专利名称：热障涂层系统及用于涂层部件的方法
技术领域：
本发明 一般地涉及用于暴露到高温的基底的保护涂层系统，且更特 定地涉及用于促进层之间粘附的过程。
背景技术：
现代的燃气涡轮发动机操作在高温环境中。燃气涡轮发动机中的部 件(例如涡轮机叶片、喷嘴、翼片和罩)通常包括保护部件的热障涂层
(TBC)系统，其使发动机在更高温度下能够更有效地操作。这些TBC 系统必须具有低的热传导率，必须强有力地粘附到部件，且必须贯穿许 多加热和冷却循环维持粘附。能够满足这些要求的涂层系统可以包括将
热绝缘陶资层粘附到部件的金属结合涂层。金属氧化物，例如由氧化钇 (Y203 )、氧化镁(MgO)或其他氧化物部分或全部稳定的氧化锆 (Zr02),已经广泛地用作用于热绝缘陶瓷层的材料。陶瓷层典型地通 过空气等离子喷射(APS)、低压等离子喷射(LPPS)、或物理气相沉 积(PVD)技术，例如产生容许应变的柱状颗粒结构的电子束物理气相 沉积(EBPVD)沉积。结合涂层典型地由诸如扩散铝化物或铝化柏的抗 氧化扩散涂层、或诸如MCrAlY (其中M为铁、钴和/或镍)的抗氧化 合金形成。MCrAlY型结合涂层通过物理或化学气相沉积技术或通过热 喷射，例如APS、 LPPS和高速氧燃料(HVOF)沉积，其包括结合涂层 从金属粉末沉积。
目前，在工业中希望用于制造TBC系统的可替换的方法，特别是 那些减少步骤数量、时间和成本的方法。
发明内容
一方面，提供用于涂层部件的方法。该方法包括使用高速氧燃料 (HVOF)过程将结合涂层应用到部件的外部表面。该方法也包括将结 合涂层变粗糙且将至少一个密集垂直裂紋(DVC)陶瓷层应用到粗糙的
另一方面，提供与部件使用的热障涂层系统。该系统包括应用于部件外部表面的粗糙的高速氧燃料(HVOF)层和应用于粗糙HVOF层的 陶瓷涂层。陶瓷涂层包括多个密集垂直裂紋(DVC)陶瓷层。
另一方面，提供燃气涡轮发动机部件。燃气涡轮发动机部件包括外 部表面和应用于外部表面的热障涂层系统。热障涂层系统包括应用于部 件外部表面的粗糙的高速氧燃料(HVOF )层和应用于粗糙HVOF层的 陶瓷涂层。陶瓷涂层包括多个密集垂直裂紋(DVC)陶瓷层。
图1为应用于基底层的示范性热障涂层系统的截面图； 图2图示用流体射流使结合涂层变粗糙以形成图1中显示的热障涂 层系统；
图3为与图1中显示的热障涂层系统使用的陶瓷涂层的放大图。
具体实施例方式
本发明的实施例一般地可应用于操作在特征为相对高的温度、热应 力和热循环的环境内的部件。例如，部件可以包括高和低压涡轮机喷嘴 和轮叶、罩、燃烧室衬里和燃气涡轮发动机的其他硬件。尽管本发明的 优势将关于燃气涡轮发动机部件描述，本发明的实施例一般地可应用于 要求热障涂层系统以保护部件免受它操作环境影响的任何部件。在示范 性的实施例中，部件为镍基、钛基、或钴基金属合金。
图1图示包括热障涂层(TBC)系统12的部件10。部件10包括充 当TBC系统12的基底层14的外部表面。紧邻基底层14是粗糙至一定 深度(如图示)的粗糙的结合涂层16。陶瓷涂层18粘附到结合涂层16 且通过应用至少一个密集垂直裂紋(DVC)陶瓷层形成。
在制造TBC系统12中，密集结合涂层16首先沉积到基底层14表 面上。尽管本领域中技术人员和由在此的教示指导的人员知道，存在许 多方法以将密集结合涂层16沉积在基底层14表面上，在示范性的实施 例中，可以使用高速氧燃料喷射(HVOF)过程应用结合涂层16。结合 涂层16可以为适于HVOF过程且能够变粗糙的任何密集金属涂层，从 而陶瓷涂层18可以粘附到它。在示范性的实施例中，结合涂层16包括 MCrAlY成分；从包括铪、锆、或铪与锆和钛的至少一个的组合的集合 中选择的IVB族金属；和从包括钯、粕、铑、钌或其组合的集合中选择
的贵金属。M为从包括铁、钴、镍、或其组合的集合中选择的金属。在 另一实施例中，成分进一步包括IVA族元素，具体为硅和/或锗。
在另一实施例中，涂层成分包括大约16到大约60重量百分比钴、 大约20到大约45重量百分比镍、大约10到大约30重量百分比铬、大 约4到大约16重量百分比铝、大约0.05到大约3重量百分比钇、大约 0.05到大约3重量百分比铪、大约0.1到大约15重量百分比钯、大约 0.1到大约5重量百分比硅，其中重量百分比基于涂层成分的总重量。
在另一实施例中，结合涂层16包括大约30到大约70重量百分比 钴、大约25到大约70重量百分比镍、大约15到大约45重量百分比铬、 大约4到大约15重量百分比铝、大约0.05到大约3重量百分比钇、大 约0.05到大约3重量百分比铪、大约0.1到大约15重量百分比钯、大 约0.1到大约5重量百分比硅。
在另一实施例中，结合涂层16包括其他合金元素。
在HVOF过程中，燃料气体和氧气用于生成从大约2500°C到 3100。C的燃烧火焰。燃烧以非常高压力发生在室中，超声气体流将结合 涂层16的粉末材料以非常高的颗粒速度推进通过小直径筒。HVOF过程 导致非常密集、良好粘合的涂层。典型地，HVOF涂层能够形成为接近 100%密度，带有大约0.5%的孔隙率。HVOF过程在结合涂层16材料和 基底层14之间形成结合，其主要通过在结合接口处的机械粘附发生。 可替换地，在应用HVOF涂层后，结合涂层16以大于1950°F的温度被 扩散热处理。更具体地，在示范性的实施例中，扩散热处理在从大约 1975-2050°F的温度发生。
已知的TBC系统使用中间结合涂层以利于结合涂层16和陶瓷涂层 18之间的结合。本发明的实施例排除这种层的需要且减少应用该结合涂 层需要的时间、额外步骤和成本。
在结合涂层16已经与基底层14充分结合之后，高压流体射流可以 朝结合涂层16引导以使表面变粗糙。结合涂层16的表面变粗糙利于与 陶瓷涂层18的机械互锁且提高TBC系统12剥落寿命。尽管可以使用不 同的流体，在一个实施例中，射流22为高压水射流(HPWJ)。在示范 性的实施例中，没有介质加到水中。在其他实施例中，研磨剂介质加到 水中，例如石榴石或氧化铝。
如图2中所示，为了使结合涂层16变粗糙，射流喷嘴20可以连接到合适的水射流装置且将射流22朝结合涂层16的表面输送。射流22 可以定向为使得它相对于结合涂层16的表面形成大约30°到90°的角。 在示范性的实施例中，射流22可以定向为使得它相对于结合涂层16的 表面形成大约60。到90。的角。水增压使得射流22可以生成结合涂层18 的外部层的合适粗糙度，以利于结合涂层16和陶瓷涂层18之间的粘附 和机械结合。水压力可以从大约25,000psi到大约75,000psi。在示范性 的实施例中，水增压到大约50,000psi。射流喷嘴20可以定位在离结合 涂层16的表面距离从0.Sin.到大约3m.范围内，尽管其他距离可能是合 适的。射流22可以包括任何合适的喷嘴，例如圆形射流喷嘴或沙状型 喷嘴。
喷嘴22的合适横穿速率为从大约2.5到大约10英寸每分钟(大约6 到大约25cm/mm)。射流22相对于部件表面的移动可以为连续的且超 过一次通过的射流22可能对粗糙结合涂层16是必要的。为了维持每个 上述参数而喷射具有复杂几何形状的部件上的结合涂层16,射流喷嘴20 可以安装到机器人臂或其他计算机控制设备，其具有基于为处理的特定 部件获取和存储的几何形状数据的预定程序的移动。用这些数据，机器 人臂能够被控制，使得射流喷嘴20维持希望的定向和离部件表面的距 离，以及射流22横穿部件表面的速度。
结合涂层16的表面必须具有合适的粗糙度，以利于结合涂层16和 陶瓷涂层18之间的粘附和机械结合。结合涂层16的表面的平均粗糙度 (Ra)为从大约200微英寸到500微英寸。在示范性的实施例中，结合 涂层16的表面的Ra为大约350微英寸。
在结合涂层16变粗糙之后，可以应用陶资涂层18。可以使用多种 陶瓷涂层材料，特别地，那些具有希望的热循环疲劳属性且能够容易地 通过等离子喷射、火焰喷射和气相沉积技术沉积的材料。例如，陶瓷涂 层18可以为氧化钇稳定的氧化锆；氧化钇，未稳定的氧化锆；或由二 氧化铈(Ce02)、氧化钪(Sc203 )、氧化镁(MgO )或其他氧化物稳 定的氧化锆；或任何其他合适的低传导率材料。在示范性的实施例中， 用于陶瓷涂层18的材料为氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)，大约4到大约 8重量百分比的氧化钇。在示范性的实施例中，应用材料的多个层以形 成陶瓷涂层18,使得厚度足够为下面结合涂层16和/或基底层14提供 热保护。例如，厚度能够为从大约0.005到大约0.100英寸。更具体地，
在示范性的实施例中，厚度为从大于0.010到大于0.040英寸。
用于陶瓷涂层18的材料可以使用不同的沉积方法沉积。在示范性 的实施例中，材料使用空气等离子喷射(APS)方法沉积，其中等离子 喷射喷灯引起粉末氧化物材料的受热的气体推进喷射，使得氧化物粉末 颗粒瞬时地变熔化。熔化氧化物颗粒的喷射然后引导到接收表面或基底 上，例如粗糙的结合涂层16。该过程可以重复以达到希望的厚度。在示 范性的实施例中，过程可以重复20-60次。喷灯电流可以从大约500到 大约900A,且等离子喷射火焰到粗糙的结合涂层16的表面的距离大约 3-5英寸。在示范性的实施例中，喷灯电流为大约700A。
在示范性的实施例中，陶瓷涂层18使用密集垂直裂紋(DVC)方 法应用，其减少在涂层内剥落的趋势且增加抗热疲劳性。DVC方法可以 包括上文讨论的APS方法的使用。图3显示使用DVC方法应用于结合 涂层16的陶瓷涂层18。 DVC方法包括将陶瓷涂层材料粉末热沉积到结 合涂层16上，以在结合涂层16上应用具有沉积粉末的至少两个重叠的 薄板(Splat)的第一单层24，其中随后沉积薄板的温度高于先前沉积薄 板的温度。单层24可以被冷却和固化，使得单层24的密度为理论密度 的至少88%且其中多个垂直裂紋由于沉积薄板的收缩在单层24中产 生。如图3所示，沉积和冷却和固化步骤被重复以产生总体涂层的层(例 如陶瓷涂层18),其中每个喷射通过增加另一单层24。多个通过可以 引起通过薄板的垂直裂紋，其中每个单层中垂直裂紋的至少70%与相邻 单层中的垂直裂紋对准以形成垂直大裂紋，其中有在平行于基底表面的 线中测量的至少20个垂直大裂紋每线性英寸。尽管陶瓷涂层18可以通 过应用多个单层24形成，陶瓷涂层18形成粘着的、连续的柱状颗粒结 构，其中至少一些柱状颗粒从与结合涂层16的界面、到其或在其附近 延伸。结合涂层16的粗糙表面可以使垂直裂紋能够比如果表面未变粗 糙时更好地粘附到结合涂层16。在示范性的实施例中，陶瓷涂层18的 垂直裂紋延伸从大约50 %到100 %的陶瓷涂层18深度。
一般地，为了改进涂层18的热循环疲劳，希望更多的垂直裂紋和/ 或更少的水平裂紋。当使用YSZ作为涂层材料时，陶瓷涂层18具有大 于理论密度88%的密度，且包括大致均匀地分散整个涂层18的多个垂 直大裂紋，其中涂层18的截面区域垂直于基底层14 (或结合涂层16) 的表面。在示范性的实施例中，陶资涂层18包括多个垂直大裂紋，例
如在平行于基底表面的线中和在垂直于它的基底的平面中测量的20到 200个垂直大裂紋每线性英寸。
在一个实施例中，陶覺涂层18形成粘着的、连续的柱状颗粒结构， 其中至少一些柱状颗粒从与结合涂层16的界面、到其或在其附近延伸。 柱状化程度直接相关于在各个单层24内和之间延伸的柱状颗粒的数量 和分布。 一般地，随着柱状化程度增加，陶瓷涂层18内的水平裂紋的 数量和/程度减少。通过控制在沉积过程期间的沉积表面温度，可以控制 柱状化程度(即一旦大于阀值温度，增加温度增加柱状化程度)。
图3图示粘着的、连续柱状颗粒微观结构。微观结构为连续的，其 中每个单层24包括多个柱状颗粒26，其一般垂直定向且延伸通过所有 或大致所有的层厚度。由于该柱状生长在层之间延伸，微观结构为粘着 的，其中在随后沉积的层内存在的多个柱状颗粒的至少 一些被微焊接到 它沉积在其上的层内包含的柱状颗粒且从其延伸。
在包括具有大约8重量百分比氧化钇成分的YSZ的陶瓷涂层18 中，粘着的、连续柱状微观结构开始在大约300。C沉积表面温度下产生， 其为大约0.2Tm，其中Tm为氧化锆的绝对熔化温度。当沉积表面温度更 高时，例如0.4Tm，发生更粘着的、连续的柱状结构。用其他陶瓷材料， 取决于选择的陶瓷材料，可以生成粘着的、连续柱状结构的最小沉积表 面温度预期变化。这基于影响微焊接的因素，例如陶瓷材料的晶体结 构、熔化温度和热容量。此外，用于陶乾涂层18的其他材料的柱状化 程度也预期随着沉积表面温度增加而增加。
在一个实施例中，提供与部件使用的热障涂层系统。该系统包括应 用于部件外部表面的粗糙的高速氧燃料(HVOF )层和应用于粗糙HVOF 层的陶资涂层。陶资涂层包括多个密集垂直裂紋(DVC)陶瓷层。
在一个实施例中，提供燃气涡轮发动机部件。燃气涡轮发动机部件 包括外部表面和应用于外部表面的热障涂层系统。热障涂层系统包括应 用于部件外部表面的粗糙的高速氧燃料(HVOF )层和应用于粗糙HVOF 层的陶瓷涂层。陶资涂层包括多个密集垂直裂紋(DVC)陶瓷层。
在此描述的是用热障涂层系统涂层基底层的方法，其可以在多种不 同的发动机部件上采用。该方法促进在两个涂层之间的粘附，从而使热 障系统能够保护在包括高温、热应力和热循环的至少 一个的环境中的部 件。在此描述的方法和系统能够导致改进的发动机性能和部件的更长的
寿命期限。
上文详细描述热障涂层系统、燃气涡轮发动机部件和涂层部件的方 法的示范性的实施例。所述系统、部件和方法并不限于在此描述的特定 实施例，但相反地，每个构件和步骤可以从在此描述的其他构件和步骤 独立J也且分离地采用。
尽管本发明已经关于不同具体实施例描述，本领域中技术人员将认 识到，本发明能够实施为在权利要求书的精神和范围内的修改。
零件列表 部件10
热障涂层(TBC)系统12
基底层14
结合涂层16
陶瓷涂层18
射流喷嘴20
射流22
单层24
柱状颗粒权利要求
1.一种与部件(10)一起使用的热障涂层系统(12)，所述系统包括应用于部件的外部表面的粗糙高速氧燃料(HVOF)层；和应用于所述粗糙HVOF层的陶瓷涂层(18)，所述陶瓷涂层包括多个密集垂直裂纹(DVC)陶瓷层。
2. 根据权利要求1所述的热障涂层系统(12),其中所述粗糙HVOF 层包括MCrAlY,其中M为Fe、 Co、 Ni或其组合。
3. 根据权利要求1所述的热障涂层系统(12)，其中所述粗糙HVOF 层包括从大约250微英寸到350微英寸的平均粗糙度(Ra)。
4. 根据权利要求1所述的热障涂层系统(12)，其中所述多个DVC陶瓷层形成粘着的、连续柱状颗粒结构。
5. 根据权利要求1所述的热障涂层系统(12),其中每个所述多 个DVC陶瓷层包括氧化钇稳定的氧化锆。
6. 根据权利要求1所述的热障涂层系统(12),其中所述部件(10) 包括Ni基、Ti基或Co基的合金。
7. —种燃气涡轮发动机部件(10)，其包括 外部表面；和应用于所述外部表面的热障涂层系统(12)，所述涂层系统包括应 用于所述部件的所述外部表面的粗糙高速氧燃料(HVOF)层，和应用 于所述粗糙HVOF层的陶乾涂层(18)，所述陶资涂层包括多个密集垂 直裂紋(DVC)陶瓷层。
8. 根据权利要求7所述的燃气涡轮发动机部件(10)，其中所述 粗糙HVOF层包括MCrAlY,其中M为Fe、 Co、 Ni或其组合。
9. 根据权利要求7所述的燃气涡轮发动机部件(10)，其中所述 粗糙HVOF层包括从大约250微英寸到350微英寸的平均粗糙度(Ra)。
10. 根据权利要求7所述的燃气涡轮发动机部件(10),其中所述 多个DVC陶瓷层形成粘着的、连续柱状颗粒结构。
全文摘要
提供一种与部件(10)使用的热障涂层系统(12)。热障涂层系统(12)包括应用于部件外部表面的粗糙高速氧燃料(HVOF)层。热障涂层系统(12)进一步包括应用于粗糙HVOF层的陶瓷涂层(18)，陶瓷涂层包括多个密集垂直裂纹(DVC)陶瓷层。
文档编号B32B33/00GK101204863SQ20071016030
公开日2008年6月25日 申请日期2007年12月19日 优先权日2006年12月19日
发明者D·V·布奇 申请人:通用电气公司