超合金涡轮部件及通过带电粒子轰击的相关制造方法与流程

本发明涉及涡轮部件，例如用于航空的涡轮叶片和喷嘴导向叶片。

背景技术：

在涡轮喷气发动机中，燃烧室产生的废气可达到1200℃以上，或者甚至达到1600℃以上的高温。因此，与这些废气接触的涡轮喷气发动机部件，例如涡轮叶片必须能够在这样的高温下保持其机械性能。

对此，由“超合金”制造涡轮喷气发动机的某些部件是已知的。超合金是一类高强度金属合金，可以在相对接近其熔化温度的温度(通常是其熔化温度的0.7至0.8倍)下工作。

为了增强这些超级合金的耐热性并保护它们免于氧化和腐蚀，已知的是用作为热障的涂层来覆盖它们。

图1是涡轮部件1，例如涡轮叶片或喷嘴导向叶片的截面示意图。部件1包括覆盖有热障10的单晶金属超合金基底2。

图2是示出了涡轮部件1的覆盖基底2的热障10的一部分的截面的显微照片；图2中的黑色矩形是对应于50μm长度的比例尺。热障10包括金属结合层3、保护性层4和绝热层5。金属结合层3覆盖金属超合金基底2。金属结合层3本身被保护性层4覆盖，该保护性层4通过使金属粘结涂层3热氧化来形成(保护性层是热生长的氧化物或tgo)。保护性层4保护超合金基底免受腐蚀和/或氧化。绝热层5覆盖保护性层4。绝热层5可以由陶瓷制成，例如氧化钇稳定的氧化锆制成。金属结合层3提供超合金基底的表面与保护性层之间的粘结。

在制造热障期间，已知的是，在沉积粘合层之后，去除在粘合层的表面上形成的氧化物。这些氧化物是在与周围大气接触时而形成的，并且在使用涡轮部件时是不稳定或亚稳定的。

为此，已知的是，对金属结合层的外表面进行喷砂处理。喷砂处理能够除去在结合层沉积后于结合层表面上所形成的氧化物。

但是，当根据已知方法在喷砂步骤之后在结合层上形成tgo时：

杂质被输送到结合层的表面。这些杂质在通过氧化形成保护性层的过程中被引入到保护性层中；

tgo的晶粒大小不一。保护性层特别是具有小的晶粒(例如，尺寸小于1μm)，已知这些晶粒降低了热障的耐腐蚀性和抗氧化性，并且减小了保护层对结合层的粘附性；

不同的同素异形相可以共存于保护性层中。在氧化铝tgo的情况下，已知在使用部件的高温条件下，α相的不同相通过改变体积而转变成α相。体积的这种变化会导致tgo中的拉应力和裂纹，从而促进其剥落。因此，热障的使用寿命大大降低；

在金属结合层的不同部分，tgo的生长动力学不同。tgo的生长动力学差异会导致在使用热障时tgo中的机械应力，并缩短其使用寿命。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种有效地保护超合金涡轮部件使其免受氧化和腐蚀，同时赋予比于具有已知的热障的部件更长的使用寿命的方案。

在本发明的上下文中，该目的通过一种制造涡轮部件的方法来得以实现，该涡轮部件包括：

基于单晶镍的超合金基底，

覆盖该基底的金属结合层，以及

覆盖该结合层的保护性金属氧化物层，

所述方法包括以下步骤：

a)对所述金属结合层的表面进行带电粒子轰击，随后

b)于在步骤a)中经轰击的表面上形成所述保护性层。

由于结合层被带电粒子轰击，能够获得与保护性层接触的金属结合层的被蚀刻的表面，该被蚀刻的表面的粗糙度低于通过常规机械喷砂技术通常获得的粗糙度。另外，获得的粗糙度是更均匀。这使得保护性层在其形成期间以均匀的动力学生长，从而避免了在使用部件期间的机械应力导致保护性层的剥落。

本发明有利地由以下被单独采用或以其技术上可能的任何组合采用的特征来进行补充：

带电粒子轰击的步骤通过等离子体来进行；

该方法包括：在步骤a)之前，在所述基底上气相沉积所述金属结合层的步骤；

在步骤a)和步骤b)之间，在真空下将所述部件加热至1000℃以上的温度；

在沉积所述金属结合层和步骤a)之间，所述部件被加热至800℃至1200℃之间；

在步骤a)期间，旋转所述部件；

在步骤a)和步骤b)之间，使所述部件保持在真空下；

在步骤b)期间，将所述部件加热至1000℃以上的温度；

步骤a)在第一真空腔室中进行，步骤b)在第二真空腔室中进行，并且其中，在步骤a)和步骤b)之间，将所述部件经通道从第一腔室转移至第二腔室其中所述通道保持在真空下并且连接这两个腔室。

本发明还涉及一种涡轮部件，包括

基于单晶镍的超合金基底，

覆盖该基底的金属结合层，以及

覆盖该结合层的保护性金属氧化物层，

其特征在于，所述金属结合层具有与所述保护性层接触的表面，并且所述表面具有100nm至1μm之间的平均粗糙度。

本发明有利地由以下被单独采用或以其技术上可能的任何组合采用的特征来进行补充：

所述表面粗糙度的标准偏差小于表面的平均粗糙度的20％；

所述保护性层包括α相的氧化铝层。

附图说明

通过下面的描述，还将显现出其他特征和优点，这些描述仅是说明性的而不是限制性的，并且应结合附图来阅读，在附图中：

图1是涡轮部件，例如涡轮叶片或喷嘴导向叶片的截面示意图；

图2是涡轮部件的热障的一部分的截面的显微照片；

图3示出了制造涡轮部件的方法；

图4为涡轮部件的一部分的截面示意图；

图5示出了与保护性层接触的金属结合层的表面的显微照片；

图6示出了用于沉积金属结合层的装置；

图7示出了用于对金属结合层进行带电粒子轰击的装置；

图8示出了在蚀刻金属结合层的步骤和形成保护性层的步骤之间使涡轮部件保持在真空下的装置。

具体实施方式

定义

术语“超合金”是指在高温和高压下具有非常好的抗氧化性、抗腐蚀性、抗蠕变性和抗循环应力(特别是机械应力或热应力)的复合合金。超合金在航空用部件(诸如涡轮叶片)的制造中具有特殊的应用，因为它们是可以在相对接近其熔点的温度(通常是其熔融温度的0.7至0.8倍)下工作的一类高强度合金。

超合金的“基本成分”是指基体的主要金属成分。在大多数情况下，超合金包含基本成分铁、钴或镍，但有时也包含基本成分钛或铝。

“镍基超合金/基于镍的超合金”的优势是在高温下的抗氧化性、断裂强度和重量之间取得良好的折衷，这证明了它们可用在涡轮喷气发动机的最热零件中。

术语“真空”是指低真空度、中真空度或高真空度，即以10^-3至5mbar之间的压力来表征。这样的真空可以适应在室温下进行带电粒子轰击，例如通过形成等离子体。等离子体可以是氩等离子体。

α-氧化铝是与刚玉相对应的同素异形氧化铝，具有菱形的晶体结构。α-氧化铝层可以由几个α-氧化铝晶粒形成，每个晶粒界定α-晶相。

粗糙度通常是指表面状况的一个度量，代表在考虑中的表面局部切线的平均平面法线方向上的偏差。平均粗糙度ra是表面与平均表面的偏差范数的算术平均值，或者：

其中yi是表面与平均表面的偏差的量度。

粗糙度均匀性指的是小于参考分散体的粗糙度分散体，，通过表面粗糙度的标准偏差小于平均粗糙度的20％来表征和/或来测量。

本发明的详细描述

参照图3，用于涡轮部件的制造方法100包括以下步骤。

在部件1的制造方法的第一步骤101中，在基于单晶镍的基底2上施加金属结合层3。例如，可以通过物理气相沉积(pvd)沉积一层或多层包含镍和/或铝的金属层。这种沉积可以通过溅射和/或通过任何其他已知的pvd方法来进行这种沉积。

在该方法的第二步骤102中，将具有金属结合层的基底加热至800℃至1200℃之间的温度t。该热处理使得结合层3的金属离子扩散到基底2而形成相互扩散区域，从而在部件使用期间具有更好的耐氧化性。

在该方法的第三步骤103中，用带电粒子轰击金属结合层3的表面。这些粒子可以是离子(例如氩离子)和/或电子。例如，可以用等离子体7，即使用等离子体7来蚀刻金属结合层3的表面。可将具有金属结合层的基底放置在真空室中，在该真空室中受控地连续流动供应包括等离子体在内的化学元素的一种或多种气体。通常，使用用于金属蚀刻的一种或多种气体。有利地，使用氩气或氧气。该带电粒子轰击步骤去除在结合层3的表面16上天然形成的亚稳氧化物。

因此，表面粗糙度16可以小于使用现有技术的已知方法，例如喷砂和电化学蚀刻的表面粗糙度。例如，金属结合层3的表面16具有小于1μm，优选小于500nm，并且优选在100nm至300nm之间的平均粗糙度ra。

带电粒子轰击的使用还使得能够以均匀的方式蚀刻部件的整个表面16。该效果特别适用于具有复杂几何形状的部件1。例如，等离子蚀刻的结合层3的表面16上的粗糙度的标准偏差小于500nm，优选小于300nm，并且优选小于100nm。

通常，步骤103的带电粒子轰击可以通过任何离子和/或电子轰击方法进行，该方法会雕刻出粗糙度ra小于1μm的金属表面。它也可以使用飞秒激光执行。

有利地，在带电粒子轰击步骤103期间，旋转部件1。为此，可以将部件1布置在壳体内的鼓中或旋转的支架上。部件的旋转增加了结合层3的表面16的粗糙度的均匀性。

由于带电粒子轰击在蚀刻期间不会引起任何机械接触，因此避免了杂质在结合层3的表面16上的输送。

在该方法的第四步骤104中，优选在真空下将部件加热至高于1000℃的温度。因此，将可能吸附在金属结合层3的表面16上的等离子体原子(例如氩原子)从该部件上去除或除去。

在该方法的第五步骤105中，在金属结合层3的经轰击的表面16上形成保护性层4。表面16可为在该方法的步骤103中被等离子体蚀刻的表面。保护性层4有利地仅由α-氧化铝组成。为此，将部件在含氧的气氛中加热到1000℃以上的温度，以便通过热氧化形成保护性层4。优选地，在不到十分钟内并且优选在不到五分钟内达到1000℃的温度，以避免在金属结合层3上形成亚稳态氧化物。

金属结合层3的表面16的粗糙度ra与通常的粗糙度值相比较小，使得可以形成包含α-氧化铝晶粒的保护性层4，该α-氧化铝晶粒的尺寸大于根据已知方法生产的保护性层中的α-氧化铝晶粒的尺寸。保护性层4可以例如包括α相的氧化铝层。该层可以由在与表面16局部相切的平面上平均尺寸大于50μm的晶粒形成。α-氧化铝晶粒尺寸的增加延长了热障的使用寿命。保护性层4还可以包括仅为α相的氧化铝层。

另外，带电粒子轰击的金属结合层3的表面16的粗糙度的均匀性使得能够以恒定的动力学在金属结合层3的表面16上形成保护性层4。因此，在金属结合层3的表面16上形成的保护性层4具有基本恒定的机械性能和厚度，这避免了在部件使用期间的机械应力，导致保护性层4的剥落。

该方法的所有步骤可以有利地在真空下进行，或者通常不将部件暴露于环境气氛下进行。具体地，在该方法的步骤103和105之间，可以将该部件保持在真空下。这防止了在表面16上形成不稳定和/或亚稳定的氧化物。

图4是通过根据图3的方法获得的涡轮部件1的一部分的截面图。涡轮部件1例如是涡轮叶片，喷嘴导向叶片或任何其他涡轮元件、部件或零件。其包括基于单晶镍的超合金基底2，覆盖基底2的金属结合层3和覆盖结合层3的保护性金属氧化物层4。绝热层5可以例如覆盖保护性层4。热障10包括金属结合层3，保护性层4和绝热层5。金属结合层3具有与保护性层4接触的表面16，其中表面具有小于1μm，优选小于500nm，并且优选在100nm至300nm之间的粗糙度。

图5是涡轮部件1的细节的显微照片。图5中的黑色矩形是对应于5μm的比例尺。该部件由覆盖金属结合层3的保护性金属氧化物层4组成。在本发明的该实施方式中，金属结合层3经受等离子体蚀刻，然后在金属结合层3上形成保护性层4。

参考图6，对应于步骤101的pvd沉积可以在容纳有部件1和对应于要沉积的材料的一个或多个靶8的壳体12内进行。图6所示的部件1可以是涡轮叶片6，喷嘴导向叶或涡轮的任何其他元件、部件或零件。可以通过连接到电势发生器的电连接件15来使超合金基片2极化。在靶8和基底2之间施加正电位差的情况下，可以形成氩等离子体7，该氩等离子体7的正电性被吸引到阴极(靶8)并与其碰撞。靶8的原子被溅射，然后在该部件上凝结以形成金属粘合层3。优选地，沉积条件如下：

沉积过程中的加热：100℃至900℃；

压力：0.1pa至1pa；

功率密度：2w/cm²至15w/cm²；

极化：0v至400v。

离子轰击进行10至30分钟。

参考图7，对应于步骤103，可以在容纳有部件1和对应于要沉积的材料的一个或多个靶8的壳体12，例如通过等离子体7来进行带电粒子轰击，在容纳有部件1和对应于要沉积的材料的一个或多个靶8的壳体12进行。壳体可以是图6所示的步骤101中使用的壳体。超合金基底2可以通过连接到电势发生器的电连接件15来极化。在靶8和基底2之间施加负电势差时，可以形成氩等离子体7，其等离子体的正电性被吸引到阴极(涡轮部件)上并与其碰撞。因此，可以蚀刻金属结合层3的表面16。优选地，沉积条件如下：

压力：0.1pa至1pa；

功率密度：2w/cm²至15w/cm²；

极化：0v至400v。

参考图8，可以在第一壳体13内进行制造部件的步骤103。经通道9将部件从第一壳体转移到在其中进行步骤105的第二壳体14，其中通道保持真空并且连接两个壳体13、14。该通道可以由通路、导管和/或管道界定。因此，在步骤103和步骤105之间，可以使部件保持在真空下，以避免在步骤105中形成保护性层4之前，形成亚稳的或不稳定的氧化物。通道可以包括阀11，使得允许仅在第一腔室或第二腔室之一进行真空控制，取决于部件的制造步骤。阀11的打开适于将涡轮部件从第一壳体运输到第二壳体。