專利名稱：熱障涂覆制品及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及熱障涂覆制品及其制造方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)暴露于高溫(即，大于或等于大約1300℃)和氧化環(huán)境中時，金屬會氧化、腐蝕并變得易碎。這些環(huán)境在用于發(fā)電應(yīng)用的渦輪機中產(chǎn)生。熱障涂層(TBC)在施加到例如渦輪機的金屬部件上時可以減少高溫，和腐蝕及氧化環(huán)境對該金屬部件的影響。
該熱障涂層典型地包括陶瓷材料，其沉積在金屬基底上或沉積在金屬基底上的粘合涂層上用于更好地粘接。通過氧化釔(Y2O3)、氧化鎂(MgO)或其他的氧化物實現(xiàn)部分或完全穩(wěn)定的金屬氧化物，例如氧化鋯(ZrO2)已經(jīng)廣泛地使用為陶瓷材料。該陶瓷材料典型地通過空氣等離子體噴涂(APS)、低壓等離子體噴涂(LPPS)或例如電子束物理汽相沉積(EB-PVD)的物理汽相沉積(PVD)技術(shù)沉積，其產(chǎn)生容許應(yīng)變的柱狀晶粒結(jié)構(gòu)。所述粘合涂層可以包括抗氧化保護材料，例如鋁、鉻、鋁合金和鉻合金。
為了該熱障涂層在其保護的部件設(shè)計使用周期內(nèi)保持有效，重要的是該熱障涂層具有并保持低導(dǎo)熱率。近年來，對降低熱障涂層的導(dǎo)熱率已經(jīng)有了進展。然而，即使利用這些進步，在與通過氧化釔實現(xiàn)部分或完全穩(wěn)定的氧化鋯相比，材料可以不利地具有更低的室溫粒子抗腐蝕性，甚至可以具有更低的斷裂韌度。
因此，一直存在對具有低導(dǎo)熱率，同時具有優(yōu)異的抗腐蝕和抗粒子沖擊性的熱障涂層的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了熱障涂覆制品及其制造方法。在一個實施例中，涂覆制品包括基底；和設(shè)置在所述基底上的多層熱障涂層，該多層熱障涂層至少包括第一層，該第一層包括第一陶瓷成分，其具有小于1W/m°K的導(dǎo)熱率；第二層，其具有大于或等于致密豎直裂縫(densevertically cracked)8％釔穩(wěn)定的二氧化鋯的抗腐蝕性，其中所述百分比基于釔和氧化鋯的總重量；和第三層，其包括第一陶瓷成分或第二成分，其中所述第一、第二和第三層布置成使第一陶瓷成分和第二成分在交替層中。
在另一個實施例中，涂覆制品包括基底和設(shè)置在該基底上的多層熱障涂層。該基底可以包括金屬、金屬合金或包括至少一種前述材料的組合。該多層熱障包括第一層，該第一層包括第一陶瓷成分，該第一陶瓷成分包括穩(wěn)定的釔釓鐿；第二層，該第二層包括第二陶瓷成分，該第二陶瓷成分包括由8wt％的氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯，其中重量百分數(shù)基于氧化鋯和氧化釔的總重量；和第三層，該第三層包括第一陶瓷成分或第二陶瓷成分，其中所述第一、第二和第三層布置成使第一陶瓷成分和第二成分在交替層中。
在一個實施例中，一種用于制造涂覆制品的方法，包括將多層熱障涂層設(shè)置在基底上，該多層熱障涂層至少包括第一層，該第一層包括第一陶瓷成分，其具有小于1W/m°K的導(dǎo)熱率；第二層，其具有大于或等于致密豎直裂縫8％釔穩(wěn)定的二氧化鋯的抗腐蝕性，其中所述百分比基于釔和氧化鋯的總重量；和第三層，其包括第一陶瓷成分或第二成分，其中所述第一、第二和第三層布置成使第一陶瓷成分和第二成分在交替層中。
上文描述的及其他特征通過下面的附圖和詳細說明進行舉例說明。


參見示例性附圖，其中相同的元件在所述多個附圖中以相同的數(shù)字標記圖1為多層熱障涂層和涂覆制品的實施例的部分側(cè)面剖視圖；和圖2為多層熱障涂層和涂覆制品的另一個實施例的部分側(cè)面剖視圖。
具體實施例方式
本發(fā)明公開了熱障涂覆制品及其制造方法。如將要詳細討論的那樣，所述熱障涂層為多個涂層，包括第一陶瓷成分和第二陶瓷成分的交替層。人們已經(jīng)意外地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)多個涂層包括一層以上時，所述一層包括第一陶瓷成分或第二陶瓷成分，可以獲得材料性質(zhì)中的協(xié)同效應(yīng)。所述第一陶瓷成分選擇為賦予所述多個涂層低導(dǎo)熱率，而第二陶瓷成分選擇為賦予所述多個涂層優(yōu)異的抗腐蝕和抗粒子沖擊性。
當(dāng)在此使用時，術(shù)語“低導(dǎo)熱率”是指導(dǎo)熱率小于1瓦特/開氏溫度(W/m°K)。
術(shù)語“第一”、“第二”等在此處不表示任何順序、數(shù)量或重要性，而是用于區(qū)分一個元件與另一個元件，并且術(shù)語“一”在此處不表示數(shù)量限制，而是表示存在至少一種所提及物品。與數(shù)量結(jié)合使用的修飾詞“大約”包括所述值并且具有上下文所表示的含義(例如，包括與特定量的測量相關(guān)的誤差度)。此處公開的范圍包括在內(nèi)并可獨立結(jié)合(例如，“高達大約25wt％，或更具體地，大約5-20wt％”的范圍包括“大約5-25wt％”的范圍的端點和所有中間值等)。
本發(fā)明的熱障涂層用于各種渦輪發(fā)動機(例如，燃氣渦輪發(fā)動機)零部件，所述零部件由例如金屬基底的基底形成，所述金屬基底包括多種金屬和金屬合金，包括超級合金。在各種實施例中，這些零部件在(或暴露于)高溫(即，大于或等于大約1300℃)下工作。這些渦輪發(fā)動機零部件可以包括例如葉片或輪葉的渦輪翼、渦輪殼體、渦輪機噴嘴、例如內(nèi)襯和偏轉(zhuǎn)板的燃燒室部件、燃氣渦輪發(fā)動機的增壓器零件等。該熱障涂層還可以覆蓋一部分或全部基底。例如，相對于例如葉片的翼，熱障涂層可用于保護、覆蓋或遮蓋所述翼的基底的一部分而不是全部基底，例如，熱障涂層覆蓋所述翼的前緣、后緣和其他表面，而不是連接區(qū)域。盡管下面的討論將針對渦輪發(fā)動機零部件的金屬基底，但是應(yīng)當(dāng)理解，熱障涂層可用于工作在(或暴露于)高溫下的其他制品的基底。
現(xiàn)在參見圖1，顯示了通常以10表示的熱障涂覆制品的實施例。該制品10包括基底12。該基底12可以包括金屬、金屬合金以及包括至少一種前述材料的組合物。在一個實施例中，基底12包括基于鎳、鈷和/或鐵的金屬合金。例如，基底12可以包括高溫、耐熱合金，例如超級合金。適當(dāng)?shù)母邷睾辖鸢ǖ幌抻诿绹鴮＠鸑o.4,116,723和No.5,399,313中公開的材料。如上所述，基底12的類型可以根據(jù)應(yīng)用廣泛變化，但是它典型地為渦輪機零部件的形式，例如翼(例如，葉片)或渦輪殼體。
制品10還可以包括可選的粘合涂層14，其設(shè)置為與作為相鄰層的基底12物理相連。粘合涂層14由金屬抗氧化材料制成，其包括下面的基底12并使熱障涂層16能更好地粘接到基底12上。用于粘合涂層14的適當(dāng)材料包括但不限于MCrAIY合金粉末，其中M代表例如金屬，例如鐵、鎳、鉑或鈷，或NiAl(Zr)成分，以及各種貴金屬擴散鋁化物，例如鉑鋁化物，以及簡單的鋁化物(即，沒有貴金屬形成的鋁化物)。粘合涂層14可以通過適當(dāng)?shù)募夹g(shù)施加、沉積或其他方法形成在基底12上，所述技術(shù)例如物理汽相沉積(PVD)，包括電子束物理汽相沉積(EB-PVD)，等離子體噴涂，包括空氣等離子體噴霧(APS)和真空等離子體噴涂(VPS)，或者其他熱噴涂沉積方法，例如高速含氧燃料(HVOF)噴涂，爆震或絲網(wǎng)噴涂(wire spray)，化學(xué)汽相沉積(CVD)，擴散滲碳處理(pack cementation)和在金屬擴散鋁化物的情況下汽相形成鋁化物。在一個實施例中，等離子體噴涂或擴散技術(shù)用于沉積粘合涂層14。粘合涂層14的厚度根據(jù)應(yīng)用而改變，但是通常，粘合涂層14的厚度為大約25-500微米，特別地，50-350微米。
熱障涂層16設(shè)置在基底12上。當(dāng)使用粘合涂層14時，熱障涂層16設(shè)置為與粘合涂層14物理相連。熱障涂層16包括多層。盡管層數(shù)根據(jù)應(yīng)用改變，但是熱障涂層包括至少三層。每層的厚度以及熱障涂層16的總厚度也根據(jù)應(yīng)用改變。通常，熱障涂層16包括足以保護下面的基底12的厚度。例如，熱障涂層16的總厚度為大約25-2,500微米。在這個范圍內(nèi)，熱障涂層16可以大于75微米，特別地，大于或等于300微米。還是在這個范圍內(nèi)，熱障涂層16可以小于或等于1,500微米，特別地，小于或等于1,000微米。
在一個實施例中，熱障涂層16包括第一TBC層18，第二TBC層20，第三TBC22和第四TBC層24。所述第一TBC層16設(shè)置在粘合涂層14上并與其物理相連。第二TBC層20設(shè)置在第一TBC層16上并與其物理相連。第三TBC層22設(shè)置在第二TBC層20和第四TBC層24之間。在一個實施例中，第三層22設(shè)置為與第二TBC層20和第四TBC層24中的每一個物理相連。第四TBC層24設(shè)置在第三TBC層22上并與其物理相連。
第一TBC層18和第三TBC層22包括第一陶瓷成分，其選擇為賦予熱障涂層16低導(dǎo)熱率。第二TBC層20和第四TBC層包括第二陶瓷成分，其選擇為賦予熱障涂層16優(yōu)異的抗腐蝕和粒子沖擊性。換言之，熱障涂層16包括第一陶瓷成分和第二陶瓷成分的交替層。
第一TBC層18和第三TBC層的第一陶瓷成分包括低導(dǎo)熱率，即，導(dǎo)熱率小于1瓦特/開氏溫度(W/m°K)。在一個實施例中，導(dǎo)熱率為大約0.25-0.75W/m°K，特別地，大約0.25-0.75W/m°K。
在一個實施例中，第一陶瓷成分包括大約46-97摩爾百分比的基礎(chǔ)氧化物，大于2-25摩爾百分比的主要穩(wěn)定劑，大約0.25-25摩爾百分比的 A族摻雜劑，和大約0.25-25摩爾百分比的B族摻雜劑。所述基礎(chǔ)氧化物包括氧化鋯(ZrO2)、二氧化鉿(HfO2)或包括至少一種前述材料的組合。所述主要的穩(wěn)定劑包括氧化釔(Y2O3)、氧化鏑(Dy2O3)、氧化鉺(Er2O3)或包括至少一種前述材料的組合。A族摻雜劑包括氧化鈧(Sc2O3)、氧化鐿(Yb2O3)、鎳(II)氧化物(NiO)、鉻(III)氧化物(Cr2O3)、鈷(II)氧化物(CoO)、鐵(III)氧化物(Fe2O3)、鎂(II)氧化物(MgO)、鈦(IV)氧化物(TiO2)、釕(IV)氧化物(RuO2)、氧化鉭(Ta2O5)、氧化鉺(Er2O3)、堿土金屬氧化物、過渡金屬氧化物或包括至少一種前述材料的組合。B族摻雜劑包括氧化釹(Nd2O3)、氧化釓(Gd2O3)、氧化釤(Sm2O3)、氧化銪(Eu2O3)或包括至少一種前述材料的組合。在一個實施例中，第一陶瓷成分包括穩(wěn)定的釔釓鐿成分，例如美國專利No.6,812,176中公開的材料，該文獻在此引入作為參考。
第二陶瓷成分包括大于或等于致密豎直裂縫8％釔穩(wěn)定的二氧化鋯的抗腐蝕性，其中所述百分比基于釔和氧化鋯的總重量。
用于第二陶瓷成分的適當(dāng)材料包括但不限于氧化鋯(ZrO2)，其由氧化釔(Y2O3)、氧化鎂(MgO)或二氧化鈰(CeO2)部分(例如，6-8重量百分數(shù))或完全穩(wěn)定(例如，大于或等于15重量百分數(shù))以產(chǎn)生抵抗相變的四邊形微觀結(jié)構(gòu)。用于氧化鋯的其他穩(wěn)定劑包括但不限于二氧化鉿(HfO2)、氧化釓(Gd2O3)、氧化鏑(Dy2O3)、氧化鉺(Er2O3)、氧化釹(Nd2O3)、氧化釤(Sm2O3)、氧化鐿(Yb2O3)和包括至少一種前述材料的組合。
在一個實施例中，第二陶瓷成分包括氧化釔穩(wěn)定的二氧化鋯(YSZ)，特別地，由氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯。特別地，氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯包括大約4-8重量百分數(shù)的氧化釔，其中所述重量百分數(shù)基于氧化釔和氧化鋯的總重量。
熱障涂層16的各種層可以通過任何適當(dāng)?shù)姆椒ㄔO(shè)置在基底上。所述適當(dāng)?shù)姆椒òǖ幌抻谖锢砥喑练e(PVD)，包括電子束物理汽相沉積(EB-PVD)，等離子體噴涂，空氣等離子體噴涂(APS)、真空等離子體噴涂(VPS)，或者其他熱噴涂沉積方法，例如高速含氧燃料(HVOF)噴涂，爆震或絲網(wǎng)噴涂，以及化學(xué)汽相沉積(CVD)。
現(xiàn)在參見圖2，顯示了通常以30表示的熱障涂覆制品的另一個實施例。該制品30包括基底32。用于基底32的適當(dāng)材料包括但不限于上文相對于基底12所描述的那些材料。熱障涂層44設(shè)置在基底32上。熱障涂層44包括第一TBC層34、第二TBC層36、第三TBC層38、第四TBC層40和第五TBC層42。第一TBC層34設(shè)置在基底32上并與其物理相連。第二TBC層36設(shè)置在第一TBC層34上并與其物理相連。第三層38設(shè)置為與第二TBC層36和第四TBC層40中的每一個物理相連。第五TBC層42設(shè)置在第四TBC層40上并與其物理相連。
第一TBC層34和第四TBC層40每個都包括上述討論過的第一陶瓷材料，并且第二TBC層36和第五TBC層42包括也在上文討論過的第二陶瓷材料。第三TBC層38包括不同于第一和第二陶瓷成分中每一個的陶瓷成分。換句話說，包括第一陶瓷材料或第二陶瓷材料的層可以彼此物理相連或不相連。但是，例如第三TBC層38的各種附加層可以設(shè)置在包括第一陶瓷材料的層(例如，第四TBC層40)和包括第二陶瓷材料的層(例如，第二TBC層36)之間。
用于第三TBC層38的適當(dāng)材料包括但不限于氧化鋯(ZrO2)，其由氧化釔(Y2O3)、氧化鎂(MgO)或二氧化鈰(CeO2)部分(例如，6-8重量百分數(shù))或完全穩(wěn)定(例如，大于或等于15重量百分數(shù))以產(chǎn)生抵抗相變的四邊形微觀結(jié)構(gòu)。用于氧化鋯的其他穩(wěn)定劑包括但不限于二氧化鉿(HfO2)、氧化釓(Gd2O3)、氧化鏑(Dy2O3)、氧化鉺(Er2O3)、氧化釹(Nd2O3)、氧化釤(Sm2O3)、氧化鐿(Yb2O3)和包括至少一種上述材料的組合。
熱障涂層44的各種層可以通過任何適當(dāng)?shù)姆椒ㄔO(shè)置在基底32上。所述適當(dāng)?shù)姆椒òǖ幌抻谖锢砥喑练e(PVD)，包括電子束物理汽相沉積(EB-PVD)，等離子體噴涂，空氣等離子體噴涂(APS)、真空等離子體噴涂(VPS)，或者其他熱噴涂沉積方法，例如高速含氧燃料(HVOF)噴涂，爆震或絲網(wǎng)噴涂，以及化學(xué)汽相沉積(CVD)。
此外，上文針對圖1和2討論過的熱障涂層可以是致密豎直裂縫(DVC)熱障涂層，例如用于高溫翼部件上的涂層，或者多孔熱障涂層，例如用于相對較低溫度(例如，溫度小于大約1,300℃)部件的涂層。
有利地注意到，當(dāng)與僅包括單層的熱障涂層比較時，或者當(dāng)與不包括第一陶瓷材料和第二陶瓷材料的交替層的熱障涂層比較時，本發(fā)明公開的熱障涂層在導(dǎo)熱率和抗沖擊性上均得到改善。同樣，涂有所述熱障涂層的制品可以具有更長的使用壽命。
盡管本發(fā)明已經(jīng)參照示例性實施例進行了描述，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以進行各種變形，并且等效物可以由其構(gòu)件替代，另外，在不脫離本發(fā)明實質(zhì)的情況下，根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)，可以進行許多改進以適應(yīng)特別的情況和材料。因此，本發(fā)明不限于作為執(zhí)行本發(fā)明的最佳方式而公開的特定實施例，本發(fā)明可以包括落入附加權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有實施例。
部件列表10熱障涂覆制品12基底14粘合涂層16熱障涂層18第一熱障涂層20第二熱障涂層22第三熱障涂層24第四熱障涂層30熱障涂覆制品32基底34第一熱障涂層36第二熱障涂層38第三熱障涂層
40第四熱障涂層42第五熱障涂層44熱障涂層
權(quán)利要求
1.一種涂覆制品(10)，包括基底(12)；和設(shè)置在基底(12)上的多層熱障涂層(16)，該多層熱障涂層包括至少第一層(18)，包括具有導(dǎo)熱率小于1W/m°K的第一陶瓷成分；第二層(20)，具有大于或等于致密豎直裂縫8％釔穩(wěn)定的二氧化鋯的抗腐蝕性，其中所述百分比基于釔和氧化鋯的總重量，和第三層(22)，包括第一陶瓷成分或第二成分，其中所述第一(18)、第二(20)和第三(22)層布置成使得第一陶瓷成分和第二成分在交替層中。
2.如權(quán)利要求1所述的涂覆制品(10)，還包括設(shè)置在基底(12)上并與其物理相連的粘合涂層(14)。
3.如權(quán)利要求1所述的涂覆制品(10)，其中導(dǎo)熱率為大約0.25-0.75W/m°K。
4.如權(quán)利要求1所述的涂覆制品(10)，其中導(dǎo)熱率為大約0.50-0.75W/m°K。
5.如權(quán)利要求1所述的涂覆制品(10)，其中第一層(18)設(shè)置為與基底(12)物理相連并設(shè)置為與第二層(20)物理相連；并且第三層(22)設(shè)置為與第二層(20)物理相連并包括第一陶瓷成分。
6.如權(quán)利要求1所述的涂覆制品(10)，其中基底(12)包括金屬、金屬合金或包括至少一種前述材料的組合。
7.如權(quán)利要求1所述的涂覆制品(10)，其中第一陶瓷成分包括大約46-97摩爾百分比的基礎(chǔ)氧化物，其中所述基礎(chǔ)氧化物包括氧化鋯(ZrO2)、二氧化鉿(HfO2)或包括至少一種前述材料的組合；大約2-25摩爾百分比的主要的穩(wěn)定劑，其中所述主要的穩(wěn)定劑包括氧化釔(Y2O3)、氧化鏑(Dy2O3)、氧化鉺(Er2O3)或包括至少一種前述材料的組合；大約0.25-25摩爾百分比的A族摻雜劑，其中所述A族摻雜劑包括氧化鈧(Sc2O3)、氧化鐿(Yb2O3)、鎳(II)氧化物(NiO)、鉻(III)氧化物(Cr2O3)、鈷(II)氧化物(CoO)、鐵(III)氧化物(Fe2O3)、鎂(II)氧化物(MgO)、鈦(IV)氧化物(TiO2)、釕(IV)氧化物(RuO2)、氧化鉭(Ta2O5)、氧化鉺(Er2O3)、堿土金屬氧化物、過渡金屬氧化物或包括至少一種前述材料的組合；和大約0.25-25摩爾百分比的B族摻雜劑，其中所述B族摻雜劑包括氧化釹(Nd2O3)、氧化釓(Gd2O3)、氧化釤(Sm2O3)、氧化銪(Eu2O3)或包括至少一種上述材料的組合。
8.如權(quán)利要求1所述的涂覆制品(10)，其中第一陶瓷成分包括穩(wěn)定的釔釓鐿。
9.如權(quán)利要求1所述的涂覆制品(10)，其中第二陶瓷成分包括由氧化釔(Y2O3)、氧化鎂(MgO)或二氧化鈰(CeO2)部分或全部穩(wěn)定的氧化鋯(ZrO2)。
10.一種制造涂覆制品(10)的方法，包括將多層熱障涂層(16)設(shè)置在基底(12)上，所述多層熱障涂層(16)包括至少第一層(18)，其包括具有導(dǎo)熱率小于1W/m°K的第一陶瓷成分；第二層(20)，其具有大于或等于致密豎直裂縫8％釔穩(wěn)定的二氧化鋯的抗腐蝕性，其中所述百分比基于釔和氧化鋯的總重量；和第三層(22)，包括第一陶瓷成分或第二成分；其中所述第一(18)、第二(20)和第三(22)層布置成使得第一陶瓷成分和第二成分在交替層中。
全文摘要
一種涂覆制品包括基底；和設(shè)置在所述基底上的多層熱障涂層，該多層熱障涂層包括至少第一層，該第一層包括第一陶瓷成分，其具有小于1W/m°K的導(dǎo)熱率；第二層，其具有大于或等于致密豎直裂縫8％釔穩(wěn)定的二氧化鋯的抗腐蝕性，其中所述百分比基于釔和氧化鋯的總重量；和第三層，其包括第一陶瓷成分或第二成分，其中所述第一、第二和第三層布置成使第一陶瓷成分和第二成分在交替層中。
文檔編號C04B35/01GK1994732SQ20071000146
公開日2007年7月11日 申請日期2007年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月6日
發(fā)明者R·G·羅維, J·E·迪金森 申請人:通用電氣公司