阻熱層系的製作方法
2023-09-19 19:42:30
專利名稱：阻熱層系的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種阻熱層系，它由基材和置於其上的層組成，本發明還涉及製備該阻熱層系的方法。
從EP 1029101 B1中已知一種阻熱層，其中該陶瓷外層具有材料組成La-Al-Gd-O或Sr-Ca-Zr-O。
US 5545484中描述了一種層系，其中通過纖維機械增強基材的強度。
該阻熱層基本上是一類功能層，例如應保護基材免受太大的熱載。該基材具有足夠大的機械強度。同樣該阻熱層也要經受熱應力或機械應力，並因為形成了裂紋，會通過剝落而失效。
因此本發明的目的在於提供一種阻熱層系和其製備方法，其中該層能更好地耐受熱應力和機械應力。
所述目的是通過權利要求1的阻熱層系達到的。其中在至少一層中引入第二相，以改進該層的機械特性。
在從屬權利要求2-19中列出該阻熱層系的更有利的改進，由此改進了機械強度(抗彎強度、耐壓強度、...)和斷裂韌性(K1C)。
該第二相可以以纖維或顆粒形式存在。作為纖維可採用通常的碳纖維或得自其它材料或須晶的纖維。
形成第二相的顆粒可具有與層的基質材料相同的元素或也可選自另外的材料系。
如果該顆粒是長形，即有大的長度對橫截面的比(大的縱橫比)，則該層或層的基質材料將通過裂紋偏轉和/或裂紋分岔而達到有利地增強。
作為待增強的層可選擇置於基材上的層的陶瓷層或金屬層。特別是阻熱層。
製備通過第二相增強的阻熱層系的目的是通過權利要求20、21和22的方法達到的。
該層的基質材料是通過已知的塗敷方法，如等離子體噴霧法、CVD(化學汽相澱積法)或PVD(物理汽相澱積法)塗敷，其中該第二相經單獨的源引入到層基質材料中。
實施例子在下列附圖中給出。
圖1示出渦輪機葉片，圖2示出阻熱層系，圖3示出本發明阻熱層系的層的微觀結構，圖4示出能實施本發明方法的塗敷裝置，圖5、6示出本發明的阻熱層的其它示例性實施例子。
在各圖中的同樣標記意義相同。
圖1以透視圖示出沿縱軸4延伸的輪葉1，。該輪葉1沿縱軸4依次包括固定區7、與其相鄰接的葉片平臺10以及葉片區13。
在固定區7中形成葉片基底16，用以將輪葉1固定在未示出的渦輪機的軸上(同樣未示出)。該葉片基底16例如是設計成錘頭形。也可為另外的構形。在通常的輪葉中其所有區段7、10、13、和16是採用實心金屬材料。這時該輪葉1可通過鑄造法、鍛造法、銑削法(Frsverfahren)或其組合來製造。
特別是在會經受如氣輪機的較高溫的葉片區段13中塗敷至少一層，特別是防氧化/防腐蝕層和阻熱層，以形成阻熱層的一部分。
圖2示出本發明的阻熱層系19。
該阻熱層系19具有例如基於鎳或基於鈷的高溫合金的基材22，其上例如塗有至少一層中間層25。
中間層25可由多層構成，例如用作擴散阻擋層、用作粘附層(MCrAlY，M＝Fe、Co、Ni)、防腐蝕層或用作固定層。
在基材22上或在該至少一層中間層25上例如塗以陶瓷阻熱層28。
該至少一層中間層25和阻熱層28經受機械負載。
圖3示出中間層25或阻熱層28的微觀結構。
本發明的層25、28由基質31和第二相34構成。該基質31由可具有各種形式(形態)的顆粒構成。如果基質31例如通過等離子噴霧製備，則該基質材料31的顆粒具有小片形狀。在等離子噴霧時，該第二相34可例如與基質材料31混合，並通過燃燒器噴嘴(圖4)一起塗敷。
第二相34可以是基質材料31的另外的相，但也可是纖維或須晶。
第二相34的目的是增強基質31的機械強度。這可用已知的增強機理通過纖維增強或顆粒增強來達到。特別是當第二相34呈長形時，特別提高基質31的機械強度。
作為適於阻熱層28的材料31可考慮在EP 1029101 B1中所公開的材料，即La1-xGdxAlO3系或Ca1-xSrxZrO23系。該EP 1029101 B1應特別地為本發明申請公開內容的部分。元素Gd和La可由其它鑭系元素取代。
作為增強用於基質材料31 Gd-La-Al-O的基質31的第二相34特別可應用組成為LaAl11O18(β-鋁酸鹽)的第二相34。
層25、28可通過各種塗敷方法，如等離子體噴霧法、CVD-法或PVD-法製備。
在等離子體噴霧時，可使第二相34與基質材料31混合，並通過燃燒器噴嘴塗敷到基材22或中間層25上。
但在某些第二相34的情況下會出現在等離子體噴霧的高溫下該第二相的相不穩定。同樣在CVD-法或PVD-法時也會有這種情況，即用這類方法僅能塗敷一種材料組合物，即基質31的材料組合物。在這種情況下，該第二相通過單獨的輔助噴嘴40(圖4)引入層25、28中。
圖4示出一種塗敷設備，採用此設備塗敷第二相和基質材料31。
藉助於主噴嘴37，如等離子體塗敷裝置的燃燒器噴嘴，或PVD-裝置的基材37將基質材料31塗敷到基材22或該至少一層中間層25上。
藉助於單獨的源，如輔助噴嘴40將第二相34混入到基質材料31的顆粒流中，以致形成含其體積含量小於50％的第二相的基質31。
圖5示出本發明的阻熱層系的一種層。層28至少是兩層形式，並由兩層非增強的層46和一層通過第二相增強的層43組成。該第一層46例如置於基材22上或層25上。然後接著是層43和作為外層的未增強的層46。裂紋生長不穿過或僅僅是困難地穿過層43，以致防止層28從基材22上脫落。
圖6示出本發明的阻熱層系的一種層。層28是兩層形式，並由非增強的層46和通過第二相增強的層43組成。該第一層46例如置於基材22上或層25上。然後接著是作為外層的層43，或反之亦然。裂紋生長不穿過或僅僅是困難地穿過層43，以致防止層28從基材22上脫落。
權利要求
1.阻熱層系，它由基材和至少一層置於其上的層構成，其特徵在於，該至少一層(25、28)通過在該層(25、28)的基質材料(31)中的第二相(34)的存在與僅由該基質材料構成的層相比改進了其至少一種機械特性。
2.權利要求1的阻熱層系，其特徵在於，該機械特性是機械強度。
3.權利要求1的阻熱層系，其特徵在於，該機械特性是斷裂韌性。
4.權利要求1的阻熱層系，其特徵在於，該第二相(34)是纖維。
5.權利要求1的阻熱層系，其特徵在於，該第二相(34)通過顆粒形成，以致使層(25、28)呈現顆粒增強。
6.權利要求5的阻熱層系，其特徵在於，該顆粒(34)呈長形。
7.權利要求1的阻熱層系，其特徵在於，該至少一層(25、28)是陶瓷層。
8.權利要求1或7的阻熱層系，其特徵在於，該層(25、28)是阻熱層(28)。
9.權利要求1或7的阻熱層系，其特徵在於，層(28)的基質材料的組成是La-Al-O系。
10.權利要求1或7的阻熱層系，其特徵在於，層(28)的基質材料(31)的組成是Gd-La-Al-O系。
11.權利要求1或7的阻熱層系，其特徵在於，層(28)的基質材料(31)的組成是Sr-Ca-Zr-O系。
12.權利要求1的阻熱層系，其特徵在於，該第二相(34)的組成是LaAl11O18。
13.權利要求1的阻熱層系，其特徵在於，層(25、28)是金屬層，特別是MCrAlY-層(25)。
14.權利要求9、10或12的阻熱層系，其特徵在於，在基質材料或第二相的材料中的鑭可用其它鑭系元素取代。
15.權利要求1的阻熱層系，其特徵在於，該阻熱層系(16)表示的是渦輪機葉片(1)。
16.權利要求1的阻熱層系，其特徵在於，該阻熱層至少是兩層的形式。
17.權利要求16的阻熱層系，其特徵在於，該阻熱層的外層部分具有第二相。
18.權利要求16的阻熱層系，其特徵在於，該阻熱層的內層部分具有第二相。
19.權利要求1的阻熱層系，其特徵在於，該第二相僅局部存在。
20.一種用於製備阻熱層系的方法，其中藉助於等離子體噴霧將層(25、28)的基質材料(31)塗敷於基材(22)或層(25)上，其中經輔助噴嘴(40)將第二相(34)的材料引入基質(31)中。
21.一種用於製備阻熱層系的方法，其中藉助於PVD-方法將層(25、28)的基質材料(31)塗敷於基材(22)或層(25)上，其中經輔助噴嘴(40)將第二相(34)的材料引入基質(31)中。
22.一種用於製備阻熱層系的方法，其中藉助於CVD-方法將層(25、28)的基質材料(31)塗敷於基材(22)或層(25)上，其中經輔助噴嘴(40)將第二相(34)的材料引入基質(31)中。
全文摘要
傳統的阻熱層系經受機械負載，特別是陶瓷層由於其脆性易於產生裂紋或剝落。本發明的阻熱層系(19)具有第二相(34)，其機械增強了層(25、28)的基質(31)的強度。
文檔編號C23C14/08GK1646720SQ03808058
公開日2005年7月27日 申請日期2003年3月31日 優先權日2002年4月10日
發明者U·巴斯特, P·格賴爾, F·米勒 申請人:西門子公司