專(zhuān)利名稱：熱障涂層系統(tǒng)及用于涂層部件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明 一般地涉及用于暴露到高溫的基底的保護(hù)涂層系統(tǒng)，且更特 定地涉及用于促進(jìn)層之間粘附的過(guò)程。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)操作在高溫環(huán)境中。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的部 件(例如渦輪機(jī)葉片、噴嘴、翼片和罩)通常包括保護(hù)部件的熱障涂層
(TBC)系統(tǒng)，其使發(fā)動(dòng)機(jī)在更高溫度下能夠更有效地操作。這些TBC 系統(tǒng)必須具有低的熱傳導(dǎo)率，必須強(qiáng)有力地粘附到部件，且必須貫穿許 多加熱和冷卻循環(huán)維持粘附。能夠滿足這些要求的涂層系統(tǒng)可以包括將
熱絕緣陶資層粘附到部件的金屬結(jié)合涂層。金屬氧化物，例如由氧化釔 (Y203 )、氧化鎂(MgO)或其他氧化物部分或全部穩(wěn)定的氧化鋯 (Zr02),已經(jīng)廣泛地用作用于熱絕緣陶瓷層的材料。陶瓷層典型地通 過(guò)空氣等離子噴射(APS)、低壓等離子噴射(LPPS)、或物理氣相沉 積(PVD)技術(shù)，例如產(chǎn)生容許應(yīng)變的柱狀顆粒結(jié)構(gòu)的電子束物理氣相 沉積(EBPVD)沉積。結(jié)合涂層典型地由諸如擴(kuò)散鋁化物或鋁化柏的抗 氧化擴(kuò)散涂層、或諸如MCrAlY (其中M為鐵、鈷和/或鎳)的抗氧化 合金形成。MCrAlY型結(jié)合涂層通過(guò)物理或化學(xué)氣相沉積技術(shù)或通過(guò)熱 噴射，例如APS、 LPPS和高速氧燃料(HVOF)沉積，其包括結(jié)合涂層 從金屬粉末沉積。
目前，在工業(yè)中希望用于制造TBC系統(tǒng)的可替換的方法，特別是 那些減少步驟數(shù)量、時(shí)間和成本的方法。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，提供用于涂層部件的方法。該方法包括使用高速氧燃料 (HVOF)過(guò)程將結(jié)合涂層應(yīng)用到部件的外部表面。該方法也包括將結(jié) 合涂層變粗糙且將至少一個(gè)密集垂直裂紋(DVC)陶瓷層應(yīng)用到粗糙的
另一方面，提供與部件使用的熱障涂層系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括應(yīng)用于部件外部表面的粗糙的高速氧燃料(HVOF)層和應(yīng)用于粗糙HVOF層的 陶瓷涂層。陶瓷涂層包括多個(gè)密集垂直裂紋(DVC)陶瓷層。
另一方面，提供燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件包括外 部表面和應(yīng)用于外部表面的熱障涂層系統(tǒng)。熱障涂層系統(tǒng)包括應(yīng)用于部 件外部表面的粗糙的高速氧燃料(HVOF )層和應(yīng)用于粗糙HVOF層的 陶瓷涂層。陶瓷涂層包括多個(gè)密集垂直裂紋(DVC)陶瓷層。


圖1為應(yīng)用于基底層的示范性熱障涂層系統(tǒng)的截面圖； 圖2圖示用流體射流使結(jié)合涂層變粗糙以形成圖1中顯示的熱障涂 層系統(tǒng)；
圖3為與圖1中顯示的熱障涂層系統(tǒng)使用的陶瓷涂層的放大圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的實(shí)施例一般地可應(yīng)用于操作在特征為相對(duì)高的溫度、熱應(yīng) 力和熱循環(huán)的環(huán)境內(nèi)的部件。例如，部件可以包括高和低壓渦輪機(jī)噴嘴 和輪葉、罩、燃燒室襯里和燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的其他硬件。盡管本發(fā)明的 優(yōu)勢(shì)將關(guān)于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件描述，本發(fā)明的實(shí)施例一般地可應(yīng)用于 要求熱障涂層系統(tǒng)以保護(hù)部件免受它操作環(huán)境影響的任何部件。在示范 性的實(shí)施例中，部件為鎳基、鈦基、或鈷基金屬合金。
圖1圖示包括熱障涂層(TBC)系統(tǒng)12的部件10。部件10包括充 當(dāng)TBC系統(tǒng)12的基底層14的外部表面。緊鄰基底層14是粗糙至一定 深度(如圖示)的粗糙的結(jié)合涂層16。陶瓷涂層18粘附到結(jié)合涂層16 且通過(guò)應(yīng)用至少一個(gè)密集垂直裂紋(DVC)陶瓷層形成。
在制造TBC系統(tǒng)12中，密集結(jié)合涂層16首先沉積到基底層14表 面上。盡管本領(lǐng)域中技術(shù)人員和由在此的教示指導(dǎo)的人員知道，存在許 多方法以將密集結(jié)合涂層16沉積在基底層14表面上，在示范性的實(shí)施 例中，可以使用高速氧燃料噴射(HVOF)過(guò)程應(yīng)用結(jié)合涂層16。結(jié)合 涂層16可以為適于HVOF過(guò)程且能夠變粗糙的任何密集金屬涂層，從 而陶瓷涂層18可以粘附到它。在示范性的實(shí)施例中，結(jié)合涂層16包括 MCrAlY成分；從包括鉿、鋯、或鉿與鋯和鈦的至少一個(gè)的組合的集合 中選擇的IVB族金屬；和從包括鈀、粕、銠、釕或其組合的集合中選擇
的貴金屬。M為從包括鐵、鈷、鎳、或其組合的集合中選擇的金屬。在 另一實(shí)施例中，成分進(jìn)一步包括IVA族元素，具體為硅和/或鍺。
在另一實(shí)施例中，涂層成分包括大約16到大約60重量百分比鈷、 大約20到大約45重量百分比鎳、大約10到大約30重量百分比鉻、大 約4到大約16重量百分比鋁、大約0.05到大約3重量百分比釔、大約 0.05到大約3重量百分比鉿、大約0.1到大約15重量百分比鈀、大約 0.1到大約5重量百分比硅，其中重量百分比基于涂層成分的總重量。
在另一實(shí)施例中，結(jié)合涂層16包括大約30到大約70重量百分比 鈷、大約25到大約70重量百分比鎳、大約15到大約45重量百分比鉻、 大約4到大約15重量百分比鋁、大約0.05到大約3重量百分比釔、大 約0.05到大約3重量百分比鉿、大約0.1到大約15重量百分比鈀、大 約0.1到大約5重量百分比硅。
在另一實(shí)施例中，結(jié)合涂層16包括其他合金元素。
在HVOF過(guò)程中，燃料氣體和氧氣用于生成從大約2500°C到 3100。C的燃燒火焰。燃燒以非常高壓力發(fā)生在室中，超聲氣體流將結(jié)合 涂層16的粉末材料以非常高的顆粒速度推進(jìn)通過(guò)小直徑筒。HVOF過(guò)程 導(dǎo)致非常密集、良好粘合的涂層。典型地，HVOF涂層能夠形成為接近 100%密度，帶有大約0.5%的孔隙率。HVOF過(guò)程在結(jié)合涂層16材料和 基底層14之間形成結(jié)合，其主要通過(guò)在結(jié)合接口處的機(jī)械粘附發(fā)生。 可替換地，在應(yīng)用HVOF涂層后，結(jié)合涂層16以大于1950°F的溫度被 擴(kuò)散熱處理。更具體地，在示范性的實(shí)施例中，擴(kuò)散熱處理在從大約 1975-2050°F的溫度發(fā)生。
已知的TBC系統(tǒng)使用中間結(jié)合涂層以利于結(jié)合涂層16和陶瓷涂層 18之間的結(jié)合。本發(fā)明的實(shí)施例排除這種層的需要且減少應(yīng)用該結(jié)合涂 層需要的時(shí)間、額外步驟和成本。
在結(jié)合涂層16已經(jīng)與基底層14充分結(jié)合之后，高壓流體射流可以 朝結(jié)合涂層16引導(dǎo)以使表面變粗糙。結(jié)合涂層16的表面變粗糙利于與 陶瓷涂層18的機(jī)械互鎖且提高TBC系統(tǒng)12剝落壽命。盡管可以使用不 同的流體，在一個(gè)實(shí)施例中，射流22為高壓水射流(HPWJ)。在示范 性的實(shí)施例中，沒(méi)有介質(zhì)加到水中。在其他實(shí)施例中，研磨劑介質(zhì)加到 水中，例如石榴石或氧化鋁。
如圖2中所示，為了使結(jié)合涂層16變粗糙，射流噴嘴20可以連接到合適的水射流裝置且將射流22朝結(jié)合涂層16的表面輸送。射流22 可以定向?yàn)槭沟盟鄬?duì)于結(jié)合涂層16的表面形成大約30°到90°的角。 在示范性的實(shí)施例中，射流22可以定向?yàn)槭沟盟鄬?duì)于結(jié)合涂層16的 表面形成大約60。到90。的角。水增壓使得射流22可以生成結(jié)合涂層18 的外部層的合適粗糙度，以利于結(jié)合涂層16和陶瓷涂層18之間的粘附 和機(jī)械結(jié)合。水壓力可以從大約25,000psi到大約75,000psi。在示范性 的實(shí)施例中，水增壓到大約50,000psi。射流噴嘴20可以定位在離結(jié)合 涂層16的表面距離從0.Sin.到大約3m.范圍內(nèi)，盡管其他距離可能是合 適的。射流22可以包括任何合適的噴嘴，例如圓形射流噴嘴或沙狀型 噴嘴。
噴嘴22的合適橫穿速率為從大約2.5到大約10英寸每分鐘(大約6 到大約25cm/mm)。射流22相對(duì)于部件表面的移動(dòng)可以為連續(xù)的且超 過(guò)一次通過(guò)的射流22可能對(duì)粗糙結(jié)合涂層16是必要的。為了維持每個(gè) 上述參數(shù)而噴射具有復(fù)雜幾何形狀的部件上的結(jié)合涂層16,射流噴嘴20 可以安裝到機(jī)器人臂或其他計(jì)算機(jī)控制設(shè)備，其具有基于為處理的特定 部件獲取和存儲(chǔ)的幾何形狀數(shù)據(jù)的預(yù)定程序的移動(dòng)。用這些數(shù)據(jù)，機(jī)器 人臂能夠被控制，使得射流噴嘴20維持希望的定向和離部件表面的距 離，以及射流22橫穿部件表面的速度。
結(jié)合涂層16的表面必須具有合適的粗糙度，以利于結(jié)合涂層16和 陶瓷涂層18之間的粘附和機(jī)械結(jié)合。結(jié)合涂層16的表面的平均粗糙度 (Ra)為從大約200微英寸到500微英寸。在示范性的實(shí)施例中，結(jié)合 涂層16的表面的Ra為大約350微英寸。
在結(jié)合涂層16變粗糙之后，可以應(yīng)用陶資涂層18?？梢允褂枚喾N 陶瓷涂層材料，特別地，那些具有希望的熱循環(huán)疲勞屬性且能夠容易地 通過(guò)等離子噴射、火焰噴射和氣相沉積技術(shù)沉積的材料。例如，陶瓷涂 層18可以為氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯；氧化釔，未穩(wěn)定的氧化鋯；或由二 氧化鈰(Ce02)、氧化鈧(Sc203 )、氧化鎂(MgO )或其他氧化物穩(wěn) 定的氧化鋯；或任何其他合適的低傳導(dǎo)率材料。在示范性的實(shí)施例中， 用于陶瓷涂層18的材料為氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)，大約4到大約 8重量百分比的氧化釔。在示范性的實(shí)施例中，應(yīng)用材料的多個(gè)層以形 成陶瓷涂層18,使得厚度足夠?yàn)橄旅娼Y(jié)合涂層16和/或基底層14提供 熱保護(hù)。例如，厚度能夠?yàn)閺拇蠹s0.005到大約0.100英寸。更具體地，
在示范性的實(shí)施例中，厚度為從大于0.010到大于0.040英寸。
用于陶瓷涂層18的材料可以使用不同的沉積方法沉積。在示范性 的實(shí)施例中，材料使用空氣等離子噴射(APS)方法沉積，其中等離子 噴射噴燈引起粉末氧化物材料的受熱的氣體推進(jìn)噴射，使得氧化物粉末 顆粒瞬時(shí)地變?nèi)刍?。熔化氧化物顆粒的噴射然后引導(dǎo)到接收表面或基底 上，例如粗糙的結(jié)合涂層16。該過(guò)程可以重復(fù)以達(dá)到希望的厚度。在示 范性的實(shí)施例中，過(guò)程可以重復(fù)20-60次。噴燈電流可以從大約500到 大約900A,且等離子噴射火焰到粗糙的結(jié)合涂層16的表面的距離大約 3-5英寸。在示范性的實(shí)施例中，噴燈電流為大約700A。
在示范性的實(shí)施例中，陶瓷涂層18使用密集垂直裂紋(DVC)方 法應(yīng)用，其減少在涂層內(nèi)剝落的趨勢(shì)且增加抗熱疲勞性。DVC方法可以 包括上文討論的APS方法的使用。圖3顯示使用DVC方法應(yīng)用于結(jié)合 涂層16的陶瓷涂層18。 DVC方法包括將陶瓷涂層材料粉末熱沉積到結(jié) 合涂層16上，以在結(jié)合涂層16上應(yīng)用具有沉積粉末的至少兩個(gè)重疊的 薄板(Splat)的第一單層24，其中隨后沉積薄板的溫度高于先前沉積薄 板的溫度。單層24可以被冷卻和固化，使得單層24的密度為理論密度 的至少88%且其中多個(gè)垂直裂紋由于沉積薄板的收縮在單層24中產(chǎn) 生。如圖3所示，沉積和冷卻和固化步驟被重復(fù)以產(chǎn)生總體涂層的層(例 如陶瓷涂層18),其中每個(gè)噴射通過(guò)增加另一單層24。多個(gè)通過(guò)可以 引起通過(guò)薄板的垂直裂紋，其中每個(gè)單層中垂直裂紋的至少70%與相鄰 單層中的垂直裂紋對(duì)準(zhǔn)以形成垂直大裂紋，其中有在平行于基底表面的 線中測(cè)量的至少20個(gè)垂直大裂紋每線性英寸。盡管陶瓷涂層18可以通 過(guò)應(yīng)用多個(gè)單層24形成，陶瓷涂層18形成粘著的、連續(xù)的柱狀顆粒結(jié) 構(gòu)，其中至少一些柱狀顆粒從與結(jié)合涂層16的界面、到其或在其附近 延伸。結(jié)合涂層16的粗糙表面可以使垂直裂紋能夠比如果表面未變粗 糙時(shí)更好地粘附到結(jié)合涂層16。在示范性的實(shí)施例中，陶瓷涂層18的 垂直裂紋延伸從大約50 %到100 %的陶瓷涂層18深度。
一般地，為了改進(jìn)涂層18的熱循環(huán)疲勞，希望更多的垂直裂紋和/ 或更少的水平裂紋。當(dāng)使用YSZ作為涂層材料時(shí)，陶瓷涂層18具有大 于理論密度88%的密度，且包括大致均勻地分散整個(gè)涂層18的多個(gè)垂 直大裂紋，其中涂層18的截面區(qū)域垂直于基底層14 (或結(jié)合涂層16) 的表面。在示范性的實(shí)施例中，陶資涂層18包括多個(gè)垂直大裂紋，例
如在平行于基底表面的線中和在垂直于它的基底的平面中測(cè)量的20到 200個(gè)垂直大裂紋每線性英寸。
在一個(gè)實(shí)施例中，陶覺(jué)涂層18形成粘著的、連續(xù)的柱狀顆粒結(jié)構(gòu)， 其中至少一些柱狀顆粒從與結(jié)合涂層16的界面、到其或在其附近延伸。 柱狀化程度直接相關(guān)于在各個(gè)單層24內(nèi)和之間延伸的柱狀顆粒的數(shù)量 和分布。 一般地，隨著柱狀化程度增加，陶瓷涂層18內(nèi)的水平裂紋的 數(shù)量和/程度減少。通過(guò)控制在沉積過(guò)程期間的沉積表面溫度，可以控制 柱狀化程度(即一旦大于閥值溫度，增加溫度增加柱狀化程度)。
圖3圖示粘著的、連續(xù)柱狀顆粒微觀結(jié)構(gòu)。微觀結(jié)構(gòu)為連續(xù)的，其 中每個(gè)單層24包括多個(gè)柱狀顆粒26，其一般垂直定向且延伸通過(guò)所有 或大致所有的層厚度。由于該柱狀生長(zhǎng)在層之間延伸，微觀結(jié)構(gòu)為粘著 的，其中在隨后沉積的層內(nèi)存在的多個(gè)柱狀顆粒的至少 一些被微焊接到 它沉積在其上的層內(nèi)包含的柱狀顆粒且從其延伸。
在包括具有大約8重量百分比氧化釔成分的YSZ的陶瓷涂層18 中，粘著的、連續(xù)柱狀微觀結(jié)構(gòu)開(kāi)始在大約300。C沉積表面溫度下產(chǎn)生， 其為大約0.2Tm，其中Tm為氧化鋯的絕對(duì)熔化溫度。當(dāng)沉積表面溫度更 高時(shí)，例如0.4Tm，發(fā)生更粘著的、連續(xù)的柱狀結(jié)構(gòu)。用其他陶瓷材料， 取決于選擇的陶瓷材料，可以生成粘著的、連續(xù)柱狀結(jié)構(gòu)的最小沉積表 面溫度預(yù)期變化。這基于影響微焊接的因素，例如陶瓷材料的晶體結(jié) 構(gòu)、熔化溫度和熱容量。此外，用于陶乾涂層18的其他材料的柱狀化 程度也預(yù)期隨著沉積表面溫度增加而增加。
在一個(gè)實(shí)施例中，提供與部件使用的熱障涂層系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括應(yīng) 用于部件外部表面的粗糙的高速氧燃料(HVOF )層和應(yīng)用于粗糙HVOF 層的陶資涂層。陶資涂層包括多個(gè)密集垂直裂紋(DVC)陶瓷層。
在一個(gè)實(shí)施例中，提供燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件 包括外部表面和應(yīng)用于外部表面的熱障涂層系統(tǒng)。熱障涂層系統(tǒng)包括應(yīng) 用于部件外部表面的粗糙的高速氧燃料(HVOF )層和應(yīng)用于粗糙HVOF 層的陶瓷涂層。陶資涂層包括多個(gè)密集垂直裂紋(DVC)陶瓷層。
在此描述的是用熱障涂層系統(tǒng)涂層基底層的方法，其可以在多種不 同的發(fā)動(dòng)機(jī)部件上采用。該方法促進(jìn)在兩個(gè)涂層之間的粘附，從而使熱 障系統(tǒng)能夠保護(hù)在包括高溫、熱應(yīng)力和熱循環(huán)的至少 一個(gè)的環(huán)境中的部 件。在此描述的方法和系統(tǒng)能夠?qū)е赂倪M(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能和部件的更長(zhǎng)的
壽命期限。
上文詳細(xì)描述熱障涂層系統(tǒng)、燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件和涂層部件的方 法的示范性的實(shí)施例。所述系統(tǒng)、部件和方法并不限于在此描述的特定 實(shí)施例，但相反地，每個(gè)構(gòu)件和步驟可以從在此描述的其他構(gòu)件和步驟 獨(dú)立J也且分離地采用。
盡管本發(fā)明已經(jīng)關(guān)于不同具體實(shí)施例描述，本領(lǐng)域中技術(shù)人員將認(rèn) 識(shí)到，本發(fā)明能夠?qū)嵤樵跈?quán)利要求書(shū)的精神和范圍內(nèi)的修改。
零件列表 部件10
熱障涂層(TBC)系統(tǒng)12
基底層14
結(jié)合涂層16
陶瓷涂層18
射流噴嘴20
射流22
單層24
柱狀顆粒權(quán)利要求
1.一種與部件(10)一起使用的熱障涂層系統(tǒng)(12)，所述系統(tǒng)包括應(yīng)用于部件的外部表面的粗糙高速氧燃料(HVOF)層；和應(yīng)用于所述粗糙HVOF層的陶瓷涂層(18)，所述陶瓷涂層包括多個(gè)密集垂直裂紋(DVC)陶瓷層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱障涂層系統(tǒng)(12),其中所述粗糙HVOF 層包括MCrAlY,其中M為Fe、 Co、 Ni或其組合。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱障涂層系統(tǒng)(12)，其中所述粗糙HVOF 層包括從大約250微英寸到350微英寸的平均粗糙度(Ra)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱障涂層系統(tǒng)(12)，其中所述多個(gè)DVC陶瓷層形成粘著的、連續(xù)柱狀顆粒結(jié)構(gòu)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱障涂層系統(tǒng)(12),其中每個(gè)所述多 個(gè)DVC陶瓷層包括氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱障涂層系統(tǒng)(12),其中所述部件(10) 包括Ni基、Ti基或Co基的合金。
7. —種燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件(10)，其包括 外部表面；和應(yīng)用于所述外部表面的熱障涂層系統(tǒng)(12)，所述涂層系統(tǒng)包括應(yīng) 用于所述部件的所述外部表面的粗糙高速氧燃料(HVOF)層，和應(yīng)用 于所述粗糙HVOF層的陶乾涂層(18)，所述陶資涂層包括多個(gè)密集垂 直裂紋(DVC)陶瓷層。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件(10)，其中所述 粗糙HVOF層包括MCrAlY,其中M為Fe、 Co、 Ni或其組合。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件(10)，其中所述 粗糙HVOF層包括從大約250微英寸到350微英寸的平均粗糙度(Ra)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件(10),其中所述 多個(gè)DVC陶瓷層形成粘著的、連續(xù)柱狀顆粒結(jié)構(gòu)。
全文摘要
提供一種與部件(10)使用的熱障涂層系統(tǒng)(12)。熱障涂層系統(tǒng)(12)包括應(yīng)用于部件外部表面的粗糙高速氧燃料(HVOF)層。熱障涂層系統(tǒng)(12)進(jìn)一步包括應(yīng)用于粗糙HVOF層的陶瓷涂層(18)，陶瓷涂層包括多個(gè)密集垂直裂紋(DVC)陶瓷層。
文檔編號(hào)B32B33/00GK101204863SQ20071016030
公開(kāi)日2008年6月25日 申請(qǐng)日期2007年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月19日
發(fā)明者D·V·布奇 申請(qǐng)人:通用電氣公司