[发明专利]基体上制备有跨厚度化学组成和结构梯度并陶瓷外层方法

说明书

本发明涉及用作氢化和气体腐蚀保护以及气轮机和内燃机载热部件保护涂层的高温材料生产的领域，更具体地说，本发明涉及通过在真空中将具有不同熔化温度和蒸气压的金属/合金和化学化合物(氧化物)进行蒸发和冷凝而在基体上产生具有沿厚度方向的化学组成和结构梯度(功能梯度涂层-FG涂层)并具有陶瓷外层的电子束技术领域。

功能梯度涂层的特征是：沿保护层厚度方向的化学组成和结构是连续(平稳)或不连续(分层)的变化。可用不同技术方法获得化学组成和结构的不同梯度。

一个用于保护涂层(沿保护层厚度方向具有化学和相组成梯度)生产方法的公知实例是用化学热处理进行涂层生产的扩散法[Yu.A.Tamarin用于GTE叶片的抗氧化扩散涂层(oxidation-resistant diffusion coatings for GTE blades)-M；Mashinostoenie,1978,134页]。由于生产方法本身的原因，类似的保护涂层的主要缺点是在高温条件下保护涂层的热稳定性低。这些涂层也不能向气轮机叶片提供热保护。

其它的保护涂层生产方法是在保护基体上进行空气等离子体溅射技术(APS)，真空等离子体溅射(VPS,LPPS)和电子束物理蒸气沉积(EB-PVD)。这些涂层涉及覆盖层或单独类的涂层。

已知用于热阻挡层和耐热涂层沉积的一些等离子体发生器的申请(申请PCT/US93/05005，申请日：26,05,93(公开日9,12,1993,WO093/24676)]，它们是通过用计算机控制等离子体发生器操作模式的程序变化而形成的。结果沿沉积层厚度方向达到硬化相MeX(其中X是氧)的可变化的浓度，即从在基体处的0％到在涂层外表面处的60-80-100％的最佳值。该方法要求相当高的能源，十分费力，但其主要缺点是难于使等离子体发生器操作模式稳定而精确地再生产沿保护层厚度的梯度组成和结构。

在S.Sampath等人，FGMs/MRS热溅射处理简报(Thermal sprayprocessing of FGMs/MRS Bulletin)-1995,20,1,P27-29中描述了一种使用具有二个独立给料器的单个等离子体发生器生产厚的梯度涂层(δ≤2mm)的方法，该涂层由分开的变化成分的微表层和在层间的平的界面所组成。该文中列出一个等离子体发生器操作计算机软件的实例，同时沉积有NiCr-(ZrO₂-8％Y₂O₃)梯度涂层并在保护层的表面有100％的陶瓷层。该涂层总厚度达800μm，然而，该涂层寿命短，因为在各微层之间的平界面为在这些界面处产生微裂纹的形成和其生长创造了有利条件，结果在热循环期间涂层材料层分层并破裂。

为了增加用空气等离子体溅射(APS)所制成的δ≤250μm厚的热阻挡涂层的耐久性，使键合的涂层表面，例如Ni-10Co-18Cr-6.5Al-0.3Y，进行另外的铝化从而在B-(Ni,Co)Al型金属间结构的外层获得沿厚度方向上的铝梯度，同时在表面处铝含量达26-30％。所述技术工艺增加了TBC外表面陶瓷层在循环温度变化为113550℃(循环时间为1小时)下的耐久性，即热循环从70增加到210-170循环(小时)[Wortman D.J.等人，热阻挡涂层的键涂层进展(Bond Coat developmant for thermal barrier coating)-Trans.ASME，气轮机和电机的工程杂志(J.Eng.for gas Turbines & power),-1990,112,10,P527-530]。

在US 4123595(78,10,31)中描述了由MeCrAl标准合金EB蒸发和随后铪和铂离子冷凝或阴极溅射相组合而产生的沿厚度方向有梯度的类似MeCrAlHf和MeCrAlHfPt涂层。在US4101715(78,7,18)中，提出通过再在真空中热处理的电镀方法而将铂沉积在冷凝后的CoCrAlY涂层上的方法。这使得在CoCrAlYPt涂层外层内的厚度方向具有铂分布梯度的高温合金的耐腐蚀性明显增加。由于盐熔导致Al₂O₃膜润湿性下降而导致改善含铂涂层的耐腐蚀性。所述耐腐蚀性梯度涂层生产方法的缺点是热导率高，在多元热循环下保护涂层的热稳定性不足。