用於製造熱障層的方法和用於構件的熱障層的製作方法

2023-10-18 16:07:24

專利名稱：用於製造熱障層的方法和用於構件的熱障層的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於在一個構件上藉助氣相沉積法製造陶資熱障 層的方法，所述構件用於壓縮機部件和渦輪機部件，以及一種用於構 件的熱障層，所述構件用於壓縮機部件和渦輪機部件，其中熱障層通 常由一個柱狀或杆狀構造的陶瓷熱障層構成並且各柱或杆基本上垂直於一個構件表面定向。本發明還涉及一種構件，它用於壓縮機部件和 渦輪機部件，該構件包括一個金屬基質和一個至少部分地塗敷到金屬 基質上的熱障層。
背景技術：
由現有技術已知各種不同的用於在構件上製造陶瓷熱障層的方 法，構件特別用於壓縮機部件和渦輪機部件。在此將一個陶瓷層或通過等離子體噴射法(Plasmaspritzverfahren )或藉助物理氣相沉積法 (PVD)塗敷到構件上。通過應用物理氣相沉積法，特別是電子束氣 相法(Elektronenstrahlbedampfung ) ( EB-PVD )，形成具有杆形或柱 形的結構的陶瓷層。各柱或杆在此沿其長度具有恆定的厚度。柱或杆 的柱狀下層結構也是均勻的。這樣製成的陶瓷熱障層相對於通過熱噴 射過程製成的熱障層具有的優點是，它們由於柱狀結構具有一種改進 的熱交變穩定性。並且各個杆或柱允許杆接縫的膨脹和收縮，而不產 生在極端情況下可以導致熱障層的各個部分的剝落的應力。通過在所 述的構件上附加塗覆熱障陶乾層，降低了構件材料溫度繼而保持其強 度。作為陶瓷材料，在此通常採用包括不同穩定劑的氧化鋯，特別是 氧化釔。由DE 601 03 526 T2、 DE 693 18 856 T2以及US專利文件 No. 4，321，311 A、 4,401,697 A、 4,405,659 A以及5，514，482已知一些用 於製造陶瓷熱障層的方法和一些用於壓縮機部件和渦輪機部件的金屬 構件的相應的熱障層。
但這些已知的用於製造陶瓷熱障層的方法以及由此製成的熱障層 的不利之處是，通過採用物理氣相沉積法產生相當密的柱狀或杆狀的 結構。但相當大的密度不利地促進了在陶瓷熱障層內的熱流。發明內容因此本發明的目的在於，提供一種此類的用於構件的熱障層，它 具有特別明顯降低的熱導率。此外本發明的目的在於，提供一種此類的用於製造陶瓷熱障層的 方法，其中得到的熱障層具有明顯的、特別降低的熱導率。本發明的另一目的在於，提供一種用於壓縮機部件和渦輪機部件 的構件，它包括一個金屬基質和一個至少部分地塗敷到金屬基質上的 熱障層，其中熱障層具有比已知的熱障層特別明顯降低的熱導率。通過一種按照權利要求1的特徵的方法、 一種按照權利要求15 的特徵的熱障層和一種按照權利要求20的特徵的構件達到上述目的。 本發明的有利的實施形式描述在各相應的從屬權利要求中。 一種按本發明的用於在一個用於壓縮機部件和渦輪機部件的構件 上製造陶瓷熱障層的方法包括一種氣相沉積法，具有下列方法步驟a) 準備一種用於沉積在構件上的陶瓷蒸氣；b)將陶瓷蒸氣沉積在構件 上，以便構成一個柱狀或杆狀構造的熱障層，其中各柱或杆基本上垂 直於一個構件表面定向；和c)在方法步驟b)期間這樣地改變至少一個方法參數，使得得到的熱障層包括一些柱或杆，它們具有交替地逐 漸縮小的和逐漸增大的直徑。氣相沉積法特別涉及一種物理氣相沉積 法，如例如一種電子束氣相沉積法。但也可設想使用一種陰極濺射法 或一種電弧蒸發法以及CVD法。通過氣相沉積法的應用確保，形成 的熱障層柱狀或杆狀地構造並因此仍保持這類構造的陶瓷熱障層的已 知的優點。按照本發明，形成的柱或杆具有交替地逐漸縮小的和逐漸 增大的直徑。通過交替地逐漸縮小的和逐漸增大的直徑，在熱障層的 層形成過程中，在各個柱或杆之間形成許多小孔，它們有助於明顯減 小熱流繼而明顯降低形成的熱障層的熱導率。在此逐漸縮小的和逐漸 增大的直徑的特徵也特別應被理解為各鄰接的柱或杆至少部分地沿其 長度不接觸和不平行地延伸。同樣的情況適用於可能出現的下層結構。 並且有利的是，各個杆或柱的小的直徑大大地阻止了熱流，從而由此 也導致形成的熱障層的熱導率的顯著降低。在本發明方法的其他的有利的實施形式中，在一個塗層室，特別 是一個真空室中實施該方法。在此將待塗層的構件引入塗層室中並且 在其上沉積陶瓷熱障層。通常至少在待塗層的構件表面上對構件進行 力口熱或預熱。並且還可以在方法步驟b)期間輸入氧氣和惰性氣體，並且在方 法步驟C)期間至少一個方法參數的改變包括在塗層期間或在塗層室 中改變氧氣和/或惰性氣體的分壓力。在此可以調節分壓力和經由氣流 的總壓力或泵功率。但也可以在方法步驟b)期間移動待塗層的構件，並且在方法步 驟c)期間至少一個方法參數的改變包括在塗層期間改變構件運動的方式和/或構件速度。在此可以特別轉動構件，從而在方法步驟c)期間至少一個方法參數的改變包括在塗層期間改變轉速。此外還可以，在方法步驟c)期間至少一個方法參數的改變包括在塗層期間改變陶瓷蒸氣到構件上的沉積率。最後可以在塗層期間改變壓力或在塗層室中在方法步驟c)期間改變至少一個方法參數。通過所述措施，產生按照本發明的陶瓷熱障層的層結構，其中形成的各柱或杆沿其縱伸具 有交替地逐漸縮小的和逐漸增大的直徑。在本發明方法的另一種有利的實施形式中，陶瓷蒸氣或採用的陶 瓷材料包括氧化鋯、氧化釔或一種由其組成的混合物。也可設想其他的陶瓷材料。通常以一個在l|im與400pm之間的厚度沉積熱障層， 但也可設想不同的層厚。在本發明方法的另一種有利的實施形式中，在待塗層的構件表面 與熱障層之間至少部分地構成 一 個粘附層。粘附層在此包括MCrAlY 滲鋁的/Al強化的表面或Pt/Al。在此可以藉助已知的熱噴射法、電鍍 處理法、擴散處理法或藉助物理氣相沉積法塗覆粘附層。並且在本發 明方法的另一實施形式中，可以在待塗層的構件表面與粘附層之間至
少部分地構成 一 個氧化鋁中間層。一種本發明的熱障層由陶瓷材料構成並且具有一個柱狀或杆狀的 結構或晶粒結構，其中各柱或杆基本上垂直於一個構件表面定向。按 照本發明，各柱或杆沿其縱伸具有逐漸縮小的和逐漸增大的直徑。各個柱或杆的晶界(Korngre nzen )在jt匕可以至少、部^i^&jt匕4^觸,在 各個柱或杆之間有利地構成一些小孔腔。通過按照本發明的各個柱或 杆的結構或構成，明顯地降低了熱障層的熱導率，因為各個杆的小的 直徑大大地阻止了熱流。並且在熱障層內構成的小孔顯著地減小了熱 流。在熱障層的一種有利的實施形式中，熱障層的陶資材料包括氧化 鋯、氧化釔或一種由其組成的混合物。但同樣可設想使用其他的適合 的陶瓷材料構成熱障層。熱障層通常具有一個在l|am與400nm之間 的厚度，同時也可設想不同的厚度。一種按照本發明的用於壓縮機部件和渦輪機部件的構件包括一個 金屬基質和一個至少部分地塗敷到金屬基質上的按本發明的熱障層， 如以上所述。 一個相應塗層的構件由於按照本發明的明顯降低的熱導 率而在具有相應較高的壽命的同時具有一個明顯較小的磨損率。在本發明構件的其他有利的實施形式中，可以在基質與熱障層之 間至少部分地構成一個特別包括MCrAlY和Pt/Al的粘附層。並且還 可以在基質與粘附層之間至少部分地構成一個氧化鋁中間層。本發明 的構件特別是一個燃氣渦輪發動機的組成部分。


由以下對一個圖示的實施例的描述得出本發明的其他的優點、特 徵和細節。其中圖l 一個具有按現有技術的熱障層的構件的示意剖視圖；以及圖2 —個具有按照本發明的熱障層的構件的示意剖視圖。
具體實施方式
圖1示出 一個包括一個其上設置的熱障層22的構件或一個金屬基 質18的示意剖視圖。 一個特別包括MCrAlY或Pt/Al的粘附層20構 成在熱障層22與構件表面16之間。可以看出，熱障層22具有一種柱 狀或杆狀的結構，其中各個柱或杆24基本上垂直於構件表面定向。在 這種情況下，各不同的柱24的晶界26、 28沿杆24的縱伸彼此接觸。 由此產生一種相當密的柱狀結構，它促進在陶資熱障層22內的熱流。 圖2示出一種陶瓷熱障層10的示意剖視圖，它被塗覆到或沉積到 構件18的一個構件表面16上。可以看出，熱障層10再次由一些柱或 杆12構成，它們基本上垂直於構件表面16定向。不同於圖l中所示 的已知的柱結構，圖2中所示的柱或杆12沿其縱伸具有交替地具有逐 漸縮小和逐漸增大的直徑d、 D。可以看出，各個杆的晶界30至少部 分地彼此接觸，但在各個柱或杆12之間構成許多成形空腔14。通過 在各個杆或各個柱中的小的直徑d，大大地阻止了在熱障層IO內的熱 流。並且通過各小孔14明顯減小了熱障層10的密度，從而藉此也明 顯減小在熱障層10內的熱流。
權利要求
1. 用於在一個構件上製造陶瓷熱障層的方法，所述構件用於壓縮機部件和渦輪機部件，所述方法包括一種氣相沉積法，具有下列方法步驟a)準備一種用於沉積在構件上的陶瓷蒸氣；b)將陶瓷蒸氣沉積在構件上，以便構成一個柱狀或杆狀構造的熱障層(10)，其中各柱或杆(12)基本上垂直於一個構件表面(10)定向；和c)在方法步驟b)期間這樣地改變至少一個方法參數，使得得到的熱障層(10)包括一些柱或杆(12)，它們具有交替地逐漸減小的和逐漸增大的直徑(d、D)。
2. 按照權利要求1所述的方法，其特徵在於，氣相沉積法是一種 物理氣相沉積法(PVD)。
3. 按照權利要求2所述的方法，其特徵在於，物理氣相沉積法 (PVD)是一種電子束氣相沉積法(EB-PVD)、 一種陰極濺射法或一種電弧蒸發法。
4. 按照上迷權利要求之一所述的方法，其特徵在於，在一個塗層 室，特別是一個真空室中實施該方法。
5. 按照上述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，在方法步驟 b)期間輸入氧氣和惰性氣體，並且在方法步驟c)期間至少一個方法 參數的改變包括在塗層期間或在塗層室中改變氧氣和/或惰性氣體的 分壓力。
6. 按照上述權利要求之一所迷的方法，其特徵在於，在方法步驟 b)期間移動待塗層的構件，並且在方法步驟c)期間至少一個方法參 數的改變包括在塗層期間改變構件運動的方式和/或構件速度。
7. 按照權利要求6所述的方法，其特徵在於，轉動構件，並且在 方法步驟C)期間至少一個方法參數的改變包括在塗層期間改變轉速。
8. 按照上述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，在方法步驟 c)期間至少一個方法參數的改變包括在塗層期間改變陶瓷蒸氣到構件 上的沉積率。
9. 按照上述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，在方法步驟 c )期間至少 一個方法參數的改變包括在塗層期間或在塗層室中改變壓 力。
10. 按照上述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，陶瓷蒸氣 或陶瓷材料包括氧化鋯、氧化釔或一種由其組成的混合物。
11. 按照上述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，以一個在 lfxm與500nm之間的厚度沉積熱障層。
12. 按照上述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，在待塗層 的構件表面(16)與熱障層(10)之間至少部分地構成一個粘附層(20)。
13. 按照權利要求12所述的方法，其特徵在於，粘附層具有 MCrAlY和/或Pt/Al，或由其構成，和/或是Al強化的或滲鋁的。
14. 按照權利要求12或13所述的方法，其特徵在於，在待塗層 的構件表面(16)與粘附層(20)之間至少部分地構成一個氧化鋁中 間層。
15. 用於構件的熱障層，所述構件用於壓縮機部件和渦輪機部件， 其中熱障層由一個柱狀或杆狀構造的陶瓷熱障層(10)構成，並且各 柱或杆(12)基本上垂直於一個構件表面(16)定向；其特徵在於， 柱或杆(12)具有交替地逐漸縮小的和逐漸增大的直徑(d、 D)。
16. 按照權利要求15所述的熱障層，其特徵在於，各個柱或杆(12 ) 的晶界至少部分地彼此接觸。
17. 按照權利要求15或16所述的熱障層，其特徵在於，在各個 柱或杆(12)之間構成一些小孔腔(14)。
18. 按照權利要求15至17之一所述的熱障層，其特徵在於，熱 障層(10)的陶瓷材料包括氧化鋯、氧化釔或一種由其組成的混合物。
19. 按照權利要求15至18之一所述的熱障層，其特徵在於，熱 障層(10 )具有一個在lpm與500pm之間的厚度。
20. 構件，用於壓縮機部件和渦輪機部件，所述構件包括一個金 屬基質(18)和一個至少部分地塗敷到金屬基質(18)上的按照權利 要求15至19之一所述的熱障層(10)。
21. 按照權利要求20所述的構件，其特徵在於，在基質(18)與 熱障層(10)之間至少部分地構成一個粘附層(20)。
22. 按照權利要求21所述的構件，其特徵在於，粘附層(20)包 括MCrAIY和/或是Al強化的或滲鋁的。
23. 按照權利要求21或22所述的構件，其特徵在於，在基質(18 ) 與粘附層(20)之間至少部分地構成一個氧化鋁中間層。
24. 按照權利要求19至23之一所述的構件，其特徵在於，所述 構件是一個燃氣渦輪發動機的組成部分。
全文摘要
本發明涉及一種用於在一個構件上藉助氣相沉積法製造陶瓷熱障層(10)的方法，所述構件用於壓縮機部件和渦輪機部件，其中該方法包括下列步驟a)準備一種用於沉積在構件(18)上的陶瓷蒸氣；b)將陶瓷蒸氣沉積在構件(18)上，以便構成一個柱狀或杆狀構造的熱障層，其中各柱或杆(12)基本上垂直於一個構件表面(16)定向；和c)在方法步驟b)期間這樣地改變至少一個方法參數，使得得到的熱障層包括一些柱或杆(12)，它們具有交替地逐漸縮小的和逐漸增大的直徑(d、D)。本發明還涉及一種用於構件(16)的熱障層，所述構件用於壓縮機部件和渦輪機部件，其中熱障層(10)由一個柱狀或杆狀構造的陶瓷熱障層構成，並且各柱或杆(12)基本上垂直於一個構件表面(16)定向。按照本發明，各柱或杆(12)具有交替地逐漸縮小和逐漸增大的直徑(d、D)。
文檔編號C23C14/54GK101400820SQ200780008381
公開日2009年4月1日 申請日期2007年3月2日 優先權日2006年3月9日
發明者T·科薩克 申請人:Mtu飛機發動機有限公司