專利名稱：帶有保護(hù)性涂層體系的高溫合金元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種表面涂有各種保護(hù)性涂層的高溫合金元件。
Stecura等人的美國專利4,055,705；Ulion等人的美國專利4,321,310；和Strangman的美國專利4,321,311公開了由鎳基或鈷基高溫合金制造的氣體渦輪機(jī)元件用的一些涂層體系。所述的一種涂層包括一種由陶瓷制得的熱障層，特別是該層具有柱狀顆粒結(jié)構(gòu)，它位于粘合層或粘合涂層之上，而此粘合層緊靠基體，并將熱障層粘合到基體上。粘合層是從MCrAlY型合金制備，該合金又稱之為在含有至少一種鐵、鈷和鎳的基質(zhì)中包含鉻、鋁和稀土金屬(如釔)的合金。其它元素也可以在MCrAlY合金中存在，以下有舉例說明。此粘合層的重要特點(diǎn)是在MCrAlY合金上形成一個(gè)薄層，并用于粘接熱障層。這層可以是氧化鋁或是混合有氧化鉻的氧化鋁，這取決于此MCrAlY合金的組成和形成該層的氧化環(huán)境溫度。最后可通過單獨(dú)的涂覆方法如PVD法有目的地涂敷一氧化鋁層。
Duder Stadt等人的美國專利5,238,752公開一種用于氣體渦輪機(jī)元件的涂層體系，該體系也包括一陶瓷熱障層和一將熱障層粘接到基體上的粘合層或粘合涂層。此粘合層由鋁金屬互化物、尤其是鎳鋁化物或鉑鋁化物制得。此粘合層還有一用來粘接熱障層的氧化鋁薄層。
Ulion等人的美國專利5,262,245記載了由于取消熱障層下方的粘合層而使氣體渦輪機(jī)元件上熱障層的涂層體系得以簡化的研究結(jié)果。為此，公開了一種用于高溫合金的組合物，可用此組合物形成氣體渦輪機(jī)元件的基體，并經(jīng)過適當(dāng)處理在其外表面上產(chǎn)生氧化鋁層。此氧化鋁層用來將陶瓷熱障層直接結(jié)合在基體上，在基體和熱障層之間無需特殊粘合層。按其最寬范圍來講，此高溫合金基本構(gòu)成為(以重量百分比表示)3～12Cr，3～10W，6～12Ta，4～7Al，0～15Co，0～3Mo，0～15Re，0～0.0020B，0～0.045C，0～0.8Hf，0～2Nb，0～1V，0～0.01Zr，0～0.07Ti，0～10的貴金屬，0～0.1包括Sc和Y的稀土金屬，余量為Ni。
Giggins，Jr，等人的美國專利5,087,477給出了一種通過物理氣相沉積法在氣體渦輪機(jī)元件上設(shè)置一陶瓷熱障層的方法，包括用電子束蒸發(fā)形成熱障層的化合物，并在此元件處建立帶有可調(diào)節(jié)氧量的氣氛以接收熱障層。
Czech等人的美國專利5,154,885；5,268,238；5,273,712；和5,401,307記載了用于氣體渦輪機(jī)元件的高溫涂層體系，包括MCrAlY合金的保護(hù)涂層。所公開的MCrAlY合金具有精確平衡組成，可以顯示出優(yōu)異的耐腐蝕性和抗氧化性以及其與基底的高溫合金之間有優(yōu)異的相容性。MCrAlY合金的主要成分是鎳和/或鈷。加入的其它元素，尤其是硅和錸也在上述文獻(xiàn)上作了討論。尤其是錸顯示出是一種極佳的添加成分。所給出的所有MCrAlY合金皆適合用作結(jié)合熱障層的粘合層，下文中公開本發(fā)明的具體內(nèi)容。
前述的美國專利5,401,307中還包括對(duì)高溫合金的鑒定，認(rèn)為這些高溫合金適用于制造那些在運(yùn)行過程中必須承受高機(jī)械載荷和高熱載的氣體渦輪機(jī)元件。更具體的給出了四類高溫合金。各類高溫合金有以下基本組成(以重量百分比表示)1. 0.03～0.05C，18～19Cr，12～15Co，3～6Mo，1～1.5W，2～2.5Al，3～5Ti，可以加或不加少量成分Ta，Nb，B和/或Zr，余量Ni。
2. 0.1～0.5C，18～22Cr，18～19Co，0～2W，0～4Mo，0～1.5Ta，0～1Nb，1～3Al，2～4Ti，0～0.75Hf，可以加或不加少量成分B和/或Zr，余量Ni。
3. 0.07～0.1C，12～16Cr，8～10Co，1.5～2Mo，2.5～4W，1.5～5Ta，0～1Nb，3～4Al，3.5～5Ti，0～0.1Zr，0～1Hf，可以加或不加少量的B，余量Ni。
4. 約0.25C，24～30Cr，10～11Ni，7～8W，0～4Ta，0～0.3Al，0～0.3Ti，0～0.6Zr，可以加或不加少量的B，余量Co。
關(guān)于改性氧化鋁化合物，尤其是摻雜有氮的氧化鋁化合物的信息可從本發(fā)明人的題為“Schichtentwicklungen fur Hochtemperaturan-wendungen inthermischen Maschinen”[用于熱機(jī)的高溫涂料研制]的論文中獲悉，該論文以“Fortschritts-Berichte VDI，Reihe5”[VDI的進(jìn)展報(bào)告，編號(hào)5]出版，序號(hào)345，VDI-Verlag，Dusseldorf，Germany，1994。這篇文章還包括關(guān)于以層狀結(jié)構(gòu)的方式沉積諸如氧化鋁化合物等方法方面的報(bào)導(dǎo)。
其它關(guān)于改性氧化鋁化合物方面的報(bào)導(dǎo)可以從L.Peichl和D.Bettridge的題目為“用于航空氣體渦輪機(jī)的貼面和浸滲涂層”的文章中得知，該文章在由D.Coutsouradis等人編輯，Kluwer學(xué)術(shù)出版公司，Dordrecht荷蘭，1994出版的題目為“現(xiàn)代動(dòng)力工程材料，第一部”[Materials for Advanced PowerEngineering，Part One]一書的第717-740頁中登載，還可從O.Knotek，E.Lugscheider，F(xiàn).Loffler和W.Beele的發(fā)表在“表面與涂裝技術(shù)”[Surface andCoating Techniques]第68/69卷(1994)，第22～26頁的論文中獲悉。
關(guān)于在制品的基體上設(shè)置熱障層的常規(guī)操作方法包括在制品上產(chǎn)生一氧化物層，或者是通過在制品上涂覆一適宜粘合層，繼而在氧化條件下在其表面生成氧化物層，或者所選擇的制品材料本身就能夠在其自身表面上生成氧化物層。此氧化物層可用來固定后來設(shè)置在其上的熱障層。
在熱載下制品內(nèi)會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散過程。特別是那些有擴(kuò)散活性化學(xué)成分，如鉿、鈦、鎢和硅構(gòu)成該制品大多數(shù)高溫合金的成分可穿過氧化物層遷入熱障層，此擴(kuò)散活性化學(xué)成分由于改性后損害了它的基本性質(zhì)，因而引起熱障層破壞。這種情況尤其產(chǎn)生在由氧化鋯(如部分穩(wěn)定的氧化鋯)制得的熱障層中，因?yàn)閹缀跛醒趸喕衔锉仨氁揽磕承┏煞謥泶_定和穩(wěn)定其特殊性質(zhì)。這類成分的作用有可能是由擴(kuò)散或其他方法而遷移到化合物中的化學(xué)成分所賦予。
為保證設(shè)置在基體上含有擴(kuò)散活性化學(xué)成分的熱障層在所需要的那么長的時(shí)間內(nèi)保持其基本性質(zhì)，因此就需要避免這些有擴(kuò)散活性的化學(xué)成分遷移到熱障層。
然而，這方面現(xiàn)在尚未引起本領(lǐng)域工作者的重視。他們僅僅考慮用氧化物層來固定高溫合金基體上的熱障層，而未顧及擴(kuò)散的化學(xué)成分傳送到熱障層。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種帶有保護(hù)性涂層的高溫合金元件。它克服了前述這種已知類型器件的缺陷，并通過適當(dāng)改變錨定層來將擴(kuò)散成分透過錨定層遷移入熱障層的情況維持在最低狀態(tài)或者抑制住。
本發(fā)明的前述和其他目的是提供這樣的一種制品，它含有由鎳基或鈷基高溫合金形成的基體；沉積在該基體上的一錨定層，此錨定層含有摻雜氮的氧化物；和沉積在錨定層之上的陶瓷涂層。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選特征，此氧化物包含氧化鋁或氧化鉻，尤其是該氧化物基本上由氧化鋁構(gòu)成。
根據(jù)本發(fā)明的附加特征，該制品包括由錨定層覆蓋的擴(kuò)散活性化學(xué)成分。此擴(kuò)散活性化學(xué)成分優(yōu)選的是選自鉿、鈦、鎢和硅中的一種元素。更具體地，此擴(kuò)散活性成分含在基體中或沉積在基體上的粘合層中。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，此陶瓷涂層包括ZrO2。在另一種研究方案中，此陶瓷涂層基本上由ZrO2和一種選自Y2O3、CeO2、LaO和MgO的穩(wěn)定劑構(gòu)成。
在一種優(yōu)選實(shí)施方案中，此錨定層的厚度小于3μm。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，此錨定層含有1～10原子百分?jǐn)?shù)氮，優(yōu)選為2～5原子百分?jǐn)?shù)氮。
根據(jù)本發(fā)明的又一附加特征，此錨定層還摻雜另一種化學(xué)成分，此成分也被此錨定層覆蓋。在本發(fā)明的一種實(shí)施方案中，此另一種化學(xué)成分是鉻。尤其是，此另一種化學(xué)成分包含在基底和其上的粘合層中。
根據(jù)本發(fā)明的另一附加特征，此錨定層摻雜有另一種化學(xué)成分，而此另一種化學(xué)成分也存在于陶瓷涂層中。
根據(jù)本發(fā)明的又一附加特征，此制品在基底和錨定層之間有一粘合層。
在一優(yōu)選方案中，該粘合層由一種金屬鋁化物形成，或者他由一種MCrAlY合金形成。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，錨定層摻雜另一種化學(xué)成分，且此另一種成分也存在于粘合層中。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，由基體、粘合層(如果存在)、錨定層和陶瓷涂層形成氣體渦輪機(jī)元件。具體說是，此氣體渦輪機(jī)元件是氣體渦輪機(jī)的機(jī)翼構(gòu)件，它包括固定部件和翼面部件，固定部件用于在運(yùn)行中牢固地固定該元件，而翼面部件是暴露在運(yùn)行時(shí)沿著該元件冒出蒸汽的氣流中，錨定層和陶瓷層都沉積在該機(jī)翼部件的表面上。
根據(jù)本發(fā)明上述和其它目的，本發(fā)明還提供了一種將陶瓷涂層用到該制品由鎳或鈷基高溫合金所形成的基體上的方法。特別是如上所述，此基體上可以有一個(gè)粘合層。該方法包括下述步驟-在由鎳或鈷基高溫合金形成的基體上設(shè)置一層由摻雜氮的氧化物組成的錨定層；和-在此錨定層上設(shè)置一層陶瓷涂層。
根據(jù)本發(fā)明的附加的方法，設(shè)置錨定層的步驟是通過物理汽相沉積方法完成的。優(yōu)選使用包括濺射法或電子束蒸發(fā)法。
根據(jù)本發(fā)明的另一種方案，設(shè)置錨定層的步驟包括
-在基體上設(shè)置一層由基本上無氮的另一種氧化物構(gòu)成的層；-在該層周圍形成含氮?dú)夥?；?使該層和氣氛經(jīng)受高溫，并使氮擴(kuò)散進(jìn)入該層而形成錨定層。
陶瓷涂層也可用物理蒸發(fā)沉積法(PVD)設(shè)置到此體系中。
被認(rèn)為是作為本發(fā)明特征的其他特點(diǎn)都在后附的權(quán)利要求書中陳述。
盡管以下實(shí)施例舉例說明本發(fā)明帶有保護(hù)涂層體系的高溫合金元件，但這并不意味著限制在所給出的具體細(xì)節(jié)中，因?yàn)楸景l(fā)明可以作出各種改進(jìn)和結(jié)構(gòu)上的變化都不會(huì)偏離本發(fā)明的構(gòu)思，且都在本權(quán)利要求書的所要求保護(hù)的范圍內(nèi)。
然而，本發(fā)明的構(gòu)成連同它的附加目的和優(yōu)點(diǎn)將通過下敘具體實(shí)施方案再結(jié)合附圖會(huì)很清楚地理解。在圖中

圖1是基體的部分剖面圖，有保護(hù)性涂層體系，且其上結(jié)合有一層陶瓷涂層；和圖2是圖1中所示的包括基體和保護(hù)性涂層體系的氣體渦輪機(jī)機(jī)翼部件的透視圖。
參照附圖中的具體編號(hào)，首先看圖1，制品的基體1，更具體講是氣體渦輪機(jī)元件，它在運(yùn)行中需經(jīng)受高熱同時(shí)受到腐蝕和侵蝕作用?；w1是由這樣一種材料形成當(dāng)承受熱載和不可避免的由于劇烈力(如離心力)而引起的機(jī)械載荷時(shí)，該材料能夠保證強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。為此目的普遍認(rèn)可并廣泛使用在氣體渦輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中的材料是鎳或鈷基高溫合金。
為了阻止施加在基體1上的熱載荷，在其上安置了熱障層2。如上所述，熱障層2由柱狀顆粒陶瓷構(gòu)成，具體的組成基本上是一種穩(wěn)定的或部分穩(wěn)定的氧化鋯。熱障層2通過中間層3錨定到基體1上。中間層3由設(shè)置在基體1上的粘合層4制成，此粘合層4由MCrAlY合金構(gòu)成，優(yōu)選的是公開在美國專利US5,154,885；5,268,238；5,273,712和5,401,307中的MCrAlY合金，繼而按照所述方式在粘合層4上生成錨定層5。此粘合層4具有某些與現(xiàn)有技術(shù)中公知的粘合層相同的作用，尤其與基體1有緊密的結(jié)合。錨定層5對(duì)于熱障層2起到錨定作用。粘合層4和錨定層5兩者形成中間層3。
附圖中并未標(biāo)出層4和5的厚度。錨定層5的厚度在實(shí)際中可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于粘合層4的厚度，其值僅僅為幾個(gè)原子級(jí)的層厚，如上面所指出的那樣。
錨定層5基本上由氧化物構(gòu)成，即摻雜氮的氧化鋁。氮的含量并不需要很高，且認(rèn)為幾個(gè)原子百分?jǐn)?shù)的氮含量就起作用。
氮摻雜在錨接層5中的作用在于分布在氧化物晶體中的氮原子導(dǎo)致離子晶體中電荷分布平衡失調(diào)，并且因此而阻止原子穿過離子晶體擴(kuò)散，其中該氧化物晶體是由荷正電的金屬離子和O2離子構(gòu)成的離子晶體。據(jù)推斷加入少量顯著不同于構(gòu)成晶體的原子或相關(guān)離子的原子將導(dǎo)致晶體產(chǎn)生不規(guī)則性，并使其不能傳遞或不滲透正在擴(kuò)散的原子，這樣就不再使這些成分具備容易穿透晶體所需的規(guī)則晶格。如果加氮的量相當(dāng)大，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過可認(rèn)為是一種摻雜的量加入，當(dāng)然可能會(huì)將氧化物晶體完全重組，形成由金屬、氧和氮組分的規(guī)則晶格點(diǎn)陣構(gòu)成的晶體。
可用幾種方法制得錨定層5，特別是通過一種PVD法，如電子束PVD、離子濺射鍍覆法和陰極電弧-PVD法，或者將氧化物在氮?dú)夥罩袩崽幚怼＿@種熱處理通常在700℃～1100℃范圍的溫度內(nèi)進(jìn)行。含氮?dú)夥者€用來提供PVD方法中所用氮，該方法包括從適宜原料中蒸發(fā)所需金屬和氧化物，再加入氮?dú)夥罩械牡Ｒ话?，含氮?dú)夥栈旧嫌蓺?、氧和氮?gòu)成，總壓力在10-2～1Pa之間。
圖2示出了完整的氣體渦輪機(jī)元件，即氣體渦輪機(jī)機(jī)翼部件6，具體說是氣體渦輪機(jī)葉片。該部件6有一個(gè)翼面部分7，其在運(yùn)行中作為汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)的“作用構(gòu)件”；一個(gè)固定部件8，部件6在此處被牢牢地固定在其位置上，以及一個(gè)密封件9，它與相鄰部件的密封部件一同構(gòu)成一密封機(jī)構(gòu)以在運(yùn)行過程中防止蒸汽10沿著翼面部位7流出。
圖1的斷面取自圖2中的虛線I-I位置。
再參見圖1，此錨定層5和熱障層2新型組合的特殊優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下當(dāng)錨定層含有較高含量的由金屬和氧構(gòu)成的化合物時(shí)，由于氮的破壞作用使得幾乎無法確定其準(zhǔn)確化學(xué)式，但用于固定熱障層2確實(shí)是很適宜的。在沉積錨定層5之后且通常在同一設(shè)備中，使用已在沉積錨定層5中用過的盡可能多的裝置，使該熱障層2立即方便地沉積在基體1表面上。由此得的錨定層5和熱障層2的結(jié)合體具有本領(lǐng)域現(xiàn)有技術(shù)中已知的這類結(jié)合體的全部優(yōu)點(diǎn)以及由于能抑制這些擴(kuò)散活性成分遷移到熱障層2中而使之另外還具有實(shí)際上延長了使用壽命的特點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種制品，包括-由鎳基或鈷基高溫合金構(gòu)成的基體；-沉積在所述基體上的錨定層，此錨定層含有摻雜氮的氧化物；及-沉積在所述錨定層上的陶瓷涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的制品，其中所述氧化物包括氧化鋁和/或氧化鉻。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的制品，其中所述氧化物基本上由氧化鋁構(gòu)成。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的制品，包括由所述錨定層覆蓋的擴(kuò)散活性化學(xué)成分。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的制品，其中所述擴(kuò)散活性化學(xué)成分是選自鉿、鈦、鎢和硅中的一種元素。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的制品，其中所述陶瓷涂層包括ZrO2。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的制品，其中所述陶瓷涂層基本上由ZrO2和選自Y2O3、CeO2、LaO和MgO中的一種穩(wěn)定劑構(gòu)成。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的制品，其中所述錨定層的厚度小于3μm。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的制品，其中所述錨定層含有1～10原子百分?jǐn)?shù)的氮。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的制品，其中所述錨定層含有2～5原子百分?jǐn)?shù)的氮。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的制品，其中所述錨定層還摻雜另一種化學(xué)成分，而此化學(xué)成分也被所述錨定層覆蓋。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的制品，其中所述另一種化學(xué)成分是鉻。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的制品，其中所述錨定層摻雜另一種化學(xué)成分，此化學(xué)成分也存在于陶瓷涂層中。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的制品，包括插在所述基體和所述錨定層之間的一粘合層。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的制品，其中所述粘合層由金屬鋁化物形成。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15的制品，其中所述粘合層由一種MCrAlY合金形成。
17.根據(jù)權(quán)利要求14至16中任一項(xiàng)的制品，其中所述錨定層摻雜另一種化學(xué)成分，此另一種化學(xué)成分也存在于粘合層中。
18.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的制品，其中所述基體、所述錨定層和所述陶瓷涂層構(gòu)成氣體渦輪機(jī)元件。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的制品，其中所述氣體渦輪機(jī)元件是一種包含一個(gè)固定部分和一個(gè)翼面部分構(gòu)成的氣體渦輪機(jī)機(jī)翼構(gòu)件，所述固定部分是用于在操作中緊緊地固定該元件，而所述翼面部分是在運(yùn)行中暴露在沿著所述元件冒出的蒸汽氣流中；所述錨定層和所述陶瓷層沉積在所述翼面部分上。
20.一種將陶瓷涂層涂覆到由鎳基或鈷基高溫合金形成基體的制品上的方法，該方法包括-在此基體上設(shè)置一層摻雜氮的氧化物的錨定層；及-在此錨定層上設(shè)置一陶瓷涂層。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中設(shè)置錨定層的步驟由物理氣相沉積法完成。
22.根據(jù)權(quán)利要求20或21的方法，其中設(shè)置錨定層的步驟包括-在此基體上設(shè)置一層含有基本上無氮的另一種氧化物的層；在該層周圍形成含氮?dú)夥眨?使該層和氣氛經(jīng)受高溫并使氮擴(kuò)散入此層中而形成錨定層。
23.根據(jù)權(quán)利要求20～22中任一項(xiàng)的方法，其中設(shè)置陶瓷涂層的步驟由物理氣相沉積法完成。
全文摘要
用一種耐熱、耐腐蝕和耐侵蝕的保護(hù)性涂層覆蓋到鎳基或鈷基高溫合金基體(1)上。在該基體上沉積一層錨定層(5)。此錨定層由摻雜氮的氧化物形成。此氧化物特別是指氧化鋁。在錨定層上沉積一層陶瓷涂層(2)。改性此錨定層能防止擴(kuò)散成分穿過錨定層傳遞到熱障層中。
文檔編號(hào)F01D5/28GK1182459SQ96193451
公開日1998年5月20日 申請日期1996年4月12日 優(yōu)先權(quán)日1995年4月25日
發(fā)明者沃爾夫拉姆·比利 申請人:西門子公司