单层粘结涂层及施用方法技术

一种用于金属部件例如燃气涡轮的部件的保护性涂层系统（５０）包含超合金金属基材（４０）。在热喷雾法中，由均质粉末组合物将单层粘结涂层（５４）施用于所述超合金金属基材，所述组合物具有一定的粒径分布，其中约９０％体积的颗粒在约１０μｍ至约１００μｍ范围内。在所述范围内在任何１０μｍ区域内的颗粒的百分比不超过约２０％体积，并且在所述范围内在任何两个相邻的１０μｍ区域内的颗粒的百分比的偏差不超过约８％体积。

【技术实现步骤摘要】
专利
总体而言，本专利技术涉及施用于金属基材的保护性涂层。更具体地讲，本专利技术涉及 具有常规双层粘结涂层的益处的单层粘结涂层，以及涉及施用所述单层粘结涂层的相关方 法。
技术介绍
为了提高效率，不断地寻求燃气涡轮发动机的更高的工作温度。但是，随着工作温 度的升高，发动机部件的温度耐久性也必须相应地提高。采用下述方法已实现高温性能的 显著改进，通过配制镍和钴基超合金，以及通过在超合金基材的表面上直接沉积抗氧化的 覆盖涂层以在高温暴露期间形成保护性氧化物外皮。尽管如此，受覆盖涂层保护的超合金 通常不能使位于燃气涡轮发动机的某些部分的部件(例如燃烧器和增压器)保持足够的机 械性能。常见的解决方案为使这些部件绝热，从而使这些部件的运行温度最低。在高温部 件的暴露表面上形成的热阻挡涂层(TBC)系统广泛用于该目的。为了能够有效，TBC系统必须具有低热导率、与制品强粘着、在许多加热和冷却循 环中始终保持粘着。由于具有低热导率的材料与通常用于形成涡轮发动机部件的超合金 材料之间的热膨胀系数不同，因此后一个要求特别需要。能满足上述要求的TBC系统通常 需要在部件表面上沉积金属粘结涂层，再加上用于使部件绝热的粘着性热阻挡陶瓷层。各 种陶瓷材料已用作热阻挡层，特别是经氧化钇(Y2O3)、氧化镁(MgO)、氧化铈(CeO2)、氧化钪 (Sc2O3)或另一种氧化物稳定的氧化锆(ZrO2)。粘结涂层通常由抗氧化的含铝合金形成，以提高陶瓷层与部件粘着以及抑制下面 的超合金氧化。现有技术粘结涂层的实例包括覆盖涂层例如MCrAlY(其中M为铁、钴和/ 或镍)和扩散涂层例如扩散铝化物或铝化钼，这些为抗氧化的铝基金属互化物。粘结涂层 通常通过热喷雾法布置在基材上，所述热喷雾法例如真空等离子体喷雾(VPS)(也称为低 压等离子体喷雾(LPPQ)、空气等离子体喷雾(APQ和高速含氧燃料(HVOF)喷雾法。常规粘结涂层通常作为双层结构施用，其中首先在基材上沉积细粉末，以形成致 密的低氧化物(low oxide)层。通常使用市售可得的HVOF系统来沉积该层。通常公认的 是，常规HVOF法对粒径分布敏感，该方法通常需要-45+10 μ m的更细的颗粒。细颗粒层用 于保护基材免受氧化和腐蚀，但是该层的低表面粗糙度导致陶瓷材料层的粘着性不够。随后在细粉末层之上沉积粗粉末层，以获得所需程度的表面粗糙度，使得陶瓷材 料足够粘着。由于较低的设备成本以及容易施用和遮蔽，对于粗粉末层，通常优选APS粘结 涂层技术。通过形成粘结涂层促进陶瓷材料层与APS粘结涂层的粘着，使得表面粗糙度为 约200微英寸(约5 μ m)至约500微英寸(约13 μ m) Ra (算术平均粗糙度(Ra)，通过ANSI/ ASME Standard B461-1985 测定)。虽然通过APS施用的粘结涂层由于其粗糙度而提供了较好的TBC粘着，但是粗粉 末层通常不适合用作保护性涂层系统。粗粉末层相对多孔且易于被氧化破坏。因此，常规粘结涂层作为双层在单独的工艺中使用单独的设备构造施用，以获得期望的特征——致密的低氧化物保护层以及粗粉末层的表面粗糙度。但是，这种操作需要 保持粉末库存以及不同的涂覆系统。该方法耗时，因为其涉及建立两种不同的过程，并且由 于设备或粉末混合可能导致已涂布的零件返修。因此，本领域将受益于由单一粉末组合物施用单层粘结涂层的改进的工业可用的 方法，其中所述粘结涂层具有常规双层粘结涂层期望的性能。
技术实现思路
本专利技术的各方面和优点将在以下描述中分成几部分进行说明，或者可由该说明显 而易见，或者可通过本专利技术的实践得知。本专利技术提供了一种用于金属基材的保护性涂层系统，并且特别适用于发动机燃气 涡轮的金属部件。所述系统包含超合金金属基材，具有施用于所述基材的单层粘结涂层。在 热喷雾法例如高速含氧燃料(HVOF)法中，由均质粉末组合物施用粘结涂层，产生具有与双 层粘结涂层可比性能的粘结涂层。所述粉末组合物具有一定的粒径分布，其中约90%体积 的颗粒在约10 μ m至约100 μ m范围内。在所述范围内颗粒分布较均勻，在所述范围内在任 何10 μ m区域内的颗粒的百分比不超过约20%体积，并且在所述范围内在任何两个相邻的 IOym区域内的颗粒的百分比的偏差不超过约8%体积。所述涂层系统还可包含施用于所 述单层粘结涂层的陶瓷热阻挡层，或者所述粘结涂层可为保护性涂层系统中仅有的层。本专利技术还包括一种用于在金属基材上形成保护性涂层系统的方法。所述方法包括 在热喷雾法例如HVOF法中，由均质粉末组合物将单层粘结涂层施用于超合金金属基材，例 如M或Co基超合金，所述组合物具有一定的粒径分布，使得所得到的粘结涂层具有与双层 粘结涂层至少可比的性能。约90%体积的颗粒在约ΙΟμπι至约IOOym范围内。在所述范 围内在任何IOym区域内的颗粒的百分比不超过约20%体积，并且在所述范围内在任何两 个相邻的IOym区域内的颗粒的百分比的偏差不超过约8%体积。根据本专利技术方法形成的 单层粘结涂层的表面粗糙度Ra可为至少约300微英寸，密度至少为理论密度的约90% ；并 且粘结涂层-基材的拉伸强度至少为约6. Oksi。粘结涂层粉末组合物可包含MCrAlY合金 颗粒，其中M为铁、钴或镍中的至少一种。在所述方法的进一步改进方案中，在所述单层粘 结涂层之上施用陶瓷热阻挡层，其中热阻挡层-粘结涂层的拉伸强度超过陶瓷层的内聚强 度，而与陶瓷层的形态无关。该陶瓷阻挡层可例如由市售可得的经氧化钇稳定的陶瓷涂层 颗粒形成。在以下描述中将更详细地描述本专利技术的这些和其他实施方案和特征。 附图说明参考附图，在说明书中描述本专利技术的全部和可实现的公开，包括指导本领域普通 技术人员的最佳实施方式，其中图1为具有双层粘结涂层的常规热阻挡涂层保护性系统的截面图2为根据本专利技术的各方面的施用于金属基材的单层粘结涂层的截面图3为根据本专利技术的各方面的具有单层粘结涂层的热阻挡涂层系统的截面图4为常规燃气涡轮叶片结构的透视图5为各种粉末组合物的粒径分布特性图6至图8为根据本专利技术的各方面的具有第一个实施方案的单层粘结涂层的试样 的显微照片；并且图9至图11为根据本专利技术的各方面的具有第二个实施方案的单层粘结涂层的试 样的显微照片。具体实施方式现在详细参考本专利技术的各实施方案、在附图中说明的一个或多个实施例。提供各 实施例用于说明本专利技术，而不是要限制本专利技术。实际上，对于本领域技术人员来说显而易见 的是，在不偏离本专利技术的范围或精神的情况下，可对本专利技术进行各种修改和变化。例如，作 为一个实施方案的一部分说明或描述的特征可与另一实施方案一起使用，以得到再一个实 施方案。因此，预期本专利技术涵盖在所附权利要求及其等价物的范围内的这些修改和变化。如前面所讨论的，热阻挡涂层(TBC)系统通常用于提高暴露于高温的金属部件 (例如喷嘴、动叶、壳体、翼、以及其他燃气涡轮部件)的效率和性能。常规燃气涡轮中的燃 烧气体温度保持尽可能高以获得工作效率，并且涡轮燃烧部件和发动机的其他元件通常由 可耐高温环境的合金(例如，超合金)制成，其工作温度极限可为约1000-115(TC。通过保 持或降低用于形成各种发动机部件的合金的表面温度，TBC系统有效提高涡轮的工作温度。TBC系统对于保护各本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于金属部件的保护性涂层系统（５０），所述系统包含：超合金金属基材（４０）；施用于所述超合金金属基材的单层粘结涂层（５４），在热喷雾法中由均质粉末组合物施用所述粘结涂层，所述组合物具有一定的粒径分布，其中：约９０％体积的颗粒在约１０μｍ至约１００μｍ范围内；在所述范围内在任何１０μｍ区域内的颗粒的百分比不超过约２０％体积；并且在所述范围内在任何两个相邻的１０μｍ区域内的颗粒的百分比的偏差不超过约８％体积。

【技术特征摘要】
US 2009-9-30 12/5700111.一种用于金属部件的保护性涂层系统(50)，所述系统包含 超合金金属基材GO)；施用于所述超合金金属基材的单层粘结涂层(M)，在热喷雾法中由均质粉末组合物施 用所述粘结涂层，所述组合物具有一定的粒径分布，其中 约90%体积的颗粒在约10 μ m至约100 μ m范围内； 在所述范围内在任何ΙΟμπι区域内的颗粒的百分比不超过约20%体积；并且 在所述范围内在任何两个相邻的10 μ m区域内的颗粒的百分比的偏差不超过约8%体积。2.权利要求1的系统(50)，其中所述粘结涂层(54)具有以下另外的特征 表面粗糙度Ra至少为约300微英寸；密度至少为理论密度的约90% ；并且 粘结涂层-基材的拉伸强度至少为约6. Oksi。3.权利要求1的系统(50)，其中在热喷雾法中施用所述单层粘结涂层(M)，其中颗粒 速度至少为约300m/s。4.权利要求1的系统(50)，所述系统进一步包含在所述单层粘结涂层(54)之上施用 的陶瓷热阻挡涂层(38) (TBC)，并且TBC-粘结涂层的拉伸强度超过所述陶瓷热阻挡涂层材 料的内聚强度。5.权利要求1的系统(50)，其中所述金属基材00)为燃气涡轮的部件。6...

【专利技术属性】
技术研发人员：JL马戈利斯，JG阿尔巴内塞，TJ穆思，SD迪龙，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]