陶瓷粉末及其制备方法技术

本发明专利技术涉及能够在涂层中使用以允许部件经受住诸如燃气轮机的恶劣热环境的高温环境的陶瓷粉末和形成所述陶瓷粉末的方法。所述陶瓷粉末包括各自具有由第一材料形成的内核和由第二材料形成的外区的粉末颗粒。所述内核具有比所述外区低的导热率且相对于所述内核而言，所述外区更耐侵蚀。

【技术实现步骤摘要】
专利
概括地讲，本专利技术涉及用于在暴露于诸如燃气轮机的恶劣热环境的高温的部件上形成涂层的陶瓷粉末。更详细地讲，本专利技术涉及用于诸如阻热涂层(TBCs)的应用的具有改善的隔热性和耐侵蚀性的陶瓷粉末。
技术介绍
不断地探索改善以增加燃气轮机的操作温度，从而实现较高的能量输出和效率。由于较高的操作温度，在汽轮机内需要热气路径(HGP)部件以经受日益增加的温度。常常期望热气路径部件在接近其熔点的温度下操作。因此，使用复杂的冷却过程和改善的材料来减轻对热气路径部件的损坏。在许多情况下，形势可能需要通过将阻热涂层沉积在直接暴露于热气路径的热气路径部件的外表面上而进一步增加热气路径部件的操作温度。在诸如燃烧器、高压汽轮机(HPT)静叶(blade)、动叶(vane)和罩子的部件上使用阻热涂层(TBCs)在商业以及军用燃气轮机发动机中逐渐增加。由TBC提供的隔热使得这类部件能够经受住较高的操作温度，增加部件耐用性并且改善发动机可靠性。TBCs通常由陶瓷材料形成且沉积在环保粘结涂层上以形成所谓的TBC系统。用于TBCs的陶瓷材料的著名实例包括用氧化钇(钇氧化物；Y203)部分或完全稳定化的氧化锆或诸如氧化镁、氧化铈、氧化钪和/或氧化钙的另一氧化物及任选的用以降低导热率的其他氧化物。二元氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)由于其高温性能、低导热率和相对易于沉积而作为TBC材料广泛使用。使氧化锆稳定化以抑制在约1000°c下的四方晶到单斜晶的相变，该相变引起可造成剥落的体积变化。在室温下，如果氧化锆用至少约6重量％的氧化钇稳定化，则获得更稳定的四方晶相且单斜晶相减至最少。17重量％或更多的稳定剂(例如氧化钇)含量确保完全稳定的立方晶相。常规做法是用6-8重量％的氧化钇(6-8% YSZ)部分稳定化以获得在经受高温热循环时粘着且耐剥落的TBC。另外，已知部分稳定的YSZ (例如，6-8% YSZ)比完全稳定的YSZ (例如，20%YSZ)更耐侵蚀。可使用各种方法来沉积TBC材料，包括热喷涂法，诸如空气等离子体喷涂(APS)、真空等离子体喷涂(VPS)、低压等离子体喷涂(LPPS)和高速氧-燃料法(HVOF)。在燃气轮机发动机的最高温度区域内采用的TBCs常通过物理气相沉积(PVD)且特别是电子束物理气相沉积(EBPVD)来沉积，其产生能够在不引起导致剥落的破坏应力的情况下膨胀和收缩的柱状耐应变性晶粒结构。类似的柱状微结构可使用其他原子和分子气相方法生成，诸如派射(例如，高压和低压的标准或准直羽流(standard or collimated plume))、等离子体/阴极电弧沉积及所有形式的熔融和蒸发沉积法(例如，激光熔融等)。通过上述各种方法形成的TBCs由于在TBC微结构的晶界处和晶界之间存在微结构缺陷和孔而通常具有比相同组成的致密陶瓷低的导热率。为了改善TBC涂层，已经研发了复合材料或复合粉末(clad powder),其包含多于一种材料，其中各材料提供其自身固有的材料益处。例如，该粉末可为包含韧性金属基质和坚硬耐磨碳化物相的金属-陶瓷复合材料。或者，该粉末可为包含包封在聚合物中的陶瓷颗粒或包封在陶瓷中的聚合物的陶瓷-聚合物复合材料。该聚合物材料可通过在凝固之后氧化所得涂层而除去。该聚合物材料的去除在该涂层内产生开孔孔隙度，使得陶瓷顺应汽轮机静叶摩擦事件。然而，由多于一种陶瓷材料形成的复合粉末由于加工局限性而难以可靠地形成。鉴于上述，可以了解，不断地探索改善的涂布材料以使得部件能够在较高的温度环境中操作。
技术实现思路
本申请涉及以下方面。第I项.含有粉末颗粒的陶瓷粉末，多个所述粉末颗粒各自包括由第一材料形成的内核和在所述内核的表面上由第二材料形成的外区，其中所述内核具有比所述外区低的导热率且相对于所述内核而言，所述外区更耐侵蚀。第2项.根据第I项的陶瓷粉末，其中所述内核具有约0.5-约1.0WnT1Ir1的导热率。第3项.根据第I项的陶瓷粉末，其中所述内核的第一材料包含选自以下的组合物:基于Yb-La-Zr-的氧化物组合物、基于Yb-Sm-Zr-的氧化物组合物和基于Yb-Zr-的氧化物组合物。第4项.根据第I项的陶瓷粉末，其中所述外区的第二材料包含选自以下的组合物:基于Yb-Zr的氧化物组合物、基于La-Zr的氧化物组合物、基于Yb-La-Zr的氧化物组合物、基于Yb-Sm-Zr的氧化物组合物、基于Yb-混合稀土金属-Zr的氧化物组合物和基于混合稀土金属-Zr的氧化物组合物。第5项.根据第I项的陶瓷粉末，其中所述内核的第一材料由约30-约40重量％的氧化镱、约10-约25重量％的氧化镧和/或氧化钐、剩余量的氧化锆和偶然的杂质组成，且所述外区的第二材料由以下物质组成: 约8-约18重量％的氧化镱、剩余量的氧化锆和偶然的杂质；或 约25-约75重量％的混合稀土金属、剩余量的氧化锆和偶然的杂质。第6项.第I项的陶瓷粉末，其中所述内核的第一材料由约40-约70重量％的氧化镱、剩余量的氧化锆和偶然的杂质组成，且所述外区的第二材料由以下物质组成: 约1-约5重量％的氧化镱、约2-约8重量％的氧化镧、剩余量的氧化锆和偶然的杂质；或 约8-约18重量％的氧化镱、剩余量的氧化锆和偶然的杂质。第7项.由根据第I项的陶瓷粉末形成且布置在部件的表面区域上的涂层体系。第8项.在其上具有根据第7项的涂层体系的部件。第9项.根据第8项的部件，其中所述部件安装在燃气轮机中。第10项.形成含有粉末颗粒的陶瓷粉末的方法，所述方法包括: 形成所述粉末颗粒的核心，其中所述核心由第一材料形成；且随后 表面涂布所述核心以形成所述粉末颗粒的外区，其中所述外区各自由第二材料形成，所述核心各自具有比其外区低的导热率，且相对于其核心而言，所述外区各自更耐侵蚀。第11项.根据第10项的方法，其中所述形成步骤包括通过反向共沉淀形成沉淀物且随后加工所述沉淀物以形成所述核心。第12项.根据第11项的方法，其还包括共混所述核心与有机粘合剂且在所述加工步骤之后但在所述表面涂布步骤之前喷雾干燥所述核心。第13项.根据第10项的方法，其中所述表面涂布步骤通过化学气相沉积方法进行。第14项.根据第10项的方法，其中将所述核心表面涂布以具有约1-约90微米的平均粒度。第15项.根据第10项的方法，其中所述核心完全由所述第一材料组成。第16项.根据第10项的方法，其中所述外区完全由所述第二材料组成。第17项.根据第10项的方法，其中所述第一材料具有约0.5-约1.0WnT1Ir1的导热率。第18项.根据第10项的方法，其中所述第一材料选自基于Yb-La-Zr的氧化物组合物、基于Yb-Sm-Zr的氧化物组合物和基于Yb-Zr的氧化物组合物。第19项.根据第10项的方法，其中所述第二材料选自基于Yb-Zr的氧化物组合物、基于La-Zr的氧化物组合物、基于Yb-La-Zr的氧化物组合物、基于Yb-Sm-Zr的氧化物组合物、基于Yb-混 合稀土金属-Zr的氧化物组合物和基于混合稀土金属-Zr的氧化物组合物。第20项.通过根据第10项的方法生产的陶瓷粉末。本专利技术提供能够用于形成涂层以使得部件能够经受住诸如燃气涡轮机的恶劣热环境的高温环境的陶瓷粉末和形成所述陶瓷粉末的方法。根据本专利技术的第本文档来自技高网...

【技术保护点】
含有粉末颗粒的陶瓷粉末，多个所述粉末颗粒各自包括由第一材料形成的内核和在所述内核的表面上由第二材料形成的外区，其中所述内核具有比所述外区低的导热率且相对于所述内核而言，所述外区更耐侵蚀。

【技术特征摘要】
2013.02.18 US 13/769,5381.含有粉末颗粒的陶瓷粉末，多个所述粉末颗粒各自包括由第一材料形成的内核和在所述内核的表面上由第二材料形成的外区，其中所述内核具有比所述外区低的导热率且相对于所述内核而言，所述外区更耐侵蚀。2.权利要求1的陶瓷粉末，其中所述内核具有约0.5-约1.0Wn^k—1的导热率。3.权利要求1的陶瓷粉末，其中所述内核的第一材料包含选自以下的组合物:基于Yb-La-Zr-的氧化物组合物、基于Yb-Sm-Zr-的氧化物组合物和基于Yb-Zr-的氧化物组合物。4.权利要求1的陶瓷粉末，其中所述外区的第二材料包含选自以下的组合物:基于Yb-Zr的氧化物组合物、基于La-Zr的氧化物组合物、基于Yb-La-Zr的氧化物组合物、基于Yb-Sm-Zr的氧化物组合物、基于Yb-混合稀土金属-Zr的氧化物组合物和基于混合稀土金属-Zr的氧化物组合物。5.权利要求1的陶瓷粉末，其中所述内核的第一材料由约30-约40重量％的氧化镱、约10-约25重量％的氧化...

【专利技术属性】
技术研发人员：SS帕布拉，JL马戈利斯，P帕拉卡拉，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国;US