塗覆工藝及塗覆物品的製作方法

2023-10-04 18:07:29

塗覆工藝及塗覆物品的製作方法
【專利摘要】公開了一種塗覆工藝及塗覆物品。塗覆工藝包括關於電感器定位物品、利用電感器加熱物品，接著將塗層材料施加在物品上面來形成晶質塗層。物品的加熱將物品的表面的第一溫度升高至有利於晶體形成的第二溫度。另一種塗覆工藝包括定位物品、將物品的表面均勻地加熱至有利於晶體形成的第二溫度，接著將環境阻隔塗層材料施加在物品的表面上面來形成晶質環境阻隔塗層。環境阻隔塗層的施加通過空氣等離子噴塗沉積來執行。塗覆物品包括具有複雜幾何形狀的物品，以及施加在物品的表面上的晶質塗層。晶質塗層包括對分層的增大的阻力。
【專利說明】
塗覆工藝及塗覆物品

【技術領域】
[0001]本發明涉及塗覆工藝及塗覆物品。更具體地，本發明涉及晶質塗層。

【背景技術】
[0002]各種系統常見的惡劣操作條件可使物品的表面退化和/或破壞。環境阻隔塗層(EBC)通常沉積在物品的表面上面，以減少或消除退化和/或破壞。例如，破壞的一種形式包括陶瓷基質複合物(CMC)由於氣流中的水蒸氣而退化。水蒸氣與碳化矽反應來形成氫氧化矽。沉積EBC的一種常見工藝為通過熱噴塗，諸如空氣等離子噴塗。
[0003]在常規空氣等離子噴塗期間，EBC以非晶質狀態沉積。在非晶質狀態下，EBC的原子未以有序晶格布置。為了提高塗層的性能，非晶質結構可結晶，或通過塗覆物品的塗覆後熱處理形成為晶質結構。塗層的結晶通常產生塗層的體積變化，產生可導致缺陷和/或分層的應力。物品的塗覆後熱處理引起EBC材料在晶質結構形成時膨脹。EBC材料的膨脹可引起各種微觀結構缺陷，諸如微裂紋、EBC從物品的分層，或它們的組合。EBC的分層引入了EBC的定位和/或物品的破壞和/或失效。
[0004]減少或消除EBC材料的膨脹期間形成的缺陷的一種方法包括將塗覆後熱處理延長至大於50小時；然而，這是耗時的，並且增加了生產成本。避免EBC材料的膨脹的其它方法包括在EBC沉積之前和同時使用開箱熔爐來加熱物品，以及在EBC沉積之前和同時使用電阻加熱來加熱物品。開箱熔爐不適於具有複雜幾何形狀的塗覆構件或穩健的製造工藝。電阻加熱形成非均勻加熱，這產生局部過熱和熔化物品的區。
[0005]本領域中將合乎需要的是不遭受以上缺陷中的一個或更多個的塗覆工藝和塗覆物品。


【發明內容】

[0006]在一個實施例中，一種塗覆工藝包括關於電感器定位物品、利用電感器加熱物品、接著將塗層材料施加在物品上面來形成晶質塗層。物品的加熱將物品的表面的第一溫度升高至有利於晶體形成的第二溫度。
[0007]在另一個實施例中，一種塗覆工藝包括定位物品、將物品的表面均勻地加熱至有利於晶體形成的第二溫度，接著將環境阻隔塗層材料施加在物品的表面上面來形成晶質環境阻隔塗層。環境阻隔塗層的施加通過空氣等離子噴塗沉積來執行。
[0008]在另一個實施例中，一種塗覆物品包括具有複雜幾何形狀的物品，以及施加在物品的表面上的晶質塗層。晶質塗層包括對分層的增大的阻力。
[0009]一種塗覆工藝，包括:關於電感器定位物品；利用電感器加熱物品；接著將塗層材料施加在物品上面來形成晶質塗層；其中物品的加熱將物品的表面的第一溫度增大至有利於晶體形成的第二溫度。
[0010]優選地，晶質塗層抵抗分層。
[0011]優選地，晶質塗層在複雜幾何形狀上。
[0012]優選地，塗覆工藝還包括關於電感器操縱物品。
[0013]優選地，塗覆工藝還包括關於物品操縱電感器。
[0014]優選地，晶質塗層在沒有塗覆後熱處理的情況下形成。
[0015]優選地，塗覆工藝還包括遍及將塗層材料施加在物品上面至少保持有利於物品中的晶體形成的第二溫度。
[0016]優選地,物品包括陶瓷基質複合物。
[0017]優選地,物品包括鎳合金。
[0018]優選地，塗層材料為環境阻隔塗層。
[0019]優選地，通過施加塗層材料來形成晶質塗層在沒有相變的情況下發生。
[0020]優選地，通過施加塗層材料來形成晶質塗層在沒有體積變化的情況下發生。
[0021]優選地，塗覆工藝還包括通過選自由熱噴塗、空氣等離子噴塗、高速含氧燃料噴塗、高速空氣燃料噴塗、高速空氣等離子噴塗和射頻感生等離子構成的組的方法來沉積塗層材料。
[0022]優選地，晶質塗層包括0.5密耳至30密耳之間的塗層深度。
[0023]優選地,塗覆工藝還包括通過帶塗覆來沉積塗層材料。
[0024]優選地，塗覆工藝還包括使物品與設備分開。
[0025]優選地，物品遍及塗層材料的沉積保持附接於設備。
[0026]優選地,塗覆工藝還包括對物品熱處理達小於50小時。
[0027]—種塗覆工藝，包括:定位物品；將物品的表面均勻地加熱至有利於晶體形成的第二溫度；接著將環境阻隔塗層材料施加在物品的表面上面來形成晶質環境阻隔塗層；其中環境阻隔塗層的施加通過空氣等離子噴塗沉積來執行。
[0028]—種塗覆物品，包括:具有複雜幾何形狀的物品；以及施加在物品的表面上的晶質塗層；其中晶質塗層包括對分層的增大的阻力。
[0029]本發明的其它特徵和優點將從結合附圖進行的優選實施例的以下更詳細的描述為顯而易見的，附圖經由實例示出了本發明的原理。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1示出了根據本公開的實施例的塗覆工藝。
[0031]圖2示出了對應於圖1的塗覆工藝的截面圖。
[0032]在可能的任何地方，相同的附圖標記將在所有附圖中用於表示相同的部件。

【具體實施方式】
[0033]提供了示例性的塗覆工藝及塗覆物品。本公開的實施例相比於未使用本文公開的特徵中的一個或更多個的工藝和物品減少或消除了環境阻隔塗層(EBC)的分層、縮短了具有EBC的物品的生產時間、降低了具有EBC的物品的生產成本、在EBC施加期間提高了 EBC的結晶度、減少了塗層缺陷、延長了塗層壽命、加強了塗層功能性，或它們的組合。
[0034]參照圖1，在一個實施例中，工藝150包括關於電感器102定位(步驟115)物品101、利用電感器102加熱(步驟100)物品101，接著將塗層材料104施加(步驟120)在物品101上面來形成(步驟130)相比於非晶質材料具有增加量的晶質材料的晶質塗層107。物品101的加熱(步驟100)將物品101的表面105的第一溫度升高至有利於晶體形成的第二溫度。例如，物品101為渦輪輪葉、渦輪葉片、熱氣體通路構件、護罩、燃燒襯套、具有晶質塗層的構件、任何其它適合的構件，或它們的組合。物品101在工藝150的部分或所有之前與系統和/或設備分開，或遍及工藝150的部分或所有保持附接於系統和/或設備。
[0035]在一個實施例中，工藝150包括關於能夠將表面105的第一溫度升高至有利於晶體形成的第二溫度的任何適合的能量源來定位(步驟115)物品101。適合的能量源包括但不限於紅外線(IR)源、焊炬、電感器102或它們的組合。相比於其它能量源，電感器102提供了提高的加熱(步驟100)速率、加強的加熱(步驟100)控制、增大的對來自等離子噴塗的破壞的阻力，以及降低的成本。
[0036]對於能夠將表面105的第一溫度升高至有利於晶體形成的第二溫度的任何適合的持續時間，加熱(步驟100)在塗層材料104的施加(步驟120)之前和/或同時執行。用於在施加(步驟120)塗層材料104之前加熱(步驟100)的適合的持續時間包括但不限於大約0.0001小時至大約I小時之間、大約0.005小時至大約0.95小時之間、大約0.1小時至大約0.9小時之間、大約0.1小時至大約0.5小時之間、大約0.05小時至大約0.2小時之間、大約0.05小時至大約0.15小時之間，或任何組合、子組合、範圍或其子範圍。
[0037]物品101的加熱(步驟100)將物品101的第一溫度從非晶質_晶質形成溫度升高至有利於晶體形成的第二溫度。表面105的第一溫度的升高減小了物品101的表面105上面施加(步驟120)的塗層材料104的冷卻速率。冷卻速率的減小降低了玻璃轉變溫度(Tg)，這容許塗層104再對準到以沿所有空間方向延伸並且具有降低的能態的有順序的圖案布置的固體和晶格中。固體和晶格形成增大了晶質塗層107中形成的晶質結構的百分比。
[0038]有利於晶體形成的第一溫度為塗層材料104的施加(步驟120)形成(步驟130)晶質塗層107所處於或高於的任何適合的溫度。有利於晶體形成的第一溫度對於具有不同成分的塗層材料104調整，以適應非晶質-晶質形成溫度中的變化。有利於晶體形成的適合溫度包括但不限於大約500°C至大約1500°C之間、大約800°C至大約1200°C之間、大約800°C至大約1000°C之間、大約900°C至大約1200°C之間、大約1000°C至大約1500°C之間、至少800°C、至少1000°C或任何組合、子組合、範圍或其子範圍。
[0039]時間/溫度關係驅使多個熱-化學和/或熱-物理現象發生。各個熱-化學和/或熱-物理現象影響如何和何時出現晶質塗層107的形成(步驟130)。在施加(步驟120)塗層材料104之前或期間升高表面105的第一溫度相比於非晶質材料，增加了晶質塗層107中的晶質材料的量。在一個實施例中，晶質塗層107包括較少或沒有非晶質材料。例如，將物品加熱(步驟100)至1，000°C形成了晶質塗層107中的80%的晶質材料，而將物品加熱(步驟100)至300°C形成僅7%的晶質材料。
[0040]在有利於晶體形成的第二溫度下，施加(步驟120)塗層材料104減少了晶質塗層107中的缺陷的量，並且提高了晶質塗層107的微觀結構穩定性。微觀結構穩定性的提高例如通過減少或消除在導致非晶質相的非晶質-晶質形成溫度下施加的塗層材料104經歷的相變來對晶質塗層107延長壽命和增加功能性。
[0041]塗層材料104的施加(步驟120)通過能夠塗覆表面105的任何適合的技術。表面105具有適合的幾何形狀，例如，複雜幾何形狀和/或非平面輪廓。如本文中使用的，用語〃複雜幾何形狀〃是指能夠不容易或不一致地被識別或再生的形狀，諸如，不是正方形、圓形或矩形。複雜幾何形狀的實例例如存在於葉片/輪葉的前緣上、葉片/輪葉的後緣上、葉片/輪葉的吸入側上、葉片/輪葉的壓力側上、葉片/輪葉末端上、燕尾部上，燕尾部的天使翼上。適合的技術包括但不限於熱噴塗(例如，通過熱噴塗噴嘴103)、空氣等離子噴塗、高速含氧燃料(HVOF)噴塗、高速空氣燃料(HVAF)噴塗、高速空氣等離子噴塗(HV-APS)、射頻(RF)感生等離子、直接汽相沉積，或它們的組合。
[0042]在一個實施例中，工藝150包括至少遍及將塗層材料104施加(步驟120)在物品101的表面105上面保持(步驟110)有利於晶體形成的第二溫度。第二溫度的保持(步驟110)容許減少或消除塗覆後熱處理。減少或消除塗覆後熱處理提高了製造的簡單性、降低了製造成本、減少或消除了分層、減少或消除了間隙形成，或它們的組合。
[0043]在一個實施例中，晶質塗層107的形成(步驟130)沒有塗覆後熱處理。這減少或消除了在塗覆後熱處理期間經歷的塗層材料104的體積膨脹。減少或消除塗層材料104的體積膨脹減少或消除了晶質塗層107從表面105的分層。例如，減小的體積膨脹水平包括但不限於達到大約0.30%、達到大約0.15%、達到大約0.06%、大約0.001%至大約0.30%之間、大約0.005%至大約0.15%之間、大約0.01%至大約0.06%之間，或任何組合、子組合、範圍或其子範圍。在一個實施例中，超過10密耳的晶質塗層107的分層為晶質塗層107的失效。
[0044]在一個實施例中，晶質塗層的形成(步驟130)的至少一部分包括塗覆後熱處理(未示出)。塗覆後熱處理為任何適合的持續時間。適合的持續時間包括但不限於大約0.5小時至大約50小時之間、大約I小時至大約50小時之間、大約5小時至大約50小時之間、大約0.5小時至大約25小時之間、大約I小時至大約25小時之間、大約0.5小時至大約15小時之間、大約0.5小時至大約10小時之間，大約I小時至大約10小時之間，大約5小時至大約50小時之間，或任何組合、子組合、範圍或其子範圍。
[0045]在一個實施例中，工藝150包括有利於晶體形成的第二溫度的保持(步驟110)期間電感器102和/或物品101的相對操縱(未示出)。在又一個實施例中，相對操縱通過在熔爐(未示出)外側實現，其能夠用於塗覆後的熱處理。相對操縱容許塗層材料104的施加(步驟120)為均勻或大致均勻的。相對操縱包括方法，諸如但不限於旋轉、平移、展開、振蕩、迴轉、翻轉、自旋或它們的組合。在一個實施例中，相對操縱通過具有能夠經得起有利於晶體形成的第二溫度的任何適合的成分的物品執行。適合的成分包括但不限於陶瓷、陶瓷基質複合物、金屬、金屬合金或它們的組合。
[0046]在塗層材料104的施加(步驟120)均勻的實施例中，晶質塗層107的形成(步驟130)導致物品101的表面105上面的一致深度。晶質塗層107的一致深度為具體塗層的任何適合的深度。晶質塗層107的適合深度包括但不限於大約I密耳至大約2000密耳之間、大約I密耳至大約100密耳之間、大約10密耳至大約20密耳之間、大約20密耳至大約30密耳之間、大約30密耳至大約40密耳之間、大約40密耳至大約50密耳之間、大約20密耳至大約40密耳之間、大約0.5密耳至大約30密耳之間，或任何適合的組合、子組合、範圍或其子範圍。
[0047]塗層材料104為能夠施加於物品101的任何適合的材料。適合材料包括但不限於熱障塗層(TBC)材料、連結塗層材料、環境阻隔塗層(EBC)材料、結晶塗層材料或它們的組合。在一個實施例中，TBC材料包括但不限於氧化釔穩定的二氧化鋯或氧化釔穩定的halfnate。在一個實施例中，EBC材料包括但不限於鋇鍶鋁矽酸鹽(BSAS)、多鋁紅柱石、氧化釔穩定的二氧化鋯、鐿摻雜的二氧化矽，以及它們的組合。物品101包括成分201，其為與塗層材料104相容的任何適合成分。適合的成分包括但不限於矽基陶瓷基質複合物、合金、鎳基合金，或它們的組合。
[0048]在一個實施例中，工藝150包括在晶質塗層107形成(步驟130)之後冷卻(步驟140)物品101。遍及物品的冷卻(步驟140)，晶質塗層107保持處於晶質狀態。在一個實施例中，在有利於晶體形成的第二溫度的保持(步驟110)期間重複物品101的操縱和塗層材料104的施加(步驟120)形成(步驟130)多層晶質塗層107。
[0049]儘管已經參照優選實施例描述了本發明，但本領域技術人員將理解，可作出各種變化，並且等同方案可替代其元件，而不背離本發明的範圍。此外，可作出許多修改，以使特定情形或材料適合於本發明的教導，而不背離其基本範圍。因此，意圖是本發明不限於公開為設想用於執行本發明的最佳模式的特定實施例，而是本發明將包括落入所附權利要求的範圍內的所有實施例。
【權利要求】
1.一種塗覆工藝，包括: 關於電感器定位物品； 利用所述電感器加熱所述物品；接著 將塗層材料施加在所述物品上面來形成晶質塗層； 其中所述物品的加熱將所述物品的表面的第一溫度增大至有利於晶體形成的第二溫度。
2.根據權利要求1所述的塗覆工藝，其特徵在於，所述晶質塗層抵抗分層。
3.根據權利要求1所述的塗覆工藝，其特徵在於，所述晶質塗層在複雜幾何形狀上。
4.根據權利要求1所述的塗覆工藝，其特徵在於，還包括關於所述電感器操縱所述物品O
5.根據權利要求1所述的塗覆工藝，其特徵在於，還包括關於所述物品操縱所述電感器。
6.根據權利要求1所述的塗覆工藝，其特徵在於，所述晶質塗層在沒有塗覆後熱處理的情況下形成。
7.根據權利要求1所述的塗覆工藝，其特徵在於，還包括遍及將所述塗層材料施加在所述物品上面至少保持有利於所述物品中的晶體形成的所述第二溫度。
8.根據權利要求1所述的塗覆工藝，其特徵在於，所述物品包括陶瓷基質複合物。
9.根據權利要求1所述的塗覆工藝，其特徵在於，所述物品包括鎳合金。
10.根據權利要求1所述的塗覆工藝，其特徵在於，所述塗層材料為環境阻隔塗層。
【文檔編號】C23C4/12GK104233168SQ201410246192
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年6月5日 優先權日:2013年6月5日
【發明者】L. 馬戈利斯 J., R. 格羅斯曼 T. 申請人:通用電氣公司