專利名稱：?jiǎn)螌诱辰Y(jié)涂層及施用方法
單層粘結(jié)涂層及施用方法發(fā)明領(lǐng)域
總體而言，本發(fā)明涉及施用于金屬基材的保護(hù)性涂層。更具體地講，本發(fā)明涉及 具有常規(guī)雙層粘結(jié)涂層的益處的單層粘結(jié)涂層，以及涉及施用所述單層粘結(jié)涂層的相關(guān)方 法。
背景技術(shù)：
為了提高效率，不斷地尋求燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的更高的工作溫度。但是，隨著工作溫 度的升高，發(fā)動(dòng)機(jī)部件的溫度耐久性也必須相應(yīng)地提高。采用下述方法已實(shí)現(xiàn)高溫性能的 顯著改進(jìn)，通過(guò)配制鎳和鈷基超合金，以及通過(guò)在超合金基材的表面上直接沉積抗氧化的 覆蓋涂層以在高溫暴露期間形成保護(hù)性氧化物外皮。盡管如此，受覆蓋涂層保護(hù)的超合金 通常不能使位于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的某些部分的部件(例如燃燒器和增壓器)保持足夠的機(jī) 械性能。常見(jiàn)的解決方案為使這些部件絕熱，從而使這些部件的運(yùn)行溫度最低。在高溫部 件的暴露表面上形成的熱阻擋涂層(TBC)系統(tǒng)廣泛用于該目的。
為了能夠有效，TBC系統(tǒng)必須具有低熱導(dǎo)率、與制品強(qiáng)粘著、在許多加熱和冷卻循 環(huán)中始終保持粘著。由于具有低熱導(dǎo)率的材料與通常用于形成渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件的超合金 材料之間的熱膨脹系數(shù)不同，因此后一個(gè)要求特別需要。能滿足上述要求的TBC系統(tǒng)通常 需要在部件表面上沉積金屬粘結(jié)涂層，再加上用于使部件絕熱的粘著性熱阻擋陶瓷層。各 種陶瓷材料已用作熱阻擋層，特別是經(jīng)氧化釔(Y2O3)、氧化鎂(MgO)、氧化鈰(CeO2)、氧化鈧 (Sc2O3)或另一種氧化物穩(wěn)定的氧化鋯(ZrO2)。
粘結(jié)涂層通常由抗氧化的含鋁合金形成，以提高陶瓷層與部件粘著以及抑制下面 的超合金氧化?，F(xiàn)有技術(shù)粘結(jié)涂層的實(shí)例包括覆蓋涂層例如MCrAlY(其中M為鐵、鈷和/ 或鎳)和擴(kuò)散涂層例如擴(kuò)散鋁化物或鋁化鉬，這些為抗氧化的鋁基金屬互化物。粘結(jié)涂層 通常通過(guò)熱噴霧法布置在基材上，所述熱噴霧法例如真空等離子體噴霧(VPS)(也稱為低 壓等離子體噴霧(LPPQ)、空氣等離子體噴霧(APQ和高速含氧燃料(HVOF)噴霧法。
常規(guī)粘結(jié)涂層通常作為雙層結(jié)構(gòu)施用，其中首先在基材上沉積細(xì)粉末，以形成致 密的低氧化物(low oxide)層。通常使用市售可得的HVOF系統(tǒng)來(lái)沉積該層。通常公認(rèn)的 是，常規(guī)HVOF法對(duì)粒徑分布敏感，該方法通常需要-45+10 μ m的更細(xì)的顆粒。細(xì)顆粒層用 于保護(hù)基材免受氧化和腐蝕，但是該層的低表面粗糙度導(dǎo)致陶瓷材料層的粘著性不夠。
隨后在細(xì)粉末層之上沉積粗粉末層，以獲得所需程度的表面粗糙度，使得陶瓷材 料足夠粘著。由于較低的設(shè)備成本以及容易施用和遮蔽，對(duì)于粗粉末層，通常優(yōu)選APS粘結(jié) 涂層技術(shù)。通過(guò)形成粘結(jié)涂層促進(jìn)陶瓷材料層與APS粘結(jié)涂層的粘著，使得表面粗糙度為 約200微英寸(約5 μ m)至約500微英寸(約13 μ m) Ra (算術(shù)平均粗糙度(Ra)，通過(guò)ANSI/ ASME Standard B461-1985 測(cè)定)。
雖然通過(guò)APS施用的粘結(jié)涂層由于其粗糙度而提供了較好的TBC粘著，但是粗粉 末層通常不適合用作保護(hù)性涂層系統(tǒng)。粗粉末層相對(duì)多孔且易于被氧化破壞。
因此，常規(guī)粘結(jié)涂層作為雙層在單獨(dú)的工藝中使用單獨(dú)的設(shè)備構(gòu)造施用，以獲得期望的特征——致密的低氧化物保護(hù)層以及粗粉末層的表面粗糙度。但是，這種操作需要 保持粉末庫(kù)存以及不同的涂覆系統(tǒng)。該方法耗時(shí)，因?yàn)槠渖婕敖煞N不同的過(guò)程，并且由 于設(shè)備或粉末混合可能導(dǎo)致已涂布的零件返修。
因此，本領(lǐng)域?qū)⑹芤嬗谟蓡我环勰┙M合物施用單層粘結(jié)涂層的改進(jìn)的工業(yè)可用的 方法，其中所述粘結(jié)涂層具有常規(guī)雙層粘結(jié)涂層期望的性能。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的各方面和優(yōu)點(diǎn)將在以下描述中分成幾部分進(jìn)行說(shuō)明，或者可由該說(shuō)明顯 而易見(jiàn)，或者可通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐得知。
本發(fā)明提供了一種用于金屬基材的保護(hù)性涂層系統(tǒng)，并且特別適用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)?渦輪的金屬部件。所述系統(tǒng)包含超合金金屬基材，具有施用于所述基材的單層粘結(jié)涂層。在 熱噴霧法例如高速含氧燃料(HVOF)法中，由均質(zhì)粉末組合物施用粘結(jié)涂層，產(chǎn)生具有與雙 層粘結(jié)涂層可比性能的粘結(jié)涂層。所述粉末組合物具有一定的粒徑分布，其中約90%體積 的顆粒在約10 μ m至約100 μ m范圍內(nèi)。在所述范圍內(nèi)顆粒分布較均勻，在所述范圍內(nèi)在任 何10 μ m區(qū)域內(nèi)的顆粒的百分比不超過(guò)約20%體積，并且在所述范圍內(nèi)在任何兩個(gè)相鄰的 IOym區(qū)域內(nèi)的顆粒的百分比的偏差不超過(guò)約8%體積。所述涂層系統(tǒng)還可包含施用于所 述單層粘結(jié)涂層的陶瓷熱阻擋層，或者所述粘結(jié)涂層可為保護(hù)性涂層系統(tǒng)中僅有的層。
本發(fā)明還包括一種用于在金屬基材上形成保護(hù)性涂層系統(tǒng)的方法。所述方法包括 在熱噴霧法例如HVOF法中，由均質(zhì)粉末組合物將單層粘結(jié)涂層施用于超合金金屬基材，例 如M或Co基超合金，所述組合物具有一定的粒徑分布，使得所得到的粘結(jié)涂層具有與雙層 粘結(jié)涂層至少可比的性能。約90%體積的顆粒在約ΙΟμπι至約IOOym范圍內(nèi)。在所述范 圍內(nèi)在任何IOym區(qū)域內(nèi)的顆粒的百分比不超過(guò)約20%體積，并且在所述范圍內(nèi)在任何兩 個(gè)相鄰的IOym區(qū)域內(nèi)的顆粒的百分比的偏差不超過(guò)約8%體積。根據(jù)本發(fā)明方法形成的 單層粘結(jié)涂層的表面粗糙度Ra可為至少約300微英寸，密度至少為理論密度的約90% ；并 且粘結(jié)涂層-基材的拉伸強(qiáng)度至少為約6. Oksi。粘結(jié)涂層粉末組合物可包含MCrAlY合金 顆粒，其中M為鐵、鈷或鎳中的至少一種。在所述方法的進(jìn)一步改進(jìn)方案中，在所述單層粘 結(jié)涂層之上施用陶瓷熱阻擋層，其中熱阻擋層-粘結(jié)涂層的拉伸強(qiáng)度超過(guò)陶瓷層的內(nèi)聚強(qiáng) 度，而與陶瓷層的形態(tài)無(wú)關(guān)。該陶瓷阻擋層可例如由市售可得的經(jīng)氧化釔穩(wěn)定的陶瓷涂層 顆粒形成。
在以下描述中將更詳細(xì)地描述本發(fā)明的這些和其他實(shí)施方案和特征。


參考附圖，在說(shuō)明書(shū)中描述本發(fā)明的全部和可實(shí)現(xiàn)的公開(kāi)，包括指導(dǎo)本領(lǐng)域普通 技術(shù)人員的最佳實(shí)施方式，其中
圖1為具有雙層粘結(jié)涂層的常規(guī)熱阻擋涂層保護(hù)性系統(tǒng)的截面圖2為根據(jù)本發(fā)明的各方面的施用于金屬基材的單層粘結(jié)涂層的截面圖3為根據(jù)本發(fā)明的各方面的具有單層粘結(jié)涂層的熱阻擋涂層系統(tǒng)的截面圖4為常規(guī)燃?xì)鉁u輪葉片結(jié)構(gòu)的透視圖5為各種粉末組合物的粒徑分布特性圖6至圖8為根據(jù)本發(fā)明的各方面的具有第一個(gè)實(shí)施方案的單層粘結(jié)涂層的試樣 的顯微照片；并且
圖9至圖11為根據(jù)本發(fā)明的各方面的具有第二個(gè)實(shí)施方案的單層粘結(jié)涂層的試 樣的顯微照片。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)在詳細(xì)參考本發(fā)明的各實(shí)施方案、在附圖中說(shuō)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例。提供各 實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，而不是要限制本發(fā)明。實(shí)際上，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)顯而易見(jiàn) 的是，在不偏離本發(fā)明的范圍或精神的情況下，可對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種修改和變化。例如，作 為一個(gè)實(shí)施方案的一部分說(shuō)明或描述的特征可與另一實(shí)施方案一起使用，以得到再一個(gè)實(shí) 施方案。因此，預(yù)期本發(fā)明涵蓋在所附權(quán)利要求及其等價(jià)物的范圍內(nèi)的這些修改和變化。
如前面所討論的，熱阻擋涂層(TBC)系統(tǒng)通常用于提高暴露于高溫的金屬部件 (例如噴嘴、動(dòng)葉、殼體、翼、以及其他燃?xì)鉁u輪部件)的效率和性能。常規(guī)燃?xì)鉁u輪中的燃 燒氣體溫度保持盡可能高以獲得工作效率，并且渦輪燃燒部件和發(fā)動(dòng)機(jī)的其他元件通常由 可耐高溫環(huán)境的合金(例如，超合金)制成，其工作溫度極限可為約1000-115(TC。通過(guò)保 持或降低用于形成各種發(fā)動(dòng)機(jī)部件的合金的表面溫度，TBC系統(tǒng)有效提高渦輪的工作溫度。
TBC系統(tǒng)對(duì)于保護(hù)各種渦輪部件的表面也是關(guān)鍵的。參考圖1，大多數(shù)常規(guī)TBC系 統(tǒng)30為雙層系統(tǒng)，該雙層系統(tǒng)包含在較致密的抗氧化的雙層粘結(jié)涂層32之上沉積的基于 陶瓷的頂層38。該陶瓷材料通常為如氧化鋯的材料，其通常經(jīng)另一種材料(例如氧化釔) 化學(xué)穩(wěn)定。將粘結(jié)涂層32作為雙層結(jié)構(gòu)施用于金屬基材40，其中首先在基材上沉積細(xì)粉 末，以形成致密的低氧化物層34。隨后在該細(xì)粉末層之上沉積粗粉末層36，以獲得所需程 度的表面粗糙度，使得陶瓷材料38足夠粘著。
參考圖2，本發(fā)明涉及一種保護(hù)性涂層系統(tǒng)50，該保護(hù)性涂層系統(tǒng)具有施用于金 屬基材40的改進(jìn)的單層粘結(jié)涂層(SLBC)M。雖然SLBCM通常形成TBC系統(tǒng)中的初始層， 應(yīng)理解的是，本發(fā)明的粘結(jié)涂層M也可用作在任何形式的金屬基材上的單獨(dú)保護(hù)性覆蓋 涂層，即沒(méi)有陶瓷頂層，這點(diǎn)如圖2所示。圖3描述了一種根據(jù)本發(fā)明的保護(hù)性涂層系統(tǒng) 50，該保護(hù)性涂層系統(tǒng)包含施用于SLBC 54之上的陶瓷層38。
可將本發(fā)明的單層粘結(jié)涂層M施用于如上所討論的燃?xì)鉁u輪的部件，或者用于 其他環(huán)境，例如柴油機(jī)或其他類型的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的所選部件。提供圖4用于說(shuō)明本發(fā)明特 別有用的環(huán)境，并且描述了一種常規(guī)燃?xì)鉁u輪葉片結(jié)構(gòu)10。多個(gè)葉片10與燃?xì)鉁u輪中的 環(huán)形轉(zhuǎn)子圓盤(pán)(未示出)接合。葉片10包括機(jī)翼12，該機(jī)翼12具有加壓側(cè)14和抽吸側(cè) 16以及機(jī)翼前緣18和機(jī)翼后緣20。機(jī)翼的下部的末端終止于基座22?；?2包括平臺(tái) 對(duì)，其中機(jī)翼可在直立位置剛性安裝，即，基本上垂直于平臺(tái)的上表面25?；M(jìn)一步包括 與平臺(tái)的底面接合的燕尾根26，用于將葉片10與轉(zhuǎn)子接合。機(jī)翼12為至少一個(gè)通常需要 熱阻擋涂層的部件。
在熱噴霧法中，由均質(zhì)粉末組合物將SLBC 54施用于任何形式的金屬基材40，所 述組合物具有一定的粒徑分布，使得SLBC M具有與雙層粘結(jié)涂層可比的特征。具體地講， SLBC討具有與圖1的層34可比的密度和低氧化物含量的細(xì)粉末層，以及與圖1的層36可 比的表面粗糙度的粗粉末層。
參考圖5的粒徑分布圖，在熱噴霧法中用于施用SLBC 54的均質(zhì)粉末組合物具有 例如曲線C、D或E的粒徑特征，S卩，約90%體積的顆粒在約IOym至約IOOym范圍內(nèi)。此 外，在所述范圍內(nèi)在任何IOym區(qū)域內(nèi)的顆粒的百分比不超過(guò)約20%體積，并且在所述范 圍內(nèi)在任何兩個(gè)相鄰的IOym區(qū)域內(nèi)的顆粒的百分比的偏差不超過(guò)約8%體積。例如參考 理想分布圖C可見(jiàn)，在任何ΙΟμπι內(nèi)(即，20-30μπι區(qū)域、或30-40μπι區(qū)域、或;35-45μπι區(qū) 域)的顆粒不超過(guò)組合物的約13%體積，并且該百分比不偏離該范圍。換言之，在20-30 μ m 區(qū)域內(nèi)的顆粒的百分比與在30-40 μ m區(qū)域內(nèi)的顆粒的百分比相同，等等。
圖5中的曲線C由于其平坦的切去頭端的分布而認(rèn)為是“理想的”，其中在10 μ m 區(qū)域內(nèi)的顆粒的百分比與跨所述范圍(即，約ΙΟμπι至約ΙΟΟμπι范圍)內(nèi)的顆粒的百分比 相同。但是，該分布可能在經(jīng)濟(jì)上不可行，或者可通過(guò)市售可得的粉末的共混物或混合物以 另外的方式達(dá)到。更實(shí)際的粒徑分布可例如通過(guò)曲線D來(lái)反映。該分布具有“雙峰”外觀， 即，可區(qū)分明顯不同的細(xì)顆粒峰和粗顆粒峰，但是整體分布仍滿足上述要求。
圖5中的曲線A說(shuō)明在常規(guī)TBC系統(tǒng)中用于形成初始層34(圖1)的常規(guī)細(xì)顆粒 的典型粒徑分布曲線，并且提供該圖用于與本發(fā)明的粉末組合物的曲線相比較。常規(guī)細(xì)粉 末的粒徑分布范圍通常為約-53+22 μ m(dl0百分位為約22 μ m ；d90百分位為約53 μ m)。商 品HVOF粉末的粒徑分布范圍通常為約-45+10 μ m。曲線B為用于形成常規(guī)粘結(jié)涂層32的 第二層36(圖1)的粗粉末的典型粒徑分布曲線，并且提供該圖也用于比較的目的。這些粗 粉末的粒徑分布范圍為約-100+44 μ m(dl0百分位為約44 μ m ；d90百分位為約100 μ m)。
提供圖5中的曲線E作為落入本發(fā)明的范圍內(nèi)的另一種類型的粉末組合物的一個(gè) 實(shí)例。該曲線的分布反映了與仍能滿足上述要求的鐘形曲線類似的通常連續(xù)變化的分布。 應(yīng)理解的是，滿足本發(fā)明的要求的任何形式的粒徑分布曲線都是可能的，并且本發(fā)明不局 限于滿足所述要求的任何具體的曲線或分布。
如上所述由粉末組合物形成的SLBC 54的表面粗糙度Ra(算術(shù)平均粗糙度(Ra)， 根據(jù)ANSI/ASME Standard B461-1985測(cè)定)至少為約300微英寸。在具體的實(shí)施方案中， 表面粗糙度Ra至少為約400微英寸。粗表面用于確保粘結(jié)涂層與隨后施用的熱阻擋材料 之間良好的粘著性。應(yīng)理解的是，當(dāng)SLBC用作保護(hù)性涂層系統(tǒng)中的僅有層時(shí)，即，在SLBC 之上不施用陶瓷熱阻擋材料層，則SLBC的表面粗糙度值不是問(wèn)題。
可形成根據(jù)本發(fā)明方法的具有任何合適厚度的單層粘結(jié)涂層M。在雙層涂層系 統(tǒng)中的典型粘結(jié)涂層通常在約250 μ m至約500 μ m范圍內(nèi)。本發(fā)明的SLBC M不必與這 些常規(guī)粘結(jié)涂層一樣厚，并且其厚度可以小于常規(guī)粘結(jié)涂層的厚度，例如，為約125 μ m或 200 μ m。我們認(rèn)為，200 μ m SLBC將產(chǎn)生與350 μ m雙層粘結(jié)涂層相同的壽命。
SLBC M的密度還至少為理論密度的約90%，并且在具體的實(shí)施方案中，至少為 理論密度的約95%。
SLBC 54的粘結(jié)涂層-基材的拉伸強(qiáng)度還至少為約6. Oksi，并且在具體的實(shí)施方 案中，拉伸強(qiáng)度至少為約12. Oksi。
在熱噴霧法中施用SLBC 54，其中顆粒速度至少為約400m/s。使用多個(gè)傳感器系 統(tǒng)，可使用各種技術(shù)來(lái)測(cè)定在等離子體槍出口下游的顆粒速度。作為非限制性的實(shí)例，用 于確定顆粒速度和顆粒速度分布的測(cè)定系統(tǒng)描述于美國(guó)專利6，862，536 (Rosin)。市售可 得的在線顆粒監(jiān)測(cè)和測(cè)量裝置的一個(gè)實(shí)例為DPV-2000系統(tǒng)，得自"TecnarAutomation Ltd,Montreal, Canada(http//www. tecnar. com/)。
雖然通常認(rèn)為常規(guī)高速含氧燃料(HVOF)熱噴霧系統(tǒng)對(duì)粒徑分布敏感(通常需 要-45+10 μ m范圍的較細(xì)顆粒)，但是本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，這種HVOF系統(tǒng)可用于本發(fā)明的保護(hù)性 涂層系統(tǒng)和方法。通過(guò)仔細(xì)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)HVOF熱噴霧參數(shù)，由本文所述的粉末組合物可獲得 單層粘結(jié)涂層，該單層粘結(jié)涂層致密且相對(duì)不含氧化物，還具有陶瓷材料層良好粘著所需 的表面粗糙度和孔隙率。例如，就本發(fā)明的目的而言，在HVOF法中的燃燒比應(yīng)低于約0. 29， 理想情況下，燃燒比在約0. 27至約0.四范圍內(nèi)。使用如上所討論的粉末組合物，該燃燒比 得到令人滿意的沉積速率。
關(guān)于沉積速率，以每密耳涂層每平方單位涂覆面積的粉末磅數(shù)的關(guān)系為客觀標(biāo) 準(zhǔn)。期望不過(guò)量消耗粉末而可產(chǎn)生令人滿意的涂層的沉積效率。首先可建立基線參數(shù)，例如 0.13磅/密耳涂層/平方英尺表面涂層。隨后可由低基線值(例如，0.23 調(diào)節(jié)燃燒比， 直至卷流溫度達(dá)到在過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)中使用類似粉末化學(xué)組成的過(guò)量氧化物的極限指示。隨著 燃燒比的提高，沉積速率效率提高，達(dá)到約0. 081bs/mil/ft2。進(jìn)一步提高燃燒比，使得需要 甚至更少的粉末可導(dǎo)致涂層中的氧化物含量不可接受。就SLBC M的目的而言，在使得在 涂層中不產(chǎn)生不可接受的氧化物的燃燒比下，期望沉積速率為約0. 15至約0. 081bs/mil/ ft2。
可對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)以獲得本發(fā)明的SLBC 54的其他步驟和工藝參數(shù)的實(shí)例包括 在沉積之前清潔表面；噴砂處理以去除氧化物；基材溫度；其他等離子體噴霧參數(shù)，例如噴 霧距離(噴霧槍距基材的距離)、噴霧通道數(shù)量的選擇、粉末進(jìn)料速率、噴射功率(torch power)、等離子體氣體選擇；沉積角度、施用的涂層的后處理；等等。
另一種合適的熱噴霧法為高速空氣等離子體噴霧(HV-APQ法，其中顆粒速度保 持在約300m/s至約700m/s。在一些具體的實(shí)施方案中，顆粒速度至少為約450m/s，并且可 為約600m/s。這些顆粒速度顯著大于在常規(guī)APS系統(tǒng)中使用的典型速度(約150_250m/ s)。對(duì)于HV-APS系統(tǒng)，可改變常規(guī)APS系統(tǒng)，以有效提高等離子體速度并因此提高顆粒速 度。總的來(lái)說(shuō)，在這種情況下，對(duì)APS系統(tǒng)的改變涉及選擇裝配在等離子體噴霧槍中的不同 結(jié)構(gòu)的陽(yáng)極噴嘴，并且可使用配備高速陽(yáng)極噴嘴的商品APS槍來(lái)進(jìn)行高速空氣等離子體噴 霧(HV-空氣等離子體噴霧)法。非限制性的實(shí)例包括配備704個(gè)高速噴嘴的7MB (或9MB 或3MB)等離子體噴霧槍，得自Sulzer MetC0，InC。另一實(shí)例為SG100等離子體噴霧槍，其 在"Mach 2”模式下操作，得自Praxair Surface Technologies, Inc。這些常規(guī)APS槍系 統(tǒng)可在例如30-50KW功率下操作。
用于SLBC M的粉末組合物可包含MCrAlY合金顆粒，其中M為鐵、鈷或鎳中的至 少一種。
所得到的SLBC 54的密度至少為理論密度的90%，更特別是理論密度的約95%。 這些密度反映粘結(jié)涂層中降低的氧化物含量，該降低的氧化物含量大大提高有效TBC壽命 和基材抗氧化壽命。粘結(jié)涂層中的降低的氧化物含量(通過(guò)提高的密度反映)抑制部件使 用期間在粘結(jié)涂層與陶瓷涂層的界面處熱生長(zhǎng)氧化物(TGO)有害生長(zhǎng)。通常認(rèn)為，TGO加 速TBC失效，例如裂紋、脫層和散裂。
參考圖3，本發(fā)明的保護(hù)性涂層系統(tǒng)50也可包括在粘結(jié)涂層M之上施用熱阻擋 材料38，該熱阻擋材料可包括多種已知的陶瓷材料中的任一種，例如經(jīng)氧化釔(Y2O3)、氧化7鎂(MgO)、氧化鈰(CeO2)、氧化鈧(Sc2O3)或另一種氧化物穩(wěn)定的氧化鋯(ZrO2)。市售可得 的氧化釔穩(wěn)定的陶瓷涂層顆?？捎糜赥BC材料，例如，粒徑分布范圍為約-11+125 μ m(dl0 百分位為約Ilym ；d90百分位為約125 μ m)的SulzerMetco 240NS 8%重量氧化釔穩(wěn)定的 氧化鋯粉末、或粒徑分布范圍為約-97+25μπι的Sulzer Metco 240ΝΑ粉末。陶瓷阻擋材 料38可通過(guò)任何合適的已知技術(shù)來(lái)沉積，例如通過(guò)物理蒸氣沉積(PVD)技術(shù)，特別是電子 束物理蒸氣沉積(EBPVD)或常規(guī)APS技術(shù)。理想地，涂層系統(tǒng)50使得熱阻擋涂層38-粘結(jié) 涂層M的拉伸強(qiáng)度超過(guò)陶瓷層的內(nèi)聚強(qiáng)度，而與陶瓷層的形態(tài)無(wú)關(guān)。例如，對(duì)于致密的垂 直裂紋的陶瓷層，拉伸強(qiáng)度至少為約4. Oksi，并且在某些實(shí)施方案中，可能期望拉伸強(qiáng)度至 少為約5.0ksi。陶瓷阻擋涂層38的厚度取決于待涂布零件的最終用途。該厚度通常為約 100微米至約2500微米。在對(duì)于最終用途(例如機(jī)翼部件)的一些具體的實(shí)施方案，該厚 度通常為約125微米至約750微米。
在本專利說(shuō)明書(shū)中，“金屬基材”用燃?xì)鉁u輪部件零件來(lái)舉例說(shuō)明。但是，應(yīng)理解的 是，其他類型的部件可用作用于本發(fā)明的粘結(jié)涂層的金屬基材。作為一個(gè)實(shí)例，所述基材可 為柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞頭或其他汽車零件。容易理解的是，本發(fā)明不局限于任何具體類型 的金屬基材或部件。
實(shí)施例
以下實(shí)施例僅用于說(shuō)明，絕不應(yīng)看作是限制要求保護(hù)的本發(fā)明的范圍。
實(shí)施例1
與常規(guī)雙層粘結(jié)涂層相比，評(píng)價(jià)具有大致如圖5的曲線D所示的粒徑分布的第一 個(gè)雙峰MCrAlY粉末組合物(樣品A)的微觀結(jié)構(gòu)性能、表面粗糙度和沉積效率。使用Sulzer Metco DJ沈00系統(tǒng)在HVOF法中熱噴霧初始粘結(jié)涂層試驗(yàn)鈕扣狀樣品。該基線樣品在圖 6的顯微照片中說(shuō)明。如上所討論的，調(diào)節(jié)噴霧工藝參數(shù)以使沉積效率最優(yōu)化。具體地講， 基線噴霧參數(shù)包括約0. 235的燃燒比和低沉積速率，其產(chǎn)生低效過(guò)程，其中基本上更多的 粉末降落在室的底部，而不是與部件粘附。使用過(guò)程監(jiān)測(cè)診斷法增加燃燒比直至卷流溫度 達(dá)到在過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)中使用類似粉末化學(xué)組成的過(guò)量氧化物的極限指示。該新的參數(shù)產(chǎn)生的 燃燒比顯著改進(jìn)與部件粘附粉末的效率。在燃燒比(氧氣/燃料比率)為約0.觀(產(chǎn)生約 0. 68密耳/次的沉積速率)下，將沉積速率調(diào)節(jié)為約0. 08至約0. llbs/mil/ft2,以產(chǎn)生在 圖7的顯微照片中所示的經(jīng)調(diào)節(jié)的試驗(yàn)鈕扣狀樣品。檢查該經(jīng)調(diào)節(jié)的試樣的微觀結(jié)構(gòu)性 能，滿足為理論值的至少約90%的密度要求，且測(cè)得的表面粗糙度Ra為約490微英寸。該 樣品表現(xiàn)出粘結(jié)涂層-基材的拉伸強(qiáng)度超過(guò)12. Oksi。在APS法中，由氧化釔穩(wěn)定的陶瓷粉 末將陶瓷熱阻擋涂層加入到圖7的粘結(jié)涂層，以產(chǎn)生在圖8的顯微照片中所示的試樣。該 試樣表現(xiàn)出陶瓷熱阻擋涂層-粘結(jié)涂層的拉伸強(qiáng)度為約5. lksi。
實(shí)施例2
使用具有大致如圖5的曲線D所示的粒徑分布的第二個(gè)雙峰粉末組合物(樣品B) 產(chǎn)生如上所述關(guān)于樣品A的試驗(yàn)鈕扣?；€樣品在圖9的顯微照片中說(shuō)明。在燃燒比(氧 氣/燃料比率)為約0. 28下，將沉積速率調(diào)節(jié)至約0. 53密耳/次，以產(chǎn)生在圖10的顯微 照片中所示的經(jīng)調(diào)節(jié)的試驗(yàn)鈕扣狀樣品。檢查該經(jīng)調(diào)節(jié)的試樣的微觀結(jié)構(gòu)性能，滿足為理 論值的至少約90%的密度要求，且表面粗糙度Ra為約452微英寸。該樣品表現(xiàn)出粘結(jié)涂 層-基材的拉伸強(qiáng)度超過(guò)12. Oksi0將相同的陶瓷熱阻擋材料加入到該經(jīng)調(diào)節(jié)的試樣中，以產(chǎn)生在圖11的顯微照片中所示的試樣。該試樣表現(xiàn)出陶瓷熱阻擋涂層-粘結(jié)涂層的拉伸 強(qiáng)度為約5. 7ksi。
下表(表1)匯總與常規(guī)雙層粘結(jié)涂層相比，樣品A和樣品B SLBC系統(tǒng)的上述結(jié) 果。
表 權(quán)利要求
1.一種用于金屬部件的保護(hù)性涂層系統(tǒng)(50)，所述系統(tǒng)包含 超合金金屬基材GO)；施用于所述超合金金屬基材的單層粘結(jié)涂層(M)，在熱噴霧法中由均質(zhì)粉末組合物施 用所述粘結(jié)涂層，所述組合物具有一定的粒徑分布，其中 約90%體積的顆粒在約10 μ m至約100 μ m范圍內(nèi)； 在所述范圍內(nèi)在任何ΙΟμπι區(qū)域內(nèi)的顆粒的百分比不超過(guò)約20%體積；并且 在所述范圍內(nèi)在任何兩個(gè)相鄰的10 μ m區(qū)域內(nèi)的顆粒的百分比的偏差不超過(guò)約8%體積。
2.權(quán)利要求1的系統(tǒng)(50)，其中所述粘結(jié)涂層(54)具有以下另外的特征 表面粗糙度Ra至少為約300微英寸；密度至少為理論密度的約90% ；并且 粘結(jié)涂層-基材的拉伸強(qiáng)度至少為約6. Oksi。
3.權(quán)利要求1的系統(tǒng)(50)，其中在熱噴霧法中施用所述單層粘結(jié)涂層(M)，其中顆粒 速度至少為約300m/s。
4.權(quán)利要求1的系統(tǒng)(50)，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包含在所述單層粘結(jié)涂層(54)之上施用 的陶瓷熱阻擋涂層(38) (TBC)，并且TBC-粘結(jié)涂層的拉伸強(qiáng)度超過(guò)所述陶瓷熱阻擋涂層材 料的內(nèi)聚強(qiáng)度。
5.權(quán)利要求1的系統(tǒng)(50)，其中所述金屬基材00)為燃?xì)鉁u輪的部件。
6.一種在金屬基材GO)上形成保護(hù)性涂層系統(tǒng)(50)的方法，所述方法包括在熱噴霧法中，由均質(zhì)粉末組合物將單層粘結(jié)涂層(54)施用于超合金金屬基材(40)， 所述組合物具有一定的粒徑分布范圍，其中約90%體積的顆粒在約10 μ m至約100 μ m范圍內(nèi)；在所述范圍內(nèi)在任何10 μ m區(qū)域內(nèi)的顆粒的百分比不超過(guò)約20%體積；并且在所述范圍內(nèi)在任何兩個(gè)相鄰的10 μ m區(qū)域內(nèi)的顆粒的百分比的偏差不超過(guò)約8%體積。
7.權(quán)利要求6的方法，其中施用所述單層粘結(jié)涂層(M)，以具有以下另外的特征 表面粗糙度Ra至少為約300微英寸；密度至少為理論密度的約90% ；并且 粘結(jié)涂層-基材的拉伸強(qiáng)度至少為約6. Oksi。
8.權(quán)利要求6的方法，其中在熱噴霧法中施用所述單層粘結(jié)涂層64)，其中顆粒速度 至少為約300m/s。
9.權(quán)利要求6的方法，所述方法進(jìn)一步包括在所述單層粘結(jié)涂層之上施用陶瓷熱阻 擋涂層(TBC) (38)，其中TBC-粘結(jié)涂層的拉伸強(qiáng)度超過(guò)所述陶瓷熱阻擋涂層材料的內(nèi)聚強(qiáng)度。
10.權(quán)利要求6的方法，其中在高速含氧燃料(HVOF)熱噴霧法中，以至少約0.15至約 0. 081bs/mil/ft2的沉積速率施用所述單層粘結(jié)涂層(54)，其中燃燒比在約0. 27至約0. 29 范圍內(nèi)。
全文摘要
一種用于金屬部件例如燃?xì)鉁u輪的部件的保護(hù)性涂層系統(tǒng)(50)包含超合金金屬基材(40)。在熱噴霧法中，由均質(zhì)粉末組合物將單層粘結(jié)涂層(54)施用于所述超合金金屬基材，所述組合物具有一定的粒徑分布，其中約90％體積的顆粒在約10μm至約100μm范圍內(nèi)。在所述范圍內(nèi)在任何10μm區(qū)域內(nèi)的顆粒的百分比不超過(guò)約20％體積，并且在所述范圍內(nèi)在任何兩個(gè)相鄰的10μm區(qū)域內(nèi)的顆粒的百分比的偏差不超過(guò)約8％體積。
文檔編號(hào)C23C4/10GK102031478SQ201010506389
公開(kāi)日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2010年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月30日
發(fā)明者J·G·阿爾巴內(nèi)塞, J·L·馬戈利斯, S·D·迪龍, T·J·穆思 申請(qǐng)人:通用電氣公司