施涂热障涂层的方法技术

为了施涂热障涂层（10），由等离子炬在工作腔（2）中产生等离子体射流（5）并将其导向引入工作腔内的基体（3）的表面，通过PS-PVD在基体表面上施涂陶瓷涂料，其中将涂料作为粉末注入等离子体射流中并在其中部分或完全气化。在施涂热障涂层时，在第一工作步骤中，注入粉末的进料速率设定为使得大部分的注入粉末气化，其中涂料从气相中凝结到基体表面上，并与基体表面的材料形成混合相。在第二工作步骤中，将注入粉末的进料速率提高至少5倍，从而气化的注入粉末的相对比例降低，且涂料以细长柱的形式沉积，所述细长柱形成了各向异性的微观结构，且取向为基本上垂直于基体表面。

【技术实现步骤摘要】
施涂热障涂层的方法
本专利技术涉及依照权利要求1的前序部分在基体表面上施涂热障涂层（thermalbarriercoating）的方法和具有这类热障涂层的基体。
技术介绍
热障涂层用于机械和工艺中以保护经受高热应变的部件不受热量、热气体腐蚀和侵蚀的影响。机械和工艺效率的提高通常仅可通过工艺温度的提高来实现，从而使得暴露的部件必须受到相应保护。因此，例如航空发动机和固定式燃气轮机中的涡轮叶片通常设有热障涂层或通常设有多层热障涂层系统以保护该涡轮叶片不受热工艺温度的影响，并延长保养间隔和使用寿命。取决于用途，热障涂层系统可包括一个或多个层，例如阻挡层特别是扩散阻挡层、粘合促进层（adhesionpromotinglayer）、热气体腐蚀保护层、保护层、热障涂层和/或覆盖层。在上述涡轮叶片的实例中，基体通常由基于Ni的合金或基于Co的合金制造。施涂到涡轮叶片上的热障涂层系统可例如以上升顺序（risingorder）包括以下层：-金属阻挡层，例如由NiAl相或NiCr相或合金构成；-金属粘合促进层，其还可充当热气体腐蚀保护层且可以例如由金属铝化物如NiAl、NiPtAl或PtAl制成，或者由MCrAlY合金制成，其中M表示金属Fe、Ni或Co中一种或者Ni与Co的组合；-氧化物陶瓷保护层，例如主要由Al2O3或其他氧化物构成；-氧化物陶瓷热障涂层，例如由稳定（stabilized）氧化锆构成；和-氧化物陶瓷平滑层（smoothinglayer）或覆盖层，例如由稳定氧化锆或SiO2构成。所述热障涂层包含一个或多个陶瓷涂料层，下文将对其制备进行说明。热障涂层施涂到基体表面上，如在上述涡轮叶片的实例中那样，该基体表面可以由金属粘合促进层和/或热气体腐蚀保护层提供。如果通过大气等离子体喷涂（APS）施涂氧化物陶瓷热障涂层，那么熔化的涂料在基体表面上固化并通常形成薄层。通过APS施涂的薄热障涂层具有以下缺点：它们具有相对较低的拉伸耐受性（stretchtolerance）且在循环热应变下（cyclicthermalstrain）容易剥落。在文献US5,238,752中，描述了施涂到金属基体表面上的热障涂层系统的制备。基体本身由Ni合金或Co合金构成，而金属基体表面由25µm至125µm厚的Ni铝化物或Pt铝化物粘合促进层形成。通过热氧化在此基体表面上形成了0.03µm至3µm厚的Al2O3氧化物陶瓷保护层，随后通过电子束物理气相沉积（EB-PVD）沉积了125µm至725µm厚的由ZrO2和6-20wt%的Y2O3构成的氧化物陶瓷热障涂层。在EB-PVD工艺中，将待沉积为热障涂层的物质（例如具有8%Y2O3的ZrO2）在高真空度下通过电子束引入蒸气相中，并从该蒸气相中冷凝到待涂覆的组件上。如果以适当方式选择工艺参数，会得到柱状（columnar）微结构。由于柱状层的生长，以这种方式制备的热障涂层在循环热应变下具有相对较高的拉伸耐受性，使得可以提高热障涂层的使用寿命。然而，US5,238,752中描述的热障涂层结构的制备具有以下缺点：用于通过EB-PVD施涂热障涂层的设备成本相对较高，且施涂速度较低，使得通过EB-PVD施涂热障涂层相对较为昂贵。从WO03/087422A1中获知还可以通过LPPS薄膜工艺制备具有柱状结构的热障涂层。在WO03/087422A1中描述的等离子体喷涂工艺中，将待涂覆材料通过等离子体射流喷涂到金属基体表面上。在这方面，将涂料注入使粉末射流散开（defocusing）的等离子体中，并在其中在小于10kPa的低工艺压力下部分或完全熔化。为此目的，产生了具有足够高的比焓的等离子体，使得所述涂料的实质部分，占至少5wt%，变为蒸气相。借助该涂料在基体上施涂了各向异性结构的层。在此层中，形成各向异性微结构的细长微粒（下文称作柱）大部分直立地（standing）垂直于基体表面取向（aligned），其中各柱彼此由低材料（low-material）的过渡区隔开（delineated），由此形成柱状结构。WO03/087422A1中描述的用于制备具有柱状结构的热障涂层的等离子体喷涂工艺与LPPS薄膜工艺联系到一起提及，是因为其利用了由通常为100kPa的等离子炬内部压力与小于10kPa的工作腔内压力之间的压力差产生的宽等离子体射流。然而，因为使用上述工艺产生的热障涂层的厚度可以高达1mm或更厚，因而实际上并不在术语“薄膜”的覆盖范围内，因此所述方法在下文中称作等离子体喷涂物理气相沉积工艺或简称为PS-PVD工艺。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供与EB-PVD工艺相比更经济的施涂热障涂层的方法，其中在基体表面上施涂的热障涂层的粘合强度和在循环热应变下的拉伸耐受性与通过EB-PVD施涂的热障涂层的粘合强度和拉伸耐受性相当。另一目的是提供具有这类热障涂层的基体或工件。依照本专利技术通过权利要求1限定的方法和权利要求10限定的基体和工件满足了这一目的。在依照本专利技术的在基体表面上制备热障涂层的方法中，提供具有等离子炬的工作腔；产生等离子体射流，例如其中将等离子气体引导通过等离子炬并在其中加热，例如通过气体放电或电磁感应或微波加热；以及将等离子体射流导向引入工作腔中的基体的表面。进一步地，在该方法中，通过等离子体喷涂物理气相沉积（或简称PS-PVD）将陶瓷涂料施涂到基体表面上，其中该涂料作为粉末注入所述等离子体射流中并在其中部分或完全气化。此外，在施涂该热障涂层时，在第一工作步骤中注入粉末的进料速率设定为使得大部分注入粉末气化，特别地使得超过80wt%的注入粉末气化，或者使得注入粉末几乎完全气化，和/或使得所施涂的层基本上没有任何斑点（splats）或纳米尺寸的簇（cluster），其中所述涂料由气相中凝结到基体表面上，即主要作为原子和/或分子沉积并与基体表面的材料形成混合相。随后，在第二工作步骤中，将注入粉末的进料速率提高至少3倍，特别地提高至少5倍或至少10倍，从而气化的注入粉末的相对比例降低，并且所述涂料以细长柱的形式沉积，所述细长柱形成了各向异性的微观结构，并且基本上垂直于基体表面取向。如果气化或形成纳米尺寸簇的注入粉末比例过低，那么通常在所施涂的层上观察到所谓的斑点，即隔开的固化涂料溅斑区域。在使用Ar和H2的混合物作为等离子气体时这种现象以增强的方式发生。基体表面和/或位于其下的基体通常是金属的，其中基体能够由超合金（superalloy）制成，而基体表面例如能够由粘合促进层和/或热气体腐蚀保护层形成，例如由金属铝化物层如NiAl、NiPtAl或PtAl形成，或者由MCrAlY型合金层形成，其中M=Fe、Co、Ni或NiCo。如果需要，所述粘合促进层和/或热气体腐蚀保护层能够在上述热障涂层之前通过等离子体喷涂工艺或其他适合的工艺施涂到基体表面上。如果需要，基体表面能够由氧化物层形成，例如包含Al2O3或Al2O3+Y2O3或者由Al2O3或Al2O3+Y2O3构成的热氧化物层，和/或施涂到粘合促进层和/或热气体腐蚀保护层上的氧化物层。该氧化物层能够例如在工作腔中热生成，其中将氧气或含氧气体引入工作腔中并且通过例如等离子体射流加热基体表面。产生的氧化物层有利地包含较高比例的α-Al2O3，其在基体使用条件下本文档来自技高网...

【技术保护点】
将热障涂层（10）施涂到基体表面上的方法，其中在该方法中：??提供具有等离子炬（4）的工作腔（2）；??产生等离子体射流（5），并将其导向引入工作腔中的基体（3）的表面；??通过等离子体喷涂物理气相沉积或简称PS?PVD将陶瓷涂料施涂到基体表面上，其中将该涂料作为粉末注入等离子体射流中并在其中部分或完全气化，其特征在于：??在施涂热障涂层（10）时，在第一工作步骤中注入粉末的进料速率设定为使得大部分的注入粉末气化，特别是使得超过80wt%的注入粉末气化，或者使得注入粉末几乎完全气化；和/或其中所施涂的层基本上没有斑点或纳米尺寸的簇；??在第一工作步骤中，涂料从气相中凝结到基体表面上，并与基体表面的材料形成混合相；??在第二工作步骤中，将注入粉末的进料速率提高至少3倍，特别是提高至少5倍或至少10倍，从而气化的注入粉末的相对比例降低；以及??在第二工作步骤中，涂料以细长柱的形式沉积，所述细长柱形成了各向异性的微观结构，并且取向为基本上垂直于基体表面。

【技术特征摘要】
2012.02.23 EP 12156756.41.将热障涂层(10)施涂到基体表面上的方法，其中在该方法中：-提供具有等离子炬(4)的工作腔(2)；-产生等离子体射流(5)，并将其导向引入工作腔中的基体(3)的表面；-通过等离子体喷涂物理气相沉积或简称PS-PVD将陶瓷涂料施涂到基体表面上，其中将该涂料作为粉末注入等离子体射流中并在其中部分或完全气化，其中：-在施涂热障涂层(10)时，在第一工作步骤中注入粉末的进料速率设定为使得大部分的注入粉末气化，或者使得注入粉末几乎完全气化；和/或其中所施涂的层基本上没有斑点或纳米尺寸的簇；在第一工作步骤中，涂料从气相中凝结到基体表面上，并与基体表面的材料形成混合相；-在第二工作步骤中，与所述第一工作步骤中注入粉末的进料速率相比，将注入粉末的进料速率提高到至少3倍，从而与所述第一工作步骤中气化的注入粉末的相对比例相比，气化的注入粉末的相对比例降低，在第二工作步骤中，涂料以细长柱的形式沉积，所述细长柱形成了各向异性的微观结构，并且取向为基本上垂直于基体表面；和-在所述第一和第二工作步骤中沉积的陶瓷涂料形成所述热障涂层。2.权利要求1的方法，其中所述基体表面由粘合促进层和/或热气体腐蚀保护层(13)形成。3.权利要求2的方法，其中所述基体表面由MCrAlY型合金层，其中M＝Fe、Co、Ni或NiCo，或金属铝化物层形成。4.权利要求1的方法，其中所述基体表面由氧化物层、施涂到粘合促进层和/或热气体腐蚀保护层(13)上的氧化物层中的至少一种形成。5.权利要求4的方法，其中所述基体表面由包含Al2O3或Al2O3+Y2O3或者由Al2O3或Al2O3+Y2O3构成的热氧化物层形成。6.权利要求1的方法，其中基体(3)是金属的。7.权利要求6的方法，其中基体(3)是由超合金制成的。8.权利要求1的方法，其中所述陶瓷涂料包含氧化物陶瓷组分，和/或其中所述陶瓷涂料由稳定氧化锆构成，和/或包含稳定氧化锆作为组分。9.权利要求8的方法，其中所述陶瓷涂料由用钇、铈、钪、镝或钆稳定的氧化锆构成。10.权利要求1的方法，其中所述陶瓷涂料包含用钇、铈、钪、镝或钆稳定的氧化锆作为组分。11.权利要求1的方法，其中所述注入粉末的进料速率在第二工作步骤中逐步升高。12.权利要求1的方法，其中所述注入粉末的进料...

【专利技术属性】
技术研发人员：A霍斯帕赫，R瓦森，G毛尔，KH劳瓦尔德，D施特弗，K冯尼森，M金德拉特，
申请(专利权)人：于利奇研究中心有限公司，苏舍美特科公司，
类型：发明
国别省市：