用于熱噴涂涂層的電絕緣材料的制作方法
【專利說明】用于熱噴涂涂層的電絕緣材料
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 該申請要求于2013年2月20日提交的美國臨時申請61/766, 960的優(yōu)先權(quán)，該申 請的內(nèi)容以它們的全文明確地結(jié)合至本文。
[0003] 發(fā)明背景
[0004] 許多工程應(yīng)用需要將絕緣層涂布于金屬體上，以提供某些功能，例如防止化學(xué)、機(jī) 械、熱或電的影響。如今使用的大多數(shù)絕緣材料為陶瓷。然而，常常由于陶瓷涂層和下層金 屬體之間的熱膨脹系數(shù)差異，在熱載荷下在陶瓷涂層中產(chǎn)生高機(jī)械應(yīng)力。這些應(yīng)力容易導(dǎo) 致涂層的裂紋和/或?qū)与x。因此，期望具有與待涂布的金屬材料相似的熱膨脹系數(shù)的絕緣 材料。
[0005] 金屬通常具有大于10 ym/m/κ的熱膨脹系數(shù)，因此僅少數(shù)氧化物可用于涂布目 的。將例如具有11 μπι/m/K附近的熱膨脹系數(shù)的穩(wěn)定氧化鋯作為熱障涂層用于渦輪機(jī)械組 件，和作為高溫下的離子導(dǎo)體（電解質(zhì)）用于例如固體氧化物燃料電池的電設(shè)備。然而，氧 化鋯對來自金屬或氧化物溶體侵蝕的抗性低于許多其它材料[參考美國專利6, 723, 442 ; 6, 764, 771，其通過引用以它們?nèi)慕Y(jié)合至本文]。在離子導(dǎo)電占主導(dǎo)的高溫下，氧化鋯還失 去其電絕緣性質(zhì)。
[0006] 對于通過熱噴涂方法的涂層的應(yīng)用，所述絕緣材料另外需要具有合適的性質(zhì)，以 承受過程條件并形成具有期望功能的涂層。例如，MgO具有高熔點、對溶體的充足抗性、高 的電絕緣性和13. 5 μπι/m/K的熱膨脹系數(shù)。這表示，MgO也是用于金屬的合適涂料。然而， MgO不是用于熱噴涂過程用途的合適的材料，因為MgO在這類過程中出現(xiàn)的高溫下分解，且 分解產(chǎn)物具揮發(fā)性。
[0007] 由MgO和A1203的混合物生產(chǎn)的陶瓷具有用于與多種金屬組合的良好性質(zhì)。由MgO 和A1203生產(chǎn)的燒結(jié)陶瓷市售可得。它們具有對化學(xué)、熱和機(jī)械侵蝕的高度抗性的優(yōu)點，并 且具有位于11 μ m/m/K附近的熱膨脹系數(shù)。然而，這類陶瓷作為涂料僅具有有限的適應(yīng)性， 因為實際上它們不適合通過熱噴涂方法涂布。同樣在這些陶瓷中，陶瓷的MgO在熱噴涂期 間出現(xiàn)的高溫下蒸發(fā)。
[0008] 美國專利6, 723, 442描述基于MgAl204尖晶石和MgO的組合的材料，其生產(chǎn)方法， 由施用在金屬體上的材料產(chǎn)生的涂層（或?qū)樱?，以及作為高溫燃料電池中的組件的這種涂 布金屬體的使用。描述述材料包含MgO晶粒，所述晶粒嵌入尖晶石MgAl204的母體中。
[0009] 美國專利6, 764, 771描述用熱障涂層涂布的（金屬）渦輪葉片，所述熱障涂層基 于選自以下的尖晶石材料的混合物：CoMg204、CoFe20 4、CoCr204、CoTi204、C〇A1 204、NiMg204、 NiTi204、TiMg204、TiFe 204、TiCr204和 TiAl 204，以及選自以下的氧化物材料：MgO、Hf02、C〇0、 NiO和Cr203和/或它們的組合。
[0010] 美國專利申請公開US2011/0033779(2011年2月10日）描述用作固體氧化物燃 料電池（S0FC)體系的數(shù)種材料組成和組合，所述公開以引用將其全文結(jié)合至本文。
[0011] 對包括例如氧化鎂和尖晶石，優(yōu)選MgAl204的沉積熱噴涂涂層的材料和方法仍有 需求。 發(fā)明概要
[0012] 意外地發(fā)現(xiàn)，可制備用于提供具有可調(diào)熱膨脹系數(shù)（以匹配使用熱噴涂過程涂布 的金屬材料的熱膨脹系數(shù)）的耐高溫電絕緣涂層的材料。還意外地發(fā)現(xiàn)，可由不含尖晶石 的起始材料在基材上制備包括尖晶石的涂層。
[0013] 在一個優(yōu)選的實施方案中，將非尖晶石起始材料熱沉積在基材上。在一個優(yōu)選的 實施方案中，將起始材料注入熱區(qū)，在此處將其加熱和/或熔融并隨后推進(jìn)至表面，用于在 其上沉積?？赏ㄟ^任何合適的方法和設(shè)備完成加熱，例如通過使用高溫（例如火焰，燃料燃 燒，或電弧）。不受理論約束，相信非尖晶石化合物在去往表面的途中反應(yīng)，從而在去往表面 的運行中形成尖晶石。也有可能不形成尖晶石，直到噴料沉積在表面上。
[0014] 本發(fā)明提供包含核部分（包含第一混合物）和包裹部分（包含第二混合物）的材 料，第一混合物富含高-CTE材料（組分B1)且貧乏非升華的電絕緣體（組分A1);第二混 合物富含非升華的電絕緣體（組分A2)并貧乏高-CTE材料（組分B2);且其中組分A1和 B1的至少一個具有最大約100微米的平均粒徑；和組分A2和B2的至少一個具有最大約20 微米的平均粒徑；其中包裹部分至少部分包裹核部分。
[0015] 本發(fā)明還提供通過將材料熱噴涂于基材上制備的熱噴涂涂層。
[0016] 本發(fā)明還提供制造熱噴涂涂層的方法，所述方法包括：獲得材料；獲得基材；并通 過將材料通過熱噴涂過程施用于基材形成基材上的涂層。
[0017] 組分A1和A2優(yōu)選獨立地選自以下之一或兩者：a)三價或四價金屬的一種或多種 氧化物，或b)具有粘合性質(zhì)的一種或多種鹽。優(yōu)選地，組分A1和A2獨立地選自以下一個 或多個的氧化物：Al、In、Ga、Y、Sc、Mg、Si、Ti、Ge、Zr、Hf、Sn、Nb、Μη 或稀土金屬。優(yōu)選地， 組分Α1和/或Α2包含Α1203。
[0018] 組分Β1和Β2優(yōu)選具有至少約10 μ m/m/K的熱膨脹系數(shù)。組分Β1和Β2優(yōu)選獨立 地選自以下一個或多個：簡單氧化物、雙金屬氧化物、三金屬氧化物、堿金屬鹵化物、堿性金 屬鹵化物或金屬。優(yōu)選地，組分B1和/或B2包含MgO,基本上由MgO構(gòu)成，或由MgO構(gòu)成。
[0019] 優(yōu)選地，材料包含多個核。優(yōu)選地，核包含作為整料或較小顆粒團(tuán)塊中的至少一種 的顆粒。優(yōu)選地，材料包含多個附聚的被包裹的核。優(yōu)選地，核或多個核進(jìn)一步包含非導(dǎo)電 和非升華的外層。優(yōu)選地，外層包含以下之一或兩者：a)三價或四價金屬的一種或多種氧 化物，或b)具有粘合性質(zhì)的一種或多種鹽。
[0020] 優(yōu)選地，材料基本上不含尖晶石。優(yōu)選地，材料進(jìn)一步包含粘合劑。優(yōu)選地，材料 進(jìn)一步包含分散劑。
[0021] 優(yōu)選地，熱噴涂涂層包含一種或多種尖晶石。優(yōu)選地，熱噴涂涂層的基材包含鐵、 鋼、錯、銅、Fe-Cr合金、富含Cr的鋼、鈷、-合金、鎳、-合金、青銅或鈦。
[0022] 優(yōu)選地，熱噴涂涂層包含尖晶石。優(yōu)選地，材料不包含尖晶石，且熱噴涂涂層包含 尖晶石。優(yōu)選地，材料包含A1203，且熱噴涂涂層不含A120 3。
[0023] 附圖簡述
[0024] 圖1為說明根據(jù)本發(fā)明的粉末顆粒結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0025] 圖2為說明根據(jù)本發(fā)明的粉末顆粒結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0026] 圖3為說明根據(jù)本發(fā)明的粉末顆粒結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0027] 圖4為說明根據(jù)本發(fā)明的粉末顆粒結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0028] 圖5為說明根據(jù)本發(fā)明的粉末顆粒結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0029] 圖6為說明根據(jù)本發(fā)明的粉末顆粒結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0030] 圖7為說明根據(jù)本發(fā)明的粉末顆粒結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0031] 圖8為說明根據(jù)本發(fā)明的粉末顆粒結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0032] 圖9為說明根據(jù)本發(fā)明的粉末顆粒結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0033] 圖10顯示根據(jù)本發(fā)明的粉末的形態(tài)和橫截面；Mg0-Al203 "包覆"粉末的SEM粉末 圖像（500倍）：(a)形態(tài)，（b)橫截面。
[0034] 圖11顯示根據(jù)本發(fā)明的粉末的形態(tài)和橫截面；Mg0-Al203 "包覆"粉末的SEM粉末 圖像（500倍）：(a)形態(tài)，（b)橫截面。
[0035] 圖12顯示根據(jù)本發(fā)明的粉末的形態(tài)和橫截面；Mg0-Al203 "包覆"粉末的SEM粉末 圖像（500倍）：(a)形態(tài)，（b)橫截面。