專利名稱：多層熱保護(hù)系統(tǒng)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及隔熱涂層(thermal barrier coatings,TBC)領(lǐng)域，所述隔熱涂層特別地用于保護(hù)暴露于機(jī)器例如燃?xì)廨啓C(jī)的熱氣體通路的組件。
背景技術(shù)：
燃?xì)廨啓C(jī)(gas turbines, GT)越來越需要具有更高的效率，而通常地這主要是通 過至少在極短的時(shí)間將著火溫度(firing temperature)增加到高達(dá)1750°C和減小的對(duì)GT 組件的冷卻作用來實(shí)現(xiàn)。除了應(yīng)對(duì)高溫以外，這些組件也應(yīng)該對(duì)于延長(zhǎng)的時(shí)間能夠克服苛 刻的GT環(huán)境(運(yùn)行小時(shí)> 24000小時(shí))。存在以下主要方式來制造能夠應(yīng)對(duì)高溫和苛刻環(huán) 境的隔熱涂層系統(tǒng)1.基底金屬/粘合涂層(bondcoat，BC) /隔熱涂層(TBC)2.基底金屬/BC/TBC/環(huán)境阻隔涂層(EBC)3.陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料(CMC)a)氧化物CMC+高溫絕熱b)非氧化物 CMC+raC4.自立雜化陶瓷結(jié)構(gòu)，例如在US 2003/0207155中公開的。對(duì)于工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用，特別地材料的溫度能力(temperature capability)Tmax 定義為在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒氣體環(huán)境中24000小時(shí)而沒有顯著功能性損失(例如，由于散裂導(dǎo) 致的降低的隔熱效果，由于燒結(jié)導(dǎo)致的應(yīng)變耐受性(strain tolerance)，由于燃燒氣體成 分的環(huán)境侵蝕而導(dǎo)致的退化，熱相穩(wěn)定性(thermal phase stability))的最大可能表面溫 度。具有大約7wt%氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(7YSZ)的現(xiàn)有技術(shù)TBC系統(tǒng)的Tmax已經(jīng)確定 是< 1150°C，這是因?yàn)閷?duì)于熱循環(huán)(氣輪機(jī)的啟動(dòng)-停機(jī)循環(huán))導(dǎo)致更高的剛性和更低的 應(yīng)變耐受性的燒結(jié)行為。而且對(duì)于長(zhǎng)期運(yùn)行YSZ的熱相穩(wěn)定性局限在大約iioo°c。對(duì)于由 于燃燒氣體的Ca化合物而導(dǎo)致的環(huán)境侵蝕，Tfflax確定是在1200°C左右。因?yàn)樗羞@些退化(degradation)過程都是熱活化的(反應(yīng)速率指數(shù)增長(zhǎng))，所以 Tmax定義為相對(duì)于未使用的材料發(fā)生顯著材料退化的溫度。退化的量化可以通過現(xiàn)有技術(shù)的測(cè)試和評(píng)價(jià)工具來完成，例如X射線衍射、努氏 硬度、SEM和膨脹計(jì)等。這種現(xiàn)有技術(shù)涂層系統(tǒng)的局限可以基本上概括如下1.當(dāng)前的基于MCrAlY/7wt%氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(7YSZ)的BC/TBC系統(tǒng)在溫度 能力和它們抵抗苛刻的GT環(huán)境的能力方面都已經(jīng)達(dá)到它們的極限。這些系統(tǒng)的上限溫度 正在達(dá)到它們的極限并且易于受到燃料中的污染物例如釩以及環(huán)境污染物例如鈣鎂鋁硅 酸鹽(CMAS)的侵蝕。2. TBC/EBC系統(tǒng)包含功能獨(dú)立的雙/分級(jí)陶瓷層，其中TBC提供溫度保護(hù)而EBC是 用來保護(hù)TBC不受GT的苛刻環(huán)境的影響。這些系統(tǒng)仍然是基于傳統(tǒng)的BC/TBC設(shè)計(jì)，帶有附加的形成EBC層的薄涂層。3a.氧化物基CMC在溫度能力方面是有局限的并且需要用高溫絕熱層保護(hù)。氧化 物基CMC使用絕熱層具有iioo°c的溫度能力，富鋁紅柱石(鋁硅酸鹽)基系統(tǒng)是公知的，其 是高度多孔的并且對(duì)于長(zhǎng)期應(yīng)用能夠應(yīng)對(duì)高達(dá)1400°c的溫度。由于CMC材料抗環(huán)境侵蝕， 所以它們不需要附加的EBC。因?yàn)橛捎诶w維和基質(zhì)的燒結(jié)而引起的低應(yīng)變耐受性，對(duì)于這樣 的系統(tǒng)，Tmax似乎局限在< 1200°C，對(duì)于長(zhǎng)期運(yùn)行導(dǎo)致不足的熱循環(huán)行為。3b.非氧化物基CMC能夠應(yīng)對(duì)最高的溫度(1600°C )。然而它們易受到GT環(huán)境的 侵蝕(特別是水蒸汽的作用引起的衰退(recession))并且需要用EBC保護(hù)。這些系統(tǒng)當(dāng) 通過EBC層保護(hù)時(shí)可以經(jīng)受苛刻的GT環(huán)境，然而，由于EBC中的任何破裂都可以導(dǎo)致組件 的完全失敗，所以在發(fā)展十多年后，侵蝕問題仍然沒有被完全解決。文獻(xiàn)EP 1806435公開了在金屬襯底上的粘合涂層，和在這之上的基于陶瓷材料 的所謂的內(nèi)層，然后是同樣基于陶瓷材料的外層。在該最外層上可選擇地另外可以提供氧 化鋁層。在制造這種層結(jié)構(gòu)的上下文中沒有公開使用預(yù)制單片(monolithic)陶瓷元件。US 2006/280954涉及在含硅襯底而不是在金屬基襯底上的層結(jié)構(gòu)。存在可以包含 鋁酸鈣的最外面的密封層，而且在該密封層上可以提供進(jìn)一步的TBC層。同樣，該文獻(xiàn)在制 造這種層結(jié)構(gòu)的上下文中沒有公開使用預(yù)制單片陶瓷元件。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目的是能夠應(yīng)對(duì)提供未來燃?xì)廨啓C(jī)所需要的高溫和苛刻環(huán)境的熱 保護(hù)系統(tǒng)。這通過典型地在金屬襯底(組件，例如鎳基高溫合金(superalloy))上的四層金 屬/陶瓷雜化系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)連同其它方面一起依賴于例如使用當(dāng)前的現(xiàn)有技術(shù)的金 屬/BC/TBC系統(tǒng)，和通過把能夠經(jīng)受苛刻的GT環(huán)境的具有高溫能力的陶瓷材料粘合到所述 金屬/BC/TBC系統(tǒng)來增加它們的溫度能力。特別地，本發(fā)明涉及多層熱保護(hù)系統(tǒng)，其中第一陶瓷層(TBC層)通過粘合涂層結(jié) 合在金屬襯底上。在所述第一陶瓷層上提供至少一個(gè)通過陶瓷粘附層結(jié)合到第一陶瓷層的 第二陶瓷層。所述第一陶瓷層通常通過等離子噴涂(plasmaspraying)(或者另外的熱噴涂 方法)施加和所述第二陶瓷層包括通過所述陶瓷粘附層粘附地結(jié)合到所述第一陶瓷層的 單片陶瓷兀件(monolithic ceramicelements)。單片陶瓷元件將理解為預(yù)制元件(pre-fabricated elements)，其可以是磚 (tiles)、柱狀結(jié)構(gòu)(columnar structures)、塊狀結(jié)構(gòu)等形式，重要的是它們是預(yù)先制造的 并且在應(yīng)用到襯底之前已經(jīng)燒結(jié)。這些單片陶瓷元件典型地在大約1600°C的溫度燒結(jié)，并 因此當(dāng)安裝在機(jī)器中時(shí)不再經(jīng)歷進(jìn)一步的燒結(jié)過程。典型地，第一等離子噴涂的陶瓷層的厚度范圍是0. 1至2mm。典型地，第二陶瓷層，即單片陶瓷元件的厚度(垂直于襯底的表面測(cè)量)范圍是2 至35mm，優(yōu)選地是5_10mm。根據(jù)一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案，所述第一陶瓷層是低溫陶瓷層而所述第二陶瓷層是高
溫陶瓷層ο這意味著所述第一陶瓷層通常具有高達(dá)并包括1150°C的溫度的溫度能力Tmax，優(yōu)選地高達(dá)并包括1100°c的溫度，如例如上面描述的常規(guī)TBC層的情況。所述第二陶瓷層，即所述單片陶瓷元件，優(yōu)選地具有比第一陶瓷層更高的溫度能 力Tmax。這意味著優(yōu)選地第二陶瓷層的溫度能力Tmax比第一陶瓷層的溫度能力Tmax至少高 100°c，優(yōu)選地至少高200°C或甚至300°C。通常地，所述第二陶瓷層具有至少1200°C的溫度能力Tmax，更加優(yōu)選地至少 1500°C，甚至更加優(yōu)選地范圍是1200至1750°C。所述第二層的Tmax由燒結(jié)、相穩(wěn)定性和環(huán) 境穩(wěn)定性限定。
如上面描述的那樣，對(duì)于工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用，材料的溫度能力Tmax特別地定義為在 燃?xì)廨啓C(jī)燃燒氣體環(huán)境中24000小時(shí)而沒有顯著功能性損失(例如由于散裂導(dǎo)致的降低的 隔熱效果，由于燒結(jié)導(dǎo)致的應(yīng)變耐受性，由于燃燒氣體成分的環(huán)境侵蝕而導(dǎo)致的退化，熱相 穩(wěn)定性)的最大可能表面溫度。用于測(cè)定溫度能力的退化量化可以通過現(xiàn)有技術(shù)的測(cè)試和評(píng)價(jià)工具來完成，例如 X射線衍射、努氏硬度、SEM、膨脹計(jì)等。有關(guān)這些量的測(cè)量，參考以下文獻(xiàn)ASTM C1326-08el Standard Test Method for Knoop IndentationHardness of Advanced Ceramics ；ASTM E831 Standard Test Method for LinearThermal Expansion of Solid Materials by Thermomechanical Analysis ；G.ffitz, V.Shklover, W. Steurer, S.Bachegowda, H. -P. Bossmann :M0NIT0RING THE PHASEEV0LUTI0N OF YTTRIA STABILIZED ZIRC0NIA In THERMAL BARRIERCOATINGS USING THE RIETVELD METHOD, Journal of the American CeramicSociety, Volume 90 Issue 9，2935—2940 頁(2007)。使用這些量，溫度能力可以如上面提到的Witz的文獻(xiàn)中描述的那樣進(jìn)行確定。對(duì) 于溫度范圍1100至1400°C、暴露時(shí)間1至1400小時(shí)建立了時(shí)間-溫度關(guān)系。使用用于熱 活化過程的Arrhenius方程將相演變(phase evolution)(或相穩(wěn)定性)的測(cè)量的動(dòng)力學(xué) 與溫度依賴性結(jié)合起來。從這些數(shù)據(jù)可以推斷一定暴露時(shí)間的1~_。該方法也適用于燒結(jié) 和環(huán)境穩(wěn)定性。為了這個(gè)目的，各個(gè)層可以作為孤立的層進(jìn)行測(cè)試和研究。系統(tǒng)的特性保證了相鄰層之間的熱失配被最小化，以減少各層界面處的內(nèi)部應(yīng) 力。金屬/BC/TBC系統(tǒng)具有有限的溫度能力，通過把獨(dú)立的陶瓷部件(其能夠應(yīng)對(duì)更 高的溫度和具有更高環(huán)境抗性)粘合到所述金屬/BC/TBC系統(tǒng)的熱氣體暴露表面，可以使 所述系統(tǒng)在大于1400°C的溫度工作。頂部陶瓷部件可以是由任何現(xiàn)有技術(shù)的方法制備的單層、多層或分級(jí)的系統(tǒng)。該 獨(dú)立的部件被粘合到金屬/BC/TBC系統(tǒng)。優(yōu)選的粘合(bonding)方法是粘附劑，通過陶瓷 水泥糊(ceramic cement pastes)實(shí)現(xiàn)。在這種情況中使用的水泥糊，優(yōu)選地具有60_90wt% (大約等于35-70vol% )的 固液比。本發(fā)明也涉及制造上面限定的和下面進(jìn)一步限定的多層熱保護(hù)系統(tǒng)的方法。濕水泥(wet cements)可以例如使用海綿(sponge)應(yīng)用在部件的表面。水泥厚 度優(yōu)選地小于0. 5mm,甚至更優(yōu)選地水泥厚度小于0. Imm,或者在0. 05mm的范圍內(nèi)。水泥優(yōu)選地在室溫干燥4到12小時(shí)。優(yōu)選地所述干燥在范圍是70到850g/cm2、 優(yōu)選垂直作用在接合面(joint face)的壓縮負(fù)載(compressive load)下進(jìn)行(“濕加載(wet loading)”)。該負(fù)載例如可以通過使用重力和作為重物的鋼板產(chǎn)生。濕加載對(duì)于接合處粘附可具有重要的影響。 水泥可以在大氣箱式爐(atmospheric box furnace)中凝固(cured)，優(yōu)選地在 500到600°C范圍的溫度并且更優(yōu)選地在5至15小時(shí)的時(shí)間跨度內(nèi)。優(yōu)選地在具有垂直作 用在接合面的最高達(dá)250g/cm2的凝固負(fù)載的情況下發(fā)生凝固。分段的凝固方案也是可能 的。例如根據(jù)另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案可以以下面的步驟凝固水泥在90-100°C范圍0. 5至3 個(gè)小時(shí)、接著在200至300°C的溫度凝固0. 5至3個(gè)小時(shí)、接著在300至400°C范圍的溫度 凝固0. 5至3個(gè)小時(shí)，最高達(dá)250g/cm2的凝固負(fù)載垂直作用在接合面。對(duì)于特定的應(yīng)用/ 材料可以使用500-700°C、3至6個(gè)小時(shí)的最終凝固步驟。 根據(jù)一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案，第二陶瓷層的厚度范圍是2至20mm，優(yōu)選地范圍是5至 10mm。第二陶瓷層(第一陶瓷層也同樣)可以是單層、多層或分級(jí)的(graded)層系統(tǒng)。根據(jù)一個(gè)另外的優(yōu)選實(shí)施方案，第二陶瓷層即所述單片陶瓷元件是α氧化鋁基 和/或氧化鎂基的，其中優(yōu)選地第二陶瓷層的元件基本上由α氧化鋁和/或氧化鎂組成。 它們可以使用現(xiàn)有技術(shù)的方法生產(chǎn)，其中從這種材料開始制備生坯壓坯(green compact), 其隨后被燒結(jié)，通常地在大約1600°C的溫度。陶瓷板可以使用低速金剛石鋸或通過水射流切割以避免在切割邊緣開始的裂縫。 在接合之前兩個(gè)表面都可以使用SiC紙研磨并隨后在乙醇中進(jìn)行超聲清潔以改善水泥的 粘附。在TBC覆蓋的金屬襯底上，使用粘附劑，銅焊等，隨后將這些預(yù)制元件連接到第一 (TBC)層。多層熱保護(hù)系統(tǒng)的特征可在于第一層的孔隙率范圍是5至25%。優(yōu)選地，第二陶瓷層是多層結(jié)構(gòu)，具有至少一個(gè)孔隙率低于30%，優(yōu)選地范圍是0 至25%或5至10%的致密表面暴露層，和在與第一陶瓷層的界面處，具有至少一個(gè)孔隙率 大于30%，優(yōu)選地范圍是50至90%的多孔界面層(可以具有相同的構(gòu)成或不同的構(gòu)成)。另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案的特征在于第二陶瓷層包括至少一個(gè)表面暴露層和至少一 個(gè)位于下面的附加層，并且所述表面暴露層被構(gòu)造為由縫隙(gaps)分隔的磚(tiles)的二 維陣列。磚之間的縫隙可以是具有，相對(duì)于所述襯底的表面，垂直或傾斜的平行側(cè)壁的狹 槽(slots)。這種情況下，磚的側(cè)壁分別是垂直于所述表面或相對(duì)于所述表面傾斜的面 (planes)。在可替代的方案中，磚的側(cè)壁可具有咬合形狀(interlocking shape)，例如鍵槽 接合(key and slot joints)或者禪槽接合(tongue and groove joints)。表面暴露最嚴(yán)重的層(most surface exposed layer)的磚結(jié)構(gòu)使得減少熱膨脹 問題并且使得將由于外界物體沖擊(FOD)而導(dǎo)致的局部損壞保持到最小。所述磚可以是矩 形、方形、菱形或六邊形形狀。優(yōu)選地，特別地是在規(guī)則的六邊形(蜂窩)情況下，磚在兩個(gè) 維度的橫向擴(kuò)展(lateral extension)范圍是2至35mm，優(yōu)選地范圍是10至20mm。陶瓷粘附層可以是耐火水泥糊層。它可以是鋁酸鈣基的，或者可以甚至基本上由 鋁酸鈣組成。根據(jù)一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案，所述粘合涂層由MCrAlY組成，其中M = Co，Ni或者Co/Ni，和/或由PtAl組成。優(yōu)選地粘合涂層的組成為25Cr、5. 5A1、2. 5Si、lTa、0. 6Y其余為Ni，或者12Co、 20Cr、llAl、2. 7Si、lTa、0. 6Y 其余為 Ni。如上面提到的，典型地第一陶瓷層是傳統(tǒng)的TBC層，并且例如可以是基于 7YSZ(Zr02，用 7wt-% Y2O3 穩(wěn)定)或者由 7YSZ 組成。為了保證機(jī)械粘合，可以使用溝槽(grooves)、肋(ribs)、錨刺(anchors)和粗糙化(roughening)。這意味著，根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案，在與陶瓷粘附層(ceramicadhesive layer)的至少一個(gè)界面處提供機(jī)械粘合輔助結(jié)構(gòu)(mechanical bondingaids)，優(yōu)選地以在 第一陶瓷層和/或第二陶瓷層中提供的溝槽、肋、錨刺和/或表面構(gòu)造(surface texture) (粗糙化)的形式。此外本發(fā)明涉及上面描述的隔熱涂層系統(tǒng)用于覆蓋暴露于高于1400°C的溫度的 組件的至少一部分的用途。更特別地，它涉及上面描述的隔熱涂層系統(tǒng)用于至少部分覆蓋暴露于熱機(jī) (thermal engine)特別是燃?xì)廨啓C(jī)中的熱氣體通路(path)，優(yōu)選地暴露于溫度高于 1400°C的熱氣體的組件的用途。這樣的隔熱涂層系統(tǒng)例如可以用于選擇性地只覆蓋暴露于熱氣體通路的燃?xì)廨?機(jī)組件的溫度暴露最嚴(yán)重的部分(most temperature exposed parts)，而周圍的部分用由 通過粘合涂層結(jié)合到金屬襯底的隔熱涂層組成的隔熱涂層系統(tǒng)進(jìn)行覆蓋。本發(fā)明的其它實(shí)施方案在從屬權(quán)利要求中列出。


本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案參考附圖在以下進(jìn)行描述，其目的是圖解說明本發(fā)明當(dāng)前 的優(yōu)選實(shí)施方案而不是為了限制它們。在附圖中，圖1.顯示了根據(jù)第一實(shí)施方案的穿過依據(jù)本發(fā)明的阻隔涂層的示意切面，它垂 直于具有所述阻隔涂層的組件的面；圖2.顯示了根據(jù)第二實(shí)施方案的穿過依據(jù)本發(fā)明的阻隔涂層的示意切面，它垂 直于具有所述阻隔涂層的組件的面；圖3. a)顯示了阻隔涂層的蜂窩磚結(jié)構(gòu)的頂視圖的示意性圖示，b)顯示了垂直于 襯底的面的切面的示意性圖示，磚側(cè)壁具有平面表面，和c)顯示了垂直于襯底的面的切面 的示意性圖示，磚側(cè)壁具有咬合表面；圖4.顯示了在暴露于熱循環(huán)之前連接到7YSZ的開孔α氧化鋁(a)和與7YSZ相 連接的開孔α氧化鋁的熱循環(huán)，在冷卻循環(huán)期間；和圖5.顯示了與7YSZ相連接的20vol%多孔α氧化鋁。
具體實(shí)施例方式參照附圖，其目的是圖解說明本發(fā)明的當(dāng)前的優(yōu)選實(shí)施方案而不是為了限制它 們，圖1顯示包括至少4層的用于高溫環(huán)境例如GT的高溫環(huán)境中的雜化金屬/陶瓷結(jié)構(gòu)6。 該結(jié)構(gòu)由負(fù)載承載高溫合金材料5、抗氧化/腐蝕粘合涂層4、抵抗高達(dá)1150°C溫度的低溫 陶瓷層3(也可以是多層結(jié)構(gòu))、陶瓷粘附層2和高溫陶瓷部件或?qū)?構(gòu)成，溫度能力高達(dá)1750°C。 金屬襯底5是鎳基高溫合金，粘合涂層4包含MCrAlY或PtAl系統(tǒng)，低溫陶瓷層3 或TBC層是基于7YSZ或由7YSZ組成，而粘附層2是耐火水泥糊，通常是鋁酸鈣基的。所述 耐高溫陶瓷部件1可以是單層、多層或分級(jí)的系統(tǒng)，由本領(lǐng)域中公知的方法制備，例如氣相 沉積、溶膠凝膠方法、粉末沉積、直接沉積(direct a position)、等離子噴涂方法等。耐高 溫陶瓷層1具有至少2mm最高20mm的厚度，優(yōu)選的厚度在5到10mm。優(yōu)選地陶瓷部件1是α氧化鋁基和/或氧化鎂基的。陶瓷部件1可以是氣密的 (閉合孔隙率范圍在0-10% )，或者具有15% -90%的開口加閉合孔隙率。如圖2所示，分層的系統(tǒng)可以在與TBC的界面處具有多孔層lb，保證應(yīng)變耐受性， 并且在暴露于燃燒氣體的表面具有致密層Ia以提供抗侵蝕性。如圖3a所示，在頂視圖中具有蜂窩磚結(jié)構(gòu)的致密外層Ia包括被小縫隙或有意的 裂縫7分隔的單獨(dú)的磚，經(jīng)設(shè)計(jì)以保證在外界物體破壞的情況下物質(zhì)損失的減小以及減少 由于與系統(tǒng)中的溫度梯度和不同的膨脹系數(shù)相關(guān)的熱膨脹失配所引起的層中的應(yīng)變。典型 的磚尺寸為25mmX25mm，以最小化外界物體破壞的風(fēng)險(xiǎn)。如可從圖3b在其頂部中看到的那 樣，磚的側(cè)壁可以是垂直于襯底表面的直壁。在圖3b的底部圖示中顯示了變更的結(jié)構(gòu)，其 中相對(duì)于襯底表面?zhèn)缺谑莾A斜的。這種傾斜，特別地如果設(shè)計(jì)使得流經(jīng)表面的熱氣體不能 容易地進(jìn)入狹槽中，可以是有益的，因?yàn)闊峥諝獠荒苋菀椎卮┩杆霆M槽。如可從圖3c中 看到的那樣，其顯示了不同的用于磚的咬合側(cè)壁結(jié)構(gòu)，可具有類似曲徑的溝槽結(jié)構(gòu)，其一方 面可以增加機(jī)械穩(wěn)定性和另一方面可以進(jìn)一步阻止熱空氣穿透到達(dá)埋在磚下面的對(duì)熱空 氣更加敏感的層。實(shí)驗(yàn)部分使用高等級(jí)鋁酸鈣水泥將7YSZ涂層連接到由溶膠凝膠方法制備的具有大約80% 孔隙率的開孔α氧化鋁單片陶瓷上，實(shí)施第一系列的實(shí)驗(yàn)。使用的水泥糊的固液比為 60_90wt% ( 35-70vol% )。濕水泥用海綿應(yīng)用在 部件表面。水泥厚度小于0. 5mm,典型地在0. 05mm范圍之內(nèi)或小于0. 05mm。在實(shí)驗(yàn)室氣氛中水泥在室溫干燥4到12小時(shí)，具有垂直作用在接合面的70到 850g/cm2的壓縮負(fù)載(“濕加載”)。該負(fù)載是通過使用重力和作為重物的鋼板產(chǎn)生的。濕 加載對(duì)于接合處粘附具有重要的影響。水泥在大氣箱式爐中在500°C到600°C的溫度凝固5至15小時(shí)，0. 0至250g/cm2 的凝固負(fù)載垂直作用在接合面。部分水泥分步地凝固93°C 2個(gè)小時(shí)加上260°C 2個(gè)小時(shí) 加上372°C 2個(gè)小時(shí)，0. 0至250g/cm2的凝固負(fù)載垂直作用在接合面。有時(shí)使用600°C 5個(gè) 小時(shí)的最終凝固步驟。陶瓷板可以使用低速金剛石鋸或通過水射流切割以避免在切割邊緣開始的裂縫。 在連接之前兩個(gè)表面都可以使用SiC紙研磨并隨后在乙醇中進(jìn)行超聲清潔以改善水泥的 粘附。如下生產(chǎn)樣品在鎳高溫合金的襯底上由等離子噴涂方法產(chǎn)生NiCoCrAlY粘合涂層(厚度大約 0. 3mm)和7YSZ涂層(厚度大約0. 8mm)。耐火水泥的薄層(大約0. Imm)被手工地施加到 該TBC層的表面和開孔α氧化鋁單片陶瓷(厚度大約20mm)。隨后兩片相連使水泥層合在一起。在潮濕環(huán)境中凝固24小時(shí)后，利用如下的步驟對(duì)組合體進(jìn)行熱處理60°C /2小時(shí)、 1200C /2小時(shí)、300°C /2小時(shí)、1000°C /20小時(shí)。最后一步的加熱和冷卻速率是大約50K/h。圖4a顯示了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。然后，所述組裝體進(jìn)行兩周的熱循環(huán)(在1000°C的停留 時(shí)間為23小時(shí)而在室溫的停留時(shí)間為1小時(shí))并且經(jīng)受住了熱循環(huán)，如在冷卻循環(huán)期間的 圖4b所示。隨后進(jìn)行第二系列的實(shí)驗(yàn)，使用相同的襯底/粘合涂層/TBC系統(tǒng)和相同的耐火水 泥，但作為第二層ι使用孔隙率為20%和厚度為12mm的α氧化鋁單片部件。在TBC 3和 α氧化鋁1的配合表面上構(gòu)造了溝槽9以便改善水泥的機(jī)械咬合，如圖5所示。如在第一 系列實(shí)驗(yàn)中那樣在提升的溫度，對(duì)組裝體進(jìn)行短期的熱循環(huán)。如上面第一系列實(shí)驗(yàn)的情況，類似地生產(chǎn)了樣品。附圖標(biāo)記列表1第二陶瓷層，高溫陶瓷頂層Ia 1的致密表面暴露層部件Ib 1的多孔界面層2陶瓷粘附層3第一陶瓷層，低溫陶瓷層4粘合涂層5 金屬襯底，高溫合金6雜化金屬/陶瓷結(jié)構(gòu)7磚之間的縫隙8 蜂窩磚9 1和/或3中的狹槽
權(quán)利要求
多層熱保護(hù)系統(tǒng)，其中第一陶瓷層(3)通過粘合涂層(4)結(jié)合在金屬襯底(5)上，其中在第一陶瓷層(3)上提供至少一個(gè)通過陶瓷粘附層(2)結(jié)合到第一陶瓷層(3)的第二陶瓷層(1)，其中第一陶瓷層(3)通過等離子噴涂施加和第二陶瓷層(1)包括粘附地結(jié)合到第一陶瓷層(3)的單片陶瓷元件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的多層熱保護(hù)系統(tǒng)，其中所述單片陶瓷元件是選自磚、柱狀結(jié)構(gòu)、 塊狀結(jié)構(gòu)或者它們的組合的預(yù)制元件，其中所述預(yù)制元件是提前制造的并且在應(yīng)用到襯底 (5)之前已經(jīng)進(jìn)行燒結(jié)，其中優(yōu)選地所述預(yù)制元件在大約1600°C的溫度進(jìn)行燒結(jié)以便當(dāng)安 裝在機(jī)器中時(shí)不再經(jīng)歷進(jìn)一步的燒結(jié)過程。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的多層熱保護(hù)系統(tǒng)，其中第一陶瓷層(3)的厚度范圍是0.1至 2mm，和其中第二陶瓷層(1)的厚度范圍是2至35mm，優(yōu)選地范圍是5-10mm。
4.根據(jù)前面任一權(quán)利要求的多層熱保護(hù)系統(tǒng)，其中第一陶瓷層(3)具有高達(dá)并包括 1150°C的溫度的溫度能力(Tmax),優(yōu)選地高達(dá)并包括iioo°c的溫度，和其中第二陶瓷層(ι) 具有比第一陶瓷層(3)更高的溫度能力(Tmax),其中優(yōu)選地第二陶瓷層(1)的溫度能力 (Tmax)比第一陶瓷層(3)的溫度能力(Tmax)至少高100°C，優(yōu)選地至少高200°C，其中優(yōu)選 地第二陶瓷層(1)具有至少1200°C，更優(yōu)選地至少1500°C，甚至更優(yōu)選地范圍在1200至 1750°C的溫度能力(Tmax),其中優(yōu)選地第二陶瓷層(1)是單層、多層或分級(jí)的層系統(tǒng)。
5.根據(jù)前面任一權(quán)利要求的多層熱保護(hù)系統(tǒng)，其中第二陶瓷層(1)是α氧化鋁基的和 /或氧化鎂基的，其中優(yōu)選地第二陶瓷層(1)基本上由α氧化鋁和/或氧化鎂組成。
6.根據(jù)前面任一權(quán)利要求的多層熱保護(hù)系統(tǒng)，其中第二陶瓷層(1)包括至少一個(gè)表 面暴露層(Ia)和至少一個(gè)位于下面的附加層(Ib)，和其中表面暴露層(Ia)構(gòu)造為被縫隙 (7)分隔的磚(8)的二維陣列，其中優(yōu)選地所述磚是矩形、方形、菱形或六邊形形狀，和其中 優(yōu)選地磚在兩個(gè)維度的橫向擴(kuò)展在15-35mm的范圍，優(yōu)選地為20_30mm，其中進(jìn)一步優(yōu)選地 在磚(8)之間的縫隙(7)是具有相對(duì)于所述襯底的表面垂直或傾斜的平行側(cè)壁的狹槽，或 是具有咬合形狀的狹槽。
7.根據(jù)前面任一權(quán)利要求的多層熱保護(hù)系統(tǒng)，其中陶瓷粘附層(2)是耐火水泥糊層， 優(yōu)選地是鋁酸鈣基的，更優(yōu)選地基本上由鋁酸鈣組成。
8.根據(jù)前面任一權(quán)利要求的多層熱保護(hù)系統(tǒng)，其中金屬襯底(5)是鎳基高溫合金。
9.根據(jù)前面任一權(quán)利要求的多層熱保護(hù)系統(tǒng)，其中所述粘合涂層包含MCrAlY，其中M =Co, Ni或者Co/Ni，和/或包含PtAl，其中優(yōu)選地所述粘合涂層的組成為25Cr、5. 5A1、 2. 5Si、lTa、0. 6Y、其余為 Ni，或者為 12Co、20Cr、11Α1、2· 7Si、lTa、0. 6Y、其余為 Ni。
10.根據(jù)前面任一權(quán)利要求的多層熱保護(hù)系統(tǒng)，其中第一陶瓷層(3)是基于7YSZ或者 由7YSZ組成。
11.根據(jù)前面任一權(quán)利要求的多層熱保護(hù)系統(tǒng)，其中至少在與陶瓷粘附層(2)的一個(gè) 界面處提供機(jī)械粘合輔助結(jié)構(gòu)，優(yōu)選為在粘合涂層(4)和/或第一陶瓷層(3)和/或粘附 層(4)和/或第二陶瓷層(1)中提供的溝槽、肋、錨刺和/或表面構(gòu)造的形式。
12.用于生產(chǎn)根據(jù)前面任一權(quán)利要求的多層熱保護(hù)系統(tǒng)的方法，包括以下步驟通過 粘合涂層(4)將第一陶瓷層(3)結(jié)合在金屬襯底(5)上，通過陶瓷粘附層(2)將至少一個(gè)第 二陶瓷層(1)結(jié)合在第一陶瓷層(3)上，其中第一陶瓷層(3)通過等離子噴涂施加并且第 二陶瓷層(1)包括粘附地結(jié)合到第一陶瓷層(3)的單片陶瓷元件，其中優(yōu)選地使用水泥實(shí)現(xiàn)粘附結(jié)合，和在室溫干燥該水泥4至12小時(shí)，優(yōu)選地在垂直施加到接合面的70至850g/ cm2的壓縮負(fù)載下，進(jìn)一步優(yōu)選地繼之以在500至600°C溫度的凝固或用在500至600°C溫 度的凝固替換/進(jìn)行補(bǔ)充，所述凝固優(yōu)選地在5至15小時(shí)的時(shí)間跨度內(nèi)，其中優(yōu)選地采用 垂直施加于接合面的最高達(dá)250g/cm2的凝固負(fù)載實(shí)施凝固。
13.根據(jù)前面權(quán)利要求1至11任一的多層熱保護(hù)系統(tǒng)用于覆蓋暴露于高于1400°C的 溫度的組件的至少一部分的用途。
14.根據(jù)前面權(quán)利要求1至11任一的多層熱保護(hù)系統(tǒng)用于至少部分覆蓋暴露于熱機(jī)特 別是燃?xì)廨啓C(jī)中的熱氣體通路，優(yōu)選地暴露于溫度高于1400°C的熱氣體的組件的用途。
15.根據(jù)前面權(quán)利要求1至11任一的隔熱涂層系統(tǒng)用于選擇性地只覆蓋暴露于熱氣 體通路的燃?xì)廨啓C(jī)組件的溫度暴露最嚴(yán)重的部分的用途，而周圍的部分用由通過粘合涂層 (4)結(jié)合到金屬襯底(5)的隔熱涂層組成的隔熱涂層系統(tǒng)進(jìn)行覆蓋。
全文摘要
本發(fā)明涉及多層熱保護(hù)系統(tǒng)及其制造方法。描述了多層熱保護(hù)系統(tǒng)，其中第一陶瓷層(3)通過粘合涂層(4)結(jié)合在金屬襯底(5)上，其中在第一陶瓷層(3)上提供至少一個(gè)通過陶瓷粘附層(2)結(jié)合到第一陶瓷層(3)的第二陶瓷層(1)，其中第一陶瓷層(3)是低溫陶瓷層而第二陶瓷層(1)是高溫陶瓷層。
文檔編號(hào)B32B18/00GK101845969SQ201010170938
公開日2010年9月29日 申請(qǐng)日期2010年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月27日
發(fā)明者H·-P·博斯曼, M·埃斯奎爾, R·伊滕, S·巴徹戈達(dá) 申請(qǐng)人:阿爾斯托姆科技有限公司