[发明专利]改性热屏障复合涂层

说明书

技术领域

本发明总地涉及用于保护基底材料不受高温和腐蚀环境损害的热屏障复合涂层领域。

发明背景

施加在基底上的热屏障涂层（以下称为“TBC”）已知抑制热量流入基底中。TBC一般用以保护暴露于热燃烧气体的燃气涡轮发动机的合金部件。

TBC可以通过蒸汽方法沉积，诸如物理蒸汽沉积(PVD)。这种PVD涂层通常由工艺条件产生，所述工艺条件被设计成促进提供顺应式微结构的离散的、紧密堆积的、柱状晶粒的成核和生长。柱状晶粒由小间隙分隔，所述小间隙可以减轻涂层中的应力。然而，所述柱之间的间隙可以提供用于污染物的渗透的通路，所述污染物可能诱发底层涂层和/或基底材料的腐蚀。

作为替代，热屏障涂层可以通过大气等离子喷涂(APS)施加，其衍生自干粉源。APS涂层通过用等离子喷涂炬加热粉状金属氧化物或非氧化物材料的气推式喷雾而形成。将喷雾加热至粉末颗粒变得熔化的温度。熔化颗粒的喷雾对准基底表面，所述熔化颗粒的喷雾在受影响时在基底表面上固化而产生涂层。常规沉积态APS微结构已知的特征在于材料的重叠薄片激冷金属(overlappingsplats)。薄片激冷金属间边界可以紧密接合，或者可以由导致一些孔隙的间隙分离。相比于EB-PVD涂层，施加APS涂层一般更价廉，并且它们提供比柱状粒化结构更好的针对周围环境的热密封和化学品密封。然而，沉积态APS微结构中的薄片激冷金属间的间隙在暴露于高温时往往致密化。由于诱发涂层内的热应力的累积（可最终引起剥落）的重复热循环，这种致密化可能导致燃气涡轮机环境中的较短工作寿命。

柱状结构可以通过使用APS方法（即，在环境温度和压力条件下执行的喷雾方法）使用一般由溶液或者悬浮液方式递送的纳米尺寸粉末而产生。柱间的间隙可以提供应变减轻。当等离子流出物和粒径被调整至所需的互相作用范围时，沉积材料的重叠层可以一起流动以形成邻近的颗粒层的柱状排序(ordering)。虽然这种柱状结构当与常规沉积态APS微结构相比可能具有一些优点，但这些涂层具有缺点，所述缺点包括：当调整至具有低柱内密度时的低耐侵蚀性；沿着柱间的间隙的直接的热路径；和/或可能的由柱间的间隙和低柱间密度所致的对化学渗入的低抵抗性。

考虑到常规TBC的缺点，对具有顺应式结构的TBC的需要尚未满足，所述具有顺应式结构的TBC在热循环期间可以保持粘附至基底，同时通过抑制热量流向基底表面和阻挡可以诱发基底表面腐蚀和/或侵蚀的污染物的渗透通路来保护基底的完整性。

发明内容

本发明可以包括各种组合的任何以下方面，并且还可以包括以下描述于书面说明书中的本发明的任何其他方面。

本发明提供一种涂层体系，所述涂层体系允许单涂层结构显示先前认为互斥的性质。本发明还提供用于随涂层内的位置变化而调整涂层结构的特定性质的独特方法。

在第一方面，提供热屏障改性复合涂层，其包括：结合至基底的表面的第一涂层，所述第一涂层包括宏观柱状特征，所述宏观柱状特征的特征在于峰和谷在它们的对应自由表面上预定分布以在第一层与第二层之间产生改善的机械结合；来源于纳米尺寸和/或亚微米尺寸的薄片激冷金属的前体液体悬浮液的所述宏观柱状特征将在基底表面形成热机械顺应式界面，所述薄片激冷金属随机定向以产生针对第一涂层的各向同性结晶取向；所述薄片激冷金属包括非等轴柱状晶粒，所述非等轴柱状晶粒在冷却时朝与热流方向相反的方向生长；并且其中所述第二涂层结合至第一涂层的对应自由表面，在整体(bulk)和/或自由表面上的所述第二涂层与第一涂层相比具有至少一种改善的涂层性质。

在第二方面，提供热屏障改性复合涂层，其包括：结合至光滑基底的表面的第一涂层，所述第一涂层具有小于约10μm的尺寸；所述第一涂层包括宏观柱状特征，所述宏观柱状特征的特征在于峰和谷在它们的对应自由表面上预定分布以在第一层与第二层之间产生改善的机械结合；来源于纳米尺寸和/或亚微米尺寸的薄片激冷金属的前体液体悬浮液的所述宏观柱状特征将在基底表面形成热机械顺应式界面，所述薄片激冷金属随机定向以产生针对第一涂层的各向同性结晶取向；所述薄片激冷金属包括非等轴柱状晶粒，所述非等轴柱状晶粒在冷却时朝与热流方向相反的方向生长，以产生各向异性结晶晶粒取向；和所述第二层包括结合至第一涂层的对应自由表面的致密涂层，所述致密涂层具有比第一涂层更低的孔隙率，所述致密涂层与第一涂层相比具有改善的机械侵蚀屏障。