[发明专利]形成多层热障涂层系统的系统和方法

说明书

技术领域

本发明主要涉及用于在暴露于高温（例如，燃气涡轮发动机的不利热环境）的构件上形成涂层的系统和方法。更具体地，本发明涉及形成多层式热障涂层的方法。

背景技术

燃气涡轮发动机的热区段构件常常由热障涂层（TBC）保护，其降低下方构件基底的温度且由此延长构件的使用寿命。陶瓷材料且尤其是氧化钇稳定化氧化锆（YSZ）由于它们的高温性能、低热导率以及相对容易地通过等离子喷涂、火焰喷涂和物理气相沉积（PVD）技术沉积而广泛地用作TBC材料。空气等离子喷涂（APS）具有装备费用相对较低以及容易涂覆和掩模的优点，但在燃气涡轮发动机的最高温区域中采用的TBC常常是通过PVD、尤其是电子束物理气相沉积（EBPVD）来沉积的，其产生耐应变的柱状晶粒结构。类似的柱状微观结构可使用其它的原子和分子气相过程来产生。

在涡轮多层系统中看到的失效机理常常锚定于构件的表面和TBC和/或TBC的不同层之间的界面难题。此类问题，包括表面污染、在启动期间的过程不均匀性（例如，层间孔隙率、不熔性（unmelts）等）以及源交叉污染，可导致具有不可靠功能性的界面，从而危及多层系统的稳定性。

因此，需要有多层式涂层系统，在其中各个层可提供对于涂层系统的损坏容限、热特性、反应性等的改进。

发明内容

本发明的方面和优点将在下文描述中部分地阐述，或者可根据该描述是显而易见的，或者可通过本发明的实施而懂得。

总体上，提供了方法用于在构件的表面上形成热障涂层系统。热障涂层系统大体上包括具有柱状晶粒的热障涂层。在一个实施例中，该方法包括将构件引入到涂层室中，其中第一陶瓷源材料和第二陶瓷源材料定位在物理气相沉积设备的涂层室内。能量源被引导到第一陶瓷源材料上以使第一陶瓷源材料蒸发来在构件上沉积第一层。能量源在第一陶瓷源材料和第二陶瓷源材料之间交替以在第一层上形成混合层，该混合层由源自第一陶瓷源材料和第二陶瓷源材料的蒸气形成。

在某些实施例中，在使能量源在第一陶瓷源材料和第二陶瓷源材料之间交替之后，能量源被引导到第二陶瓷源材料上以使第二陶瓷源材料蒸发来在混合层上沉积第二层，使得混合层定位在第一层和第二层之间。

而且，总体上提供了热障涂层系统，其可根据上文所述的此类方法形成在基底的表面上。在一个实施例中，热障涂层系统包括在基底的表面上的粘结涂层；在粘结涂层上并且由第一陶瓷材料形成的第一层；在第一层上并且由第一陶瓷材料和不同于第一陶瓷材料的第二陶瓷材料形成的混合层；以及在混合层上并且由第二陶瓷材料形成的第二层。通常，混合层包括位于第一层和第二层之间的粒状界面。

一方面，本发明提供了以下技术方案。

技术方案1. 一种在构件的表面上形成热障涂层系统的方法，所述热障涂层系统包括具有柱状晶粒的热障涂层，所述方法包括：

引入所述构件到涂层室中，其中，第一陶瓷源材料和第二陶瓷源材料定位在物理气相沉积设备的所述涂层室内；

引导能量源在所述第一陶瓷源材料上以使所述第一陶瓷源材料蒸发来在所述构件上沉积第一层；以及

使所述能量源在所述第一陶瓷源材料和所述第二陶瓷源材料之间交替以在所述第一层上形成混合层，其中，所述混合层由源自所述第一陶瓷源材料和所述第二陶瓷源材料的蒸气形成。

技术方案2. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述能量源在所述第一陶瓷源材料和所述第二陶瓷源材料之间交替之后，引导所述能量源到所述第二陶瓷源材料上以使所述第二陶瓷源材料蒸发来在所述混合层上沉积第二层，使得所述混合层定位在所述第一层和所述第二层之间。

技术方案3. 根据技术方案2所述的方法，其特征在于，所述混合层形成在所述第一层和所述第二层之间的粒状界面。

技术方案4. 根据技术方案2所述的方法，其特征在于，所述混合层具有从所述第一层延伸至所述第二层的分级组成物。

技术方案5. 根据技术方案2所述的方法，其特征在于，所述第一层和所述第二层形成具有柱状晶粒的热障涂层，并且其中，所述热障涂层的混合层为所述第一陶瓷组成物和所述第二陶瓷组成物的混合物。

技术方案6. 根据技术方案2所述的方法，其特征在于，所述混合层具有从所述第一层延伸至所述第二层的分级组成物。

技术方案7. 根据技术方案6所述的方法，其特征在于，所述混合层在其与所述第一层的界面处具有相比于所述第二陶瓷源材料的更高浓度的所述第一陶瓷源材料并且在其与所述第二层的界面处具有相比于所述第一陶瓷源材料的更高浓度的所述第二陶瓷源材料。