专利名称：隔热涂层的涂敷或修补方法
技术领域：
本发明涉及一种向一种物品，尤其是涡轮发动机部件例如燃烧器偏转板及组件、喷嘴等等的金属衬底涂敷一隔热涂层的方法或修补金属衬底上先前已涂敷的隔热涂层的方法。本发明还涉及一种通过等离子喷涂技术涂敷隔热涂层的方法或修补先前已涂敷的隔热涂层的方法，这里底层金属衬底具有覆盖铝化物扩散涂层。
背景技术：
为了增加其效率，持续不断地寻找燃气轮机的更高工作温度。然而，随着工作温度的增加，发动机部件的耐高温性也必须相应提高。通过形成镍基或钴基超耐热合金，高温能力中已得到显著提高，但是单有这种合金对于形成燃气轮机的某些部分中的部件来说常常还不够，这些部件例如为涡轮叶和叶片、涡轮罩、翼片、喷嘴、燃烧衬里和偏转板、推力增强装置等等。一种常见的解决方案是使这些部件保持热隔离以便使其工作温度达到最小。为此目的，将隔热涂层涂敷于处在这种高表面温度下的涡轮机部件的金属衬底上已得到广泛的应用。
为了有效起见，隔热涂层应当具有低导热率(即应当对底层金属衬底绝热)，牢固粘附于涡轮机部件的金属衬底上，并且在经过许多加热和冷却周期时始终保持粘附。由于低导热率的材料与通常用于形成涡轮机部件金属衬底的超耐热合金材料具有不同的热膨胀系数，因此对上面的后一要求尤为需要。通常，能够满足这些要求的隔热涂层包括一覆盖着金属衬底的陶瓷层。已经利用各种陶瓷材料来作陶瓷层，例如化学(金属氧化物)稳定的氧化锆，例如氧化钇稳定的氧化锆、氧化钪稳定的氧化锆、氧化钙稳定的氧化锆以及氧化镁稳定的氧化锆。隔热涂层通常选择氧化钇稳定的氧化锆陶瓷涂层，例如约7％的氧化钇和约93％的氧化锆。
为了提高陶瓷层在底层金属衬底上的粘附作用并防止其氧化，一结合涂层通常形成于金属衬底上，其由抗氧化的覆盖合金涂层例如MCrAIY，其中M可能是铁、钴和/或镍，或抗氧化的扩散涂层例如铝化物如镍铝化物和铂铝化物构成。为了获得更高的温度-热周期能力以便增加维修间隔，并且使涡轮机部件如燃烧器(圆顶)组件的燃烧器喷溅或偏转板、燃烧器喷嘴等等获得更高的温度能力，首先将一种铝化物扩散涂层涂敷于金属衬底上，通常通过化学气相沉积(CVD)方法来涂敷。然后，通常通过物理气相沉积(PVD)如电子束物理气相沉积(EB-PVD)方法将一陶瓷层涂敷于这种铝化物涂层上，以便提供隔热涂层。通常，在通过PVD涂敷陶瓷层之前，部件的各个零件(例如附连或连接于支承结构如涡旋式喷嘴和垫板上以便形成燃烧器圆顶组件的偏转板，或者连接于内、外带上以便形成一喷嘴的螺旋桨)都单独涂敷上铝化物扩散涂层。参看2002年9月3日公布的美国专利6,442,940(Young等人)以及2003年1月7日公布的美国专利6,502,400(Freidauer等人)，可以了解到由多个铜焊于一起的零件形成的燃烧器圆顶组件。随后，这些涂敷过的零件通常通过机加工去除零件连结处的涂层，然后铜焊于支承结构上，以便提供得到隔热涂层保护的完整部件。
尽管通过PVD技术涂敷的隔热涂层在耐久性的提高方面有了显著进展，但是这种涂层将通常需要在特定环境下进行修补，尤其是经受强热和热循环的燃气轮机部件。涡轮发动机部件的隔热涂层也可能易于受到各种类型的损坏，包括发动机所吸入的物体、腐蚀、氧化以及环境污染的侵袭，这就会需要修补涂层。当部件包括由单独通过PVD方法涂敷并进行机加工然后焊接于支承结构等等的零件构成的组件时，例如在燃烧器圆顶组件的情况下，修补这种隔热涂层的问题就会特别突出，。在去除PVD涂敷的隔热涂层(例如通过喷砂处理方法涂敷)的过程中，可能同样会去除一些或全部的底层铝化物扩散涂层。当部件处于装配状态时，修补或重新涂敷这种铝化物扩散涂层常常难以进行、成本昂贵并且不切实际。
当部件处于装配状态时，通过PVD技术修补或重新涂敷陶瓷层的困难更为显著。由于实施PVD方法所具有的处理条件(常常很热)，因此通过PVD(尤其是EB-PVD)方法修补或重新涂敷陶瓷层可能会损坏装配部件的硬焊接头以及零件通过铜焊所连接的支承结构。因此，部件通常被拆成单个零件，然后才能从铝化物扩散涂层上剥离或去除PVD涂敷的隔热涂层，如通过喷砂处理方法。然后隔热涂层可通过PVD方法重新涂敷于各个经过剥离的零件上(不管先前是否修补过底层铝化物扩散涂层)，随后进行机加工并重新将这些PVD重新涂敷的零件铜焊于支承结构上，以便再次提供完整部件。这种修补过程可能需要密集劳动、耗时耗钱且不切实际。
在一些情况下，可能还需要通过等离子喷涂(尤其是空气等离子喷涂)方法将隔热涂层涂敷于涡轮发动机部件的金属衬底上，这里底层金属衬底具有一铝化物扩散涂层。在修补损坏的PVD涂敷的隔热涂层时也可能需要用于涂敷隔热涂层的等离子喷涂方法，因为涂敷等离子喷射涂层的条件不会损坏硬铜接头而且可容许在不拆卸部件的情况下对隔热涂层进行修补。然而，为了使等离子喷射涂敷的隔热涂层能够完全粘附，通常需要将一覆盖合金结合涂层(例如McrAIY)涂敷于铝化物扩散涂层上。然而，通过等离子喷涂技术，尤其是空气等离子喷涂方法将这种覆盖合金结合涂层涂敷于铝化物扩散涂层上并非没有问题。在许多情况下，等离子喷涂的覆盖合金结合涂层将不能持久地粘附于铝化物扩散涂层的表面上。这也使得难以用等离子喷涂方法来替代PVD方法用于修补损坏的PVD涂敷的隔热涂层。
因此，需要提供一种用于修补这种具有PVD涂敷的隔热涂层的部件的方法，其能减少进行这种修补的成本与时间并且能够广泛用于各种涡轮发动机部件，如燃烧器偏转板组件与燃烧器喷嘴。还需要提供一种能够通过等离子喷涂方法将隔热涂层涂敷于具有一覆盖铝化物扩散涂层的金属衬底上的方法。
发明内容
本发明的一个实施例涉及一种将一隔热涂层涂敷于一底层金属衬底上的方法，这里金属衬底具有一覆盖铝化物扩散涂层。这种方法包括以下步骤(1)处理铝化物扩散涂层以使其更易于接受一等离子喷涂的覆盖合金结合涂层的粘附作用；(2)利用等离子喷涂方法将一种覆盖合金结合涂层材料喷涂于所处理的扩散涂层上以便形成一覆盖合金结合涂层；以及(3)任选地，利用等离子喷涂方法将一种陶瓷隔热涂层材料喷涂于覆盖合金结合涂层上以便形成隔热涂层。
本发明的另一实施例涉及一种隔热涂层的修补方法，这种隔热涂层通过物理气相沉积方法涂敷于一覆盖着金属衬底的底层铝化物扩散涂层上。这种方法包括以下步骤(1)从底层铝化物扩散涂层上去除应用物理气相沉积方法涂敷的隔热涂层；(2)处理扩散涂层以使其更易于接受一等离子喷涂的覆盖合金结合涂层的粘附作用；(3)利用等离子喷涂方法将一种覆盖合金结合涂层材料喷涂于所处理的扩散涂层上以便形成一覆盖合金结合涂层；以及(4)任选地，利用等离子喷涂方法将一种陶瓷隔热涂层材料喷涂于覆盖合金结合涂层上以便形成隔热涂层。
本发明的用于涂敷等离子喷涂的隔热涂层和用于修补物理气相沉积涂敷的隔热涂层的方法的实施例提供了若干优点。这些方法容许将一种等离子喷涂的隔热涂层涂敷于一覆盖着涡轮机部件，如燃烧器偏转板组件或燃烧器喷嘴的金属衬底的底层铝化物扩散涂层上，并且涂敷方式能保证等离子喷涂的隔热涂层得到充分粘附。这些方法还容许在不需要拆开或分解部件并且不损坏部件部分，包括铜焊接头与支承结构的情况下对物理气相沉积涂敷的隔热涂层进行修补。这些方法还容许以一种比较节约时间且比较简单的方式来涂敷或修补这些隔热涂层，并且实施的成本较低。这些方法还容许使用更灵活的等离子喷涂方法，这种方法能够在空气中并且在温度较低的情况下实施，例如通常小于大约800(约427℃)。比较而言，物理气相沉积方法缺少灵活性，并且通常需要在一较小的涂室内在真空条件下在较高温度下实施，例如通常处于从约1750°至约2000的范围内(从约954°至约1093℃)。
图1为带有两环形阵列的带涂层偏转板的燃气轮机所用的燃烧器偏转器圆顶组件的局部平面图。
图2为图1的带涂层偏转板之一的平面图。
图3为示出了一PVD涂敷的偏转板在修补前的侧视图的图象。
图4为示出了与图3中相似的带涂层偏转板在根据本发明的一实施例进行修补后的侧视图的图象。
图5为一PVD涂敷的偏转板在修补前的剖视图。
图6和7为本发明的一个实施例的修补步骤的剖视图。
具体实施例方式
在本文中使用时，术语“陶瓷隔热涂层材料”是指那些涂层材料能够减少热量流向物品的底层金属衬底，即形成一热障，并且熔点通常位于至少约2000(1093℃)左右，更通常位于至少约2200(1204℃)左右，更通常位于从约2200°至约3500(从约1204°至约1927℃)的范围内。这里所使用的适用陶瓷隔热涂层材料包括氧化铝(氧化铝)，即那些包括Al2O3的未水合与水合形式的化合物与组合物，各种氧化锆，尤其是化学稳定的氧化锆(即各种金属氧化物，例如与氧化锆混合的钇氧化物)，如氧化钇稳定的氧化锆、二氧化铈稳定的氧化锆、氧化钙稳定的氧化锆、氧化钪稳定的氧化锆、氧化镁稳定的氧化锆、氧化铟(india)稳定的氧化锆、氧化镱稳定的氧化锆以及这些稳定的氧化锆的混合物。例如，参看Kirk-Othmer编写的化学技术百科全书，第三版，第24卷，882-883页(1984年版)，可以看到关于适用氧化锆的描述。适用的氧化钇稳定的氧化锆可包括从约1至约20％的氧化钇(基于氧化钇与氧化锆的组合重量)，更通常从约3至约10％的氧化钇。这些化学稳定的氧化锆可能还包括一种或更多种第二金属(例如镧系元素或锕系元素)氧化物，如氧化镝、氧化铒、氧化铕、氧化钆、氧化钕、氧化镨、二氧化铀、二氧化铪以便于进一步减小隔热涂层的导热率。请参看2000年2月15日公布的美国专利6,025,078(Rickersby等人)和2001年12月21日公布的美国专利6,333,118(Alperine等人)，这二者都引入作为参考。适用的非氧化铝陶瓷隔热涂层材料还包括通式A2B2O7，其中A是一种化合价为3+或2+的金属(例如钆、铝、铈、镧或钇)而B是一种化合价为4+或5+的金属(例如铪、钛、铈、或锆)，其中A与B的化合价之和为7。这种类型的代表性材料包括钆-锆、镧钛、镧锆、钇锆、镧铪、铈锆、铝铈酸盐、铈铪酸盐、铝铪酸盐以及镧铈酸盐。参看2000年9月12日公布的美国专利6,177,560(Maloney)、2001年1月23日发表的美国专利6,177,200(Maloney)、2001年9月4日发表的美国专利6,284,323(Maloney)、2001年11月20日发表的美国专利6,319,614(Beele)以及2002年5月14日发表的美国专利6,387,526(Beele)，所有这些都引入作为参考。
在本文中使用时，术语“铝化物扩散涂层”是指涂层包含各种贵金属铝化物例如镍铝化物和铂铝化物以及单一铝化物(即不带贵金属)，并且通常通过化学气相沉积(CVD)技术形成于金属衬底上。例如，参看1979年4月10日公布的美国专利4,148,275(Benden等人)、1999年7月27日公布的美国专利5,928,725(Howard等人)以及2000年3月21日公布的美国专利6,039,810(Mantkowski等人)(所有这些都引入作为参考)，其中公开了通过CVD技术涂敷铝化物扩散涂层的各种设备与方法。
在本文中使用时，术语“覆盖合金结合涂层材料”是指那些包含各种金属合金例如MCrAIY合金的材料，其中M是一种金属例如铁、镍、铂、钴或其合金。
在本文中使用时，术语“物理气相沉积涂敷的隔热涂层”是指通过各种物理气相沉积(PVD)技术，包括电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术涂敷的隔热涂层。例如，参看1997年7月8日公布的美国专利5,645,893(Rickerby等人)(尤其是第3栏、36-63行)以及1998年2月10日公布的美国专利5,716,720(Murphy)(尤其是第5栏、24-61行)(所有这些都引入作为参考)，其中公开了通过PVD技术，包括EB-PVD技术涂敷隔热涂层的各种设备与方法。PVD技术往往形成具有一多孔耐应变柱状结构的涂层。参看图3。
在本文中使用时，术语“包括”意思是指各种组合物、化合物、组分、层、步骤等等能够结合用于本发明。因此，术语“包括”包含限制性更强的术语“基本上由...组成”以及“由...组成”。
所有本文中使用的数量、部分、比率以及百分率均按重量计算，除非另有规定。
本发明的方法的实施例可用于为由金属衬底形成的各种涡轮发动机(例如燃气轮机)零件或部件涂敷或修补隔热涂层，这些金属衬底包括各种金属和金属合金，包括超耐热合金，并且工作于或者暴露于高温下，尤其是在发动机正常工作过程中所产生的更高温度下。这些涡轮发动机的零部件可包括涡轮螺旋桨如桨叶与叶片、涡轮罩、涡轮喷嘴、燃烧器部件如衬里、偏转器及其对应的圆顶组件、燃气轮机的推力增强硬件等等。
本发明的方法的实施例尤其适用于将隔热涂层涂敷或修补到涡轮发动机部件上，包括连接到或者附连于支承结构上的装配零件(举例说，如通过铜焊)，例如燃烧器偏转板组件与燃烧器喷嘴组件。对于这些部件，所要应用或修补的隔热涂层通常为一个零件的，更通常为(例如通过铜焊)连接或者附连于支承结构上的多个零件(例如，燃烧器偏转器组件中的偏转板，或喷嘴组件中的螺旋桨)的。实际上，本发明的方法的实施例尤其适用于涂敷或修补这些装配部件，而不需拆开或分解部件并且不会损坏部件的部分，包括铜焊接头与支承结构。例如，参看2002年9月3日公布的美国专利6,442,940(Young等人)以及2003年1月7日公布的美国专利6,502,400(Freidauer等人)，(这两者都引入作为参考)，可以了解到由多个铜焊于一起的零件形成的燃烧器圆顶组件，本发明的方法的实施例可为其涂敷或修补隔热涂层。尽管对本发明的方法的一个实施例的以下讨论将参照燃烧器偏转器圆顶组件，尤其是包括这些组件且具有覆盖着金属衬底的隔热涂层的相应喷溅或偏转板来进行，但也应当理解，本发明的方法也可用于其它包括工作于或者暴露于高温下的具有或需要隔热涂层的金属衬底的物品。
通过参考附图，对本发明的方法的各种实施例进行进一步示例说明，如下文中所述。参看附图，图1中示出了总体标示为10的一燃烧器偏转器圆顶组件。所示的圆顶组件10具有一总体标示为18的包括多个偏转板26的外部第一环形偏转板阵列，以及一总体标示为34的也包括多个偏转板26的相邻内部环形偏转板阵列。尽管所示的圆顶组件10具有两个环形偏转板阵列18与34，但是应当理解圆顶组件也可能包括单个环形偏转板阵列或者多于两个环形偏转板阵列(例如三个这种偏转板26组成的环形阵列)。这些环形偏转板阵列18与34通常由一基体支承，该基体包括多个涡旋式喷嘴(未示出)和一个总体标示为42的垫板。这些环形阵列18与34的偏转板26通常通过本发明所属领域的普通技术人员所熟知的铜焊方法连接或者附连于支承结构，例如垫板42上。
图2中示出了这样一个基本为矩形或梯形的偏转板26，其包括一弯曲外缘46、一相对的弯曲内缘52、沿朝向内缘52的方向彼此相对地倾斜的相对侧壁58和64、一前面或前表面70以及一后面或后表面76。表面70具有一形成于其中的中心开口或孔82，其由直径沿从表面70至表面76的方向逐渐减小的基本上呈环状的环形壁90限定。例如，还可参看1990年4月10日公布的美国专利4,914,918(Sullivan)，可以了解到本发明的方法的实施例可用于的其它具有多个偏转器段的燃烧器偏转器组件。
前、后表面70与76通常各具有一铝化物扩散涂层。然而，由于前表面70与燃料喷射器(未示出)相对，因此其通常具有一外部隔热涂层来保护前表面70以及偏转板26和组件10的其它部分免受热损坏。这特别示于图5中，其示出了包括一总体标示为100的金属衬底的偏转板26。衬底100可包括多种金属或更常见地包括金属合金中的任一种，其通常由隔热涂层进行保护，包括基于镍、钴和/或铁合金的那些。例如，衬底100可以包括一种高温耐热合金如超耐热合金。这种高温合金公开于各种参考资料中，例如1995年3月21日公布的美国专利5,399,313(Ross等人)以及1978年9月26日公布的美国专利4,116,723(Gell等人)，这二者都引入作为参考。高温合金还在Kirk-Othmer编写的化学技术百科全书，第三版，第12卷，417-479页(1980年版)以及第15卷，787-800页(1981年版)中进行了概括描述。说明性的高温镍基合金商标有Inconel、Nimonic、Rene、(例如Rene80-、Rene95合金)以及Udimet。
如图5中所示，一总体标示为106的铝化物扩散涂层邻近且覆盖着衬底100。这种扩散涂层106通常厚度为从约0.5至约4密耳(从约12至约100微米)，更通常为从约2至3密耳(从约50至约75微米)。这种扩散涂层106通常包括一直接邻近衬底100的内扩散层112(通常为涂层106厚度的约30至约60％，更通常为涂层106厚度的约40至约50％)以及一外添加层120(通常为涂层106厚度的约40至约70％，更通常为涂层106厚度的约50至约60％)。另外如图5中所示，一总体标示为128的隔热涂层(TBC)邻近且覆盖着添加层120。图5中所示的这种TBC128通过物理气相沉积(PVD)技术，例如电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术形成于扩散涂层106上。这种TBC128典型厚度为从约1至约30密耳(从约25至约769微米)，更典型的为从约3至20密耳(从约75至约513微米)。如图3中所示，这种通过PVD技术形成的TBC128具有多孔耐应变柱状结构。
经过长时间工作以及在正常的发动机工作过程中，TBC128会受到例如由发动机吸入的外来物体、腐蚀、氧化以及环境污染侵袭造成的损坏。这样，这种受到损坏的TBC128通常就会需要修补。在本发明的方法的实施例中，这种初始步骤包括将TBC128从扩散涂层106上剥离或者去除。TBC128可以通过任何本发明所属领域的普通技术人员所熟知的用于去除PVD涂敷的TBC的适用方法去除。用于去除这种PVD涂敷的TBC的方法可以是通过机械去除方法、化学去除方法及其任意组合方法。适用的去除方法包括喷砂处理方法，不管是否对不经受喷砂处理的表面进行遮蔽(参看Niagara等人的在1998年3月3日公布的美国专利5,723,078，尤其是第4栏第46-66行，其引入作为参考)，显微机械加工方法，激光蚀刻方法(参看在1998年3月3日公布的授予Niagara等人的美国专利5,723,078，尤其是第4栏第67行至第5栏第3和14-17行，其引入作为参考)，对TBC128利用化学腐蚀剂进行处理(例如通过光刻技术)，例如那些包含盐酸、氢氟酸、硝酸、氟化氢铵及其混合物的化学腐蚀剂，(例如，参看在1998年3月3日公布的授予Nagaraj等人的美国专利5,723,078，尤其是第5栏第3-10行；在1986年1月7日公布的授予Adinofi等人的美国专利4,563,239，尤其是第2栏第67行至第3栏第7行；在1982年10月12日公布的授予Fishter等人的美国专利4,353,780，尤其是第1栏第50-58行；以及在1983年10月25日公布的授予Fishter等人的美国专利4,411,730，尤其是第2栏第40-51行，所有这些都引入作为参考)，在压力下用水进行处理(即喷水处理)，不管是否带有载有磨粒，以及这些方法的各种组合。通常，TBC128通过喷砂处理去除，在这里TBC128受到金刚砂颗粒、钢粒、铝粒或其它类型磨粒的磨损作用。喷砂处理中所用的这些颗粒通常为铝粒，并且通常粒子尺寸为从约220至约35筛孔(从约63至约500微米)，更通常为从约80至约60筛孔(从约180至约250微米)。
在去除TBC128之后，就对扩散层106进行处理以便使其更易于接受一稍后将要通过等离子喷涂技术形成的覆盖合金结合涂层的粘附。这种扩散层106可通过先前所述用于去除TBC128的任何方法或方法的组合进行处理。参看在1998年3月3日公布的授予Nagaraj等人的美国专利5,723,078，尤其是第4栏第46-66行(在此引入作为参考)可以了解到一种涉及喷砂处理的适用方法。还可以参看在1982年7月13日公布的授予Lada等人的美国专利4,339,282，可以了解到一种用化学腐蚀剂去除镍铝化物涂层的适用方法。扩散层106的处理可以是一个单独的步骤，或者可以是去除TBC128的处理步骤的延续，而不管处理条件是否改变。通常，喷砂处理用于去除扩散涂层106，使其变得粗糙或者具有纹理。如图6所示，这种纹理化或粗糙化处理通常去除了全部或基本上全部的添加层120，以及至少大部分扩散层112，留下的剩余扩散层112(通常为涂层106原始厚度的约0至约75％，更通常为涂层106原始厚度的约5至约20％)则具有一标示为136的带纹理的或粗糙的外表面。例如，在通过喷砂处理方法对扩散层112进行处理之后，表面136通常具有的平均表面粗糙度Ra至少约为80微米，通常处于从约80至200微米的范围内，更通常从约100至150微米。
如图7中所示，在对扩散涂层106进行处理而使其更易于接受之后，再将一种适用的覆盖合金结合涂层材料沉积于所处理的铝化物扩散涂层上，以便形成一总体标示为142的覆盖合金结合涂层。这种覆盖合金粘结涂层142的厚度通常为从约1至约19.5密耳(从约25至约500微米)，更典型的为从约3至15密耳(从约75至约385微米)。在覆盖合金结合涂层142形成之后，一种适用的陶瓷隔热涂层材料随后沉积于层142上以便形成TBC150。TBC150的厚度通常处于从约1至约100密耳(从约25至约2564微米)的范围内，并且取决于各种因素，包括所涉及的物品。例如，对于涡轮罩，TBC150通常较厚，其一般处于从约30至70密耳(从约769至约1795微米)的范围中，更通常为从约40至60密耳(从约1333至约1538微米)。比较而言，对于偏转板26来说，TBC150通常较薄，其一般处于从约5至40密耳(从约128至约1026微米)的范围中，更通常为从约10至30密耳(从约256至约769微米)。
相应的粘结涂层142和TBC150可通过本发明所属领域普通技术人员所熟知的任何适用的等离子喷涂技术而形成。例如，参看Kirk-Othmer化学技术百科全书，第三版，第15卷，225页和其中提到的参考文献，以及1994年7月26日公布的美国专利5,332,598(Kawasaki等人)、1991年9月10日公布的美国专利5,047,612(Savkar等人)及1998年5月3目公布的美国专利4,741,286(Itoh等人)(在此引入作为参考)，其中介绍了适于此处使用的等离子喷涂技术的各个方面。总之，典型的等离子喷涂技术包括形成高温等离子，而这就会产生一热卷流。隔热涂层材料，例如陶瓷粉末，被送入热卷流中，然后高速热卷流被直接引向结合涂层142。这种等离子喷涂技术的各种详细情况将为本发明所属领域的普通技术人员所熟知，包括各种相关步骤及过程参数例如在沉积之前对结合涂层表面进行清理；等离子喷射参数例如喷射距离(喷枪至基底)、喷射次数的选择、粉末进料速度、颗粒速度、喷灯功率、等离子气体选择、用于调节氧化物理想配比的氧化控制、沉积角度、对涂敷涂层的后处理，等等。喷灯功率可以在约10千瓦至约200千瓦的范围内变化，并且在优选实施例中，范围为从约40千瓦至约60千瓦。隔热涂层材料颗粒流入等离子热卷流(或等离子“喷射”)的速度是另一个通常要特别严密控制的参数。
例如，适用的等离子喷射系统在1991年9月10日公布的美国专利5,047,612(Savkar等人)中进行了描述，其引入作为参考。简而言之，一种典型的等离子喷射系统包括一阳极等离子枪，其具有一指向所涂敷衬底的沉积表面的方向的喷嘴。等离子枪通常可以自动控制，例如通过一机器人机构，其能够按各种模式移动喷枪跨过衬底表面。等离子热卷流在阳极等离子枪出口与衬底表面之间沿轴线方向延伸。某种粉末喷射装置置于一位于阳极与衬底表面之间的预定的所需轴向位置。在这种系统的一些实施例中，粉末喷射装置沿半径方向与等离子热卷流区域隔开，一粉末材料所用的喷射管所处的位置使得其能够按照所需角度将粉末导入等离子热卷流中。夹带于运载气体中的粉末颗粒被推动穿过喷射器并进入等离子热卷流。颗粒随后在等离子中进行加热，而后朝向衬底推进。颗粒熔化，冲击于衬底上，然后快速冷却以便形成隔热涂层。
尽管本发明的方法的实施例的上述描述参照修补已有的PVD涂敷的TBC128来进行，但是本发明的方法的另一实施例可以用于形成一种新涂敷的TBC150。在这种方法的实施例中，具有一铝化物扩散涂层106的衬底100可以同以前一样进行处理以便使得涂层粗糙化或纹理化，如前文所述及图6中所示。然后形成覆盖扩散结合涂层142和TBC150，如前文所述及图7中所示。
尽管以上对本发明的方法的特定实施例进行了描述，但是本发明所述领域的普通技术人员应当清楚，在不背离如后附的权利要求书所确定的本发明的精神实质及范围的情况下，对本发明可以作出多种变动。
元件列表10燃烧器偏转器圆顶组件18第一环形偏转板阵列26偏转板34第二环形偏转板阵列42垫板46偏转板26的弯曲外缘52偏转板26的弯曲内缘58和64偏转板26的相对侧面70偏转板26的前面或前表面76偏转板26的背面或后表面82中心孔或中心开口90环状环形壁100 金属衬底106 铝化物扩散涂层112 内扩散层120 外添加层128 PVD涂敷的隔热涂层(TBC)136 残余扩散层112的带纹理的或粗糙的外表面142 覆盖合金结合涂层150 等离子喷涂的隔热涂层(TBC)
权利要求
1.一种将一隔热涂层(150)涂敷于一底层金属衬底(100)上的方法，其中金属衬底(100)具有一覆盖铝化物扩散涂层(106)，这种方法包括以下步骤(1)处理铝化物扩散涂层(106)以使其更易于接受一等离子喷涂的覆盖合金结合涂层(142)的粘附作用；以及(2)利用等离子喷涂方法将一种覆盖合金结合涂层材料喷涂于所处理的扩散涂层(136)上以便形成一覆盖合金结合涂层(142)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)通过对扩散涂层(106)进行喷砂处理来实施。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，扩散涂层(106)在步骤(1)中进行喷砂处理以便具有一平均表面粗糙度Ra至少为80微米的带纹理外表面(136)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，扩散涂层(106)的厚度为从0.5至4密耳(从12至100微米)，并且扩散涂层(106)在步骤(1)中进行喷砂处理以便使得带纹理外表面的平均表面粗糙度Ra为从80微米至200微米。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，还包括以下步骤(3)用等离子喷涂方法将一种陶瓷隔热涂层材料喷涂于覆盖合金结合涂层上以便形成隔热涂层(150)。
6.一种隔热涂层(128)的修补方法，这种隔热涂层(128)通过物理气相沉积方法涂敷于一覆盖着金属衬底(100)的底层铝化物扩散涂层(106)上，这种方法包括以下步骤(1)从底层铝化物扩散涂层(106)上去除应用物理气相沉积方法涂敷的隔热涂层(128)；(2)处理扩散涂层(106)以使其更易于接受一等离子喷涂的覆盖合金结合涂层(142)的粘附作用；以及(3)利用等离子喷涂方法将一种覆盖合金结合涂层材料喷涂于所处理的扩散涂层(136)上以便形成一覆盖合金结合涂层(142)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(1)通过对物理气相沉积涂敷的隔热涂层(128)进行喷砂处理来实施。
8.根据权利要求6至7中任一项所述的方法，其特征在于，扩散涂层(106)在步骤(2)中进行喷砂处理以便具有一平均表面粗糙度Ra至少为80微米的带纹理外表面(136)。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其特征在于，扩散涂层(106)的厚度为从0.5至4密耳(从12至100微米)，并且扩散涂层(106)在步骤(2)中进行喷砂处理以便使得带纹理外表面(136)的平均表面粗糙度Ra为从80微米至200微米。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)通过对扩散涂层(106)进行喷砂处理来实施。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的方法，还包括以下步骤(4)用等离子喷涂方法将一种陶瓷隔热涂层材料喷涂于覆盖合金结合涂层(142)上以便形成隔热涂层(150)。
12.一种隔热涂层(128)的修补方法，这种隔热涂层(128)通过物理气相沉积方法涂敷于一覆盖着已装配好的涡轮机部件(10)的至少一部分(26)的金属衬底(100)的底层铝化物扩散涂层(106)上，这种方法包括以下步骤(1)在涡轮机部件(10)处于装配状态时，从至少一部分(26)的底层铝化物扩散涂层上去除应用物理气相沉积方法涂敷的隔热涂层(128)；(2)处理扩散涂层(106)以使其更易于接受一等离子喷涂的覆盖合金结合涂层(142)的粘附作用；(3)利用等离子喷涂方法将一种覆盖合金结合涂层材料喷涂于所处理的扩散涂层上以便形成一覆盖合金结合涂层(142)；以及(4)用等离子喷涂方法将一种陶瓷隔热涂层材料喷涂于覆盖合金结合涂层(142)上以便形成隔热涂层(150)。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，步骤(1)通过对物理气相沉积涂敷的隔热涂层进行喷砂处理来实施。
14.根据权利要求12至13中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)通过对扩散涂层(106)进行喷砂处理来实施，以便具有一平均表面粗糙度Ra至少为约80微米的带纹理外表面(136)。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，用于修补一已装配好的部件即燃烧器偏转器组件(10)，其中，该至少一部分为具有一前面(70)和一背面(76)的偏转板(26)，其中前面(70)具有一通过物理气相沉积方法涂敷的隔热涂层(128)。
全文摘要
一种将隔热涂层(150)涂敷于底层金属衬底(100)上的方法，或者一种修补先前通过物理气相沉积方法涂敷于一覆盖着金属衬底(106)的底层铝化物扩散涂层(106)上的隔热涂层(128)的方法。对铝化物扩散涂层(106)进行处理以使其更易于接受一等离子喷涂的覆盖合金结合涂层(142)的粘附作用。然后利用等离子喷涂方法将一种覆盖合金结合涂层材料喷涂于所处理的扩散涂层(136)上以便形成一覆盖合金结合涂层(142)。利用等离子喷涂方法将一种陶瓷隔热涂层材料喷涂于覆盖合金结合涂层(142)上以便形成隔热涂层(150)。在这种方法的修补实施例中，首先从底层铝化物扩散涂层(106)上去除应用物理气相沉积方法涂敷的隔热涂层(128)。
文档编号C23C4/10GK1550567SQ20041004342
公开日2004年12月1日 申请日期2004年4月30日 优先权日2003年4月30日
发明者B·A·纳加拉, B A 纳加拉, E·Z·兰曼, 兰曼, D·A·索尔, 索尔, T·J·汤林森, 汤林森, R·W·海多恩, 海多恩, D·A·卡斯特鲁普, 卡斯特鲁普, C·D·杨, 杨 申请人:通用电气公司