專利名稱：多層隔熱涂層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用作隔熱層和磨損(abradable)層的陶瓷涂層。本發(fā)明還涉及具有陶瓷隔熱和磨損涂層(abradable coating)的制品以及制造這些涂層的方法。
背景技術(shù)：
隔熱涂層(TBC)用于降低透過(guò)該涂層，即其與外部環(huán)境的界面和施有該涂層的基片之間的熱能流動(dòng)。由于許多即陶瓷材料的熱導(dǎo)率低，所以大多數(shù)隔熱涂層的主要組分都是陶瓷。隔熱涂層系統(tǒng)通常包含金屬底涂層以提高涂層與基材的粘結(jié)強(qiáng)度、為基材提供腐蝕保護(hù)并提高涂層的抗熱震性和抗熱疲勞性。隔熱涂層有許多用途，包括在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的許多應(yīng)用。為了提高總效率，用于飛行器、船或陸地發(fā)動(dòng)機(jī)(ground-based propulsion)或用于發(fā)電的現(xiàn)代燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)不斷被推向更高的氣體工作溫度。一些燃?xì)廨啓C(jī)在如此高的氣體溫度下運(yùn)作以致如果不給予保護(hù)性陶瓷隔熱涂層，則直接加熱的金屬部件如燃燒室、槳葉和葉輪的壽命會(huì)非常短。
基于選擇用于涂層的材料和涂覆方法，隔熱涂層有許多變化。當(dāng)在燃?xì)鉁u輪機(jī)部件上使用時(shí)，通常將金屬粘合層(bondcoat)施加到金屬基材(部件)上，并將通?；谘趸?zirconia)的陶瓷層施加到該粘合層上。與金屬合金和許多其它陶瓷相比，氧化鋯具有非常低的熱導(dǎo)率。涂層的氧化鋯層通常相當(dāng)薄，例如從槳葉和葉輪上的10密耳(0.25毫米)直至燃燒室上的80密耳(2毫米)。然而，該涂層可以將基材的溫度降低100華氏度到超過(guò)200華氏度(56攝氏度到超過(guò)111攝氏度)，這取決于熱側(cè)和冷側(cè)的界面條件。
通常，粘合層用來(lái)達(dá)到至少3個(gè)目的。它提高粘結(jié)強(qiáng)度、使基材避免氧化或其它形式的腐蝕，并提供提高的抗熱震性和抗熱疲勞性。有許多粘合層組合物，其包括Ni-Al合金(包括Ni-Al金屬間化合物)、Ni-Cr合金、MCrAl合金(其中，M是Fe、Ni、Co或它們的組合，并且該合金也可以含Y、Hf、Si、Pt及其它活性元素)、擴(kuò)散鋁化物(diffusion aluminides)、鋁化鉑或其它改性的鋁化物。根據(jù)其組成，有許多施加這些粘合層的方法，包括熱噴涂(空氣等離子體噴涂、低壓或真空等離子體噴涂、高速氧燃?xì)鈬娡康?、物理汽相沉積(PVD)、電鍍和擴(kuò)散。粘合層的厚度通常為3-10密耳(0.08-0.25毫米)。當(dāng)通過(guò)熱噴涂方法沉積時(shí)，通常需要在高溫下熱處理該粘合層以通過(guò)燒結(jié)來(lái)消除或封閉涂層中的固有孔隙。此熱處理可以在將該陶瓷涂層施加到該粘合層上之前或之后進(jìn)行。
該陶瓷涂層通常基于用氧化釔、稀土氧化物、氧化鎂、氧化鉿或其它氧化物完全或部分穩(wěn)定的氧化鋯。可以通過(guò)熱噴涂(主要是等離子體噴涂)、電子束物理汽相沉積(EBPVD)、其它PVD、溶膠凝膠或其它方法沉積該陶瓷涂層。陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈影響其熱性能和熱機(jī)械性能。典型地，EBPVD隔熱涂層的微觀結(jié)構(gòu)具有用于降低涂層平面中彈性模量并提高涂層的抗熱震性和抗熱疲勞性的柱狀結(jié)構(gòu)。熱噴涂陶瓷隔熱涂層的最普通微觀結(jié)構(gòu)僅僅是具有高孔隙率的多孔微觀結(jié)構(gòu)?？梢酝ㄟ^(guò)適當(dāng)?shù)剡x擇沉積參數(shù)或通過(guò)在沉積過(guò)程中向涂層中引入短效材料(fugitive material)如聚酯獲得高孔隙。隨后，短效材料分解，在涂層中留下氣孔并形成額外的孔隙率。已經(jīng)實(shí)施了許多熱導(dǎo)率測(cè)量方法，如與比熱和密度測(cè)量相結(jié)合的激光脈沖熱擴(kuò)散性試驗(yàn)來(lái)表征涂層系統(tǒng)的熱性能。除此之外，已經(jīng)研究了等溫和梯度熱震試驗(yàn)裝置來(lái)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)熱震。通常發(fā)現(xiàn)，對(duì)于良好的熱震性能，均勻的陶瓷涂層如在其整個(gè)厚度內(nèi)具有恒定密度和結(jié)構(gòu)的陶瓷涂層有厚度限制。例如，由等離子體噴涂法施加的、密度為理論密度的約85％(15％真實(shí)孔隙率)的簡(jiǎn)單氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯都可以通過(guò)大多數(shù)熱循環(huán)試驗(yàn)，直至陶瓷厚度達(dá)約20密耳(0.5毫米)。然而在更大的厚度可能出現(xiàn)剝落，這取決于熱震試驗(yàn)的強(qiáng)度。
在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，在燃?xì)鉁u輪機(jī)的壓縮部分中有槳葉和空氣(氣體)密封，其目的是通過(guò)多個(gè)槳葉級(jí)來(lái)提高空氣的壓力和溫度并將熱的高壓空氣輸送至燃燒室。在燃燒室部分中，注入燃料，燃料-空氣混合物燃燒從而產(chǎn)生非常熱的、壓力更高的氣態(tài)燃燒產(chǎn)物。該熱的高壓燃燒產(chǎn)物離開(kāi)燃燒室并使渦輪部分中的槳葉旋轉(zhuǎn)，這樣將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。除了在高的氣體溫度下操作燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)之外，還有其它有助于提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率的因素，其中之一是流過(guò)槳葉或葉輪端部而不是流過(guò)槳葉翼面的壓縮部分中的空氣量或渦輪部分中的燃燒氣體量。使此量減到最小可以提高渦輪效率。這通過(guò)使外部氣體封口圈或圈的片段放射狀靠近旋轉(zhuǎn)葉片的端部，但稍離開(kāi)該端部來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些圈或片段是固定的，并被設(shè)置為在氣封的表面與旋轉(zhuǎn)葉片端部之間的空隙盡可能的小。該空隙越小，從一個(gè)渦輪或壓縮級(jí)漏出到下一個(gè)渦輪或壓縮級(jí)的高壓氣體就越少。在旋轉(zhuǎn)刀口與固定葉輪上的內(nèi)氣封之間存在相似情況。
需要使氣封表面與槳葉端部(或刀口)之間空隙最小以防止氣體壓力在級(jí)間漏出。如果將該空隙設(shè)得過(guò)緊，那么槳葉端部有可能摩擦氣封表面。由于熱膨脹或高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力造成的槳葉長(zhǎng)度增加會(huì)導(dǎo)致這種現(xiàn)象出現(xiàn)。如果將該空隙設(shè)置得過(guò)松，這樣端部磨擦永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)，但發(fā)動(dòng)機(jī)效率會(huì)受到損失。在磨擦的情況下，漿葉端部或氣封表面或這二者都將產(chǎn)生磨損。磨損導(dǎo)致槳葉或氣封的材料損失。主要來(lái)自漿葉端部的材料損失具有永久增加空隙的效果。主要來(lái)自氣封的磨損是更合乎需要的。將氣封設(shè)計(jì)得比槳葉寬度稍寬，以使氣封中的磨痕是與葉梢弦(blade tip chord)一樣寬的溝槽，但同時(shí)不會(huì)磨損氣封前緣和后緣處的一些材料。此溝槽為高壓氣體提供迷宮狀通路，該通路不會(huì)造成與如果相同的磨損量全部都出現(xiàn)在漿葉端部上的情況一樣大的氣體壓力下降。所以，優(yōu)選的是磨損主要在氣封片段表面中，并在槳葉端部上的磨損最小。通過(guò)用磨損涂層涂覆氣封片段，并用耐磨涂層乃至磨損端部涂層涂覆漿葉端部能夠?qū)⒅饕哪p驅(qū)趕到氣封片段上。有利的是磨損層也是保護(hù)金屬密封基材的隔熱涂層，特別是在渦輪部分中，這可能是必須的。這通過(guò)使用更高的氣體工作溫度或通過(guò)減少為使密封片段保持在它們?cè)试S的工作溫度范圍內(nèi)所必需的旁路冷卻空氣的量來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。
如上所述，密封片段或密封環(huán)上的涂層必須同時(shí)滿足許多特性，包括其必須既磨損又隔熱。材料的磨損性與許多因素有關(guān)，這些因素包括材料的機(jī)械強(qiáng)度、密度、脆性、操作溫度、其摩擦表面處相互作用的性質(zhì)等。已經(jīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的摩擦試驗(yàn)來(lái)幫助指導(dǎo)材料磨損性的選擇。迄今為止所有試驗(yàn)的結(jié)果都表明，磨損的數(shù)量和分布不但取決于提供磨損氣封的材料，而且取決于磨擦端部上的材料。在美國(guó)專利US 4,936,745中，Vine等人說(shuō)明了早期結(jié)合耐磨端部來(lái)提供增加的磨損性的嘗試。Vine等人公開(kāi)了通過(guò)增加氧化鋯孔隙率來(lái)增加其磨損性。在這種情況下，涂層系統(tǒng)由5-10密耳(0.13-0.25毫米)厚的金屬M(fèi)CrAlY粘合層和與磨損槳葉端部或刀口匹配的、孔隙率為20-35體積％、厚度為25-50密耳(0.6-1.3毫米)的由氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯表面涂層組成。然而，因?yàn)榇朔椒樵S多應(yīng)用提供的厚度過(guò)小，所以此涂層的有效厚度受到限制。
如上所述，大多數(shù)隔熱層的有效厚度受到限制，因?yàn)殡S著它們厚度的增加，它們的抗熱震性下降。然而，對(duì)氣封來(lái)說(shuō)，需要較厚的陶瓷涂層來(lái)滿足不斷增加的絕熱要求，允許槳葉端部更大的侵入或其他磨損并在開(kāi)始具有充足的材料以使氣封環(huán)成為最終尺寸的主體基礎(chǔ)。當(dāng)將氣封環(huán)研磨到直徑時(shí)，后者是特別重要的，其原點(diǎn)偏離該環(huán)的機(jī)械中心。
一種獲得稍厚磨損隔熱涂層的方法是Matarese等人在美國(guó)專利US 4,588,607中描述的多層金屬和陶瓷系統(tǒng)。此涂層由第一金屬粘合層、然后陶瓷含量逐漸增加的梯度金屬/陶瓷層和最終任選的陶瓷外層組成。涂層的制造涉及復(fù)雜的應(yīng)力分析和許多變量的控制，主要是在涂層系統(tǒng)的熱噴涂沉積過(guò)程中基材和涂層的溫度。因此，其自然是難以控制的方法，并且是昂貴的。相似地，在美國(guó)專利US 4,481,237和US 4,503,130中，Bosshart等人描述了這樣一種多層涂層，其含金屬粘合層、陶瓷含量增加的中間層和陶瓷外層。該多層涂層試圖控制應(yīng)力與強(qiáng)度的比，并因此當(dāng)沉積各層時(shí)通過(guò)控制溫度來(lái)控制涂層中的張力(strain)。這也是非常難以控制的方法，因此是昂貴的。
在美國(guó)專利US 5,073,433中，Taylor公開(kāi)了一種相對(duì)致密的陶瓷熱噴涂層，通常使用由氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯。此涂層的微觀結(jié)構(gòu)使用垂直裂紋分割(vertical crack segmentation)來(lái)提高抗熱震性和抗熱疲勞性。而且，此涂層具有小的長(zhǎng)程內(nèi)應(yīng)力，而且本身可以涂覆至非常大的厚度并仍然是抗熱震的。使用此涂層作為氣封的主要障礙是它的高密度和因此其有限的磨損性。
另一種獲得稍厚磨損隔熱涂層的方法是Nissley等人在美國(guó)專利US 5,705,231中描述的復(fù)合多層涂層。最初的MCrAlY粘合層之后是由具有不同氧化鋯組合物的特定混合物組成的氧化鋯“基礎(chǔ)”層。然后，將多層沉積在該基礎(chǔ)層上。各層具有不同比例的氧化鋯組合物。最終，沉積更耐磨的氧化鋯組合物的混合物的頂層。選擇沉積參數(shù)以在所有氧化鋯層中產(chǎn)生具有4-8條分割裂紋/線性英寸(1.6-3.1條裂紋/線性厘米)的垂直分割裂紋。此涂層需要氧化物的多種摻合物或混合物，并將其厚度限制為約50密耳(1.3毫米)。
發(fā)明概述本發(fā)明提供一種為基材提供隔熱保護(hù)的多層陶瓷涂層。其具有涂覆基材的內(nèi)陶瓷層。該內(nèi)陶瓷層具有許多分布在整個(gè)該內(nèi)陶瓷層內(nèi)的宏觀裂紋。外陶瓷層涂覆該內(nèi)陶瓷層。該外陶瓷層基本上無(wú)垂直宏觀裂紋。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是實(shí)施例1的多層涂層的拋光橫截面在放大100×下的顯微照片。底部所示的是具有5密耳(0.13毫米)厚度的HVOF CoNiCrAlY粘合層的基材合金，然后是10密耳(0.25毫米)的等離子體噴涂的垂直裂紋分割的由氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯，然后在頂部是40密耳(1毫米)的等離子體噴涂的低密度(理論密度的65％)由氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯。
圖2是實(shí)施例2的多層涂層的拋光橫截面在放大50×下的顯微照片。底部所示的是具有5密耳(0.13毫米)厚度的HVOF CoNiCrAlY粘合層的基材合金，然后是115密耳(2.9毫米)的等離子體噴涂的垂直裂紋分割的由氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯，然后是40密耳(1毫米)的等離子體噴涂的低密度(理論密度的65％)由氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯。
圖3是實(shí)施例3的涂層的拋光橫截面在放大100×下的顯微照片。它是實(shí)施例3的DOE的磚狀涂層，其成功地通過(guò)了熱震試驗(yàn)而沒(méi)有剝落，并且在2000個(gè)循環(huán)至2550°F(1399℃)后只有8％的邊緣裂紋。底部所示的是具有5密耳(0.13毫米)厚度的等離子體噴涂的CoNiCrAlY粘合層的基材合金，然后是36密耳(0.9毫米)的、具有63CPI(裂紋/線性英寸)或25條裂紋/線性厘米垂直裂紋和34％磚化(在樣品全部寬度上測(cè)量)的等離子體噴涂的由氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯。
發(fā)明詳述本發(fā)明提供的涂層是優(yōu)異隔熱層、優(yōu)異的磨損層或兩種效果兼有。此外，本發(fā)明提供這樣一種涂層，該涂層有助于沉積比以前能夠達(dá)到的厚度大得多的隔熱涂層；并且這些較厚的涂覆保持常規(guī)隔熱涂層不可能具有的優(yōu)異抗熱震性和抗熱疲勞性。該涂層包含若干層具有不同微觀結(jié)構(gòu)的陶瓷材料，該微觀結(jié)構(gòu)為涂層系統(tǒng)提供大得多的抗熱震性。在本發(fā)明中使用的陶瓷材料通常是氧化物，大多數(shù)常?；谘趸?，因此能夠在高溫下操作，如在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫渦輪部分中獲得的。該涂層系統(tǒng)也可以用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮部分和其它應(yīng)用。
正如上面背景部分表明的，低密度的氧化物涂層，特別是低密度的氧化鋯涂層是良好的隔熱層，并具有良好的磨損性，但是如果它們的厚度超過(guò)約20密耳(0.5毫米)，那么即使具有金屬粘合層，它們通常也不具有足夠的抗熱震性和抗熱疲勞性。許多應(yīng)用例如在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中都需要較厚的涂層，以提供足夠的熱保護(hù)，并提供足夠的厚度，從而允許設(shè)計(jì)公差造成的初始研磨，并允許槳葉端部的侵入及其它磨損。這對(duì)用作燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中密封件上的磨損隔熱層的涂層來(lái)說(shuō)尤其如此。有利的是，本發(fā)明包括一種具有低密度氧化物，特別是低密度氧化鋯的外層的涂層系統(tǒng)，該涂層系統(tǒng)是良好的磨損隔熱層，并明顯比20密耳(0.5毫米)厚且仍然具有足夠的抗熱震性和抗熱疲勞性。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以制造具有多層的涂層，該涂層通常具有非同尋常厚的低密度頂涂層或外涂層，并仍然保持足夠的抗熱震性和抗熱疲勞性，其中在基材或粘合層與低密度氧化物外層之間的內(nèi)層具有獨(dú)特的宏觀裂紋微觀結(jié)構(gòu)，這是最意想不到的，因?yàn)橥ǔＵJ(rèn)為在如燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中經(jīng)受的熱震或熱疲勞條件下，裂紋將導(dǎo)致涂層的頂層剝落。
當(dāng)在本文中定義時(shí)，宏觀裂紋是那些在放大100×下，在拋光的涂層橫截面中可見(jiàn)的裂紋。有利的是，內(nèi)陶瓷層的宏觀裂紋垂直于基材。垂直宏觀裂紋是這樣的裂紋，其主要與基材和涂層的界面的平面垂直或正交，同時(shí)長(zhǎng)度至少為4密耳(0.1毫米)或涂層厚度的一半。如果它們至少為涂層厚度的一半，則也可將它們稱為分割或垂直分割裂紋。對(duì)此規(guī)定來(lái)說(shuō)，水平宏觀裂紋是主要平行于基材表面的平面，并連接一個(gè)分割裂紋和相鄰分割裂紋的裂紋。為了提高多層涂層的壽命，最有利的是內(nèi)陶瓷層含垂直和水平宏觀裂紋的組合。
有利的是多層涂層的內(nèi)陶瓷層具有這樣的垂直宏觀裂紋，該裂紋在長(zhǎng)度上至少延伸約0.1毫米或內(nèi)陶瓷層厚度的一半。最有利的是，這些垂直宏觀裂紋是至少延伸內(nèi)陶瓷層一半厚度的分割裂紋。此外，有利的是，這些垂直的分割宏觀裂紋的裂紋密度為約7.5-75條垂直宏觀裂紋/線性厘米。當(dāng)該多層涂層的內(nèi)陶瓷層包含水平的宏觀裂紋時(shí)，有利的是，當(dāng)在與基材和多層涂層的界面正交的平面上累積測(cè)量時(shí)，全部的水平宏觀裂紋從約15％延伸至100％。最有利的是，當(dāng)在與基材和多層涂層的界面正交的平面上累積測(cè)量時(shí)，全部的水平宏觀裂紋從約20％延伸至60％。
最有利的是，除了垂直宏觀裂紋之外，多層涂層如氧化鋯基涂層還含有水平宏觀裂紋從而形成具有眾多水平裂紋的磚狀結(jié)構(gòu)，該水平裂紋的長(zhǎng)度為5-100密耳(0.13-2.5毫米)，并且在涂層寬度方向延伸的平面上測(cè)量時(shí)，從15％累積延伸到100％(在本文中，稱為磚狀微觀結(jié)構(gòu))。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，多層涂層的宏觀裂紋微觀結(jié)構(gòu)中的至少一種可以有利地沉積成保持高抗熱震性和抗熱疲勞性的厚層。如果內(nèi)層由具有不同宏觀裂紋微觀結(jié)構(gòu)的兩層或更多層亞層組成，那么該涂層會(huì)具有甚至更大的抗熱震性和抗熱疲勞性。例如，內(nèi)層可以包含第一裂紋層和第二裂紋層。宏觀裂紋方向和密度不同的其它內(nèi)陶瓷層可以為多層涂層的壽命提供增加的增量。例如，只含垂直宏觀裂紋的內(nèi)陶瓷層與含垂直和水平宏觀裂紋的層的交替可以進(jìn)一步提高多層涂層的壽命。
任選地，內(nèi)陶瓷層和外陶瓷層具有從其內(nèi)表面向其外表面增加的孔隙率。外表面處增加的孔隙率降低了涂層的熱導(dǎo)率并可以提高其磨損性。
涂層通常具有多層，其包括以下層i)任選的金屬粘合層；ii)具有一層或多層亞層的內(nèi)陶瓷層，每層具有預(yù)定的宏觀裂紋圖案；和，iii)基本上沒(méi)有垂直宏觀裂紋的鄰近陶瓷外層。該外陶瓷層在含宏觀裂紋的內(nèi)陶瓷層上形成鄰近的或連續(xù)的涂層。最有利的是，該外陶瓷層不含垂直宏觀裂紋。
通常使用一種或多種熱噴涂方法如等離子體噴涂、爆炸噴槍(detonation gun)、高速氧燃?xì)鈬娡?HVOF)或高速空氣燃?xì)鈬娡?HVAF)制造該涂層的不同層。也可以使用化學(xué)汽相沉積、物理汽相沉積、電解沉積、溶膠凝膠或其它沉積方法制造該涂層中的一層或多層。
有利的是，如果使用金屬粘合層，則選擇該層以提高涂層與基材的粘結(jié)強(qiáng)度，為基材提供腐蝕保護(hù)并提高涂層熱和力學(xué)性能，特別是其抗熱震性和抗熱疲勞性。當(dāng)在燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪部分中使用該涂層時(shí)，基材通常是鎳基合金或鈷基合金，粘合層通常是鎳鋁合金或化合物、改性的鎳鋁合金或化合物如鉑鎳鋁合金或化合物，或MCrAlY合金，其中M是鎳、鈷或鐵或它們的組合，該合金也可以包含鉑、鉿、硅及其它元素。如上所述，當(dāng)通過(guò)熱噴涂沉積粘合層時(shí)，其通常具有相互連通的孔隙，這樣的孔隙降低了其保護(hù)基材免于氧化或其它腐蝕的能力。因此，可以在高溫下熱處理該粘合層以實(shí)現(xiàn)孔隙的燒結(jié)和密封或消除。在沉積過(guò)程中以盡可能高的密度和最小量的氧化來(lái)沉積最有效密封的粘合層。通常，使用相對(duì)細(xì)的致密粉末和確保該粉末完全熔融的火炬(torch)參數(shù)來(lái)沉積這些涂層；因此，它們傾向于具有相對(duì)光滑的表面。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在某些情況下，粘合層上的粗糙表面(即大于約150微英寸(3.8微米)，在一些情況下優(yōu)選為大于約300微英寸(7.6微米))提高了與隨后沉積的陶瓷層的粘合性，這取決于特定的陶瓷組成和微觀結(jié)構(gòu)。對(duì)于這些情況，發(fā)現(xiàn)有利的是在粘合層結(jié)構(gòu)中使用兩層亞層。第一亞層是可以通過(guò)熱處理有效密封的非常致密的涂層，而第二亞層是制造的具有粗糙表面的涂層。后者可以通過(guò)使用相對(duì)粗的多孔粉末并使用不使該粉末充分熔融的沉積參數(shù)來(lái)獲得。在沉積了粘合層的所有亞層之后或沉積了陶瓷層之后，可以在惰性氣氛中或優(yōu)選為在真空中熱處理該粘合層。粘合層的厚度依其組成和整個(gè)涂層系統(tǒng)的要求而不同。對(duì)于熱噴涂涂層，粘合層厚度通常約為3-100密耳(0.07-2.5毫米)，優(yōu)選的范圍為約5-20密耳(0.13-0.5毫米)。
宏觀裂紋陶瓷層通常是用氧化釔、鈰土(ceria)、其它稀土氧化物、氧化鎂或另一種氧化物完全或部分穩(wěn)定的氧化鋯基陶瓷以穩(wěn)定四方或立方結(jié)晶相中的至少一種。然而，該陶瓷層可以是其它氧化物如氧化鋁、氧化鉻(chromia)或氧化鎂基陶瓷。
任選地，低密度的外陶瓷涂層或氧化物涂層的密度為理論密度的約45-90％。有利的是，該外涂層的密度約為理論密度的45-90％，更有利的是為理論密度的50-86％，最有利的是該密度約為理論密度的50-70％。低密度涂層的優(yōu)選組成通常是用氧化釔、鈰土、其它稀土、氧化鎂或其它氧化物完全或部分穩(wěn)定的穩(wěn)定氧化鋯。然而，該低密度外陶瓷可以是其它氧化物如氧化鋁、氧化鉻或氧化鎂。在一些應(yīng)用，例如，涂層不受磨損的影響或位置靠近高硬度槳葉的應(yīng)用中，使用這些低密度的涂層是任選的或不必要的。
在氧化鋯基材料的多層涂層中，由于氧化鋯的固有熱導(dǎo)率低，所以熱導(dǎo)率已經(jīng)很低了。然而，此外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，為此多層系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的一些結(jié)構(gòu)具有進(jìn)一步改進(jìn)熱導(dǎo)率的特征。這些特征包括上磨損層的非常低的密度和因此高的孔隙率，為分割的微觀結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)的垂直裂紋和為磚狀微觀結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)的水平裂紋。使用激光閃光熱擴(kuò)散率法測(cè)量一些單層的熱導(dǎo)率。單獨(dú)測(cè)量比熱，并用ASTM B-328的浸漬法確定該涂層的密度。根據(jù)這些值，使用標(biāo)準(zhǔn)方程計(jì)算熱導(dǎo)率。發(fā)現(xiàn)該多層系統(tǒng)中不同層的熱導(dǎo)率顯著不同。現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)調(diào)整單層的厚度來(lái)選擇并產(chǎn)生本發(fā)明多層涂層的總厚度(through-thickness)熱導(dǎo)率。例如，內(nèi)陶瓷層如穩(wěn)定的氧化鋯層可以包含具有第一熱導(dǎo)率和第一厚度的第一層和具有第二熱導(dǎo)率和第二厚度的第二層。然后，控制第一層和第二層的厚度來(lái)結(jié)合兩種不同的熱導(dǎo)率并形成所需的總熱導(dǎo)率和所需的總厚度。
試驗(yàn)與評(píng)價(jià)方法使用標(biāo)準(zhǔn)的金相技術(shù)來(lái)檢查并表征涂層的微觀結(jié)構(gòu)。首先，用環(huán)氧樹脂真空浸漬該涂層樣品的橫截面以保持結(jié)構(gòu)，然后嵌入標(biāo)準(zhǔn)金相底座中，最后研磨并拋光以使垂直于基材的涂層橫截面平面暴露。本文中描述的許多涂層包含各種裂紋；這對(duì)熱噴涂涂層來(lái)說(shuō)尤其如此。熱噴涂涂層中的一些裂紋是非常細(xì)的，并且只在高倍放大下的拋光橫截面中才可顯示。
對(duì)在涂層的拋光橫截面中觀察到的宏觀裂紋圖案的定量表征只包括計(jì)算在放大100×下，那些比涂層厚度一半長(zhǎng)的那些垂直分割宏觀裂紋。已知涂覆樣品的長(zhǎng)度，計(jì)算CPI，然后轉(zhuǎn)換為裂紋/厘米。水平宏觀裂紋具有不同的計(jì)算規(guī)則。在該涂層的許多區(qū)域中，水平裂紋連接兩條相鄰的垂直分割裂紋，并且在某些情況下在給定一對(duì)垂直宏觀裂紋之間，在某些程度上與梯形結(jié)構(gòu)相似。只測(cè)量這種圖案中最長(zhǎng)水平裂紋的長(zhǎng)度。如果水平裂紋只接觸一條垂直裂紋，則不計(jì)算它。開(kāi)發(fā)的一些結(jié)構(gòu)在一層中具有許多垂直和水平裂紋，這樣微觀視圖與磚墻相似，因此將表示水平裂紋的值稱為“磚化％(Percent bricking)”。將磚化％定義為，整個(gè)拋光橫截面內(nèi)所有滿足上述規(guī)則的水平裂紋長(zhǎng)度(其累積長(zhǎng)度)除以觀察樣品的總長(zhǎng)度的商。磚化％可以從0直至100％，在0％時(shí)，沒(méi)有兩個(gè)垂直裂紋由水平裂紋連接，在100％時(shí)，水平裂紋蔓延拋光橫截面的整個(gè)寬度，但不是以連續(xù)線性或平面的形式。
與涂層的磨損性和熱震有關(guān)的一個(gè)重要特征是它們的密度。使用浸漬法(ASTM B-328-73)確定本文中所評(píng)價(jià)的涂層的密度。使用6.05gm/cm3的值作為完全致密的、假設(shè)為四方晶體結(jié)構(gòu)的、7重量％氧化釔-穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)塊狀材料的理論密度。理論密度(TD)是充分壓實(shí)、無(wú)氣孔狀態(tài)下材料的密度。YSZ的理論密度隨氧化釔的量和存在的結(jié)晶相而稍有不同。
進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)來(lái)模擬燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮或渦輪部分中槳葉端部與密封圈或密封片段的相互作用。在各種組合以及各種端部速度和漿葉端部侵入密封片段的速率(橫進(jìn)給率)下，使用它來(lái)評(píng)價(jià)涂層的磨損性和槳葉端部或槳葉端部涂層的磨損性。該試驗(yàn)裝置或裝備沒(méi)有輔助加熱，但在某些情況下摩擦生熱很高。此試驗(yàn)中的密封片段是約1.5英寸寬、1.5英寸長(zhǎng)(3.8×3.8厘米)、0.375英寸(0.95厘米)厚的平板。將密封涂層沉積在一個(gè)1.5×1.5英寸(3.8×3.8厘米)的面上。該槳葉為約0.55英寸(1.4厘米)長(zhǎng)，具有平的端部和0.75×0.10英寸(1.9×0.25厘米)的橫截面。使槳葉保持在旋轉(zhuǎn)飛輪中，以使?jié){葉端部形成一個(gè)直徑為8英寸(20厘米)的轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)。涂覆的密封片段保持在通過(guò)受控步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)向飛輪中旋轉(zhuǎn)葉片移動(dòng)的夾具中。這造成槳葉與密封片段接觸并切入密封片段中。因此，該密封件中的磨損痕跡是0.75英寸(1.9厘米)寬、具有4英寸(10厘米)半徑的扇形。對(duì)于本文中描述的所有實(shí)驗(yàn)，端部速度都是156英尺/秒(47.5米/秒)，橫進(jìn)給率為0.05密耳/秒(0.0013毫米/秒)。取密封件上磨損的測(cè)量值作為磨痕的平均最大深度，取在端部上磨損的測(cè)量值作為穿過(guò)端部的長(zhǎng)度(磨損深度)的平均損失。
為了賦予試驗(yàn)結(jié)果較好的可比性，選擇10密耳(0.25毫米)的恒定總磨損量(密封件中的最大深度加上端部上磨損的深度)。因?yàn)?，由于磨擦開(kāi)始的不確定性導(dǎo)致用實(shí)驗(yàn)方法在每個(gè)試驗(yàn)中準(zhǔn)確獲得該量是困難的，所以通常兩個(gè)試驗(yàn)在各自的條件下進(jìn)行，一個(gè)磨耗損失量達(dá)到約為7密耳(0.18毫米)，一個(gè)約為14密耳(0.36毫米)，將結(jié)果內(nèi)插到10密耳(0.25毫米)。表示此試驗(yàn)結(jié)果的一種方法是通過(guò)用端部樣品除以密封涂層中磨痕的最大深度來(lái)計(jì)算長(zhǎng)度損失。這是端部-密封件磨損比，為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員常用的術(shù)語(yǔ)。理想的是，對(duì)于良好的端部和密封件對(duì)，端部-密封件磨損比約為0.1，更好的為0.05。表示相同結(jié)果的另一個(gè)參數(shù)是端部上占總磨損的分?jǐn)?shù)。如果WR是端部-密封件磨損比，F(xiàn)T是端部上占總磨損的分?jǐn)?shù)，則FT＝WR/(1+WR)。
相當(dāng)于WR為0.05的FT為0.0476。也就是說(shuō)，端部產(chǎn)生總磨損的4.76％，這是可為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)者接受的結(jié)果。
用循環(huán)熱震試驗(yàn)表征涂層的抗熱震性。將所關(guān)心的涂層沉積在直徑為1英寸(2.5厘米)，厚度為0.125英寸(0.32厘米)的基材的一個(gè)面上，該基材是合金718(50-54Ni-17-21Cr-lCo-2.8-3.3Mo-4.75-5.5Nb-0.65-1.15Ti-0.2-0.8Al-0.08C-0.35Mn-0.35Si-.006B-余量Fe)或Mar M 509(Co-23.5Cr-7W-3.5Ta-1Ni-0.6C-0.5Zr-0.2Ti)高溫合金。然后，在周邊上將這些樣品打磨至直徑為0.94英寸(2.4厘米)，這使涂層的所有層邊緣暴露而沒(méi)有卷繞基材的涂層。將樣品夾在這樣一個(gè)夾具中，該夾具使這些樣品向以火炬沖擊涂覆面的加熱位置運(yùn)動(dòng)，在那里使它們保持20秒，然后向用氮?dú)饬骼鋮s涂覆面20秒的位置運(yùn)動(dòng)，最終向兩個(gè)位置運(yùn)動(dòng)，在那里，在每個(gè)位置上，在大氣中冷卻樣品20秒。重復(fù)此循環(huán)2000次。典型地，在加熱周期的末尾，陶瓷涂層的前表面達(dá)到約2500-2600°F(1371-1427℃)的溫度，而其反面，即樣品的未涂覆側(cè)達(dá)到約1200-1700°F(649-927℃)的溫度。在該試驗(yàn)之后檢查樣品任何涂層破碎或分離的證據(jù)。
實(shí)施例1本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的例子包含具有CoNiCrAlY粘合層的密封涂層、分割的氧化鋯第一層和低密度氧化鋯第二層。使用JP-5000HVOF火炬沉積厚5密耳(0.13毫米)的粘合層，所述火炬使用16英寸(40.6厘米)的噴嘴。6加侖/小時(shí)(22升/小時(shí))的煤油燃料和1650標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/小時(shí)(46.7標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí))氧氣形成燃燒混合物。氬氣載氣以130克/分鐘噴射合金，該合金的標(biāo)準(zhǔn)重量百分組成為Co-32Ni-21Cr-8Al-0.5Y。使用Metco 3MB火炬來(lái)沉積兩層氧化鋯層。氧化鋯粉末是Praxair Surface Technologies的ZrO-182，具有約8重量％氧化釔的標(biāo)準(zhǔn)-140目/+325目(-105/+44微米)粉末。對(duì)于第一層氧化鋯，火炬氣體混合物和流量為80立方英尺/小時(shí)(2.3標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí))的氬氣和30立方英尺/小時(shí)(0.8標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí))的氫氣，粉末載體是13立方英尺/小時(shí)(0.4標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí))的氬氣。粉末進(jìn)料速率為50克/分鐘。在500安培、約75伏特下操作該火炬，同時(shí)表面速度為600英寸/分鐘(15米/分鐘)，推距(advance)為0.25英寸/轉(zhuǎn)(6.4毫米/轉(zhuǎn))。產(chǎn)生的裂紋分割圖案具有沿與基材界面平行的線性測(cè)量的約40裂紋/英寸(15.7裂紋/厘米)，每個(gè)可數(shù)的裂紋都至少為陶瓷涂層厚度的一半。使用放大100×的光學(xué)顯微鏡測(cè)量裂紋圖案。該涂層的密度約為理論密度的89％。第一氧化鋯層約為10密耳(0.25毫米)厚。對(duì)于第氧化鋯層，將ZrO-182氧化鋯粉末與4重量％聚酯短效材料混合?；鹁鏆怏w混合物和流量為80立方英尺/小時(shí)(2.3標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí))的氬氣和15立方英尺/小時(shí)(0.42標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí))的氫氣，粉末載體是13立方英尺/小時(shí)(0.36標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí))的氬氣。該混合粉末進(jìn)料速度為45克/分鐘。在500安培、約65伏特下操作該火炬，同時(shí)表面速度為1560英寸/分鐘(40米/分鐘)，推距為0.25英寸/轉(zhuǎn)(6.4毫米/轉(zhuǎn))。第氧化鋯層約為40密耳(1毫米)厚，沒(méi)有分割裂紋，密度為理論密度的65％。涂層的微觀結(jié)構(gòu)示于圖1中。
此實(shí)施例涂層的摩擦容限(rub tolerance)證明優(yōu)于代表現(xiàn)有技術(shù)的低密度氧化鋯涂層。此外，可以開(kāi)發(fā)的具有良好抗熱震性的總涂層厚度和第氧化鋯層厚度比現(xiàn)有技術(shù)的低密度氧化鋯的單層具有的厚度大得多。
用上述熱震試驗(yàn)評(píng)價(jià)此實(shí)施例的多層涂層。在此試驗(yàn)中，在加熱周期的末尾，陶瓷的前表面達(dá)到約2530°F(1388℃)的溫度，而其反面，即樣品的未涂覆側(cè)達(dá)到約1500°F(816℃)的溫度。在如此嚴(yán)格的熱震試驗(yàn)中，此實(shí)施例的多層涂層沒(méi)有出現(xiàn)剝落，只在涂層約30％的周邊有邊緣裂紋(3個(gè)試樣的平均值)。內(nèi)陶瓷層的垂直宏觀裂紋沒(méi)有傳播過(guò)外陶瓷層。與此實(shí)施例的第二層涂層相似，并有幾乎相同的總厚度但沒(méi)有內(nèi)層的現(xiàn)有技術(shù)的低密度涂層的對(duì)比試驗(yàn)沒(méi)有出現(xiàn)剝落，但是有67％的平均邊緣裂紋，超過(guò)本發(fā)明涂層的兩倍。
實(shí)施例2本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案的實(shí)施例包含具有CoNiCrAlY粘合層的密封涂層、具有垂直微觀裂紋(分割的微觀結(jié)構(gòu))的第一氧化鋯層和具有低密度而無(wú)微觀裂紋的第氧化鋯層。5密耳(0.13毫米)厚的CoNiCrAlY粘合層具有與實(shí)施例1中粘合層相同的組成，并用與實(shí)施例1中粘合層相同的火炬和沉積參數(shù)沉積。使用ZrO-137粉末和在170安培下操作的Praxair Model 1108火炬沉積第一氧化鋯層，該粉末為標(biāo)準(zhǔn)-63/+11微米的粉末，其組成為ZrO2-7Y2O3(重量％)，該火炬具有90立方英尺/小時(shí)(2.5標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí))的氬氣加上40立方英尺/小時(shí)(1.1標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí))的氫氣火炬氣體混合物和90立方英尺/小時(shí)(2.5標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí))的氬氣粉末載氣，該載氣的表面速度為3750英寸/分鐘(9.5米/分鐘)，推距為0.25英寸/轉(zhuǎn)(6.4毫米/轉(zhuǎn))。使用與實(shí)施例1中第氧化鋯層相同的粉末和沉積參數(shù)沉積第氧化鋯層。此涂層的微觀結(jié)構(gòu)示于圖2中。它由5密耳(0.13毫米)厚的粘合層，115密耳(2.9毫米)厚的具有垂直和水平裂紋的第一氧化鋯涂層和鄰近的40密耳(1毫米)厚、無(wú)微觀裂紋圖案且密度為理論密度65％的低密度第氧化鋯層組成。
因?yàn)榈谘趸唽邮窍嗤模栽撏繉拥哪Σ寥菹夼c實(shí)施例1的低密度氧化鋯涂層的摩擦容限是相同的。然而，可以開(kāi)發(fā)的具有良好抗熱震性的總陶瓷涂層厚度比現(xiàn)有技術(shù)的低密度氧化鋯的單層具有的厚度大得多。
通過(guò)上述熱震試驗(yàn)表征此實(shí)施例涂層的抗熱震性。在此試驗(yàn)中，在加熱周期的末尾，陶瓷表面的溫度達(dá)到約2600°F(1427℃)，而其反面，即未涂覆表面達(dá)到約1200°F(649℃)的溫度。在此苛刻的熱震試驗(yàn)中，此實(shí)施例的多層涂層未顯示剝落、垂直裂紋傳播和分離。
實(shí)施例3本發(fā)明涂層另一個(gè)實(shí)施方案的例子是具有金屬粘合層、具有宏觀裂紋圖案的第一氧化鋯涂層和低密度而無(wú)裂縫圖案的第氧化鋯層的涂層，所述第一氧化鋯涂層的宏觀裂紋圖案具有向其中加入控制的水平裂紋圖案(磚狀微觀結(jié)構(gòu))的垂直裂紋分割結(jié)構(gòu)。使用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)法確定沉積第一氧化鋯層的參數(shù)。根據(jù)前面的實(shí)驗(yàn)，已知影響垂直和水平裂紋的基本變量。使一些變量保持恒定，這些變量包括粉末和粉末進(jìn)料速度、間隙(火炬到基材的距離)和具體的火炬和火炬操作參數(shù)。使用電流的170安培和采用氬-氫氣體混合物的PST 1108型等離子體噴涂火炬?；鹁娴谋砻嫠俣群屯凭嗨俣纫繢OE而不同。在DOE中，對(duì)于所有的涂層，氧化鋯層都為34-36密耳(0.86-0.91毫米)厚?；亩际?.125英寸(3.2毫米)厚、直徑為1英寸(2.5厘米)的MarM-509合金基材，其具有使用PST 1108火炬沉積的、鎳-5重量％Al的5密耳(0.13毫米)粘合層。DOE控制變量并觀察到的因變量顯示如下。
特別感興趣的因變量是垂直和水平裂紋。用新的基材并改變控制沉積參數(shù)而重復(fù)整個(gè)8-線性DOE 3次。所有樣品都單獨(dú)安裝并拋光。只使用一個(gè)“觀察者”來(lái)計(jì)算所有裂紋，并評(píng)價(jià)每個(gè)試樣的3個(gè)拋光平面。DOE基體和觀察到的CPI與磚化％如下。
用于研究3-D分割的氧化鋯的DOE基體表面速度推距英寸/分鐘米/分鐘英寸/轉(zhuǎn) 厘米/轉(zhuǎn) CPI*裂紋/厘米 磚化％950 2.40.0625 0.1661，58，65 24，23，2645，53，303750 9.50.0625 0.1644，49，52 17，19，205，8，9950 2.40.250.6466，64，69 26，25，2732，21，173750 9.50.250.6450，48，56 20，19，229，8，62350 6.00.0625 0.1664，67，58 25，26，2322，17，172350 6.00.250.6469，72，68 27，28，2715，14，16950 2.40.125 0.3263，69，68 25，27，2732，20，223750 9.50.125 0.3250，59，55 20.23，22 9，10，8*每個(gè)樣品3個(gè)拋光平面的平均值，這表明這3種單獨(dú)的涂層進(jìn)行8個(gè)DOE線性中的每個(gè)。對(duì)于此表格，將值四舍五入為整數(shù)。
對(duì)于試驗(yàn)中任何給定的線性，CPI或裂紋/厘米和磚化％的結(jié)果在三個(gè)測(cè)試之間是十分相似的。使用如下的多個(gè)相關(guān)方法來(lái)分析數(shù)據(jù)。首先評(píng)價(jià)兩個(gè)控制因素和CPI或裂紋/厘米的3個(gè)測(cè)量值這些重要因素，這考慮到兩個(gè)主要因素，平方的因素和表面速度與推距之間的相互作用因素。在此分析中，先標(biāo)準(zhǔn)化自變量(見(jiàn)Basic Statistics，第四版，作者Kiemele，Schmidt和Berdine，Air Academy Press，1999)，這使得最重要的變量可被確認(rèn)。對(duì)于CPI，出現(xiàn)4項(xiàng)是重要的，主變量和它們的平方，沒(méi)有相互作用項(xiàng)。用相同的方法處理磚化％數(shù)據(jù)，出現(xiàn)3項(xiàng)是重要的，表面速度和推距的主變量加它們的相互作用。知道了重要的變量，使數(shù)據(jù)符合它們而不使用多種相關(guān)方法編碼(coding)。對(duì)于上面的DOE和選擇的自變量的范圍，相關(guān)方程如下。
CPI＝38.15+0.0174*SS+211.2*Adv-4.724*(SS/1000)2-592.2*(Adv)2裂紋/厘米＝CPI/2.54％Bk＝53.16-0.01238*SS-109.79*Ad+0.0309*SS*Adv其中，SS是表面速度(英寸/分鐘)，Adv是推距(英寸/轉(zhuǎn))。例如，如果需要設(shè)計(jì)具有高磚化的涂層，則慢的表面速度和慢的推距是有利的。這些結(jié)果僅嚴(yán)格用于使用PST 1108型火炬和此處使用的粉末和沉積參數(shù)獲得的涂層密度。然而，此處描述的DOS方法可以用于其它火炬和粉末系統(tǒng)。使用相似的DOE基體來(lái)開(kāi)發(fā)使用ZrO-182粉末和Metco 3MB火炬的裂紋圖案。
使用上述熱震試驗(yàn)表征上面DOE中的涂層的抗熱震性。只有DOE的第一條線性中的涂層顯示了涂層剝落。此涂層具有最高的CPI(裂紋/厘米)和磚化％的組合。其它線性的涂層均沒(méi)有顯示任何剝落，并且沒(méi)有邊緣裂紋，或當(dāng)在放大30×下檢查時(shí)只有較小的邊緣裂紋。
可以容易地構(gòu)建這樣一種多層系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有金屬粘合層、具有磚狀微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)層的一種上述涂層和與實(shí)施例1和2中描述的相同的低密度氧化鋯的第氧化鋯層。這種多層涂層將具有與實(shí)施例1中的描述相同的摩擦容限。然而，由于獨(dú)特的磚狀微觀結(jié)構(gòu)，所以在一些應(yīng)用中，由于磨擦容限，可以使用這些涂層而不用加入低密度的第氧化鋯層。
實(shí)施例4本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案的實(shí)施例包含設(shè)計(jì)多層涂層從而僅使用上述多層涂層中的兩層就具有如下表所示的特定熱導(dǎo)率。第一層是致密的、垂直分割的由氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯涂層。該涂層的致密度約為92％，并具有約50條垂直分割裂紋/英寸(20條裂紋/厘米)?？梢酝ㄟ^(guò)以前定義的磚化％部分表征從一些垂直裂紋中延伸出的水平分支裂紋。在這種情況下，假設(shè)磚化％為約10％。
本實(shí)施例中的第二層是用作多層涂層中上層的低密度磨損層。此涂層的密度為理論密度的約65％，在拋光橫截面正常放大100×的視圖下既沒(méi)有垂直分割裂紋也沒(méi)有小的可辨識(shí)的水平裂紋。根據(jù)單層熱導(dǎo)率值，下表給出了對(duì)于內(nèi)層和外層層厚的不同組合、總厚度為80密耳(2毫米)的多層的熱導(dǎo)率和計(jì)算出的溫度下降。
層1(分割的氧化 層2(65％密度) 總溫度下降 表觀熱導(dǎo)率鋯)厚度厚度密耳 毫米密耳 毫米 °F ℃ W/cm/°K60 1.5 20 0.5 381 212 0.0058340 1.0 40 1.0 499 277 0.0051120 0.5 60 1.5 605 336 0.00460在此簡(jiǎn)化的示范計(jì)算中使用的假設(shè)是沒(méi)有輻射或?qū)α?，并且在層間沒(méi)有界面阻力的單向熱流，熱通量(heat flux)為60瓦特，層2的外表面處的溫度為2550°F(1399℃)。
在實(shí)踐中，可以制造該復(fù)合多層，并使用諸如激光閃光法這樣的方法測(cè)量整個(gè)系統(tǒng)以確定該復(fù)合體的實(shí)際熱導(dǎo)率。穿過(guò)這種復(fù)合多層的實(shí)際溫度下降取決于前表面的實(shí)際溫度和由實(shí)際環(huán)境傳遞給前表面的有效熱通量以及基材的溫度及其熱通量。該計(jì)算說(shuō)明了通過(guò)多層涂層系統(tǒng)提供進(jìn)一步熱導(dǎo)率設(shè)計(jì)的可能性。
通常，多層涂層提供優(yōu)異的隔熱層和優(yōu)異的磨損層。它們有助于提供可能具有優(yōu)異的抗熱震性和抗熱疲勞性的比以前能夠達(dá)到的厚得多的涂層。例如，內(nèi)層和外層的總厚度為約0.2-約10毫米，有利的是超過(guò)約2毫米，和最有利的是總厚度約為2-5毫米。最有利的是，外陶瓷層具有的完整性或強(qiáng)度足以在涂層的初始熱循環(huán)過(guò)程中防止來(lái)自內(nèi)陶瓷層的垂直宏觀裂紋穿過(guò)外陶瓷層傳播。然而，在燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)備的擴(kuò)展操作中，外陶瓷層會(huì)產(chǎn)生有限的裂紋，但該涂層的獨(dú)特多層結(jié)構(gòu)似乎限制了常與裂紋有關(guān)的剝落。此外，可以提供具有預(yù)定熱導(dǎo)率的隔熱涂層-這些涂層通常包含具有不同微觀結(jié)構(gòu)的多層陶瓷材料，這些微觀結(jié)構(gòu)也為涂層系統(tǒng)提供大得多的抗熱震性。
在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪和壓縮部分和其它應(yīng)用中都可能發(fā)現(xiàn)該涂層系統(tǒng)的應(yīng)用。例如，有利的是被涂覆的基材是燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的部件如燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)用氣封。最有利的是，該多層涂層是磨損涂層；特別是使用這些磨損涂層作為相對(duì)漿葉端部或刀口的氣封。
可以形成本發(fā)明的許多可能實(shí)施方案而不背離其范圍，因此，要理解的是，本文中列出的所有內(nèi)容應(yīng)解釋為說(shuō)明性的意義而非限制性意義。
權(quán)利要求
1.一種為基材提供隔熱保護(hù)的多層陶瓷涂層，其包括涂覆基材的內(nèi)陶瓷層和涂覆內(nèi)陶瓷層的外陶瓷層，該內(nèi)陶瓷層具有許多分布在整個(gè)內(nèi)陶瓷層中的宏觀裂紋，該外陶瓷層基本上無(wú)垂直宏觀裂紋。
2.權(quán)利要求1的多層涂層，其中該內(nèi)陶瓷層的裂紋是垂直宏觀裂紋。
3.權(quán)利要求1的多層涂層，其中該內(nèi)陶瓷層的裂紋是垂直和水平的宏觀裂紋。
4.權(quán)利要求1的多層涂層，其中該內(nèi)陶瓷層至少包含第一裂紋層和第二裂紋層。
5.權(quán)利要求1的多層涂層，其中該內(nèi)陶瓷層具有從該內(nèi)陶瓷層的內(nèi)表面到該內(nèi)陶瓷層的外表面逐漸增加的孔隙率。
6.權(quán)利要求1的多層涂層，其中該外陶瓷層具有從該外陶瓷層的內(nèi)表面到該外陶瓷層的外表面逐漸增加的孔隙率。
7.權(quán)利要求1的多層涂層，其中該裂紋是長(zhǎng)度至少延伸約0.1毫米或內(nèi)陶瓷層厚度一半的垂直宏觀裂紋。
8.權(quán)利要求1的多層涂層，其中該裂紋是至少延伸內(nèi)陶瓷層厚度一半的垂直分割宏觀裂紋，并且每線性厘米有約7.5-75條垂直宏觀裂紋。
9.權(quán)利要求3的多層涂層，其中在與基材和多層涂層的界面正交的平面上測(cè)量所得的總的水平宏觀裂紋從約15％延伸至100％。
10.權(quán)利要求9的多層涂層，其中在與基材和多層涂層的界面正交的平面上測(cè)量所得的總的水平宏觀裂紋從約20％延伸至60％。
11.一種為基材提供隔熱保護(hù)的多層氧化鋯基涂層，其包括一個(gè)涂覆基材的內(nèi)氧化鋯基層和一個(gè)涂覆該內(nèi)氧化鋯基層的外氧化鋯基層，該內(nèi)氧化鋯基層具有許多分布在整個(gè)內(nèi)氧化鋯基層中的垂直宏觀裂紋，該外氧化鋯基層基本上無(wú)垂直宏觀裂紋。
12.權(quán)利要求11的多層氧化鋯基涂層，其中該內(nèi)氧化鋯基層包含水平宏觀裂紋。
13.權(quán)利要求11的多層氧化鋯基涂層，其中該內(nèi)氧化鋯基層包含至少一個(gè)第一裂紋層和一個(gè)第二裂紋層。
14.權(quán)利要求11的多層涂層，其中該內(nèi)氧化鋯基層具有從該內(nèi)氧化鋯基層的內(nèi)表面到該內(nèi)氧化鋯基層的外表面逐漸增加的孔隙率。
15.權(quán)利要求11的多層涂層，其中該外氧化鋯基層具有從該外氧化鋯基層的內(nèi)表面到該外氧化鋯基層的外表面逐漸增加的孔隙率。
16.權(quán)利要求11的多層氧化鋯基涂層，其中每線性厘米有約7.5-75條垂直分割宏觀裂紋。
17.權(quán)利要求12的多層氧化鋯基涂層，其中該水平宏觀裂紋的長(zhǎng)度為約0.1-2.5毫米，在與基材和多層氧化鋯基涂層的界面正交的平面上測(cè)量所得的總的水平宏觀裂紋從約15％延伸至100％。
18.權(quán)利要求17的多層氧化鋯基涂層，其中在與基材和多層氧化鋯基涂層的界面正交的平面上測(cè)量所得的總的水平宏觀裂紋從約20％延伸至60％。
19.權(quán)利要求11的多層氧化鋯基涂層，其中該外氧化鋯基層的密度為理論密度的約45-90％。
20.權(quán)利要求11的多層氧化鋯基涂層，其中該外氧化鋯基層的密度為理論密度的約50-86％。
21.權(quán)利要求11的多層氧化鋯基涂層，其中該外氧化鋯基層的密度為理論密度的約50-70％。
22.權(quán)利要求11的多層氧化鋯基涂層，其中該內(nèi)氧化鋯基層和外氧化鋯基層的總厚度為約0.2-約10毫米。
23.權(quán)利要求11的多層氧化鋯基涂層，其中該內(nèi)氧化鋯基層和外氧化鋯基層的總厚度至少為約2毫米。
24.權(quán)利要求11的多層氧化鋯基涂層，其中該多層氧化鋯基涂層包含一種用于使選自四方相和立方相中的至少一個(gè)結(jié)晶相部分或全部穩(wěn)定的穩(wěn)定元素。
25.權(quán)利要求11的多層氧化鋯基涂層，其在基材與內(nèi)氧化鋯基層之間包含一個(gè)粘合層。
26.權(quán)利要求25的多層氧化鋯基涂層，其中該粘合層包含至少一個(gè)內(nèi)亞層和一個(gè)外亞層，并且當(dāng)在將內(nèi)氧化鋯基層施加到外亞層上之前測(cè)量時(shí)，外亞層的表面粗糙度至少為約3.8微米。
27.權(quán)利要求25的多層氧化鋯基涂層，其中該粘合層用熱處理密封。
全文摘要
本發(fā)明提供一種為基材施加隔熱保護(hù)的多層陶瓷涂層。其具有涂覆該基材的內(nèi)陶瓷層。該內(nèi)陶瓷層具有許多分布在整個(gè)內(nèi)陶瓷層內(nèi)的宏觀裂紋。外陶瓷層涂覆該內(nèi)陶瓷層。該外陶瓷層基本上無(wú)垂直宏觀裂紋。
文檔編號(hào)C23C28/00GK1642734SQ03806747
公開(kāi)日2005年7月20日 申請(qǐng)日期2003年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月22日
發(fā)明者T·A·泰勒, D·L·阿普爾拜, A·波爾卡瓦格 申請(qǐng)人:普萊克斯S.T.技術(shù)有限公司