[发明专利]制备热障涂层结构的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在根据权利要求1的前述部分的基材表面上制备热障涂层结构(thermal barrier coating structure)的方法和涉及使用该方法制备的基材。

背景技术

热障涂层用在机器和方法中以保护经受来自热效应的热应变、热气体腐蚀和侵蚀的零件。机器和方法的效率的提高经常仅可能伴随着方法温度的提高，使得相应地必须保护暴露的零件。航空发动机和固定式燃气轮机中的涡轮叶片即是如此，例如，其通常提供有单层或多层热障涂层体系以保护涡轮叶片免受高方法温度的作用和延长使用周期和使用寿命。

热障涂层体系根据应用可包含一个或多个层，例如阻挡层，特别地扩散阻挡层、粘结促进层、热气体腐蚀保护层、保护层、热障涂层和/或覆盖层。在前述涡轮叶片的例子中，基材通常由Ni合金或Co合金制备。施加到该涡轮叶片上的热障涂层体系可以，例如，以上升顺序包含下述涂层：

-金属阻挡层，例如，来自NiAl相或NiCr相或合金；

-金属粘结促进层，其也作为热气体腐蚀保护层，并且其可以例如至少部分地由金属铝化物(metal aluminide)或由MCrAlY合金进行制备，其中M代表金属Fe，Ni或Co之一或Ni和Co的组合；

-氧化物陶瓷保护层，例如主要是Al₂O₃或其它氧化物；

-氧化物陶瓷热障涂层，例如是稳定的氧化锆；和

-氧化物陶瓷平滑层或覆盖层，例如稳定的氧化锆或SiO₂。

热障涂层结构，其制备将在下面所述，包含至少一个氧化物陶瓷保护层和至少一个氧化物陶瓷热障涂层。将该热障涂层结构施加至金属基材表面上，该金属基材表面如在上述提及的涡轮叶片的例子中能够被提供有金属粘结促进层和/或热气体腐蚀保护层。

文献US 5,238,752中，描述了热障涂层结构的制备，其被施加至金属基材表面上。该基材本身由Ni合金或Co合金组成，但是金属基材表面由25μm厚至125μm厚的Ni铝化物或Pt铝化物的粘结促进层形成。在该基材表面上形成0.03μm至3μm厚的Al₂O₃氧化物陶瓷保护层，并且随后通过电子束物理蒸气沉积(EB-PVD)沉积125μm至725μm厚的ZrO₂和6％-20％Y₂O₃氧化物陶瓷热障涂层。在EB-PVD方法中，待被沉积用于热障涂层的物质，例如具有8％Y₂O₃的Zr₂，通过高真空中的电子束被变成蒸气相并且从所述蒸气相凝结于待涂覆的部件上。如果方法参数以合适的方式选择，产生柱状微结构。

在US5,238,752中描述的热障涂层结构的制备具有通过EB-PVD沉积热障涂层的装置成本相对高并且EB-PVD不允许该热障涂层的任何非视线(NLOS)施加的缺点，但是，例如采用低压等离子体喷涂(LPPS)同样可能涂覆位于在边缘后和从等离子体炬看不见的基材部分。

从WO03/087422A1中知道通过LPPS薄膜方法同样能够制造具有柱状结构的热障涂层。在WO03/087422A1中描述的等离子体喷涂方法中，待涂层材料通过等离子体射流喷涂至金属基材的表面上。在这方面，涂层材料被注入粉末射流散焦的等离子体中并且在低方法压力下在此进行部分或完全熔化，该低方法压力小于10mbar。为此目的，产生具有足够高比热含量的等离子体，使得共计至少5重量％涂层材料的主要部分变为气相。将各向异性结构化层施加至具有涂层材料的基材。在该层中，形成各向异性微结构的拉长微粒主要与基材表面垂直地直立排列，其中，该微粒通过低材料过渡区相互排列并且因此形成柱状结构。

在WO03/087422A1中描述的用于制备具有柱状结构的热障涂层的等离子体喷涂方法提到与LPPS薄膜方法相关，因为，如此它们，它使用宽等离子体射流，其通过等离子体炬内部压力(典型地100kPa)与小于10kPa的工作腔室内的压力之间的压力差产生。但是，由于使用所述方法产生的热障涂层能够高达1mm厚或更厚并且因此实际上不能由术语“薄膜”涵盖，所述方法在下面将称为等离子体喷涂物理蒸气沉积方法或缩写为PS-PVD。

申请人已经发现，如果使用根据修改后的方法制备的热障涂层结构，能够提高包含根据WO03/087422A1制备的热障涂层的热障涂层体系的热循环阻抗(thermal cycling resistance)。

发明内容