專利名稱：用于渦輪葉片的、具有帶間隔開的柱體的柱狀結構的熱障的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的領域是渦輪機的領域，并且更特別是用于這些經受高溫的渦輪機的組件的領域。
背景技術：
如在航空領域中用于推進的渦輪機包括大氣進氣口，其與一個或多個壓縮器連通，其通常包括繞著同一個軸旋轉的風扇。在被壓縮之前此空氣的主氣流供應在此軸周圍環(huán)狀定位的燃燒腔，并且與燃料混合以便提供下游的至一個或多個渦輪的熱氣體，通過這一個或多個渦輪這些熱氣體膨脹，渦輪轉子驅動壓縮器的轉子。引擎在渦輪入口處的引擎氣體的溫度下運行，尋求它盡可能地高，這是因為此溫度調節(jié)渦輪機的性能。為了此目的，把熱部分的材料選擇為經受住這些操作狀況，并且為諸如渦輪噴嘴或旋轉渦輪葉片之類的 受熱氣體掠掃的組件的壁提供冷卻裝置。此外，由于由基于鎳或基于鈷的超合金制成的這些葉片的金屬結構的原因，還有必要保護它們以防止由引擎氣體的成分在這些溫度下發(fā)生的侵蝕和腐蝕。使得這些部件能夠承受住這些極端狀況而設計的保護措施之中，是在它們的外面上沉積稱為熱障的涂層。熱障通常包括白微米左右的陶瓷層，其沉積在金屬層的表面處。放置在陶瓷和金屬基底之間的幾十微米的鋁子層通過在這兩個組件之間提供連接完成了熱障，并且還保護下面的金屬免于氧化。通過金屬互擴展，通常通過汽相鋁化工藝(對于由本申請人使用的此版工藝而言被稱為APVS)沉積的此鋁子層被固定到基底，并且在該表面形成保護氧化層。在本申請人的專利申請FR2928664中描述了此技術的實現方式的示例。至于由陶瓷制成的實際熱障，它可以采用若干方式來制作，這取決于將由其制成的用途。對于熱障而言粗略地有兩種類型結構柱狀屏障，其結構是一個挨一個地并置的柱子的結構并且其垂直于基底表面延伸；以及疊層或勻質屏障，其在基底的表面上的均勻的層上延伸。前面的通常通過被稱為EBPVD (electron beam physical vapor deposition,電子束物理氣相沉積)的工藝來制作，采用該工藝，在高真空下通過由帶電鎢絲發(fā)射的電子束沖擊目標陽極。電子束使來自目標的分子變?yōu)闅庀?。這些分子于是采用固體形式沉淀，用薄的陽極材料層覆蓋要保護的部件。這些熱障的特征為對熱循環(huán)的良好抵抗性，也有相對高的熱導性。勻質屏障通常使用APS (大氣等離子體噴涂)類型的熱噴涂工藝或者通過溶膠-凝膠工藝，由等離子體沉積而成。溶膠-凝膠工藝使之成為可能，經由溶液中的分子前體的簡單聚合，在接近周圍溫度的溫度下，在不經過熔化步驟的情況下獲得玻璃質物質。對于大量的金屬而言存在這些前體并且對于大多數在標準溶劑中是可溶的。在以溶膠為名指示的此液體相中，化學反應有助于三維無機網絡的形成，已知以凝膠為名，在其中保留由溶劑。從凝膠獲得該物質的工藝經過干燥步驟，該步驟在于把溶劑從聚合體網絡抽出。這樣的屏障的優(yōu)點為它展示的多孔性。
因此勻質屏障的特性為低熱導性，其是期望目的，但是它們對于熱循環(huán)沒有足夠的抵抗性。通過溶膠-凝膠工藝獲得的屏障它們本身具有一般的抗腐蝕性。最后，多裂開的熱障是已知的，它們通過等離子體，使用本申請人在若干專利(EPI 645 654和EP I 471 162)中描述的工藝來獲得，其在服務期和腐蝕期之間展示出可接受的折中。然而所有這些屏障不是足夠高的性能的，并且有必要在這兩個域內進一步改進它們的性能。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是通過提出用于制作熱障的工藝來克服這些缺點，該熱障不包括現有技術缺點中的一些缺點，并且特別地它結合良好服務期地具有低傳導性。 為此目的，本發(fā)明的一個主題是用于把陶瓷層沉積到金屬基底上以便制作熱障的工藝，包括沉積所述采用柱狀結構的陶瓷，其特征在于所述沉積是通過沖擊有孔的網格實施的，定位成平行于基底的表面以便制作至少兩個陶瓷柱，這些陶瓷柱與彼此分離開一間隔。因此制作的柱子足夠確保該屏障的機械強度及其抗腐蝕性，并且此外在它們之間留有空間以便用最適當的材料填充后者。本發(fā)明因此為熱障的組成創(chuàng)建了大的柔性。有利地，孔的寬度處于10微米和300微米之間。優(yōu)選地，孔之間的間隔處于10微米和100微米之間。在一個特定實施例中，該過程還包括在所述間隔內沉積勻質陶瓷層。在間隔內沉積勻質結構保證了屏障防止來自基底方向的氣流的氣體的氧化的入侵。有利地，第二沉積通過用于把配備有其柱體的基底浸涂到溶膠-凝膠型溶液中。因此獲得了具有勻質結構的陶瓷，其具有高的多孔性并且因此具有低熱導性。優(yōu)選地，勻質沉積通過以下序列實施在所述溶膠-凝膠溶液中浸涂和撤回操作以及在兩次浸涂和撤回操作之間實施的干燥操作，直到獲得了基本等于柱體的高度的厚度。在此配置中，柱體確保了良好的機械強度和勻質層的保護這二者。有利地，該過程還包括最后的熱處理步驟。本發(fā)明還涉及在金屬基底上沉積的熱障，其特征在于它包括陶瓷柱，所述陶瓷柱垂直于所述基底的表面沿著并且彼此分離開一間隔，所述間隔被填充有勻質陶瓷層。有利地，柱體具有10微米和300微米之間的最大寬度。優(yōu)選地，間隔具有10微米和100微米之間的寬度。在一個特定實施例中，勻質層由多孔陶瓷制成。本發(fā)明最終涉及用于渦輪機的渦輪葉片，其包括如上面所描述的熱障，以及涉及包括至少一個這樣的葉片的渦輪機。


參考所附示意圖，在跟隨借助純說明性和非限制性示例給出的本發(fā)明的實施例的詳細解釋說明的過程，將較佳地理解本發(fā)明，以及其其他目的、細節(jié)、特征及優(yōu)點將變得更清楚地顯而易見。在這些附圖中圖I是用于渦輪葉片的熱障的物理組成的示意圖；圖2是在實施依據本發(fā)明的一個實施例的工藝的第一步之后熱障的示意剖視圖；圖3表示了用于實施依據本發(fā)明的一個實施例的工藝的第二步的四個階段；圖4是在依據本發(fā)明的工藝結尾時熱障的示意剖視圖。
具體實施例方式參考圖1，橫截面中看出的是沉積在渦輪葉片表面上的熱障的組成，后者基于由朝向該圖的左側指向的箭頭表示熱氣流。構成葉片的金屬(典型地是基于鎳或鈷的超合金)形成了基底1，沉積在其上的是由鋁2制成的子層，該子層夾置在基底I和陶瓷層3之間。鋁子層的角色是保持陶瓷層以及向該裝配提供一定的彈性以便使得它能夠吸收擴張差，該擴張差由兩個相反方向的箭頭表示，該擴張差存在于高擴張基底I和低擴張?zhí)沾?之間。這里所表示的陶瓷3屬于柱狀結構，該柱狀結構允許橫向位移，這是由于各柱子之間出現了裂縫的原因，并且該柱狀結構給它以良好的服務期。于是使鋁與由在渦輪機的氣流中循環(huán)的氣體載送的氧氣接觸，這導致了該屏障的平均熱導性及對其的漸進損壞。現在參考圖2，看出了在實現依據本發(fā)明的工藝的第一步之后熱障的制作的進展。要覆蓋的基底I頂部上放置的是由均勻間隔開的孔11形成的網格10，以便讓通過EBPVD工藝或者使得能夠制作柱狀沉積的任何其他工藝(諸如像在非常低的壓力下的APS工藝，由公司Sulzer實施以及已知名字為LPPS-TF)實施的氣相沉積通過。該網格形成了掩膜，其使得采用彼此間隔開的柱子的形式或者柱子組5的形式能夠實現陶瓷的沉積。一方面，其間隔足夠大以使得可以實施足夠的柱間沉積，以及另一方面，足夠接近以保證熱障整體的機械強度。典型地，柱子或柱子組5具有10微米和300微米之間的厚度以及它們之間的間隔6在一微米和幾十微米之間變化。在此第一步結尾，在此情形下用基底I和子層2來表示屏障，該基底I和子層2被由陶瓷制成的柱體5裝配圍繞。傳統上這些柱體具有朝向頂部更寬的形狀，并且該形狀從沉積的顆粒的不斷聚集得到。這些柱體之間是空的空間，這些空間在依據本發(fā)明的工藝的第二步期間將被填充。圖3采用參考標記為3a至3d的四個示圖示出了此第二步的實施。每個示圖對應于以下階段中的一個階段I-階段3a :配備有其陶瓷柱5的基底浸涂在特別基于釔氧化鋯(yttriatedzirconia)的前體的溶膠-凝膠型的溶液20中,其用在用于制作勻質熱障的工藝中。該溶液的粘性是使得它是充分流動的以便能夠插入到柱子5之間的間隔6中并且完全填充它們，以及它足夠粘以使得在其撤回期間它依然粘到該組件。2-階段3b :要覆蓋的組件浸沒在溶液20中足夠長以便柱體5之間的間隔6被正確地填充。3-階段3c :該組件于是以受控速度從溶液20撤出以使得可以在熱障的表面均勻且具有良好粘性地形成期望厚度的膜。
4-階段3d :對它進行干燥以使得保留的、陷于柱子5之間的溶液20凝固。在干燥和去除溶劑之后，獲得了保留嵌入于柱體之間的薄陶瓷層。由于在第四階段期間沉積的陶瓷厚度非常小，所以有必要若干次地實施已知為浸涂的操作，也就是說在對在3d中形成的每一層的干燥之后重復四步操作。圖4給出了在來自圖3的四步操作之后獲得的結果?；譏及其子層2覆蓋上熱障3，該熱障3由均勻間隔的柱體5構成，在柱體5之間采用勻質形式7沉積了陶瓷。勻質層具有許多嵌入的空氣泡，這使它具有高多孔性，并且還使熱障對熱傳導具有良好的抵抗性?，F在將描述制作依據本發(fā)明的熱障的工藝的過程。首先用鋁或者任何其他能夠構成熱障子層的金屬制成的子層覆蓋構成要保護的葉片的材料的基底。把它放置在用于陶瓷層的沉積的設備中，例如通過電子束物理氣相沉積，通過在要保護的組件的頂部上，在使得能夠形成陶瓷柱或者陶瓷柱組的距離處，定位被 沖擊有孔11的網格10。通過孔11發(fā)生沉積，并且通過垂直地生成至所述基底，在基底I上沉積陶瓷。由于由網格10的固體部分生成的掩膜的原因，沉積沿著離散地分布在基底I表面上的柱子5發(fā)生；在這些柱子5之間保留空的間隔6，所述間隔6在該工藝的下一步期間將被填充。然后把要保護的組件從柱狀沉積設備撤出并轉移到第二片設備以供多孔部分的沉積。該工藝的第二步構成了在溶膠-凝膠型的溶液中浸涂操作的后續(xù)，包括前面描述的四個階段。在這些操作的每一個操作期間，間隔6用薄的多孔陶瓷層填充，該薄的多孔陶瓷層聚集，浸涂之后浸涂直到形成了完全填充了間隔6的層7為止。通過傳統的熱處理來完成熱障的制作，在該傳統的熱處理期間對該陶瓷進行穩(wěn)定化并且獲取期望的晶結構。最終，獲得了混合熱障，混合熱障一方面包括一系列柱體5，以及另一方面的高度的多孔勻質層，所述柱體5確保了良好的機械強度和具有對掠掃在該組件上的氣體的良好抗腐蝕性，所述多孔勻質層確保了在基底的方向上對熱傳導的良好抵抗性。這保護了基底I和子層2免受來自引擎中循環(huán)的氣流的氣體的氧化。此外，柱體的存在使得熱障能夠在其擴展期間，在基底的表面上縱向地展開，而不出現裂縫的危險，裂縫會使得來自氣體的氧氣能夠達到基底的金屬并且使其損壞。因此達到了具有熱障的目的，該熱障組合了低熱導性、良好的抗腐蝕性以及對熱機械壓力的良好適配。使用EBPVD工藝描述了熱障的制作的第一步，但是它可以只用其他已知沉積工藝來實施，諸如熱噴涂，在此步驟期間由網格形成的掩膜的存在足夠產生期望的柱狀結構。
權利要求
1.一種用于把陶瓷層沉積到金屬基底(I)上以便制作熱障的工藝，包括在柱狀結構中沉積陶瓷的步驟，所述沉積是通過沖擊有孔(11)的網格(10)發(fā)生的，定位成平行于所述基底(I)的表面以便制作至少兩個陶瓷柱(5)，這些陶瓷柱(5)彼此分離開一間隔(6); 其特征在于，它還包括在所述間隔(6)中沉積勻質陶瓷層(7)的后續(xù)步驟。
2.如權利要求I所述的工藝，其中所述孔(11)的寬度在10微米和300微米之間。
3.如權利要求I或2任一所述的工藝，其中所述孔(11)之間的間隔在10微米和100微米之間。
4.如權利要求I至3之一所述的工藝，其中所述第二沉積通過用于把配備有其柱子(5)的基底(I)浸涂到溶膠-凝膠型溶液(20)中的操作來實施。
5.如權利要求4所述的工藝，其中，勻質沉積通過以下序列實施在所述溶膠-凝膠溶液中浸涂和撤回操作以及在兩次浸涂和撤回操作之間實施的干燥操作，直到獲得了基本等于柱體(5)的高度的厚度。
6.如權利要求I至5之一所述的工藝，附加地包括最后的熱處理步驟。
7.一種沉積在金屬基底上的熱障，其特征在于它包括陶瓷柱(5)，所述陶瓷柱(5)垂直于所述基底的表面延伸并且彼此分離開一間隔(6)，所述間隔(6)被填充有勻質陶瓷層(7)。
8.如權利要求7所述的熱障，其中所述柱體(5)具有10微米和300微米之間的最大寬度。
9.如權利要求7或8中任一所述的熱障，其中所述間隔(6)具有10微米和100微米之間的覽度。
10.如權利要求7至9之一所述的熱障，其中所述勻質層(7)由多孔陶瓷制成。
11.一種用于渦輪機的渦輪葉片，包括如權利要求7至10之一所述的熱障。
12.一種渦輪機，其包括如前面權利要求所述的至少一種葉片。
全文摘要
用于把陶瓷層沉積到金屬基底(1)上以便制作熱障的工藝，該工藝包括在柱狀結構中沉積陶瓷的步驟，所述沉積是通過沖擊有孔(11)的網格(10)發(fā)生的，定位成平行于所述基底(1)的表面以便制作至少兩個陶瓷柱(5)，這些陶瓷柱(5)彼此分離開一間隔(6)；優(yōu)選地，它還包括在所述間隔(6)中沉積勻質陶瓷層(7)的后續(xù)步驟。
文檔編號C23C30/00GK102971446SQ201180032767
公開日2013年3月13日 申請日期2011年7月5日 優(yōu)先權日2010年7月6日
發(fā)明者賈斯廷·曼紐伊, 莎拉·哈瑪迪, 朱麗特·于戈, 安德魯·休伯特·路易斯·馬利, 法布里斯·克里博斯 申請人:斯奈克瑪