熱障涂層系統(tǒng)及其方法
【專利摘要】涂層系統(tǒng)和可沉積所述涂層系統(tǒng)的方法，以耐污染物，特別是耐由CMAS引起的滲入和破壞。所述涂層系統(tǒng)包括內(nèi)陶瓷層和外陶瓷層。內(nèi)陶瓷層基本上由被約6-約9重量%氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯組成并任選含有大于0.5-10重量%氧化鉿。外陶瓷層覆在內(nèi)陶瓷層上并接觸內(nèi)陶瓷層，以限定涂層系統(tǒng)的最外表面。外陶瓷層基本上由被約25-約75重量%氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯組成，其厚度小于內(nèi)陶瓷層的厚度，并且還含有大于0.5-10重量%氧化鉿和任選1-10重量%氧化鉭。外陶瓷層的孔隙率水平低于內(nèi)陶瓷層。
【專利說明】熱障涂層系統(tǒng)及其方法
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
本申請為2011年12月30日提交的共同待審的美國專利申請序號13/341，247的部分繼續(xù)專利申請，其要求2011年10月13日提交的美國臨時申請?zhí)?1/546，793的權(quán)益。這些先前申請的內(nèi)容通過引用結(jié)合到本文中。
[0002]發(fā)明背景
本發(fā)明涉及能在暴露于高溫的部件上使用的涂層，例如燃?xì)廨啓C發(fā)動機的不利的熱環(huán)境。更具體地，本發(fā)明涉及一種能呈現(xiàn)耐熱循環(huán)和污染物(例如可在燃?xì)廨啓C發(fā)動機的操作環(huán)境中存在的類型)滲入的熱障涂層(TBC)。
[0003]在商業(yè)以及軍事燃?xì)廨啓C發(fā)動機中，熱障涂層(TBC)在部件(例如燃燒器，高壓渦輪機(HPT)葉片、葉輪和護(hù)罩)上的使用日益增加。由TBC提供的絕熱使得這樣的部件能夠承受較高的操作溫度、提高部件耐久性和改進(jìn)發(fā)動機可靠性。TBC通常由陶瓷材料形成，并且在環(huán)境保護(hù)性的結(jié)合涂層上沉積，以形成所謂TBC系統(tǒng)。廣泛用于TBC系統(tǒng)的結(jié)合涂層材料包括耐氧化覆蓋涂層例如MCrAlX (其中M為鐵、鈷和/或鎳，并且X為釔或另一種稀土元素)和擴散涂層(例如含有鋁金屬互化物的擴散鋁化物)。通常選擇結(jié)合涂層材料以能夠在它們的表面上形成連續(xù)和粘著的氧化物積垢，以促進(jìn)陶瓷涂層與結(jié)合涂層粘合。通過使結(jié)合涂層經(jīng)受氧化環(huán)境，可形成氧化物積垢，使得所述積垢有時稱為熱生長氧化物(TGO)。
[0004]用于TBC的陶瓷材料的顯著實例包括被氧化釔(氧化釔；Y203)或另一種氧化物(例如氧化鎂、氧化鈰、氧化鈧和/或氧化鈣)部分或完全穩(wěn)定的氧化鋯和任選其它氧化物，以降低熱導(dǎo)率。二元氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)由于其高溫能力、低熱導(dǎo)率和相對容易沉積而廣泛用作TBC材料。氧化鋯被穩(wěn)定，以抑制在約1000°c下四方晶體相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡本w相，該轉(zhuǎn)變導(dǎo)致可引起散裂的體積變化。在室溫下，如果氧化鋯被至少約6重量％氧化釔穩(wěn)定，則得到更穩(wěn)定的四方相，并且單斜相最小化。17重量％或更多的穩(wěn)定劑(例如，氧化釔)含量確保完全穩(wěn)定的立方晶體相。常規(guī)的實踐是用6-8重量％氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯(6-8%YSZ)，以得到當(dāng)經(jīng)歷高溫?zé)嵫h(huán)時粘著和耐散裂的TBC。此外，已知部分穩(wěn)定的YSZ(例如，6-8%YSZ)比完全穩(wěn)定的YSZ (例如，20%YSZ)更加耐侵蝕。
[0005]各種方法可用于沉積TBC材料，包括熱噴灑方法，例如空氣等離子體噴灑(APS)、真空等離子體噴灑(VPS)、低壓等離子體噴灑(LPPS)和高速氧燃料(HVOF)。用于燃?xì)廨啓C發(fā)動機的最高溫度區(qū)域的TBC通常通過物理氣相沉積(PVD)來沉積，特別是電子束物理氣相沉積(EBPVD)，其得到柱狀、耐應(yīng)變的晶粒結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能膨脹和收縮而不會引起導(dǎo)致散裂的破壞應(yīng)力。使用其它原子和分子氣相方法，可產(chǎn)生類似的柱狀微觀結(jié)構(gòu)，例如濺射(例如，高壓和低壓、標(biāo)準(zhǔn)或校準(zhǔn)羽流(collimated plume))、離子等離子體/陰極電弧沉積和所有形式的熔融和蒸發(fā)沉積方法(例如，激光熔融等)。由于在TBC微觀結(jié)構(gòu)的晶粒邊界處和之間存在微觀結(jié)構(gòu)缺陷和孔，通過上述各種方法形成的TBC通常具有比相同組成的致密陶瓷更低的熱導(dǎo)率。
[0006]在服務(wù)條件下，被TBC系統(tǒng)保護(hù)的熱區(qū)發(fā)動機部件可易受各種模式的破壞的影響，包括侵蝕、氧化和腐蝕，其來自暴露于燃燒的氣態(tài)產(chǎn)物、外來物體破壞(FOD)和來自環(huán)境污染物的攻擊。環(huán)境污染物的來源為環(huán)境空氣，其通過發(fā)動機吸入，用于冷卻和燃燒。在環(huán)境空氣中，環(huán)境污染物的類型隨位置而不同，但是對于飛行器可能是個問題，因為它們的目的是從一個位置移動至另一個位置。可存在于空氣中的環(huán)境污染物包括沙礫、塵土、火山灰、二氧化硫形式的硫、飛灰、水泥顆粒、跑道灰塵，以及可排放至大氣中的其它污染物，例如金屬微粒，例如，鎂、鈣、鋁、硅、鉻、鎳、鐵、鋇、鈦、堿金屬和它們的化合物，包括氧化物、碳酸鹽、磷酸鹽、它們的鹽和混合物。這些環(huán)境污染物為除了由燃料的燃燒得到以外的腐蝕性和氧化性污染物。然而，所有這些污染物可粘附于熱區(qū)部件的表面，包括被TBC系統(tǒng)保護(hù)的那些。
[0007]為了使TBC在其保護(hù)的部件的整個計劃壽命周期中保持有效，重要的是TBC在部件的整個壽命中具有并且保持完整性，包括當(dāng)暴露于污染物時。一些污染物隨部件的壽命可導(dǎo)致TBC損失。例如，氧化鈣(CaO)、氧化鎂(MgO)、氧化鋁(氧化鋁；A1203)和二氧化硅(二氧化硅；SiO2)的微粒通常存在于含有細(xì)沙和/或灰塵的環(huán)境中。當(dāng)在升高的溫度下共同存在時，氧化鈣、氧化鎂、氧化鋁和二氧化硅可形成在本文中稱為CMAS的共晶化合物。已鑒定CMAS的具體組成含有約35摩爾％ CaO、約10摩爾％ MgO、約7摩爾％ Al2O3和約48摩爾％ SiO2以及約3摩爾％ Fe2O3和約1.5摩爾％ NiO0 CMAS具有相對低的熔融溫度，使得在渦輪機操作期間，在部件表面上沉積的CMAS可熔融，特別是如果表面溫度超過約2240° F(12270C )。熔融的CMAS能滲入TBC內(nèi)的孔隙結(jié)構(gòu)。例如，CMAS能滲入具有柱狀結(jié)構(gòu)的TBC、致密的垂直開裂的TBC和通過熱和等離子體噴灑沉積的TBC的水平板形(splat)邊界。熔融的CMAS在TBC的較冷的表面下區(qū)域內(nèi)再固化，它在其中妨礙TBC的順應(yīng)性并且可導(dǎo)致TBC散裂和降解，特別是在熱循環(huán)期間由于妨礙TBC膨脹和收縮的能力而造成。除了順應(yīng)性損失以外，還可發(fā)生與在TBC內(nèi)的氧化釔和氧化鋯以及與在結(jié)合涂層/TBC界面的處熱生長氧化物的有害化學(xué)反應(yīng)，并且引起TBC系統(tǒng)降解。一旦失去由TBC提供的被動熱障保護(hù)，發(fā)動機的持續(xù)操作將導(dǎo)致TBC系統(tǒng)下面的基礎(chǔ)金屬氧化，這可最終導(dǎo)致通過經(jīng)由裂紋燃燒而使部件失效。
[0008]試圖減輕CMAS對高壓渦輪機葉片和護(hù)罩的影響包括在TBC的表面上涂敷氧化鋁的薄層，以將CMAS的熔點提高約100-150 0F (38°C -66 V )，例如，如美國專利5，660，885所報道的。加入氧化鋁層提供操作溫度提高到最多約2400 T (1316°C)，其中液體CMAS有降低的滲入。然而，在制造和裝配期間碾磨以及在燃?xì)廨啓C發(fā)動機操作期間與渦輪機護(hù)罩碾磨和摩擦導(dǎo)致氧化鋁層的使用和可靠性是困難并且不切實際的。此外，氧化鋁層增加制造成本和復(fù)雜性，尤其是對于經(jīng)歷氣體和顆粒侵蝕的渦輪機葉片，并且可能對于氧化鋁涂層具有不同的要求以使侵蝕最小化。此外，較厚的氧化鋁層經(jīng)歷在TBC涂層系統(tǒng)內(nèi)熱膨脹系數(shù)不匹配，導(dǎo)致在循環(huán)期間熱應(yīng)變。
[0009]鑒于以上，可認(rèn)識到存在與現(xiàn)有技術(shù)關(guān)聯(lián)的某些問題、短處或缺點，并且期望可得到能促進(jìn)部件耐污染物(例如CMAS)的系統(tǒng)和方法，特別是在超過污染物的熔融溫度的溫度下操作的燃?xì)廨啓C發(fā)動機部件。
[0010]發(fā)明概述
本發(fā)明提供一種涂層系統(tǒng)和可沉積所述涂層系統(tǒng)的方法，以耐污染物，特別是耐由CMAS引起的滲入和破壞。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，在部件的表面區(qū)域上提供涂層系統(tǒng)。所述涂層系統(tǒng)包括結(jié)合涂層和覆在所述結(jié)合涂層上的內(nèi)陶瓷層和外陶瓷層。所述內(nèi)陶瓷層覆在結(jié)合涂層上，基本上由被約6-約9重量％氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯組成并任選含有大于0.5-10重量％氧化鉿，并且具有厚度和孔隙率水平。所述外陶瓷層覆在內(nèi)陶瓷層上并接觸內(nèi)陶瓷層，以限定涂層系統(tǒng)的最外表面。所述外陶瓷層基本上由被約25-約75重量％氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯組成，并且還含有大于0.5-10重量％氧化鉿和任選1-10重量％氧化鉭。所述外陶瓷層的厚度小于內(nèi)陶瓷層的厚度，并且孔隙率水平低于內(nèi)陶瓷層。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種在部件上形成涂層系統(tǒng)的方法。所述方法包括在部件的表面上沉積結(jié)合涂層，在所述結(jié)合涂層上沉積內(nèi)陶瓷層，和隨后在所述內(nèi)陶瓷層上沉積外陶瓷層，以限定涂層系統(tǒng)的最外表面。所述內(nèi)陶瓷層基本上由被約6-約9重量％氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯組成并任選含有大于0.5-10重量％氧化鉿，且沉積所述內(nèi)陶瓷層以具有厚度和孔隙率水平。所述外陶瓷層基本上由被約25-約75重量％氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯組成，并且還含有大于0.5-10重量％氧化鉿和任選1-10重量％氧化鉭。沉積外陶瓷層，使得厚度小于內(nèi)陶瓷層的厚度并且孔隙率水平低于內(nèi)陶瓷層。隨后將內(nèi)陶瓷層和外陶瓷層熱處理至一定溫度，并經(jīng)歷足夠的持續(xù)時間以減輕其中由沉積步驟誘發(fā)的應(yīng)力。
[0013]本發(fā)明的技術(shù)效果是當(dāng)經(jīng)受CMAS污染物時涂層系統(tǒng)承受熱循環(huán)的能力。外陶瓷層的高氧化釔含量使得外陶瓷層能夠與CMAS反應(yīng)，以形成抑制熔融的CMAS進(jìn)一步滲入涂層系統(tǒng)的保護(hù)層。通過在至少高氧化釔的外陶瓷層中摻入氧化鉿，增強涂層系統(tǒng)的效率。通過在至少外陶瓷層的氧化釔-氧化鋯系統(tǒng)中用氧化鉿代替氧化鋯，涂層系統(tǒng)的熱導(dǎo)率可降低。氧化鉿也用于提高氧化鋯的熔點和改進(jìn)氧化鋯的耐燒結(jié)性。此外，認(rèn)為氧化鉿用作成核劑，通過溶解于玻璃中以催化無定形CMAS的脫玻化作用，從而提供成核部位和促進(jìn)結(jié)晶CMAS的沉淀，結(jié)晶CMAS比無定形CMAS對涂層系統(tǒng)害處較小。氧化鉿也可用作成核劑，用于含有硅酸釔鈣(通常稱為磷灰石相)的保護(hù)性反應(yīng)產(chǎn)物的沉淀。氧化鉿的另外的優(yōu)點在于通過結(jié)晶鉿酸鈣的沉淀，其可減輕CMAS的玻璃形成。
[0014]顯著地，內(nèi)陶瓷層和外陶瓷層的相對厚度和密度也已顯示對于涂層系統(tǒng)的耐散裂性是關(guān)鍵的。特別是，通過限制外陶瓷層相對于內(nèi)陶瓷層厚度的厚度和通過確保外陶瓷層比內(nèi)陶瓷層更致密(較少孔)，涂層系統(tǒng)的耐散裂性顯示顯著增強。
[0015]由以下詳細(xì)說明，將更好地理解本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點。
[0016]附圖簡述
圖1示意性表示通過TBC系統(tǒng)的橫截面。
[0017]圖2為氧化鋯-氧化釔系統(tǒng)的相圖。
[0018]圖3為根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的TBC系統(tǒng)的掃描圖像。
[0019]圖4為比較在本發(fā)明的范圍以內(nèi)和以外的TBC系統(tǒng)當(dāng)經(jīng)受CMAS污染時對熱循環(huán)的相對耐性的圖。
[0020]發(fā)明詳述
本發(fā)明通常適用于經(jīng)受高溫的部件，特別是例如燃?xì)廨啓C發(fā)動機的高壓和低壓渦輪機葉輪(噴嘴)和葉片(葉片)、護(hù)罩、燃燒器襯里和增壓器硬件等部件。本發(fā)明提供TBC系統(tǒng)，其適合保護(hù)經(jīng)受熱燃燒氣體的燃?xì)廨啓C發(fā)動機部件的表面。雖然參考燃?xì)廨啓C發(fā)動機部件來描述本發(fā)明的優(yōu)點，但是本發(fā)明的教導(dǎo)通常適用于在其上可使用TBC來保護(hù)部件免受高溫環(huán)境的任何部件。[0021]本發(fā)明的TBC系統(tǒng)10的一個實施方案在圖1中不意性表不，其施用于基材22的表面，基材22與TBC系統(tǒng)10組合得到涂布的部件20。TBC系統(tǒng)10顯示包括覆在基材22表面上的結(jié)合涂層12，基材22可為超合金或另一種高溫材料?；?2通常為被TBC系統(tǒng)10保護(hù)的部件20的基礎(chǔ)材料，但是基材22可或者是部件上的涂層。結(jié)合涂層12可為通常與TBC系統(tǒng)一起用于燃?xì)廨啓C發(fā)動機部件的類型的富含鋁的組合物，例如MCrAlX合金的覆蓋涂層，或擴散涂層，例如本領(lǐng)域已知類型的擴散鋁化物(包括被貴金屬例如鉬改性的擴散鋁化物涂層)。一個具體實例為本領(lǐng)域已知類型的NiCrAH組合物。結(jié)合涂層12的合適厚度為約0.007英寸(約175微米)，但是可預(yù)見較小和較大的厚度，只要結(jié)合涂層12能提供保護(hù)基材22和錨接TBC系統(tǒng)10的期望的功能。上述類型的富含鋁的結(jié)合涂層逐漸形成氧化鋁(氧化鋁)積垢(未顯示)，其通過結(jié)合涂層12的氧化而熱生長。
[0022]圖1還顯示覆在結(jié)合涂層12上的多層TBC 14。TBC 14包含內(nèi)TBC層16和外TBC層18，內(nèi)TBC層16在結(jié)合涂層12上直接沉積，以覆在結(jié)合涂層12上，而外TBC層18在內(nèi)TBC層16上直接沉積，以覆在內(nèi)TBC層16上，并且限定TBC系統(tǒng)10和部件20的最外表面24。因此，如果部件20經(jīng)受污染物，則污染物將在外TBC層18的表面24上直接沉積。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選的方面，內(nèi)TBC層16和外TBC層18由具有不同氧化釔含量的YSZ材料形成。TBC 14的外TBC層18的氧化釔含量高于在內(nèi)TBC層16上的氧化釔含量，并且足夠高以促進(jìn)外TBC層18與可在TBC系統(tǒng)10的最外表面24上沉積的污染物反應(yīng)的能力。特別關(guān)注的污染物為前述CMAS，在這種情況下，外TBC層18的氧化釔含量能在超過約1200°C (約2200 0F )的溫度下與熔融的CMAS沉積物反應(yīng)，以形成含有硅酸釔鈣(通常稱為磷灰石相)的保護(hù)性反應(yīng)產(chǎn)物。反應(yīng)產(chǎn)物形成致密的粘著密封層，其保護(hù)下面的TBC系統(tǒng)10免受CMAS的進(jìn)一步滲入。雖然在Darolia等人的美國專利號7，862，901中教導(dǎo)了含有多于20重量％氧化釔的YSZ層耐CMAS滲入，但是發(fā)現(xiàn)在Darolia等人教導(dǎo)的范圍內(nèi)的TBC系統(tǒng)易于散裂。本發(fā)明基于以下決定:通過更窄地限制氧化釔含量，特別是，通過控制內(nèi)TBC層16和外TBC層18的相對厚度和密度，實現(xiàn)耐散裂性，如以下討論。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選的方面，外TBC層18含有約25-約75重量％氧化釔，余量基本上為氧化鋯(允許伴隨的雜質(zhì))。更優(yōu)選，外TBC層18含有30-59重量％，優(yōu)選小于55重量％氧化釔，其中36-42重量％的氧化釔含量顯得特別足以能夠進(jìn)行形成期望的硅酸釔鈣反應(yīng)產(chǎn)物的反應(yīng)，同時提供與更高氧化釔含量相比更大的耐侵蝕性和耐散裂性。與此相反，內(nèi)TBC層16具有較低的氧化釔含量，并且可含有約6-約9重量％氧化釔的通常常規(guī)的氧化釔含量，余量基本上為氧化鋯(允許伴隨的雜質(zhì))。由圖2顯然的是，氧化釔-氧化鋯系統(tǒng)的相圖顯示內(nèi)TBC層16的組成落入亞穩(wěn)定四方(或改性四方)相的區(qū)域，而外TBC層18優(yōu)選的30-59重量％氧化釔的范圍完全位于立方相區(qū)域內(nèi)。
[0025]如上所述，關(guān)于密度(孔隙率)和厚度，外TBC層18也與內(nèi)TBC層16不同。特別是，內(nèi)TBC層16沉積的方式獲得相對多孔的宏觀結(jié)構(gòu)，優(yōu)選特征在于約10-約25體積％的孔隙率水平，更優(yōu)選約10-約20體積％。與此相反，外TBC層18沉積的方式獲得比內(nèi)TBC層16較少孔的宏觀結(jié)構(gòu)。外TBC層18優(yōu)選孔隙率水平為約3-約15體積％，更優(yōu)選約5-約10體積％。鑒于與在內(nèi)TBC層16內(nèi)的四方Y(jié)SZ相相比，在該層18內(nèi)的立方體YSZ相的較低韌性和耐侵蝕性，需要外TBC層18的優(yōu)選密度范圍和相對較高的密度。
[0026]為了在TBC層16和18中得到期望的孔隙率水平，TBC層16和18優(yōu)選具有由熱噴灑技術(shù)沉積產(chǎn)生的非柱狀結(jié)構(gòu)，熱噴灑技術(shù)例如等離子體噴灑(空氣(APS)、真空(VPS)和低壓(LPPS))或高速氧燃料(HVOF)。如本領(lǐng)域已知的，熱噴灑涉及向表面驅(qū)動熱可熔材料(例如，金屬、陶瓷)的熔融顆粒或至少熱軟化的顆粒，顆粒在表面驟冷并且與表面結(jié)合，以產(chǎn)生涂層。因此，內(nèi)TBC層16和外TBC層18以熔融的“板形”形式沉積，產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)特征在于由板形(扁平化的晶粒)的存在而導(dǎo)致的水平孔隙率?？尚揎桾BC層16和18任一個或兩者的微觀結(jié)構(gòu)，以含有在美國專利號5073433、5520516、5830586、5897921、5989343和6047539中教導(dǎo)的致密的垂直裂紋。在本發(fā)明的范圍內(nèi)的還有，內(nèi)TBC層16和/或外TBC層18可使用其它沉積方法沉積，其非限制性實例包括物理氣相沉積方法、溶液等離子體噴灑方法、懸浮液等離子體方法、高速空氣燃料熱噴灑方法和高速氧燃料熱噴灑方法。
[0027]內(nèi)TBC層16和外TBC層18和結(jié)合涂層12可使用相同的熱噴槍沉積。通過控制表面溫度和改變用于沉積TBC層16和18的疏遠(yuǎn)距離(standoff distance),已得到特別可接受的結(jié)果，包括TBC層16和18的期望的密度差。通過使用相對常規(guī)的等離子體噴灑條件沉積結(jié)合涂層12和內(nèi)TBC層16，已得到特別合適的結(jié)果，所述條件包括約4.5-約5英寸(約11.4-約12.7 cm)的疏遠(yuǎn)距離和使用清掃空氣，同時保持結(jié)合涂層12的表面溫度在約75-約200 0F (約24-約93°C )。此外，通過使用比用于沉積內(nèi)TBC層16更短的疏遠(yuǎn)距離來沉積外TBC層18，例如，約3-約3.25英寸(約7.6-約8.3 cm)，使用清掃空氣，同時保持內(nèi)TBC層16的沉積表面處于比用于沉積內(nèi)TBC層16更高的溫度，例如，約450-約550 T (約230-約260°C)，得到特別合適的結(jié)果。換言之，外TBC層18可使用與用于沉積內(nèi)TBC層16相同的熱噴槍來涂敷，但是在比TBC層16更熱和更近的基材表面上沉積TBC層18。這些參數(shù)的組合效果是，有意降低外TBC層18相對于內(nèi)TBC層16的孔隙率。
[0028]圖3顯示含有結(jié)合涂層和兩個上述類型的TBC層的TBC系統(tǒng)的非限制性實例。結(jié)合涂層在圖像中顯示為最亮的層，而外TBC層在圖像中顯示為最暗的層。
[0029]在沉積TBC層16和18 二者后，TBC系統(tǒng)10優(yōu)選經(jīng)歷熱處理，以減輕殘余的應(yīng)力。示例性熱處理為在真空中在約1925-約1975 0F (約1050-約1080°C )溫度范圍內(nèi)經(jīng)過約2-約4小時的持續(xù)時間。認(rèn)為特別優(yōu)選的熱處理是在真空中在約1975 0F (約1080°C )下經(jīng)過約4小時。這種公開的熱處理僅為示例性的，并且可采用其它有效的熱處理。
[0030]如上所述，外TBC層18在厚度方面也與內(nèi)TBC層16不同。對本發(fā)明的研究證明必須控制TBC層16和18的相對厚度，以實現(xiàn)改進(jìn)TBC系統(tǒng)10的耐散裂性，甚至在不存在CMAS污染物的情況下。特別是，測試表面外TBC層18與內(nèi)TBC層16的厚度比必須小于I。圖4表示在需要從室溫至約2075 T (約1135°C )之間的I小時循環(huán)的條件下進(jìn)行的爐循環(huán)測試所累積的數(shù)據(jù)，其中在峰值溫度下停留時間為約45分鐘。當(dāng)TBC系統(tǒng)約20%的表面積已散裂時，終止樣品的測試。評價兩組樣品，各自在由Ren6 N5形成并且提供有由NiCrAH形成的結(jié)合涂層的基材上沉積。第一組樣品具有約3密耳厚(約75微米)的約7%YSZ的內(nèi)TBC層和約12密耳厚(約300微米)的約38%YSZ的外TBC層。第二組樣品具有約10密耳厚(約250微米)的約7%YSZ的內(nèi)TBC層和約5密耳厚(約125微米)的約38%YSZ的外TBC層。TBC層使用先前對本發(fā)明的內(nèi)TBC層16和外TBC層18所描述的等離子體噴灑參數(shù)來沉積。由圖4顯然的是，第二組樣品展示比第一組樣品更長的TBC壽命。特別是，具有小于I (約0.5)的厚度比的樣品的呈現(xiàn)爐循環(huán)壽命比具有大于I (約4)的厚度比的樣品大，為5倍。[0031]由這些測試顯示，除了內(nèi)TBC層16和外TBC層18之間的組成和孔隙率差異以外，重要的是它們的厚度比(外/內(nèi))不大于I。由這些測試進(jìn)一步推斷，優(yōu)選的厚度比小于1，認(rèn)為特別優(yōu)選不大于0.5的厚度比。TBC層16和18的單獨厚度可改變，以實現(xiàn)期望的比率。例如，內(nèi)TBC層16的厚度可為50微米至最多約500，例如，約250微米的標(biāo)稱厚度，而外TBC層18的厚度可為25微米至最多約250，例如，約125微米的標(biāo)稱厚度。
[0032]由以上應(yīng)理解的是，相對于內(nèi)TBC層16，外TBC層18的特性(尤其是，較高的氧化釔含量、更大的密度(較少孔隙率)和較小的厚度)能夠使TBC系統(tǒng)10不僅減輕CMAS沉積物的有害影響，而且還呈現(xiàn)可接受的熱循環(huán)壽命。因此，TBC系統(tǒng)10特別良好地適用于保護(hù)燃?xì)廨啓C發(fā)動機的熱區(qū)部件，并且能夠使這樣的部件能操作更長的持續(xù)時間和/或在更高的溫度下操作。
[0033]此外，通過在至少外TBC層18的氧化釔-氧化鋯系統(tǒng)中摻入氧化鉿(二氧化鉿；HfO2)，可改進(jìn)TBC系統(tǒng)10的幾種特性。這些特性包括熱導(dǎo)率降低、燒結(jié)速率降低和催化結(jié)晶CMAS。認(rèn)為大于0.5重量％，更優(yōu)選大于1.0重量％量的氧化鉿對這些特性具有顯著影響。在氧化釔-氧化鋯系統(tǒng)中，氧化鉿提高聲子散射，因此降低熱導(dǎo)率。氧化鉿還降低高氧化釔含量的外TBC層18的氧離子傳導(dǎo)率，進(jìn)而降低層18的燒結(jié)速率。
[0034]此外，氧化鉿不溶于CMAS，認(rèn)為大于0.5重量％，更優(yōu)選大于1.0重量％的量的氧化鉿用作成核劑，用于保護(hù)性反應(yīng)產(chǎn)物的沉淀，該產(chǎn)物含有硅酸釔鈣(通常稱為磷灰石相)和潛在含有由高氧化釔的外TBC層18與CMAS沉積物的相互作用產(chǎn)生的其它反應(yīng)產(chǎn)物。通過催化結(jié)晶CMAS (例如，結(jié)晶鉿酸鈣)的沉淀，氧化鉿顆粒還可用于減輕CMAS的玻璃形成，在TBC系統(tǒng)10中，結(jié)晶CMAS(例如，結(jié)晶鉿酸鈣)比無定形CMAS害處較小。出于這些原因，期望在氧化釔-氧化鋯TBC系統(tǒng)10中摻入氧化鉿，認(rèn)為這樣的氧化鉿摻入與本發(fā)明的優(yōu)選實施方案構(gòu)成整體。然而，在TBC層16或18任一個中的氧化鉿含量優(yōu)選小于其氧化釔含量，基于重量百分比。此外，由于氧化鉿為比氧化釔和氧化鋯更重和更大的分子，因此TBC系統(tǒng)10的鉿含量優(yōu)選不多于得到其期望的效果所必需的。在高氧化釔(約38重量％)的外TBC層18中，約1.3重量％的氧化鉿含量已顯示在降低散裂方面賦予顯著改進(jìn)?；诖耍茢嗤ㄟ^包括大于0.5至最多約10重量％，更優(yōu)選大于1.0至最多約2.5重量％的量的氧化鉿，應(yīng)可得到上述益處。
[0035]作為本發(fā)明的另外和任選的特性，可將最多10重量％的氧化鉭(Ta2O5 ;氧化鉭)摻入到至少外TBC層18中。除了氧化鉿以外優(yōu)選加入氧化鉭(氧化鉭代替氧化鋯)，但是可預(yù)見在TBC系統(tǒng)10中可包括氧化鉭以部分或甚至完全代替氧化鉿。與向TBC系統(tǒng)10中加入氧化鉿的效果類似，認(rèn)為氧化鉭沉淀出結(jié)晶鉭酸鈣相，結(jié)晶鉭酸鈣相有益于抑制剩余的CMAS滲入TBC系統(tǒng)10中，并且提高周圍CMAS的熔點。
[0036]雖然已關(guān)于具體的實施方案描述了本發(fā)明，但顯然的是，本領(lǐng)域技術(shù)人員可采用其它形式。因此，本發(fā)明的范圍僅由以下權(quán)利要求限定。
【權(quán)利要求】
1.一種在部件的表面區(qū)域上的涂層系統(tǒng)，所述涂層系統(tǒng)包含: 結(jié)合涂層；和 在所述結(jié)合涂層上的內(nèi)陶瓷層和外陶瓷層，所述內(nèi)陶瓷層覆在所述結(jié)合涂層上，所述內(nèi)陶瓷層基本上由被約6-約9重量％氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯組成，所述內(nèi)陶瓷層具有厚度和孔隙率水平，所述外陶瓷層覆在所述內(nèi)陶瓷層上并接觸所述內(nèi)陶瓷層，并且限定所述涂層系統(tǒng)的最外表面，所述外陶瓷層基本上由被約25-約75重量％氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯組成，并且還含有大于0.5-10重量％氧化鉿和任選1-10重量％氧化鉭，所述外陶瓷層的厚度小于所述內(nèi)陶瓷層的厚度，孔隙率水平低于所述內(nèi)陶瓷層的孔隙率水平。
2.權(quán)利要求1的涂層系統(tǒng)，其中所述外陶瓷層含有大于1.0-10重量％氧化鉿。
3.權(quán)利要求1的涂層系統(tǒng)，其中所述外陶瓷層含有大于1.0-2.5重量％氧化鉿。
4.權(quán)利要求1的涂層系統(tǒng)，其中所述內(nèi)陶瓷層的厚度為至少50-約500微米，而所述外陶瓷層的厚度為最多250微米。
5.權(quán)利要求1的涂層系統(tǒng)，其中所述外陶瓷層的厚度為至少約25微米。
6.權(quán)利要求1的涂層系統(tǒng)，其中所述外陶瓷層厚度與所述內(nèi)陶瓷層厚度的比率不大于0.5。
7.權(quán)利要求1的涂層系統(tǒng)，其中所述內(nèi)陶瓷層的孔隙率水平為約10-約25體積％，而所述外陶瓷層的孔隙率水平為約3-約15體積％。
8.權(quán)利要求1的涂層系統(tǒng)，其中所述外陶瓷層基本上由被約36-42重量％氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯組成，并且所述外陶瓷層和內(nèi)陶瓷層限定不大于0.5的厚度比。`
9.權(quán)利要求1的涂層系統(tǒng)，其中所述外陶瓷層包含立方晶體相，而所述內(nèi)陶瓷層基本上由四方或改性四方晶體相組成。
10.權(quán)利要求1的涂層系統(tǒng)，其中所述外陶瓷層與含有氧化鈣、氧化鎂、氧化鋁和二氧化硅的共晶化合物反應(yīng)，以在超過1200°c的溫度下形成硅酸釔鈣。
11.權(quán)利要求1的涂層系統(tǒng)，其中所述結(jié)合涂層為選自MCrAlX覆蓋涂層和/或擴散鋁化物涂層的金屬結(jié)合涂層。
12.權(quán)利要求1的涂層系統(tǒng)，其中所述部件為由基于鎳或基于鈷的超合金形成的燃?xì)廨啓C發(fā)動機部件。
13.權(quán)利要求10的涂層系統(tǒng)，其中所述部件選自燃?xì)廨啓C發(fā)動機的高壓和低壓渦輪機葉輪和葉片、護(hù)罩、燃燒器襯里和增壓器硬件。
14.一種在部件上形成涂層系統(tǒng)的方法，所述方法包括: 在所述部件的表面上沉積結(jié)合涂層； 在所述結(jié)合涂層上沉積內(nèi)陶瓷層，所述內(nèi)陶瓷層基本上由被約6-約9重量％氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯組成并任選含有大于0.5-10重量％氧化鉿，沉積所述內(nèi)陶瓷層以具有厚度和孔隙率水平； 在所述內(nèi)陶瓷層上沉積外陶瓷層，所述外陶瓷層限定所述涂層系統(tǒng)的最外表面并且基本上由被約25-約75重量％氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯組成，并且還含有大于0.5-10重量％氧化鉿和任選1-10重量％氧化鉭，沉積所述外陶瓷層以具有小于所述內(nèi)陶瓷層厚度的厚度，并且具有高于所述內(nèi)陶瓷層的孔隙率水平；和隨后 在真空中熱處理所述內(nèi)陶瓷層和外陶瓷層至一定溫度，并經(jīng)歷足夠的持續(xù)時間，以減輕其中由沉積步驟誘發(fā)的應(yīng)力。
15.權(quán)利要求14的方法，其中所述熱處理步驟在真空中在約1050-約1080°C溫度下進(jìn)行約2-約4小時的持續(xù)時間。
16.權(quán)利要求14的方法，其中所述外陶瓷層厚度與所述內(nèi)陶瓷層厚度的比率不大于0.5。
17.權(quán)利要求14的方法，其中沉積所述外陶瓷層和內(nèi)陶瓷層，使得所述內(nèi)陶瓷層的孔隙率水平為約10-約25體積％，而所述外陶瓷層的孔隙率水平為約3-約15體積％。
18.權(quán)利要求14的方法，其中沉積所述外陶瓷層，以基本上由被約36-42重量％氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯和大于1.0-2.5重量％氧化鉿組成，并且所述外陶瓷層和內(nèi)陶瓷層限定不大于0.5的厚度比。
19.權(quán)利要求14的方法，其中沉積所述外陶瓷層以包含立方晶體相，和沉積所述內(nèi)陶瓷層以基本上由四方或改性四方晶體相組成。
20.權(quán)利要求14的方法，其中所述部件為燃?xì)廨啓C發(fā)動機部件，并且所述方法還包括使所述外陶瓷層與含有氧化鈣、氧化鎂、氧化鋁和二氧化硅的沉積物反應(yīng)，以形成硅酸釔鈣。`
【文檔編號】B32B18/00GK103874580SQ201280050181
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2012年10月12日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月13日
【發(fā)明者】B.A.納加拉, D.G.科尼策爾, J.M.查普曼, V.S.文卡塔拉馬尼 申請人:通用電氣公司