專利名稱：薄7ysz界面層作為低導tbc的循環(huán)耐久性(剝落)壽命的增強的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種涂于金屬零件的絕熱涂層用陶瓷材料，其中在零件和涂層之間插入穩(wěn)定氧化鋯的界面層。
背景技術：
燃氣輪機發(fā)動機是發(fā)展得非常好的機械裝置，其將燃料形式的化學勢能轉(zhuǎn)化成熱能，然后轉(zhuǎn)化成機械能，用于推動航空器，產(chǎn)生電力，泵抽流體等。目前，提高燃氣輪機發(fā)動機效率的主要可行途徑看來就是使用更高的操作溫度。但是，當前用于燃氣輪機發(fā)動機的金屬材料非常接近于它們熱穩(wěn)定性的上限。在現(xiàn)代燃氣輪機發(fā)動機的最熱部分中，金屬材料都在高于它們?nèi)埸c的氣體溫度下使用。由于經(jīng)過空氣冷卻，它們才得以維持。但是，提供空氣冷卻會降低發(fā)動機效率。
因此，用于冷卻的燃氣輪機飛行器硬件的絕熱涂層已經(jīng)有了廣泛的發(fā)展。通過使用絕熱涂層(TBC)，能使需要的冷卻空氣的量大大減少，相應地效率也得到了提高。一種用來保護燃氣輪機發(fā)動機零件的常用TBC包括59wt％Gd2O3-41ZrO2。雖然這種Gd-Zr基TBC具有低的熱導性能，但是其抗剝落性能低于常規(guī)的氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯，例如7YSZ。人們認為這種對剝落的敏感性是由于Gd-Zr體系具有較低的斷裂韌性特征產(chǎn)生的。
相應地，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)結合不同穩(wěn)定氧化鋯例如7YSZ的初始薄層(標稱0.5-1密爾)會增強Gd-Zr體系的抗剝落性能。盡管沒有完全明白，但是有可能是由于7YSZ的較高斷裂韌性導致這種增加的抗剝落性能，使其抵抗TBC/粘合層(或更尤其是氧化鋁層)界面上形成的應力。7YSZ層的另外一個可能有益的作用是可能與在基底合金或粘合層表面上形成的氧化釓和氧化鋁表皮之間不具有潛在有害的相互作用有關。不管其工作機理，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)添加薄7YSZ中間層補償了Gd-Zr基TBC較低的斷裂韌性，以致于增強了抗剝落性能。
除了抗剝落性能外，同樣需要生產(chǎn)具有耐腐蝕性能的TBC。發(fā)動機工作過程中，當被發(fā)動機吸收或釋放的細顆粒以非常高的速度撞擊TBC時，發(fā)生腐蝕。這導致TBC從其表面向下磨損。一般，在給定撞擊作用下，僅僅腐蝕掉非常小的TBC顆粒，因為僅僅是細顆粒才容易進入渦輪，而大顆粒在壓縮機中被離心分離。這種腐蝕作用每次釋放小塊TBC，局部輕微地減少TBC的厚度。具有較低斷裂韌性的低熱導性能的TBC(例如59GdZr)易于腐蝕。
然而，盡管Gd-Zr基TBC尤其是59wt％Gd2O3-41 ZrO2，具有相對低的熱導率系數(shù)，但是仍然需要TBC具有更低的熱導性能。這種TBC可具有比目前體系更低的抗剝落性能和耐腐蝕性能。這種抗剝落性能理想地通過抵抗TBC從下面零件上分離出來以及抵抗包括TBC的不同層相互分離而得到證明。
一般而言，金屬材料的熱膨脹系數(shù)超過陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)。因此，在開發(fā)成功的絕熱涂層中必須解決的一個問題是使陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)與金屬基底更加緊密匹配，以致于當基底由于被加熱而膨脹時，陶瓷涂層材料不破裂。氧化鋯具有高的熱膨脹系數(shù)，并且這是氧化鋯成功作為金屬基底上的絕熱材料的主要原因。
盡管目前利用電子束物理氣相沉積氧化鋯基涂層取得成功，但繼續(xù)希望改善涂層，使其具有優(yōu)異的絕熱性能，尤其是當規(guī)范化涂層密度時在絕熱性能方面的那些改善。當設計燃氣輪機發(fā)動機，尤其是旋轉(zhuǎn)零件時，重量總是關鍵因素。陶瓷絕熱涂層不是載荷支撐材料，并且因此，它們增加重量而不增加強度。非常需要能增加最小重量同時具有最大絕熱性能的陶瓷絕熱材料。除此以外，很顯然，通常希望具有長的壽命、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性等等。
因此，所需要的是所涂覆的零件包括絕熱涂層，其提供更低的熱導性能但是具有合適的抗剝落性能。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種涂于金屬零件的絕熱涂層用陶瓷材料，其中在零件和涂層之間插入7YSZ的界面層，以增加涂層的抗剝落性能。
根據(jù)本發(fā)明，抗剝落金屬制品包括金屬基底、至少一種含有氧化鋯基和至少一種選自La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sc、In、Y、Mo和C、稀土氧化物、鈧和銦的其它元素的陶瓷絕熱涂層、和位于至少一部分基底上的并且在金屬基底和至少一種陶瓷絕熱涂層之間的陶瓷粘合層，其中該陶瓷粘合層由氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)構成。
進一步根據(jù)本發(fā)明，抗剝落性能的金屬制品包括至少一種熱導率小于約1.5W/m℃的陶瓷絕熱涂層。
進一步根據(jù)本發(fā)明，減少金屬制品中剝落的方法包括步驟提供一種金屬基底；用至少一種含有氧化鋯基和至少一種選自La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sc、In、Y、Mo和C、稀土氧化物、鈧和銦的其它元素的陶瓷絕熱涂層涂覆金屬基底，和在金屬基底和至少一種陶瓷絕熱涂層之間插入陶瓷粘合層，其中陶瓷粘合層由氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)構成。
進一步根據(jù)本發(fā)明，抗剝落性能的金屬制品包括金屬基底、至少一種含有氧化鋯基和至少一種選自La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sc、In、Y、Mo和C、稀土氧化物、鈧和銦的其它元素的陶瓷絕熱涂層、在金屬基底和至少一種陶瓷絕熱涂層之間的陶瓷粘合層，其中陶瓷粘合層由氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)構成、插入在金屬基底和陶瓷粘合層之間的熱生長氧化物(TGO)層、和在TGO層和金屬基底之間的金屬粘合層。
結合附圖和以下描述來說明本發(fā)明的一個或多個實施方案的具體細節(jié)。從說明書和附圖，以及從權利要求書中可以理解本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點。


圖1說明插入在本發(fā)明的陶瓷涂層和金屬基底之間的陶瓷粘合層。
圖2說明插入在本發(fā)明的陶瓷涂層和熱生長氧化物(TGO)涂層之間的陶瓷粘合層。
圖3說明本發(fā)明的實施方案，其中涂有外層陶瓷涂層。
圖4說明本發(fā)明的實施方案，其中YSZ陶瓷層插入在兩種陶瓷絕熱涂層之間。
圖5說明插入在本發(fā)明的TGO涂層和金屬基底之間的金屬粘合層。
在不同的附圖中，相同的參考數(shù)字和名稱是指相同的元件。
具體實施例方式
因此，本發(fā)明的教導是提供一種具有金屬基底的金屬制品，優(yōu)選燃氣輪機發(fā)動機部件，包括陶瓷絕熱涂層(TBC)和插入在陶瓷TBC和金屬基底之間的穩(wěn)定氧化鋯的陶瓷粘合層。優(yōu)選的陶瓷粘合層是7YSZ，盡管其它氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯，例如包含約1-20重量％氧化釔的穩(wěn)定的氧化鋯。在所有情況下，陶瓷TBC包含添加有一種或多種以下元素的氧化鋯基La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sc、In、Y、Mo和C、稀土氧化物、鈧和銦，其中這些元素存在的量為M2O3氧化物的1-50，并且優(yōu)選為2-40摩爾％，其中M是指上述所列的元素。氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)顯示理想的機械完整性，使其能經(jīng)受住當其所附的金屬制品在熱循環(huán)時所產(chǎn)生的應力。結果是YSZ的陶瓷粘合層在金屬制品和陶瓷TBC之間起到穩(wěn)定過渡的作用，從而增加了陶瓷TBC的抗剝落性能。
參考圖1，說明本發(fā)明的金屬零件10的構造，其由形成金屬制品的金屬基底11、陶瓷TBC、和陶瓷粘合層組成。該制品也可以在金屬基底和陶瓷粘合層之間包括金屬粘合層，如覆層(MCrAlY)粘合層或一種鋁化物，其也可以包括貴金屬?？蛇x擇的是，基底可以包括能形成粘附的氧化鋁層的材料，并且這樣不需要金屬粘合層。金屬基底11形成需要用陶瓷TBC 15涂覆的零件。優(yōu)選，金屬基底11由鋼、超級合金、鈦合金和銅合金形成。如所述，由氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)構成的陶瓷粘合層13沉積到金屬基底11的外表面。陶瓷粘合層13的厚度優(yōu)選在0.5和3密爾之間，最優(yōu)選厚度為約1密爾。同樣，陶瓷TBC涂到陶瓷粘合層13的最外層上。
可以通過各種方法將陶瓷TBC 15涂覆到陶瓷粘合層13。這種方法包括，但是不局限于熱噴涂方法如以空氣等離子噴涂(APS)、低壓等離子噴涂(LPPS)、高速氧氣燃料過程(HVOF)、經(jīng)爆炸噴槍(D Gun)、和濺射。沉積陶瓷TBC 15的優(yōu)選方法包括電子束物理氣相沉積(EBPVD)。使用EBPVD具有一些優(yōu)點，因為使用EBPVD產(chǎn)生一種適合于極端溫度應用的結構，并且因此更適合涂覆高溫段的渦輪部件。熱噴涂處理能提供涂覆形狀復雜的大部件的優(yōu)點，并且更加適合涂覆諸如燃燒器等部件。
在燃氣輪機應用中，金屬基底11的背部19將通過冷卻空氣(未顯示)進行冷卻，并且陶瓷TBC 15的外表面21將暴露在高溫下。熱流將從外表面21流到所冷卻的表面背部19，并且熱流的量被陶瓷TBC 15充分減少。
參考圖2，說明本發(fā)明的金屬零件10的另外可選實施方案。金屬零件10由于添加插入在金屬基底11和陶瓷粘合層13之間的熱生長氧化物(TGO)17而增強。如前面所述，陶瓷粘合層13的厚度優(yōu)選約為0.5和3.0密爾之間，更優(yōu)選厚度為約1.0密爾。
參考圖5，說明另外的可選實施方案，其中將金屬粘合層51涂在金屬基底11和陶瓷粘合層13之間。金屬粘合層51由含鋁涂層構成。這種金屬涂層的組成如此選擇以致于在操作過程中在金屬粘合層上形成一層連續(xù)的、薄的、生長緩慢的氧化鋁層。在本領域中，眾所周知這種氧化鋁作為熱生長氧化物或TGO。典型的金屬粘合層51包括通過APS、LPPS、陰極電弧和其它技術形成的NiCoCrAlY覆層、以及通過電鍍Pt形成的(Ni、Pt)Al涂層，然后蒸發(fā)涂覆NiAl并且擴散熱處理該涂層以便形成(Ni、Pt)Al。如上所述，在沒有金屬粘合層51的情況下，在金屬基底11和陶瓷粘合層13之間形成TGO層17。在具有金屬粘合層51的體系中，在金屬粘合層51和陶瓷粘合層13之間形成這種TGO層17。在類似陶瓷涂覆的零件上，TGO層17的厚度一般為0.1-0.5微米，并且在運行中生長到10微米厚。TGO層17負責給超級合金零件提供抗氧化性能，因為氧通過氧化鋁擴散非常慢。
參考圖3，說明本發(fā)明金屬零件10的另外可選的實施方案。除了在陶瓷TBC15和金屬基底11之間插入由7YSZ構成的陶瓷粘合層13以外，還額外涂一種外層陶瓷涂層31。外層陶瓷涂層31形成金屬基底11的最外層涂層。由于它由YSZ構成，外層陶瓷涂層31擁有固有的良好的機械完整性，并且對于由操作中的金屬零件10受到的應力起到進一步增強抗剝落性能。此外，外層陶瓷涂層31降低金屬零件10最外層表面腐蝕的傾向。外層陶瓷涂層31的厚度優(yōu)選為約0.5和3.0密爾之間，更優(yōu)選厚度為約1.0密爾。
參考圖4，說明本發(fā)明的金屬零件10的另外可選實施方案，其中，在金屬基底11上沉積至少兩層陶瓷TBC 15、15′，并且更具體地沉積在將金屬基底11與陶瓷TBC 15、15′分離的陶瓷粘合層13上。分離兩層陶瓷TBC 15、15′的是由YSZ構成的陶瓷層33。在兩層陶瓷TBC 15之間，由YSZ優(yōu)選7YSZ構成的陶瓷層33起到增加機械完整性的作用，借此使陶瓷TBC 15、15′相互粘附在一起。結果是，多重陶瓷TBC 15、15′的抗剝落性能整體增加。陶瓷層33優(yōu)選在0.5和3.0密爾之間，更優(yōu)選厚度為約1.0密爾。
利用兩個電子束槍進行EB-PVD涂覆試驗，其中對陶瓷基底11涂覆多種組合物以形成陶瓷絕熱涂層。測量每一種組合物的抗剝落性以致于得到每一種組合物的剝落基準值。接著，在金屬基底11和陶瓷絕熱涂層之間插入厚度約為1密爾的YSZ的陶瓷粘合層，具體地為7YSZ粘合層。再次測量抗剝落性能，并與基準值比較。包括EBPVD涂覆的TBC的組合物和其形成方法如下-用Mo分層的7YSZ(一個槍恒速蒸發(fā)7YSZ，另一個槍在7YSZ和Mo之間交換)。
-具有均勻Mo的7YSZ(一個槍恒速蒸發(fā)7YSZ，另一個槍恒速蒸發(fā)Mo)。
-用C分層的7YSZ(一個槍恒速蒸發(fā)7YSZ，另一個槍在7YSZ和C之間交換)。
-具有均勻C的7YSZ(一個槍恒速蒸發(fā)7YSZ，另一個槍恒速蒸發(fā)C)。
-用Mo分層的59GdZr(一個槍恒速蒸發(fā)59GdZr，另一個槍在59GdZr和Mo之間交換)。
-具有均勻Mo的59GdZr(一個槍恒速蒸發(fā)59GdZr，另一個槍恒速蒸發(fā)Mo)。
-用C分層的59GdZr(一個槍恒速蒸發(fā)59GdZr，另一個槍在7YSZ和C之間交換)。
-具有均勻C的59GdZr(一個槍恒速蒸發(fā)59GdZr，另一個槍恒速蒸發(fā)C)。
在所有情況下，使用厚度約為1密爾的純7YSZ陶瓷粘合層將抗剝落性能改進到等于或者優(yōu)于基準。測量7YSZ陶瓷粘合層增強的組合物的抗剝落性能在150到300小時之間。
已經(jīng)描述了本發(fā)明的一個或者多個實施方案。然而，應該理解為可以在不背離本發(fā)明的精神和范圍的前提下作出各種改進。因此，其它實施方案落在以下權利要求書的范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種抗剝落的金屬制品，包括金屬基底；至少一種含有氧化鋯基和至少一種選自La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sc、In、Y、Mo和C、稀土氧化物、鈧和銦的其它元素的陶瓷絕熱涂層；和在所述金屬基底和所述至少一種陶瓷絕熱涂層之間的陶瓷粘合層，其中所述陶瓷粘合層由氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)構成。
2.權利要求1的制品，其中金屬基底選自鋼、超級合金、鈦合金和銅合金。
3.權利要求1的制品，其中熱生長氧化物(TGO)層插入在所述金屬基底和所述陶瓷粘合層之間。
4.權利要求1的制品，其中所述陶瓷粘合層厚度在約0.5和3.0密爾之間，優(yōu)選約1.0密爾。
5.權利要求1的制品，其中所述至少一種陶瓷絕熱涂層的外表面涂有外層陶瓷涂層，所述外層陶瓷粘合層包括氧化鋯基和至少一種選自Sm、La、Yb、Ce、Lu、Mo、稀土氧化物、釔、鈧、銦及其組合的其它元素。
6.權利要求1的制品，其中在所述至少一種陶瓷絕熱涂層的兩層之間插入陶瓷層，所述陶瓷層由YSZ構成。
7.權利要求6的制品，其中所述陶瓷層厚度在約0.5和3.0密爾之間，優(yōu)選約1.0密爾。
8.權利要求1的制品，其中通過選自熱噴涂、濺射和電子束物理氣相沉積(EBPVD)中的方法涂覆所述至少一種陶瓷絕熱涂層，并且其中所述至少一種陶瓷絕熱涂層的熱導率小于約1.5W/m℃。
9.權利要求1的制品，其中該制品是燃氣輪機發(fā)動機部件。
10.權利要求1的制品，在所述TGO層和所述金屬基底之間還包括金屬粘合層。
11.權利要求10的制品，其中所述金屬粘合層是由選自覆層(MCrAlY)和鋁化物的原料形成的，并且其中所述金屬基底是由能形成氧化鋁層的鎳基超級合金形成的。
12.減少金屬制品中剝落的方法，包括步驟提供一種金屬基底；用至少一種含有氧化鋯基和至少一種選自La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sc、In、Y、Mo和C、稀土氧化物、鈧和銦的其它元素的陶瓷絕熱涂層涂覆所述金屬基底；和在所述金屬基底和所述至少一種陶瓷絕熱涂層之間插入陶瓷粘合層，其中所述陶瓷粘合層由氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)構成。
13.權利要求12的方法，其中所述的插入所述陶瓷粘合層包括插入所述的厚度在約0.5和3.0密爾之間，優(yōu)選為約1.0密爾的陶瓷粘合層。
14.權利要求12的方法，其中所述的提供步驟包括提供選自鋼、超級合金、鈦合金和銅合金的所述金屬基底。
15.權利要求12的方法，還包括提供插入在所述金屬基底和所述陶瓷粘合層之間的熱生長氧化物(TGO)層的步驟。
16.權利要求12的方法，還包括對所述至少一種陶瓷絕熱涂層的外表面涂一外層陶瓷涂層的步驟，所述外層陶瓷粘合層包括氧化鋯基和至少一種選自La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sc、In、Y、Mo和C、稀土氧化物、鈧、銦及其組合的其它元素。
17.權利要求12的方法，還包括在所述的至少一種陶瓷絕熱涂層的兩層之間插入陶瓷層的步驟，所述陶瓷層由YSZ構成。
18.權利要求17的方法，其中所述的插入所述陶瓷層包括插入所述的厚度在約0.5和3.0密爾之間，優(yōu)選為約1.0密爾的陶瓷層。
19.權利要求12的方法，其中所述的用所述至少一種陶瓷絕熱涂層涂覆所述金屬基底包括通過選自熱噴涂、濺射和電子束物理氣相沉積(EBPVD)中的方法涂覆所述至少一種陶瓷絕熱涂層。
20.權利要求12的方法，其中所述的用所述至少一種陶瓷絕熱涂層涂覆所述金屬基底包括用所述至少一種熱導率小于約1.5W/m℃的陶瓷絕熱涂層涂覆。
21.一種抗剝落性能的金屬制品，包括金屬基底；至少一種含有氧化鋯基和至少一種選自La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sc、In、Y、Mo和C、稀土氧化物、鈧和銦的其它元素的陶瓷絕熱涂層；在所述金屬基底和所述至少一種陶瓷絕熱涂層之間的陶瓷粘合層，其中所述陶瓷粘合層由氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)構成；插入在所述金屬基底和所述陶瓷粘合層之間的熱生長氧化物(TGO)層；和在所述TGO層和所述金屬基底之間的金屬粘合層。
22.權利要求21的制品，其中所述金屬基底選自鋼、超級合金、鈦合金和銅合金。
23.權利要求21的制品，其中所述陶瓷粘合層厚度在約0.5和3.0密爾之間，優(yōu)選約1.0密爾。
24.權利要求21的制品，其中所述至少一種陶瓷絕熱涂層的外表面涂有一外層陶瓷涂層，所述外層陶瓷粘合層包括氧化鋯基和至少一種選自Sm、La、Yb、Ce、Lu、Mo、稀土氧化物、釔、鈧、銦及其組合的其它元素。
25.權利要求21的制品，其中在所述至少一種陶瓷絕熱涂層的兩層之間插入陶瓷層，所述陶瓷層由YSZ構成。
26.權利要求25的制品，其中所述陶瓷層厚度在約0.5和3.0密爾之間，優(yōu)選約1.0密爾。
27.權利要求21的制品，其中所述至少一種陶瓷絕熱涂層通過選自熱噴涂、濺射和電子束物理氣相沉積(EBPVD)中的方法涂覆，并且其中所述至少一種陶瓷絕熱涂層的熱導率小于約1.5W/m℃。
28.權利要求21的制品，其中該制品是燃氣輪機發(fā)動機部件。
29.權利要求21的制品，其中所述金屬粘合層是由選自覆層(MCrAlY)和鋁化物的材料形成的，并且其中所述金屬基底是由能形成氧化鋁層的鎳基超級合金形成的。
全文摘要
一種抗剝落的金屬制品，包括金屬基底，至少一種含有氧化鋯基和至少一種選自La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sc、In、Y、Mo和C、稀土氧化物、鈧和銦的其它元素的陶瓷絕熱涂層；和位于至少一部分基底上并且在所述金屬基底和所述至少一種陶瓷絕熱涂層之間的陶瓷粘合層，其中該陶瓷粘合層由氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)構成。
文檔編號F01D5/28GK1689800SQ200510076268
公開日2005年11月2日 申請日期2005年4月27日 優(yōu)先權日2004年4月28日
發(fā)明者N·E·尤利安, M·F·特魯貝爾亞, M·J·馬洛尼, D·A·利頓 申請人:聯(lián)合工藝公司