有遮蔽的陶瓷热喷涂涂覆制造技术

本发明专利技术提供一种使用气体遮蔽在延长离开距离处热喷涂高熔点材料如陶瓷金属和产生与使用没有气体遮蔽的短离开距离具有相同性能的微观结构性能的独特方法。它特别用于在延长离开距离处控制陶瓷涂层的微观结构以有利于涂覆具有复杂形状的部件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般涉及陶瓷材料热喷涂领域，尤其用于在延长的离开距离(standoff)处喷涂陶瓷材料。
技术介绍
在热喷涂沉积中，粉末、线或棒形式的材料被加热至其熔点附近或刚好超过，熔化或接近熔化的颗粒在撞击到要被涂覆的表面即基材上前在气流中加速至高速。撞击时，颗粒流入到薄的层状板片(splat)上，并快速凝固和冷却。涂层由许多层板片组成。可通过热喷涂方法沉积材料如金属、陶瓷、金属陶瓷和一些聚合物。可使用各种热喷涂设备，包括等离子、爆炸喷枪、高速氧-燃料、光丝弧和火焰喷涂。其中，等离子喷涂对于陶瓷沉积是最好的之一，因为在等离子流出物中产生非常高的温度。通常通过在多程中相对于要被涂覆的零件移动热喷涂设备在表面上均匀分布材料来产生涂层，产生特殊的微观结构。这有助于控制正被涂覆的表面的温度和涂层中的残余应力。热喷涂沉积方法和涂层是众所周知的，并详细描述在大量参考文献中。决定涂层微观结构和性能的最重要参数包括颗粒温度、颗粒速度、颗粒在沉积过程中与环境反应的程度、沉积速度、撞击角、和基材温度以及先前沉积的涂层。颗粒被热喷涂设备的气态流出物加热(光丝弧方法除外)和加速，因此达到的温度和速度部分地为在流出物中停留时间的函数。停留时间由颗粒速度和热喷涂设备出口与基材之间的距离(称为离开距离)确定。热喷涂设备流出物的温度和速度在设备出口处降低相当快。因此，存在最佳离开距离，其允许足以加热和加速颗粒的距离或时间，但不会大到流出物和颗粒温度和速度开始明显降低。撞击角对涂层的微观结构和性能有很大影响。通常，最佳角度为90度或垂直于基材。当角度变小时，微观结构变得更无序和更不致密。这种下降出现的速度部分地为颗粒撞击时的速度和温度的函数。当热喷涂部件具有复杂形状时，有效离开距离和对沉积角度的敏感性尤其重要。热喷涂本质上为一类瞄准过程(sight process)，热喷涂设备的大小和正被涂覆的零件的形状限制热喷涂设备能与零件靠多近并仍保持允许的沉积角度。因此可能不能使热喷涂设备足够靠近表面以在足够的温度、速度和撞击角度下沉积颗粒产生具有合适微观结构的涂层。主要关心的颗粒在沉积过程中与环境的反应是氧化。热喷涂设备的流出物一离开热喷涂设备就开始与周围环境气体通常是空气混合。如果反应性材料被沉积，如大多数金属、聚合物材料，和在较少程度上为碳化物和氮化物，与流出物混合的空气中的氧可氧化材料，显著改变涂层的微观结构性能。离开距离越长，氧化程度越大。存在避免这种氧化的两种主要方法。一种是在惰性气体低压下在真空室中沉积涂层。在这种情况下，惰性气体通常是氩气而不是空气被引入到流出物中，没有氧化发生。这种技术已被很好地发展用于等离子喷涂沉积，并是非常有效的。由于低压环境，它具有较长离开距离的附加益处。但是，这种系统的投资成本和运行成本非常高，并且生产率低。替代方法是提供环绕流出物的共轴的惰性气体遮蔽或屏蔽以防止氧化。最有效的惰性气体遮蔽由Jackson专利技术，美国专利3470347。该专利技术提供了环绕等离子喷炬流出物的均匀湍流惰性气体(通常是氩气)流。它在防止沉积过程中反应性材料的氧化方面非常有效。另一专利技术通过在热喷涂喷嘴内引入垂直于热喷涂流出物的惰性气体流或通过平行于流出物排列的多孔介质到热喷涂设备的连接来提供层流气体遮蔽，从而与热喷涂流出物的相互作用形成气体层流层(M.S.Nowotarski等人，美国专利5486383)。所有已知的气体遮蔽都用于防止或减少沉积过程中的氧化量，因此只在沉积易氧化的材料时使用。通过几种热喷涂尤其是等离子喷涂可有效地沉积陶瓷涂层，并通常在沉积过程中耐氧化。因此，它们不使用气体遮蔽来沉积。主要由于陶瓷涂层的耐蚀性、耐磨性、电阻率，其被用于许多目的，或作为热屏障。热屏障涂层(TBC)用在燃气轮机燃烧器、叶片、翼片和密封片上以及一些内燃机部件上。根据为涂层和涂覆方法选择的材料，有多种热屏障涂层的变型方案。大多数TBC包括施加在金属基材部件上的金属粘合层，和在粘合层顶部上的陶瓷层，陶瓷层通常基于氧化锆，因为与金属合金相比它的热导率非常低。涂层的氧化锆层随具体要求而变化；例如从在一些涡轮叶片和翼上的约0.25mm(10密耳)到燃烧器上的超过2.5mm(100密耳)或更高。然而，取决于热和冷侧边界条件，涂层可降低基材温度200华氏度(111摄氏度)或更高。在叶片和翼上，TBC必须保护机翼，和通常连接平台或端壁。在燃烧器上，TBC被施加到内部表面上。可通过各种方法施加金属粘合层，包括热喷涂方法(例如有罩的空气等离子炬、真空室等离子炬、爆炸喷枪或高速氧-燃料喷枪)、气体扩散(例如包埋渗铝)和高级的电镀方法。可使用各种方法施加氧化锆陶瓷层，包括热喷涂和电子束物理气相沉积(EB-PVD)。在复杂形状如涡轮叶片或翼上施加热喷涂涂层中，存在影响涂层质量或有时甚至施加涂层可能性的几个问题。离开距离就是这样一个问题，因为它影响涂层的包括其孔隙率在内的微观结构。控制的孔隙率对TBC中氧化层的耐热冲击和热疲劳是必不可少的。零件的形状包括突起(如翼平台边)设定了可达到的最小离开距离。有时这意味着到其它区域如机翼的离开距离在比正常优选的长的离开距离。热喷涂中的另一个问题是涂层的局部沉积速度；即每单位时间每单位面积沉积的涂层材料量。它部分上受炬在零件上方移动的表面速度的控制。以这种方式控制沉积速度，以便沉积薄层涂层来控制涂层中的残余应力。在一种特别情况下，利用沉积速度和得到的层厚度控制应力，以便在垂直全厚度分段裂纹或单元上故意使氧化锆涂层裂开(Taylor，美国专利5073433)。表面速度是被精确控制以产生所需层厚度和具有特定裂纹间距的涂层的一个过程参数。对于复杂零件如机翼，没有炬或零件的机器控制通常不可能在零件周围同时控制表面速度和离开距离。机器控制对涂覆复杂形状是很好的，只要选择的表面速度在机器的控制速度范围内。这通常意味着对于机器施加涂层，表面速度必然较低，这可能难以或不能获得所需的沉积参数设置。总之，热喷涂方法的现有技术受它们在一些复杂零件上沉积具有所需微观结构、残余应力和其它性能的陶瓷涂层尤其是氧化物涂层的能力限制，部分地是由于所需离开距离和表面速度的受限范围。因此，对于陶瓷涂层的热喷涂沉积，具有延长允许的离开距离的方法将是非常有利的。专利技术概述本专利技术提供使用气体遮蔽热喷涂陶瓷材料产生具有所需微观结构的陶瓷涂层的独特方法，其使用比没有气体遮蔽产生相同微观结构的热喷涂的离开距离长至少20％的延长离开距离。优选地，离开距离可比没有气体遮蔽的热喷涂的离开距离长50％。其尤其用于在延长离开距离处使用遮蔽的热喷涂控制具有复杂形状的部件的陶瓷涂层所需微观结构。总之，基材表面和遮蔽式热喷涂设备的出口端之间的离开距离比非遮蔽式热喷涂设备的离开距离长至少20％，并且遮蔽式设备产生与使用非遮蔽式设备的较小离开距离产生的微观结构涂层类似或相同的微观涂覆层。优选实施方案描述本领域中已知的惰性气体遮蔽用于防止或减少沉积过程中反应性材料如金属的氧化。本领域技术人员能认识到当喷涂对氧化(或可能氮化)不敏感的材料时使用这种遮蔽是没有意义的。但是，现在已发现，使用这种遮蔽能获得附加的益处。发现当使用这种遮蔽时，热喷涂流出物的温度靠近热喷涂设备大大升高，温度随离设备的距本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热喷涂材料的方法，包括从热喷涂设备热喷涂所述材料以在基材表面至少一部分上产生所需微观结构涂层，其中热喷涂设备具有遮蔽气流基本环绕热喷涂设备流出物的共轴气体遮蔽，基材表面和有遮蔽的热喷涂设备的出口端之间的离开距离比没有遮蔽的热喷涂设备的离开距离长至少２０％，所述遮蔽气流动的热喷涂产生与使用没有遮蔽的热喷涂设备的较小离开距离产生的微观结构涂层类似的微观结构涂层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：TA泰勒，
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：US[美国]