热屏蔽涂层系统以及制造和利用热屏蔽涂层的方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]本发明涉及用于高温应用，例如燃气涡轮组件的热屏蔽涂层和热屏蔽涂层系统。
[0002]现代燃气涡轮的设计受到更高的涡轮效率要求的驱动。可通过在更高温度下操作涡轮提高涡轮效率是被广泛认可的。通常各种技术用于将粘合涂层和热屏蔽涂层应用于涡轮的翼型和内燃机构件上，例如过渡段和燃烧衬套，从而确保在这些较高温度下令人满意的寿命范围。
[0003]通常热屏蔽涂层配置为用于在不脱离构件的条件下承受底层构件中的应变。热屏蔽涂层通常由陶瓷材料制成，其具有比其底层金属构件相对较低的内在延展性；因此，通常将各种显微结构化特征并入到热屏蔽涂层中，以便为热屏蔽涂层提供改善的应变公差。例如，通过等离子体喷涂工艺沉积出来的热屏蔽涂层通常包含显著的孔隙率、垂直的细微裂纹或这两者，作为增强热屏蔽涂层承受应变的性能的方法。作为示例，通过蒸气工艺，例如物理气相沉积(PVD)沉积出来的热屏蔽涂层通常是在鼓励离散的紧密装填的柱状晶粒的成核和生长的条件下制成的，其提供了具有相对较高程度的应变公差的适应性显微结构。
[0004]虽然同等离子体喷涂工艺相比，PVD工艺在相对较小的构件上提供了具有合适的应变公差的涂层。然而，同等离子体喷涂工艺相比，PVD工艺需要昂贵的装备，包括真空室和支撑设备。另一方面，常规的热喷涂工艺倾向于产生具有比PVD工艺更低应变公差和基质附着力的涂层，并且通常需要辅助的表面制备工艺，例如喷砂处理和粗糙粘合涂层的沉积，以便提供对底层构件足够的附着力。
[0005]粘合涂层通常用于促进热屏蔽涂层对底层构件的附着力，并在构件高温曝光期间抑制底层构件的氧化。具有氧化铝涂层的粘合涂层通常在热屏蔽涂层系统中用于为基质提供抗氧化能力，并增强热屏蔽涂层的附着力。为了具有足够的附着力，等离子体喷涂的热屏蔽涂层通常沉积在具有粗糙表面的粘合涂层上，例如重叠的MCrAH粘合涂层。相对较光滑的粘合涂层，例如通过气相铝化(VPA)形成的粘合涂层时常不被认为是适合于通过等离子体喷涂方法沉积热屏蔽涂层的候选项。
[0006]因此，需要热屏蔽涂层呈现高的应变公差、高的附着力并减少对表面制备工艺的需求，其可通过相对较廉价且可规模化的工艺，例如等离子体喷涂工艺来应用。
【发明内容】
[0007]在一个实施例中，提供了一种涂层，其包括第一表面和第二表面。涂层包括多个生长域，其中多个生长域中的至少一个生长域的定向相对于第一表面涂层是非垂直的。多个生长域的一个或多个生长域包括多个至少部分熔化和固化的颗粒。
[0008]在另一实施例中，可提供一种热屏蔽涂层系统。该系统包括基质、粘合涂层和涂层，基质包括第一表面和第二表面，粘合涂层设置在基质第一表面的至少一部分上，并且涂层设置在粘合涂层的至少一部分上，其中涂层包括多个生长域，其中多个生长域中的至少一个生长域的定向相对于在粘合涂层和涂层之间的界面是非垂直的。多个生长域的一个或多个生长域包括多个至少部分熔化和固化的颗粒。
[0009]在又一实施例中，提供了一种用于对表面进行涂层的方法。该方法包括提供悬浮液，其包括悬浮在液体介质中进料材料，并以相对表面切线小于大约75度的喷涂角度对表面进行喷涂。
【附图说明】
[0010]当参照附图阅读以下详细说明时，将更好地理解本发明的这些以及其它特征、方面和优势，其中在所有附图中相似的标号表示相似的部件，其中:
图1是根据本技术实施例的示例性的热屏蔽涂层系统的横截面图，其具有包括平坦表面的构件；
图2是根据本技术实施例的示例性的热屏蔽涂层系统的横截面图，其具有包括非平坦表面的构件；
图3-5是根据本技术实施例的热屏蔽涂层系统的部分的显微照片，其具有以三个不同的喷涂角度沉积出来的热屏蔽涂层；
图6是方法的流程图，其用于制造根据本技术实施例的热屏蔽涂层系统；且图7-10是利用进料生产的涂层的显微照片，其具有由YSZ粉末组成的悬浮液，YSZ粉末具有大约I微米的d5(1。
【具体实施方式】
[0011]这里公开的实施例总地涉及热屏蔽涂层系统。在某些实施例中，热屏蔽涂层系统可包括设置在粘合涂层上的热屏蔽涂层。在这些实施例中，热屏蔽涂层可具有显微结构，其配置为用于增强附着力和应变公差。在一个实施例中，增强的热屏蔽涂层的附着力和应变公差的值可接近利用昂贵的等离子体气相沉积方法所沉积的涂层，例如，但不局限于电子束等离子体气相沉积方法。在某些实施例中，热屏蔽涂层可利用比较低廉的悬浮液或前体等离子体喷涂技术或其组合而进行沉积。
[0012]应该懂得，在燃气涡轮应用中可通过利用较高的操作温度来实现较高的系统效率。然而，随着操作温度增加，需要增强发动机构件的高温耐用性。
[0013]此外，为了有效，需要热屏蔽涂层系统中的热屏蔽涂层配置为可呈现低的热导率、对基质(即发动机构件)的强的附着力、以及遍及许多加热和冷却循环的持续的附着力。然而，在热屏蔽涂层系统的材料之间的热膨胀系数的差异带来额外的挑战。例如，同底层金属粘合涂层和基质(例如超合金基质)相比，热屏蔽涂层的材料可能具有相当低的热膨胀系数，从而在热循环期间带来了热屏蔽涂层的脱层风险。
[0014]在某些实施例中，热屏蔽涂层促进了发动机构件的高温耐用性，同时保护构件免于侵蚀、热腐蚀等等。在这些实施例中的某些中，热屏蔽涂层还用于减少对底层基质，例如但不局限于发动机构件的热传递。
[0015]除了热屏蔽涂层之外，涡轮发动机构件时常采用粘合涂层来提供抗高温氧化的保护。在某些实施例中，粘合涂层可包括扩散粘合涂层。在某些其它实施例中，粘合涂层可包括重叠粘合涂层。在某些实施例中，扩散粘合涂层或重叠粘合涂层中的铝浓度可能在大约5%至大约50%的重量百分比范围内。
[0016]在某些实施例中，扩散粘合涂层可包括铝基金属间化合物，例如但不局限于铝化镍。扩散粘合涂层的非限制性的示例可包括通过蒸气或填料扩散方法而应用的铝化铂镍或简单的铝化镍。在一个实施例中，基于铝化物的粘合涂层可利用基于扩散的工艺而设置在基质上。非限制性的基于扩散的工艺示例可包括填料渗碳、气相铝金属化(VPA)或化学气相沉积(CVD)。在某些实施例中，扩散工艺可能导致包括两个不同区域的粘合涂层，外部区域和扩散区域；外部区域包含抗氧化相态(例如β-NiAl)，并且扩散区域包括抗氧化相态和次级相态(例如?'、Y、碳化物和σ)。在一个示例中，基于铝化物的粘合涂层可利用气相铝金属化(VPA)进行沉积。在一个实施例中，扩散粘合涂层可利用铂或铂系金属进行改进。在这个实施例中，铝化物的相态可包括γ-Ni+y丨-Ni3Al合金成分。在某些实施例中，扩散的铝化物可利用商业上可得到的铝化工艺来应用。在某些这些实施例中，铝可在基质表面上起反应，从而形成铝金属间化合物，其提供了用于形成氧化铝抗氧化夹层的储槽。铝化物粘合涂层可包括铝金属互化物相态(例如NiAl、CoAl和(Ni/Co)Al相态)，其是通过使销蒸气或富含销的合金粉末与超合金构件的外表面层中的基质元素起反应而成形的。粘合涂层通常很好地粘合到基质上。铝金属化可通过各种技术来完成，例如但不局限于填料渗碳工艺、喷涂、化学气相沉积、电泳、溅射和利用富含铝的蒸气进行的浆体烧结以及合适的扩散热处理。
[0017]在某些实施例中，重叠粘合涂层可用于对底层基质，例如涡轮构件提供防高温氧化和腐蚀的保护。重叠粘合涂层可包括MCrAH类型，其中M可代表镍、钴、铁或其组合。不同数量的其它元素的添加可用于增强粘合涂层的性能，例如钛、锆、铪、硅、钽、钨、铌、铼或其组合。有利的是，重叠粘合涂层可能不会受到底层基质的成分的显著影响。在一个示例中，重叠粘合涂层可通过许多不同的沉积方法来应用，例如但不局限于热喷涂、溅射、电子束物理蒸气沉积(EBPVD)、阴极电弧沉积、电镀沉积或其组合。