功能性梯度熱障涂層系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】功能性梯度熱障涂層系統(tǒng)
[0001]本申請是2013年7月26日提交的共同未決的美國專利申請?zhí)?3/951542的部分繼續(xù)申請(代理人案號2013P03164US)，其以引用的方式并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明一般涉及材料技術(shù)領(lǐng)域，并且更具體地涉及可以在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用中使用的隔熱金屬合金，并且涉及將熱障涂層施加到金屬合金的方法。
【背景技術(shù)】
[0003]陶瓷熱障涂層系統(tǒng)被用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的熱氣體通路部件，以保護(hù)下層金屬合金基底免受超過合金安全操作溫度的燃燒氣體溫度的影響。典型的熱障涂層系統(tǒng)可包括被沉積在基底合金上的粘結(jié)涂層，諸如MCrAlY材料，和沉積在粘結(jié)涂層上的陶瓷頂涂層，例如氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯。粘結(jié)涂層和陶瓷材料通常是通過熱噴涂工藝，諸如高速氧燃燒(HV0F)或空氣等離子噴涂(APS)沉積。
[0004]功能性梯度材料的特征在于在體積內(nèi)組成的梯度變化。這樣的材料避免了有時(shí)與突然的材料變化，例如熱障涂層系統(tǒng)中在材料界面處材料性質(zhì)的明顯改變相關(guān)的缺點(diǎn)。金屬-陶瓷梯度材料在美國專利號6322897中被描述為通過燒結(jié)粉末填充床形成，該粉末填充床具有橫跨床的梯度組成。
【附圖說明】
[0005]本發(fā)明在以下說明中結(jié)合附圖被說明，所述附圖示出:
[0006]圖1示出了通過粉末沉積工藝使用激光以熔融在焊劑材料床下方的合金顆粒來將涂層沉積到基底上。
[0007]圖2示出了功能性梯度熱障涂層系統(tǒng)，其被沉積為具有不同組成的多個(gè)材料層。
[0008]圖3示出了粉末沉積工藝，其形成具有陶瓷材料的梯度濃度的粘結(jié)涂層。
【具體實(shí)施方式】
[0009]圖1是具有基底12的氣體渦輪機(jī)部件10的局部剖視圖，期望增加保護(hù)涂層到基底12。粉末層14被沉積到基底12的表面16上。粉末層14包括金屬合金18的顆粒，諸如MCrAlY粘結(jié)涂層材料，和焊劑材料20的顆粒。焊劑材料20被施加，以在隨后的熔融步驟期間提供清潔和大氣保護(hù)功能。金屬合金18的顆粒可以被焊劑材料20的顆粒覆蓋，如圖所示。在其他實(shí)施例中，金屬合金的顆粒和焊劑材料的顆?？杀换旌显谝黄?，并預(yù)先放置為單層，或者它們可通過在熔融步驟期間朝向表面引導(dǎo)顆粒的噴霧被施加。還有一個(gè)附加替代方案是焊劑和金屬材料可被提供為復(fù)合顆粒，被預(yù)先放置或進(jìn)給。粉末14被暴露于能量束22，例如激光束，以形成熔體24。熔體24將會隔離和固化成金屬合金26的涂層26，該金屬合金的涂層被表面16上的熔渣28層覆蓋。熔渣28然后可以被除去以露出基底12上的粘結(jié)涂層材料26的涂層。
[0010]本發(fā)明人已使用上述方法利用在2-5mm的恪劑粉末厚度下方的l_4mm的合金粉末厚度成功地沉積了 CoNiCrAlY粘結(jié)涂層材料，從而形成從0.7_3mm厚度的無裂縫沉積。高達(dá)1_厚的粘結(jié)涂層材料粉末層可以優(yōu)選覆蓋有至少3_厚的焊劑材料層，并且1-4_厚的粘結(jié)涂層材料粉末層可以優(yōu)選覆蓋有至少5_厚的焊劑材料層。各種激光類型可以被使用，包括鐿纖維、平板、二極管、釹YAG和二氧化碳。來自埋弧焊、焊劑芯電弧焊、電渣焊和屏蔽金屬電弧焊材料或其變體的廣闊家族的氧化物、氟化物和碳酸鹽的焊劑可以被利用。功率水平通?？梢允?千瓦，但也可以根據(jù)待處理區(qū)域、處理速度、沉積深度和相關(guān)變量變化。
[0011]在除去熔渣28層之后，另一材料層可以通過圖1中所示的步驟被施加，以便在多個(gè)層中建立沉積涂層到期望的厚度。一種這樣的工藝示于圖2中，其中熱障涂層30以多個(gè)層34、36、38、40、42、44、46被沉積在超合金基底32上。當(dāng)沉積各個(gè)層時(shí)，不同材料類型的顆?？梢员皇褂茫趯又g材料類型比率改變，以在涂層30中產(chǎn)生功能性梯度。圖2還包括顯示在每個(gè)相應(yīng)層中超合金顆粒、粘結(jié)涂層顆粒和陶瓷顆粒的相對比例的表。標(biāo)題為“焊劑”的列表示每層使用參照圖1所描述的粉末沉積工藝，諸如激光熔融或激光燒結(jié)被沉積。
[0012]層34包含100%的超合金顆粒。這種類型的層對于修補(bǔ)基底32中的裂縫或不平整是有用的。
[0013]層36包括超合金材料和粘結(jié)涂層材料，但具有比粘結(jié)涂層材料更高的超合金材料含量(即貧粘結(jié)涂層，富超合金)。
[0014]層38也包括超合金和粘結(jié)涂層材料，但它包含比超合金材料相對更多的粘結(jié)涂層材料(即富粘結(jié)涂層)，和比層36更多的粘結(jié)涂層材料。
[0015]層40僅包括粘結(jié)涂層材料。
[0016]層42包括粘結(jié)涂層材料和較少量的陶瓷絕緣材料。
[0017]層44包括粘結(jié)涂層材料和陶瓷材料，但具有比層42中更多的陶瓷材料。
[0018]層46僅包括陶瓷絕緣材料。
[0019]層34、36、38、40、42、44、46是由多個(gè)材料層的粉末沉積形成的功能性梯度熱障涂層系統(tǒng)的示例，其具有跨涂層的厚度變化的層的組成。這些層的不同組合或其它類型的層可以被包括在其他實(shí)施例中。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，涂層可以缺乏層32和/或?qū)?0。更逐漸改變組成比率的多個(gè)步驟可以在其他實(shí)施例中被使用。一些層可以包括超合金、粘結(jié)涂層和陶瓷材料。層可以具有相同或不同的厚度。超合金、粘結(jié)涂層和/或陶瓷材料的多個(gè)組合物可以在單個(gè)涂層系統(tǒng)中被使用。
[0020]因?yàn)樵诒疚拿枋龅姆勰┏练e工藝中使用的焊劑材料提供了對裂化的改進(jìn)保護(hù)，可以沉積高達(dá)3mm或更多的粘結(jié)涂層材料層。當(dāng)使用包括在粉末層中的某一濃度的陶瓷顆粒形成這樣的層時(shí)，在熔融粘結(jié)涂層材料內(nèi)的陶瓷材料的固有浮力將趨于驅(qū)動(dòng)陶瓷顆粒朝向熔體的向上表面。通過控制工藝參數(shù)，現(xiàn)在可以在粘結(jié)涂層中產(chǎn)生陶瓷顆粒的功能性梯度濃度。一種這樣的工藝示于圖3，其中基底50覆蓋有一層粉末52，該層粉末包括粘結(jié)涂層材料、陶瓷材料和焊劑材料的混合物。能量束54在粉末52之上作光柵化掃描，以形成分離成涂層58和熔渣60的覆層的熔體56。涂層58包括包在粘結(jié)涂層材料6