改性热屏障复合涂层制造技术

提供一种新颖涂层体系，所述新颖涂层体系允许单涂层结构显示先前认为互斥的性质。采用具有柱状宏观结构的特别设计的底涂层以及经选择来与所述底涂层相容并且互补的第二涂层，提供了一种用于随所述涂层内的位置变化而调整涂层结构的特定性质的独特方法。所得的复合涂层体系可以维持热机械顺应性，同时改善所述复合涂层体系的各种整体(bulk)和/或自由表面性质。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总地涉及用于保护基底材料不受高温和腐蚀环境损害的热屏障复合涂层领域。专利技术背景施加在基底上的热屏障涂层（以下称为“TBC”）已知抑制热量流入基底中。TBC一般用以保护暴露于热燃烧气体的燃气涡轮发动机的合金部件。TBC可以通过蒸汽方法沉积，诸如物理蒸汽沉积(PVD)。这种PVD涂层通常由工艺条件产生，所述工艺条件被设计成促进提供顺应式微结构的离散的、紧密堆积的、柱状晶粒的成核和生长。柱状晶粒由小间隙分隔，所述小间隙可以减轻涂层中的应力。然而，所述柱之间的间隙可以提供用于污染物的渗透的通路，所述污染物可能诱发底层涂层和/或基底材料的腐蚀。作为替代，热屏障涂层可以通过大气等离子喷涂(APS)施加，其衍生自干粉源。APS涂层通过用等离子喷涂炬加热粉状金属氧化物或非氧化物材料的气推式喷雾而形成。将喷雾加热至粉末颗粒变得熔化的温度。熔化颗粒的喷雾对准基底表面，所述熔化颗粒的喷雾在受影响时在基底表面上固化而产生涂层。常规沉积态APS微结构已知的特征在于材料的重叠薄片激冷金属(overlappingsplats)。薄片激冷金属间边界可以紧密接合，或者可以由导致一些孔隙的间隙分离。相比于EB-PVD涂层，施加APS涂层一般更价廉，并且它们提供比柱状粒化结构更好的针对周围环境的热密封和化学品密封。然而，沉积态APS微结构中的薄片激冷金属间的间隙在暴露于高温时往往致密化。由于诱发涂层内的热应力的累积（可最终引起剥落）的重复热循环，这种致密化可能导致燃气涡轮机环境中的较短工作寿命。柱状结构可以通过使用APS方法（即，在环境温度和压力条件下执行的喷雾方法）使用一般由溶液或者悬浮液方式递送的纳米尺寸粉末而产生。柱间的间隙可以提供应变减轻。当等离子流出物和粒径被调整至所需的互相作用范围时，沉积材料的重叠层可以一起流动以形成邻近的颗粒层的柱状排序(ordering)。虽然这种柱状结构当与常规沉积态APS微结构相比可能具有一些优点，但这些涂层具有缺点，所述缺点包括：当调整至具有低柱内密度时的低耐侵蚀性；沿着柱间的间隙的直接的热路径；和/或可能的由柱间的间隙和低柱间密度所致的对化学渗入的低抵抗性。考虑到常规TBC的缺点，对具有顺应式结构的TBC的需要尚未满足，所述具有顺应式结构的TBC在热循环期间可以保持粘附至基底，同时通过抑制热量流向基底表面和阻挡可以诱发基底表面腐蚀和/或侵蚀的污染物的渗透通路来保护基底的完整性。
技术实现思路
本专利技术可以包括各种组合的任何以下方面，并且还可以包括以下描述于书面说明书中的本专利技术的任何其他方面。本专利技术提供一种涂层体系，所述涂层体系允许单涂层结构显示先前认为互斥的性质。本专利技术还提供用于随涂层内的位置变化而调整涂层结构的特定性质的独特方法。在第一方面，提供热屏障改性复合涂层，其包括：结合至基底的表面的第一涂层，所述第一涂层包括宏观柱状特征，所述宏观柱状特征的特征在于峰和谷在它们的对应自由表面上预定分布以在第一层与第二层之间产生改善的机械结合；来源于纳米尺寸和/或亚微米尺寸的薄片激冷金属的前体液体悬浮液的所述宏观柱状特征将在基底表面形成热机械顺应式界面，所述薄片激冷金属随机定向以产生针对第一涂层的各向同性结晶取向；所述薄片激冷金属包括非等轴柱状晶粒，所述非等轴柱状晶粒在冷却时朝与热流方向相反的方向生长；并且其中所述第二涂层结合至第一涂层的对应自由表面，在整体(bulk)和/或自由表面上的所述第二涂层与第一涂层相比具有至少一种改善的涂层性质。在第二方面，提供热屏障改性复合涂层，其包括：结合至光滑基底的表面的第一涂层，所述第一涂层具有小于约10μm的尺寸；所述第一涂层包括宏观柱状特征，所述宏观柱状特征的特征在于峰和谷在它们的对应自由表面上预定分布以在第一层与第二层之间产生改善的机械结合；来源于纳米尺寸和/或亚微米尺寸的薄片激冷金属的前体液体悬浮液的所述宏观柱状特征将在基底表面形成热机械顺应式界面，所述薄片激冷金属随机定向以产生针对第一涂层的各向同性结晶取向；所述薄片激冷金属包括非等轴柱状晶粒，所述非等轴柱状晶粒在冷却时朝与热流方向相反的方向生长，以产生各向异性结晶晶粒取向；和所述第二层包括结合至第一涂层的对应自由表面的致密涂层，所述致密涂层具有比第一涂层更低的孔隙率，所述致密涂层与第一涂层相比具有改善的机械侵蚀屏障。在第三方面，提供热屏障改性复合涂层，所述热屏障改性复合涂层包括：结合至光滑基底的表面的第一涂层，所述第一涂层具有小于约10μm的尺寸；所述第一涂层包括宏观柱状特征，所述宏观柱状特征的特征在于峰和谷在它们的对应自由表面上预定分布以在第一层与第二层之间产生改善的机械结合；来源于纳米尺寸和/或亚微米尺寸的薄片激冷金属的前体液体悬浮液的所述宏观柱状特征将在基底表面形成热机械顺应式界面，所述薄片激冷金属随机定向以产生针对第一涂层的各向同性结晶取向；所述薄片激冷金属包括非等轴柱状晶粒，所述非等轴柱状晶粒在冷却时朝与热流方向相反的方向生长，以产生各向异性结晶晶粒取向；所述第二层包括结合至第一涂层的对应自由表面的致密涂层，所述致密涂层具有比第一涂层更低的孔隙率，所述致密涂层来源于通过大气喷涂施加的干粉，所述涂层包括部分熔化和完全熔化的颗粒，与第一涂层相比具有改善的机械侵蚀屏障的。附图说明本专利技术的以上及其他方面、特征和优点将从与附图一同呈现的以下其更详细的描述更加显而易见，其中：图1a示出具有柱状晶粒宏观结构的本专利技术的代表性第一涂层的光学显微照片；图1b以更高放大倍数示出图1a的柱状晶粒涂层的光学显微照片；图2总体图示说明可以结合至图1a和图1b的第一涂层的自由表面的任何合适的第二涂层；图3图示说明根据本专利技术的实施方案的示例性复合涂层体系，其中第二涂层是密集柱状涂层；图4图示说明根据本专利技术的另一实施方案的示例性复合涂层体系，其中第二涂层是环境屏障涂层；图5图示说明根据本专利技术的又一个实施方案的示例性复合涂层体系，其中第二涂层是DVC；图6图示说明根据本专利技术的又一个实施方案的示例性复合涂层体系，其中第二涂层是可磨涂层；图7示出根据本专利技术的原理制备的柱状复合涂层体系的光学显微照片；图8示出根据本专利技术的原理制备的另一柱状复合涂层体系的光学显微照片；图9绘出并且比较不同热屏障涂层材料的各种炉循环测试的结果；和图10绘出并且比较不同热屏障涂层材料的各种机械侵蚀抵抗性测试的结果。专利技术详述本专利技术的目的和优点将从其优选实施方案的以下详细说明(inconnection)来更好地本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热屏障改性复合涂层，其包括：结合至基底的表面的第一涂层，所述第一涂层包括宏观柱状特征，所述宏观柱状特征的特征在于峰和谷在它们的对应自由表面上预定分布以在所述第一层与第二层之间产生改善的机械结合；来源于纳米尺寸和/或亚微米尺寸的薄片激冷金属的前体液体悬浮液的所述柱状特征将在所述基底表面形成热机械顺应式界面，所述薄片激冷金属被随机定向以产生针对所述第一涂层的各向同性结晶取向；所述薄片激冷金属包括非等轴柱状晶粒，所述非等轴柱状晶粒在冷却时朝与热流方向相反的方向生长，以产生各向异性结晶晶粒取向；并且其中所述第二涂层结合至所述第一涂层的对应自由表面，在整体和/或自由表面上的所述第二涂层与所述第一涂层相比具有至少一种改善的涂层性质。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.11.26 US 14/0905131.一种热屏障改性复合涂层，其包括：
结合至基底的表面的第一涂层，所述第一涂层包括宏观柱状特征，所述宏观柱状特征
的特征在于峰和谷在它们的对应自由表面上预定分布以在所述第一层与第二层之间产生
改善的机械结合；
来源于纳米尺寸和/或亚微米尺寸的薄片激冷金属的前体液体悬浮液的所述柱状特征
将在所述基底表面形成热机械顺应式界面，所述薄片激冷金属被随机定向以产生针对所述
第一涂层的各向同性结晶取向；
所述薄片激冷金属包括非等轴柱状晶粒，所述非等轴柱状晶粒在冷却时朝与热流方向
相反的方向生长，以产生各向异性结晶晶粒取向；并且其中所述第二涂层结合至所述第一
涂层的对应自由表面，在整体和/或自由表面上的所述第二涂层与所述第一涂层相比具有
至少一种改善的涂层性质。
2.如权利要求1所述的热屏障改性复合涂层，其中所述涂层性质选自导热性、耐侵蚀
性、耐腐蚀性和热机械顺应性。
3.如权利要求1所述的热屏障改性复合涂层，其中所述第一涂层还包括量相比于所述
第二涂层而言更大的内置孔隙率。
4.如权利要求1所述的热屏障改性复合涂层，其中所述第二涂层选自密集垂直破裂涂
层、可磨涂层、环境屏障涂层、致密柱状涂层、大气等离子喷涂涂层和它们的任何组合。
5.如权利要求1所述的热屏障改性复合涂层，其中所述基底包括光滑表面。
6.如权利要求1所述的热屏障改性复合涂层，其中所述峰和谷的至少部分具有基本不
一致的宽度和高度以形成具有扭曲的界面边界。
7.如权利要求1所述的热屏障改性复合涂层，其中所述涂层性质在所述第二涂层内以
连续方式分级，其中所述涂层性质在邻近于所述第一涂层和所述第二涂层的界面的第一位
置处具有第一值，所述性质沿着起始于所述第一位置并且沿朝向所述第二涂层的自由表面
上的点的方向延伸的路径从所述第一值变化。
8.如权利要求1所述的热屏障改性复合涂层，其中所述涂层性质在邻近于所述基底的
表面的第一位置处具有第一值并在沿着所述第二涂层的自由表面的点处具有第二值，其中
所述涂层性质以离散方式从所述第一值变化至所述第二值。
9.如权利要求1所述的热屏障改性复合涂层，其中所述第一涂层包括小于约25微米的
微结构特征。
10.如权利要求1所述的热屏障改性复合涂层，其中所述第一涂层包括约10微米至约50
nm范围内的微结构特征。
11.一种热屏障改性复合涂层，其包括：
结合至光滑基底的表面的第一涂层，所述第一涂层具有小于约10μm的尺寸；
所述第一涂层包括宏观柱状特征，所述宏观柱状特征的特征在于峰和谷在它们的对应
自由表面上预定分布以在所述第一层与第二层之间产生改善的机械结合；
来源于纳米...

【专利技术属性】
技术研发人员：CA佩托拉克，
申请(专利权)人：普莱克斯ST技术有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US