠石的外層。
14.根據(jù)權利要求10所述的方法，其中，所述陶瓷外層施加步驟包括施加5～60摩爾百分比的氧化釓穩(wěn)定氧化鋯的外層。
15.根據(jù)權利要求10所述的方法，其中，所述陶瓷外層施加步驟包括采用電子束物理氣相沉積技術來施加所述外層，并由此形成具有柱狀晶粒微結構的所述外層，其中，柱狀晶粒定向成基本上垂直于所述基底表面，并且從該粘結層向外延伸。
16.一種用于在基底上形成涂層的方法，包括步驟提供基底；將鎳-鋁-鉿層沉積到所述基底的表面上；將鉑層沉積到所述鎳-鋁-鉿層上；和對所述基底以及所述沉積層進行熱處理，以形成鎳-鉑-鋁-鉿粘結層。
17.根據(jù)權利要求16所述的方法，其中，所述基底提供步驟包括提供由鎳基合金形成的基底；并且，所述鉑層沉積步驟包括將所述鉑層電鍍在所述基底表面上。
18.根據(jù)權利要求16所述的方法，其中，所述鉑沉積步驟包括沉積厚度在大約0.01～1.0密耳范圍內(nèi)的鉑層。
19.根據(jù)權利要求16所述的方法，其中，所述熱處理步驟包括形成所述粘結層，鉑的含量是大約5.0～70重量百分比。
20.根據(jù)權利要求16所述的方法，其中，所述熱處理步驟包括形成所述粘結層，鉑的含量是大約10～60重量百分比。
21.根據(jù)權利要求16所述的方法，其中，所述鎳-鋁-鉿沉積步驟包括采用陰極電弧沉積工藝來沉積所述鎳-鋁-鉿涂層。
22.根據(jù)權利要求16所述的方法，其中，所述鎳-鋁-鉿沉積步驟包括沉積鎳-鋁-鉿材料，該鎳-鋁-鉿材料包括大約5.0～15重量百分比的鋁、大約0.001～5.0重量百分比的鉿、以及平衡量的鎳。
23.根據(jù)權利要求16所述的方法，其中，所述鎳-鋁-鉿沉積步驟包括沉積鎳-鋁-鉿材料，該鎳-鋁-鉿材料包括大約5.5～13.5重量百分比的鋁、大約0.001～0.4重量百分比的鉿、以及平衡量的鎳。
24.根據(jù)權利要求16所述的方法，其中，所述熱處理步驟包括在大約1200～大約2100華氏度范圍內(nèi)的溫度下對所述基底和所述沉積層加熱大約2.0～15小時，以形成所述粘結層。
25.根據(jù)權利要求16所述的方法，還包括在所述粘結層上施加陶瓷外層，該陶瓷外層的厚度在大約3.0～12密耳的范圍內(nèi)。
26.根據(jù)權利要求25所述的方法，其中，所述陶瓷外層施加步驟包括施加氧化釔穩(wěn)定氧化鋯的外層。
27.根據(jù)權利要求25所述的方法，其中，所述陶瓷外層施加步驟包括施加氧化鋯基焦綠石的外層。
28.根據(jù)權利要求25所述的方法，其中，所述陶瓷外層施加步驟包括施加5～60摩爾百分比的氧化釓穩(wěn)定氧化鋯的外層。
29.根據(jù)權利要求25所述的方法，其中，所述陶瓷外層施加步驟包括采用電子束物理氣相沉積技術來施加所述外層，并由此形成具有柱狀晶粒微結構的所述外層，其中，柱狀晶粒定向成基本上垂直于所述基底表面，并且從該粘結層向外延伸。
30.一種渦輪發(fā)動機部件，包括由鎳基超級合金形成的基底；和施加至所述基底的表面上的鎳-鉑-鋁-鉿粘結層。
31.根據(jù)權利要求30所述的渦輪發(fā)動機部件，其中，所述粘結層的厚度在1.0～5.0密耳范圍內(nèi)。
32.根據(jù)權利要求30所述的渦輪發(fā)動機部件，其中，所述粘接層的組分包括大約5.0～70重量百分比的鉑、大約5.0～15重量百分比的鋁、大約0.001～5.0重量百分比的鉿、以及平衡量的鎳。
33.根據(jù)權利要求32所述的渦輪發(fā)動機部件，其中，所述鉑的含量為大約10～60重量百分比，所述鋁的含量為大約5.5～13.5重量百分比，所述鉿的含量為0.001～0.4重量百分比。
34.根據(jù)權利要求30所述的渦輪發(fā)動機部件，還包括陶瓷外層以及位于所述陶瓷外層與所述粘結層之間的氧化鋁銹層，由此，所述粘結層改善了所述氧化鋁銹的粘附性。
35.根據(jù)權利要求34所述的渦輪發(fā)動機部件，其中，所述陶瓷外層包括氧化釔穩(wěn)定氧化鋯。
36.根據(jù)權利要求34所述的渦輪發(fā)動機部件，其中，所述陶瓷外層包括氧化鋯基焦綠石外層。
37.根據(jù)權利要求34所述的渦輪發(fā)動機部件，其中，所述陶瓷外層包括5～60摩爾百分比的氧化釓穩(wěn)定氧化鋯的外層。
38.根據(jù)權利要求34所述的渦輪發(fā)動機部件，其中，所述陶瓷外層的厚度在1.0～50密耳的范圍內(nèi)。
39.根據(jù)權利要求38所述的渦輪發(fā)動機部件，其中，所述厚度在3.0～15密耳的范圍內(nèi)。
40.根據(jù)權利要求34所述的渦輪發(fā)動機部件，其中，所述陶瓷外層具有柱狀晶粒微結構的所述外層，其中，柱狀晶粒定向成基本上垂直于所述基底的表面，并且從該粘結層和鋁銹層向外延伸。
全文摘要
一種渦輪發(fā)動機部件具有由鎳基超級合金形成的基底以及施加至該基底的表面上的鎳－鉑－鋁－鉿粘結層。這里描述了兩種用于形成該鉑改性鎳－鉑－鋁－鉿粘結層的方法。
文檔編號F02B77/04GK1986891SQ20061017000
公開日2007年6月27日 申請日期2006年12月20日 優(yōu)先權日2005年12月21日
發(fā)明者A·卡敘爾 申請人:聯(lián)合工藝公司