专利名称：高密度阻热涂层的制作方法
技术领域：
本公开涉及阻热涂层，并且更具体地涉及高密度阻热涂层。
背景技术：
空气等离子体喷涂的阻热涂层(以下为“APS TBCs”)是公知的，已经使用了数十年。它们通常由能够耐受高温的陶瓷材料形成，并且施涂到金属制品上以抑制热流进入这些制品。长久以来已认识到如果用合适的耐火陶瓷材料涂布暴露于高温环境的金属制品表面，那么热量进入和通过该金属制品的速率会下降，由此使其可应用操作温度范围、使用寿命或两者得到扩展，并且降低了制品的未来维修费用。
现有技术的APS TBCs通常由粉状金属氧化物，例如公知的氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)的组合物形成。通过使用等离子体喷射火炬，例如DC等离子体喷射火炬，将粉状氧化物材料的推动喷射气体加热到该氧化物粉末颗粒变为暂时熔融的温度而形成这些TBCs。然后引导熔融氧化物颗粒喷射在接收金属表面或基材上，由此形成TBC的单层，所述金属表面或基材例如为由高温Ti基、Ni基或Co基超合金形成的制品表面。为了使TBCs具有必要的厚度，重复该过程使得在感兴趣的表面上沉积多个单层。成品TBCs的典型总厚度通常不大于0.1英寸。
使用现有技术的TBC涂层时，特别是在通常从环境条件直至极高温度周期循环的制品上使用时，一个公认的问题是TBCs暴露于与高速燃烧气体相关的非常强烈的热量和快速变温可能引起其由于剥落而损坏，或者可能由于热疲劳而引起TBC从设计为加以保护的金属制品的表面剥落。容易在周期性的热环境中剥落主要是由于存在水平裂纹或(TBC的)平面内裂纹。已知水平裂纹特别使TBC对剥落的敏感性升高，因为平面内应力，例如TBC沉积工艺过程中或使用中形成的平面内应力可以引起这种水平裂纹传播和增长。
众所周知在这种环境中TBCs的抗剥落性可以通过改性涂层的某些性能而加以改善。例如，众所周知在周期性热环境中通过形成占优势的垂直于TBC/金属制品界面的裂纹(即纵裂纹)和最小化平行于这种界面的裂纹(即水平裂纹)而增强氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)TBCs的性能。参考图1显微照片中的另一个实施例，授予Taylor的US 5,073,433教导在TBC内存在均匀分散的垂直大裂纹和控制量的水平裂纹使涂层内部利落的倾向降低，并且由此提高了抗热疲劳性。仍然参考图2显微照片中的另一个实施例，授予Gray的US5,830,586教导在TBC的至少一层中扩展连续柱状颗粒的定向凝固促进内聚、连续柱状颗粒的微结构，并且使涂布内部剥落倾向降低，由此提高了抗热疲劳性。但是，Taylor或Gray都未考虑改进使氧气渗入粘结涂层并引起剥落的密度和孔隙度。
因此，对于具有足以减少剥落的密度、裂纹密度和孔隙度的高密度阻热涂层存在需要。
发明内容
根据本发明，一种涂布制品的方法大致包括在制品的至少一个表面上施涂粘结涂层；在所述粘结涂层之上施涂粒度分布不少于约8微米且不大于约88微米的阻热涂料组合物；在约1,800到2,200的温度、约1×10-3乇到1×10-6乇的压力下，加热处理所述阻热涂料组合物约2小时到4小时；以及形成裂纹密度为每线性英寸所述阻热涂层不多于约二十条裂纹的阻热涂层。
在本发明的另一个方面，一种涂布制品大致包括具有至少一个表面的制品；设置在所述至少一个表面之上的粘结涂层；和设置在所述粘结涂层之上的阻热涂层，其中所述阻热涂层大致包括粒度分布不少于约8微米且不大于约88微米的热处理的阻热涂料组合物，其中所述阻热涂层进一步大致包括每线性英寸所述阻热涂层不多于约二十条裂纹的裂纹密度。
以下附图和说明书中阐述了本发明的一个或多个实施方案的细节。根据说明书和附图以及权利要求书，本发明的其它特征、目的和优点将是显而易见的。
图1为现有技术的阻热涂层的显微照片；图2为现有技术的阻热涂层的显微照片；图3为表示本发明方法的流程图；
图4为涂有未热处理的氧化钇稳定的氧化锆阻热涂层的由General Electric Company生产的7EA First Bucket部件号GTD-111的显微照片；和图5为涂有热处理的氧化钇稳定的氧化锆阻热涂层的由Siemens-Westinghouse生产的501F第一级叶轮(First Stage Blade)的显微照片。
各附图中的相同参考数字和名称表示相同元件。
具体实施例方式
通常，本发明的高密度阻热涂层在聚集涂布区域之上显示约95％到100％的平均密度值，至多约5％到0％的平均孔隙度，以及每线性英寸阻热涂层约1到20条裂纹的平均裂纹密度。本发明的高密度阻热涂层理想地显示不少于约98％的密度，至多约3％的对应孔隙度，以及每线性英寸阻热涂层至多约20条裂纹的裂纹密度。当一定量的裂纹密度对热疲劳有益时，每线性英寸大于20条裂纹的裂纹密度允许氧气渗入粘结涂层，氧化粘结涂层材料并引起剥落。通过升高涂层密度和减少垂直取向的微裂纹的量，热疲劳和剥落均得到降低，实际上延长了涡轮发动机部件的使用寿命。
现在参考图3，示出了表示本发明方法的流程图。在步骤10中，可以提供一种制品并且可以用粘结涂层材料对其进行涂布。粘结涂层材料可以包括MCrAlY材料。MCrAlY表示已知的金属涂层系统，其中M表示镍、钴、铁、铂或其混合物；Cr表示铬；Al表示铝；以及Y表示钇。MCrAlY材料经常已知作为覆盖涂层，因为它们以预定组成施涂并且在沉积工艺过程中不与基材显著地互相作用。对于MCrAlY材料的一些非限制性实例，参见US 3,528,861，其记载了一种FeCrAlY涂层，以及US 3,542,530。此外，US 3,649,225记载了一种复合物涂层，其中在沉积MCrAlY涂层之前，在基材上施涂一层铬。US 3,676,085记载了一种CoCrAlY覆盖涂层，而US 3,754,903记载了一种具有特别高延展性的NiCoCrAlY覆盖涂层。US 4,078,922记载了一种钴基结构合金，其由于存在铪和钇的组合而获得改善的抗氧化性。一种优选的MCrAlY粘结涂料组合物记载在转让给本受让人并在此引入作为参考的美国专利号Re.32,121中，例如具有通式MCrAlYHfSi，并且wt％组成范围为5-40 Cr，8-35 Al，0.1-2.0 Y，0.1-7 Si，0.1-2.0 Hf，余量选自Ni、Co、Fe及其混合物。同样参见也转让给本受让人并且均在此引入作为参考的US 3,928,026和US4,585,481。
粘结涂层材料也可以包括在本领域中通常已知作为扩散涂层的Al、PtAl等。此外，粘结涂层材料也可以包括在本领域中通常已知作为阴极电弧涂层的如上所述的Al、PtAl、MCrAlY等。
这些粘结涂层材料可以通过能够产生所需组合物的致密、均匀的粘性涂层的任何方法施涂，例如但不限于覆盖粘结涂布、扩散粘结涂布、阴极电弧粘结涂布等。这种技术可以包括但不限于扩散法(例如向内扩散、向外扩散等)、低压等离子体喷涂、空气等离子体喷涂、溅射、阴极电弧、电子束物理汽相沉积、高速等离子体喷涂技术(例如HVOF、HVAF)、燃烧法、布线喷涂技术、激光束包覆、电子束包覆等。为了预期的应用，粘结涂层材料可以施涂到任何适合厚度，如由本领域技术人员将认识到的。
在步骤10中将粘结涂层施涂到制品之后，制品可以用阻热组合物(以下称为“TBC组合物”)在图3的步骤12中进行涂布。制品可以包括通常涂有阻热化合物的任何部件，并且特别可以包括用于涡轮机应用的部件，例如但不限于具有翼面的任何部件，具有密封的任何部件，包括叶轮、叶片、定子、中涡轮框架、风扇、压缩机、涡轮机外壳、密封、底板、活塞环、燃烧器板、燃烧室、燃烧器舱壁护罩、圆盘侧板、燃料喷嘴导管等。制品可以包括镍基超合金、钴基超合金、铁合金如钢、钛合金、铜合金及其组合。
TBC组合物可以包括用于涡轮机应用的陶瓷基化合物，如本领域技术人员已知的。代表性阻热化合物包括但不限于任何稳定的锆酸盐、任何稳定的铪酸盐、包括至少一种上述化合物的组合等，例如氧化钇稳定的氧化锆、氧化钙稳定的氧化锆、氧化镁稳定的氧化锆、氧化钇稳定的氧化铪、氧化钙稳定的氧化铪和氧化镁稳定的氧化铪。优选可以使用氧化钇稳定的氧化锆。氧化钇稳定的氧化锆可以7YSZ形式商购。为达到所需性能，例如上述密度、裂纹密度和孔隙度值，TBC组合物包括一种粉末，其细颗粒粒度分布不少于约8微米且不大于约88微米。例如，TBC组合物可以为粒度分布为不少于约8微米且不大于约88微米的粉状的氧化钇稳定的氧化锆。
本领域技术人员将认识到本发明的阻热涂层可以使用许多技术进行施涂，例如但不限于等离子体喷涂法、低压等离子体喷涂、空气等离于体喷涂、溅射、阴极电弧、电子束物理汽相沉积、高速等离子体喷涂技术(例如HVOF、HVAP)、燃烧法、布线喷涂技术、激光束包覆、电子束包覆、包括至少一种上述技术的组合等。
为达到所需密度、裂纹密度和孔隙度性能，TBC组合物可以使用本领域技术人员已知的空气等离子体喷涂法进行施涂。优选，使用内部注射的粉末进料机构完成空气等离子体喷涂法，使得粉状TBC组合物可以在粉末沉积时直接进料进入等离子火焰卷流。空气等离子体喷涂设备可以在约600到1000安培的电流下运转，以达到所需等离子火焰温度。适合的内部注射的粉末进料等离子体喷涂设备包括但不限于Praxair SG-100等离子体喷枪，可商购自Danbury，Connecticut的Praxair，Inc.。
这种空气等离子体喷涂沉积技术确保粉状TBC组合物可以穿过等离子火焰的最热部分并完全熔融。优选，等离子体喷涂设备的等离子体喷枪可以设置在离开正涂布的制品表面约2英寸到8英寸。这一距离确保熔融的TBC组合物可以尽快沉积在制品之上，由此防止熔融的TBC组合物吸收足以影响所得TBC涂层性能的氧气量。为进一步确保熔融的TBC组合物可以沉积在制品之上，等离子体喷涂设备可以使用由氦气和氩气根据操作条件以约3∶1到1∶3的比例组成的电弧气体混合物。如由本领域技术人员了解的，氦气比氩气轻并且移动得更快，其实际上使得熔融的TBC组合物颗粒更快地移动。此外，熔融的TBC组合物颗粒速率升高进一步确保熔融的TBC组合物不会吸收足以影响所得TBC涂层性能的氧气量。
施涂TBC组合物之后，制品可以在图3的步骤14中进行热处理以在图3的步骤16中形成阻热组合物涂层(以下称为“TBC涂层”)。制品可以在约1×10-3乇到1×10-6乇的真空下，在约1,800到2,200的温度范围下热处理约2小时到4小时，或者在约1,800热处理约4小时，优选在约2,175热处理约2小时，以及最优选在约2,050热处理约2小时。可以施加的加热温度和时间量取决于制品基材的组成，如由本领域技术人员认识到的。在此使用的适合的真空炉包括本领域技术人员已知的任何真空炉。
现在参考图4，示出了由General Electric Company制造的部件号为GTD-111的7EA First Bucket的显微照片。7EA First Bucket部件按照现有技术方法加以涂布，也即被施涂的阻热涂料组合物为粗粉，使用Ar和H气体的混合物，并且使用常规等离子体喷涂技术在常规工艺条件下施涂涂层。7EA First Bucket部件(以下称为“7EA部件”)涂有金属粘结涂层和粒度分布为-200目到400目的氧化钇稳定的氧化锆的阻热涂层。使用内部粉末注射等离子体喷枪，在130毫米(5.12英寸)的距离，以600安培的电流和每分钟46升Ar和每分钟14升H的电弧气体流速施涂氧化钇稳定的氧化锆。然后检查和测定涂布的7EA部件，其在聚集涂布区域之上具有90％的聚集密度、12.2％的聚集孔隙度和每英寸0条裂纹的聚集裂纹密度。
现在参考图5，示出了由Siemens-Westinghouse制造的501F第一级叶轮的显微照片。使用本发明的方法和涂料组合物涂布501F第一级叶轮部件。501F第一级叶轮部件(以下称为“501F部件”)涂有金属粘结涂层和粒度分布为-325目的氧化钇稳定的氧化锆的阻热涂层。在1×10-3乇到1×10-6乇的真空下，使用内部粉末注射等离子体喷枪，在102毫米(4英寸)的距离，以1000安培的电流和每小时50标准立方英尺Ar和每小时100标准立方英尺He的电弧气体流速施涂氧化钇稳定的氧化锆。具有TBC层的501F部件然后在2,050的温度下热处理2小时。然后检查和测定涂布的501F部件，其在聚集涂布区域之上具有99.1％的聚集密度、1％的聚集孔隙度和每英寸6.66条裂纹的聚集裂纹密度。
当比较图4和5中所示结果时，与使用现有技术常规方法施涂的图4的TBC相比，使用本发明方法施涂的图5的TBC显示性能整体改善。图4的TBC显示孔隙度为12.1％，这将允许氧气源，例如大气透过并渗入TBC涂层。图4的TBC涂层将比在其有效使用寿命期间所预期的早得多地从7EA部件剥落和分离。另一方面，图5的TBC涂层显示聚集孔隙度为1％，这暗示TBC涂层的平均孔隙度在任何给定位置可以为98％到100％。这一孔隙度值确保氧气源不能象图4中所示TBC那样容易地透过并渗入TBC涂层。结果，501F部件可以使用更长的一段时间，经受更少的由于TBC相关问题的维护，以及承担更少的维护相关成本。
本发明的高密度TBC涂层及其应用方法提供超过现有技术方法的许多优点。所得TBC涂层具有通常为零的裂纹密度。现有技术的TBC涂层显示每线性英寸涂层20到200条裂纹，以及通常显示每线性英寸涂层75条裂纹。作为直接结果，由于每线性平方英寸涂层的裂纹数较大，现有技术的TBC涂层同样未能显示大于98％的密度。相反，本发明的TBC涂层显示不少于约98％的密度，对应于孔隙度不大于约3％，优选不大于约2％，以及最优选不大于约1％。
应理解，本发明不局限于在此所述或所示的说明，其被视为仅是实施本发明的最佳方式的说明，并且容易改进形式、尺寸、部件布局以及操作细节。本发明更确切地希望包括如由权利要求限定的精神和范围内的所有这种改进。
权利要求
1.一种涂布制品的方法，包括在制品的至少一个表面上施涂粘结涂层；在所述粘结涂层之上施涂粒度分布不少于约8微米且不大于约88微米的阻热涂料组合物；在约1×10-3乇到1×10-6乇的压力下，在约1,800到2,200的温度下加热处理所述阻热涂料组合物约2小时到4小时；和形成阻热涂层，其裂纹密度为每线性英寸所述阻热涂层不大于约二十条裂纹。
2.权利要求1的方法，其中加热处理步骤包括在所述真空下，在约2,175加热处理所述阻热涂料组合物约2小时。
3.权利要求2的方法，其中加热处理步骤包括在所述真空下，在约2,050加热处理所述阻热涂料组合物约2小时。
4.权利要求1的方法，其中加热处理步骤包括在所述真空下，在约1,800加热处理所述阻热涂料组合物约4小时。
5.权利要求1的方法，其中加热处理步骤包括在所述真空下，在约2,100加热处理所述阻热涂料组合物约4小时。
6.权利要求1的方法，其中所述粘结涂层的施涂步骤包括选自等离子体喷涂法、低压等离子体喷涂法、空气等离子体喷涂法、溅射法、阴极电弧法、电子束物理汽相沉积法、高速等离子体喷涂法、燃烧法、布线喷涂法、激光束包覆法和电子束包覆法的方法。
7.权利要求1的方法，其中所述阻热涂料组合物的施涂步骤包括使用等离子体喷涂法施涂所述阻热涂料组合物。
8.权利要求7的方法，其中施涂步骤包括使用以约3∶1到1∶3的比例包括氦气和氩气的电弧气体。
9.权利要求7的方法，其中施涂步骤包括使用内部粉末注射等离子体喷枪。
10.权利要求9的方法，进一步包括以约600到1000安培的电流操作所述内部粉末注射等离子体喷枪。
11.权利要求9的方法，进一步包括在离开所述制品的所述至少一个表面约2英寸到8英寸的距离，操作所述内部粉末注射等离子体喷枪。
12.权利要求1的方法，其中所述阻热涂料组合物的形成步骤包括形成选自氧化钇稳定的氧化锆、氧化钙稳定的氧化锆、氧化镁稳定的氧化锆、氧化钇稳定的氧化铪、氧化钙稳定的氧化铪和氧化镁稳定的氧化铪的粉状陶瓷材料。
13.权利要求1的方法，其中所述阻热涂料组合物的形成步骤包括形成氧化钇稳定的氧化锆粉末。
14.权利要求1的方法，其中所述粘结涂层的施涂步骤包括选自扩散法、低压等离子体喷涂法、空气等离子体喷涂法、溅射法、阴极电弧法、物理汽相沉积法、高速等离子体喷涂法、燃烧法、布线喷涂法、激光束包覆法和电子束包覆法的施涂方法。
15.一种涂布制品，包括具有至少一个表面的制品；设置在所述至少一个表面之上的粘结涂层；和设置在所述粘结涂层之上的阻热涂层，其中所述阻热涂层包括粒度分布不少于约8微米且不大于约88微米的热处理的阻热涂料组合物，其中所述阻热涂层进一步包括每线性英寸所述阻热涂层不大于约20条裂纹的裂纹密度。
16.权利要求15的涂布制品，其中所述阻热涂层包括不大于约3％的孔隙度。
17.权利要求15的涂布制品，其中所述阻热涂层包括不大于约98％的密度。
18.权利要求15的涂布制品，其中所述阻热涂层包括阻热涂料组合物，该阻热涂料组合物包括热处理的氧化钇稳定的氧化锆粉末。
19.权利要求15的涂布制品，其中所述制品包括燃气涡轮发动机部件。
20.权利要求19的涂布制品，其中所述燃气涡轮发动机部件选自叶轮、叶片、定子、中涡轮框架、风扇、压缩机、涡轮机外壳、密封、底板、活塞环、燃烧室板、燃烧室、燃烧室舱壁护罩、圆盘侧板和燃料喷嘴导管。
21.权利要求15的涂布制品，其中所述粘结涂层包括式MCrAlY的粘结涂层材料，其中所述M为选自镍、钴、铁及其混合物的金属。
22.权利要求15的涂布制品，其中所述粘结涂层包括选自铝、铂及其混合物的粘结涂层材料。
23.权利要求15的涂布制品，其中所述粘结涂层包括选自铝、铂和MCrAlY的粘结涂层材料，其中所述MCrAlY的所述M为选自镍、钴、铁及其混合物的金属。
24.权利要求15的涂布制品，其中所述粘结涂层包括式MCrAlYHfSi的粘结涂层材料，其中所述MCrAlYHfSi的所述M为选自镍、钴、铁及其混合物的金属。
全文摘要
一种涂布制品的方法，包括在制品的至少一个表面上施涂粘结涂层；在所述粘结涂层之上施涂粒度分布不少于约8微米且不大于约88微米的阻热涂料组合物；在约1,800到2,200的温度，约1×10
文档编号B32B15/04GK101029392SQ20071008560
公开日2007年9月5日 申请日期2007年3月1日 优先权日2006年3月1日
发明者A·T·弗洛斯特, J·奎诺恩斯 申请人:联合工艺公司