氧化物和非氧化物的复合热喷涂粉末制造技术

复合热喷涂粉末通过制造具有不同化学组成、粒度范围和形态的两种或更多种粉末原料组分而形成，这些不同的特征由不同的粉末制造工艺产生。所得涂层通常用作可磨耗密封、热障涂层或环境障涂层，具有与当前涂层材料相比改善的温度抗性，并在更长的时间跨度期间保持有利的性能。所述热喷涂涂层可通过使用所述的由两种或更多种粉末组分组成的复合粉末形成，所述两种或更多种粉末组分具有在粒度、形态和/或化学组成方面中的至少一种不同的粉末部分，或者通过共喷涂具有至少不同形态的所述的单一组分而形成，所述形态如附聚的、附聚并烧结的、包层的、熔融并破碎的或中空炉球形粉末。熔融并破碎的或中空炉球形粉末。熔融并破碎的或中空炉球形粉末。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】氧化物和非氧化物的复合热喷涂粉末
[0001]相关申请的交叉参考
[0002]本申请要求2021年1月12日提交的美国临时申请第63/136,413号的权益和优先权，其公开通过引用以其全部明确地并入本文。
[0003]背景
[0004]1.公开领域
[0005]示例实施方案涉及由几种粉末制造方法产生的在粒度范围、形态和化学组成方面不相似的多种粉末部分的用途。特别是，示例实施方案涉及均化的粉末部分的热喷涂，所述均化的粉末部分具有适合于施加涂层的化学成分，所述涂层表现出可包括热障保护和/或环境障保护和/或间隙控制的功能性。
[0006]2.背景信息
[0007]涂层形态和化学组成是热喷涂涂层施加的相关因素，并且与粉末原料的起始特性如其形态、粒度分布和化学成分有关。上述粉末特性与所得涂层性能之间的关系用于设计适合于特定功能性的热喷涂涂层，所述特定功能如热障保护、环境障保护以及涡轮机械中的间隙控制(可磨耗)涂层。在热喷涂的可磨耗涂层的情况下，这些涂层广泛用作航空发动机中以及燃气和蒸汽涡轮机中的间隙控制技术，例如作为密封，防止发动机叶片尖端与周围涡轮机壳体之间的不需要的气体的回流(backstream)。将牺牲性可磨耗涂层用于航空和固定式燃气涡轮机是通过减少转子与定子组件之间的尖端间隙来提高发动机效率的一种手段。适当地设计的可磨耗涂层间隙控制系统不仅提高发动机效率，它还通过允许旋转组件与在入侵的情况下将几乎不或不造成组件损伤的表面摩擦来增加安全裕度。除热喷涂的可磨耗材料的密封功能之外，这些涂层还可提供另外的功能性，如热障和/或环境障保护，所述另外的功能性通过减少到组件中的热通量(例如热障涂层)或通过将基底隔离周围大气密封(在环境障涂层的情况下)，允许定子组件在高温环境中幸存。
[0008]概述
[0009]示例实施方案涉及通过热喷涂方法施加的涂层，该涂层在高温环境中呈现热保护和/或环境保护和/或间隙控制的功能性，其中涂层的基础材料包含由不同粉末制造方法产生的不同组成和/或粒度部分和/或形态的多种陶瓷粉末。施加到航空发动机和基于陆地的涡轮机的围带部分的可磨耗涂层帮助密封旋转叶片/肋片与周围发动机定子结构之间的间隙。密封间隙有助于通过牺牲可磨耗涂层以保护叶片来最小化泄漏空隙，并因此提高发动机效率和寿命。不断地寻求用于燃气涡轮发动机的更高操作温度以提高效率。然而，随着操作温度的提高，发动机的组件的高温耐久性也必须相应地提高。在这样的高温下，基于陶瓷的热喷涂可磨耗涂层倾向于烧结，这导致硬度增加到高于不可接受的水平，对此在摩擦事件的情况下更有可能发生叶片的损伤。所公开的专利技术描述了由几种粉末制造方法和组成产生的在粒度范围和形态方面不相似的多种粉末部分的用途。发现所建议的不相似的颗粒形态和尺寸范围的组合产生了表现出好的可磨耗性、足够的对固体颗粒侵蚀的抗性和优异的对烧结的抗性而无或具有有限的时效硬化的涂层。在组件如燃烧器、高压涡轮叶片、旋片、围带等等上施加热障涂层(TBC)。施加TBC允许提高热气路组件的操作温度，这可导致更高
的能量输出和改善的发动机效率。由TBC提供的热绝缘使得被TBC涂覆的组件能够在更高的操作温度下幸存，提高了组件耐久性并改善了发动机可靠性。在高温能力方面，已经取得了重大进展，并且常规的钇稳定化的氧化锆(YSZ)可用于TBC体系中的热绝缘。由于在应力下四方到单斜相变的所致的生长裂纹的前缘处的增韧机制，因此具有加入6至8重量％氧化钇的氧化锆的涂层提供了所需的抗热冲击性，其中YSZ的关键优势还有更弹性顺应，这导致低的杨氏(E)模量。稀土稳定化的氧化锆涂层的最高90重量％的稀土元素的增加的使用可导致热导率降低并且可避免涂层相变，该涂层以其立方形式完全稳定化。通过热喷涂技术加工以形成涂层的粉末材料可通过各种方法生产。生产此类粉末材料的目标是获得好的流动性、组成中的偏差低或无偏差、再现性和易于制造。所得粉末的形态根据用于制造粉末的制造工艺而不同，并且因此所得涂层的涂层微观结构和性能不同。可使用各种类型的粉末。例如，附聚的(Aggl.)、附聚并烧结的(A&S)、中空炉球形粉末(HOSP)、化学或物理包层的(Clad)和熔融并破碎的(F&C)粉末是典型的粉末制造步骤，所述粉末制造步骤导致独特的颗粒形态。发现使用由这些不同的粉末制造方法产生的在粒度范围和形态方面不相似的多种粉末部分生产了具有独特性能的涂层。
[0010]当使用熔融并破碎的粉末结构时，可实现较致密的涂层结构，这可导致提高的粘附强度和杨氏模量，从而改善对固体颗粒侵蚀的涂层抗性。附聚并烧结的粉末由细初级颗粒生产，这允许更好地控制化学组成和单独颗粒的内聚力。附聚并烧结的粉末用于提供孔隙率和侵蚀抗性的所需的平衡，以及有效的沉积效率。大的附聚体嵌入由附聚并烧结的粉末制成的涂层中，这产生较低热导率应用所需要的提高的孔隙率。虽然使用具有粗粒度的附聚的颗粒从喷涂工艺中产生微观结构中的大孔隙率，使颗粒未熔融，但粗粒度和粉末易于破碎的组合倾向于降低喷涂沉积效率。具有附聚的粉末作为原料的益处包括由于颗粒之间的更松散的结合，因此涂层微观结构从切削中利用更少的能量破碎。然而，这对涂层的侵蚀抗性可具有负面影响。包层粉末可通过已知的机械和/或化学包层工艺制备。粉末状材料可仅为助熔剂材料以促进结合，或者对于其中需要包层材料的功能性层的实施方案，粉末状材料可含有作为置于粉末状助熔剂材料层下的单独层的粉末，或与粉末状助熔剂材料混合的粉末，或与助熔剂材料合并成复合颗粒的粉末，使得熔化在表面上形成包层材料层。因此，优化包层结构可生产具有更大耐久性的涂层，并通过在微观结构中随机分布的柱与球(nodules)之间具有空隙，在长期的使用时间期间提供优异的热绝缘。
[0011]示例实施方案涉及粉末，所述粉末具有粒度中的双峰分布，与两种或更多种粉末形态组合，以产生具有硬度、热疲劳抗性、热冲击抗性、侵蚀抗性和烧结抗性的更好平衡的涂层，并在涡轮机组件的整个完整寿命中允许好的可磨耗性能。所得产物可包含多于一种粉末或组分或形态，本文也称为组分。初级组分可为基质形成剂，且一种或多种二级组分可为孔隙率形成剂或结构硬化剂，添加所述孔隙率形成剂或结构硬化剂以针对给定应用定制和优化所得涂层。
[0012]陶瓷可磨耗涂层在改善涡轮发动机中的高温部分的切削性能中提供优势。陶瓷因其对高温的抗性而是有利的，所述高温达到高于1000℃，但是这些材料的通常较高的硬度也可导致在例如基于镍超合金的涡轮叶片(航空航天发动机或燃气的涡轮机部分)上的磨损损伤。所公开的专利技术的复合粉末使用由不同制造技术产生的不同颗粒形态，这可改善在可磨耗性方面的涂层性能，并且这些性能可在涂层的使用寿命期间保持。除复合粉末之外，
错位剂(dislocator)或逃逸相的充分混合可通过在涂层基质中提供必要的孔隙率来进一步改善在可磨耗性方面的涂层性能，所述错位剂或逃逸相选自聚合物(例如聚酯、PMMA、聚酰亚胺、
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)、固体润滑剂(例如六方氮化硼、氟化钙、石墨、
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)和/或可替代本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于制备热喷涂粉末的方法，所述方法包括：制备多种粉末，每种粉末具有不同组成比率或不同形态中的至少一种；和合并所述多种粉末中的两种或更多种以形成复合粉末。2.权利要求1所述的方法，其中所述合并的多种粉末中的两种或更多种包含材料，所述材料选自至少一种主要组分和一种或多种次要组分的组合。3.权利要求2所述的方法，其中使用不同的制造工艺制备所述多种粉末中的两种或更多种。4.权利要求2所述的方法，其中将至少具有不同颗粒范围或不同化学组成的所述多种粉末中的两种或更多种与错位剂或逃逸相充分混合，所述错位剂或逃逸相选自但不限于聚合物、氮化硼、膨润土、滑石、氟化钙或石墨。5.权利要求2所述的方法，其中所述合并的多种粉末中的两种或更多种进一步包含至少一种错位剂或逃逸相，所述错位剂或逃逸相选自聚酯、氮化硼或石墨。6.权利要求1所述的方法，其中所述多种粉末中的两种或更多种中的至少一种包含至少一种陶瓷复合材料，所述陶瓷复合材料选自氧化铝、钡锶铝硅酸盐、氧化钙、氧化铪、高熵氧化物、氧化镁、莫来石、硅氧化物和氧化锆。7.权利要求6所述的方法，其中所述高熵氧化物包含具有至少三种主要元素的基质，每种所述主要元素构成所述基质的5重量％和35重量％之间。8.权利要求6所述的方法，其中所述至少一种陶瓷包含选自以下各项中的稀土氧化物：Ce、Dy、Er、Eu、Gd、Hf、Ho、La、Nd、Lu、Pm、Pr、Sc、Sm、T...

【专利技术属性】
技术研发人员：S，
申请(专利权)人：欧瑞康美科美国公司，
类型：发明
国别省市：