用于具有超低導(dǎo)熱率和磨損性的高溫tbc的架構(gòu)及制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種用于制作熱障涂層的方法。所述熱障涂層通過細(xì)粉的反向共沉淀而以細(xì)粒大小生成。然后所述粉末通過溶液等離子體噴涂來噴涂，所述溶液等離子體噴涂部分地熔化所述細(xì)粉，同時產(chǎn)生細(xì)粒大小并帶致密垂直裂紋。所述涂料包含以下各項中的至少一種：45％至65％Yb2O3、余量Zr，Yb／Y／Hf／Ta、余量Zr，以及2.3％至7.8％La、1.4％至5.1％Y和余量Zr，并且其特征在于比包含YSZ的熱障涂層的導(dǎo)熱率低約25％至50％的導(dǎo)熱率。所述熱障涂層的特征還在于出色的抗腐蝕性、斷裂韌度和抗磨損性中的至少一種。
【專利說明】用于具有超低導(dǎo)熱率和磨損性的高溫TBC的架構(gòu)及制造方 法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及具有超低傳導(dǎo)率的熱障涂層，并且更具體地說，涉及熱障涂層和用于 制造具有超低傳導(dǎo)率和出色的磨損性的熱障涂層的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 熱障涂層（TBC)用于保護(hù)底層基礎(chǔ)材料免受高溫環(huán)境下高溫操作的熱降解影響。 此類環(huán)境包括渦輪機(jī)械的熱段。隨著時間的流逝，已經(jīng)對熱障涂層做出改進(jìn)以賦予熱障系 統(tǒng)另外的特性，以使得它們在渦輪機(jī)環(huán)境中更具可存性。
[0003] 氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯（YSZ)是用于熱障應(yīng)用的最廣泛使用的涂層系統(tǒng)之一。在 燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中，燃燒熱氣體在TBC上移動引起TBC材料的腐蝕，同時在顆粒撞擊TBC 時，將顆粒吸入到發(fā)動機(jī)中會造成外來物損傷（F0D)。為提高TBC如YSZ的性能，開發(fā)出具 有提高的抗腐蝕性和應(yīng)變?nèi)岫榷挥绊慣BC熱性能的致密垂直裂紋（Dense Vertically Cracked，DVC)TBC。在已經(jīng)認(rèn)定如因葉片摩擦所致的磨損性是問題的地方，其他改進(jìn)依賴于 圖案化的受控孔隙度來賦予足夠的磨損性，同時維持抗腐蝕性和低熱導(dǎo)率兩者。
[0004] 在高溫操作中，YSZ可能不穩(wěn)定，從而顯著降低熱障涂層的抗腐蝕性和抗磨損性。 為克服高溫操作的問題，需要用于在高溫下使用的低導(dǎo)熱率材料，該材料同時提供進(jìn)一步 下降的導(dǎo)熱率和提高的磨損性。理想地，此類熱障涂層材料會克服可引起有關(guān)F0D問題的 由脆性帶來的問題。
[0005] 所需的是尤其是在沉積為可磨損涂層時具有應(yīng)變耐受性和裂紋萌生和裂紋擴(kuò) 大/擴(kuò)展抗性的適合在高溫下使用的熱障涂層。這種結(jié)構(gòu)的各種問題阻礙它的發(fā)展。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 闡述一種用于制作具有磨損性、裂紋擴(kuò)展抗性和強(qiáng)度的良好組合的熱障涂層的方 法。用于制作這種熱障涂層的方法包括：首先形成用于所述熱障涂層的顆粒。所述顆粒使 用反向共沉淀方法來制造。在制作和分類所述顆粒之后，使用等離子體噴涂方法將所述顆 粒噴涂到基底上。
[0007] 使用反向共沉淀方法制作顆粒首先要求用于反應(yīng)環(huán)境的恒定的強(qiáng)堿性的反應(yīng)溶 液。反向共沉淀提供對反應(yīng)的更好控制，同時配制多陽離子系統(tǒng)。強(qiáng)堿性的反應(yīng)環(huán)境允許 發(fā)生反向共沉淀。通過控制水解復(fù)合過程，沉淀出用于熱障涂層的顆粒。這種反應(yīng)環(huán)境提 供對沉淀的熱障涂層顆粒的形態(tài)、大小、結(jié)晶相和化學(xué)組成的更好控制。
[0008] 在顆粒沉淀出之后，通過過濾使顆粒與溶液分離。用去離子水洗滌過濾出的顆粒 至少三次。在洗滌之后，在高溫下，在空氣中煅燒顆粒以去除任何揮發(fā)部分。然后球磨所述 煅燒顆粒以產(chǎn)生粉末。
[0009] 為克服高溫操作的問題，由這種方法形成的熱障涂層是超低導(dǎo)熱率材料。由這種 方法產(chǎn)生的這些熱障涂層材料是在高溫下完全穩(wěn)定的相，同時提供降低的導(dǎo)熱率和提高的 磨損性?；赮b-Zr氧化物與45%至65% Yb203、La-Y(7%至8%氧化鋯）和燒綠石的組合 的組合物（如La-Yb-Zr氧化物）提供更有希望的低導(dǎo)熱率水平。
[0010] 通過以下對優(yōu)選實施例的更為詳細(xì)的描述并結(jié)合附圖將清楚地了解本發(fā)明的其 他特征和優(yōu)點，附圖以實例的方式說明本發(fā)明的原理。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011] 圖1描繪本發(fā)明的優(yōu)選熱噴涂應(yīng)用方法。
[0012] 圖2對比用于將涂料涂布至基底的各種噴涂方法。
[0013] 圖3描繪涂布至基底的本發(fā)明的實施例，所述實施例描繪包括本發(fā)明的多孔TBC 和內(nèi)致密垂直裂紋（DVC)的呈可磨損凸起形式的外層。

【具體實施方式】
[0014] 本發(fā)明闡述一種用于制作具有超低導(dǎo)熱率的熱障涂層的方法和一種用于熱障涂 層的組合物。所涂布的熱障涂層的特征進(jìn)一步在于克服因配合外殼上的葉片摩擦所致的材 料損失的抗磨損性。熱障涂層的特征還在于應(yīng)變?nèi)岫群涂垢g性兩者。應(yīng)變?nèi)岫瓤朔﨔0D 所致的涂層損失，這可能萌發(fā)裂紋，從而導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展。處于大量燃燒熱氣體的路徑中的組 分和在點燃燃料以用于產(chǎn)生燃燒熱氣體中使用的空氣中可能存在的任何顆粒導(dǎo)致腐蝕。
[0015] 雖然在過去將氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯（YSZ)用作熱障涂層。但是，在先進(jìn)渦輪機(jī)系 統(tǒng)的高溫操作下，主要包含YSZ的TBC被去穩(wěn)定，從而導(dǎo)致腐蝕和磨損特性的劣化。雖然 YSZ被用作TBC材料，但是它在高達(dá)約2200° F的溫度下可穩(wěn)定達(dá)約24, 000小時。由于燃 燒氣體的溫度可能超過2200° F，所以YSZ的穩(wěn)定性和預(yù)期壽命會迅速減小。這還導(dǎo)致對 基底的熱保護(hù)劣化，因溫度受限的熱障涂層劣化并由于腐蝕和磨損而過早損失。
[0016] 本發(fā)明利用包括稀土材料或稀土氧化物材料的熱障涂層。如本說明書中所使用， 稀土材料包括鑭。稀土材料和稀土氧化物材料在作為細(xì)粒材料被涂布時提供致密垂直裂 紋，并且出于細(xì)粒材料作為熱障涂層材料的預(yù)期目的，與現(xiàn)有技術(shù)熱障材料相比具有優(yōu)異 的（即，更低）導(dǎo)熱率。在這個最廣泛的實施例中，熱障涂層被涂布為一個層并且包含選自 由以下各項組成的組的至少一種材料：45%至65%Yb 203、余量Zr，Yb / Y / Hf / Ta、余量 Zr，以及2. 3%至7. 8% La、1. 4%至5. 1 % Y和余量Zr。熱障涂層材料產(chǎn)生為在亞微米大小 達(dá)約10 μ m的范圍中的細(xì)粉。細(xì)粉與載流流體混合并且使用溶液等離子體噴涂方法被涂布 至基底。溶液等離子體噴涂方法的至少一個優(yōu)點在于：溶液中的細(xì)粉作為混合物不太傾向 于堵塞等離子體噴涂噴嘴。
[0017] 更具體地說，本發(fā)明利用由Yb203或Yb / Y / Hf / Ta / Zr組成的涂料。表1中 闡述優(yōu)選組合物的組成、平均抗拉強(qiáng)度和抗腐蝕性。如表1中所指示，由ID1249、1250、1251 和1256識別并且稱為組1的一些涂料的特征在于：約3000至4000psi的平均抗拉強(qiáng)度，同 時具有弱的抗腐蝕性。但是這些涂料與基線YSZ的導(dǎo)熱率（K)相比還具有非常低的導(dǎo)熱率。 由ID1249、1250和1251識別的涂料每一個所具有的導(dǎo)熱率（K)比基線YSZ的導(dǎo)熱率低約 30%。涂料1256具有的導(dǎo)熱率（K)比YSZ的導(dǎo)熱率低約50%。如本說明書中所使用，可交 換使用的非常低的導(dǎo)熱率或超低導(dǎo)熱率是指比基線YSZ的導(dǎo)熱率低至少30%至50%的導(dǎo) 熱率（K)。表1中列出并且識別為組2的剩余八種涂料具有優(yōu)異的、約6500至7100psi的 抗拉強(qiáng)度，但與表1中列出的組1的四種涂料相比具有降低的抗腐蝕性。一般來說，組2的 這八種涂料具有出色抗拉強(qiáng)度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于組1涂料的抗拉強(qiáng)度。組2涂料也具有低導(dǎo)熱率 (K)并且與YSZ的導(dǎo)熱率相當(dāng)，盡管次于組1涂料的導(dǎo)熱率（K)。組2涂料所具有的抗腐蝕 性優(yōu)于組1涂料的抗腐蝕性。表1中的涂層材料通?？煞殖蓛山M：特征在于超低傳導(dǎo)率、出 色抗腐蝕性以及低抗拉強(qiáng)度的組1和具有低導(dǎo)熱率、良好抗腐蝕性和較高抗拉強(qiáng)度的組2。 表1中列出的所有涂料在高于2200° F、直至高于2400° F的溫度下只有可存性、在性能 或預(yù)期壽命方面沒有劣化。所述涂料的抗腐蝕性根據(jù)ASTM G76來測量。使用240目氧化 鋁作為腐蝕劑。在90秒至120秒的時間段期間，600克鋁進(jìn)料以20°的固定角、通過2. 4mm 內(nèi)徑的噴嘴來進(jìn)給。在涂層上測量的每密耳疤痕深度的時間（秒/密耳）提供表1中闡述 的腐蝕值。
[0018] 100%致密YSZ展示出約1316VHN的平均硬度。相比之下，密度為97%的在表1 中識別為1256的涂料所具有的平均硬度是1016VHN。表1的組1中的涂料展示出類似的 硬度。YSZ的斷裂韌度是約?1. AMPam1 /2,而在表1中識別為1256的涂料的斷裂韌度是約 1. SMPam1 z2。表1的組1中的涂料展示出類似的斷裂韌度。因此，表1的組1中的涂料的 硬度和斷裂韌度與YSZ相當(dāng)。與表1的組1中的涂料或YSZ相比，具有類似斷裂韌度和硬 度的表 1 的組 2 中的涂料，即識別為 1252、1252-B、1253、1253-B、1254、1254-B、1255、1255-B 的涂料具有更高的斷裂韌度和更高的硬度，正如可以從表1中所報告的更高平均抗拉強(qiáng)度 所預(yù)期。
[0019] 表1中列出的涂料所具有的導(dǎo)熱率比眾所周知且廣泛使用的TBC、YSZ的導(dǎo)熱率 〇〇低25%至50%。丫52所具有的1^=2.21/1111((這形成基線），而在表1中識別為1256 的涂料與YSZ相比具有低約50%的k值，識別為1251的涂料與YSZ相比具有低約30%的 k值。優(yōu)異的抗腐蝕性材料是所具有的導(dǎo)熱率與基線YSZ的導(dǎo)熱率相等的組2中的t材 料。提供較低導(dǎo)熱率和提高的抗腐蝕性的TBC允許燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中的關(guān)鍵熱氣部件在更 長的時間段內(nèi)和更高的點火溫度下操作，從而允許渦輪機(jī)以顯著更高的總效率操作。
[0020] 設(shè)計制造成具有低30%的導(dǎo)熱率的TBC的冷卻益處使總循環(huán)效率（包括熱段渦輪 機(jī)部件，如動葉、噴嘴等）提高至少0. 1%。導(dǎo)熱率（k)上的這30%的下降相當(dāng)于聯(lián)合循環(huán) 的約0. 1 %的效率提高，而導(dǎo)熱率上的50%的下降提供約0. 2%的效率提高。
[0021] 換句話說，當(dāng)將本發(fā)明的涂料涂布至渦輪機(jī)部件（包括但不限于動葉和噴嘴）時， 在不改變點火溫度的情況下，較低導(dǎo)熱率的涂料可以使發(fā)動機(jī)最熱區(qū)域中的部件基本金屬 的基本金屬溫度降低至少25° F，同時使熱段部件的預(yù)期壽命延長多達(dá)約50%。如將解釋， 本發(fā)明的涂料可以結(jié)合來提供以下一種TBC涂料，與眾所周知的YSZ涂料相比，所述TBC涂 料在高于2200° F、并且優(yōu)選處于或高于2400° F的溫度下產(chǎn)生低30%至50%的導(dǎo)熱率。
[0022] 本發(fā)明利用下述涂料，其含Yb203、Yb / Y / Hf / Ta / Zr或包含La和Y的YSZ。 雖然所有組合物都適于在高溫操作下使用，但識別為1249、1250、1251和1256的組1TBC是 優(yōu)選的，因為它們的提供所需預(yù)期壽命的優(yōu)異抗腐蝕性。然而，更柔軟的表述為C的這些 涂料組合物具有較弱的抗拉強(qiáng)度，從而使它們不太適合用于要求高抗拉強(qiáng)度的應(yīng)用（如用 力擦入）中。特征在于立方結(jié)構(gòu)的組2涂料組合物適合在高溫操作下使用，并且對于要求 高強(qiáng)度和斷裂韌度的應(yīng)用（如用力擦入）來說是優(yōu)選的。然而，這些涂料具有較弱的抗腐 蝕性，從而使它們因腐蝕而不太適合在熱氣流道中使用。
[0023] 表 1
[0024]

【權(quán)利要求】
1. 一種用于制作熱障涂層的方法，所述方法包括： 提供強(qiáng)堿性的反應(yīng)環(huán)境； 控制水解復(fù)合過程以通過反向共沉淀來沉淀出熱障顆粒，同時控制所述顆粒的形態(tài)、 大小、結(jié)晶相和化學(xué)組成； 過濾所述熱障沉淀顆粒； 洗滌所述顆粒；然后 煅燒所述顆粒； 將所述沉淀顆粒球磨成粉末； 分選并篩分所述顆粒；然后 將具有預(yù)選大小的顆粒噴涂到基底上以形成所述熱障涂層，其中所述熱障涂層的特征 在于：熱氣流道中的抗腐蝕性和磨損性中的至少一種、和低導(dǎo)熱率。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述提供堿反應(yīng)環(huán)境的步驟包括提供所具有的pH是 10至13的環(huán)境。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述提供強(qiáng)堿性的反應(yīng)環(huán)境的步驟包括提供濃度為 1M的氫氧化銨溶液。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，所述方法進(jìn)一步包括以下步驟： 選擇包括至少一種稀土或稀土氧化物的熱障涂層粉末； 將所述粉末溶解在硝酸和蒸餾水的溶液中；以及 將所述粉末溶液與所述堿反應(yīng)環(huán)境混合在一起。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述控制所述水解復(fù)合過程以通過反向共沉淀來沉 淀出熱障顆粒的步驟進(jìn)一步包括：以足以使以下陽離子Zr 4+、Y3+、Yb3+和/或La3+共沉淀的 速率將所述粉末溶液添加至所述氫氧化銨溶液。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述分選并篩分所述顆粒的步驟包括：分選并篩分 顆粒以提供范圍是〇. 5至5 μ m的大小分布，以及與載液混合形成混合物。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述載液選自由有機(jī)溶劑和水組成的組。
8. 如權(quán)利要求6所述的方法，其中將所述混合物噴涂到所述基底上的步驟進(jìn)一步包 括：充分加熱所述混合物以至少部分地熔化所述顆粒，同時蒸發(fā)所述載液。
9. 一種熱障涂層系統(tǒng)，所述熱障涂層系統(tǒng)包括： 渦輪機(jī)部件基底； 涂布在所述渦輪機(jī)部件上的熱障涂層，其中所述熱障涂層包含至少一種稀土元素或稀 土氧化物，所述熱障涂層與YSZ相比具有低約25%至50%的導(dǎo)熱率，并且在斷裂韌度性能 方面沒有劣化。
10. 如權(quán)利要求9所述的熱障涂層系統(tǒng)，其中所述熱障涂層包含選自由Yb203、Yb和La 組成的組的至少一種稀土或稀土氧化物。
11. 如權(quán)利要求9所述的熱障涂層系統(tǒng)，其中所述渦輪機(jī)部件基底進(jìn)一步包括涂布至 所述基底的粘合涂層。
12. 如權(quán)利要求11所述的熱障涂層系統(tǒng)，其中所述熱障涂層系統(tǒng)進(jìn)一步包括多個層， 外層與覆蓋所述粘合涂層的層相比具有更高抗磨損性。
13. 如權(quán)利要求11所述的熱障涂層系統(tǒng)，其中所述熱障涂層系統(tǒng)進(jìn)一步包括多個層， 覆蓋所述粘合涂層的層與外層相比只有更高抗腐蝕性。
14. 如權(quán)利要求11所述的熱障涂層系統(tǒng)，其中所述熱障涂層系統(tǒng)進(jìn)一步包括：與所述 粘合涂層相鄰的包含YSZ的內(nèi)層和涂布在所述YSZ內(nèi)層上的所述熱障涂層，其中覆蓋所述 YSZ內(nèi)層的所述熱障層包含至少一種稀土元素或稀土氧化物并且與YSZ相比具有低25%至 50%的導(dǎo)熱率。
15. 如權(quán)利要求14所述的熱障涂層系統(tǒng)，其中所述熱障涂層系統(tǒng)進(jìn)一步包括：涂布在 所述YSZ內(nèi)層上的多個熱障涂層，其中覆蓋在所述內(nèi)層上的所述熱障涂層每一個與YSZ相 比具有低25%至50%的導(dǎo)熱率，并且其中所述外層與底層相比具有更高抗磨損性。
16. 如權(quán)利要求14所述的熱障涂層系統(tǒng)，其中所述熱障涂層系統(tǒng)進(jìn)一步包括：涂布在 所述YSZ內(nèi)層上的多個熱障涂層，其中覆蓋所述內(nèi)層的所述熱障涂層中的至少一個與YSZ 相比具有低25%至50%的導(dǎo)熱率，并且其中位于所述YSZ內(nèi)層與最外層之間的至少一個層 與YSZ或所述最外層相比具有更高抗腐蝕性。
17. 如權(quán)利要求14所述的熱障涂層系統(tǒng)，其中所述熱障涂層系統(tǒng)進(jìn)一步包括：涂布在 所述YSZ內(nèi)層上的多個熱障涂層，其中覆蓋所述內(nèi)層的所述熱障涂層每一個與YSZ相比具 有低25%至50%的導(dǎo)熱率，并且其中所述外層與底層相比具有更高抗磨損性。
18. 如權(quán)利要求9所述的熱障涂層材料，其中所述熱障涂層的特征在于：范圍是0. 5至 5 μ m的細(xì)粒大小和用于減輕應(yīng)力的沿著垂直晶粒邊界的致密垂直裂紋，并且其中所述熱障 涂層包含選自由以下各項組成的組的至少一種材料：45%至65%Yb 203、余量Zr，Yb / Y / Hf / Ta、余量 Zr，以及 2. 3%至 7. 8% La、l. 4%至 5. 1% Y 和余量 Zr。
19. 如權(quán)利要求9所述的熱障涂層材料，其中所述熱障涂層包含選自由以下各項組成 的組的材料的混合物：45%至65% Yb203、Yb / Y / Hf / Ta和2. 3%至L 8% La、L 4%至 5. 1% Y，所述混合物的余量為Zr，并且其中所選材料的重量百分比基于預(yù)定特性，其中所 述預(yù)定特性包括導(dǎo)熱率、抗腐蝕性、斷裂韌度以及抗磨損性中的至少一種。
20. 如權(quán)利要求19所述的熱障涂層系統(tǒng)，其中所述混合物進(jìn)一步包.括YSZ。
【文檔編號】C23C4/12GK104096846SQ201410142770
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年4月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月10日
【發(fā)明者】P.帕拉卡拉, S.S.帕布拉, J.L.馬戈利斯, J.A.魯?shù)? K.阿南德, J.C.謝菲爾 申請人:通用電氣公司