[发明专利]制造热障保护的方法以及适于形成热障的多层涂层

说明书

技术领域

本发明涉及制造用于覆盖超合金金属基质的热障保护的方法，涉及适于在超合金金属基质上形成热障的多层涂层，以及涉及由这种制造方法所产生的和/或包括这种涂层的热机械部件。

背景技术

特别是航空学领域中，用于增加涡轮发动机输出功率，以及为了减少燃料消耗，为了减少燃气和未燃烧化合物的污染排放的研究已经导致了更接近燃料燃烧的化学计量学。这种情况伴随着从燃烧室流向涡轮机的燃气温度的增加。

今天，超合金使用的限制性温度是1100℃的数量级。燃烧室出口燃气的温度或涡轮机入口燃气的温度可以达到1600℃。

因此，涡轮机的材料不得不通过增强用于冷却涡轮叶片(中空叶片)的技术和/或通过改善这些材料的抗高温性来适应这种温度的升高。所述第二种方法，结合基于镍和/或钴的超合金的使用，已经产生了几种方案，其中一种方案是在超合金基质上沉积由几层组成的称为热障的热绝缘涂层。

航空发动机中热障的应用已经产生大约20年了，并且给出了增加涡轮机中燃气出口温度的可能性，以及减少冷却气体流动和因此改善发动机输出功率的可能性。

实际上，这种绝缘涂层给出了在稳定状态工作期间在冷却部件上通过涂层产生热梯度的可能性，对于厚度约150μm到200μm，具有1.1W.m^-1.K^-1传导率的涂层来说，其热梯度的总幅度可以超过100℃。形成用于涂层基质的下面金属的工作温度因此降低了相同的梯度，这引起了冷却所需的空气体积，部件使用寿命以及涡轮发动机特定消耗的显著增加。

借助于使用热障是已知的，其包括基于用包含4％和12％之间摩尔含量氧化钇的氧化钇稳定的氧化锆，即，氧化钇化氧化锆的陶瓷层，该陶瓷层的膨胀系数不同于形成基质的超合金的膨胀系数，并且该陶瓷层具有很低的导热率。稳定的氧化锆在一些情况下也可以包含至少一种选自下列组的元素的氧化物：稀土，优选地选自下列亚组的元素的氧化物：Y(钇)、Dy(镝)、Er(铒)、Eu(铕)、Gd(钆)、Sm(钐)、Yb(镱)或氧化钽(Ta)和至少一种稀土氧化物的组合，或者氧化铌(Nb)和至少一种稀土氧化物的组合。

在所使用的涂层中，提到的是非常普遍使用的基于用氧化钇部分稳定的氧化锆，例如Zr_0.92Y_0.08O_1.96的陶瓷层。

为了确保这种陶瓷层的锚固，通常在部件基质和陶瓷层之间插入具有接近基质热膨胀系数的热膨胀系数的金属亚层。这种亚层确保部件基质和陶瓷层之间的粘合，同时要意识到亚层和部件基质之间的粘合伴随着相互扩散，亚层和陶瓷层之间的粘合伴随着机械锚固以及伴随着在确保与陶瓷化学接触的薄氧化物层-陶瓷/亚层界面处，亚层在高温下扩展的趋势。而且，这种金属亚层确保部件抗腐蚀现象。

特别地，用MCrAlY类型合金形成的亚层的使用是已知的，M是选自镍、钴、铁或这些金属混合物的金属，其存在于γ镍钴合金基体中，在溶液中具有含有βNiAl铬的沉淀。

使用由铝化镍所组成的亚层或MCrAlYpt类型的金属亚层，M是选自镍、钴、铁或这些金属混合物的金属，或者基于Pt的金属亚层是已知的，所述铝化镍包含选自下列的金属：铂、铬、钯、钌、铱、锇、铑或这些金属的混合物和/或选自下列的活性元素：锆(Zr)、铈(Ce)、镧(La)、钛(Ti)、钽(Ta)、铪(Hf)、硅(Si)和钇(Y)。

该亚层可以最终对应于单向扩散的铂涂层，其存在于γ-γ原镍钴合金基体中，该基体在溶液状态时带有Pt。

通常，陶瓷层通过投射技术(特别是等离子投射技术)或通过物理蒸汽沉积，例如，通过蒸发(例如，在电子轰击下在真空蒸发室中形成沉积层的电子束-物理蒸汽沉积“EB-PVD”)沉积在待要被涂层的部件上。

在投射涂层的情况下，通过等离子体投射类型技术在可控大气压环境下进行基于氧化锆的氧化物沉积，这导致了由大量熔滴所组成的涂层的形成，该熔滴随后碰撞淬火、变平和堆积以形成不完美的致密沉积，该涂层厚度通常在50微米和1毫米之间。

通过物理途径，例如，通过电子轰击下的蒸发沉积的涂层产生了由小圆柱体汇集所组成的涂层，该小圆柱体基本上垂直定向于待要被涂层的表面，该涂层厚度在20微米到600微米之间。有利地，小圆柱体之间的空间允许涂层有效地补偿由于在超合金基质工作温度时膨胀差异所产生的热机械应力。

因此，在高温热疲劳下获得了高寿命的部件。

通常，这些热障由此产生了在形成该热障的机械部件外涂层和形成部件组成材料的该涂层基质之间的导热率不连续性。