功能性梯度热障涂层系统的制作方法
【专利说明】功能性梯度热障涂层系统
[0001]本申请是2013年7月26日提交的共同未决的美国专利申请号13/951542的部分继续申请(代理人案号2013P03164US)，其以引用的方式并入本文。
技术领域
[0002]本发明一般涉及材料技术领域，并且更具体地涉及可以在燃气涡轮发动机应用中使用的隔热金属合金，并且涉及将热障涂层施加到金属合金的方法。
【背景技术】
[0003]陶瓷热障涂层系统被用于燃气涡轮发动机的热气体通路部件，以保护下层金属合金基底免受超过合金安全操作温度的燃烧气体温度的影响。典型的热障涂层系统可包括被沉积在基底合金上的粘结涂层，诸如MCrAlY材料，和沉积在粘结涂层上的陶瓷顶涂层，例如氧化钇稳定的氧化锆。粘结涂层和陶瓷材料通常是通过热喷涂工艺，诸如高速氧燃烧(HV0F)或空气等离子喷涂(APS)沉积。
[0004]功能性梯度材料的特征在于在体积内组成的梯度变化。这样的材料避免了有时与突然的材料变化，例如热障涂层系统中在材料界面处材料性质的明显改变相关的缺点。金属-陶瓷梯度材料在美国专利号6322897中被描述为通过烧结粉末填充床形成，该粉末填充床具有横跨床的梯度组成。
【附图说明】
[0005]本发明在以下说明中结合附图被说明，所述附图示出:
[0006]图1示出了通过粉末沉积工艺使用激光以熔融在焊剂材料床下方的合金颗粒来将涂层沉积到基底上。
[0007]图2示出了功能性梯度热障涂层系统，其被沉积为具有不同组成的多个材料层。
[0008]图3示出了粉末沉积工艺，其形成具有陶瓷材料的梯度浓度的粘结涂层。
【具体实施方式】
[0009]图1是具有基底12的气体涡轮机部件10的局部剖视图，期望增加保护涂层到基底12。粉末层14被沉积到基底12的表面16上。粉末层14包括金属合金18的颗粒，诸如MCrAlY粘结涂层材料，和焊剂材料20的颗粒。焊剂材料20被施加，以在随后的熔融步骤期间提供清洁和大气保护功能。金属合金18的颗粒可以被焊剂材料20的颗粒覆盖，如图所示。在其他实施例中，金属合金的颗粒和焊剂材料的颗粒可被混合在一起，并预先放置为单层，或者它们可通过在熔融步骤期间朝向表面引导颗粒的喷雾被施加。还有一个附加替代方案是焊剂和金属材料可被提供为复合颗粒，被预先放置或进给。粉末14被暴露于能量束22，例如激光束，以形成熔体24。熔体24将会隔离和固化成金属合金26的涂层26，该金属合金的涂层被表面16上的熔渣28层覆盖。熔渣28然后可以被除去以露出基底12上的粘结涂层材料26的涂层。
[0010]本发明人已使用上述方法利用在2-5mm的恪剂粉末厚度下方的l_4mm的合金粉末厚度成功地沉积了 CoNiCrAlY粘结涂层材料，从而形成从0.7_3mm厚度的无裂缝沉积。高达1_厚的粘结涂层材料粉末层可以优选覆盖有至少3_厚的焊剂材料层，并且1-4_厚的粘结涂层材料粉末层可以优选覆盖有至少5_厚的焊剂材料层。各种激光类型可以被使用，包括镱纤维、平板、二极管、钕YAG和二氧化碳。来自埋弧焊、焊剂芯电弧焊、电渣焊和屏蔽金属电弧焊材料或其变体的广阔家族的氧化物、氟化物和碳酸盐的焊剂可以被利用。功率水平通常可以是2千瓦，但也可以根据待处理区域、处理速度、沉积深度和相关变量变化。
[0011]在除去熔渣28层之后，另一材料层可以通过图1中所示的步骤被施加，以便在多个层中建立沉积涂层到期望的厚度。一种这样的工艺示于图2中，其中热障涂层30以多个层34、36、38、40、42、44、46被沉积在超合金基底32上。当沉积各个层时，不同材料类型的颗粒可以被使用，在层之间材料类型比率改变，以在涂层30中产生功能性梯度。图2还包括显示在每个相应层中超合金颗粒、粘结涂层颗粒和陶瓷颗粒的相对比例的表。标题为“焊剂”的列表示每层使用参照图1所描述的粉末沉积工艺，诸如激光熔融或激光烧结被沉积。
[0012]层34包含100%的超合金颗粒。这种类型的层对于修补基底32中的裂缝或不平整是有用的。
[0013]层36包括超合金材料和粘结涂层材料，但具有比粘结涂层材料更高的超合金材料含量(即贫粘结涂层，富超合金)。
[0014]层38也包括超合金和粘结涂层材料，但它包含比超合金材料相对更多的粘结涂层材料(即富粘结涂层)，和比层36更多的粘结涂层材料。
[0015]层40仅包括粘结涂层材料。
[0016]层42包括粘结涂层材料和较少量的陶瓷绝缘材料。
[0017]层44包括粘结涂层材料和陶瓷材料，但具有比层42中更多的陶瓷材料。
[0018]层46仅包括陶瓷绝缘材料。
[0019]层34、36、38、40、42、44、46是由多个材料层的粉末沉积形成的功能性梯度热障涂层系统的示例，其具有跨涂层的厚度变化的层的组成。这些层的不同组合或其它类型的层可以被包括在其他实施例中。例如，在一个实施例中，涂层可以缺乏层32和/或层40。更逐渐改变组成比率的多个步骤可以在其他实施例中被使用。一些层可以包括超合金、粘结涂层和陶瓷材料。层可以具有相同或不同的厚度。超合金、粘结涂层和/或陶瓷材料的多个组合物可以在单个涂层系统中被使用。
[0020]因为在本文描述的粉末沉积工艺中使用的焊剂材料提供了对裂化的改进保护，可以沉积高达3mm或更多的粘结涂层材料层。当使用包括在粉末层中的某一浓度的陶瓷颗粒形成这样的层时，在熔融粘结涂层材料内的陶瓷材料的固有浮力将趋于驱动陶瓷颗粒朝向熔体的向上表面。通过控制工艺参数，现在可以在粘结涂层中产生陶瓷颗粒的功能性梯度浓度。一种这样的工艺示于图3，其中基底50覆盖有一层粉末52，该层粉末包括粘结涂层材料、陶瓷材料和焊剂材料的混合物。能量束54在粉末52之上作光栅化扫描，以形成分离成涂层58和熔渣60的覆层的熔体56。涂层58包括包在粘结涂层材料6