專利名稱：納米多層結(jié)構(gòu)、部件以及相關(guān)的生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及納米多層結(jié)構(gòu)、部件以及相關(guān)的生產(chǎn)方法。更具體地說，本發(fā)明涉及在高溫下使用的納米多層涂層體系以及用來在諸如燃?xì)廨啓C(jī)部件、航空器發(fā)動機(jī)部件及類似部件上沉積涂層體系的相關(guān)方法。
背景技術(shù)：
在很多工程應(yīng)用中，為了滿足日益增加的性能和效率需求，工作溫度提高了。例如，在燃?xì)廨啓C(jī)、航空器發(fā)動機(jī)等的燃?xì)夤艿赖臏囟纫呀?jīng)提高到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過約1400℃。因此，這些燃?xì)廨啓C(jī)、航空器發(fā)動機(jī)等的部件經(jīng)常被暴露在超過約1000℃的溫度下。為了承受如此高的溫度，這些部件通常由高溫鎳、鈷或鐵基超合金制成。這些部件也由被稱作熱絕障涂層的環(huán)境或熱阻隔涂層保護(hù)。
然而，常規(guī)的高溫涂層體系，例如MCrAlY和鋁合物通常被開發(fā)以增強(qiáng)抗氧化性能，而耐磨性、抗沖擊性、耐腐蝕性以及間隙控制卻沒有得到增強(qiáng)。因此，在溫度超過約1000℃時，這些涂層體系沒有保持它們的硬度，也沒有表現(xiàn)出足夠的耐磨性、抗沖擊性、耐腐蝕性和控制間隙性。常規(guī)的熱噴涂涂層體系，例如碳化鎢和碳化鉻以及常規(guī)的相加強(qiáng)涂層體系，例如Triballoy 800也是如此。同樣地，常規(guī)的陶瓷熱阻隔涂層在溫度超過大約1000℃時，不具有所需要的韌性也沒有展現(xiàn)足夠的耐磨性、抗沖擊性、耐腐蝕性和控制間隙性。
因此，我們所需要的是一種在溫度超過約1000℃時提供增強(qiáng)的耐磨性、抗沖擊性、耐腐蝕性和控制間隙性的涂層體系。在如此高的溫度下，該涂層體系必須保持其硬度、韌性和抗氧化性。最后，該涂層體系必須能夠通過使用常規(guī)的沉積方法沉積在例如燃?xì)廨啓C(jī)部件、航空器發(fā)動機(jī)部件以及類似部件上。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的各種實(shí)施方案中，本發(fā)明的高溫納米多層結(jié)構(gòu)、部件以及相關(guān)的生產(chǎn)方法利用了許多交替的金屬合金和氧化陶瓷層。這些金屬合金和氧化陶瓷層的選擇應(yīng)使其尤其是在溫度超過約1000℃時展現(xiàn)出足夠的內(nèi)在抗氧化性，并且能夠相互粘貼。每一層金屬合金層和氧化陶瓷層的厚度均為納米級，因此，納米多層涂層體系的厚度是微米級。所使用的金屬合金層和氧化陶瓷層的數(shù)目可以根據(jù)每一層金屬合金和氧化陶瓷層的厚度以及納米多層涂層體系的所需厚度而改變。當(dāng)遇到熱機(jī)械應(yīng)力的時候，可以獨(dú)立地調(diào)節(jié)金屬合金和氧化陶瓷層的厚度以控制納米多層涂層體系的硬度、應(yīng)變?nèi)菰S量及其整體穩(wěn)定性。
在本發(fā)明的一個實(shí)施方案中，適合應(yīng)用于高溫應(yīng)用的納米多層結(jié)構(gòu)包括許多每一層的厚度是納米級的金屬合金層，以及以交替的方式排列于該許多金屬合金層之間的每一層的厚度是納米級的許多氧化陶瓷層。
在本發(fā)明的另一個實(shí)施方案中，高溫部件包括一個具有表面的基片和位于該基片表面上的納米多層結(jié)構(gòu)。該納米多層結(jié)構(gòu)包括許多每一層的厚度是納米級的金屬合金層，以及以交替的方式排列于該許多金屬合金層之間的每一層的厚度是納米級的許多氧化陶瓷層。
在本發(fā)明的更進(jìn)一步的實(shí)施方案中，生產(chǎn)適用于高溫應(yīng)用的納米多層結(jié)構(gòu)的方法包括提供一個具有表面的基片。該方法還包括接近于基片表面設(shè)置許多的金屬合金層，其中，該許多金屬合金層中的每一層的厚度是納米級。該方法進(jìn)一步還包括將許多氧化陶瓷層接近于基片表面設(shè)置并且以交替的方式設(shè)置于該許多金屬合金層之間，其中該許多氧化陶瓷層的每一層的厚度是納米級。


圖1是本發(fā)明高溫納米多層結(jié)構(gòu)的一個實(shí)施方案的橫截面?zhèn)纫晥D，其包括排列在基片表面的許多金屬合金和氧化陶瓷層；和圖2是生產(chǎn)圖1所示的高溫納米多層結(jié)構(gòu)的方法的一個實(shí)施方案的流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的高溫納米多層結(jié)構(gòu)、部件及相關(guān)的生產(chǎn)方法基于以下前提層狀結(jié)構(gòu)比其它能夠預(yù)想的混合方式表現(xiàn)出更高的硬度和更好的耐磨性、抗沖擊性、耐腐蝕性以及控制間隙性。上述前提之所以成立，是因為當(dāng)不同彈性模量和晶體結(jié)構(gòu)的材料交替層疊放在一起時，該結(jié)構(gòu)的抗位錯性總體上提高了。這是由當(dāng)它們被迫通過相對較窄的流道時位錯所經(jīng)歷的塑性收縮、從一層傳送到另一層的像力以及相鄰層之間的彈性模量失配所引起的。換句話來說，在相對呈延性的層中的塑性流動受到比較脆性的層制約，位錯運(yùn)動受到聚積機(jī)理、像力和彈性模量失配效應(yīng)的限制。在比較脆性的層中所引發(fā)的裂紋被相對延性的層所鈍化，在主拉伸應(yīng)力定向變化的情況下，由于在層界面連續(xù)偏轉(zhuǎn)，裂紋不能沿固定的路徑行進(jìn)。
納米多層涂層體系已經(jīng)被開發(fā)應(yīng)用于諸如刀具及類似領(lǐng)域。通常納米多層涂層體系包括許多交替組成的氮化物層，如Ti-TiN，TiN-TiAlN，TiN-NbN，TiN-TaN或TiN-VN。每一層氮化物層的厚度在大約0.1nm和大約30nm之間，其以大約0.5微米到大約20微米的總厚度被涂于相對硬的基底上，例如淬火工具鋼，硬質(zhì)碳化鎢鈷等等。同樣地，納米多層涂層體系可以包括多種金屬氮化物、金屬碳化物和氧化鋁(例如伽馬氧化鋁)和/或碳氮化物，它們形成許多的沒有整齊間距的非周期層或者形成一個具有連續(xù)變化組成的結(jié)構(gòu)。這些金屬可以包括Ti，Nb，Hf，V，Ta，Mo，Zr，Cr，W，Al或它們的混合物。然而，由于氮化物基納米多層涂層體系等容易氧化，因此不適合應(yīng)用于溫度超過約600℃的情況。在相對較低的厚度時，氮化物基納米多層涂層體系及類似體系還不適合用于相對柔軟的基底，例如，銅、鋁、銅合金以及鋁合金等等，這是因為與所接觸的凸凹不平相關(guān)的應(yīng)力場可以使基底材料塑性變形，引起涂層材料剝離。
在各種實(shí)施方案中，本發(fā)明的高溫納米多層結(jié)構(gòu)、部件以及相關(guān)的生產(chǎn)方法利用了許多交替的金屬合金層和氧化陶瓷層。這些金屬合金層和氧化陶瓷層是經(jīng)過選擇的，因此，尤其是在溫度超過約1000℃時，它們表現(xiàn)出足夠的內(nèi)在抗氧化性并且相互粘合。優(yōu)選地，每一層金屬合金層和氧化陶瓷層的厚度在大約3nm和大約200nm之間，導(dǎo)致納米多層涂層體系的厚度在大約3微米到大約200微米之間。所使用的金屬合金層和氧化陶瓷層的數(shù)目可以根據(jù)每一層金屬合金層和氧化陶瓷層的厚度以及納米多層涂層體系所需的厚度而改變。當(dāng)受到熱機(jī)械應(yīng)力的影響時，金屬合金層和氧化陶瓷層的厚度可以單獨(dú)調(diào)節(jié)以控制納米多層涂層體系的硬度、應(yīng)變?nèi)菰S量和整體穩(wěn)定性。
參照圖1，在本發(fā)明的一個實(shí)施方案中，納米多層結(jié)構(gòu)由一個包括許多以交替方式排列在許多氧化陶瓷層14之間的金屬合金層12的納米多層涂層體系10組成。優(yōu)選地，每層金屬合金層12和氧化陶瓷層14的厚度16為大約3nm到大約200nm之間，更加優(yōu)選在大約10nm至大約100nm之間，因此，納米多層涂層體系10的厚度18介于大約3微米至大約200微米之間，更加優(yōu)選大約5微米至大約150微米之間。所使用的金屬合金層12和氧化陶瓷層14的數(shù)目，可以依據(jù)每一層金屬合金層12和氧化陶瓷層14的厚度16以及納米多層涂層體系10的所需厚度18而改變。
所述的許多金屬合金層12每一層可以由以下材料組成，例如，鎳鋁(NiAl)，摻Hf鎳鋁(NiAl(Hf)，摻Zr鎳鋁(NiAl(Zr))，鉑鋁(PtAl)或者M(jìn)CrAlY，其中M至少為鎳、鐵、鐵、鈷和它們的結(jié)合中的一種。所述的許多的氧化陶瓷層14的每一層可以由，例如，氧化鋁、氧化釔、氧化鋯、氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)、氧化鉿、釔基金剛砂、莫來石或類似物組成。然而，其它合適的材料也可以使用。
參照圖2，在本發(fā)明的另一實(shí)施方案中，本發(fā)明的納米多層涂層體系10(圖1)的生產(chǎn)方法30包括為接下來的涂敷預(yù)備基底20(圖1)的表面。(方框32)。例如，基底20的表面可以經(jīng)過噴砂處理，拋光，化學(xué)清洗，超聲波清洗，脫脂或它們的結(jié)合來預(yù)備。如上所述，基底可以包括例如用來形成燃?xì)廨啓C(jī)部件、航空器發(fā)動機(jī)部件等的高溫鎳、鈷或鐵基超合金等等。當(dāng)基底20的表面為接下來的涂敷做好準(zhǔn)備以后，第一金屬合金層12(圖1)通過使用本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知的物理或化學(xué)氣相沉積法，例如，化學(xué)氣相沉積法(CVD)、等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)、電子束物理氣相沉積法、陰極電弧涂敷法、濺射、等離子區(qū)涂敷法等等沉積在基底20的表面上。(方框34)。作為選擇，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員也已經(jīng)公知的熱噴涂技術(shù)，例如，火焰噴鍍、等離子體噴鍍，高速氧燃油霧化噴鍍等等也可以用來沉積第一層金屬合金層12以及后來的合金層。然后將第一層氧化陶瓷層14(圖1)沉積在鄰接基底20表面的第一層金屬合金層12上。(方框36)。然后，將第二層金屬合金層12沉積在接近于基底20表面的第一層氧化陶瓷層14上，(方框38)，將第二層氧化陶瓷層14沉積在接近于基底20表面的第二層金屬合金層12上，(方框40)，等等。作為選擇，可以在沉積任何金屬合金層12之前，將氧化陶瓷層14沉積在基底20的表面上。在一個實(shí)施方案中，第一層氧化陶瓷層14和后來的氧化陶瓷層的沉積是使用本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知的物理或化學(xué)氣相沉積法，例如，化學(xué)氣相沉積法(CVD)、等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)、電子束物理氣相沉積法、陰極電弧涂敷法、濺射、等離子區(qū)涂敷法等等。在另一個實(shí)施方案中，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員也已經(jīng)公知的熱噴涂技術(shù)，例如，火焰噴鍍、等離子體噴鍍，高速氧燃油霧化噴鍍等可以用來沉積第一層氧化陶瓷層14和后來的陶瓷氧化層。最后，納米多層涂層體系10可以在大約600℃至大約1400℃的溫度范圍內(nèi)，或者在高達(dá)該納米多層涂層體系的熔化溫度約80％的高溫下進(jìn)行熱處理。(方塊42)。在一個實(shí)施方案中，納米多層涂層體系10是在大約600℃至900℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行熱處理。
下面的例子對實(shí)施本發(fā)明的本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員提供附加指導(dǎo)，其僅僅是有助于本發(fā)明教導(dǎo)的代表性操作。從而，該例子并不是打算以任何方式，像所附權(quán)利要求書所限定的那樣用來限定本發(fā)明。
例如，兩種多層納米復(fù)合材料Cu-Mo和Ni20Cr-ZrO2(7Y2O3)(在本領(lǐng)域也被稱為氧化釔穩(wěn)定氧化鋯，ZrO2(7Y2O3)，或7YSZ)是通過濺射生產(chǎn)的。能夠使用DC或RF電壓沉積導(dǎo)電和絕緣薄膜的側(cè)面濺射系統(tǒng)被用來生產(chǎn)這兩種納米多層薄膜材料。另外，該濺射系統(tǒng)可以用來在薄膜沉積前，在真空中清潔基底。
在典型的試驗中，載玻片、氧化硅導(dǎo)片、硅晶片和鍍Cr鋼基底被固定于垂直安裝在濺射系統(tǒng)的真空室內(nèi)部的頂板或底板上。通過計算機(jī)可控程序，底板能夠移動到真空裝載鎖，NiCr濺射靶，7YSZ濺射靶或濺射浸蝕區(qū)域。第一步，安裝有基底的底板經(jīng)過真空裝載鎖被送入真空室中，緊接著被送到濺射浸蝕區(qū)域，在這里固定的基底被Ar+粒子在0.8kv電壓和10mTorr Ar壓力下轟擊30秒而清潔。第二步，底板以50cm/min的速度，在2kv電壓和12m Torr Ar壓力下橫穿NiCr濺射靶區(qū)域以在基底上沉積50nm厚的NiCr。第三步，底板以5cm/min的速度，在0.52KW電功率和15mTorr Ar壓力下橫穿7YSZ濺射靶區(qū)域以在基底上沉積50nm厚的YSZ。然后，將第二和第三步驟再另外重復(fù)49次，從而生產(chǎn)具有50層50nm Ni20Cr和50層50nm 7YSZ的納米多層薄膜，其總厚度為5微米。相似的程序可以用來生產(chǎn)層厚度為從大約1nm到大約1000nm范圍內(nèi)任何層厚度的多層薄膜，該程序只受完成單一和多步濺射步驟所需要的時間的限制。
雖然在本發(fā)明中已經(jīng)參照優(yōu)選實(shí)施方案和例子對本發(fā)明進(jìn)行了舉例說明和描述，然而，很顯然對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，其它方案和實(shí)施例可以起到相似的作用和/或達(dá)到相同的效果。所有此類等同的實(shí)施方案和例子都在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，并且打算被以下的權(quán)利要求書所覆蓋。
零件表

權(quán)利要求
1.一種適用于高溫應(yīng)用的納米多層結(jié)構(gòu)(10)，其包括許多金屬合金層(12)，該許多金屬合金層(12)每一層的厚度(16)是納米級；和以交替的方式排列在所述許多金屬合金層(12)之間的許多氧化陶瓷層(14)，該許多氧化陶瓷層(14)每一層的厚度(16)是納米級。
2.權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)(10)，其中所述的許多金屬合金層(12)中的每一層包括一種選自由鎳鋁，摻Hf鎳鋁，摻Zr鎳鋁，鉑鋁和McrAlY合金所組成的組中的材料，其中M包括鎳、鐵、鈷以及它們的組合中的至少一種。
3.權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)(10)，其中所述的許多氧化陶瓷層(14)中的每一層包括選自由氧化鋁、氧化釔、氧化鋯、氧化釔穩(wěn)定氧化鋯、氧化鉿、釔基金剛砂和莫來石所組成的組中的至少一種材料。
4.權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)(10)，其中所述的許多金屬合金層(12)和許多氧化陶瓷層(14)的每一層的厚度(16)在大約3nm至大約200nm之間。
5.權(quán)利要求4所述的結(jié)構(gòu)(10)，其中所述的許多金屬合金層(12)和許多氧化陶瓷層(14)的每一層的厚度(16)在大約10nm至大約100nm之間。
6.權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)(10)，其中所述的許多金屬合金層(12)和許多氧化陶瓷層(14)的總厚度(18)在大約3微米至大約200微米之間。
7.權(quán)利要求6所述的結(jié)構(gòu)(10)，其中所述的許多金屬合金層(12)和許多氧化陶瓷層(14)的總厚度(18)在大約5微米至大約150微米之間。
8.權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)(10)，其中所述的納米多層結(jié)構(gòu)(10)包括納米多層涂層體系(10)。
9.權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)(10)，其還進(jìn)一步包括一個具有表面的基底(20)，其中所述的許多金屬合金層(12)和許多氧化陶瓷層(14)被排列在基底(20)的表面上。
10.權(quán)利要求9所述的結(jié)構(gòu)(10)，其中所述的基底(20)包括鎳基超合金、鈷基超合金、鐵基超合金和MCrAlY合金中的至少一種，其中M包括鎳、鐵、鈷以及它們的組合中的至少一種。
11.權(quán)利要求9所述的結(jié)構(gòu)(10)，其中所述的基底(20)包括燃?xì)廨啓C(jī)部件或航空器發(fā)動機(jī)部件。
全文摘要
一種適合應(yīng)用于高溫應(yīng)用的納米多層結(jié)構(gòu)(10)，其包括許多的金屬合金層(12)，該許多金屬合金層(12)每一層的厚度(16)是納米尺寸的；和以交替的方式排列在所述許多金屬合金層(12)之間的許多的氧化陶瓷層(14)，該許多氧化陶瓷層(14)每一層的厚度(16)是納米尺寸的。
文檔編號C23C14/06GK1605460SQ200410092159
公開日2005年4月13日 申請日期2004年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月10日
發(fā)明者R·R·科爾德曼, P·R·蘇布拉馬尼安, D·斯里尼瓦桑, D·M·格雷, K·阿南德 申請人:通用電氣公司