专利名称：用于涡轮引擎部件的热保护涂层及其制作方法
技术领域：
本发明涉及热保护涂层，特别是用于涡轮引擎部件，例如飞机涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机，并涉及制作这种涂层的方法。
背景技术：
在例如飞机引擎这样的涡轮引擎中，特定部件需要针对热侵袭进行保护或隔离， 所述热侵袭来自涡轮引擎中所产生热气流或来自相邻的本身升高到高温的部件。因此，有必要使这样的部件配备与飞机引擎特定需求相容的热保护装置，所述需求包括耐久性、对直接接触环境的耐受能力、重量轻、简单、确证的有效性等等。而且有必要的是，这样的热保护装置不是被附加的部件，而是相反，热保护装置集成在其所保护的部件中，所述部件在飞机引擎中已经具有其本身的功能。因此，不可能使用热保护金属片，其虽然有效，但形成额外部件而增大重量并减少引擎内的可用空间。其他的涉及隔离泡沫涂层的可能方案具有较短使用寿命，它们不适合于高温。还已知的是，在进行保护的部件上形成由锆基陶瓷制成的热障，然而，这样的障具有有限的厚度(小于Imm)，它们脆弱，且其制作成本高。还可想到通过取自引擎的空气流冷却特定部件，然而这种方案会使引擎性能恶化。
发明内容
这样，本发明提供用于一种热保护涂层，用于涡轮引擎部件(特别是在飞机引擎中的部件)，所述涂层不存在上述缺点。本发明还提供一种热保护涂层，其制作简单、容易、经济，可具有相对较大的厚度， 并具有相对较低的密度。为此，本发明提供一种热保护涂层，特别是用于涡轮引擎部件或制动盘，所述涂层的特征在于，其包括体积百分比至少80%的中空陶瓷微珠，所述中空陶瓷微珠分布在基于镍或钴的金属合金中。所述涂层的热导率小于或等于1瓦/米。C (ff/m. V )，且其厚度可大至约5毫米 (mm)，所述厚度可调且用于控制传热。其密度小于2000千克/立方米(kg/m3)，且其可在-50°c至+1100°C范围内的温度下使用，取决于与陶瓷微珠相关联的金属合金。而且，其成本相对较低，由此，可以使用源自焚化炉燃烧产品的且具有极低成本的陶瓷微珠。本发明的涂层的抗传热能力主要与中空陶瓷微珠的存在相关联，其体积比例可大于 90%。典型地，所述微珠的直径在30微米(μ m)至250 μ m的范围内。本发明的涂层的金属合金可包括铝、铬和钇。
粉末形式可用于并适用于热喷。本发明还提供一种前述类型的热保护涂层的制作方法，所述方法的特征在于，其包括通过以下方式形成所述涂层利用等离子体焰炬将中空陶瓷微珠和基于镍且基于钴的金属合金粉末的混合物热喷到部件的表面上，所述等离子体焰炬生成朝向所述部件方向的等离子体锥，所述金属合金粉末和所述陶瓷微珠被同时沿侧向喷射到所述等离子体锥中，所述粉末处于所述微珠的上游。在必要时，可以在初始时通过热喷而在所述部件的表面上形成金属合金结合层， 所述结合层具有典型在50 μ m至200 μ m范围内的厚度，所述结合层的合金优选地与所述热保护涂层的合金相同。结合层使部件表面粗糙度增大，并为热保护涂层提供更好的附着摩擦力。此后，所述方法可以包括在所述热保护涂层上形成用于针对腐蚀或针对磨损提供保护的层，和/或针对热辐射提供保护的反射层。本发明还提供一种涡轮引擎部件，例如，后舱或者壳体，或者制动系统中的制动盘，其特征在于，其包括如前所述的或通过执行前述方法而制作的热保护涂层。
通过阅读以下以示例方式参照附图进行的描述，本发明可被更好地理解，且本发明的其他特征、细节和优点更加显见，其中图1是用于制作本发明热保护涂层的装置的示意图；图2是图示出本发明的涂层和沉积有所述涂层的部件的热膨胀曲线的图线；和图3是包括本发明热保护涂层的部件的表面的示意性截面放大图。
具体实施例方式图1是显示出用于在部件12(特别是涡轮引擎部件)的表面上形成热保护涂层10 的装置的示意图，这些装置包括等离子体焰炬14，该等离子体焰炬14具有用于传输等离子体生成气体(例如氩气和氢气)的装置和用于传输电的装置；以及用于沿侧向喷射金属粉末流的装置16 ；和用于沿侧向喷射中空陶瓷微珠流的装置18，金属粉末和陶瓷微珠在与进行涂层的部件的表面相距距离D处被喷射到等离子体锥20中，对于给定类型的焰炬14， 所述涂层为150mm的量级。喷射金属粉末和陶瓷珠的位置是可调的，陶瓷珠喷射发生在金属粉末喷射的下游，以顾及这两种组分的密度之间的差别。在16处喷射到等离子体锥中的金属粉末是例如NiAl、NiCrAl或MCrAlY这样的金属合金的粉末，其中M是镍或钴或镍-钴，其为被保护部件12所暴露于的温度的函数。在示例中，可以针对范围在-50°C至+900 V之间的温度使用NiCrAl类型的合金，和针对范围最高至+1100°C的温度使用MCrAlY类型的合金，其中，M是例如镍或钴，或镍-钴的金属。在18处喷射的中空陶瓷微珠为任意成分，并具有在约30 μ m至约250 μ m范围内的平均直径，这些微珠为铝硅酸盐类型并来自再循环，例如源自焚化炉中燃烧的珠。喷到部件12表面上的混合物包括体积百分比至少80%的陶瓷微珠，且优选包括体积百分比至少90%的这种微珠。在一个实施方案中，焰炬14用于将NiCrAl合金和中空陶瓷微珠的混合物喷到部件12的表面上，其中金属合金以M克/分钟(g/min)的速率传输，而陶瓷微珠以48g/min 的速率传输。等离子体焰炬通过等离子体生成气体Ar-H2以在5升/分钟(L/min)至50L/ min范围内的速率驱动，并使用500安(A)的电流。涂层10因而形成在部件12上，呈现出 1700kg/m3的密度，并包含体积百分比约95%的中空陶瓷微珠。涂层的热导率在20°C至800°C的范围内处于0. 7ff/m. ！至1. 4ff/m. ！的量级。涂层10的厚度典型地在约2mm至约5mm的范围内，取决于部件12所经受的温度。有利的是，保护性涂层10具有的热胀系数小于部件12的热胀系数，如从图2的热膨胀曲线中可见的那样。此示出作为温度T函数的部件12的热膨胀曲线Cl1和涂层10的热膨胀曲线d2。在涂层10的形成过程中，涂层材料经受的温度显著高于部件12所暴露于的温度。 然而，由于热保护涂层具有的热胀系数小于部件12的热胀系数，因而部件12和涂层10在施加于它们的温度下的热膨胀大致相等，且其差值△(!相对较小。这样，在冷却时，热保护涂层10不会形成拉应力积累区，其中，在拉应力积累区在隔离涂层中和/或在部件12与涂层10之间的界面处可能会产生微裂，这样的微裂提供热桥并且不利于热隔离。这使得可在部件12上形成更大厚度的涂层10，而不会导致涂层剥落的风险。典型地，热保护涂层10在部件12上的粘附力在5兆帕(MPa)至20MPa的范围内， 并且为它的中空微珠含量的函数，热保护涂层10的硬度在10至80 (洛氏硬度HR15Y标准) 的范围内。当希望改善部件12上的涂层10的粘附力时，如图3中所示，可在部件12上形成结合层以增大部件12的表面粗糙度并由此改善该热保护涂层的粘附力。结合层22可通过热喷金属材料形成，该金属材料优选与涂层10的金属合金相同。 结合层22的厚度典型地可在50 μ m至200 μ m的范围内。鉴于热保护涂层10对腐蚀敏感，由于存在中空陶瓷微珠对，因而可以在涂层10上提供抗蚀层，此层沈通过热喷金属材料(厚度典型地在50 μ m至150 μ m范围内)，或者实际上利用涂敷或利用电镀沉积(其中涂层是电导体)在涂层10上沉积某些其他具有耐蚀性能的材料的层而形成。在变例中，上层沈可为抗磨层或提供抗磨损保护的层，例如碳化物层，如WC/Co或 WC/CoCr，或者实际上为标准金属材料层，例如耐高温的涂覆在石漆膜中的NiAl或NiCrAl。当部件12处于热辐射较高的环境中时，顶层沈可具有关于入射辐射光谱的反射性能。例如，可在热保护涂层10上沉积陶瓷涂层的薄层(例如厚度为50 μ m至200 μ m)，例如&02/Y203，适于在最高至约1250°C的温度下使用。这样的层用于反射超过40%的所接收的辐射能量。
权利要求
1.一种热保护涂层，特别是用于涡轮引擎部件或制动盘，其特征在于，该热保护涂层包括体积百分比至少80%的中空陶瓷微珠，所述中空陶瓷微珠分布在基于镍或钴的金属合金中。
2.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，该涂层包括体积百分比至少90%的中空陶瓷微珠。
3.根据权利要求1或2所述的涂层，其特征在于，该涂层具有小于或等于5mm的厚度。
4.根据任意前述权利要求所述的涂层，其特征在于，所述微珠的直径在30μπι至 250 μ m的范围内。
5.根据任意前述权利要求所述的涂层，其特征在于，所述金属合金包括铝。
6.根据任意前述权利要求所述的涂层，其特征在于，所述金属合金包括铬。
7.根据任意前述权利要求所述的涂层，其特征在于，所述金属合金包括钇。
8.—种制造根据任意前述权利要求所述热保护涂层的方法，其特征在于，该方法包括通过以下方式形成所述涂层(10)利用等离子体焰炬(14)将中空陶瓷微珠和基于镍和钴的金属合金粉末的混合物热喷到部件(1 的表面上，所述等离子体焰炬(14)生成朝向所述部件(1 方向的等离子体锥 (20)，所述金属合金粉末和所述陶瓷微珠被同时沿侧向喷射到所述等离子体锥00)中，所述粉末处于所述微珠的上游。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，初始时通过热喷而在所述部件(1 的表面上形成金属合金结合层(22)，所述层具有在50μπι至200μπι范围内的厚度，所述合金与所述热保护涂层(10)的合金相同。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，该方法随后包括在所述热保护涂层(10)上形成用于针对腐蚀或针对磨损提供保护的层( )，和/或针对热辐射提供保护的反射层。
11.一种涡轮引擎部件，例如后舱或者壳体，其特征在于，该部件包括根据权利要求1 至7中任一项所述的热保护涂层或通过执行根据权利要求8至10中任一项所述方法而制成的热保护涂层。
12.—种盘制动器，其特征在于，其包括根据权利要求1至7中任一项所述的或通过执行根据权利要求8至10中任一项所述方法而制成的热保护涂层。
全文摘要
一种热保护涂层，特别是用于涡轮引擎部件(12)，所述涂层通过热喷到部件(12)的表面上而沉积，并包括体积百分比至少80％的中空陶瓷微珠，所述中空陶瓷微珠分布在基于镍或钴的金属合金中，所述涂层可沉积在金属合金的结合层(22)上，所述涂层可被覆盖在针对腐蚀或针对磨损提供保护的层(26)中或者反射热辐射的反射层中。
文档编号C23C28/00GK102471860SQ201080030079
公开日2012年5月23日 申请日期2010年7月1日 优先权日2009年7月2日
发明者克劳德·马赛尔·芒斯, 劳伦特·保罗·都顿, 安东尼奥·克莱米尔多·阿兰蒂斯 申请人:斯奈克玛