纳米多层结构、部件以及相关的生产方法技术

一种适合应用于高温应用的纳米多层结构（１０），其包括：许多的金属合金层（１２），该许多金属合金层（１２）每一层的厚度（１６）是纳米尺寸的；和以交替的方式排列在所述许多金属合金层（１２）之间的许多的氧化陶瓷层（１４），该许多氧化陶瓷层（１４）每一层的厚度（１６）是纳米尺寸的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总体涉及。更具体地说，本专利技术涉及在高温下使用的纳米多层涂层体系以及用来在诸如燃气轮机部件、航空器发动机部件及类似部件上沉积涂层体系的相关方法。
技术介绍
在很多工程应用中，为了满足日益增加的性能和效率需求，工作温度提高了。例如，在燃气轮机、航空器发动机等的燃气管道的温度已经提高到远远超过约1400℃。因此，这些燃气轮机、航空器发动机等的部件经常被暴露在超过约1000℃的温度下。为了承受如此高的温度，这些部件通常由高温镍、钴或铁基超合金制成。这些部件也由被称作热绝障涂层的环境或热阻隔涂层保护。然而，常规的高温涂层体系，例如MCrAlY和铝合物通常被开发以增强抗氧化性能，而耐磨性、抗冲击性、耐腐蚀性以及间隙控制却没有得到增强。因此，在温度超过约1000℃时，这些涂层体系没有保持它们的硬度，也没有表现出足够的耐磨性、抗冲击性、耐腐蚀性和控制间隙性。常规的热喷涂涂层体系，例如碳化钨和碳化铬以及常规的相加强涂层体系，例如Triballoy 800也是如此。同样地，常规的陶瓷热阻隔涂层在温度超过大约1000℃时，不具有所需要的韧性也没有展现足够的耐磨性、抗冲击性、耐腐蚀性和控制间隙性。因此，我们所需要的是一种在温度超过约1000℃时提供增强的耐磨性、抗冲击性、耐腐蚀性和控制间隙性的涂层体系。在如此高的温度下，该涂层体系必须保持其硬度、韧性和抗氧化性。最后，该涂层体系必须能够通过使用常规的沉积方法沉积在例如燃气轮机部件、航空器发动机部件以及类似部件上。
技术实现思路
在本专利技术的各种实施方案中，本专利技术的高温利用了许多交替的金属合金和氧化陶瓷层。这些金属合金和氧化陶瓷层的选择应使其尤其是在温度超过约1000℃时展现出足够的内在抗氧化性，并且能够相互粘贴。每一层金属合金层和氧化陶瓷层的厚度均为纳米级，因此，纳米多层涂层体系的厚度是微米级。所使用的金属合金层和氧化陶瓷层的数目可以根据每一层金属合金和氧化陶瓷层的厚度以及纳米多层涂层体系的所需厚度而改变。当遇到热机械应力的时候，可以独立地调节金属合金和氧化陶瓷层的厚度以控制纳米多层涂层体系的硬度、应变容许量及其整体稳定性。在本专利技术的一个实施方案中，适合应用于高温应用的纳米多层结构包括许多每一层的厚度是纳米级的金属合金层，以及以交替的方式排列于该许多金属合金层之间的每一层的厚度是纳米级的许多氧化陶瓷层。在本专利技术的另一个实施方案中，高温部件包括一个具有表面的基片和位于该基片表面上的纳米多层结构。该纳米多层结构包括许多每一层的厚度是纳米级的金属合金层，以及以交替的方式排列于该许多金属合金层之间的每一层的厚度是纳米级的许多氧化陶瓷层。在本专利技术的更进一步的实施方案中，生产适用于高温应用的纳米多层结构的方法包括提供一个具有表面的基片。该方法还包括接近于基片表面设置许多的金属合金层，其中，该许多金属合金层中的每一层的厚度是纳米级。该方法进一步还包括将许多氧化陶瓷层接近于基片表面设置并且以交替的方式设置于该许多金属合金层之间，其中该许多氧化陶瓷层的每一层的厚度是纳米级。附图说明图1是本专利技术高温纳米多层结构的一个实施方案的横截面侧视图，其包括排列在基片表面的许多金属合金和氧化陶瓷层；和图2是生产图1所示的高温纳米多层结构的方法的一个实施方案的流程图。具体实施例方式本专利技术的高温纳米多层结构、部件及相关的生产方法基于以下前提层状结构比其它能够预想的混合方式表现出更高的硬度和更好的耐磨性、抗冲击性、耐腐蚀性以及控制间隙性。上述前提之所以成立，是因为当不同弹性模量和晶体结构的材料交替层叠放在一起时，该结构的抗位错性总体上提高了。这是由当它们被迫通过相对较窄的流道时位错所经历的塑性收缩、从一层传送到另一层的像力以及相邻层之间的弹性模量失配所引起的。换句话来说，在相对呈延性的层中的塑性流动受到比较脆性的层制约，位错运动受到聚积机理、像力和弹性模量失配效应的限制。在比较脆性的层中所引发的裂纹被相对延性的层所钝化，在主拉伸应力定向变化的情况下，由于在层界面连续偏转，裂纹不能沿固定的路径行进。纳米多层涂层体系已经被开发应用于诸如刀具及类似领域。通常纳米多层涂层体系包括许多交替组成的氮化物层，如Ti-TiN，TiN-TiAlN，TiN-NbN，TiN-TaN或TiN-VN。每一层氮化物层的厚度在大约0.1nm和大约30nm之间，其以大约0.5微米到大约20微米的总厚度被涂于相对硬的基底上，例如淬火工具钢，硬质碳化钨钴等等。同样地，纳米多层涂层体系可以包括多种金属氮化物、金属碳化物和氧化铝(例如伽马氧化铝)和/或碳氮化物，它们形成许多的没有整齐间距的非周期层或者形成一个具有连续变化组成的结构。这些金属可以包括Ti，Nb，Hf，V，Ta，Mo，Zr，Cr，W，Al或它们的混合物。然而，由于氮化物基纳米多层涂层体系等容易氧化，因此不适合应用于温度超过约600℃的情况。在相对较低的厚度时，氮化物基纳米多层涂层体系及类似体系还不适合用于相对柔软的基底，例如，铜、铝、铜合金以及铝合金等等，这是因为与所接触的凸凹不平相关的应力场可以使基底材料塑性变形，引起涂层材料剥离。在各种实施方案中，本专利技术的高温利用了许多交替的金属合金层和氧化陶瓷层。这些金属合金层和氧化陶瓷层是经过选择的，因此，尤其是在温度超过约1000℃时，它们表现出足够的内在抗氧化性并且相互粘合。优选地，每一层金属合金层和氧化陶瓷层的厚度在大约3nm和大约200nm之间，导致纳米多层涂层体系的厚度在大约3微米到大约200微米之间。所使用的金属合金层和氧化陶瓷层的数目可以根据每一层金属合金层和氧化陶瓷层的厚度以及纳米多层涂层体系所需的厚度而改变。当受到热机械应力的影响时，金属合金层和氧化陶瓷层的厚度可以单独调节以控制纳米多层涂层体系的硬度、应变容许量和整体稳定性。参照图1，在本专利技术的一个实施方案中，纳米多层结构由一个包括许多以交替方式排列在许多氧化陶瓷层14之间的金属合金层12的纳米多层涂层体系10组成。优选地，每层金属合金层12和氧化陶瓷层14的厚度16为大约3nm到大约200nm之间，更加优选在大约10nm至大约100nm之间，因此，纳米多层涂层体系10的厚度18介于大约3微米至大约200微米之间，更加优选大约5微米至大约150微米之间。所使用的金属合金层12和氧化陶瓷层14的数目，可以依据每一层金属合金层12和氧化陶瓷层14的厚度16以及纳米多层涂层体系10的所需厚度18而改变。所述的许多金属合金层12每一层可以由以下材料组成，例如，镍铝(NiAl)，掺Hf镍铝(NiAl(Hf)，掺Zr镍铝(NiAl(Zr))，铂铝(PtAl)或者MCrAlY，其中M至少为镍、铁、铁、钴和它们的结合中的一种。所述的许多的氧化陶瓷层14的每一层可以由，例如，氧化铝、氧化钇、氧化锆、氧化钇稳定氧化锆(YSZ)、氧化铪、钇基金刚砂、莫来石或类似物组成。然而，其它合适的材料也可以使用。参照图2，在本专利技术的另一实施方案中，本专利技术的纳米多层涂层体系10(图1)的生产方法30包括为接下来的涂敷预备基底20(图1)的表面。(方框32)。例如，基底20的表面可以经过喷砂处理，抛光，化学清洗，超声波清洗，脱脂或它们的结合来预备。如上所述，基底可以包括例如用来形成燃气轮机部件、航空本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于高温应用的纳米多层结构（１０），其包括：许多金属合金层（１２），该许多金属合金层（１２）每一层的厚度（１６）是纳米级；和以交替的方式排列在所述许多金属合金层（１２）之间的许多氧化陶瓷层（１４），该许多氧化陶瓷层（１ ４）每一层的厚度（１６）是纳米级。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：RR科尔德曼，PR苏布拉马尼安，D斯里尼瓦桑，DM格雷，K阿南德，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]