[发明专利]热阻挡涂层体系和材料

说明书

本申请是1998.5.22提交的题为“热阻挡涂层体系和材料”且系列号为08/764419的共同待批申请的部分继续申请，它是1996.12.12提交的(现已放弃)系列号为08/76419的后续实施申请。

本发明涉及用于热阻挡涂层的陶瓷材料，这种材料制造的热阻挡涂层，并涉及具有这种热阻挡涂层的金属部件。热阻挡涂层在气体涡轮引擎中特别有用。优选的陶瓷材料优选包括氧化钆和氧化锆并有立方晶体结构。

气体涡轮引擎是开发良好的机械，可将燃油形式的化学势能转成热能再转成机械能而用于推进飞机，产生电能，泵送流体等等。与此同时，改良气体涡轮引擎效能的主要有效途径是使用更高的作业温度。然而在气体涡轮引擎中使用的金属材料目前已是接近其热稳定性的上限。在现代气体涡轮引擎的最热部分，使用金属材料所处的气体温度已在其熔点以上。之所以能幸存是因为空气冷却。但提供空气冷却要降低引擎效率。

因此，已广泛开发热阻挡涂层以用于带冷却的气体涡轮飞机零件。使用热阻挡涂层可基本减少所需冷却空气的量，从而使效率相应增大。

这种涂层一定是以陶瓷为基。可提及的有莫来石，氧化铝等，而目前流行选择的材料是氧化锆。必须用稳定剂改良氧化锆以防止形成其单斜晶相，一般的稳定剂包括氧化钇，氧化钙，氧化铈和氧化镁。

一般而言，金属材料的热膨胀系数都超过陶瓷材料的。因此在开发成功的热阻挡涂层的过程中，必须关注的一个问题就是陶瓷材料和金属基体的热膨胀系数要匹配，使得在加热时基本膨胀而陶瓷涂层材料不开裂。氧化锆的热膨胀系数高，这是氧化锆顺利地用作金属基体上热阻挡涂层的主要原因。

可用几种技术沉积热阻挡涂层，包括热喷涂(等离子体，火焰和HVOF)、溅涂和电子束物理气相沉积(EBPVD)。这些技术中，由于电子束物理气相沉积产生独特的涂层结构，目前是优选应用的技术。电子束物理气相沉积的陶瓷材料，按照一定参数涂覆时就具有柱状晶粒微观结构，该微观结构由伸入涂层中的间隙所分开的小柱状晶粒构成。这些间隙可使基体基本上膨胀而不使涂层开裂和/或层剥落。例如参见一般受让的US 4321311。根据US 5073433和一般受让的5705231，通过等离子体喷涂技术，尽管范围较大仍能得到类似结构(包括分段开裂)。

尽管目前能顺利应用电子束物理气相沉积氧化锆基涂层，仍继续需要改良涂层，使之具有优异的热绝缘能力，特别是当对涂层密度标准化时要改良热绝缘能力。设计气体涡轮引擎，特别是旋转部件时，重量总是一个关键因素。陶瓷热阻挡涂层是不加载载体材料，因此添加重量而并不增加强度。人们迫切要求一种陶瓷热阻挡材料能在添加重量最小的同时提供最大的热绝缘能力。另外，显然还有的一般要求是长寿命，稳定性和经济性等等。

尽管已开发这种涂层用于气体涡轮引擎，本发明在遭遇高温如加热炉和内燃烧引擎的其他应用中显然具有实用性。

图1A描绘诸如锆酸镧或氧化钆锆酸盐的烧绿石的晶体结构。

图1B描绘例如完全稳定型氧化锆的萤石结构的晶体结构。

图2说明产生烧绿石结构所必要的A和B成分的离子大小之间的关系。

图3A描绘直接在金属基体上的陶瓷涂层。

图3B描绘在带中间粘合层的金属基体上的陶瓷涂层。

图3C描绘图3B中粘合层和陶瓷层之间界面的放大图。

图4说明ZrO₂-La₂O₃的相图。

图5说明几种陶瓷材料的热导性。

图6说明几种陶瓷材料的热膨胀系数。

图7说明ZrO₂-La₂O₃涂层的X-射线衍射扫描。

图8说明通过EB-PVD涂覆的氧化钆-氧化锆氧化物的微观结构。

图9说明热处理后的氧化钆-氧化锆氧化物的微观结构。

图10说明立方结构独石氧化钆-氧化锆氧化物试样的热导性，以及和独石氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)试样的对比。

图11说明氧化钆-氧化锆氧化物薄层的热导性，以及和常规氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)层的对比。

图12说明氧化钆和氧化锆的部分相图。

图13说明本发明包括陶瓷粘合层的另一个实施方案。