[发明专利]可研磨涂层

说明书

公开了一种形成可研磨涂层的方法。该方法包括：(i)形成等离子体；(ii)引入涂层材料，其呈具有1至50μm范围内的颗粒的粉末形式，由递送气体携带进入等离子体，该等离子体具有足够高的比焓，以用于至少部分熔融一些粉末并汽化至少5重量％的粉末，以便形成蒸气和颗粒的蒸气相云；(iii)通过维持介于50和2000Pa之间的工艺压力形成等离子体束；(iv)通过维持介于50和2000Pa之间的工艺压力使等离子体束散焦；和(v)由蒸气相云在基底表面上形成可研磨涂层，其为绝缘层体系的一部分，该可研磨涂层包含柱状结构。有利地，该柱状结构的可研磨涂层(40，41)具有小于30s/mil，优选在5至27s/mil范围内，更优选在10‑25s/mil范围内，还更优选在15‑20s/mil范围内的耐腐蚀性。

本发明涉及燃气涡轮发动机中例如通过可研磨涂层(abradable coating)的间隙控制，以及制备该可研磨涂层的方法。尤其，本发明涉及通过真空等离子体喷涂方法(例如等离子体喷涂物理气相沉积)施加在涡轮机组件(例如壳体或罩盖)上的可研磨涂层。

背景

可研磨涂层的施加用于许多应用，尤其作为航空器燃气涡轮机或固定式燃气涡轮机中的可研磨密封。通常，在旋转组件(例如叶片或轮叶)以及固定部件(例如燃气涡轮机中的壳体或罩盖)之间的区段或罩盖上制备密封。所述密封确保热气体不能在例如轮叶尖端和罩盖之间的间隙处泄漏或逃逸。防止泄漏有助于将所有气体导向旋转组件，从而增加发动机效率和功率输出。可研磨层的材料和微结构的选择是至关重要的，但是在考虑燃烧室中的高温条件时，选择受到限制。

通常，轴流式燃气涡轮机的旋转式压缩机或转子包含多个与安装在罩盖中的轴连接的叶片。在运转中，轴和叶片在罩盖内部旋转。将涡轮机罩盖的内表面和运动的叶片尖端之间的缝隙定义为间隙。该缝隙在完美情况下应接近于0mm。在实际情况中，例如在喷气式发动机或固定式燃气涡轮机中，这在机械上是不可能的，因为固有的壳体变形。同样，归因于高旋转速度且归因于发动机或涡轮机内部的高气体温度的转子的膨胀阻止实现该理想的限制。此外，对于航空器燃气涡轮机而言，运转期间的其它因素(例如降落、起飞或飞行期间的不稳定性)可导致发动机轴的最小偏差，这将使得在非常短的时间段内叶片尖端略微移动以更靠近罩盖。

通常在壳体或罩盖的内壁上制备厚的可研磨涂层，以允许叶片尖端和罩盖之间的良好密封。归因于上述因素，叶片尖端在厚的可研磨涂层上的摩擦将不会在运转期间或在发动机启动/停止期间在涂层中产生恒定的穿透。因此，有必要在涡轮机的不同运转阶段中控制可研磨涂层的磨损。

为了使涡轮机叶片尖端在可研磨涂层中切割受控的凹槽，制备涂层的材料必须相对容易磨耗，而不会磨损叶片尖端。这要求叶片尖端的材料选择和涂层中的材料的仔细平衡。此外，它要求产生具有特定微结构的涂层，其一方面足够软以便磨耗，而不会与基底分离。并且，另一方面，不会太硬而不能防止破坏叶片尖端。当考虑高温性能要求时，材料的选择变得甚至更加受限。

在大多数情况下，可研磨涂层是施加在金属基底上的最后的涂层，并且是完整的热障涂层(TBC)系统的一部分。这些热障涂层(更详细地描述于例如美国专利号5,238,752中)是必要的，因为涡轮机组件暴露于发动机中的高气体温度下。TBC能够提供由介于140°和170°之间的组件所见的温度降低。结合涡轮机组件的主动冷却，TBC可以使得能够在超过超级合金的熔化温度以上250℃的燃烧气体温度下运转发动机。对组件进行热保护的另一优势在于组件寿命延长和维修频率降低。

TBC系统包括以下列次序施加在涡轮机组件上的典型的几个层：

1.任选的金属屏障层，其具有与基底接近的组成，例如NiAl或NiCr基合金；

2.金属粘合层，其用作热气体腐蚀保护并还用作金属基底和陶瓷顶层之间的中间层。该粘合层可使用NiAl、NiPtAl、PtAl或MCrAlY合金制造，其中M代表一种金属，例如Fe、Ni或Co，或Ni和Co的组合；