通過等離子噴塗形成的物品的製作方法

2023-06-10 20:56:11 2

本發明涉及用於沉積保護塗層的加工。更具體地，本發明涉及用於形成熱障塗層系統的改善的粘合塗層的加工。

背景技術：

燃氣渦輪發動機內的操作環境是既熱不利又化學不利的。通過鐵、鎳和鈷基超級合金的配方，已實現高溫合金中的顯著進步，儘管由此種合金形成的構件若定位在燃氣渦輪發動機的某些區段(例如渦輪、燃燒器和增強器)中則通常不能耐受長期使用暴露。通常的解決方案是為渦輪、燃燒器和增強器提供抑制氧化和熱腐蝕的環境塗層，或將構件表面與其操作環境熱隔絕的熱障塗層(TBC)系統。TBC系統典型地包括陶瓷層(TBC)，該陶瓷層粘附至如下構件，該構件具有也抑制構件表面的氧化和熱腐蝕的金屬粘合塗層。

粘合塗層有益於在其中採用該粘合塗層的熱障塗層系統的使用壽命，並且因而也有益於由塗層系統保護的構件的使用壽命。在暴露於燃氣渦輪發動機內的氧化狀態期間，粘合塗層在升高的溫度下隨著時間自然地持續氧化，這逐漸地損耗來自粘合塗層的鋁並增加氧化物垢的厚度。最終，垢達到臨界厚度，該臨界厚度導致陶瓷層在粘合塗層與氧化物垢之間的界面處的散裂（spallation）。一旦散裂已發生，那麼構件將迅速地惡化，並且因而必須以相當大的成本重新裝備或廢棄。從上述看來，存在對通過粘合塗層中的改善來改善這種熱障塗層的抗散裂性的持續需求。

技術實現要素：

簡要地，在一個實施例中，公開了一種物品。該物品包括基底、沉積在該基底上方的覆蓋粘合塗層，和沉積在該粘合塗層上方的頂塗層。該物品的粘合塗層包括接近粘合塗層與頂塗層之間的界面的等離子影響區域，並且等離子影響區域包括伸長粒間相。

在一個實施例中，公開了一種物品。該物品包括基底、沉積在該基底上方的覆蓋粘合塗層，和沉積在該粘合塗層上方的頂塗層。物品的基底包括鎳。覆蓋粘合塗層形成於基底上方並且包括鎳-鋁合金。頂塗層沉積在粘合塗層上方。粘合塗層包括具有伸長粒間相的等離子影響區域，該伸長粒間相具有至少大約5微米的長度。

在一個實施例中，公開了一種方法。該方法包括通過使用如下等離子噴塗條件的等離子噴塗沉積在覆蓋粘合塗層上方形成頂塗層，該等離子噴塗條件足以形成在粘合塗層內接近與頂塗層的界面的等離子影響區域。

附圖說明

當參照附圖閱讀下列詳細描述時，本發明的這些和其他特徵、方面和優點將變得更好理解，其中：

圖1根據本發明的實施例示意地描繪了包括覆蓋粘合塗層的物品的2D截面圖；

圖2根據本發明的實施例示意地描繪了包括覆蓋粘合塗層的物品的3D截面圖；

圖3根據本發明的實施例例示出物品的截面的電子顯微視圖，該截面具有包括較少數量的伸長粒間相的粘合塗層；並且

圖4根據本發明的實施例例示出物品的截面的電子顯微視圖，該截面具有包括許多伸長粒間相的粘合塗層。

具體實施方式

本發明通常能夠應用於如下構件，此種構件在特徵在於相對高溫的環境內操作，並且因而經歷不利的氧化環境和嚴苛的熱應力和熱循環。這種構件的顯著實例包括燃氣渦輪發動機的高壓渦輪噴嘴和葉片、圍帶、燃燒器襯套和增強器硬體。雖然將參照燃氣渦輪發動機硬體描述本發明的優點，但是本發明的教導通常能夠應用於在其上可使用熱障塗層系統來保護構件不受其環境影響的任何構件。

在下列說明書和隨後的權利要求中，單數形式「一」、「一個」和「該」包括複數個指示物，除非上下文另外清楚地規定。

簡要地，在一個實施例中，公開了一種物品。該物品包括基底、沉積在基底上方的覆蓋粘合塗層，和沉積在粘合塗層上方的頂塗層。物品的粘合塗層包括接近粘合塗層與頂塗層之間的界面的等離子影響區域，並且等離子影響區域包括伸長粒間相。

作為環境塗層已經發現廣泛用途的塗層材料包括擴散鋁化物塗層和覆蓋塗層。擴散鋁化物塗層通常為通過擴散加工(例如包埋滲(pack cementation))形成的單層抗氧化層。擴散加工通常需要使構件的表面與包含鋁的氣體成分反應，以形成兩個截然不同的區域，它們的最外是由MAl代表的包含耐環境金屬間化合物的附加層，其中，取決於基底材料，M是鐵、鎳或鈷。在附加層下面的是包括各種金屬間和亞穩相的擴散區域，這些相在塗層反應期間由於基底局部區域中的元素可溶性的擴散梯度和變化而形成。在空氣中的高溫暴露期間，MAl金屬間化合物形成抑制擴散塗層和下面的基底的氧化的保護氧化鋁(礬土)垢或層。

作為TBC粘合塗層和環境塗層已發現廣泛用途的塗層材料包括覆蓋合金塗層。覆蓋合金塗層材料為包含各種金屬合金的那些材料，金屬合金諸如MCrAlX，其中，M是鐵、鈷、鎳或它們的合金，並且其中，X是鉿、鋯、釔、鉭、鉑、鈀、錸、矽或它們的組合。適當的覆蓋合金塗層材料還可包括MAlX合金(即，沒有鉻)，其中，M和X如前述那樣限定。

在沉積之後，通常通過清洗和磨料噴砂來移除表面汙染物，使粘合塗層表面變粗糙、並且促進陶瓷層的附著，從而使粘合塗層的表面準備用於陶瓷層的沉積。其後，在升高的溫度下在粘合塗層上形成保護性氧化垢，以進一步促進陶瓷層的附著。通常稱為熱生長氧化物(TGO)的氧化物垢首先因粘合塗層的鋁和/或MAl組織的氧化而生成，並且抑制粘合塗層和下面的基底的進一步氧化。氧化物垢還用於將陶瓷層化學地粘合至粘合塗層。

在本文中描述的實施例在用於金屬基底的保護塗層中是有用的，該金屬基底包括多種金屬和金屬合金(包括超級合金)，並且用於在高溫下操作或暴露於高溫(尤其是在正常發動機操作期間發生的較高溫度)的多種渦輪發動機(例如燃氣渦輪發動機)部分和構件。這些渦輪發動機部分和構件可包括：渦輪翼形件，例如葉片和靜葉、渦輪圍帶、渦輪噴嘴；燃燒器構件，例如襯套、偏導器和它們各自的罩（dome）組件；燃氣渦輪發動機的增強器硬體等。在用於渦輪葉片和靜葉（且尤其是這種葉片和靜葉的翼形件部分）的保護塗層中，該實施例是尤其有用的。然而，雖然本發明的改善的粘合塗層的實施例的下列描述將參照渦輪葉片和靜葉，並且尤其參照包括這些葉片和靜葉的它們各自的翼形件部分，但是還應當理解的是，本發明的改善的粘合塗層對於包括要求保護塗層的金屬基底的其他物品可能是有用的。

在本發明的一個實施例中，提出了一種物品。該物品包括基底、覆蓋粘合塗層和頂塗層。圖1根據本發明的實施例顯示了物品的2D截面示意圖。參照圖1，物品10包括用作基底的基體金屬12。基底12可包括多種金屬(或更典型地為金屬合金)中的任一種。例如，基底12可包括高溫、耐熱合金，例如超級合金。這種高溫合金在公開的文獻中充分地公開。例示性高溫鎳基合金通過商品名Inconel®, Nimonic®, René®(例如René®80、René® N5合金)，和Udimet®標明。

本發明的保護塗層對於鎳基超級合金是尤其有用的。如在本文中所使用的，「鎳基」指成分具有比任何其他元素多的存在的鎳。鎳基超級合金典型地為通過γ'相的析出而加強的成分。更典型地，鎳基合金具有如下成分：從大約4至大約20％的鈷、從大約1至大約10％的鉻、從大約5至7％的鋁、從0至大約2％的鉬、從大約3至大約8％的鎢、從大約4至大約12％的鉭、從0至大約2％的鈦、從0至大約8％的錸、從0至大約6％釕、從0至大約1％鈮、從0至大約0.1％的碳、從0至大約0.01％的硼、從0至大約0.1％的釔、從0至大約1.5％鉿、剩餘為鎳和附帶的雜質。

如圖1所示，鄰接並覆蓋基底12的是大體指示為粘合塗層14的保護塗層。鄰接粘合塗層14並在其上方的是頂塗層16。可通過形成粘合塗層的領域中技術人員公知的多種常規技術中的任一種使粘合塗層14應用、沉積、或以其他方式形成在基底12上。將覆蓋粘合塗層14沉積在基底12上的方法的非限制性實例包括通過物理蒸汽沉積(PVD)方法（例如電子束物理蒸汽沉積(EB-PVD)技術）、和熱噴塗技術、此種空氣等離子噴塗(APS)和真空等離子噴塗(VPS)技術。

還可利用本領域技術人員公知的各種類型的等離子噴塗技術來由陶瓷成分形成TBC。通常，典型的等離子噴塗技術涉及高溫等離子的形成，這產生了熱卷流（thermal plume）。將陶瓷塗層材料(例如陶瓷粉末)供給到該卷流中，並且朝粘合塗層14表面引導高速卷流。

在一個實施例中，參照圖1的物品10的頂塗層16通過空氣等離子噴塗方法沉積。粘合塗層14具有顆粒20和顆粒邊界22。通常，由覆蓋粘合塗層材料形成的粘合塗層14在成分方面通常是基本均勻的，即，遍及粘合塗層的厚度，通常不存在離散的或明顯的差別。在本發明的一個實施例中，物品的粘合塗層14包括顆粒邊界22上的一些伸長粒間相30、32、34。如在本文中所使用的，「伸長粒間相」指如下相，此種相：與顆粒20在成分上不同；出現在顆粒邊界22中；並且具有一維或二維結構。

伸長粒間相可表現為二維截面圖(例如圖1)中的條或點。在一個實施例中，伸長粒間相在粘合塗層14中較接近粘合塗層14和頂塗層16的交匯處18地存在。

不受任何特定理論限制，有可能由於粘合塗層材料的在頂塗層16的等離子沉積期間的迅速加熱和冷卻的動作，可能已形成在物品的粘合塗層區域14中發現的伸長粒間相。應用的等離子可影響界面18和界面附近的粘合塗層14的相鄰區域。等離子可引發粘合塗層材料的顆粒邊界22中的微裂縫，並且可引起粒間相在受影響的粘合塗層區域40中的形成。因而，粘合塗層14的受到所應用的等離子影響的區域在本文中稱為「等離子影響區域」40。等離子影響區域可作為直接鄰接於頂塗層16並與界面18接觸的上部40而形成在粘合塗層14中。等離子影響區域40可具有或可不具有與粘合塗層區域14的剩餘部分不同的特性。在一個實施例中，伸長粒間相30、32、34出現在等離子影響區域中。因而，在一個實施例中，「等離子影響區域」可限定為如下區域，在此種區域中，在粘合塗層區域14中觀察到伸長粒間相。

在一個實施例中，伸長粒間相30、32、34具有包括以下的成分：鋯、鋁、氧或前述的任何組合。在一個實施例中，伸長粒間相30、32、34包括鋯和鋁的氧化物。在一個實施例中，伸長粒間相30、32、34基本上由鋯鋁氧化物構成。在二維截面觀察(例如圖1)中，伸長粒間相可表現為連接至界面18(30)的條、與界面18(30)分離的條，或粘合塗層區域14的等離子影響區域40中的點34。但是，不受任何理論限制，設想如果伸長粒間相30、32、34的位置具有去往表面(界面18)氧的通路(access)，則伸長粒間相30、32、34的氧化物相可形成在等離子影響區域40中。因而，基於氧化物的伸長粒間相30、32、34可至少在形成時已具有去往表面的通路。

在一個實施例中，伸長粒間相30、32、34連接至界面18。如圖2所示，這可在粘合塗層區域14的三維示意圖中更清楚地觀察到。圖2的立方體100顯示了粘合塗層區域14的暴露於界面18(在圖1中)的部分的三維截面。立方體100包括頂表面112，頂表面112可為與(圖1的)頂塗層16的界面18。表面114和116是能夠在示意圖中觀察到的前表面。三維顆粒120在顆粒邊界122處彼此會合。伸長粒間相130、132和134示為二維粒間相。

比較圖1和圖2，伸長粒間相30可與圖2的伸長粒間相130等同。兩相均視為連接至界面18(圖1)或頂表面112(圖2)。相似地，在圖1中看上去與界面18不連接的伸長粒間相32可與圖2的粒間相132相似。如果從前表面116觀察，那麼粒間相132看上去不連接至頂表面112。但是，立方體100的3D示意圖顯出該相132的通過立方體100內的顆粒邊界122去往頂表面的連接。相似地，分別可從圖2看出，看上去在圖1中的點34和圖2中的134可連接至頂表面18或112。與伸長粒間相130、132和134的伸長粒間相一致，可存在一些其他的伸長粒間相136，其在立方體100內並且連接至表面112，但是在二維截面圖中的任一個中在前相114或116中均未觀察到。

因而，在一個實施例中，伸長粒間相中的至少一些可認為是可存在於等離子影響區域40中的二維小片。在一個實施例中，伸長粒間相30、32、34(或130、132、134)具有長度、寬度和厚度。如在本文中所使用的，伸長粒間相的「長度」是在任意方向上的最長維度，「寬度」是垂直於長度的第二最長方向。伸長粒間相的「厚度」限定為在任意給定的顆粒邊界處伸長粒間相的在垂直於相的長度和寬度的方向上的長短。在一個實施例中，伸長粒間相的厚度始終小於相鄰顆粒的顆粒邊界厚度。如在本文中所使用的，一對顆粒之間中的顆粒邊界厚度限定為在任意給定位置處在這兩個顆粒之間的最短距離。

在一個實施例中，伸長粒間相的長度至少為3微米。在一個實施例中，長度為至少大約5微米，並且在其他實施例中，長度在從大約8微米至大約15微米的範圍中。在一個實施例中，伸長粒間相的長度與厚度比大於大約5。在其他實施例中，長度與厚度比大於大約8。

在一個實施例中，伸長粒間相的長度基本在垂直於粘合塗層14和頂塗層16的界面18(圖1)的方向上。在該實施例中，從界面直到深入等離子影響區域40中測量伸長粒間相的長度。在一個實施例中，等離子影響區域40限定為粘合塗層區域14從界面18直至存在伸長粒間相處的該深度。因而，在一個實施例中，等離子影響區域40距界面18的深度的範圍通過在垂直於界面18的截面處在粘合塗層14的厚度中的伸長粒間相的最深的存在而識別。在一個實施例中，等離子影響區域從界面延伸至進入粘合塗層14的厚度中至少大約5微米。在一個實施例中，等離子影響區域延伸至距界面18至少10微米。

在一個實施例中，在等離子影響區域40內接近界面18觀察到的伸長粒間相的數量相對於在等離子影響區域40中距界面18在內部深處的伸長粒間相的數量較高。因而，在一個實施例中，等離子影響區域40具有作為在從界面18朝基底12的方向上的距離的函數的伸長粒間相的濃度梯度。如在本文中所使用的，「濃度」限定為每單位長度的伸長粒間相的數量，該單位長度與在截面處平行於界面畫出的線相交。由於可在等離子影響區域40內深處看到的等離子的降低的效果，或可能由於在等離子影響區域40的較深部分中的氧的降低的可利用性，伸長粒間相30、32、34的濃度梯度可上升。

不由任何特定理論限制，相信伸長粒間相30、32、34的存在提高了頂塗層16與粘合塗層14的粘合強度，並且降低了頂塗層16在物品操作期間的散裂。此外，在一個實施例中，伸長粒間相在粘合塗層14中的存在增加了沉積在粘合塗層14上方的高密度頂塗層16的耐受性。即，沉積在具有伸長粒間相30、32、34的粘合塗層14上的緻密頂塗層16的壽命比沉積在不具有伸長粒間相的粘合塗層上的頂塗層的壽命長。在一個實施例中，沉積在用於用在高溫環境中的粘合塗層14上方的頂塗層16的密度大於頂塗層材料的理論密度的大約80％。在一個實施例中，提出了沉積物品的方法。本發明的方法的實施例在應用或修復用於如下多種渦輪發動機(例如燃氣渦輪發動機)部分和構件的熱障塗層中是有用的，這些部分和構件由包括多種金屬和金屬合金(包括超級合金)的金屬基底形成，並且在高溫下操作或暴露於高溫(尤其是在正常發動機操作期間發生的較高溫度)。這些渦輪發動機部分和構件可包括：渦輪翼形件（例如葉片和靜葉）、渦輪圍帶、渦輪噴嘴、燃燒器構件（例如襯套）、偏導器和它們各自的罩組件、燃氣渦輪發動機的增強器硬體等。

在一個實施例中，該方法包括通過使用如下等離子噴塗條件的等離子噴塗沉積在覆蓋粘合塗層上方形成頂塗層，該等離子噴塗條件足以形成在粘合塗層內接近與頂塗層的界面的等離子影響區域。如在本文中所使用的，「足以形成等離子影響區域的等離子噴塗條件」包括，在頂塗層16的沉積期間影響在粘合塗層14表面上操作的等離子功率的任何結構和操作參數。

這種等離子噴塗塗層技術的各種細節將對於本領域技術人員將是公知的，細節包括各種相關步驟和加工參數（例如在沉積之前清潔粘合塗層14的表面18）；磨料噴砂來移除氧化物並使表面變粗糙，基底溫度、等離子噴塗參數(例如噴塗距離(噴槍至基底))、噴塗遍數的選擇、粉末供給速率、粒子速度、噴燈功率、等離子氣體選擇、氧化控制來調整氧化物化學計量、沉積的角度、應用的塗層的後處理；等等。通常噴燈功率可在從大約10千瓦至大約200千瓦的範圍中變化。陶瓷塗層成分粒子流入等離子卷流(或等離子「射流」)的速度是通常十分密切地控制的另一參數。

典型的等離子噴塗系統包括等離子噴槍陽極，該等離子噴槍陽極具有朝粘合塗層的沉積表面的方向指向的噴嘴。通常自動地控制等離子噴槍，例如通過機器人機構，其能夠以各種模式使噴槍移動跨過粘合塗層的表面。等離子卷流在等離子噴槍陽極的出口與粘合塗層的表面之間沿軸向方向延伸。將一些種類的粉末噴射器件在陽極與粘合塗層表面之間布置在預先確定的、期望的軸向位置處。在這種系統的一些實施例中，粉末噴射器件與等離子卷流區域在徑向方向上分開，並且用於粉末材料的噴射管位於以便其可將粉末以期望的角度引導入等離子卷流中的位置。載氣中夾帶的粉末粒子被推動穿過噴射器並進入等離子卷流中。然後在等離子中加熱粒子並朝粘合塗層推動其。粒子熔化，衝擊在粘合塗層上，並且迅速地冷卻來形成TBC。

在本發明的一個實施例中，用於頂塗層14的沉積的等離子功率大於大約95kW。在一個實施例中，功率大於100KW。在一個實施例中，等離子氣體的流速大於大約每分鐘300標準升(slpm)，並且從噴塗噴槍至基底的距離小於大約120mm。

實例

下列實例根據具體實施例示出了比較方法、材料和結果，並且引出不應理解為對權利要求進行限制。

在粘合塗層上方沉積頂塗層是通過使用變化的等離子噴塗條件來進行的，在下面詳述了其中的兩個代表方法。對結構和性質特點進行了測量和比較。

在實例1中，將離子等離子沉積的鎳鋁合金用作鎳基合金基底上的粘合塗層。使用具有d50=0.4微米的平均粒子尺寸的漿料沉積大約50微米厚的多孔7-8Wt%的釔穩定鋯(YSZ)TBC。使用的等離子條件如下：85kW的功率、245slpm的氣體、和大約75mm的噴槍至基底距離。50微米厚的多孔TBC塗層的密度為大約89％。在該多孔TBC上方，使用相同的漿料，但是在大約105kW的功率、大約350slpm的氣體、和大約100mm的噴槍至基底距離的不同的操作等離子條件下沉積大約100微米厚的緻密TBC塗層。100微米厚緻密TBC塗層的密度為大約95％。

在實例2中，基底和粘合塗層保持與實例1相同。使用包括雙峰粒子尺寸分布的漿料沉積大約160微米厚的緻密TBC塗層。漿料中的平均雙峰粒子尺寸為大約0.7微米和大約1.1微米。操作等離子條件為大約105kW的功率、大約350slpm的氣體、和大約100mm的噴槍至基底距離。該160微米厚的多孔TBC塗層的密度為大約95％。

圖3呈現了實例1的粘合塗層214-頂塗層216交匯區域的截面200的電子顯微視圖，其顯示了顆粒220、顆粒邊界222、和伸長粒間相234。圖4是實例2的粘合塗層314-頂塗層316界面區域的截面300的電子顯微視圖，其顯示了顆粒320、顆粒邊界322、和等離子影響區域340中的伸長粒間相330、332和334。明顯地，與實例1的相比，觀察到更多的伸長粒間相與實例2的粘合塗層上方的直接、緻密塗層對應地出現在圖4中。

在應用實例1的緻密TBC之前使用多孔TBC來典型地降低TBC的散裂，因為已知緻密頂塗層在粘合塗層上方的直接沉積典型地增加了TBC的散裂。令人驚訝的是，當在相似的條件下進行這兩個塗層的熔爐循環試驗(FCT)壽命測試來得知壽命時，發現實例2的直接緻密塗層顯示出與實例1的壽命相比兩倍的壽命。與實例1的壽命相比實例2的TBC的增加的FCT壽命歸結於與實例1的頂塗層216對粘合塗層214的附著相比，頂塗層316對粘合塗層314的更強附著。相信實例2的更強附著是由在粘合塗層(接近粘合塗層/TBC界面)中觀察到的充足數量的伸長粒間相引起的。伸長粒間相330、332和334經曆元素分析並且發現富含鋯、鋁和氧。

在一個實施例中，相信伸長粒間相的數量和長度在確定頂塗層對粘合塗層的附著時起到重要作用。因而，假定如果與顯示出相似數量的長的(＞3微米)伸長粒間相的另一個物品微結構相比，物品微結構具有多個短的(＜3微米)伸長粒間相，那麼與具有相對較短的伸長粒間相的物品相比，具有較長伸長粒間相的物品具有更好的具有改善的附著的機會。

在一些實施例中，與伸長粒間相一起，在圖4中還觀察到一些其他粒間相350。它們可為在外觀和成分方面與特徵如上所述的伸長粒間相截然不同的基本不可溶解的化合物。粒間相350可包括合金沉澱物、金屬氧化物、金屬氮化物、金屬碳化物、和它們混合物。但是，在進行實例1和實例2的比較研究時，不有意地將其他粒間物質加至任何實例物品。

雖然在本文中僅示出本發明的某些特徵，但是本領域技術人員將想到許多修改和變化。因此，應理解的是，所附權利要求意圖覆蓋落入本發明的真正精神內的所有這種修改和變化。