控制陶瓷热喷涂层微观结构的方法

专利名称：控制陶瓷热喷涂层微观结构的方法
技术领域：
本发明涉及热喷涂层，尤其是涉及控制在陶瓷涂层中裂纹的形成。
背景技术：
现代的燃气轮机发动机，特别是那些在飞机上使用的，都在高转速和高温下工作，以便增强性能和提高效率。现代燃气轮机发动机的透平一般是轴流设计并包括许多轴流段。每个轴流段包括一组径向安装在固定到轴上的圆盘外周边上的叶片。包围各段的许多风道段限制围绕叶片尖端流动的燃气的泄漏。将这些风道段定位在静止壳体或外壳的内表面上。装设风道段提高了热效率因为与从叶片尖端泄漏相反可从流经各段的燃气中获得更多的功。
尽管风道段限制了燃气围绕叶片尖端的泄漏，但它们不能完全消除这种泄漏。已经发现即使极少量的燃气围绕叶片尖端流动也会有害地影响透平的效率。因此，燃气轮机发动机的设计者采用更大的长度来设计有效的密封结构。这些结构通常包括有涂层的风道段结合叶片尖端的涂覆，该涂覆使叶尖抗磨损。在操作中，叶尖通过切入到风道段的涂层中提供密封。因而防止叶片的损伤并获得最小可能的叶尖间隙和空气泄漏。
不幸的是当前通常是陶瓷的风道段涂层，受到由磨蚀或剥落造成的额外材料损失之害。一般来说，磨蚀是由于各种因素如磨损和锈蚀使涂层材料磨损掉。在发动机操作中磨蚀通常是由颗粒冲击造成的。而剥落或散裂通常是由在陶瓷—金属介面上因热应力和侵蚀性热环境引起的分层裂纹所造成。剥落基本上是零碎的涂层损失包括许多小的涂层材料的粘着体积。
由磨蚀和剥落引起的涂层损失大部分是由在分裂陶瓷涂层中存在微裂纹所造成的。与基底表面平行形成的微裂纹，或水平裂纹在经受上述的操作条件或环境时会造成涂层剥离。与此相反，垂直取向的微裂纹加大该涂层的应变容限，它使涂层的服务寿命延长。在分裂陶瓷涂层中微裂纹形成的机理是热诱导应力。在涂层沉积期间以周期的方式热梯度被诱导到涂层中。控制这些梯度以便允许要加到表面上的涂层没有开口的裂纹，然后当每个薄层建立和随后冷却时，表面收缩产生使裂纹扩展到表面所需的应力水平。重新加热该表面并在施加下一薄涂层之前闭合该裂纹。裂纹通过各涂层厚度扩展或平行于基底扩展的相对趋向是取决于在诱导裂纹扩展之前涂覆的各涂层的厚度。
陶瓷涂层的损失增加叶片尖端的间隙因而对透平的效率是有害的，同时对叶片本身也是有害的。例如，叶片可能由于温度增加受到损害，因为发动机必须操作在温度增加的状态下以弥补推力的损失。通过提高分裂陶瓷涂层的质量可以防止这样的性能损失。
现在，美国专利6,102,656号(’656专利)公开了一种这样的施加分裂陶瓷涂层的方法以努力改进该陶瓷涂层。在基底上涂覆陶瓷涂层是一个自动过程，例如在过程中将基底放在夹具内，该夹具围绕轴转动或沿着传送带的线性方向运动。
如在’656专利中所描述那样，在这样的自动过程中基底10可以沿箭头12所指的方向运动(见图1)。等离子体喷管装置14沿着由箭头26所指的与基底10相反的方向运动并喷射等离子体火舌16。等离子体火舌16由一对指向基底10表面18的实线限定。等离子体喷管装置14包括陶瓷(或粉末状)材料给料器(没有表示)，它在箭头28所指的方向上将一定量的陶瓷材料20喷射到等离子体火舌16中。陶瓷材料20被夹带在等离子体火舌16中并被带向表面18。如图所示，等离子体火舌16包括比陶瓷材料20更广泛的喷洒模式从而在表面18上加热区24内形成沉积区22。
’656专利依靠很高的功率水平和燃气流量并与等离子体喷管对部件(基底10)缓慢的相对运动一起使用来产生由等离子体加热表面和获得垂直的微裂纹所必需的空气冷却。这些条件代表了在设备能力、效率和陶瓷涂层的微观结构特征之间的一种折衷方案。
目前的方法不能对在喷洒过程中发生的热梯度和热循环总是施加适当有效的控制。在生成垂直裂纹和生成水平裂纹之间的平衡是非常难于控制的并且是很随机地发生的。如在图1中所示，由等离子体喷管产生的加热区24大于沉积区22，加热区并在刚才产生过沉积地方的方向上进一步在基底上伸展，而不是在将要产生沉积地方的方向上伸展，即，在图1中加热区24进一步向沉积区22的左方伸展而不是向沉积区22的右方伸展。由于在表面加热和沉积位置之间这种关系，只有适中的驱动力才能使裂纹扩展通过涂层的厚度。结果是，在不只一个方向上产生收缩和热循环造成在涂层的平面内水平地生成裂纹和通过涂层垂直地生成裂纹。平行基底的水平裂纹并不能提高涂层的应变容限和耐用性；这些裂纹实际上造成涂层剥离。
因此，仍然需要改进在分层陶瓷涂层中控制裂纹生成的方法，从而提高方法的可重复性和涂层性能的一致性，以及有利于独立控制裂纹生成和孔隙率。

发明内容
按照本发明，在基底上生成分裂的陶瓷喷射涂层的一种方法概括地包括(1)提供在基底附近设置的一个或多个热源；(2)可选择地将一定量的粘接涂层材料注入到一个或多个热源的热流中并沉积到基底表面的沉积区上以便生成可选的粘接涂层；(3)可选择地将一定量的第一陶瓷材料注入到一个或多个热源的热流中并沉积到该表面的沉积区上以便在可选的粘接涂层上生成可选的第一陶瓷材料层；(4)对位于第一陶瓷材料层表面沉积区前方的预热过的热梯度区段施加热流以便扩张可选的第一陶瓷材料；(5)将一种或几种一定量的附加陶瓷材料注入到热流中并沉积到该预热过的扩张的可选的第一陶瓷材料层上以便生成一层或几层陶瓷材料的附加层；(6)冷却一层或几层陶瓷材料的附加层以便促进垂直裂纹的扩展；(7)对一层或几层陶瓷材料的附加层表面的预热过的热梯度区段施加热流以便扩张附加的陶瓷材料。如果需要，步骤5到7可以重复一次或多次。
按照本发明，施加分裂陶瓷涂层的装置概括地包括支持和移动一个或几个基底的机构；设置在一个或多个基底附近的一个或多个热源，其中至少定位一个热源对基底表面上预热的热梯度区段施加热流；设置在一个或多个热源附近的材料沉积装置，其中将材料沉积装置定位以便将材料沉积到位于该表面上热梯度区段后面的沉积区上；和监测一个或多个基底表面温度的机构。
在附图和下面的描述中给出本发明一个或多个实施例的各种细节。从描述和附图，以及从权利要求书，本发明的其他特点、目的、和优点将会变得很清楚。


图1是施加分裂陶瓷喷射涂层的现有系统的图；图2是表示怎样施加分裂喷射涂层以便在涂层内获得垂直裂纹微观结构的图；图3是本发明施加陶瓷喷射涂层系统的一个实施例的图；图4是本发明施加陶瓷喷射涂层系统的再一个实施例的图；图5是本发明施加陶瓷喷射涂层系统的另有一个实施例的图；和图6是本发明施加陶瓷喷射涂层系统的还有一个实施例的图。
在各图中相同的参考数字和符号表示相同的元件。
具体实施例方式
为了提高陶瓷涂层的质量，这里描述的方法建议在涂层微观结构内增加垂直微裂纹的数量。垂直微裂纹提供应变容限，它延长涂层的服务寿命。
打算用术语“平衡”、“均衡”和它们相关的形式表达为了促进垂直裂纹在涂层中扩展在基底表面和要沉积在其上面的连续涂层之间已达到所需的温度和热梯度。在这里描述的各个过程期间，在涂层内短时间发生热流重复的循环，动态加热涂层表面和由于该材料的热容量和导热性造成热梯度。允许热梯度在一段时间之后消散，例如，小到几分之一秒，它造成沉积的涂层收缩并使垂直裂纹成锯齿状伸向涂层的表面。在这里描述的方法的整个过程中，在沉积连续的涂层时热流的循环一次又一次地重复。
现在参考图2，通过应用涂层和基底的热膨胀、热容量、和导热性的材料特性，可以建立起热梯度来控制裂纹生成的特征。不象在图1中表示的先有技术的方法，在沉积期间，在一个或多个喷射喷管或其他热源每次刚好在基底上通过之前和/或通过期间对涂层的瞬间加热造成这些梯度。热梯度引起涂层表面相对基底的扩张，它闭合裂纹同时进行陶瓷材料的沉积。在沉积每一层涂层之后允许梯度消散，表面收缩和进入使裂纹扩展到该表面的拉伸。重复表面加热、涂覆、冷却、和裂纹扩展的循环直到达到所需的涂层厚度。这种类型控制的好处包括提高了微观结构生成和得到的特性的可重复性，和独立控制裂纹生成和孔隙率。
如在图2中所示，这里描述的涂覆系统通常包括沉积在基底34的表面32上的粘接涂层30，和沉积在粘接涂层30上的一层或多层连续施加的陶瓷涂层36、38。在沉积之前，可以使用任何一种常规的方法或它们的组合清洗基底34以便除去污染物，如本发明所属技术领域的普通技术人员理解的那样。例如，可以使用氧化铝磨料喷砂来清洗基底34。当基底34朝箭头40所指方向运动时，热源42可以对设置在由热喷沉积装置44正在涂覆的表面32该部分之前的至少这部分表面32进行加热。热源42提高了在其上面沉积涂层之前的表面32的温度，或者表面32和沉积的涂层如30、36、38的温度，以便确保适当的热循环和使垂直裂纹在涂层中扩展。
为了说明的目的，而不是限制，图2的涂覆系统可以包括用来说明这里描述的热梯度和裂纹扩展的几个不同区域。在加热之前，开始可以存在低热梯度区50，在那里垂直裂纹已经扩展到该沉积层的表面。当基底34运动时，热源42提高低热梯度区50的表面温度形成表面加热区52。在表面加热区52，提高的温度诱发热梯度使表面扩张并闭合现有的裂纹。基底34继续运动和表面加热区52变成暴露在热喷沉积装置44之下。装置44在涂层沉积区54内，在现有的层30、36和/或表面32之上，沉积另一层连续的涂料层38。新的涂料38覆盖原先称为表面加热区52的扩张的表面。
当基底34继续在箭头40的方向上运动和离开热源42和沉积装置44，连续施加的涂层30、36、38开始冷却形成表面冷却区56。当新沉积的涂层38和现有的涂层30、36之间的温度平衡时，垂直裂纹开始扩展到暴露在大气中的表面以便释放拉伸应力。基底34继续运动同时层38继续冷却形成低热梯度区58，在那里垂直裂纹通过层30、36和/或38扩展到暴露在大气中的表面。
可选择地，可将MCrAlY材料或其他合适材料的粘接涂层30涂覆到基底34。MCrAlY指的是已知的金属涂层系统，其中M代表镍、钴、铁或它们的混合物；Cr代表铬；Al代表铝；和Y代表钇。通常知道MCrAlY材料是作为表层涂层，因为它们以预定的组份涂覆和在涂覆过程中不会与基底发生明显的相互作用。对MCrAlY材料的某些非限制性例子请参看美国专利3,528,861号，它如美国专利3,542,530号那样描述了FeCrAlY涂层。此外，美国专利3,649,225号描述了一种复合涂层，其中在沉积MCrAlY涂层之前先将一层铬涂覆在基底上。美国专利3,676,085号描述了CoCrAlY表层涂层和美国专利3,754,903号描述了具有特别高延展性的NiCoCrAlY表层涂层。美国专利4,078,922号描述了钴作为基质的结构合金，它借助铪和钇组合的存在获得改进的抗氧化性。在美国专利Re.32,121号中描述了优选的MCrAlY粘接涂层组份，它被转让给本受让人并插入这里作为参考，如有重量百分比组份范围为5-40Cr、8-35Al、0.1-2.0Y、0.1-7Si、0.1-2.0Hf，从包括Ni、Co和它们混合物的该组材料中选择平衡。还请参看美国专利4,585,481号，它也被转让给本受让人并插入这里作为参考。
通过能够生产所需组份的致密的、均匀的粘接涂层的任何方法可以涂覆这种MCrAlY粘接涂层30。这样的技术可以包括，但不局限于，阴极溅镀、电子束物理蒸汽沉积、高速等离子体喷涂技术(HVOF、HVAF)、燃烧方法、线喷涂技术、激光束敷涂、电子束敷涂等等。在高速等离子体喷涂技术中，喷涂喷管可操作在压力小于约60乇(60mmHg)的真空室中或者在另一个合适的气氛中，如空气中。如果采用真空室，可将基底加热到约1500(816℃)或约1900(1038℃)温度。如果使用空气气氛，可将基底温度维持在小于约600(316℃)。
粘接涂层30用的颗粒尺寸可以是任何合适的尺寸，在各实施例中可以在约15微米(0.015mm)和约60微米(0.060mm)之间有平均颗粒尺寸为约25微米(0.025mm)。可以涂覆粘接涂层30到任意合适的厚度，在各实施例中可以是约5密耳(0.127mm)到约10密耳(0.254mm)厚。在某些实施例中，厚度可以是约6密耳(0.152mm)到约7密耳(0.178mm)厚。
在粘接层30上或直接在基底34上可以涂覆分层的陶瓷涂层36、38。该陶瓷涂层可以包括一层或多层陶瓷层36、38，它们各自涂覆到任何合适的厚度。某些实施例可以有总厚度约20密耳(0.508mm)到约150密耳(3.81mm)。其他的实施例可以有总厚度约50密耳(1.270mm)。如这里所述在一次或多次连续喷涂过程中可以生产各陶瓷涂层。
现在参考图3，说明本发明的一个系统。如本发明所属技术领域的普通技术人员理解的那样，基底100可以在自动过程中在箭头112所指方向上运动。喷涂喷管装置114可以保持静止和对基底100加热，或者喷涂喷管装置114可以在与基底100相反的方向上运动，如箭头126所示。喷涂喷管装置114发射可以包含电离物质的加热的燃气火舌116。预料所使用的该类热源将决定是热源运动还是热源相对基底100的运动保持不动。但是在涂覆陶瓷材料时，优选地是定位热源来预热位于基底100表面118上沉积区132前面的热梯度区。代表性的喷管可以包括，但不局限于，空气等离子体喷涂枪，如纽约州，Westbury的Sulzer Metco，Inc.公司工业上有售的3MB。
一旦已经涂覆可选的粘着涂层122，陶瓷(或粉末)材料给料器(没有显示)将一定量的陶瓷材料120沿箭头128所指的方向注入到等离子体火舌116中。注射陶瓷材料120的方向优选地是与基底100的运动方向相同而与等离子体喷管装置114的任何运动相反。陶瓷材料120被夹带在等离子体火舌116内并被带向表面118。
最好用足够大的力注射陶瓷材料120使其成为由等离子体火舌116的后部或最左边一半所夹带和搭载。通过控制注射的陶瓷材料120的方向和速度，该方法也就有效地控制陶瓷材料120在表面118上的沉积位置，例如，陶瓷材料沉积区132的位置。等离子体火舌116在收缩表面118包围陶瓷材料沉积区132时产生加热区130并在陶瓷材料120的初次沉积或再次沉积之前有效地预热表面118。
一般来说，如出现热循环那样，沉积的陶瓷材料开始冷却并在几个方向收缩。当沉积另一层陶瓷材料时，从陶瓷材料薄片来的热输入造成涂层平面内的裂纹。由于涂层经受收缩和热梯度的变化，生成的微裂纹可能不是垂直的，即微裂纹可能是平行于基底100的表面118。
预热表面118或已沉积层，即粘接涂层122，可以提高和均衡陶瓷材料沉积区132周围的温度并减小在表面118和/或已沉积层与区域132中正在沉积的陶瓷材料之间存在的温度差，即热梯度。沉积的陶瓷材料的收缩相对原先的陶瓷层将变得不太严重，造成在涂层之间应力较小和平行基底生成裂纹的趋向较少。此外，如果预热发生足够快，在涂层表面118和基底100之间将诱发足够的热梯度引起平面内的应力，在那些梯度消散时该应力将造成裂纹垂直扩展到基底。得到的沉积陶瓷材料层将更象生成所需的垂直微裂纹结构。
为了确保进行预热和控制热梯度，可以采用监测装置134在整个沉积过程中测量表面118的温度。合适的监测装置包括但不局限于，红外相机、光学高温计、热电偶、包括至少一种上述装置的各种组合、和类似的仪表。监测装置134可以提供关于基底和涂层温度的数据给操作者、PLC、与被动过程控制结合的开环控制、或控制自动沉积过程的计算机、等等。
现在参考图4和5，说明两个与图3中表示的系统不同的实施例。现在特别参考图4，基底200可沿箭头212所指的方向运动。等离子体喷管装置214可以保持不动或者可以沿箭头226指的与基底200运动相反的方向运动，并发射等离子体火舌216。一旦已经涂覆可选的粘接涂层，陶瓷(或粉末)材料给料器(没有表示)将一定量的陶瓷材料220沿箭头228所指的方向注入到等离子体火舌216中。注射的陶瓷材料220的方向优选地是与基底200的运动方向相同和与等离子体喷管装置214的任何运动方向相反。使陶瓷材料220被夹带在等离子体火舌216内并被带向表面218。
可以使用一个或多个热源236来预热位于陶瓷材料沉积区232前面的表面区230。热源236可以有足够的额定功率对基底表面218即加热区230发出热量束238，以便提高和均衡基底200和陶瓷材料沉积区232周围涂层的温度，从而防止和/或减小热梯度和收缩。可以定向热源236有足够的距离和角度以便保证在陶瓷材料220初次沉积或再次沉积之前均衡基底200和涂层的温度。热源236可以包括本发明所属技术领域的普通技术人员所熟知的任何辐射或对流的热源。代表性的热源可以包括但不局限于，等离子体或燃烧热喷涂喷管，如从纽约州，Westbury的Sulzer-Metco公司工业有售的3MB或Diamond Jettorch；燃烧加热器或喷管；辐射电阻热源，如白炽灯、常规或卤素灯；激光热源，包括至少一种上述热源的各种热源组合，和类似的装置。
如前面设想的那样，可以采用监测装置234在整个沉积过程中测量表面218的温度。合适的监测装置包括但不局限于，红外相机、光学高温计、热电偶、包括至少一种上述装置的各种组合、和类似仪表。监测装置234可以提供有关基底和表面温度的数据给操作者、PLC、与被动过程控制结合的开环控制、或控制如前面描述的自动沉积过程的计算机、等等。
现在特别参考图5，基底300可在箭头312所指的方向上运动。等离子体喷管装置314可以保持不动或者可以沿着箭头326所指的与基底300运动相反的方向运动，并发出等离子体火舌316。一旦已经涂覆可选的粘接涂层，陶瓷(或粉末)材料给料器(没有表示)将一定量的陶瓷材料320沿箭头328指的方向注入到等离子体火舌316中。注射陶瓷材料320的方向优选地是与基底300的运动方向相同但与等离子体喷管装置314的任何运动方向相反。陶瓷材料320被夹带在等离子体火舌316中并被带向表面318。
如上所述，可以使用一个或多个热源336来预热在陶瓷材料沉积区332前面的基底表面区330。在这个代替的实施例中，热源可以包括激光。激光热源336发射出有足够额定功率或强度的激光束338来加热基底或涂层表面318的330区，以便提高陶瓷材料沉积区332周围涂层的温度从而防止和/或减小热梯度和促使表面相对基底足够扩张以基本上闭合涂层中现有的穿过厚度的裂纹。可以定向激光热源336有足够的距离和角度以便确保在陶瓷材料320初次沉积或再次沉积之前足够提高涂层的温度。代表性的激光热源可以包括但不局限于，在先有技术中已知的在焊接和切割应用中使用的激光热源。
如前面设想的那样，可以采用监测装置334在整个沉积过程中测量表面318的温度。合适的监测装置包括但不局限于红外相机、光学高温计、热电偶、包括至少一种上述装置的各种组合、和类似的仪表。监测装置334可以提供有关基底表面温度的数据直接给控制自动沉积过程的操作者或者提供这样的数据给上述的自动系统，等等。
现在参考图6，说明在图3中表示的系统还有一个代替的实施例。基底400可以在箭头412所指的方向上运动。第一等离子体喷管装置414可以保持不动或者可以沿着箭头426指的与基底400运动相反的方向运动，并发射等离子体火舌416。可以使用一个或多个热源，优选地是使用第二等离子体喷管装置436来预热在陶瓷材料沉积区432前面的现有涂层表面区，即加热区430。第二等离子体喷管装置436发射第二等离子体火舌438到表面418上，即加热区430上，以便提高陶瓷材料沉积区432周围涂层的温度从而造成温度梯度和表面的扩张。第二等离子体喷管装置436可以与第一等离子体喷管装置414串联(如图所示)，或者另一种是，如前面所述可以由操作者、PLC、与被动过程控制结合的开环控制、或控制自动沉积过程的计算机独立供电和控制。喷管装置414和436加热现有涂层的表面以便扩张涂层材料和闭合表面上穿过厚度的裂纹。喷管装置436可以主要加热现有涂层的表面以便扩张涂层材料和闭合穿过厚度到表面上的裂纹。一旦已经涂覆可选的粘接涂层，陶瓷(粉末)材料给料器(没有表示)将一定量的陶瓷材料420沿箭头428所指的方向注入到等离子体火舌416中。陶瓷材料420被夹带在等离子体火舌416中并被带向表面418。
通过控制第一和第二两个等离子体喷管装置414和436的燃气流量，可以独立地伸出各自等离子体火舌416、438，以便获得对表面418高的传热速率。为了达到这个目的，可以定向第二等离子体喷管装置436有足够的距离和角度以便保证加热涂层的温度，在沉积陶瓷材料420之前造成足够高的温度梯度和扩张。可将第二等离子体喷管装置436放在比第一等离子体喷管装置414更接近基底400表面418的位置，从而使第二等离子体火舌438可以预热表面418和任何现有的涂层。第一等离子体喷管装置414和第二等离子体喷管装置436可以包括本发明所属技术领域的普通技术人员已知的任何等离子体喷管。一个代表性的等离子体喷管可以包括但不局限于空气等离子体喷涂枪，如纽约州，Westbury的Sulzer Meico，Inc.公司工业上有售的3MB。
如前面设想的那样，可以采用监测装置434在整个沉积过程中测量表面418的温度。合适的监测装置包括但不局限于红外相机、光学高温计、热电偶、包括至少一种上述装置的各种组合，和类似的仪表。如前面所述，监测装置434可以提供有关涂层表面温度的数据给操作者、PLC、与被动过程控制结合的开环控制，或控制如前面所述自动沉积过程的计算机、等等。
控制这里设想的方法的处理参数以便产生垂直的分裂(近似与粘接涂层表面垂直)，和对如枪的类型和夹具几何形状这样的变量，这些参数是特定的。一般来说，已知精确的枪到工件喷涂距离配合相对高功率的沉积产生所需的垂直分裂在每英寸约4个到约20个微裂纹之间。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说将能理解，使用不同的喷涂枪、基底和/或夹具可以改变这些参数。因此，可以使用这里提出的参数作为在不同操作条件下选择其他合适参数的指导。
在各实施例中，在陶瓷材料喷涂沉积期间，包括直径为约38英寸的圆筒形夹具可以在每分钟约5转(rpm)和约100转之间的速度下转动，优选的速度是约25rpm。可将等离子体喷涂枪定位在中空圆筒形夹具的内部。在各个工件涂覆期间枪与工件的角度可以在约60度到约120度之间，和在某些实施例中可以是约90度。在陶瓷层生产期间枪到工件的距离可以约2英寸(0.05m)变化到约5英寸(0.13m)，和在某些实施例中可以是约3.25英寸(0.083m)。为了获得令人满意的垂直分裂这种精确的枪的距离可能是必需的。在沉积时枪的轴向跨过转动的夹具和基底的横向移动速率可以在约0.05英寸/夹具每转(0.0013m/每转)和约1英寸/每转(0.03m/每转)之间，和在某些实施例中可以为约0.02英寸/每转(0.005m/每转)。
陶瓷材料供料速率可以在约15克/每分钟到约300克/每分钟之间，和在某些实施例中可在约90克/每分钟。可以使用载气流，如氮气，来保持粉末在压力下并促进粉末的供料。其流速可以在约5scfh(标准立方英寸/小时)(0.14scmh(标准立方米/小时))和约20scfh(0.57scmh)之间，和在某些实施例中可以是约11scfh(0.31scmh)。这里定义的标准条件是室温(20℃)和约一个大气压(101千帕)。在枪中的主气流量，如氮气，可以在约60scfh(1.70scmh)和约175scfh(4.96scmh)之间。和在某些实施例中可以是约100scfh(2.83scmh)。同样，在枪中的次级气体流量，如氢气，可以在约5scfh(0.14scmh)和约30scfh(0.85scmh)之间，和在某些实施例中可在约18scfh(0.51scmh)。枪的电压可以在约60伏和约80伏之间，和在某些实施例中可以在约75伏。同样，枪的电流量可以在约500安培和约900安培之间，和在某些实施例中约700安培。根据这里描述的过程参数，对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，将能理解各参数是取决于下列变量，包括但不局限于，粉末类型、粉末尺寸和特别是所采用的枪的类型、相对速度和运动、和采用的预热表面的方法。
本发明的系统和方法有利于独立控制涂层沉积和裂纹生成。这里描述的系统和方法通过测量和控制直接影响裂纹生成的各变量来控制导致裂纹生成的热梯度，可以使用辅助的热源以便允许独立控制喷涂和裂纹生成的变量。通过改变化学组份、孔隙率和裂纹结构可以达到独立控制裂纹结构和涂层孔隙率两者，以便获得所需的导热性、抗磨性、可研磨性、密度、和其他有关裂纹结构和涂层的特征。
应该理解本发明并不局限于这里图示和描述的各种说明，它们应认为仅是说明实现本发明的最佳模式，同时它们允许形态、尺寸、部件的布置和操作细节的修改。更确切地说，本发明应包括在权利要求书定义的范畴和发明宗旨内的所有这样的修改。
权利要求
1.在基底上形成分裂的陶瓷喷涂层的一种方法，包括(1)设在基底附近设置的一个或多个热源；(2)可选择地将一定量的粘接涂层材料注入到所述一个或多个热源的热流中并沉积到所述基底表面的沉积区上以便生成可选的粘接涂层；(3)可选择地将一定量的第一陶瓷材料注入到所述一个或多个热源的所述热流中并沉积到所述表面的所述沉积区以便在所述可选的粘接涂层上生成可选的第一陶瓷材料层；(4)对位于所述第一陶瓷材料层表面的所述沉积区前方的预热过的热梯度区段施加所述热流以便扩张所述可选的第一陶瓷材料；(5)将一种或几种一定量的附加陶瓷材料注入到所述热流中并沉积到所述预热过的扩张的可选的第一陶瓷材料层上，以便生成一层或几层陶瓷材料的附加层；(6)冷却所述一层或几层陶瓷材料的附加层以便促进其中垂直裂纹的扩展；(7)对所述一层或几层陶瓷材料的附加层表面的所述预热过的热梯度区段施加所述热流以便扩张所述附加的陶瓷材料。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤5到7被重复一次或多次。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于施加所述热流包括使用一个或多个热源施加所述热流。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于施加所述的热流包括使用二个热源施加所述热流。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括监测所述第一陶瓷材料层和所述一层或多层附加陶瓷材料层的温度。
6.涂覆分裂的陶瓷涂层的装置，包括支持和移动一个或多个基底的机构；设置在所述一个或多个基底附近的一个或多个热源，其中至少定位一个所述热源以施加热流预热基底表面上的热梯度区段；设置在所述一个或多个热源附近的材料沉积装置，其中将所述材料沉积装置定位以便将材料沉积到位于所述表面上所述热梯度区段后面的沉积区上；和监测所述一个或多个基底表面温度的机构。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于所述一个或多个热源包括至少一种如下热源喷管、辐射热源、对流热源和激光发射热源。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于所述一个或多个热源包括喷管和第二热源，该第二热源包括至少一种如下热源辐射热源、对流热源和激光发射热源。
9.如权利要求6所述的装置，其特征在于所述一个或多个热源包括第一热源和第二热源，第一热源包括至少一种如下热源辐射热源、对流热源、发射激光热源；和第二热源包括至少一种如下热源辐射热源、对流热源和激光发射热源。
10.如权利要求6所述的装置，其特征在于所述材料沉积装置包括陶瓷材料沉积装置。
11.如权利要求6所述的装置，其特征在于所述材料沉积装置包括粘接涂层材料沉积装置。
12.如权利要求6所述的装置，其特征在于所述材料沉积装置能沉积多于一种类型的材料。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于所述多于一种类型的材料包括陶瓷材料和粘接涂层材料。
14.如权利要求6所述的装置，其特征在于所述支持和移动所述一个或多个基底的机构能够在第一方向移动所述一个或多个基底，和设计所述材料沉积装置将一定量的材料在相对所述一个或多个基底的第二方向上沉积到所述一个和多个基底上。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于所述第一方向是与所述第二方向相同或相反。
16.如权利要求6所述的装置，其特征在于所述支持和移动所述一个或多个基底的机构能在第一方向移动所述一个或多个基底，和所述一个或多个热源能在相对所述一个或多个基底的第三方向上移动。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于所述第三方向是与所述第一方向相反。
18.如权利要求6所述的装置，其特征在于所述材料沉积装置构造成将一定量的材料在第二方向上沉积在所述一个或多个基底上，和所述一个或多个热源能够在相对所述材料沉积装置的第三方向上移动。
19.如权利要求18所述的装置，其特征在于所述第二方向是与所述第三方向相同或相反。
20.如权利要求6所述的装置，其特征在于所述监测装置包括至少一种如下仪表红外相机、光学高温计和热电偶。
全文摘要
涂覆分裂陶瓷涂层的一种方法和装置，所述装置包括支持和移动一个或多个基底的机构；设置在一个或多个基底附近的一个或多个热源，其中将至少一个热源定位以便施加热流来预热基底表面上的热梯度区段；设置在一个或多个热源附近的材料沉积装置，其中使材料沉积装置定位以便将材料沉积在位于表面上热梯度区段后面的沉积区上；和监测一个或多个基底表面温度的机构。
文档编号C23C4/10GK1908221SQ200610108698
公开日2007年2月7日 申请日期2006年8月4日 优先权日2005年8月4日
发明者C·W·斯特罗克, C·G·达维斯 申请人:联合工艺公司