專利名稱：隔熱涂層的涂敷或修補(bǔ)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種向一種物品，尤其是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件例如燃燒器偏轉(zhuǎn)板及組件、噴嘴等等的金屬襯底涂敷一隔熱涂層的方法或修補(bǔ)金屬襯底上先前已涂敷的隔熱涂層的方法。本發(fā)明還涉及一種通過等離子噴涂技術(shù)涂敷隔熱涂層的方法或修補(bǔ)先前已涂敷的隔熱涂層的方法，這里底層金屬襯底具有覆蓋鋁化物擴(kuò)散涂層。
背景技術(shù)：
為了增加其效率，持續(xù)不斷地尋找燃?xì)廨啓C(jī)的更高工作溫度。然而，隨著工作溫度的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)部件的耐高溫性也必須相應(yīng)提高。通過形成鎳基或鈷基超耐熱合金，高溫能力中已得到顯著提高，但是單有這種合金對于形成燃?xì)廨啓C(jī)的某些部分中的部件來說常常還不夠，這些部件例如為渦輪葉和葉片、渦輪罩、翼片、噴嘴、燃燒襯里和偏轉(zhuǎn)板、推力增強(qiáng)裝置等等。一種常見的解決方案是使這些部件保持熱隔離以便使其工作溫度達(dá)到最小。為此目的，將隔熱涂層涂敷于處在這種高表面溫度下的渦輪機(jī)部件的金屬襯底上已得到廣泛的應(yīng)用。
為了有效起見，隔熱涂層應(yīng)當(dāng)具有低導(dǎo)熱率(即應(yīng)當(dāng)對底層金屬襯底絕熱)，牢固粘附于渦輪機(jī)部件的金屬襯底上，并且在經(jīng)過許多加熱和冷卻周期時(shí)始終保持粘附。由于低導(dǎo)熱率的材料與通常用于形成渦輪機(jī)部件金屬襯底的超耐熱合金材料具有不同的熱膨脹系數(shù)，因此對上面的后一要求尤為需要。通常，能夠滿足這些要求的隔熱涂層包括一覆蓋著金屬襯底的陶瓷層。已經(jīng)利用各種陶瓷材料來作陶瓷層，例如化學(xué)(金屬氧化物)穩(wěn)定的氧化鋯，例如氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯、氧化鈧穩(wěn)定的氧化鋯、氧化鈣穩(wěn)定的氧化鋯以及氧化鎂穩(wěn)定的氧化鋯。隔熱涂層通常選擇氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷涂層，例如約7％的氧化釔和約93％的氧化鋯。
為了提高陶瓷層在底層金屬襯底上的粘附作用并防止其氧化，一結(jié)合涂層通常形成于金屬襯底上，其由抗氧化的覆蓋合金涂層例如MCrAIY，其中M可能是鐵、鈷和/或鎳，或抗氧化的擴(kuò)散涂層例如鋁化物如鎳鋁化物和鉑鋁化物構(gòu)成。為了獲得更高的溫度-熱周期能力以便增加維修間隔，并且使渦輪機(jī)部件如燃燒器(圓頂)組件的燃燒器噴濺或偏轉(zhuǎn)板、燃燒器噴嘴等等獲得更高的溫度能力，首先將一種鋁化物擴(kuò)散涂層涂敷于金屬襯底上，通常通過化學(xué)氣相沉積(CVD)方法來涂敷。然后，通常通過物理氣相沉積(PVD)如電子束物理氣相沉積(EB-PVD)方法將一陶瓷層涂敷于這種鋁化物涂層上，以便提供隔熱涂層。通常，在通過PVD涂敷陶瓷層之前，部件的各個(gè)零件(例如附連或連接于支承結(jié)構(gòu)如渦旋式噴嘴和墊板上以便形成燃燒器圓頂組件的偏轉(zhuǎn)板，或者連接于內(nèi)、外帶上以便形成一噴嘴的螺旋槳)都單獨(dú)涂敷上鋁化物擴(kuò)散涂層。參看2002年9月3日公布的美國專利6,442,940(Young等人)以及2003年1月7日公布的美國專利6,502,400(Freidauer等人)，可以了解到由多個(gè)銅焊于一起的零件形成的燃燒器圓頂組件。隨后，這些涂敷過的零件通常通過機(jī)加工去除零件連結(jié)處的涂層，然后銅焊于支承結(jié)構(gòu)上，以便提供得到隔熱涂層保護(hù)的完整部件。
盡管通過PVD技術(shù)涂敷的隔熱涂層在耐久性的提高方面有了顯著進(jìn)展，但是這種涂層將通常需要在特定環(huán)境下進(jìn)行修補(bǔ)，尤其是經(jīng)受強(qiáng)熱和熱循環(huán)的燃?xì)廨啓C(jī)部件。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件的隔熱涂層也可能易于受到各種類型的損壞，包括發(fā)動(dòng)機(jī)所吸入的物體、腐蝕、氧化以及環(huán)境污染的侵襲，這就會(huì)需要修補(bǔ)涂層。當(dāng)部件包括由單獨(dú)通過PVD方法涂敷并進(jìn)行機(jī)加工然后焊接于支承結(jié)構(gòu)等等的零件構(gòu)成的組件時(shí)，例如在燃燒器圓頂組件的情況下，修補(bǔ)這種隔熱涂層的問題就會(huì)特別突出，。在去除PVD涂敷的隔熱涂層(例如通過噴砂處理方法涂敷)的過程中，可能同樣會(huì)去除一些或全部的底層鋁化物擴(kuò)散涂層。當(dāng)部件處于裝配狀態(tài)時(shí)，修補(bǔ)或重新涂敷這種鋁化物擴(kuò)散涂層常常難以進(jìn)行、成本昂貴并且不切實(shí)際。
當(dāng)部件處于裝配狀態(tài)時(shí)，通過PVD技術(shù)修補(bǔ)或重新涂敷陶瓷層的困難更為顯著。由于實(shí)施PVD方法所具有的處理?xiàng)l件(常常很熱)，因此通過PVD(尤其是EB-PVD)方法修補(bǔ)或重新涂敷陶瓷層可能會(huì)損壞裝配部件的硬焊接頭以及零件通過銅焊所連接的支承結(jié)構(gòu)。因此，部件通常被拆成單個(gè)零件，然后才能從鋁化物擴(kuò)散涂層上剝離或去除PVD涂敷的隔熱涂層，如通過噴砂處理方法。然后隔熱涂層可通過PVD方法重新涂敷于各個(gè)經(jīng)過剝離的零件上(不管先前是否修補(bǔ)過底層鋁化物擴(kuò)散涂層)，隨后進(jìn)行機(jī)加工并重新將這些PVD重新涂敷的零件銅焊于支承結(jié)構(gòu)上，以便再次提供完整部件。這種修補(bǔ)過程可能需要密集勞動(dòng)、耗時(shí)耗錢且不切實(shí)際。
在一些情況下，可能還需要通過等離子噴涂(尤其是空氣等離子噴涂)方法將隔熱涂層涂敷于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件的金屬襯底上，這里底層金屬襯底具有一鋁化物擴(kuò)散涂層。在修補(bǔ)損壞的PVD涂敷的隔熱涂層時(shí)也可能需要用于涂敷隔熱涂層的等離子噴涂方法，因?yàn)橥糠蟮入x子噴射涂層的條件不會(huì)損壞硬銅接頭而且可容許在不拆卸部件的情況下對隔熱涂層進(jìn)行修補(bǔ)。然而，為了使等離子噴射涂敷的隔熱涂層能夠完全粘附，通常需要將一覆蓋合金結(jié)合涂層(例如McrAIY)涂敷于鋁化物擴(kuò)散涂層上。然而，通過等離子噴涂技術(shù)，尤其是空氣等離子噴涂方法將這種覆蓋合金結(jié)合涂層涂敷于鋁化物擴(kuò)散涂層上并非沒有問題。在許多情況下，等離子噴涂的覆蓋合金結(jié)合涂層將不能持久地粘附于鋁化物擴(kuò)散涂層的表面上。這也使得難以用等離子噴涂方法來替代PVD方法用于修補(bǔ)損壞的PVD涂敷的隔熱涂層。
因此，需要提供一種用于修補(bǔ)這種具有PVD涂敷的隔熱涂層的部件的方法，其能減少進(jìn)行這種修補(bǔ)的成本與時(shí)間并且能夠廣泛用于各種渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件，如燃燒器偏轉(zhuǎn)板組件與燃燒器噴嘴。還需要提供一種能夠通過等離子噴涂方法將隔熱涂層涂敷于具有一覆蓋鋁化物擴(kuò)散涂層的金屬襯底上的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例涉及一種將一隔熱涂層涂敷于一底層金屬襯底上的方法，這里金屬襯底具有一覆蓋鋁化物擴(kuò)散涂層。這種方法包括以下步驟(1)處理鋁化物擴(kuò)散涂層以使其更易于接受一等離子噴涂的覆蓋合金結(jié)合涂層的粘附作用；(2)利用等離子噴涂方法將一種覆蓋合金結(jié)合涂層材料噴涂于所處理的擴(kuò)散涂層上以便形成一覆蓋合金結(jié)合涂層；以及(3)任選地，利用等離子噴涂方法將一種陶瓷隔熱涂層材料噴涂于覆蓋合金結(jié)合涂層上以便形成隔熱涂層。
本發(fā)明的另一實(shí)施例涉及一種隔熱涂層的修補(bǔ)方法，這種隔熱涂層通過物理氣相沉積方法涂敷于一覆蓋著金屬襯底的底層鋁化物擴(kuò)散涂層上。這種方法包括以下步驟(1)從底層鋁化物擴(kuò)散涂層上去除應(yīng)用物理氣相沉積方法涂敷的隔熱涂層；(2)處理擴(kuò)散涂層以使其更易于接受一等離子噴涂的覆蓋合金結(jié)合涂層的粘附作用；(3)利用等離子噴涂方法將一種覆蓋合金結(jié)合涂層材料噴涂于所處理的擴(kuò)散涂層上以便形成一覆蓋合金結(jié)合涂層；以及(4)任選地，利用等離子噴涂方法將一種陶瓷隔熱涂層材料噴涂于覆蓋合金結(jié)合涂層上以便形成隔熱涂層。
本發(fā)明的用于涂敷等離子噴涂的隔熱涂層和用于修補(bǔ)物理氣相沉積涂敷的隔熱涂層的方法的實(shí)施例提供了若干優(yōu)點(diǎn)。這些方法容許將一種等離子噴涂的隔熱涂層涂敷于一覆蓋著渦輪機(jī)部件，如燃燒器偏轉(zhuǎn)板組件或燃燒器噴嘴的金屬襯底的底層鋁化物擴(kuò)散涂層上，并且涂敷方式能保證等離子噴涂的隔熱涂層得到充分粘附。這些方法還容許在不需要拆開或分解部件并且不損壞部件部分，包括銅焊接頭與支承結(jié)構(gòu)的情況下對物理氣相沉積涂敷的隔熱涂層進(jìn)行修補(bǔ)。這些方法還容許以一種比較節(jié)約時(shí)間且比較簡單的方式來涂敷或修補(bǔ)這些隔熱涂層，并且實(shí)施的成本較低。這些方法還容許使用更靈活的等離子噴涂方法，這種方法能夠在空氣中并且在溫度較低的情況下實(shí)施，例如通常小于大約800(約427℃)。比較而言，物理氣相沉積方法缺少靈活性，并且通常需要在一較小的涂室內(nèi)在真空條件下在較高溫度下實(shí)施，例如通常處于從約1750°至約2000的范圍內(nèi)(從約954°至約1093℃)。


圖1為帶有兩環(huán)形陣列的帶涂層偏轉(zhuǎn)板的燃?xì)廨啓C(jī)所用的燃燒器偏轉(zhuǎn)器圓頂組件的局部平面圖。
圖2為圖1的帶涂層偏轉(zhuǎn)板之一的平面圖。
圖3為示出了一PVD涂敷的偏轉(zhuǎn)板在修補(bǔ)前的側(cè)視圖的圖象。
圖4為示出了與圖3中相似的帶涂層偏轉(zhuǎn)板在根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例進(jìn)行修補(bǔ)后的側(cè)視圖的圖象。
圖5為一PVD涂敷的偏轉(zhuǎn)板在修補(bǔ)前的剖視圖。
圖6和7為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的修補(bǔ)步驟的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
在本文中使用時(shí)，術(shù)語“陶瓷隔熱涂層材料”是指那些涂層材料能夠減少熱量流向物品的底層金屬襯底，即形成一熱障，并且熔點(diǎn)通常位于至少約2000(1093℃)左右，更通常位于至少約2200(1204℃)左右，更通常位于從約2200°至約3500(從約1204°至約1927℃)的范圍內(nèi)。這里所使用的適用陶瓷隔熱涂層材料包括氧化鋁(氧化鋁)，即那些包括Al2O3的未水合與水合形式的化合物與組合物，各種氧化鋯，尤其是化學(xué)穩(wěn)定的氧化鋯(即各種金屬氧化物，例如與氧化鋯混合的釔氧化物)，如氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯、二氧化鈰穩(wěn)定的氧化鋯、氧化鈣穩(wěn)定的氧化鋯、氧化鈧穩(wěn)定的氧化鋯、氧化鎂穩(wěn)定的氧化鋯、氧化銦(india)穩(wěn)定的氧化鋯、氧化鐿穩(wěn)定的氧化鋯以及這些穩(wěn)定的氧化鋯的混合物。例如，參看Kirk-Othmer編寫的化學(xué)技術(shù)百科全書，第三版，第24卷，882-883頁(1984年版)，可以看到關(guān)于適用氧化鋯的描述。適用的氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯可包括從約1至約20％的氧化釔(基于氧化釔與氧化鋯的組合重量)，更通常從約3至約10％的氧化釔。這些化學(xué)穩(wěn)定的氧化鋯可能還包括一種或更多種第二金屬(例如鑭系元素或錒系元素)氧化物，如氧化鏑、氧化鉺、氧化銪、氧化釓、氧化釹、氧化鐠、二氧化鈾、二氧化鉿以便于進(jìn)一步減小隔熱涂層的導(dǎo)熱率。請參看2000年2月15日公布的美國專利6,025,078(Rickersby等人)和2001年12月21日公布的美國專利6,333,118(Alperine等人)，這二者都引入作為參考。適用的非氧化鋁陶瓷隔熱涂層材料還包括通式A2B2O7，其中A是一種化合價(jià)為3+或2+的金屬(例如釓、鋁、鈰、鑭或釔)而B是一種化合價(jià)為4+或5+的金屬(例如鉿、鈦、鈰、或鋯)，其中A與B的化合價(jià)之和為7。這種類型的代表性材料包括釓-鋯、鑭鈦、鑭鋯、釔鋯、鑭鉿、鈰鋯、鋁鈰酸鹽、鈰鉿酸鹽、鋁鉿酸鹽以及鑭鈰酸鹽。參看2000年9月12日公布的美國專利6,177,560(Maloney)、2001年1月23日發(fā)表的美國專利6,177,200(Maloney)、2001年9月4日發(fā)表的美國專利6,284,323(Maloney)、2001年11月20日發(fā)表的美國專利6,319,614(Beele)以及2002年5月14日發(fā)表的美國專利6,387,526(Beele)，所有這些都引入作為參考。
在本文中使用時(shí)，術(shù)語“鋁化物擴(kuò)散涂層”是指涂層包含各種貴金屬鋁化物例如鎳鋁化物和鉑鋁化物以及單一鋁化物(即不帶貴金屬)，并且通常通過化學(xué)氣相沉積(CVD)技術(shù)形成于金屬襯底上。例如，參看1979年4月10日公布的美國專利4,148,275(Benden等人)、1999年7月27日公布的美國專利5,928,725(Howard等人)以及2000年3月21日公布的美國專利6,039,810(Mantkowski等人)(所有這些都引入作為參考)，其中公開了通過CVD技術(shù)涂敷鋁化物擴(kuò)散涂層的各種設(shè)備與方法。
在本文中使用時(shí)，術(shù)語“覆蓋合金結(jié)合涂層材料”是指那些包含各種金屬合金例如MCrAIY合金的材料，其中M是一種金屬例如鐵、鎳、鉑、鈷或其合金。
在本文中使用時(shí)，術(shù)語“物理氣相沉積涂敷的隔熱涂層”是指通過各種物理氣相沉積(PVD)技術(shù)，包括電子束物理氣相沉積(EB-PVD)技術(shù)涂敷的隔熱涂層。例如，參看1997年7月8日公布的美國專利5,645,893(Rickerby等人)(尤其是第3欄、36-63行)以及1998年2月10日公布的美國專利5,716,720(Murphy)(尤其是第5欄、24-61行)(所有這些都引入作為參考)，其中公開了通過PVD技術(shù)，包括EB-PVD技術(shù)涂敷隔熱涂層的各種設(shè)備與方法。PVD技術(shù)往往形成具有一多孔耐應(yīng)變柱狀結(jié)構(gòu)的涂層。參看圖3。
在本文中使用時(shí)，術(shù)語“包括”意思是指各種組合物、化合物、組分、層、步驟等等能夠結(jié)合用于本發(fā)明。因此，術(shù)語“包括”包含限制性更強(qiáng)的術(shù)語“基本上由...組成”以及“由...組成”。
所有本文中使用的數(shù)量、部分、比率以及百分率均按重量計(jì)算，除非另有規(guī)定。
本發(fā)明的方法的實(shí)施例可用于為由金屬襯底形成的各種渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)(例如燃?xì)廨啓C(jī))零件或部件涂敷或修補(bǔ)隔熱涂層，這些金屬襯底包括各種金屬和金屬合金，包括超耐熱合金，并且工作于或者暴露于高溫下，尤其是在發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作過程中所產(chǎn)生的更高溫度下。這些渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件可包括渦輪螺旋槳如槳葉與葉片、渦輪罩、渦輪噴嘴、燃燒器部件如襯里、偏轉(zhuǎn)器及其對應(yīng)的圓頂組件、燃?xì)廨啓C(jī)的推力增強(qiáng)硬件等等。
本發(fā)明的方法的實(shí)施例尤其適用于將隔熱涂層涂敷或修補(bǔ)到渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件上，包括連接到或者附連于支承結(jié)構(gòu)上的裝配零件(舉例說，如通過銅焊)，例如燃燒器偏轉(zhuǎn)板組件與燃燒器噴嘴組件。對于這些部件，所要應(yīng)用或修補(bǔ)的隔熱涂層通常為一個(gè)零件的，更通常為(例如通過銅焊)連接或者附連于支承結(jié)構(gòu)上的多個(gè)零件(例如，燃燒器偏轉(zhuǎn)器組件中的偏轉(zhuǎn)板，或噴嘴組件中的螺旋槳)的。實(shí)際上，本發(fā)明的方法的實(shí)施例尤其適用于涂敷或修補(bǔ)這些裝配部件，而不需拆開或分解部件并且不會(huì)損壞部件的部分，包括銅焊接頭與支承結(jié)構(gòu)。例如，參看2002年9月3日公布的美國專利6,442,940(Young等人)以及2003年1月7日公布的美國專利6,502,400(Freidauer等人)，(這兩者都引入作為參考)，可以了解到由多個(gè)銅焊于一起的零件形成的燃燒器圓頂組件，本發(fā)明的方法的實(shí)施例可為其涂敷或修補(bǔ)隔熱涂層。盡管對本發(fā)明的方法的一個(gè)實(shí)施例的以下討論將參照燃燒器偏轉(zhuǎn)器圓頂組件，尤其是包括這些組件且具有覆蓋著金屬襯底的隔熱涂層的相應(yīng)噴濺或偏轉(zhuǎn)板來進(jìn)行，但也應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的方法也可用于其它包括工作于或者暴露于高溫下的具有或需要隔熱涂層的金屬襯底的物品。
通過參考附圖，對本發(fā)明的方法的各種實(shí)施例進(jìn)行進(jìn)一步示例說明，如下文中所述。參看附圖，圖1中示出了總體標(biāo)示為10的一燃燒器偏轉(zhuǎn)器圓頂組件。所示的圓頂組件10具有一總體標(biāo)示為18的包括多個(gè)偏轉(zhuǎn)板26的外部第一環(huán)形偏轉(zhuǎn)板陣列，以及一總體標(biāo)示為34的也包括多個(gè)偏轉(zhuǎn)板26的相鄰內(nèi)部環(huán)形偏轉(zhuǎn)板陣列。盡管所示的圓頂組件10具有兩個(gè)環(huán)形偏轉(zhuǎn)板陣列18與34，但是應(yīng)當(dāng)理解圓頂組件也可能包括單個(gè)環(huán)形偏轉(zhuǎn)板陣列或者多于兩個(gè)環(huán)形偏轉(zhuǎn)板陣列(例如三個(gè)這種偏轉(zhuǎn)板26組成的環(huán)形陣列)。這些環(huán)形偏轉(zhuǎn)板陣列18與34通常由一基體支承，該基體包括多個(gè)渦旋式噴嘴(未示出)和一個(gè)總體標(biāo)示為42的墊板。這些環(huán)形陣列18與34的偏轉(zhuǎn)板26通常通過本發(fā)明所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所熟知的銅焊方法連接或者附連于支承結(jié)構(gòu)，例如墊板42上。
圖2中示出了這樣一個(gè)基本為矩形或梯形的偏轉(zhuǎn)板26，其包括一彎曲外緣46、一相對的彎曲內(nèi)緣52、沿朝向內(nèi)緣52的方向彼此相對地傾斜的相對側(cè)壁58和64、一前面或前表面70以及一后面或后表面76。表面70具有一形成于其中的中心開口或孔82，其由直徑沿從表面70至表面76的方向逐漸減小的基本上呈環(huán)狀的環(huán)形壁90限定。例如，還可參看1990年4月10日公布的美國專利4,914,918(Sullivan)，可以了解到本發(fā)明的方法的實(shí)施例可用于的其它具有多個(gè)偏轉(zhuǎn)器段的燃燒器偏轉(zhuǎn)器組件。
前、后表面70與76通常各具有一鋁化物擴(kuò)散涂層。然而，由于前表面70與燃料噴射器(未示出)相對，因此其通常具有一外部隔熱涂層來保護(hù)前表面70以及偏轉(zhuǎn)板26和組件10的其它部分免受熱損壞。這特別示于圖5中，其示出了包括一總體標(biāo)示為100的金屬襯底的偏轉(zhuǎn)板26。襯底100可包括多種金屬或更常見地包括金屬合金中的任一種，其通常由隔熱涂層進(jìn)行保護(hù)，包括基于鎳、鈷和/或鐵合金的那些。例如，襯底100可以包括一種高溫耐熱合金如超耐熱合金。這種高溫合金公開于各種參考資料中，例如1995年3月21日公布的美國專利5,399,313(Ross等人)以及1978年9月26日公布的美國專利4,116,723(Gell等人)，這二者都引入作為參考。高溫合金還在Kirk-Othmer編寫的化學(xué)技術(shù)百科全書，第三版，第12卷，417-479頁(1980年版)以及第15卷，787-800頁(1981年版)中進(jìn)行了概括描述。說明性的高溫鎳基合金商標(biāo)有Inconel、Nimonic、Rene、(例如Rene80-、Rene95合金)以及Udimet。
如圖5中所示，一總體標(biāo)示為106的鋁化物擴(kuò)散涂層鄰近且覆蓋著襯底100。這種擴(kuò)散涂層106通常厚度為從約0.5至約4密耳(從約12至約100微米)，更通常為從約2至3密耳(從約50至約75微米)。這種擴(kuò)散涂層106通常包括一直接鄰近襯底100的內(nèi)擴(kuò)散層112(通常為涂層106厚度的約30至約60％，更通常為涂層106厚度的約40至約50％)以及一外添加層120(通常為涂層106厚度的約40至約70％，更通常為涂層106厚度的約50至約60％)。另外如圖5中所示，一總體標(biāo)示為128的隔熱涂層(TBC)鄰近且覆蓋著添加層120。圖5中所示的這種TBC128通過物理氣相沉積(PVD)技術(shù)，例如電子束物理氣相沉積(EB-PVD)技術(shù)形成于擴(kuò)散涂層106上。這種TBC128典型厚度為從約1至約30密耳(從約25至約769微米)，更典型的為從約3至20密耳(從約75至約513微米)。如圖3中所示，這種通過PVD技術(shù)形成的TBC128具有多孔耐應(yīng)變柱狀結(jié)構(gòu)。
經(jīng)過長時(shí)間工作以及在正常的發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，TBC128會(huì)受到例如由發(fā)動(dòng)機(jī)吸入的外來物體、腐蝕、氧化以及環(huán)境污染侵襲造成的損壞。這樣，這種受到損壞的TBC128通常就會(huì)需要修補(bǔ)。在本發(fā)明的方法的實(shí)施例中，這種初始步驟包括將TBC128從擴(kuò)散涂層106上剝離或者去除。TBC128可以通過任何本發(fā)明所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所熟知的用于去除PVD涂敷的TBC的適用方法去除。用于去除這種PVD涂敷的TBC的方法可以是通過機(jī)械去除方法、化學(xué)去除方法及其任意組合方法。適用的去除方法包括噴砂處理方法，不管是否對不經(jīng)受噴砂處理的表面進(jìn)行遮蔽(參看Niagara等人的在1998年3月3日公布的美國專利5,723,078，尤其是第4欄第46-66行，其引入作為參考)，顯微機(jī)械加工方法，激光蝕刻方法(參看在1998年3月3日公布的授予Niagara等人的美國專利5,723,078，尤其是第4欄第67行至第5欄第3和14-17行，其引入作為參考)，對TBC128利用化學(xué)腐蝕劑進(jìn)行處理(例如通過光刻技術(shù))，例如那些包含鹽酸、氫氟酸、硝酸、氟化氫銨及其混合物的化學(xué)腐蝕劑，(例如，參看在1998年3月3日公布的授予Nagaraj等人的美國專利5,723,078，尤其是第5欄第3-10行；在1986年1月7日公布的授予Adinofi等人的美國專利4,563,239，尤其是第2欄第67行至第3欄第7行；在1982年10月12日公布的授予Fishter等人的美國專利4,353,780，尤其是第1欄第50-58行；以及在1983年10月25日公布的授予Fishter等人的美國專利4,411,730，尤其是第2欄第40-51行，所有這些都引入作為參考)，在壓力下用水進(jìn)行處理(即噴水處理)，不管是否帶有載有磨粒，以及這些方法的各種組合。通常，TBC128通過噴砂處理去除，在這里TBC128受到金剛砂顆粒、鋼粒、鋁?；蚱渌愋湍チ５哪p作用。噴砂處理中所用的這些顆粒通常為鋁粒，并且通常粒子尺寸為從約220至約35篩孔(從約63至約500微米)，更通常為從約80至約60篩孔(從約180至約250微米)。
在去除TBC128之后，就對擴(kuò)散層106進(jìn)行處理以便使其更易于接受一稍后將要通過等離子噴涂技術(shù)形成的覆蓋合金結(jié)合涂層的粘附。這種擴(kuò)散層106可通過先前所述用于去除TBC128的任何方法或方法的組合進(jìn)行處理。參看在1998年3月3日公布的授予Nagaraj等人的美國專利5,723,078，尤其是第4欄第46-66行(在此引入作為參考)可以了解到一種涉及噴砂處理的適用方法。還可以參看在1982年7月13日公布的授予Lada等人的美國專利4,339,282，可以了解到一種用化學(xué)腐蝕劑去除鎳鋁化物涂層的適用方法。擴(kuò)散層106的處理可以是一個(gè)單獨(dú)的步驟，或者可以是去除TBC128的處理步驟的延續(xù)，而不管處理?xiàng)l件是否改變。通常，噴砂處理用于去除擴(kuò)散涂層106，使其變得粗糙或者具有紋理。如圖6所示，這種紋理化或粗糙化處理通常去除了全部或基本上全部的添加層120，以及至少大部分?jǐn)U散層112，留下的剩余擴(kuò)散層112(通常為涂層106原始厚度的約0至約75％，更通常為涂層106原始厚度的約5至約20％)則具有一標(biāo)示為136的帶紋理的或粗糙的外表面。例如，在通過噴砂處理方法對擴(kuò)散層112進(jìn)行處理之后，表面136通常具有的平均表面粗糙度Ra至少約為80微米，通常處于從約80至200微米的范圍內(nèi)，更通常從約100至150微米。
如圖7中所示，在對擴(kuò)散涂層106進(jìn)行處理而使其更易于接受之后，再將一種適用的覆蓋合金結(jié)合涂層材料沉積于所處理的鋁化物擴(kuò)散涂層上，以便形成一總體標(biāo)示為142的覆蓋合金結(jié)合涂層。這種覆蓋合金粘結(jié)涂層142的厚度通常為從約1至約19.5密耳(從約25至約500微米)，更典型的為從約3至15密耳(從約75至約385微米)。在覆蓋合金結(jié)合涂層142形成之后，一種適用的陶瓷隔熱涂層材料隨后沉積于層142上以便形成TBC150。TBC150的厚度通常處于從約1至約100密耳(從約25至約2564微米)的范圍內(nèi)，并且取決于各種因素，包括所涉及的物品。例如，對于渦輪罩，TBC150通常較厚，其一般處于從約30至70密耳(從約769至約1795微米)的范圍中，更通常為從約40至60密耳(從約1333至約1538微米)。比較而言，對于偏轉(zhuǎn)板26來說，TBC150通常較薄，其一般處于從約5至40密耳(從約128至約1026微米)的范圍中，更通常為從約10至30密耳(從約256至約769微米)。
相應(yīng)的粘結(jié)涂層142和TBC150可通過本發(fā)明所屬領(lǐng)域普通技術(shù)人員所熟知的任何適用的等離子噴涂技術(shù)而形成。例如，參看Kirk-Othmer化學(xué)技術(shù)百科全書，第三版，第15卷，225頁和其中提到的參考文獻(xiàn)，以及1994年7月26日公布的美國專利5,332,598(Kawasaki等人)、1991年9月10日公布的美國專利5,047,612(Savkar等人)及1998年5月3目公布的美國專利4,741,286(Itoh等人)(在此引入作為參考)，其中介紹了適于此處使用的等離子噴涂技術(shù)的各個(gè)方面。總之，典型的等離子噴涂技術(shù)包括形成高溫等離子，而這就會(huì)產(chǎn)生一熱卷流。隔熱涂層材料，例如陶瓷粉末，被送入熱卷流中，然后高速熱卷流被直接引向結(jié)合涂層142。這種等離子噴涂技術(shù)的各種詳細(xì)情況將為本發(fā)明所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所熟知，包括各種相關(guān)步驟及過程參數(shù)例如在沉積之前對結(jié)合涂層表面進(jìn)行清理；等離子噴射參數(shù)例如噴射距離(噴槍至基底)、噴射次數(shù)的選擇、粉末進(jìn)料速度、顆粒速度、噴燈功率、等離子氣體選擇、用于調(diào)節(jié)氧化物理想配比的氧化控制、沉積角度、對涂敷涂層的后處理，等等。噴燈功率可以在約10千瓦至約200千瓦的范圍內(nèi)變化，并且在優(yōu)選實(shí)施例中，范圍為從約40千瓦至約60千瓦。隔熱涂層材料顆粒流入等離子熱卷流(或等離子“噴射”)的速度是另一個(gè)通常要特別嚴(yán)密控制的參數(shù)。
例如，適用的等離子噴射系統(tǒng)在1991年9月10日公布的美國專利5,047,612(Savkar等人)中進(jìn)行了描述，其引入作為參考。簡而言之，一種典型的等離子噴射系統(tǒng)包括一陽極等離子槍，其具有一指向所涂敷襯底的沉積表面的方向的噴嘴。等離子槍通?？梢宰詣?dòng)控制，例如通過一機(jī)器人機(jī)構(gòu)，其能夠按各種模式移動(dòng)噴槍跨過襯底表面。等離子熱卷流在陽極等離子槍出口與襯底表面之間沿軸線方向延伸。某種粉末噴射裝置置于一位于陽極與襯底表面之間的預(yù)定的所需軸向位置。在這種系統(tǒng)的一些實(shí)施例中，粉末噴射裝置沿半徑方向與等離子熱卷流區(qū)域隔開，一粉末材料所用的噴射管所處的位置使得其能夠按照所需角度將粉末導(dǎo)入等離子熱卷流中。夾帶于運(yùn)載氣體中的粉末顆粒被推動(dòng)穿過噴射器并進(jìn)入等離子熱卷流。顆粒隨后在等離子中進(jìn)行加熱，而后朝向襯底推進(jìn)。顆粒熔化，沖擊于襯底上，然后快速冷卻以便形成隔熱涂層。
盡管本發(fā)明的方法的實(shí)施例的上述描述參照修補(bǔ)已有的PVD涂敷的TBC128來進(jìn)行，但是本發(fā)明的方法的另一實(shí)施例可以用于形成一種新涂敷的TBC150。在這種方法的實(shí)施例中，具有一鋁化物擴(kuò)散涂層106的襯底100可以同以前一樣進(jìn)行處理以便使得涂層粗糙化或紋理化，如前文所述及圖6中所示。然后形成覆蓋擴(kuò)散結(jié)合涂層142和TBC150，如前文所述及圖7中所示。
盡管以上對本發(fā)明的方法的特定實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明所述領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚，在不背離如后附的權(quán)利要求書所確定的本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)及范圍的情況下，對本發(fā)明可以作出多種變動(dòng)。
元件列表10燃燒器偏轉(zhuǎn)器圓頂組件18第一環(huán)形偏轉(zhuǎn)板陣列26偏轉(zhuǎn)板34第二環(huán)形偏轉(zhuǎn)板陣列42墊板46偏轉(zhuǎn)板26的彎曲外緣52偏轉(zhuǎn)板26的彎曲內(nèi)緣58和64偏轉(zhuǎn)板26的相對側(cè)面70偏轉(zhuǎn)板26的前面或前表面76偏轉(zhuǎn)板26的背面或后表面82中心孔或中心開口90環(huán)狀環(huán)形壁100 金屬襯底106 鋁化物擴(kuò)散涂層112 內(nèi)擴(kuò)散層120 外添加層128 PVD涂敷的隔熱涂層(TBC)136 殘余擴(kuò)散層112的帶紋理的或粗糙的外表面142 覆蓋合金結(jié)合涂層150 等離子噴涂的隔熱涂層(TBC)
權(quán)利要求
1.一種將一隔熱涂層(150)涂敷于一底層金屬襯底(100)上的方法，其中金屬襯底(100)具有一覆蓋鋁化物擴(kuò)散涂層(106)，這種方法包括以下步驟(1)處理鋁化物擴(kuò)散涂層(106)以使其更易于接受一等離子噴涂的覆蓋合金結(jié)合涂層(142)的粘附作用；以及(2)利用等離子噴涂方法將一種覆蓋合金結(jié)合涂層材料噴涂于所處理的擴(kuò)散涂層(136)上以便形成一覆蓋合金結(jié)合涂層(142)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(1)通過對擴(kuò)散涂層(106)進(jìn)行噴砂處理來實(shí)施。
3.根據(jù)權(quán)利要求1至2中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，擴(kuò)散涂層(106)在步驟(1)中進(jìn)行噴砂處理以便具有一平均表面粗糙度Ra至少為80微米的帶紋理外表面(136)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，擴(kuò)散涂層(106)的厚度為從0.5至4密耳(從12至100微米)，并且擴(kuò)散涂層(106)在步驟(1)中進(jìn)行噴砂處理以便使得帶紋理外表面的平均表面粗糙度Ra為從80微米至200微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，還包括以下步驟(3)用等離子噴涂方法將一種陶瓷隔熱涂層材料噴涂于覆蓋合金結(jié)合涂層上以便形成隔熱涂層(150)。
6.一種隔熱涂層(128)的修補(bǔ)方法，這種隔熱涂層(128)通過物理氣相沉積方法涂敷于一覆蓋著金屬襯底(100)的底層鋁化物擴(kuò)散涂層(106)上，這種方法包括以下步驟(1)從底層鋁化物擴(kuò)散涂層(106)上去除應(yīng)用物理氣相沉積方法涂敷的隔熱涂層(128)；(2)處理擴(kuò)散涂層(106)以使其更易于接受一等離子噴涂的覆蓋合金結(jié)合涂層(142)的粘附作用；以及(3)利用等離子噴涂方法將一種覆蓋合金結(jié)合涂層材料噴涂于所處理的擴(kuò)散涂層(136)上以便形成一覆蓋合金結(jié)合涂層(142)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，步驟(1)通過對物理氣相沉積涂敷的隔熱涂層(128)進(jìn)行噴砂處理來實(shí)施。
8.根據(jù)權(quán)利要求6至7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，擴(kuò)散涂層(106)在步驟(2)中進(jìn)行噴砂處理以便具有一平均表面粗糙度Ra至少為80微米的帶紋理外表面(136)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6至8中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，擴(kuò)散涂層(106)的厚度為從0.5至4密耳(從12至100微米)，并且擴(kuò)散涂層(106)在步驟(2)中進(jìn)行噴砂處理以便使得帶紋理外表面(136)的平均表面粗糙度Ra為從80微米至200微米。
10.根據(jù)權(quán)利要求6至9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，步驟(2)通過對擴(kuò)散涂層(106)進(jìn)行噴砂處理來實(shí)施。
11.根據(jù)權(quán)利要求6至10中任一項(xiàng)所述的方法，還包括以下步驟(4)用等離子噴涂方法將一種陶瓷隔熱涂層材料噴涂于覆蓋合金結(jié)合涂層(142)上以便形成隔熱涂層(150)。
12.一種隔熱涂層(128)的修補(bǔ)方法，這種隔熱涂層(128)通過物理氣相沉積方法涂敷于一覆蓋著已裝配好的渦輪機(jī)部件(10)的至少一部分(26)的金屬襯底(100)的底層鋁化物擴(kuò)散涂層(106)上，這種方法包括以下步驟(1)在渦輪機(jī)部件(10)處于裝配狀態(tài)時(shí)，從至少一部分(26)的底層鋁化物擴(kuò)散涂層上去除應(yīng)用物理氣相沉積方法涂敷的隔熱涂層(128)；(2)處理擴(kuò)散涂層(106)以使其更易于接受一等離子噴涂的覆蓋合金結(jié)合涂層(142)的粘附作用；(3)利用等離子噴涂方法將一種覆蓋合金結(jié)合涂層材料噴涂于所處理的擴(kuò)散涂層上以便形成一覆蓋合金結(jié)合涂層(142)；以及(4)用等離子噴涂方法將一種陶瓷隔熱涂層材料噴涂于覆蓋合金結(jié)合涂層(142)上以便形成隔熱涂層(150)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，步驟(1)通過對物理氣相沉積涂敷的隔熱涂層進(jìn)行噴砂處理來實(shí)施。
14.根據(jù)權(quán)利要求12至13中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，步驟(2)通過對擴(kuò)散涂層(106)進(jìn)行噴砂處理來實(shí)施，以便具有一平均表面粗糙度Ra至少為約80微米的帶紋理外表面(136)。
15.根據(jù)權(quán)利要求12至14中任一項(xiàng)所述的方法，用于修補(bǔ)一已裝配好的部件即燃燒器偏轉(zhuǎn)器組件(10)，其中，該至少一部分為具有一前面(70)和一背面(76)的偏轉(zhuǎn)板(26)，其中前面(70)具有一通過物理氣相沉積方法涂敷的隔熱涂層(128)。
全文摘要
一種將隔熱涂層(150)涂敷于底層金屬襯底(100)上的方法，或者一種修補(bǔ)先前通過物理氣相沉積方法涂敷于一覆蓋著金屬襯底(106)的底層鋁化物擴(kuò)散涂層(106)上的隔熱涂層(128)的方法。對鋁化物擴(kuò)散涂層(106)進(jìn)行處理以使其更易于接受一等離子噴涂的覆蓋合金結(jié)合涂層(142)的粘附作用。然后利用等離子噴涂方法將一種覆蓋合金結(jié)合涂層材料噴涂于所處理的擴(kuò)散涂層(136)上以便形成一覆蓋合金結(jié)合涂層(142)。利用等離子噴涂方法將一種陶瓷隔熱涂層材料噴涂于覆蓋合金結(jié)合涂層(142)上以便形成隔熱涂層(150)。在這種方法的修補(bǔ)實(shí)施例中，首先從底層鋁化物擴(kuò)散涂層(106)上去除應(yīng)用物理氣相沉積方法涂敷的隔熱涂層(128)。
文檔編號(hào)C23C4/10GK1550567SQ20041004342
公開日2004年12月1日 申請日期2004年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月30日
發(fā)明者B·A·納加拉, B A 納加拉, E·Z·蘭曼, 蘭曼, D·A·索爾, 索爾, T·J·湯林森, 湯林森, R·W·海多恩, 海多恩, D·A·卡斯特魯普, 卡斯特魯普, C·D·楊, 楊 申請人:通用電氣公司