專(zhuān)利名稱(chēng)：隔熱涂層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)(gas turbine engines )。更具體地，本 發(fā)明涉及燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)隔熱涂層。
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量和溫度度下。熱-機(jī)械應(yīng)力及產(chǎn)生的疲勞會(huì)導(dǎo)致部件失效。在冷卻這 些部件并提供隔熱涂層以改善耐久性方面付出了艱苦的努力。
示例性的隔熱涂層體系包括雙層隔熱涂層體系。示例性體系包括 NiCoCrAlY粘合涂層(例如低壓等離子體噴涂的(LPPS))和氧化釔 穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)隔熱涂層(TBC)(例如空氣等離子體噴涂的 (APS))。當(dāng)沉積阻隔涂層的時(shí)候或在初始加熱循環(huán)期間，熱生長(zhǎng)氧 化物(thermally grown oxide, TGO)層(例如氧化鋁)形成于粘合涂 層之上。隨著溫度時(shí)間(time-at-temperature)和循環(huán)次數(shù)增加，該TGO 界面層厚度增加。美國(guó)專(zhuān)利4405659和6060177公開(kāi)了示例性的體系。
示例性的TBC施加到5-40密耳的厚度，能給基底金屬提供300。F
以上的溫度降抵。這種溫度降低轉(zhuǎn)化為部件耐久性提高、輪機(jī)工作溫
度更高和輪機(jī)效率提高。
盡管如此，仍需改善部件的耐久性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的 一 個(gè)方面涉及涂覆燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部件的方法。在部件 基材上施加粘合涂層。在所述粘合涂層上面施加阻隔涂層。粘合涂層 的施加包括施加具有施加后未經(jīng)任何處理的第一粗糙度(as - applied first roughness )的第一層；和在所述第一層上面施力口第二層，該第二 層具有大于所述第一粗糙度的施加后未經(jīng)任何處理的第二粗糙度。
在各種實(shí)施方案中，所述方法可在基線(xiàn)部件(baseline component) 的再制造(remanufacturing )或其構(gòu)造的重新設(shè)計(jì)(reengineering )中 實(shí)施。
本發(fā)明另 一 方面涉及包含金屬基材的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部件。所述 基材上存在有涂層。所述涂層包括粘合涂層和在該粘合涂層上面的阻
隔涂層。所述粘合涂層包括底層；和第二層，該第二層在所述底層 上面并具有比所述底層更大的特征孔徑大小和/或扁平粒子尺寸(splat size )。
在各種實(shí)施方案中，TGO可位于粘合涂層和阻隔涂層之間。所述 第二層可具有大于底層的特征孔隙度。
在附圖和以下描述中提供了本發(fā)明的 一 個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的細(xì) 節(jié)。本發(fā)明的其他特征、目的和優(yōu)點(diǎn)可從這些描述和附圖，以及權(quán)利 要求中得以顯見(jiàn)。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是涂覆的基材的剖面圖。 圖2是涂覆圖1的基材的過(guò)程的流程圖。 不同附圖中的相同參考數(shù)字和標(biāo)記表示相同要素。
具體實(shí)施例方式
圖1表示在超級(jí)合金基材22上面的涂層體系20。該體系可包括 在基材22上面的粘合涂層24和在粘合涂層24上面的TBC 26。該示 例性的粘合涂層24包括底層28和中間層30。如下所述，底層28的 性能可選擇用于粘合到基材22并保護(hù)基材22，而中間層的性能可選 擇用于粘合到TBC26。示例性的基材是用于諸如渦輪段葉片(turbine section blades )、 渦4侖,殳葉專(zhuān)侖(turbine section vanes )、 渦專(zhuān)侖l爻葉片夕卜氣 封件(turbine section blade outer air seals )、燃燒室殼才反(combustor shell pieces)、燃燒室隔熱板(combustor heat shield pieces)、燃燒室燃料噴嘴 和燃燒室燃料噴嘴導(dǎo)向器的熱氣路部件的鎳基或鈷基超級(jí)合金。
示例性的涂覆過(guò)程100包括102制備基材(例如通過(guò)清洗和表面 處理)。104施加粘合涂層底層24的前體。示例性的104施加是MCrAlY 層，更具體地是NiCoCrAlY材料。對(duì)底層24有益的高溫保護(hù)性能可 能伴隨有不利于粘合到TBC 26的性能。例如，對(duì)保護(hù)有益的高密度 和低孔隙度可伴隨有比TBC粘合所需要的表面粗糙度低的表面粗糙 度。底層28的示例性的施加后未經(jīng)任何處理的粗糙度低于300微英
寸Ra (例如200±40微英寸Ra或更低)。 一種示例性的施加是通過(guò)從 小于45|um粒度的粉末源噴涂來(lái)實(shí)現(xiàn)所述粗糙度。 一種示例性的施加 是借助高速氧燃料(high - velocity oxy-fuel, HVOF )工藝。 一種示 例性的施加可達(dá)到0.003 - 0.010英寸厚度?？墒褂肔PPS、 VPS、 EBPVD、冷噴涂(cold spray)和任何其他合適的方法來(lái)提供致密的、 低氧化物的底層28,其中該底層28提供良好的氧化和腐蝕抗性。
在施加104后，106該前體可擴(kuò)散。 一種示例性的擴(kuò)散是借助于 在真空或非活性(例如氬氣)氣氛下加熱(例如加熱到至少1900°F達(dá) 至少4小時(shí))實(shí)現(xiàn)。這種示例性的擴(kuò)散106可有效在底層和基材間形 成冶金接合(metallurgical bond )。所述擴(kuò)散還可減少保護(hù)氧化物形成 物種的擴(kuò)散路徑長(zhǎng)度。作為選擇，擴(kuò)散步驟可在施加中間層和/或TBC 后進(jìn)行，如果需要的話(huà)。
在施加104和非必需的擴(kuò)散106后，108可施加中間層30。示 例性的中間層可以是與底層前體基本相同的材料，并可以通過(guò)類(lèi)似技 術(shù)施加。然而，優(yōu)選中間層的施加產(chǎn)生有益的與TBC的粘合。中間 層30可具有可大于底層28表面粗糙度的表面粗糙度。示例性的施加 后未經(jīng)任何處理的粗糙度是300 - 800微英寸Ra,更具體是500±100 微英寸Ra。它可以是底層28的施加后未經(jīng)任何處理的粗糙度的150 -300% (或更高)。這種粗糙度可通過(guò)使用更粗的原料粉末(例如底 層原料粉末特征粒度的至少150+%)和/或改變施加參數(shù)實(shí)現(xiàn)。示例 性的粉末粒度是45 - 70pm。其他性能可以與底層不同(例如，如下 文所述)。
在典型粗糙度的升序排列中，用于施加108的可選方法包括 EBPVD、冷噴涂、HVOF和LPPS、 APS、絲電弧法(wire arc)和絲 火焰法(wire flame )。其他選擇包括漿料法，其中用任選的粘合劑和 粉末制備漿料，然后通過(guò)噴涂、浸涂、刷涂等施加在底層上。然后烘 千粘合劑并將金屬粒子(metallics)燒結(jié)用于粘合。所述漿料具有產(chǎn) 生所述粗糙度的大顆粒。所述漿料可包含在燒結(jié)溫度以下熔化的微細(xì) 顆粒和/或元素或合金，以通過(guò)燒結(jié)和/或釬焊(brazing)促進(jìn)中間層
與底層的燒結(jié)和粘合。
中間層30的示例性厚度小于底層28的厚度(例如為后者的10-50%)。例如，可選擇絕對(duì)厚度和相對(duì)厚度以使抗氧化和腐蝕的底層盡
可能厚，以使這些性能的效果最大化。所述粗糙的中間層僅需要足以
提供期望的TBC粘合改善的厚度。示例性的中間層厚度是至少0.001 英寸，更具體地可能需要0.002 - 0.004英寸。
在施加108之后，110可施加TBC26。示例性的施加110是釔穩(wěn) 定的氧化鋯(例如6 - 8%重量釔，標(biāo)稱(chēng)7YSZ )。然后112可施加環(huán)境 阻隔涂層("外涂層"-未示出，如果有的話(huà))。示例性的外涂層是不 被4丐-鎂-鋁-硅酸鹽(CMAS)或吸入的灰塵或砂礫、潤(rùn)濕，也不與它們 反應(yīng)的外涂層。
一般而言，為了獲得良好的抗氧化和腐蝕性能，底層28相對(duì)于 中間層28應(yīng)具有以下部分或全部特征粗糙度更低、密度更大、孔 更小、孔隙度(體積分?jǐn)?shù))更低、氧化物顆粒更小、氧化物含量(質(zhì) 量分?jǐn)?shù))更低、扁平粒子(splats)更小和氧化物狹帶(oxide stringers ) 更小。這些不同的性能可通過(guò)金相學(xué)(例如通過(guò)使用蝕刻劑)觀察。 在可測(cè)量的程度內(nèi)，殘余表面粗糙度可具有與施加后未經(jīng)任何處理的 表面粗糙度相同的差異方式。
所述扁平粒子結(jié)構(gòu)(splat structure)源自噴涂纟敖滴的沖擊。隨著 扁平粒子的進(jìn)一步堆積，微滴變平并固化，在涂層內(nèi)留下單個(gè)扁平粒 子結(jié)構(gòu)的痕跡。中間層30的示例性特征扁平粒子尺寸可至少為底層28 特征扁平粒子尺寸的兩倍。這種特征可以是中值、均值或最常見(jiàn)的值 (modal value ),可以基于扁平粒子大小加4又或不加4又。這可作為垂 直于涂層表面的截面中的截面面積測(cè)量。
在研發(fā)過(guò)程中，通過(guò)在噴涂物中加入標(biāo)記組分可以容易地觀察扁 平粒子。所述標(biāo)記組分然后可突出扁平粒子界面。然而，工藝參數(shù)一 旦確定，標(biāo)記組分就可省去。在不存在標(biāo)記組分的情況下，可在施加 涂層后在涂層中滲入染料。示例性染料是銠-B熒光染料。
在某些重新設(shè)計(jì)或再制造情況下，上述教導(dǎo)可用于減小總粘合涂 層厚度，同時(shí)改善或保持TBC粘合和/或抗氧化性。還可實(shí)現(xiàn)這些益 處的其他組合。在從基線(xiàn)粘合涂層(baseline bond coat)的重新設(shè)計(jì)中， 所述基線(xiàn)(baseline)可具有上述段落中的處于底層28和中間層30的性 能之間的性能。性能(例如抗散裂性)可通過(guò)觀察或直接測(cè)試來(lái)測(cè)量。 示例性的觀察包括具有差分加熱和冷卻(differential heating and cooling)的熱循環(huán)(加熱涂層某一部分，同時(shí)冷卻該部件另一部分)。
可在足夠的循環(huán)次數(shù)后觀察散裂。
已描述了本發(fā)明的一個(gè)或幾個(gè)實(shí)施方案。然而，可以理解可在本 發(fā)明的精神和范圍內(nèi)進(jìn)行各種變動(dòng)。例如，而且如已有部件的重新設(shè) 計(jì)那樣實(shí)施，已有部件的細(xì)節(jié)可影響或規(guī)定任何特定實(shí)施方式的細(xì) 節(jié)。因此，其他實(shí)施方案也在以下權(quán)利要求范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部件，包括金屬基材；在所述基材上的涂層，包含粘合涂層；和在所述粘合涂層上的阻隔涂層，其中所述粘合涂層包含底層；和在所述底層上面的第二層，所述第二層具有以下至少之一大于所述底層的特征孔徑大小和大于所述底層的特征扁平粒子尺寸。
2. 用作燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部件的權(quán)利要求1的部件，選自 渦輪段葉片；渦輪段葉輪；渦輪段葉片外氣封件；燃燒室殼板；燃燒室隔熱板；燃燒室燃料噴嘴；和燃燒室燃料噴嘴導(dǎo)向器。
3. 權(quán)利要求1的部件，其中 所述底層的厚度是所述第二層的2-10倍。
4. 權(quán)利要求1的部件，其中所述底層和所述第二層基本上由相同的化學(xué)組成組成。
5. 權(quán)利要求1的部件，還包括 所述底層與所述基材部分?jǐn)U散。
6. 權(quán)利要求1的部件，其中所述阻隔涂層含有至少50%重量的基于稀土的經(jīng)穩(wěn)定的氧化鋯。
7. 權(quán)利要求1的部件，其中所述粘合底層和第二層各含有至少50%重量的NiCoCrAlY材料。
8. 權(quán)利要求1的部件，其中 所述基材基本上由鑄造鎳基超級(jí)合金組成。
9. 權(quán)利要求1的部件，其中 所述第二層具有大于所述底層的孔隙度。
10. 權(quán)利要求1的部件，其中 所述第二層具有大于所述底層的特征扁平粒子尺寸。
11. 權(quán)利要求1的部件，其中 所述第二層具有大于所述底層的特征孔徑大小。
12. 涂覆燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部件的方法，該方法包括 在所述部件的基材上施加粘合涂層；和 在所述粘合涂層上施加阻隔涂層，其中所述粘合涂層的施加包括施加具有施加后未經(jīng)任何處理的第一粗糙度的第一層；和 在所述第一層上施加第二層，該第二層具有大于所述第一粗糙度 的施加后未經(jīng)任何處理的第二粗糙度。
13. 權(quán)利要求12的方法，其中所述第二粗糙度為300 - 800微英寸Ra,且為所述第一粗糙度的 至少150%。
14. 權(quán)利要求12的方法，其中所述第 一層的施加包括噴涂具有特征第 一粒度的第 一粉末；和 所述第二層的施加包括噴涂具有大于所述第一粒度的特征第二粒 度的第二粉末。
15. 權(quán)利要求14的方法，其中 所述第一和第二粉末基本上由相同的化學(xué)組成組成。
16. 權(quán)利要求14的方法，其中所述第一和第二粉末基本上由NiCoCrAlY材料組成。
17. 權(quán)利要求14的方法，其中所述第 一和第二粉末基本上由相同化學(xué)組成的NiCoCrAlY材料組成。
18. 權(quán)利要求14的方法，其中 所述第一層的施加厚度大于所述第二層。
19. 權(quán)利要求12的方法，還包括除去具有比所述粘合涂層厚的整體粘合涂層的基線(xiàn)涂層。
20. 設(shè)計(jì)用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部件的涂層的方法，該方法包括 在基材上施加試驗(yàn)涂層，該施加包括在基材上施加粘合涂層，包括具有不同施加后未經(jīng)任何處理的粗糙度的第一和第二層；和在所述粘合涂層上施加阻隔涂層； 須'J量所述試驗(yàn)涂層對(duì)氧化和散裂至少之 一 的抗性；和 對(duì)于所述第一和第二層的不同相對(duì)性能重復(fù)所述施加和測(cè)量，直 至確定期望的抗性。
21. 權(quán)利要求20的方法，其中 所述測(cè)量包括循環(huán)進(jìn)行差分加熱；和 觀察涂層狀況。
22. 權(quán)利要求20的方法，是基線(xiàn)涂層的重新設(shè)計(jì)形式，其中 所述重新設(shè)計(jì)的涂層的總粘合涂層厚度小于基線(xiàn)涂層的粘合涂層厚度。
全文摘要
本發(fā)明涉及隔熱涂層。在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部件基材上施加粘合涂層。在所述粘合涂層上施加阻隔涂層。所述粘合涂層的施加包括施加具有施加后未經(jīng)任何處理的第一粗糙度的第一層；和在所述第一層上施加第二層，該第二層具有大于所述第一粗糙度的施加后未經(jīng)任何處理的第二粗糙度。在所得涂層體系中，所述第一和第二層可具有不同性能(例如第二層具有更大的孔隙度、孔徑大小和/或扁平粒子尺寸)。
文檔編號(hào)F02C7/00GK101205833SQ20071019987
公開(kāi)日2008年6月25日 申請(qǐng)日期2007年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月15日
發(fā)明者C·W·斯特羅克, G·H·雷諾 申請(qǐng)人:聯(lián)合工藝公司